JP3618464B2 - Diffractive optical element and optical apparatus using the same - Google Patents

Description

で与えられる。
【０００８】
（１）式において、位相振幅ａは、空気の屈折率を１、レリーフパターンを形成した基材の屈折率をｎ、溝深さをｄ、および使用する光の波長をλとして、
【数４】

で定義される量である。ここで、波長λ_０ で、ｍ_０ 次回折効率が１００％となるように最適化した溝深さｄ_０ は、
【数５】

となるので、このときの位相振幅ａは、
【数６】

となる。
【０００９】
（４）式は、ある定まった溝深さｄ_０ に対して、位相振幅ａが波長に依存することを意味し、この位相振幅ａの波長依存によって、（１）式から明らかなように、回折効率の波長依存が引き起こされる。例えば、図２０に示した回折効率の波長依存も、このような現象の結果である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本出願人は、上述したような回折効率の波長依存性の仕組みを詳細に検討し、回折効率の波長依存性を低減した新しいタイプのレリーフ型回折光学素子を既に提案している（特願平７−２２０７５４号）。ここで提案している回折光学素子は、図２２に示すように、高屈折率低分散の光学材料１０ａと、低屈折率高分散の光学材料１０ｂとの異なる２種類の光学材料を組み合わせ、その異なる２種類の光学材料１０ａ、１０ｂの境界面にレリーフパターン２０を形成したものである。
【００１１】
ここで、レリーフパターン２０の断面形状を、図２２に示すように鋸歯波状として、その溝深さを、波長λ_０ でｍ_０ 次回折効率が１００％となるように最適化した場合の位相振幅ａ（λ）は、
【数７】

で与えられる。ただし、ｎ_１（λ） は、高屈折率低分散の光学材料１０ａの屈折率を示し、ｎ_２（λ） は、低屈折率高分散の光学材料１０ｂの屈折率を示す。
【００１２】
（５）式において、２種類の光学材料の屈折率ｎ_１ ，ｎ_２ が、使用する波長帯域にわたって、例えば、図２３に示すように、ｎ_１（λ） ＞ｎ_２（λ） であるとすると、分子に現われる屈折率差は波長λの増加に伴って増加し、分母のλの変化分を打ち消すようになる。したがって、位相振幅の波長変化は、（４）式で表される場合と比較して小さく抑えられるので、結果として、回折効率の波長変化を小さく抑えることができる。
【００１３】
しかしながら、現実に存在する光学材料の屈折率と分散（屈折率の波長分散）との関係は、おおよそ、屈折率が大きくなるほど分散も大きくなる傾向を示すため、十分な効果を有する光学材料の組み合わせを見い出すのは容易ではない。例えば、可視帯域光で使用する光学材料には、豊富な種類があるが、基本的には屈折率の増加に伴って分散も増加する。また、可視帯域光で使用する光学材料の多くは、いわゆる光学ガラスであるが、２種類の光学材料としてそれぞれ光学ガラスを選んだ場合には、加工性が悪いことから、その境界面に微細なレリーフパターンを形成するのは容易ではない。さらに、製造の容易さを考慮して、２種類の光学材料の少なくとも一方を、加工の容易なプラスチック光学材料とすることもできるが、プラスチック光学材料は種類が少ないため、十分な効果を有する光学材料の組み合わせは大きく制限される。特に、プラスチック光学材料どうしの組み合わせでは、回折効率の波長依存性を改善するのは容易ではない。
【００１４】
この発明は、上述した問題点に着目してなされたもので、容易に製造でき、しかも回折効率の波長依存を低減して、フレアやゴースト等の発生を有効に防止できるよう適切に構成した回折光学素子、およびそれを用いる光学装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、第１の発明にかかる回折光学素子は、
密接または近接して順次に積層した第１、第２および第３の領域と、
前記第１および第２の領域の境界面に形成した第１のレリーフパターンと、
前記第２および第３の領域の境界面に形成した第２のレリーフパターンとを有し、
前記第１、第２および第３の領域は、使用する光の波長で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、
前記第１および第２のレリーフパターンは、実質的に等しいピッチ分布で、対応する部位が近接して配置され、
かつ、前記第１、第２および第３の領域をそれぞれ構成する材料の屈折率を、ｎ_１（λ） 、ｎ_２（λ） およびｎ_３（λ） とし、
前記第１および第２のレリーフパターンのそれぞれの溝深さを、ｄ_１およびｄ_２、それらの比を、α＝ｄ_２／ｄ_１として、
【数８】
ΔＮ（λ）＝｛ｎ_１（λ） −ｎ_２（λ） ｝＋α｛ｎ_２（λ） −ｎ_３（λ） ｝
ただし、λ：光の波長
とするとき、
【数９】
｜ΔＮ（λ_２）｜＞｜ΔＮ（λ_１）｜＞０；λ_２＞λ_１
ただし、λ_１：使用する光の波長域の短波長端の波長
λ_２：使用する光の波長域の長波長端の波長
を満たすことを特徴とするものである。
【００１６】
さらに、第２の発明にかかる回折光学素子は、
密接または近接して順次に積層した第１、第２および第３の領域と、
前記第１および第２の領域の境界面に形成した第１のレリーフパターンと、
前記第２および第３の領域の境界面に形成した第２のレリーフパターンとを有し、
前記第１の領域は、使用する光を反射する材料をもって構成され、
前記第２および第３の領域は、使用する光の波長で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、
前記第１および第２のレリーフパターンは、実質的に等しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それらの対応する部位が近接して配置されていることを特徴とするものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明に先立って開発した回折光学素子の概念図で、断面の一部を模式的に示したものである。この回折光学素子は、順次に積層した第１の領域１１、第２の領域１２および第３の領域１３と、第１の領域１１および第２の領域１２の境界面に形成した第１のレリーフパターン２１と、第２の領域１２および第３の領域１３の境界面に形成した第２のレリーフパターン２２とを有する。第１，第２および第３の領域１１，１２および１３は、それぞれ使用する光の波長帯域で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成する。ここでは、第１の領域１１の屈折率をｎ_１（λ） 、第２の領域１２の屈折率をｎ_２（λ） 、第３の領域１３の屈折率をｎ_３（λ） とする。
【００１９】
また、第１および第２のレリーフパターン２１および２２は、等しいピッチ分布を有する断面鋸歯波状に形成して、対応する部位を対向させる。ここでは、第１のレリーフパターン２１の溝深さをｄ_１ 、第２のレリーフパターン２２の溝深さをｄ_２ 、第１のレリーフパターン２１の頂部と第２のレリーフパターン２２の底部との間隔をｄ_３ とする。
【００２０】
図１に示す構成において、回折光学素子に入射した光は、第１，第２のレリーフパターン２１，２２によってそれぞれ位相変調を受けることになる。この場合、第１のレリーフパターン２１の位相振幅ａ_１（λ） は、
【数１０】

となり、第２のレリーフパターン２２の位相振幅ａ_２（λ） は、
【数１１】

となる。
【００２１】
ここで、第１，第２のレリーフパターン２１，２２よりなる構造を一体と考えて、回折光学素子に入射した光が実質的に同時に変調されるとすると、その位相シフト作用を特長づける位相振幅ａ（λ）は、
【数１２】

のように表すことができる。
【００２２】
さらに、このときの溝深さを、波長λ_０ においてｍ_０ 次回折効率が１００％となるように最適化すれば、ａ（λ_０ ）＝ｍ_０ なる条件から、
【数１３】

となる。ただし、αは、以下のように、第１のレリーフパターン２１の溝深さｄ_１ と、第２のレリーフパターン２２の溝深さｄ_２ との比で定義される量である。
【数１４】

【００２３】
このように、図１に示した回折光学素子の位相振幅ａ（λ）は、（８）式で示すように、第１のレリーフパターン２１の位相振幅ａ_１（λ） と、第２のレリーフパターン２２の位相振幅ａ_２（λ） との和で与えられるが、その波長依存特性は、（１０）式で定義したパラメータαに依存している。ここで、パラメータαは、（９）式が示すように、特定波長λ_０における回折効率の最適化とは無関係に、任意に決めることができるパラメータである。
【００２４】
また、図１に示す構成によれば、第１，第２および第３の領域１１，１２および１３は、互いに異なる材料で形成されており、屈折率差Δｎ_１（λ） およびΔｎ_２（λ） が、異なる波長依存性を示すことになるので、パラメータαの設定を変えることにより、（９）式の位相振幅ａ（λ）を、種々の異なった波長依存性を有するようにすることができる。
【００２５】
したがって、図１に示した構成の回折光学素子によれば、第１，第２のレリーフパターンの溝深さの比、すなわちパラメータαを最適に設定することにより、特定波長λ_０における回折効率を最適に保ったまま、それとは独立に回折効率の波長依存だけを好適に制御することができる。なお、一般に、二つのレリーフパターンの溝深さを互いに相違させれば、すなわち、α≠１とすれば、回折効率の波長依存を最適に設定することができるが、この回折光学素子によれば、第１，第２，第３の領域を構成する材料を適切に組み合わせることにより、α＝１で、回折効率の波長依存を最適に設定することも可能である。
【００２６】
図２は、第２の発明にかかる回折光学素子の概念図を示すものである。この回折光学素子は、順次に積層した第１の領域１４、第２の領域１５および第３の領域１６と、第１の領域１４および第２の領域１５の境界面に形成した第１のレリーフパターン２３と、第２の領域１５および第３の領域１６の境界面に形成した第２のレリーフパターン２４とを有する。第１の領域１４は、使用する光を反射する材料をもって構成し、第２および第３の領域１５および１６は、それぞれ使用する光の波長帯域で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成する。
【００２７】
ここでは、第２の領域１５の屈折率をｎ_２（λ） とし、第３の領域１６の屈折率をｎ_３（λ） とする。また、第１，第２のレリーフパターン２３，２４は、等しいピッチ分布を有し、かつ対応する部位が対向するように、図１の場合と同様に、断面鋸歯波状に形成する。ここでは、図１の場合と同様に、第１のレリーフパターン２３の溝深さをｄ_１ 、第２のレリーフパターン２４の溝深さをｄ_２ 、第１のレリーフパターン２３の頂部と、第２のレリーフパターン２４の底部との間隔をｄ_３ とする。
【００２８】
図２に示す構成において、第３の領域１６側から回折光学素子に入射した光は、第２，第１のレリーフパターン２４，２３によってそれぞれ位相変調を受けることになる。ここで、第１のレリーフパターン２３は、反射材料で構成された第１の領域１４に面しているので、素子に入射した光は、この第１のレリーフパターン２３で反射される。したがって、かかる構成の回折光学素子は、全体として反射型回折格子として機能する。
【００２９】
ここで、図１の場合と同様に、第１，第２のレリーフパターン２３，２４よりなる構造を一体と考え、回折光学素子に入射した光が実質的に同時に変調されるとすると、波長λ_０ においてｍ_０ 次回折効率が１００％となるように、レリーフパターン２３，２４の溝深さを設定した場合の位相振幅は、
【数１５】

