JP4006362B2 - 回折光学素子、及びそれを有する光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折光学素子およびこれを有する光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
レンズ系の色収差を減じる方法としては、硝材の組み合わせによるものがあるが、レンズの表面や光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子若しくは回折格子を設ける方法がある。
【０００３】
例えば、非特許文献１や特許文献１〜３等にて提案若しくは開示されている。
【０００４】
回折光学素子を用いる方法は、屈折面と回折面とでは、ある基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向に発現するという物理現象を利用したものである。また、回折光学素子には、その周期的構造の周期を適宜変化させることで非球面レンズ的な効果を持たせることができるので、色収差以外の収差の低減にも効果がある。
【０００５】
回折光学素子を有するレンズ系において、使用波長領域の光束が特定の１つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」ともいう）の回折光に集中している場合は、それ以外の回折次数の回折光強度は低いものとなり、強度が０の場合はその回折光は存在しない。
【０００６】
しかし、設計次数以外の次数の回折光が存在し、それがある程度の強度を有する場合は、設計次数の光線とは別な所に結像するため、レンズ系でのフレア光となる。
【０００７】
従って、前述の回折光学素子の収差低減作用を利用するためには、使用波長領域全域において設計次数の回折光の回折効率が十分高いことが必要であり、この設計次数での回折効率の分光分布および設計次数以外の回折光の振る舞いについても十分考慮することが重要である。
【０００８】
図１６には、基板３０２とこの基板３０２上に形成された回折格子３０１とからなる回折光学素子（以下、「単層型ＤＯＥ」と言う）を示しており、この単層型ＤＯＥをある面に形成した場合の特定次数に対する回折効率の特性を図１７に示す。
【０００９】
図１７において、横軸は入射光の波長を、縦軸は回折効率を示している。回折効率の値は、全透過光束の光量に対する各次数での回折光の光量の割合であり、格子境界面での反射光などは説明が複雑になるので考慮していない値になっている。
【００１０】
図１７に示すように、図１６に示した単層型ＤＯＥは、１次の回折次数（図中に太い実線で示す）において使用波長領域で最も回折効率が高くなるように設計されており、設計次数は１次である。この設計次数で回折効率はある波長で最も高くなり（以下、この波長を「設計波長」という）、それ以外の波長では徐々に低くなる。この設計次数での回折効率の低下分は、他の次数の回折光となり、フレア光となる。図１７には、この他の次数として設計次数近傍の次数（設計次数１±１次の０次と２次）の回折効率も併せて並記されている。
【００１１】
このように発生するフレア光の影響を低減する構成として、様々な提案がなされている。
【００１２】
特許文献４にて提案の回折光学素子は、図１８に示すように、３種類の異なる格子材料３０６〜３０８と２種類の異なる格子厚ｄ１ ，ｄ２とを最適に選び、複数の回折格子を等しいピッチ分布で密着配置することによって、図１９に示すように、設計次数において可視域全域にわたってある程度高い回折効率を実現している。
【００１３】
また、特許文献５にて提案の回折光学素子は、図１３に示すように、回折格子をそれぞれ含む素子部２０２，２０３を空気層２１０を介して互いに近接させた構造を有する回折光学素子（以下、このような構成の回折光学素子を「積層型ＤＯＥ」という）２０１であり、各回折格子を構成する材料の屈折率、分散特性（アッベ数νｄ）および各層の格子厚を最適化することにより、図１４に示すように、設計次数において可視領域全域にわたって高い回折効率を実現している。
【００１４】
また、回折格子を構成する材料のアッベ数を規定することで、格子厚が１０μｍ以下で高い回折効率を実現している。そしてこれに応じて、設計次数±１次の回折効率も図１７の単層型ＤＯＥに比べて、図１５に示すように良好に抑制されている。
【００１５】
【非特許文献１】
ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０）
【特許文献１】
特開平４−２１３４２１号公報
【特許文献２】
特開平６−３２４２６２号公報
【特許文献３】
米国特許５０４４７０６号明細書
【特許文献４】
特開平９−１２７３２２号公報
【特許文献５】
特開２０００−９８１１８号公報
