JP4088283B2 - 回折光学素子およびそれを備える光学系並びに光学装置 - Google Patents

Description

この発明は、複数の波長、あるいは帯域光で使用する回折光学素子、およびそれを備える光学系並びに光学装置に関するものである。

回折光学素子、例えば、レンズ作用を有するように構成した回折光学素子（回折レンズ）は、以下に示すように、従来からある屈折レンズにはない特長を有することが知られている。
（I）非球面波を容易に生成することができるので、収差を効果的に補正することができる。
（II）実質的に厚みを持たないので、設計の自由度が高く、コンパクトな光学系を実現することができる。
（III）屈折レンズでのアッベ数に相当する量が、回折レンズでは負の値となるので、屈折素子との組み合わせによって、色収差を効果的に補正することができる。

このような回折レンズの特長を利用し、光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、下記の非特許文献１に詳しく記述されている。

上述したように、回折光学素子には、従来の屈折素子にはない多くの有用な特長があるが、他方では、回折効率が波長に依存するために、以下のような原理的な問題がある。例えば、光学系に適用する回折光学素子は、レンズ素子として利用する場合が多いが、このような用途においては、複数の回折光（複数の焦点）が存在するのは、一般に好ましくない。そこで、従来の回折光学素子（具体的には回折レンズ）においては、一般に、図１９に示すように、使用する波長で透明な基材１に、断面を鋸歯波状とした（ブレーズ化した）レリーフパターン２を形成して、特定次数の回折光にエネルギーを集中させるようにしている。

しかしながら、図１９に示すように、断面を鋸歯波状に加工すると、その溝深さによってエネルギーを集中できる波長、すなわち回折効率が最大になる波長が異なるため、波長幅を有する帯域光のエネルギーを特定次数の回折光に集中させることができなくなる。このような現象は、例えば、レーザーのような、単色光を利用する光学系の場合には問題にならないが、カメラのように白色光を利用する光学系では、特定の波長の光で回折効率を最適化すると、その他の波長で回折効率が低下してしまうという問題がある。

図２０は、図１９に示した断面形状を有する回折光学素子において、基材１としてＢＫ７を用い、レリーフパターン２を、波長λ＝５１０ｎｍにおいて１次回折効率が１００％となるような溝深さで形成した場合の１次回折効率と波長との関係を示したものである。図２０から明らかなように、一般に可視波長領域と見なせるλ＝４００ｎｍからλ＝７００ｎｍにおいて、回折効率は、最適化した波長λ＝５１０ｎｍから離れるに従って減少し、特に、短波長領域での低下が著しくなる。このような回折効率の低下は、単に分光透過率が低下するといった問題にとどまらず、溝深さが最適化されていない波長において、不要次数の回折光が発生することになる。このため、かかる回折光学素子を、帯域光を用いる光学系、例えば、白色光で用いる撮像光学系に適用した場合には、フレアやゴーストが生じて、光学系の性能を低下させることになる。

ここで、図１９に示した断面が鋸歯波状のレリーフパターンは、図２１に示すような位相シフト関数φ（ｘ）で表すことができる。このφ（ｘ）は、レリーフパターンの波面変調作用を特長づける関数で、その形状は、レリーフパターンの断面形状に対応した周期関数となる。この位相シフト関数φ（ｘ）で表されるレリーフパターンのｍ次回折効率η_ｍは、その振れ幅（以後、位相振幅と呼ぶことにする）ａを用いれば、

で与えられる。

（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、

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、

となるので、このときの位相振幅ａは、

となる。

（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。
Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, August 1989.

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。

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、

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。

（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。

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。

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備える光学系並びに光学装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する請求項１に係る回折光学素子の発明は、第１の領域と第２の領域との境界に形成された第１のレリーフパターンと、前記第２の領域と第３の領域との境界に形成された第２のレリーフパターンとを有する回折光学素子であって、
前記第１、第２および第３の領域は、いずれも使用する波長に対して実質的に透明で、互いに異なる屈折率を有し、
前記第１および第２のレリーフパターンは、面内に存在する共通の回転対称軸を通る断面形状がそれぞれ鋸歯波状で、前記回転対称軸を中心にして、それぞれ同心円状に交互に連続して形成された複数の第１の傾斜部および複数の第２の傾斜部を有し、
前記第１の傾斜部は前記第２の傾斜部よりも傾斜が緩やかになっていると共に、前記回転対称軸から外周部に向けて傾斜部の長さが徐々に短くなっており、
前記第１の傾斜部のうち、最も長い傾斜部の一端が前記回転対称軸と一致していることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載の回折光学素子において、前記第１および第２のレリーフパターンは、前記回転対称軸を通る断面形状が実質的に同一形状であることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載の回折光学素子において、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、