のように表すことができる。この（１１）式は、図１に示す構成の位相振幅を表す（９）式に相当するもので、パラメータαも、第１のレリーフパターン２３の溝深さｄ_１ と、第２のレリーフパターン２４の溝深さｄ_２ とにより、（１０）式で定義されるものである。
【００３０】
上記（１１）式は、図１に示す構成の位相振幅を表す（９）式において、光が侵入しない第１の領域１４の屈折率を０とおいたものと一致する。すなわち、図２に示す構成の反射型回折格子の場合も、その位相振幅は、図１に示す構成の場合と同様に、任意のパラメータαを含む形式で表現される。したがって、図２に示す構成の回折光学素子においても、任意のパラメータαを最適に設定することにより、図１に示す構成の回折光学素子の場合と同様に、特定波長λ_０ における回折効率を最適に保ったまま、それとは独立に回折効率の波長依存だけを好適に制御することができる。
【００３１】
図１に示した回折光学素子において、回折効率の波長依存をより小さくするためには、（８）式、もしくは（９）式で示された位相振幅ａ（λ）の波長依存をより小さくする必要がある。例えば、（９）式において、位相振幅ａ（λ）の波長依存を決めるのは、分子にある２つの屈折率差の項、Δｎ_１（λ） およびαΔｎ_２（λ） と、分母にあるλである。したがって、この波長依存をより小さくするためには、２つの屈折率差の項の和の絶対値ΔＮ（λ）を、
【数１６】
ΔＮ（λ）＝｜Δｎ_１（λ） ＋αΔｎ_２（λ） ｜ （１２）
としたとき、第１の発明におけるように、ΔＮ（λ）が波長λの増加に伴って増加するように、材料の組み合わせと、溝深さの比とを最適に設定するのが効果的である。
【００３２】
このようにすれば、（９）式の分子および分母の波長依存の効果は、互いに相殺し合うので、回折効率の波長依存をより低減した回折光学素子を実現することができる。なお、（９）式は、第１の発明の構成に対して定義した式であるが、ｎ_１（λ） ＝０、とすることにより、（１１）式が得られるので、上記（１２）式に関する説明は、第２の発明に対しても同様に成り立つ。
【００３３】
ところで、実在する光学材料を組み合わせた場合の屈折率差Δｎ（λ）は、その絶対値が波長λの増加に伴って減少する場合が多い。すなわち、所望の特性とは逆の波長依存性を生じることが多い。これは、実在する光学材料が、高屈折率高分散から低屈折率低分散の方向に多く分布しているためである。このような場合には、上述した第１発明および第２の発明において、２つの屈折率差の項が互いに打ち消し合うように、溝深さ比αの代数符号を設定することが、所望の特性とは逆の波長依存性が打ち消される点で効果的である。これにより、材料選択の容易さの点で好適な、高屈折率高分散材料と低屈折率低分散材料とを組み合わせた場合でも、所望の特性とは逆の波長依存性が打ち消されるので、回折効率の波長依存性をより低減することができる。
【００３４】
ここで、溝深さ比αの代数符号の違いは、レリーフパターンの凹凸の反転に対応する。すなわち、（１０）式で示したαの定義において、αが正となるのは、図３で示すように、第１，第２のレリーフパターンの山と山（谷と谷）とが対応している場合、つまり、２つのレリーフパターンの凹凸が対応している場合である。これとは反対に、αが負となるのは、図８で示すように、第１，第２のレリーフパターンの山と谷（谷と山）とが対応している場合、つまり、２つのレリーフパターンの凹凸が反転して対応している場合である。
【００３５】
なお、第１の発明および第２の発明において、第３の領域１３および１６は、該領域の接する環境の雰囲気とすることもできる。例えば、通常の使用状態において、環境は空気なので、第３の領域１３および１６を空気で構成することもできる。この場合には、組み合わせる透明材料との屈折率差を大きくすることができるので、必要なレリーフパターンの溝深さを浅くすることができ、これにより高性能な回折光学素子を実現することができる。
【００３６】
ところで、回折光学素子は、一般に厚型と薄型とに分類されるが、波長幅を有する帯域光で、特に結像光学系に適用する場合は、入射角依存や波長依存が比較的少ない薄型をとすることが好ましい。ここで、回折光学素子の厚さを特長づけるパラメータとしては、
【数１７】

で与えられるＱ値がよく知られており、一般に、Ｑ＜１のとき、その回折光学素子は薄型に分類される。ただし、（１３）式において、λは波長、Ｔは周期構造のピッチ、Ｄは周期構造の深さ、ｎ_０ は周期構造の平均屈折率である。したがって、この発明に係る回折光学素子においても、Ｑ＜１を満たすように構成することが好ましい。
【００３７】
（１３）式から、回折光学素子の厚さを示すパラメータＱは、波長λに依存しているが、使用する波長範囲全般にわたって回折効率の均一性を維持するためには、概ね使用する帯域光の中心波長について、薄型の条件、Ｑ＜１が満たされていればよい。したがって、この発明に係る回折光学素子においても、使用する帯域光の中心波長について、Ｑ＜１を満たすように構成するのが好ましい。例えば、この発明に係る回折光学素子を、可視帯域光で使用する光学系に適用する場合には、該中心波長を概ね４８０ｎｍから５５０ｎｍの範囲に設定することができる。ただし、パラメータＱが波長λに依存していることを考慮し、全波長範囲で薄型の条件、Ｑ＜１を満たすことが望ましいのは言うまでもない。
【００３８】
さらに、本発明者による検討によれば、Ｑ＜０．１のときのレリーフ格子は、薄型の性質をより良く表すことが確認された。したがって、この発明に係る回折光学素子においても、より好適には、Ｑ＜０．１となるように、周期構造を構成するのが望ましい。
【００３９】
ここで、図１に示した構成の回折光学素子における、周期構造の深さＤおよび平均屈折率ｎ_０ は、
【数１８】