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
上記特許文献４および特許文献５にて提案されている回折光学素子を用いることで、設計次数の回折効率は、単層型ＤＯＥに比べて大幅に改善され、使用波長全域で９４％以上、４５０ｎｍから６５０ｎｍの主波長域では９８％以上の高い回折効率が得られる。そして、不要回折次数のフレア光も、使用波長全域で２％以下、４５０ｎｍから６５０ｎｍの主波長域では０．６％以下と概ね良好に抑制されている。
【００１７】
このため、撮影（投影）条件の変化しない光学系（例えば、複写機のリーダーレンズや液晶プロジェクターの投射レンズ）への応用では、積層型ＤＯＥによりフレアの影響は問題ないレベルまで抑制される。
【００１８】
しかしながら、スチルカメラ、ビデオカメラ等、様々な被写体を様々な条件で撮影する光学装置の光学系においては、わずかに残存しているフレアが問題になる場合がある。
【００１９】
例えば、被写体中に光源が存在する場合、一般に撮影時には光源が適正な露出になるようには撮影をせず、光源以外の被写体が適正露出になるような撮影を行う。
【００２０】
このため、被写体中の光源は適正露出以上の露出で撮影されることになる。例えば、光源が適正露出の５００倍で露出されると、フレアがわずか０．６％残存していたとしても、光源のフレアは５００倍されるので、
０．６×５００＝３００％
と適正露出の３倍のフレアとなり、必ず撮影画像に現れる。
【００２１】
上述のように、スチルカメラやビデオカメラの光学系に積層型ＤＯＥを応用した場合、わずかなフレアでも問題となる。
【００２２】
そこで本発明は、広い使用波長領域で、特に特定次数の光に関して高い回折効率が得られるとともに、不要回折次数の回折光を特に抑制できる回折光学素子およびこの回折光学素子を用いた光学系を提供することを目的としている。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明では、それぞれアッベ数νｄが異なる材料からなる複数の回折格子を互いに重ね合わせ、積層した構造を有する回折光学素子において、上記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子を構成する材料のｇ線およびＦ線に対する部分分散比θｇ，Ｆが、
θｇ，Ｆ＜（−１／６００）νｄ＋０．５５ ・・・（１）
但し、θｇ，Ｆ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）
νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ）
ｎｇ，ｎＦ，ｎｄ，ｎＣはそれぞれ、ｇ線，Ｆ線，ｄ線，Ｃ線に対する屈折率
なる条件を満足し、前記条件式（１）を満足する材料のアッベ数νｄが３０以下であるようにしている。
【００２４】
すなわち、ｇ線およびＦ線に対する部分分散比が上記条件式（１）の右辺の値（図６のグラフ中に実線で示す値）よりも小さな材料を用いた回折格子を少なくとも１つ含んだ積層型の回折光学素子とすることにより、入射光の波長（使用波長）領域の全域において特定次数（設計次数）の回折効率を高くしつつ、光学系に組み込んだ際にフレア光となり得る不要回折次数の光を良好に抑制することが可能な回折光学素子を実現している。
【００２５】
さらに、上記複数の回折格子それぞれの格子厚を１０μｍ以下とすることにより、薄い回折格子形状で高い回折効率を達成でき、より広画角の光学系に組み込んだ場合でもフレア光となり得る不要回折次数の光を良好に抑制することが可能な回折光学素子を実現できる。
【００２７】
さらに、上記複数の回折格子の材料のうち条件式（１）を満足する材料以外の少なくとも１つの材料のアッベ数ν_ｄを４０以上とすると、条件式（１）を満足する材料の選択の幅が広がり好ましい。
【００２８】
なお、上記条件式（１）を満足する材料として、例えば、アッベ数ν_ｄが１５以下の微粒子材料（ＴｉＯ_２やＩＴＯ等で、特に粒子径が入射光波長の１／２０以下のものがよい）を樹脂材料（例えば、紫外線硬化樹脂）に混合したものを用いることにより、回折格子の成形性を良好とすることができる。
【００２９】
また、上記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子における格子周期方向での格子厚の変化方向を他の回折格子における格子厚の変化方向と異ならせることにより、使用波長領域の全域での高い回折効率の達成により効果的である。
【００３０】
また、上記複数の回折格子のそれぞれが、格子ピッチをＰとし、それぞれの格子厚をｄとしたときに、
ｄ／Ｐ＜１／６
なる条件を満足することにより、回折格子の加工性を良好なものとすることができる。
【００３１】