ただし、λ：光の波長
とするとき、

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。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折光学素子において、前記第３の領域側から見て、前記第１の傾斜部は、前記外周部に向かって高さが低くなるように傾斜していることを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４のいずれか一項に記載の回折光学素子において、前記第１の領域の前記第１のレリーフパターンを有する面とは反対側の面は、曲率を有することを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５のいずれか一項に記載の回折光学素子において、前記第３の領域の前記第２のレリーフパターンを有する面とは反対側の面は、曲率を有することを特徴とするものである。

請求項７に係る光学系の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子を備えることを特徴とするものである。

請求項８に係る光学装置の発明は、請求項１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子または請求項７に記載の光学系を備えることを特徴とするものである。

この発明によれば、容易に製造でき、しかも効果的に回折効率の波長依存を低減できると共に、安価にできる透過型の回折光学素子を得ることができる。したがって、係る回折光学素子を備える光学系や該光学系を備え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１は、この発明とともに開発した回折光学素子の第１参考例における概念図で、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。

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。

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、

となり、第２のレリーフパターン２２の位相振幅ａ_２(λ) は、

となる。

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、

のように表すことができる。

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、

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。

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。

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。

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。

図２は、この発明とともに開発した回折光学素子の第２参考例における概念図で、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。

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。

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。

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、

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。

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。

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、

としたとき、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。

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、図１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、図２の構成に対しても同様に成り立つ。

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、図１および図２の構成において、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。

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。

なお、図１および図２の構成において、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。

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、

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、後述する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。

（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、後述する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。

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。

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ｎ₀ は、

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、

で与えられる。

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。

以上、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、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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

図１１は、この発明とともに開発した回折光学素子の第３参考例を示す断面図である。この回折光学素子は、２重焦点の回折レンズで、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。

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。この参考例では、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。

この参考例において、±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、

で表され、そのときのｍ次回折効率η_ｍは、

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。

図１２は、この参考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、実線はこの参考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、この参考例によれば、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、この参考例によれば、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。

図１３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、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。

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。

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。

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。

図１５は、この発明とともに開発した回折光学素子の第４参考例を示す断面図である。この参考例は、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。

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。この参考例では、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。

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、この参考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。

この参考例によれば、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。

図１６は、この参考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、実線はこの参考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、この参考例の場合も、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。

この発明とともに開発した回折光学素子の第１参考例を示す概念図である。 同じく、第２参考例を示す概念図である。 この発明の第１実施例を示す断面図である。 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。 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。 第１実施例の変形例を示す断面図である。 この発明の第２実施例を示す断面図である。 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。 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。 この発明とともに開発した回折光学素子の第３参考例を示す断面図である。 第３参考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。 この発明の第３実施例を示す断面図である。 第３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。 この発明とともに開発した回折光学素子の第４参考例を示す断面図である。 第４参考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。 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。 同じく、他の例を示す図である。 従来の回折光学素子を示す断面図である。 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。 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

Claims (8)

1. 第１の領域と第２の領域との境界に形成された第１のレリーフパターンと、前記第２の領域と第３の領域との境界に形成された第２のレリーフパターンとを有する回折光学素子であって、
   前記第１、第２および第３の領域は、いずれも使用する波長に対して実質的に透明で、互いに異なる屈折率を有し、
   前記第１および第２のレリーフパターンは、面内に存在する共通の回転対称軸を通る断面形状がそれぞれ鋸歯波状で、前記回転対称軸を中心にして、それぞれ同心円状に交互に連続して形成された複数の第１の傾斜部および複数の第２の傾斜部を有し、
   前記第１の傾斜部は前記第２の傾斜部よりも傾斜が緩やかになっていると共に、前記回転対称軸から外周部に向けて傾斜部の長さが徐々に短くなっており、
   前記第１の傾斜部のうち、最も長い傾斜部の一端が前記回転対称軸と一致していることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記第１および第２のレリーフパターンは、前記回転対称軸を通る断面形状が実質的に同一形状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、
   

   

   
   ただし、λ：光の波長
   とするとき、
   

   

   
   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請求項１または２に記載の回折光学素子。
4. 前記第３の領域側から見て、前記第１の傾斜部は、前記外周部に向かって高さが低くなるように傾斜していることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
5. 前記第１の領域の前記第１のレリーフパターンを有する面とは反対側の面は、曲率を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
6. 前記第３の領域の前記第２のレリーフパターンを有する面とは反対側の面は、曲率を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回折光学素子。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子を備える光学系。
8. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子または請求項７に記載の光学系を備える光学装置。

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