で与えられる。また、図２に示した構成の回折光学素子における、周期構造の深さＤおよび平均屈折率ｎ_０ は、
【数１９】

で与えられる。
【００４０】
この発明に係る回折光学素子は、使用する波長範囲が、所定量以上の幅を有する場合に効果が大きい。ここで、任意の波長λで回折効率を最適化した通常のレリーフ格子において、回折効率の変化が無視できる波長変化の幅は、λの±５％程度が目安であるため、この発明に係る回折光学素子は、任意の中心波長λに対して、その±５％以上の波長幅の帯域光を使用する場合に効果的である。
【００４１】
以上、この発明を、第１，第２および第３の領域が密接した場合を例にとって説明したが、この発明はこれに限らず、上記の各領域の境界に接着層を設けて、各領域が近接するように構成しても同等の効果を奏することができる。
【００４２】
この発明に係る回折光学素子は、複数の波長、あるいは帯域光で使用する光学装置全般に適用することができる。その中でも、特に、結像光学系を有する光学装置に適用すると効果的である。
【００４３】
図１７は、その一適用例を示すもので、この発明に係る回折光学素子を撮像装置、例えば、カメラの撮影レンズに適用した場合の概念図である。図１７において、撮像光学系６０は、屈折レンズ５１と、この発明による回折レンズ４１とを有し、物体の像を撮像素子６１上に結像するよう構成されている。ここで、この発明による回折レンズ４１は、例えば、可視帯域光の全域において、高い回折効率を得ることができるので、カラー映像を撮影した場合のフレアやゴーストの発生を有効に防止することができる。
【００４４】
また、図１８は、この発明に係る回折光学素子の他の適用例を示すもので、観察光学系を含む光学装置、例えば、カメラのファインダや顕微鏡の接眼レンズに適用した場合の概念図である。図１８において、対物レンズ５３は、物体の拡大実像を形成し、屈折レンズ５２と、この発明による回折レンズ４２とを有する接眼光学系６２は、その実像をさらに拡大して観察者の網膜に投影するよう構成されている。この場合も、図１７に示した撮像装置の場合と同様の効果を得ることができる。
【００４５】
【実施例】
図３は、この発明の第１実施例を示すものである。この実施例は、透過型の回折レンズを示すもので、第１の領域１０１としてオハラ製の光学ガラスＬａＬ１４（ｎｄ＝１．６９６８，νｄ＝５５．５）を、第２の領域１０２として紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２，νｄ＝５２）を、第３の領域１０３としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５）をそれぞれ用い、これらを順次積層する。また、第１の領域１０１と第２の領域１０２との境界面、および第２の領域１０２と第３の領域１０３との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレリーフパターン２０１および第２のレリーフパターン２０２を、第１のレリーフパターン２０１の頂部と第２のレリーフパターン２０２の底部とが接するようにそれぞれ形成する。
【００４６】
第１，第２のレリーフパターン２０１，２０２は、所定のレンズ作用を持つように各ピッチ配列を最適化すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ＝５５０ｎｍで１次回折効率が最大となるようにその溝深さを最適化する。この実施例では、第１のレリーフパターン２０１の溝深さｄ_１ を、ｄ_１ ＝７．９０μｍ、第２のレリーフパターン２０２の溝深さｄ_２ を、ｄ_２ ＝１３．７４μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメータαを、α≒１．７４とする。また、外側に面する２つの端面３０１および３０２は、ともに平面として、各端面上に反射防止コートを施す。
【００４７】
図４は、この実施例による回折レンズにおいて、（６）式で与えられるΔｎ_１ と、（７）式で与えられるΔｎ_２ とのそれぞれの波長依存特性を、可視波長域について示すものである。図４から明らかなように、ＬａＬ１４（第１の領域１０１）と紫外線硬化樹脂（第２の領域１０２）との屈折率差Δｎ_１ は、ＬａＬ１４の屈折率のほうが紫外線硬化樹脂の屈折率よりも大きいので、可視波長帯域で正となり、また、ＬａＬ１４と紫外線硬化樹脂とのアッベ数νｄが比較的近いことから、波長λの増加に伴ってわずかに減少する傾向を示す。これに対して、紫外線硬化樹脂（第２の領域１０２）とポリカーボネイト（第３の領域１０３）との屈折率差Δｎ_２ は、ポリカーボネイトの屈折率のほうが紫外線硬化樹脂の屈折率よりも大きいので、可視波長帯域で負となり、また、波長λの増加に伴って相対的に大きく増加する傾向を示す。
【００４８】
この実施例では、図４のΔｎ_１ およびΔｎ_２ の波長依存特性から明らかなように、αΔｎ_２ の絶対値が、Δｎ_１ の大きさを超えないような正の値のαを選んでいるので、（１２）式で定義した屈折率差の項Ｎ（λ）の波長依存は、波長λの増加に伴って増加することになる。したがって、（９）式の分母に現れるλは、この屈折率差の項Ｎ（λ）で良好に相殺され、これにより位相振幅の波長依存が低減され、回折効率の波長依存が低減される。
【００４９】
図５は、この実施例による回折レンズと従来の回折レンズとの位相振幅の波長依存特性を比較して示すものである。図５において、実線はこの実施例による回折レンズの位相振幅の波長依存特性を示す。また、破線は従来の回折レンズの位相振幅の波長依存特性を示したもので、波長λ＝５１０ｎｍで１次回折効率が最大となるように、ＬａＬ１４の基板にブレーズパターンを形成した場合のものである。図５から明らかなように、αの値を最適化することによって、位相振幅の波長依存が良好に低減されていることがわかる。
【００５０】
図６は、図５に示した位相振幅の波長依存特性に対応する回折効率の波長依存特性を示すもので、実線および破線は、図５の場合と同じものを表す。図６から明らかなように、この実施例による回折レンズによれば、回折効率の波長依存が従来のものと比較してきわめて良好に補正されていることがわかる。
【００５１】
このように、この実施例による回折レンズによれば、可視帯域光の全域において高い回折効率を得ることができるので、可視帯域光を用いる場合のフレアやゴーストの発生を有効に防止できる。したがって、例えば、カメラのような撮像光学系に好適に適用することができる。
【００５２】
なお、図５および図６にみられるように、この実施例では、１次回折効率が１００％となるように最適化した波長を、従来例とは違えて設定してある。これは、一般に、最適化波長は、使用する波長範囲において回折効率をバランスさせるように設定するからである。つまり、この実施例の場合と従来例の場合とでは、回折効率の波長依存がバランスする最適波長が異なるからである。例えば、図５においては、従来例の最適化波長は５１０ｎｍであるが、この実施例では５５０ｎｍである。
【００５３】
この実施例においては、回折効率の波長依存が、使用する波長帯域の短波長側でより効果的に低減される。したがって、回折効率が最大となるように最適化する波長は、従来の場合と比較してより長波長側に設定することが好ましい。具体的には、使用する波長帯域の中間波長に対し、使用する波長幅の±１０％以内の波長範囲に最適化波長を設定するのが望ましい。ここで、使用する波長幅は、例えば、可視帯域光で用いる結像光学系の場合には、４００ｎｍ〜７００ｎｍとするのが普通である。
【００５４】
さらに、この実施例によれば、第２の領域１０２を紫外線硬化樹脂をもって構成したので、第１，第２のレリーフパターン２０１，２０２を、それぞれ第１，第３の領域１０１，１０３に別々に形成し、その後、これらを紫外線硬化樹脂を介して貼り合わせるという極めて簡単な工程で、回折効率の波長依存性が低減された回折レンズを製造することができる。したがって、低コストにできるという効果もある。
【００５５】
なお、かかる効果は、第２の領域１０２を紫外線硬化樹脂をもって構成する場合に最も大きいが、より一般的には、第２の領域１０２をプラスチック材料をもって構成することにより、同様の効果を得ることができる。
【００５６】
また、第１，第２のレリーフパターン２０１，２０２を貼り合わせるにあたっては、第１，第２のレリーフパターン２０１，２０２によって発生するモアレ縞を位置合わせに用いることができる。すなわち、モアレ縞が完全に消えるように、第１，第２のレリーフパターン２０１，２０２を位置合わせすることにより、それらの対応する部分を対向させることができる。
【００５７】
図７は、第１実施例の変形例を示すものである。この回折レンズは、外側に面する２つの端面３０３，３０４のうち、一方の端面３０３を正の屈折力を有する曲面に、他方の端面３０４を負の屈折力を有する曲面に形成したもので、その他の構成は第１実施例と同様である。なお、端面３０３，３０４には、それぞれ反射防止コートを施す。
【００５８】
かかる回折レンズによれば、回折作用によるパワーと屈折作用によるパワーとの両方のパワーを有するので、全体として大きなパワーを持ったレンズ素子を実現することができる。また、回折作用によるパワーと屈折作用によるパワーとは、波長分散（アッベ数）が逆符号であるので、その波長分散の打ち消し合いにより、色収差が補正されたレンズ素子を実現することができる。特に、図７に示すように、外側に面する端面３０３，３０４の屈折力の符号を反転させることにより、２次スペクトルまで補正された色消し単レンズを実現することができる。
【００５９】
図８は、この発明の第２実施例を示すものである。この実施例は、透過型の回折レンズを示すもので、第１の領域１０４として旭硝子製のフッ素系樹脂サイトップ（ｎｄ＝１．３４１４９，νｄ＝９３．８）を、第２の領域１０５として紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２，νｄ＝５１．８）を、第３の領域１０６としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５）をそれぞれ用い、これらを順次積層する。また、第１の領域１０４と第２の領域１０５との境界面、および第２の領域１０５と第３の領域１０６との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレリーフパターン２０３および第２のレリーフパターン２０４を、第１のレリーフパターン２０３の頂部と第２のレリーフパターン２０４の底部とが接するようにそれぞれ形成する。
【００６０】
第１，第２のレリーフパターン２０３，２０４は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列を最適化すると共に、各断面を鋸歯波状で、凹凸が互いに反転した構造として、波長λ＝５５０ｎｍで１次回折効率が最大となるように、その溝深さを最適化する。したがって、第１のレリーフパターン２０３の溝深さｄ_１ と第２のレリーフパターン２０４の溝深さｄ_２ とは、互いに逆符号の関係にある。この実施例では、第１のレリーフパターン２０３の溝深さｄ_１ を、ｄ_１ ＝−９．２０μｍ、第２のレリーフパターン２０４の溝深さｄ_２ を、ｄ_２ ＝１７．８４μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメータαを、α≒−１．９４とする。また、外側に面する２つの端面３０５および３０６は、ともに平面として、各端面上に反射防止コートを施す。
【００６１】
図９は、この実施例による回折レンズにおいて、（６）式で与えられるΔｎ_１ と（７）式で与えられるΔｎ_２ とのそれぞれの波長依存特性を示すものである。図９から明らかなように、サイトップ（第１の領域１０４）と紫外線硬化樹脂（第２の領域１０５）との屈折率差Δｎ_１ 、および紫外線硬化樹脂（第２の領域１０５）とポリカーボネイト（第３の領域１０６）との屈折率差Δｎ_２ は、上述した屈折率の大小関係から、ともに可視波長帯域で負の値をとる。また、これら２つの材料の組み合わせは、ともに高屈折率高分散−低屈折率低分散の関係になるので、Δｎ_１ およびΔｎ_２ は、ともに波長の増加に伴って大きさ（絶対値）が減少する。
【００６２】
この実施例では、αΔｎ_２ の大きさ（絶対値）が、Δｎ_１ の大きさ（絶対値）を超えないような負の値のαを選んで設定してあるので、（１２）式で定義した屈折率差の項Ｎ（λ）の波長依存は、波長λの増加に伴って増加するようになる。したがって、（９）式の分母に現れるλは、この屈折率差の項Ｎ（λ）で良好に相殺され、これにより位相振幅の波長依存が低減され、回折効率の波長依存が低減される。
【００６３】
図１０は、この実施例による回折レンズと、従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示すものである。図１０において、実線はこの実施例による回折レンズの場合を、破線はサイトップ製の基板にブレーズパターンを形成した従来の回折レンズ（最適化波長λ＝５１０ｎｍ）の場合をそれぞれ示している。図１０から明らかなように、この実施例による回折レンズによれば、従来のものと比較して回折効率の波長依存がきわめて良好に補正されていることがわかる。
【００６４】
このように、この実施例によれば、可視帯域光の全域において高い回折効率を得ることができるので、可視帯域光で用いた場合にフレアやゴーストの問題が生じにくく、したがって、例えばカメラのような撮像光学系に好適に適用することができる。また、第１、第３の領域１０４，１０６をプラスチック材料をもって構成したので、第１，第２のレリーフパターン２０３，２０４を極めて容易に形成することができると共に、特に、第２の領域１０５を紫外線硬化樹脂をもって構成しているので、第１，第３の領域１０４，１０６に形成した第１，第２のレリーフパターン２０３，２０４どうしを容易に貼り合わせることができ、これにより、回折効率の波長依存が低減された回折光学素子を容易に製造することができる。
【００６５】
図１１は、この発明の第３実施例を示すものである。この実施例は、２重焦点の回折レンズを示すもので、順次積層した第１，第２，第３の領域１０１，１０２，１０３は、第１実施例におけると同じ材料をもって構成する。すなわち、第１の領域１０１をオハラ製の光学ガラスＬａＬ１４（ｎｄ＝１．６９６８，νｄ＝５５．５）で、第２の領域１０２を紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２，νｄ＝５２）で、第３の領域１０３をポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５）で構成する。また、第１の領域１０１と第２の領域１０２との境界面、および第２の領域１０２と第３の領域１０３との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレリーフパターン２０５および第２のレリーフパターン２０６を、第１のレリーフパターン２０５の頂部と第２のレリーフパターン２０６の底部とが接するようにそれぞれ形成する。
【００６６】
第１，第２のレリーフパターン２０５，２０６は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列を最適化すると共に、各断面を凹凸比の等しい矩形状として、波長λ＝６００ｎｍで±１次回折効率が最大となるように、その溝深さを最適化する。この実施例では、第１のレリーフパターン２０５の溝深さｄ_１ を、ｄ_１ ＝４．０２μｍ、第２のレリーフパターン２０６の溝深さｄ_２ を、ｄ_２ ＝７．０３μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメータαを、α≒１．７５とする。また、外側に面する２つの端面３０７および３０８は、ともに平面として、各端面上に反射防止コートを施す。
【００６７】
この実施例において、±１次回折効率が最大となるときの、上記（９）式に相当する位相振幅は、
【数２０】