さらに、回折格子を（透明な）基板と同じ材料で基板と一体形成することにより、回折格子および基板からなる素子部（単層型ＤＯＥに相当する部分）の製作が容易になり、ひいては複数の素子部を重ね合わせて作られる回折光学素子の製作も容易になる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態である回折光学素子の正面図であり、図１（ｂ）は上記回折光学素子の側面図である。また、図２には、図１の回折光学素子をＡ−Ａ’線で切断したときの断面形状の一部を拡大して示している。但し、図２は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。
【００３３】
これらの図に示すように、回折光学素子１は、第１の素子部２と第２の素子部３とを、それぞれの素子部に形成された第１の回折格子８と第２の回折格子９とが空気層１０を挟んで互いに近接するように重ね合わせた構成となっており、これら第１，第２の素子部２，３および空気層１０の全体で１つの回折光学素子として作用するものである。
【００３４】
第１および第２の回折格子８，９は同心円状の格子形状からなり、径方向における格子ピッチが変化することで、レンズ作用を有する。また、第１の回折格子８と第２の回折格子９はほぼ等しい格子ピッチ分布を持っている。
【００３５】
また、図２に示すように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、この第１の透明基板４上に設けられた格子ベース部６およびこの格子ベース部６に一体形成された第１の回折格子８からなる第１格子形成層とを有し、第１の回折格子８における空気層１０との境界部には格子面８ａが形成されている。
【００３６】
一方、第２の素子部３も第１の素子部２と同様に、第２の透明基板５と、この第２の透明基板５上に設けられた格子ベース部７およびこの格子ベース部７に一体形成された第２の回折格子９からなる第２格子形成層とを有し、第２の回折格子９における空気層１０との境界部には格子面９ａが形成されている。
【００３７】
なお、空気層１０は、両回折格子８，９の格子面８ａ，９ａと格子側面とがなすエッジ間において厚さがＤとなるように設定されている。
【００３８】
ここで、第１および第２の素子部２，３の寸法に関してそれぞれ、格子ピッチをＰ_１，Ｐ_２（μｍ）、格子厚をｄ_１，ｄ_２（μｍ）としたとき、
ｄ_１／Ｐ_１＜１／６
ｄ_２／Ｐ_２＜１／６
を満たすようにすると、素子部２，３自体やこれら素子部２，３を製造（樹脂成形）するための型に対して格子形状を機械加工し易いというメリットがある。
【００３９】
本実施形態において、回折光学素子１に入射させる光の波長領域、すなわち使用波長領域は可視領域であり、第１および第２の回折格子８，９を構成する材料および格子厚さは、可視領域全体で１次の回折光の回折効率を高くするように選択される。
【００４０】
次に、本実施形態の回折光学素子１の回折効率について説明する。図１５に示す通常の単層型ＤＯＥにおいて、設計波長がλ_０の場合に、ある次数の回折光の回折効率が最大となる条件は、光束が回折格子のベース面（図２に点線で示す面）に対して垂直に入射する場合は、回折格子の山と谷の光学光路長差（つまりは、山と谷のそれぞれを通過する光線間における光路長差）が光束の波長の整数倍になることであり、これを式で表わすと、
（ｎ_０１−１）ｄ＝ｍλ_０ …（２）
となる。
【００４１】
ここで、ｎ_０１は波長λ_０の光に対する回折格子の材料の屈折率である。また、ｄは格子厚、ｍは回折次数である。
【００４２】
上記（２）式は波長の項を含むため、同一次数では設計波長でしか等号は成り立たず、設計波長以外の波長では回折効率は最大値から低下してしまう。
【００４３】
また、任意の波長λでの回折効率η（λ）は、
η（λ）＝ｓｉｎｃ^２〔π｛Ｍ−（ｎ_１（λ）−１）ｄ／λ｝〕 …（３）
で表すことができる。
【００４４】
上記（３）式において、Ｍは評価すべき回折光の次数、ｎ_１（λ）は波長λの光に対する回折格子の材料の屈折率である。また、ｓｉｎｃ^２（ｘ）は、＝｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝^２で表わされる関数である。
【００４５】
本実施形態のように、２層以上の積層構造を持つ回折光学素子でも、基本は同様であり、全層を通して１つの回折光学素子として作用させるためには、各層を構成する材料（空気等も含む）の境界に形成された回折格子の山と谷とでの光学光路長差を求め、この光学光路長差を全回折格子にわたって加え合わせたものが波長の整数倍になるように格子形状その他の寸法を決定する。
【００４６】
従って、図１に示した回折光学素子１において、設計波長がλ_０の場合に、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、