で表され、そのときのｍ次回折効率η_ｍ は、
【数２１】

で与えられる。上記（１８）式で表される位相振幅は、（９）式で表される位相振幅に、係数１／２が掛かっただけであるので、第１実施例の場合と全く同じ作用で、位相振幅の波長依存を低減することができる。
【００６８】
図１２は、この実施例による回折レンズの±１次回折効率の波長依存特性を示すもので、（１８）式を（１９）式に適用した結果を示すものである。図１２において、実線はこの実施例による回折レンズの場合を、破線はＬａＬ１４の材料基板に矩形位相格子を形成した従来の回折レンズ（最適化波長λ＝５１０ｎｍ）の場合を示す。図１２から明らかなように、この実施例によれば、従来のものと比較して回折効率の波長依存が良好に補正されていることがわかる。このように、この実施例によれば、可視帯域光の全域において、回折効率の波長依存を低減できるので、可視帯域光で使用する２重焦点光学系に好適に適用することができる。
【００６９】
以上、第１〜３実施例において、第１，第２のレリーフパターンが断面鋸歯波状の場合と、断面矩形の場合とについて説明したが、第１，第２のレリーフパターンの断面形状は、上記の例に限らず、種々の断面形状の場合でも、この発明を有効に適用することができ、同様の効果を得ることができる。
【００７０】
図１３は、この発明の第４実施例を示すものである。この実施例は、透過型の回折レンズを示すもので、第１の領域１０７としてアクリル樹脂（ｎｄ＝１．４９，νｄ＝５７．７）を、第２の領域１０８としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５）をそれぞれ用い、これらを順次積層する。また、第３の領域は、該回折レンズが置かれる雰囲気、実用上は空気とする。第１の領域１０７と第２の領域１０８との境界面、および第２の領域１０８と空気との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレリーフパターン２０７、および第２のレリーフパターン２０８を、第１のレリーフパターン２０７の頂部と第２のレリーフパターン２０８の底部とが接するようにそれぞれ形成する。
【００７１】
第１，第２のレリーフパターン２０７，２０８は、集光作用を持つように、各ピッチ配列を最適化すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ＝５５０ｎｍで１次回折効率が最大となるように、その溝深さを最適化する。この実施例では、第１のレリーフパターン２０７の溝深さｄ_１ を、ｄ_１ ＝１５．１６μｍ、第２のレリーフパターン２０８の溝深さｄ_２ を、ｄ_２ ＝３．３４μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメータαを、α≒０．２２とする。
【００７２】
この実施例では、第３の領域を、この回折レンズが置かれる雰囲気、実用上は空気として、その屈折率を１としているので、上述した実施例の場合と同様の作用により、回折効率の波長依存を補正することができる。さらに、この実施例では、第３の領域の屈折率が低いので、第２の領域１０８と第３の領域との屈折率差Δｎ_２ が十分大きな値となり、第２のレリーフパターン２０８の溝深さｄ_２ を比較的浅くすることができる。これにより、回折レンズをより薄型にできるので、レリーフパターンのピッチをより小さくすることができる。
【００７３】
図１４は、この実施例による回折レンズと、従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示すものである。図１４において、実線はこの実施例による回折レンズの場合を、破線はアクリル基板にブレーズパターンを形成した従来の回折レンズ（最適化波長λ＝５１０ｎｍ）の場合を示している。図１４から明らかなように、この実施例の場合も、従来のものと比較して回折効率の波長依存を極めて良好に補正できることがわかる。
【００７４】
図１５は、この発明の第５実施例を示すものである。この実施例は、反射型の回折格子を示すもので、第１の領域１１１として金属アルミ（Ａｌ）を、第２の領域１１２としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５）を、第３の領域１１３としてアクリル樹脂（ｎｄ＝１．４９，νｄ＝５７．７）をそれぞれ用い、これらを順次積層する。また、第１の領域１１１と第２の領域１１２との境界面、および第２の領域１１２と第３の領域１１３との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレリーフパターン２１１および第２のレリーフパターン２１２を、第１のレリーフパターン２１１の頂部と第２のレリーフパターン２１２の底部とが互いの領域に食い込むように、すなわち第１，第２のレリーフパターン２１１，２１２の間隔ｄ_３ が負の値となるようにそれぞれ形成する。
【００７５】
第１，第２のレリーフパターン２１１，２１２は、各ピッチを一定とすると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ＝５５０ｎｍにおける１次回折効率が最大となるようにその溝深さを最適化する。この実施例では、第１のレリーフパターン２１１の溝深さｄ_１ を、ｄ_１ ＝０．５３μｍ、第２のレリーフパターン２１２の溝深さｄ_２ を、ｄ_２ ＝６．０４μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメータαを、α≒１１．４０とする。
【００７６】
この回折格子においては、第１の領域１１１が金属アルミよりなる反射材料で構成されているので、入射面３１１から入射した光は、第１のレリーフパターン２１１で反射される。したがって、かかる回折格子は、反射型回折格子として機能する。また、この回折格子における回折効率の波長依存については、上述した（１１）式で説明することができる。すなわち、（１１）式は、ここまで説明してきた透過型回折レンズの位相振幅を表す（９）式において、第１の領域の屈折率をゼロとおいた特別な場合とみなせるので、この実施例の作用も本質的には上述した透過型回折レンズの作用と同じである。
【００７７】
この実施例によれば、αを最適に設定することにより、第２の領域１１２を構成するポリカーボネイトの屈折率の波長依存を、該ポリカーボネイトと第３の領域１１３を構成するアクリル樹脂との屈折率差の波長依存により好適に補正することができる。これにより、（１１）式で示された位相振幅の波長依存が低減され、さらに、回折効率の波長依存が低減される。
【００７８】
図１６は、この実施例による反射型回折格子と、従来の反射型回折格子との回折効率の波長依存特性を比較して示すものである。図１６において、実線はこの実施例による反射型回折格子の場合を、破線は従来の反射型ブレーズ格子（最適化波長λ＝５１０ｎｍ）の場合を示している。図１６から明らかなように、この実施例の場合も、従来のものと比較して回折効率の波長依存を極めて良好に補正できることがわかる。
【００８０】
【発明の効果】
この発明に係る回折光学素子によれば、第１，第２の２つのレリーフパターンの溝深さの比を制御することにより、すなわち２つのレリーフパターンの溝深さの比を最適に違えて設定することにより、基板材料等の光学特性とは独立に、位相振幅の波長依存を制御することができるので、回折効率の波長依存性を目的に応じて最適化することができる。したがって、回折効率の波長依存を低減できる材料の組み合わせに制限がなくなるので、例えば、製造の容易な材料を組み合わせて、効果的に回折効率の波長依存を低減できると共に、安価にできる。したがって、係る回折光学素子を用いるこの発明に係る光学装置によれば、例えばカラー映像を撮影する場合のフレアやゴースト等の発生を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明に先立って開発した回折光学素子の概念図である。
【図２】第２の発明にかかる回折光学素子の概念図である。
【図３】この発明の第１実施例を示す断面図である。
【図４】第１実施例の回折レンズにおける順次の領域間の屈折率差の波長依存特性を示す図である。
【図５】第１実施例による回折レンズと従来の回折レンズとの位相振幅の波長依存特性を比較して示す図である。
【図６】図５に示した位相振幅の波長依存特性に対応する回折効率の波長依存特性を示す図である。
【図７】第１実施例の変形例を示す断面図である。
【図８】この発明の第２実施例を示す断面図である。
【図９】第２実施例の回折レンズにおける順次の領域間の屈折率差の波長依存特性を示す図である。
【図１０】第２実施例による回折レンズと従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図である。
【図１１】この発明の第３実施例を示す断面図である。
【図１２】第３実施例の回折レンズにおける±１次回折効率の波長依存特性を示す図である。
【図１３】この発明の第４実施例を示す断面図である。
【図１４】第４実施例による回折レンズと従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図である。
【図１５】この発明の第５実施例を示す断面図である。
【図１６】第５実施例による反射型回折格子と従来の反射型回折格子との回折効率の波長依存特性を比較して示す図である。
【図１７】この発明に係る回折光学素子を用いる光学装置の一例を示す図である。
【図１８】同じく、他の例を示す図である。
【図１９】従来の回折光学素子を示す断面図である。
【図２０】図１９に示す従来の回折光学素子における１次回折効率の波長依存特性の一例を示す図である。
【図２１】図１９に示す断面鋸歯波状のレリーフパターンの位相シフト関数φ（ｘ）を示す図である。
【図２２】本出願人が先に提案した回折光学素子の基本構成を示す断面図である。
【図２３】図２２に示す回折光学素子における２種類の光学材料の屈折率の波長依存特性の一例を示す図である。
【符号の説明】
１１，１４，１０１，１０４，１０７，１１１ 第１の領域
１２，１５，１０２，１０５，１０８，１１２ 第２の領域
１３，１６，１０３，１０６，１１３ 第３の領域
２１，２３，２０１，２０３，２０５，２０７，２１１ 第１のレリーフパターン
２２，２４，２０２，２０４，２０６，２０８，２１２ 第２のレリーフパターン[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a diffractive optical element used with a plurality of wavelengths or band lights, and an optical device using the same.
[0002]
[Prior art]
It is known that a diffractive optical element, for example, a diffractive optical element (diffractive lens) configured to have a lens action has characteristics that are not found in conventional refractive lenses, as described below.
(1) Since an aspherical wave can be easily generated, aberration can be corrected effectively.
(2) Since there is substantially no thickness, the design freedom is high and a compact optical system can be realized.
(3) Since the amount corresponding to the Abbe number in the refractive lens is a negative value in the diffractive lens, chromatic aberration can be effectively corrected by the combination with the refractive element.
[0003]
With respect to improving the performance of the optical system by utilizing the features of such a diffractive lens, for example, Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Differential Optical Element. Swanson, Technical Report 854, MIT Lincoln Laboratory, August 1989. Are described in detail.
[0004]
As described above, the diffractive optical element has many useful features that the conventional refractive element does not have, but on the other hand, since the diffraction efficiency depends on the wavelength, there are the following fundamental problems. . For example, a diffractive optical element applied to an optical system is often used as a lens element. However, in such applications, it is generally not preferable that a plurality of diffracted lights (a plurality of focal points) exist. Therefore, in a conventional diffractive optical element (specifically, a diffractive lens), generally, as shown in FIG. A pattern 2 is formed so that energy is concentrated on a specific order of diffracted light.
[0005]
However, as shown in FIG. 19, when the cross section is processed into a sawtooth wave, the wavelength at which energy can be concentrated, that is, the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized, differs depending on the groove depth. It becomes impossible to concentrate on the diffracted light of the order. Such a phenomenon is not a problem in the case of an optical system that uses monochromatic light, such as a laser, but in an optical system that uses white light, such as a camera, diffraction efficiency with light of a specific wavelength. If is optimized, there is a problem that the diffraction efficiency decreases at other wavelengths.
[0006]
FIG. 20 shows a diffractive optical element having the cross-sectional shape shown in FIG. 19, wherein BK7 is used as the substrate 1, and the relief pattern 2 has a groove depth at which the first-order diffraction efficiency is 100% at a wavelength λ = 510 nm. This shows the relationship between the first-order diffraction efficiency and the wavelength in the case of forming the film. As is apparent from FIG. 20, the diffraction efficiency decreases with increasing distance from the optimized wavelength λ = 510 nm at λ = 400 nm to λ = 700 nm, which can be generally regarded as the visible wavelength region, and the decrease in the short wavelength region is particularly remarkable. Become. Such a decrease in diffraction efficiency is not limited to the problem that the spectral transmittance is simply reduced, and unnecessary-order diffracted light is generated at wavelengths where the groove depth is not optimized. For this reason, when such a diffractive optical element is applied to an optical system that uses band light, for example, an imaging optical system that uses white light, flare and ghosting occur, which degrades the performance of the optical system.
[0007]
Here, the relief pattern having a sawtooth waveform in cross section shown in FIG. 19 can be represented by a phase shift function φ (x) as shown in FIG. This φ (x) is a function that characterizes the wavefront modulation action of the relief pattern, and its shape is a periodic function corresponding to the cross-sectional shape of the relief pattern. The m-order diffraction efficiency η of the relief pattern expressed by this phase shift function φ (x)_mIf the amplitude (hereinafter referred to as phase amplitude) a is used,
[Equation 3]

Given in.
[0008]
In the equation (1), the phase amplitude a is defined as follows: the refractive index of air is 1, the refractive index of the substrate on which the relief pattern is formed is n, the groove depth is d, and the wavelength of light to be used is λ.
[Expression 4]

It is an amount defined by Where the wavelength λ₀And m₀Groove depth d optimized so that the next-order diffraction efficiency is 100%₀Is
[Equation 5]

Therefore, the phase amplitude a at this time is
[Formula 6]

It becomes.
[0009]
(4) is a certain groove depth d₀On the other hand, it means that the phase amplitude a depends on the wavelength, and the wavelength dependency of the phase amplitude a causes the wavelength dependency of the diffraction efficiency as is apparent from the equation (1). For example, the wavelength dependence of the diffraction efficiency shown in FIG. 20 is also a result of such a phenomenon.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
The present applicant has studied in detail the mechanism of the wavelength dependency of the diffraction efficiency as described above, and has already proposed a new type of relief-type diffractive optical element in which the wavelength dependency of the diffraction efficiency is reduced (Japanese Patent Application No. Hei. 7-220754). As shown in FIG. 22, the diffractive optical element proposed here combines two different types of optical materials, a high refractive index and low dispersion optical material 10a, and a low refractive index and high dispersion optical material 10b. A relief pattern 20 is formed on the boundary surface between two different types of optical materials 10a and 10b.
[0011]
Here, the cross-sectional shape of the relief pattern 20 is a sawtooth waveform as shown in FIG.₀At m₀The phase amplitude a (λ) when optimized so that the next-order diffraction efficiency is 100% is
[Expression 7]

Given in. Where n₁(Λ) represents the refractive index of the optical material 10a having a high refractive index and low dispersion, and n₂(Λ) represents the refractive index of the optical material 10b having a low refractive index and high dispersion.
[0012]
In the formula (5), the refractive index n of two kinds of optical materials₁, N₂Over the wavelength band to be used, for example, as shown in FIG.₁(Λ)> n₂Assuming that (λ), the refractive index difference appearing in the numerator increases as the wavelength λ increases and cancels the change in λ in the denominator. Therefore, the change in wavelength of the phase amplitude can be suppressed to a smaller value as compared with the case expressed by the equation (4). As a result, the change in wavelength of the diffraction efficiency can be suppressed to a small value.
[0013]
However, the relationship between the refractive index and dispersion (wavelength dispersion of refractive index) of optical materials that actually exist shows a tendency that the dispersion increases as the refractive index increases. Finding it is not easy. For example, there are abundant types of optical materials used in visible band light, but basically the dispersion increases as the refractive index increases. In addition, most of optical materials used for visible band light are so-called optical glasses. However, when optical glass is selected as each of the two types of optical materials, the processability is poor, and the boundary surface is fine. It is not easy to form a relief pattern. Furthermore, in consideration of ease of manufacture, at least one of the two types of optical materials can be a plastic optical material that can be easily processed. The combination of materials is greatly limited. In particular, in the combination of plastic optical materials, it is not easy to improve the wavelength dependency of diffraction efficiency.
[0014]
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problems, and can be easily manufactured. Further, it can reduce the wavelength dependency of the diffraction efficiency, and can appropriately prevent the occurrence of flare, ghost, etc. An object is to provide an optical element and an optical device using the optical element.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the diffractive optical element according to the first invention is:
First, second and third regions stacked sequentially in close or close proximity;
A first relief pattern formed on a boundary surface between the first and second regions;
A second relief pattern formed on a boundary surface between the second and third regions,
The first, second and third regions are composed of different materials that are substantially transparent at the wavelength of the light used;
The first and second relief patterns have substantially equal pitch distributions and corresponding portions are arranged close to each other,
And the refractive index of the material constituting each of the first, second and third regions is n₁(Λ), n₂(Λ) and n₃(Λ)
Respective groove depths of the first and second relief patterns are defined as d₁And d₂, The ratio of them, α = d₂/ D₁As
[Equation 8]
ΔN (λ) = {n₁(Λ) −n₂(Λ)} + α {n₂(Λ) −n₃(Λ)}
Where λ is the wavelength of light
And when
[Equation 9]
| ΔN (λ₂) | >> | ΔN (λ₁) |> 0; λ₂> Λ₁
Where λ₁: Wavelength at the short wavelength end of the wavelength range of the light used
λ₂: Wavelength at the long wavelength end of the wavelength range of the light used
It is characterized by satisfying.
[0016]
Furthermore, the diffractive optical element according to the second invention is
First, second and third regions stacked sequentially in close or close proximity;
A first relief pattern formed on a boundary surface between the first and second regions;
A second relief pattern formed on a boundary surface between the second and third regions,
The first region is composed of a material that reflects light to be used;
The second and third regions are composed of different materials that are substantially transparent at the wavelength of the light used;
The first and second relief patterns have substantially the same pitch distribution, have different groove depths, and their corresponding portions are arranged close to each other.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a conceptual diagram of a diffractive optical element developed prior to the present invention, and schematically shows a part of a cross section. The diffractive optical element includes a first relief 11 formed on a boundary surface between the first region 11, the second region 12, and the third region 13 and the first region 11 and the second region 12 that are sequentially stacked. The pattern 21 and the second relief pattern 22 formed on the boundary surface between the second region 12 and the third region 13 are included. The first, second and third regions 11, 12 and 13 are made of different materials which are substantially transparent in the wavelength band of light used. Here, the refractive index of the first region 11 is n₁(Λ), the refractive index of the second region 12 is n₂(Λ), the refractive index of the third region 13 is n₃(Λ).
[0019]
Moreover, the 1st and 2nd relief patterns 21 and 22 are formed in the cross-sectional sawtooth wave shape which has equal pitch distribution, and make a corresponding site | part oppose. Here, the groove depth of the first relief pattern 21 is d.₁The groove depth of the second relief pattern 22 is d₂, The distance between the top of the first relief pattern 21 and the bottom of the second relief pattern 22 is d₃And
[0020]
In the configuration shown in FIG. 1, the light incident on the diffractive optical element is subjected to phase modulation by the first and second relief patterns 21 and 22, respectively. In this case, the phase amplitude a of the first relief pattern 21₁(Λ) is
[Expression 10]

And the phase amplitude a of the second relief pattern 22₂(Λ) is
[Expression 11]

It becomes.
[0021]
Here, assuming that the structure composed of the first and second relief patterns 21 and 22 is integrated, and the light incident on the diffractive optical element is modulated substantially simultaneously, the phase amplitude characterizing the phase shift action. a (λ) is
[Expression 12]

It can be expressed as
[0022]
Furthermore, the groove depth at this time is changed to the wavelength λ.₀M₀If optimized so that the next diffraction efficiency is 100%, a (λ₀) = M₀From the condition
[Formula 13]

It becomes. Where α is the groove depth d of the first relief pattern 21 as follows:₁And the groove depth d of the second relief pattern 22₂It is an amount defined by the ratio.
[Expression 14]

[0023]
As described above, the phase amplitude a (λ) of the diffractive optical element shown in FIG. 1 is equal to the phase amplitude a of the first relief pattern 21 as shown by the equation (8).₁(Λ) and the phase amplitude a of the second relief pattern 22₂The wavelength dependence characteristic depends on the parameter α defined by the equation (10). Here, the parameter α is a specific wavelength λ as shown in the equation (9).₀This parameter can be determined arbitrarily regardless of the optimization of diffraction efficiency.
[0024]
Further, according to the configuration shown in FIG. 1, the first, second and third regions 11, 12 and 13 are made of different materials, and the refractive index difference Δn.₁(Λ) and Δn₂Since (λ) shows different wavelength dependence, the phase amplitude a (λ) in the equation (9) is made to have various different wavelength dependences by changing the setting of the parameter α. be able to.
[0025]
Therefore, according to the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. 1, the ratio of the groove depths of the first and second relief patterns, that is, the parameter α is optimally set, so₀It is possible to suitably control only the wavelength dependence of the diffraction efficiency independently of the diffraction efficiency while keeping the diffraction efficiency at the optimum. In general, if the groove depths of the two relief patterns are different from each other, that is, if α ≠ 1, the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be set optimally. By appropriately combining the materials constituting the first, second, and third regions, it is possible to optimally set the wavelength dependence of the diffraction efficiency when α = 1.
[0026]
FIG. 2 is a conceptual diagram of a diffractive optical element according to the second invention. The diffractive optical element includes a first relief 14 formed on the boundary surface of the first region 14, the second region 15, and the third region 16, and the boundary between the first region 14 and the second region 15. The pattern 23 and the second relief pattern 24 formed on the boundary surface between the second region 15 and the third region 16 are included. The first region 14 is made of a material that reflects the light to be used, and the second and third regions 15 and 16 are made of different materials that are substantially transparent in the wavelength band of the light to be used.
[0027]
Here, the refractive index of the second region 15 is n₂(Λ) and the refractive index of the third region 16 is n₃(Λ). Also, the first and second relief patterns 23 and 24 have the same pitch distribution and are formed in a sawtooth waveform in the same manner as in FIG. 1 so that corresponding portions face each other. Here, as in the case of FIG. 1, the groove depth of the first relief pattern 23 is set to d.₁The groove depth of the second relief pattern 24 is d₂The distance between the top of the first relief pattern 23 and the bottom of the second relief pattern 24 is d₃And
[0028]
In the configuration shown in FIG. 2, light incident on the diffractive optical element from the third region 16 side is subjected to phase modulation by the second and first relief patterns 24 and 23, respectively. Here, since the first relief pattern 23 faces the first region 14 made of a reflective material, the light incident on the element is reflected by the first relief pattern 23. Therefore, the diffractive optical element having such a configuration functions as a reflective diffraction grating as a whole.
[0029]
Here, as in the case of FIG. 1, if the structure composed of the first and second relief patterns 23 and 24 is considered as one body and the light incident on the diffractive optical element is modulated substantially simultaneously, the wavelength λ₀M₀The phase amplitude when the groove depths of the relief patterns 23 and 24 are set so that the next diffraction efficiency is 100% is
[Expression 15]