±（ｎ_０１−１）ｄ_１±（ｎ_０２−１）ｄ_２＝ｍλ_０ …（４）
となる。
【００４７】
ここで、上記（４）式において、ｎ_０１は第１の素子部２において第１の回折格子８を形成する材料の波長λ０の光に対する屈折率であり、ｎ_０２は第２の素子部３において第２の回折格子９を形成する材料の波長λ_０の光に対する屈折率である。また、ｄ_１，ｄ_２はそれぞれ、第１の回折格子８と第２の回折格子９の格子厚である。
【００４８】
図２中の０次回折光から下向きに回折する光の回折次数を正の回折次数、０次回折光から上向きに回折する光の回折次数を負の回折次数とすると、上記（３）式での各層の加減の符号は、図中上から下に格子厚が減少する格子形状を持つ第１の回折格子８の場合が負となり、逆に上から下に格子厚が増加する格子形状を持つ第２の回折格子９の場合が正となる。
【００４９】
図２に示す構成において、設計波長λ０以外の波長λでの回折効率η（λ）は、
η（λ）＝ｓｉｎｃ^２〔π｛Ｍ−｛±（ｎ_１（λ）−１）ｄ_１±（ｎ_２（λ）−１）ｄ_２｝／λ｝〕
＝ｓｉｎｃ^２〔π｛Ｍ−φ（λ）／λ｝〕 …（５）
という式で表わすことができる。
【００５０】
上記（５）式中のφ（λ）は、
φ（λ）＝±（ｎ_１（λ）−１）ｄ_１±（ｎ_２（λ）−１）ｄ_２
である。また、Ｍは評価すべき回折光の次数、ｎ_１（λ）は第１の回折格子８を形成する材料の波長λでの屈折率、ｎ_２（λ）は第２の回折格子９を形成する材料の波長λでの屈折率、ｄ_１，ｄ_２はそれぞれ第１の回折格子８と第２の回折格子９の格子厚である。またｓｉｎｃ^２（ｘ）は、＝｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝^２で表わされる関数である。
【００５１】
なお、図２に示した回折光学素子１では、格子面８ａ，９ａを空気層１０との境界面に形成しているが、本発明の回折光学素子はこれに限定されるものではなく、例えば図９に示すように、空気とは異なる２つの異なる材質（光学材料）の境界面に格子面を形成した２つの回折格子で構成した回折光学素子を用いることもできる。
【００５２】
図９（ａ）は格子厚の異なる回折格子８，９を密着させた場合であり、図９（ｂ）は同じ格子厚の回折格子８，９を密着させた場合の例である。回折格子を構成する材料の組み合わせによっては、２つの回折格子８，９の格子厚を図９（ｂ）に示すごとく等しくすることもできる。
【００５３】
次に、本実施形態の回折光学素子１において高い回折効率を得るための条件について説明する。
【００５４】
使用波長領域の全域にわたって高い回折効率を得るためには、（５）式で表される値η（λ）が全ての使用波長λに対して、１に近づけばよい。言い換えれば、設計次数ｍでの回折効率を高めるには、（５）式中のφ（λ）／λがｍになればよいことが式から分かる。例えば、設計次数ｍを１次としたときは、φ（λ）／λが１に近づけばよいわけである。
【００５５】
さらに、格子形状から得られる光学光路長差φ（λ）は、上記関係から、波長λに比例して線形に変化していく必要があることが分かる。
【００５６】
このためには、光学光路長差φ（λ）の中の波長によって変化する項である、
±ｎ_１（λ）ｄ_１±ｎ_２（λ）ｄ_２
が線形性を有することが必要となってくる。つまり、第１の回折格子８を形成する材料の波長による屈折率の変化に対する第２の回折格子９を形成する材料の波長による屈折率の変化が、全使用波長域で一定の比率であることが必要となってくる。
【００５７】
このことを式で表現すると、
ｎ_１（λ_１）−ｎ_１（λ_２）：ｎ_２（λ_１）−ｎ_２（λ_２）
＝ｎ_１（λ_３）−ｎ_１（λ_４）：ｎ_２（λ_３）−ｎ_２（λ_４） …（６）
但し、λ_１，λ_２，λ_３，λ_４は任意の使用波長を示す
となる。
【００５８】
ここで、上記（６）式の関係をほぼ満足する構成として、図２に示した積層構造の回折光学素子１を例にとって説明する。まず、高い回折効率を得るためには、少なくとも２つの回折格子が存在すればよいが、図２に示した回折光学素子１はこれを満足するものである。
【００５９】
また、図２に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８を、本実施形態において特徴となる材料（ｎ_ｄ＝１．５７０２，ν_ｄ＝１３．５）を用い、格子厚を５．６μｍとする。一方、第２の回折格子９を、大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂Ｃ００１（ｎ_ｄ＝１．５２４，ν_ｄ＝５０．８）を用い、格子厚を７．２μｍとする。
【００６０】
図３には、この回折光学素子１の設計次数である１次での回折効率特性を、図４には、設計次数±１次（０次と２次）の回折効率特性をそれぞれ示している。これらの特性図から分かるように、上記回折光学素子１は、図１３および図１４に示した特性に比べて設計次数の回折効率が改善しているとともに、不要次数の回折効率が低減されてよりフレア光が発生しにくくなっている。