It can be expressed as This equation (11) corresponds to the equation (9) representing the phase amplitude of the configuration shown in FIG. 1, and the parameter α is also the groove depth d of the first relief pattern 23.₁And the groove depth d of the second relief pattern 24₂  And is defined by equation (10).
[0030]
The above equation (11) is the same as the equation (9) representing the phase amplitude of the configuration shown in FIG. 1 in which the refractive index of the first region 14 where light does not enter is 0. That is, also in the case of the reflection type diffraction grating having the configuration shown in FIG. 2, the phase amplitude is expressed in a format including an arbitrary parameter α, as in the case of the configuration shown in FIG. Therefore, also in the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. 2, by setting an arbitrary parameter α optimally, as in the case of the diffractive optical element having the configuration shown in FIG.₀It is possible to suitably control only the wavelength dependence of the diffraction efficiency independently of the diffraction efficiency while keeping the diffraction efficiency at the optimum.
[0031]
In the diffractive optical element shown in FIG. 1, in order to make the wavelength dependence of the diffraction efficiency smaller, the wavelength dependence of the phase amplitude a (λ) shown in the equation (8) or (9) is made smaller. There is a need. For example, in the equation (9), the wavelength dependence of the phase amplitude a (λ) is determined by two refractive index differences in the molecule, Δn₁(Λ) and αΔn₂(Λ) and λ in the denominator. Therefore, in order to make this wavelength dependence smaller, the absolute value ΔN (λ) of the sum of the two refractive index difference terms is
[Expression 16]
ΔN (λ) = | Δn₁(Λ) + αΔn₂(Λ) | (12)
As in the first invention, it is effective to optimally set the combination of materials and the groove depth ratio so that ΔN (λ) increases as the wavelength λ increases. is there.
[0032]
In this way, the wavelength-dependent effects of the numerator and denominator of equation (9) cancel each other, so that it is possible to realize a diffractive optical element in which the wavelength dependency of diffraction efficiency is further reduced. Equation (9) is an equation defined for the configuration of the first invention, but n₁By setting (λ) = 0, the expression (11) is obtained, and therefore the description regarding the expression (12) is similarly valid for the second invention.
[0033]
By the way, the refractive index difference Δn (λ) in the case of combining actual optical materials often decreases as the wavelength λ increases. That is, the wavelength dependence opposite to the desired characteristic often occurs. This is because a large number of existing optical materials are distributed in the direction from high refractive index and high dispersion to low refractive index and low dispersion. In such a case, in the first and second inventions described above, it is desirable to set the algebraic code of the groove depth ratio α so that the two refractive index difference terms cancel each other. This is effective in that the wavelength dependence opposite to that is canceled. As a result, even when a high refractive index, high dispersion material and a low refractive index, low dispersion material, which are suitable in terms of ease of material selection, are combined, the wavelength dependence opposite to the desired characteristics is canceled, so that diffraction is possible. The wavelength dependency of efficiency can be further reduced.
[0034]
Here, the difference in the algebraic code of the groove depth ratio α corresponds to the inversion of the unevenness of the relief pattern. That is, in the definition of α shown in equation (10), α is positive because the peaks and peaks (valleys and valleys) of the first and second relief patterns correspond as shown in FIG. That is, it is a case where the unevenness | corrugation of two relief patterns respond | corresponds. On the contrary, α is negative when the peaks and valleys (valley and mountain) of the first and second relief patterns correspond to each other, as shown in FIG. This is a case where the unevenness of the relief pattern is reversed.
[0035]
In the first and second inventions, the third regions 13 and 16 can be an atmosphere of an environment where the regions are in contact. For example, since the environment is air in a normal use state, the third regions 13 and 16 may be composed of air. In this case, since the refractive index difference with the transparent material to be combined can be increased, the groove depth of the necessary relief pattern can be reduced, thereby realizing a high-performance diffractive optical element. .
[0036]
By the way, the diffractive optical element is generally classified into a thick type and a thin type. However, the diffractive optical element is a band light having a wavelength width. It is preferable that Here, as a parameter characterizing the thickness of the diffractive optical element,
[Expression 17]

The Q value given by is well known. Generally, when Q <1, the diffractive optical element is classified as thin. However, in Formula (13), λ is the wavelength, T is the pitch of the periodic structure, D is the depth of the periodic structure, n₀Is the average refractive index of the periodic structure. Therefore, the diffractive optical element according to the present invention is preferably configured to satisfy Q <1.
[0037]
From the equation (13), the parameter Q indicating the thickness of the diffractive optical element depends on the wavelength λ, but in order to maintain the uniformity of the diffraction efficiency over the entire wavelength range to be used, the band light to be used is generally used. As for the center wavelength, it is only necessary that the thin condition, Q <1, is satisfied. Therefore, the diffractive optical element according to the present invention is preferably configured to satisfy Q <1 with respect to the center wavelength of the band light to be used. For example, when the diffractive optical element according to the present invention is applied to an optical system used in visible band light, the center wavelength can be set in a range of approximately 480 nm to 550 nm. However, in view of the fact that the parameter Q depends on the wavelength λ, it goes without saying that it is desirable to satisfy the thin condition, Q <1, in the entire wavelength range.
[0038]
Further, according to the study by the present inventor, it was confirmed that the relief grating when Q <0.1 better represents the thin property. Therefore, also in the diffractive optical element according to the present invention, it is more preferable to configure the periodic structure so that Q <0.1.
[0039]
Here, in the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. 1, the depth D of the periodic structure and the average refractive index n₀Is
[Expression 18]

Given in. Further, in the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. 2, the depth D of the periodic structure and the average refractive index n₀Is
[Equation 19]

Given in.
[0040]
The diffractive optical element according to the present invention is highly effective when the wavelength range to be used has a width of a predetermined amount or more. Here, in a normal relief grating in which the diffraction efficiency is optimized at an arbitrary wavelength λ, the width of the wavelength change in which the change in diffraction efficiency can be ignored is about ± 5% of λ. The optical element is effective when using band light having a wavelength width of ± 5% or more with respect to an arbitrary center wavelength λ.
[0041]
As described above, the present invention has been described by taking as an example the case where the first, second and third regions are in close contact with each other. Even if it is configured to be close to each other, the same effect can be obtained.
[0042]
The diffractive optical element according to the present invention can be applied to all optical devices used with a plurality of wavelengths or band lights. Among these, it is particularly effective when applied to an optical apparatus having an imaging optical system.
[0043]
FIG. 17 shows one application example, and is a conceptual diagram when the diffractive optical element according to the present invention is applied to an imaging device, for example, a photographing lens of a camera. In FIG. 17, the imaging optical system 60 includes a refractive lens 51 and a diffractive lens 41 according to the present invention, and is configured to form an image of an object on an imaging element 61. Here, the diffractive lens 41 according to the present invention, for example, can obtain high diffraction efficiency over the entire visible band light, and therefore can effectively prevent the occurrence of flare and ghost when a color image is taken. .
[0044]
FIG. 18 shows another application example of the diffractive optical element according to the present invention, and is a conceptual diagram when applied to an optical device including an observation optical system, for example, a camera finder or a microscope eyepiece. . In FIG. 18, an objective lens 53 forms an enlarged real image of an object, and an eyepiece optical system 62 having a refractive lens 52 and a diffractive lens 42 according to the present invention further enlarges the real image and projects it onto the retina of the observer. It is configured to In this case, the same effect as that of the imaging apparatus shown in FIG. 17 can be obtained.
[0045]
【Example】
FIG. 3 shows a first embodiment of the present invention. This embodiment shows a transmission type diffractive lens, optical glass LaL14 (nd = 1.6968, νd = 55.5) made by OHARA is used as the first region 101, and UV curing is performed as the second region 102. Resin (nd = 1.52, νd = 52) and polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.5) are used as the third region 103, and these are sequentially laminated. Further, the first relief pattern 201 having the same pitch distribution and the first relief pattern 201 are arranged on the boundary surface between the first region 101 and the second region 102 and the boundary surface between the second region 102 and the third region 103. Two relief patterns 202 are formed so that the top of the first relief pattern 201 and the bottom of the second relief pattern 202 are in contact with each other.
[0046]
In the first and second relief patterns 201 and 202, each pitch arrangement is optimized so as to have a predetermined lens action, and each section is sawtooth-shaped so that the first-order diffraction efficiency is maximized at a wavelength λ = 550 nm. So that the groove depth is optimized. In this embodiment, the groove depth d of the first relief pattern 201 is₁D₁= 7.90 μm, groove depth d of second relief pattern 202₂D₂= 13.74 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is set to α≈1.74. The two end faces 301 and 302 facing outward are both flat, and an antireflection coating is applied on each end face.
[0047]
FIG. 4 shows Δn given by equation (6) in the diffractive lens according to this embodiment.₁And Δn given by equation (7)₂The respective wavelength dependency characteristics are shown for the visible wavelength region. As is apparent from FIG. 4, the refractive index difference Δn between LaL14 (first region 101) and the ultraviolet curable resin (second region 102).₁Since the refractive index of LaL14 is larger than the refractive index of the UV curable resin, it becomes positive in the visible wavelength band, and the Abbe number νd between LaL14 and the UV curable resin is relatively close, which increases the wavelength λ. There is a tendency to decrease slightly. On the other hand, the refractive index difference Δn between the ultraviolet curable resin (second region 102) and the polycarbonate (third region 103).₂Since the refractive index of polycarbonate is larger than the refractive index of the ultraviolet curable resin, it becomes negative in the visible wavelength band, and tends to increase relatively greatly as the wavelength λ increases.
[0048]
In this embodiment, Δn in FIG.₁And Δn₂As can be seen from the wavelength dependence characteristics of αΔn₂Is the absolute value of Δn₁Since the positive value α is selected so as not to exceed the size of λ, the wavelength dependence of the refractive index difference term N (λ) defined by the equation (12) increases as the wavelength λ increases. become. Therefore, λ appearing in the denominator of the equation (9) is well canceled by this refractive index difference term N (λ), thereby reducing the wavelength dependence of the phase amplitude and reducing the wavelength dependence of the diffraction efficiency.
[0049]
FIG. 5 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of the phase amplitude between the diffractive lens according to this embodiment and the conventional diffractive lens. In FIG. 5, the solid line indicates the wavelength dependence characteristic of the phase amplitude of the diffractive lens according to this embodiment. The broken line shows the wavelength dependence characteristic of the phase amplitude of the conventional diffractive lens. When the blazed pattern is formed on the substrate of LaL14 so that the first-order diffraction efficiency is maximized at the wavelength λ = 510 nm. is there. As can be seen from FIG. 5, the wavelength dependence of the phase amplitude is well reduced by optimizing the value of α.
[0050]
FIG. 6 shows the wavelength dependence characteristics of the diffraction efficiency corresponding to the wavelength dependence characteristics of the phase amplitude shown in FIG. 5, and the solid line and the broken line represent the same as in FIG. As can be seen from FIG. 6, according to the diffractive lens of this example, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is corrected very well compared to the conventional one.
[0051]
As described above, according to the diffractive lens according to this embodiment, high diffraction efficiency can be obtained in the entire visible band light, so that the occurrence of flare and ghost when using the visible band light can be effectively prevented. Therefore, for example, it can be suitably applied to an imaging optical system such as a camera.
[0052]
As seen in FIGS. 5 and 6, in this embodiment, the wavelength optimized so that the first-order diffraction efficiency is 100% is set differently from the conventional example. This is because the optimized wavelength is generally set so as to balance the diffraction efficiency in the wavelength range to be used. That is, the optimum wavelength that balances the wavelength dependence of the diffraction efficiency is different between this embodiment and the conventional case. For example, in FIG. 5, the optimization wavelength of the conventional example is 510 nm, but in this embodiment, it is 550 nm.
[0053]
In this embodiment, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is more effectively reduced on the short wavelength side of the wavelength band to be used. Therefore, it is preferable to set the wavelength to be optimized so that the diffraction efficiency is maximized on the longer wavelength side as compared with the conventional case. Specifically, it is desirable to set the optimized wavelength in a wavelength range within ± 10% of the wavelength width to be used with respect to the intermediate wavelength of the wavelength band to be used. Here, for example, in the case of an imaging optical system used for visible band light, the wavelength width to be used is usually 400 nm to 700 nm.
[0054]
Furthermore, according to this embodiment, since the second region 102 is made of an ultraviolet curable resin, the first and second relief patterns 201 and 202 are separately provided in the first and third regions 101 and 103, respectively. A diffractive lens in which the wavelength dependency of diffraction efficiency is reduced can be manufactured through a very simple process of forming and then bonding them together via an ultraviolet curable resin. Therefore, there is an effect that the cost can be reduced.
[0055]
This effect is greatest when the second region 102 is made of an ultraviolet curable resin, but more generally, the same effect can be obtained by making the second region 102 of a plastic material. Can do.
[0056]
Further, when the first and second relief patterns 201 and 202 are bonded together, moire fringes generated by the first and second relief patterns 201 and 202 can be used for alignment. That is, by aligning the first and second relief patterns 201 and 202 so that the moire fringes disappear completely, their corresponding portions can be made to face each other.
[0057]
FIG. 7 shows a modification of the first embodiment. This diffractive lens is one in which one end surface 303 is formed as a curved surface having a positive refractive power and the other end surface 304 is formed as a curved surface having a negative refractive power among the two end surfaces 303 and 304 facing outward. Other configurations are the same as those of the first embodiment. The end surfaces 303 and 304 are each provided with an antireflection coating.
[0058]
According to such a diffractive lens, since it has both power due to diffraction and power due to refraction, a lens element having a large power as a whole can be realized. Further, since the chromatic dispersion (Abbe number) of the power due to the diffractive action and the power due to the refracting action have opposite signs, a lens element in which the chromatic aberration is corrected can be realized by canceling out the chromatic dispersion. In particular, as shown in FIG. 7, an achromatic single lens corrected to the secondary spectrum can be realized by inverting the sign of the refractive power of the end faces 303 and 304 facing outward.
[0059]
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment shows a transmission type diffractive lens. As the first region 104, a fluorine resin Cytop (nd = 1.34149, νd = 93.8) manufactured by Asahi Glass is used as the second region 105. An ultraviolet curable resin (nd = 1.52, νd = 51.8) and polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.5) are used as the third region 106, and these are sequentially laminated. Further, the first relief pattern 203 and the second relief pattern 203 having the same pitch distribution are formed on the boundary surface between the first region 104 and the second region 105 and the boundary surface between the second region 105 and the third region 106. Two relief patterns 204 are formed so that the top of the first relief pattern 203 and the bottom of the second relief pattern 204 are in contact with each other.
[0060]
The first and second relief patterns 203 and 204 have a structure in which each pitch arrangement is optimized so as to have a predetermined lens action, and each cross section has a sawtooth wave shape, and unevenness is inverted with respect to each other, and the wavelength λ = 550 nm. Thus, the groove depth is optimized so that the first-order diffraction efficiency is maximized. Therefore, the groove depth d of the first relief pattern 203₁And the groove depth d of the second relief pattern 204₂Are in the relationship of opposite signs. In this embodiment, the groove depth d of the first relief pattern 203 is₁D₁= −9.20 μm, groove depth d of second relief pattern 204₂D₂= 17.84 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is set to α≈-1.94. The two end faces 305 and 306 facing the outside are both flat, and an antireflection coating is applied on each end face.
[0061]
FIG. 9 shows Δn given by equation (6) in the diffractive lens according to this embodiment.₁And Δn given by equation (7)₂These show the respective wavelength dependence characteristics. As is clear from FIG. 9, the refractive index difference Δn between the cytop (first region 104) and the ultraviolet curable resin (second region 105).₁, And the refractive index difference Δn between the ultraviolet curable resin (second region 105) and the polycarbonate (third region 106).₂Are both negative values in the visible wavelength band due to the above-described relationship of the refractive indices. Further, since the combination of these two materials has a relationship of high refractive index high dispersion-low refractive index low dispersion, Δn₁And Δn₂In both cases, the magnitude (absolute value) decreases as the wavelength increases.
[0062]
In this embodiment, αΔn₂Is the magnitude (absolute value) of Δn₁Since the negative value α which does not exceed the magnitude of (absolute value) is selected and set, the wavelength dependence of the refractive index difference term N (λ) defined by the equation (12) is It will increase with the increase. Therefore, λ appearing in the denominator of the equation (9) is well canceled by this refractive index difference term N (λ), thereby reducing the wavelength dependence of the phase amplitude and reducing the wavelength dependence of the diffraction efficiency.
[0063]
FIG. 10 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of diffraction efficiency between the diffractive lens of this embodiment and a conventional diffractive lens. In FIG. 10, the solid line indicates the case of the diffractive lens according to this embodiment, and the broken line indicates the case of a conventional diffractive lens (optimized wavelength λ = 510 nm) in which a blaze pattern is formed on a CYTOP substrate. As can be seen from FIG. 10, according to the diffractive lens of this embodiment, the wavelength dependency of the diffraction efficiency is corrected extremely well as compared with the conventional one.
[0064]
As described above, according to this embodiment, since high diffraction efficiency can be obtained in the entire visible band light, the problem of flare and ghost hardly occurs when used in the visible band light. Therefore, the present invention can be suitably applied to any imaging optical system. Further, since the first and third regions 104 and 106 are made of a plastic material, the first and second relief patterns 203 and 204 can be formed very easily, and in particular, the second region 105 is formed. Since it is configured with an ultraviolet curable resin, the first and second relief patterns 203 and 204 formed in the first and third regions 104 and 106 can be easily bonded to each other. A diffractive optical element with reduced wavelength dependence can be easily manufactured.
[0065]
FIG. 11 shows a third embodiment of the present invention. This embodiment shows a bifocal diffractive lens, and the first, second, and third regions 101, 102, and 103 that are sequentially stacked are made of the same material as in the first embodiment. That is, the first region 101 is made of OHARA optical glass LaL14 (nd = 1.6968, νd = 55.5), and the second region 102 is made of ultraviolet curable resin (nd = 1.52, νd = 52). The third region 103 is composed of polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.5). Further, the first relief pattern 205 and the second relief pattern 205 having the same pitch distribution are formed on the boundary surface between the first region 101 and the second region 102 and on the boundary surface between the second region 102 and the third region 103. Two relief patterns 206 are formed so that the top of the first relief pattern 205 and the bottom of the second relief pattern 206 are in contact with each other.
[0066]
Each of the first and second relief patterns 205 and 206 optimizes each pitch arrangement so as to have a predetermined lens action, and each cross section is made into a rectangular shape having an equal concavo-convex ratio so that the wavelength λ = 600 nm is ± 1 next time. The groove depth is optimized so that the folding efficiency is maximized. In this embodiment, the groove depth d of the first relief pattern 205₁D₁= 4.02 μm, groove depth d of second relief pattern 206₂D₂= 7.03 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is set to α≈1.75. The two end faces 307 and 308 facing the outside are both flat, and an antireflection coating is applied on each end face.
[0067]
In this embodiment, when the ± 1st-order diffraction efficiency is maximized, the phase amplitude corresponding to the above equation (9) is
[Expression 20]

M-th order diffraction efficiency η_mIs
[Expression 21]