【００６１】
しかも、設計次数の回折効率は、可視領域全域で９９．７％以上得られており、これに伴い不要次数のフレア光も可視領域で０．０５％以下と従来の材料を使用した回折光学素子に比べて約１／１０まで低下している。
【００６２】
ここで、不要次数光の回折効率については、設計次数±１次である０次と２次についてのみ対象としているが、これは設計次数から離れた回折次数ほどフレアに寄与する割合が少ないため、０次と２次のフレア光が低減されれば、それ以外のフレア光も同様に影響を低減できるからである。
【００６３】
このことは、特定の設計次数の光が主に回折するように設計された回折光学素子は、設計次数から離れた次数にいくに従って、回折効率は低下している傾向にあること、および設計次数から離れた次数ほど結像面でぼけが大きくフレアとして目立たなくなってくることに起因している。
【００６４】
次に、特開２０００−９８１１８号公報（前述の特許文献５）に記載されている材料と本実施形態において特徴となる材料の可視波長域での屈折率特性を図５に示す。図５中、材料１は、本実施形態の第２の回折格子９と従来例の両方に用いられている材料であり、材料２は、本実施形態の第１の回折格子８を構成する材料である。また、材料３は、特開２０００−９８１１８号公報に記載された第１の回折格子を構成する材料である。
【００６５】
この特性図において、本実施形態にて用いられている材料１と材料２とでは、グラフの傾きが異なっているように見えるが、波長の変化に対する屈折率の変化がほぼ一定である。
【００６６】
一方、特開２０００−９８１１８号公報に記載の回折光学素子で用いられている材料１と材料３とでは、波長に対する屈折率の変化が材料１はほぼ一定であるのに対し、材料３は短波長側の変化の度合いが大きい特性となっている。
【００６７】
これは、特開２０００−９８１１８号公報で提案されているアッベ数νｄの特性が、
ν_ｄ＝（ｎ_ｄ−１）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）
但し、ｎ_Ｆ，ｎ_ｄ，ｎ_Ｃはそれぞれ、Ｆ線，ｄ線，Ｃ線に対する屈折率
で表わされるため、ｄ線（波長５８７ｎｍ）付近の屈折率変化の平均的な傾きを定義した値に過ぎないためである。
【００６８】
このν_ｄ特性は、積層構造の回折光学素子で、格子厚を薄く保ちつつ、回折効率特性を単層型ＤＯＥに比べて改善するのには適した評価特性であった。しかし、本発明が目的とするさらなる回折効率特性を改善することのためには、平均的な屈折率変化を表わした従来のν_ｄ評価尺度だけでは不十分であることが様々な検討で明らかになってきた。
【００６９】
これら２つの材料、すなわち材料２と材料３の違いを明確にするため、光学ガラス材料の特性として用いられている、１つの評価尺度を調べることにする。
【００７０】
図６には、その評価尺度であるｇ線およびＦ線に対する部分分散比θ_ｇ，Ｆの特性を示している。なお、図６において、横軸はν_ｄ、縦軸はθ_ｇ，Ｆの値である。θ_ｇ，Ｆは、
θ_ｇ，Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_Ｃ）
但し、ｎ_ｇ，ｎ_Ｆ，ｎ_ｄ，ｎ_Ｃはそれぞれ、ｇ線，Ｆ線，ｄ線，Ｃ線に対する屈折率で定義される値であり、短波長側の屈折率の変化と長波長側の屈折率の変化の比を表わす評価尺度である。
【００７１】
図６中の材料２が本実施形態における第１の回折格子８に用いている材料であり、この材料２では、θ_ｇ，Ｆが０．３程度のかなり小さな値を示している。
【００７２】
また、材料３は特開２０００−９８１１８号公報に記載されている材料であり、この材料３は一般光学材料に属している。そして、本実施形態の材料２が、特開２０００−９８１１８号公報に記載された材料を含む一般の光学材料のθ_ｇ，Ｆ特性とは大きく異なるθ_ｇ，Ｆ特性を有することも図６から理解できる。
【００７３】
図６中に材料４として示されている光学材料を用いた回折光学素子の回折効率を図７と図８に示している。図７は設計次数である１次の回折効率特性を、図８は設計次数±１次である０次と２次の回折効率特性をそれぞれ示している。設計次数の回折効率として、使用波長全域では９７％以上、さらに４５０ｎｍから６５０ｎｍの主波長域では９９．５％以上の高い回折効率が得られている。
【００７４】
一方、不要回折次数のフレア光も使用波長全域では０．９％以下、さらに４５０ｎｍから６５０ｎｍの主波長域では０．２％以下と、従来例の約１／３と良好に抑制されている。
【００７５】
以上のことから分かるように、θ_ｇ，Ｆ特性に関して、材料４でも十分な回折効率特性が得られる。
【００７６】
したがって、本発明の目的である回折効率の改善のためには、図６中に実線で示す直線よりもθ_ｇ，Ｆの値が小さいこと、すなわち、
θ_ｇ，Ｆ＜（−１／６００）ν_ｄ＋０．５５
を満足するような光学材料を用いればよい。
【００７７】
このような光学特性を示す材料としては、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などがある。但し、ＩＴＯのままでは格子形状を作成するのが困難である場合には、特開２００１−７４９０１号公報にて提案されているような、ＩＴＯを直径がナノメートルオーダーの微粒子とし、この微粒子を格子形状が形成し易い樹脂材料に混在させた材料２や材料４に示すような材料を用いるのが好ましい。材料２はベース材としてのフッ素樹脂サイトップ（旭硝子製ｎ_ｄ＝１．３４，ν_ｄ＝９０）にＩＴＯ微粒子を混合したものである。材料４はベース材としてのポリビニルカルバゾール（ｎ_ｄ＝１．７０，ν_ｄ＝１８）にＩＴＯ微粒子を混合したものである。
【００７８】
また、同材料として、アッベ数ν_ｄが３０以下の材料を用いると、回折格子の格子厚を薄くすることができ、好ましい。
【００７９】
同様に、上記樹脂材料に微粒子を混在させる光学材料としては、微粒子混合後にアッベ数が３０以下であることが望ましく、このために、微粒子としてはアッベ数が１５以下の特性を有する微粒子材料を使用することが望ましい。このような条件を満足する微粒子材料として、例えば上記したＩＴＯ以外にも、ＴｉＯ_２の使用が考えられる。
【００８０】
また、混在した微粒子によって光が散乱しないように、使用する微粒子の大きさ（径）は、使用波長の１／２０以下であることが好ましい。
【００８１】
一方、第２の回折格子９を形成する材料としては、アッベ数が４０以上の材料を用いると、格子厚を薄く保つことができるので、好ましい。
【００８２】
また、第１の回折格子８を形成する材料や第２の回折格子９を形成する材料として光学ガラスを用いる場合は、図２に示した透明基板４，５とその光学ガラス材料とを同じ材料とすれば、両者を一体で製作することができ、部品点数が減り、低コスト化にも有利である。
【００８３】
また、回折格子８，９のそれぞれが、格子ピッチをＰ、格子厚をｄとしたときに、
ｄ／Ｐ＜１／６
を満たす格子形状を有する場合には、回折格子８，９を成形するための型を製造し易くなり、好ましい。
【００８４】
なお、以上説明した第１実施形態では、平板としての基板４，５上に回折格子（積層型ＤＯＥ）８，９を設けた回折光学素子について説明したが、レンズの凸面や凹面等の曲面表面に回折部を設けても、本実施形態で説明したのと同様の効果を得ることができる。
【００８５】
また、本実施形態では、設計次数が１であるいわゆる１次回折光を用いる回折光学素子について説明したが、設計次数は１に限定されるものではなく、２次や３次の１次とは異なる回折光であっても、各回折格子８，９における光学光路長差の合成値を所望の設計次数で所望の設計波長となるように設定すれば、本実施形態と同様の効果が得られる。
【００８６】
（第２実施形態）
上記第１実施形態では、従来例と比較するため、２つの回折格子８，９を形成する材料が２種類の場合について説明したが、本発明の実施形態はこれに限定されるものではない。
【００８７】
例えば、図１０に示すように、３つの回折格子８，９，１１をそれぞれ異なる３種類の材料（８，９および１１で示す部分の材料）で形成した３層構成の回折光学素子にも本発明を提供することができる。
【００８８】
この場合でも、少なくとも１つの材料を、上記（１）式を満足する材料とすればよい。例えば、図１０の回折光学素子１’では、第２の回折格子９と空気層１０との間に、第２の回折格子９の格子面９ａに接するかたちで設けられた第３の回折格子１１に上記（１）式を満足する材料を用いるのが好ましい。
【００８９】
なお、図１０において示した各部の寸法の意味は第１実施形態と同様であり、第１実施形態にはないＤ１，Ｄ２はそれぞれ、第１の回折格子８の格子面８ａと格子側面とのなすエッジから第３の回折格子１１における空気層１０との境界面までの寸法および第２の回折格子９の格子面９ａと格子側面とのなすエッジから第３の回折格子１１における空気層１０との境界面までの寸法である。
【００９０】
（第３実施形態）
図１１には、本発明の第３実施形態であるカメラ（スチルカメラやビデオカメラ等）の撮影（結像）光学系の構成を示している。この図中、１０１は大部分が屈折光学素子（例えば通常のレンズ素子）で構成される撮影レンズであり、内部に開口絞り１０２と第１実施形態にて説明した回折光学素子１を有する。
【００９１】
１０３は結像面に配置されたフィルム又はＣＣＤ等の撮影媒体である。回折光学素子１はレンズ機能を有する素子であり、撮影レンズ１０１中の屈折光学素子で発生する色収差を補正する。