Given in. Since the phase amplitude represented by the above equation (18) is simply the coefficient 1/2 multiplied by the phase amplitude represented by the equation (9), the phase amplitude is exactly the same as in the first embodiment. Wavelength dependence of amplitude can be reduced.
[0068]
FIG. 12 shows the wavelength dependence characteristics of the ± 1st-order diffraction efficiency of the diffractive lens according to this example, and shows the result of applying equation (18) to equation (19). In FIG. 12, the solid line shows the case of the diffractive lens according to this embodiment, and the broken line shows the case of a conventional diffractive lens (optimized wavelength λ = 510 nm) in which a rectangular phase grating is formed on a LaL14 material substrate. As is apparent from FIG. 12, according to this embodiment, it is understood that the wavelength dependence of the diffraction efficiency is corrected better than the conventional one. As described above, according to this embodiment, the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be reduced in the entire visible band light, so that it can be suitably applied to the double focus optical system used in the visible band light.
[0069]
As described above, in the first to third embodiments, the case where the first and second relief patterns have a sawtooth waveform in the cross section and the case where the cross section is rectangular has been described. The cross sectional shapes of the first and second relief patterns are as described above. The present invention is not limited to this example and can be applied effectively even in the case of various cross-sectional shapes, and similar effects can be obtained.
[0070]
FIG. 13 shows a fourth embodiment of the present invention. This embodiment shows a transmission type diffractive lens. Acrylic resin (nd = 1.49, νd = 57.7) is used as the first region 107, and polycarbonate (nd = 1. 58, νd = 30.5), and these are sequentially laminated. The third region is an atmosphere in which the diffractive lens is placed, practically air. The first relief pattern 207 and the second relief pattern 208 having the same pitch distribution are provided on the boundary surface between the first region 107 and the second region 108 and the boundary surface between the second region 108 and air. Are formed so that the top of the first relief pattern 207 and the bottom of the second relief pattern 208 are in contact with each other.
[0071]
In the first and second relief patterns 207 and 208, each pitch arrangement is optimized so as to have a light condensing function, and each section is sawtooth-shaped so that the first-order diffraction efficiency is maximized at a wavelength λ = 550 nm. So that the groove depth is optimized. In this embodiment, the groove depth d of the first relief pattern 207₁D₁= 15.16 μm, groove depth d of the second relief pattern 208₂D₂= 3.34 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is set to α≈0.22.
[0072]
In this embodiment, the third region is the atmosphere in which this diffractive lens is placed, practically air, and its refractive index is 1, so that the wavelength of diffraction efficiency is the same as in the above-described embodiment. The dependence can be corrected. Further, in this embodiment, since the refractive index of the third region is low, the refractive index difference Δn between the second region 108 and the third region.₂Becomes a sufficiently large value, and the groove depth d of the second relief pattern 208 is₂Can be made relatively shallow. Thereby, since the diffraction lens can be made thinner, the pitch of the relief pattern can be further reduced.
[0073]
FIG. 14 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of the diffraction efficiency between the diffractive lens of this embodiment and a conventional diffractive lens. In FIG. 14, the solid line indicates the case of the diffractive lens according to this embodiment, and the broken line indicates the case of the conventional diffractive lens (optimized wavelength λ = 510 nm) in which the blaze pattern is formed on the acrylic substrate. As is apparent from FIG. 14, it can be seen that the wavelength dependency of the diffraction efficiency can be corrected very well in this embodiment as compared with the conventional one.
[0074]
FIG. 15 shows a fifth embodiment of the present invention. This embodiment shows a reflection type diffraction grating, and metal aluminum (Al) is used as the first region 111, polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.5) is used as the second region 112, Acrylic resin (nd = 1.49, νd = 57.7) is used as the third region 113, and these are sequentially laminated. Further, the first relief pattern 211 having the same pitch distribution and the first relief pattern 211 on the boundary surface between the first region 111 and the second region 112 and the boundary surface between the second region 112 and the third region 113. 2, so that the top of the first relief pattern 211 and the bottom of the second relief pattern 212 bite into each other, that is, the distance d between the first and second relief patterns 211, 212.₃Are formed to be negative values.
[0075]
The first and second relief patterns 211 and 212 have a constant pitch and a sawtooth wave in each cross section, and the groove depth is optimized so that the first-order diffraction efficiency at the wavelength λ = 550 nm is maximized. To do. In this embodiment, the groove depth d of the first relief pattern 211.₁D₁= 0.53 μm, groove depth d of the second relief pattern 212₂D₂= 6.04 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is set to α≈11.40.
[0076]
In this diffraction grating, since the first region 111 is made of a reflective material made of metallic aluminum, the light incident from the incident surface 311 is reflected by the first relief pattern 211. Therefore, such a diffraction grating functions as a reflection type diffraction grating. Further, the wavelength dependence of the diffraction efficiency in this diffraction grating can be explained by the above-described equation (11). That is, the expression (11) can be regarded as a special case in which the refractive index of the first region is set to zero in the expression (9) representing the phase amplitude of the transmission type diffractive lens described so far. The operation is essentially the same as that of the transmission type diffractive lens described above.
[0077]
According to this embodiment, by setting α optimally, the wavelength dependence of the refractive index of the polycarbonate that constitutes the second region 112 is changed to the refractive index between the polycarbonate and the acrylic resin that constitutes the third region 113. Correction can be preferably made by the wavelength dependence of the difference. As a result, the wavelength dependence of the phase amplitude shown by the equation (11) is reduced, and the wavelength dependence of the diffraction efficiency is further reduced.
[0078]
FIG. 16 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of diffraction efficiency between the reflection type diffraction grating according to this embodiment and the conventional reflection type diffraction grating. In FIG. 16, the solid line shows the case of the reflective diffraction grating according to this embodiment, and the broken line shows the case of the conventional reflective blazed grating (optimized wavelength λ = 510 nm). As is apparent from FIG. 16, it can be seen that the wavelength dependency of the diffraction efficiency can be corrected very well in this embodiment as compared with the conventional one.
[0080]
【The invention's effect】
According to the diffractive optical element of the present invention, the ratio of the groove depths of the first and second relief patterns is controlled, that is, the ratio of the groove depths of the two relief patterns is set to be optimally different. By doing so, the wavelength dependence of the phase amplitude can be controlled independently of the optical characteristics of the substrate material and the like, so that the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be optimized according to the purpose. Therefore, since there is no limit to the combination of materials that can reduce the wavelength dependency of diffraction efficiency, for example, by combining materials that are easy to manufacture, the wavelength dependency of diffraction efficiency can be effectively reduced and the cost can be reduced. Therefore, according to the optical device according to the present invention using such a diffractive optical element, it is possible to effectively prevent the occurrence of flare, ghost, and the like when shooting a color image, for example.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a conceptual diagram of a diffractive optical element developed prior to the present invention.
FIG. 2 is a conceptual diagram of a diffractive optical element according to a second invention.
FIG. 3 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram illustrating wavelength-dependent characteristics of refractive index differences between sequential regions in the diffraction lens of the first example.
FIG. 5 is a diagram showing a comparison of wavelength dependency characteristics of phase amplitudes of the diffractive lens according to the first embodiment and a conventional diffractive lens.
6 is a diagram showing the wavelength dependence characteristics of diffraction efficiency corresponding to the wavelength dependence characteristics of phase amplitude shown in FIG. 5;
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a modification of the first embodiment.
FIG. 8 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a diagram showing the wavelength dependence characteristics of the refractive index difference between sequential regions in the diffractive lens of Example 2.
FIG. 10 is a diagram showing a comparison of wavelength dependency characteristics of diffraction efficiency between the diffractive lens according to the second embodiment and a conventional diffractive lens.
FIG. 11 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 12 is a diagram showing the wavelength dependence characteristics of ± first-order diffraction efficiency in the diffraction lens of the third example.
FIG. 13 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 14 is a diagram showing a comparison of wavelength dependency characteristics of diffraction efficiency between the diffractive lens according to the fourth embodiment and a conventional diffractive lens.
FIG. 15 is a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 16 is a diagram showing a comparison of wavelength dependency characteristics of diffraction efficiency between a reflective diffraction grating according to a fifth embodiment and a conventional reflective diffraction grating.
FIG. 17 is a diagram showing an example of an optical apparatus using a diffractive optical element according to the present invention.
FIG. 18 is a diagram similarly showing another example.
FIG. 19 is a cross-sectional view showing a conventional diffractive optical element.
20 is a diagram showing an example of wavelength-dependent characteristics of the first-order diffraction efficiency in the conventional diffractive optical element shown in FIG.
21 is a diagram showing a phase shift function φ (x) of the relief pattern having a sawtooth waveform in section shown in FIG. 19;
FIG. 22 is a cross-sectional view showing a basic configuration of a diffractive optical element previously proposed by the present applicant.
FIG. 23 is a diagram showing an example of wavelength-dependent characteristics of refractive indexes of two types of optical materials in the diffractive optical element shown in FIG.
[Explanation of symbols]
11, 14, 101, 104, 107, 111 First area
12, 15, 102, 105, 108, 112 Second area
13, 16, 103, 106, 113 Third area
21, 23, 201, 203, 205, 207, 211 First relief pattern
22, 24, 202, 204, 206, 208, 212 Second relief pattern

Claims (7)

First, second and third regions stacked sequentially in close or close proximity;
A first relief pattern formed on a boundary surface between the first and second regions;
A second relief pattern formed on a boundary surface between the second and third regions,
The first, second and third regions are composed of different materials that are substantially transparent at the wavelength of the light used;
The first and second relief patterns have substantially equal pitch distributions and corresponding portions are arranged close to each other,
In addition, the refractive indexes of the materials constituting the first, second, and third regions are n ₁ (λ), n ₂ (λ), and n ₃ (λ), respectively.
The respective groove depths of the first and second relief patterns are d ₁ and d ₂ , and the ratio thereof is α = d ₂ / d ₁ ,

And when

A diffractive optical element characterized by satisfying: First, second and third regions stacked sequentially in close or close proximity;
A first relief pattern formed on a boundary surface between the first and second regions;
A second relief pattern formed on a boundary surface between the second and third regions,
The first region is composed of a material that reflects light to be used;
The second and third regions are composed of different materials that are substantially transparent at the wavelength of the light used;
The diffractive optical element according to claim 1, wherein the first and second relief patterns have substantially the same pitch distribution, have different groove depths, and their corresponding portions are arranged close to each other. The diffractive optical element according to claim 1 or 2,
The groove depth ratio α between the first relief pattern and the second relief pattern is set so that the phase shift action of the first relief pattern and the phase shift action of the second relief pattern cancel each other algebraically. A diffractive optical element characterized by being set. However, α = d ₂ / d ₁ ; d ₁ and d ₂ are the groove depths of the first and second relief patterns, respectively. The diffractive optical element according to claim 1 or 2,
The diffractive optical element according to claim 3, wherein the third region is an atmosphere of an environment in contact with the region. The diffractive optical element according to claim 1 or 2,
When the average refractive index of the composite relief structure region composed of the first relief pattern and the second relief pattern is n ₀ , the thickness is D, and the minimum pitch of the relief pattern is T,
(2πλ ₀ D) / (n ₀ T ² ) <1
A diffractive optical element characterized by satisfying: However, λ ₀ is the center wavelength of the band light to be used. The diffractive optical element according to claim 1 or 2,
The wavelength λ ₁ at the short wavelength end and the wavelength λ ₂ at the long wavelength end of the band light to be used are
λ ₂ −λ ₁ > 0.05λ ₀
A diffractive optical element characterized by satisfying: Where λ ₀ is
λ ₀ = (λ ₁ + λ ₂ ) / 2
Is an intermediate wavelength between λ ₁ and λ ₂ . An optical apparatus having the diffractive optical element according to claim 1.

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