【００９２】
そして、回折光学素子１は、第１実施形態にて説明したように、回折効率特性が従来のものに比べて大幅に改善されているので、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有した撮影光学系を実現することができる。
【００９３】
また、回折光学素子１は、図２に示した空気層１０を有する光学素子のように、各回折格子を製造した後に周辺部で貼り合わせるというような簡単な方法でも製作することができるので、撮影光学系として量産性に優れ、かつ安価な光学系を提供することができる。
【００９４】
なお、本実施形態では、絞り１０２の近傍に配置された平板ガラス面に回折光学素子１を設けているが、本発明はこれに限定するものではなく、前述したように、回折光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、撮影レンズ１０１内に回折光学素子１を複数個配置してもよい。
【００９５】
また、本実施形態では、カメラの撮影レンズに本発明に係る回折光学素子を用いた場合について説明したが、これに限らず、事務機のイメージスキャナーやデジタル複写機のリーダーレンズなど、広い波長域で使用される結像光学系に本発明の回折光学素子を使用しても、先に説明したのと同様の効果が得られる。
【００９６】
（第４実施形態）
図１２には、本発明の第４実施形態である双眼鏡の観察光学系の構成を示している。この図中、１０４は対物レンズ、１０５は倒立像を正立させるためのプリズム、１０６は接眼レンズ、１０７は評価面（瞳面）である。１は第１実施形態にて説明した回折光学素子であり、対物レンズ１０４の結像面１０３での色収差等を補正する目的で設けられている。
【００９７】
この観察光学系は、第１実施形態にて説明したように、回折効率特性が従来のものに比べて大幅に改善されているので、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有する。
【００９８】
また、回折光学素子１は、図２に示した空気層１０を有する光学素子のように、各回折格子を製造した後に周辺部で貼り合わせるというような簡単な方法でも製作することができるので、観察光学系（の対物レンズ部）として量産性に優れた安価な光学系を提供することができる。
【００９９】
なお、本実施形態では、平板ガラス面に回折光学素子１を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、回折光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、観察光学系内に回折光学素子１を複数個配置してもよい。
【０１００】
また、本実施形態では、対物レンズ部に回折光学素子１を設けた場合を示したが、これに限らず、プリズム１０５の表面や接眼レンズ１０６内の位置に設けることもでき、この場合も先に説明したのと同様の効果が得られる。但し、回折光学素子１を結像面１０３より物体側に設けることで対物レンズ部のみでの色収差低減効果があるため、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ部に設けることが望ましい。
【０１０１】
また、本実施形態では、双眼鏡の観察光学系について説明したが、本発明の回折光学素子は、地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用することができ、さらにはレンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式ファインダーにも適用することができ、先に説明したのと同様の効果が得られる。
【０１０２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ｇ線およびＦ線に対する部分分散比が上記条件式（１）の右辺の値よりも小さな材料を用いた回折格子を少なくとも１つ含んだ積層型の回折光学素子とすることにより、入射光の波長（使用波長）領域の全域において特定次数（設計次数）の回折効率を高くしつつ、光学系に組み込んだ際にフレア光となり得る不要回折次数の光を良好に抑制することが可能な回折光学素子を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態である回折光学素子の正面図および側面図。
【図２】上記第１実施形態の回折光学素子の部分断面図。
【図３】上記第１実施形態の回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。
【図４】上記第１実施形態の回折光学素子の設計次数±１次での回折効率特性を示すグラフ図。
【図５】上記第１実施形態の回折光学素子を構成する材料の屈折率特性（ｎｄ−λ特性）を示すグラフ図。
【図６】上記第１実施形態の回折光学素子を構成する材料の部分分散比特性（θｇ，Ｆ−νｄ特性）を示すグラフ図。
【図７】上記第１実施形態の回折光学素子であって、他の材料を用いた場合の設計次数の回折効率特性を示すグラフ図。
【図８】上記第１実施形態の回折光学素子であって、他の材料を用いた場合の設計次数±１次の回折効率特性を示すグラフ図。
【図９】上記第１実施形態の回折光学素子の他の態様の部分断面図。
【図１０】本発明の第２実施形態である回折光学素子の部分断面図。
【図１１】本発明の第３実施形態である撮影光学系の構成図。
【図１２】本発明の第４実施形態である撮影光学系の構成図。
【図１３】従来の積層型回折光学素子の部分断面図。
【図１４】従来の積層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。
【図１５】従来の積層型回折光学素子の設計次数±１次での回折効率特性を示すグラフ図。
【図１６】従来の単層型回折光学素子の部分断面図。
【図１７】従来の単層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。
【図１８】従来の積層型回折光学素子の部分断面図。
【図１９】従来の積層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ 回折光学素子
２ 第１の素子部
３ 第２の素子部
４ 第１の基板
５ 第２の基板
６ 第１の格子ベース部
７ 第２の回折ベース部
８ 第１の回折格子
９ 第２の回折格子
１０ 空気層
１１ 第３層
１０１ 撮影レンズ
１０２ 絞り
１０３ 結像面
１０４ 対物レンズ
１０５ プリズム
１０６ 接眼レンズ
１０７ 評価面（瞳面）

Claims (11)

1. それぞれアッベ数νｄが異なる材料からなる複数の回折格子を積層した構造を有する回折光学素子であって、
   前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子を構成する材料のｇ線およびＦ線に対する部分分散比θｇ，Ｆが、
   θｇ，Ｆ＜（−１／６００）νｄ＋０．５５
   但し、θｇ，Ｆ＝（ｎｇ−ｎＦ）／（ｎＦ−ｎＣ）
   νｄ＝（ｎｄ−１）／（ｎＦ−ｎＣ）
   ｎｇ，ｎＦ，ｎｄ，ｎＣはそれぞれ、ｇ線，Ｆ線，ｄ線，Ｃ線に対する屈折率
   なる条件を満足し、前記条件を満足する材料のアッベ数νｄが３０以下であることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記複数の回折格子それぞれの格子厚が１０μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記複数の回折格子の材料のうち前記条件を満足する材料以外の少なくとも１つの材料のアッベ数νｄが４０以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
4. 前記条件を満足する材料は、アッベ数νｄが１５以下の微粒子材料を樹脂材料に混合したものであることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
5. 前記微粒子材料の粒子径が、入射光の波長の１／２０以下であることを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子。
6. 前記微粒子材料が、ＴｉＯ _２ 又はＩＴＯであることを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子。
7. 前記樹脂材料が、紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項４に記載の回折光学素子。
8. 前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子における格子周期方向の格子厚の変化方向が他の回折格子における格子厚の変化方向と異なることを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
9. 前記複数の回折格子のそれぞれが、格子ピッチをＰとし、それぞれの格子厚をｄとしたときに、
   ｄ／Ｐ＜１／６
   なる条件を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
10. 可視波長域の光に対して回折作用を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
11. 屈折光学素子と、請求項１から１０のいずれかに記載の回折光学素子を有することを特徴とする光学系。

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