JP4174231B2 - 光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系に関するものであり、特に使用波長帯域の全域で高い回折効率が得られるように、異なる材料からなる複数の回折格子を積層した、所謂積層型の回折光学素子それを用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より屈折光学系の色収差を補正する方法の１つとして、それぞれ分散の異なる硝材からなる複数のレンズを組み合わせる方法が知られている。
【０００３】
また、他の方法として、レンズ面あるいは光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を用いることで色収差を減じる方法がSPIE Vol.1354 International Lens Design Conference (1990)等の文献や、特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公報、そして米国特許第５０４４７０６号等に開示されている。これらは、光学系中の屈折部と回折部とでは、ある基準波長に対する色収差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。さらに、このような回折光学素子は、その周期構造の周期を調整することで非球面レンズと同様の効果を持たせることもでき、色収差以外の諸収差の低減をも行うことができる。
【０００４】
ここで、光の屈折作用と回折作用を比較すると、通常の屈折作用を持ったレンズ面においては、ある波長の１本の光線は屈折後も１本の光線のままであるのに対し、回折面ではある波長の１本の光線は回折次数の異なる複数の光線に分かれてしまう。
【０００５】
そこで、光学系に回折光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が特定の回折次数（以下「設計次数」とも言う）に集中するように格子構造を決定する必要がある。特定の回折次数に光が集中している場合では、それ以外の回折次数での光線の強度は小さいものとなり、強度が０の場合にはその回折次数の光は存在しないものとなる。そのため、前記のような特徴を有するためには設計次数の回折効率が十分高いことが必要である。
【０００６】
このような情況を鑑みて、広い波長領域にわたり回折効率の低下を抑制できる構成を本出願人は特開平１０−１３３１４９号公報で提案している。上記で提案した回折光学素子は、図１５に示すように異なる材料からなる回折格子４と回折格子５とを基板２上に重ね合わせた積層型の回折光学素子であり、２つの回折格子４，５を構成する材料の屈折率、分散特性および格子厚ｄ1，ｄ2をそれぞれ適切な値とすることにより、使用波長領域全域で、高い回折効率を実現している。
【０００７】
又、回折効率の低下を減少できる構成が特開平９−１２７３２２号公報に提示されている。ここでは、図１６に示すように３つの回折格子４，５，６を３種の異なる材質と格子厚ｄ1，ｄ2を最適に選び積層することで、可視領域全域で高い回折効率を実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の積層型の回折光学素子では、回折格子の格子側面（結像に寄与しない格子の側壁部分、エッジ部ともいう）４ａ，５ａの角度に関しては言及しておらず、格子側面４ａ，５ａはすべて回折格子の設けられた面Ｈａに対し垂直なものとなっている。
【０００９】
実際の光学系、例えば銀塩カメラやデジタルカメラなどに用いられる撮像光学系や、望遠鏡、双眼鏡、顕微鏡などの観察光学系の一部に回折光学素子を用いる場合、格子面内の任意の位置における回折格子に対して、全ての有効光線が必ずしも入射角０°あるいは０°を中心とした正、負に均等な角度分布で入射するとは限らない。したがって、格子面内全域にわたって全ての回折格子における格子側面の角度を回折格子の設けられた面に対して垂直とした場合、０°以外の入射角あるいは０°以外の角度を中心とした入射角分布を持った光線が入射する場合、格子側面で光線がケラレたり、高い回折効率を達成するための条件を満たすための光路を通過しない光線の割合が大きくなり（本明細書の中ではこれらを総じて、単に「ケラレ」と表現している）、結像に寄与する有効光の光量が低下するばかりか、フレアやゴースト等の要因となる有害光が増大する場合がある。
【００１０】
本発明は、このような格子側面でのケラレを低減して、高い回折効率が得られる回折光学素子を実現し、この回折光学素子を光学系中に用いた時にはフレア光やゴースト光の発生を極力低減させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折光学素子を用いた光学系において、その複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子が、その側面が傾いた領域、又はそのエッジがそれに近接する回折格子のエッジに対してずれた領域を有するよう構成し、入射する光線の入射角・射出角の分布から求めた平均値、重心値、最大値、最小値に基づいて決められた光線や、回折光学素子を光学系に用いた際の絞りの中心を通過する光線等の特定の光線の入射角又は射出角に応じて、その傾きやずれ量を回折光学素子の面内の位置により異ならせている。
特に本発明では、異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折光学素子を有する光学系において、前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子は、その格子側面が傾いた領域を有し、その格子部を通過する全有効光線の射出角の分布から求められる平均の射出角を持つ光線を特定の光線とし、前記少なくとも１つの回折格子は前記複数の回折格子のうち入射側から数えて第ｉ層目に配置された回折格子であって、その中心部から数えて第ｊ番目の格子部に入射する特定の光線の射出角をθi（ｊ）′とするとき、前記格子部の稜線を連ねた面の法線に対する前記格子側面の傾き角度φi（ｊ）が、
φi（ｊ）＝Ｃ１・θi（ｊ）′
ただし、Ｃ １ は０．７８以上、１．１６以下の任意の実数
を満足するように変化する領域を有することを特徴としている。
【００１２】
このように本発明は、撮影光学系や観察光学系などの光学系に好適に用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の回折光学素子の実施形態１の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面に、それぞれ異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図２に示すようにｙ方向に伸びる１次元格子（直線状格子）である回折格子４と回折格子５とが空気層を挟んで積層されており、回折格子４，５は中心（中心軸）Ｃａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど格子周期が徐々に小さくなっている。
【００１４】
図２は、図１の回折光学素子１を図中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものであり、分かりやすくするために、回折格子の厚さ方向（図中のＺ方向）に拡大デフォルメして描いている（他の断面図でも同様）。
【００１５】
回折部３は、基板（透明基板）２上に、回折格子４と回折格子５とを光学材料層ではない空気層ａｉｒを介して積層配置することにより構成されている。光の入射側ＬＩｎから数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．６３６、アッベ数νd＝２２．８）によって形成され、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５１３、アッベ数νd＝５１．０）によって形成されている。回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。ここで「格子部」とは各回折格子を構成する１つの周期構造を指し、本実施形態及び他の実施形態において「１周期」とは格子部の一方の側面から他方の側面までと定義している。したがって、ｊ番目の格子部の一方の側面は第（ｊ−１）番目の格子部の側面であり、他方の側面は第（ｊ＋１）番目の格子部の側面でもあることになる。
【００１６】
さて、本実施形態の回折光学素子で最も特徴的なのは、回折格子を構成する各格子部の側面の傾きが、後述する特定の光線の入射角又は射出角に応じて有効面内の位置によって異なっている（異なる領域を有している）点である。
【００１７】
具体的には図２に示すように、回折格子４において各格子部の射出側の稜線を連ねた面４０２（回折格子４の射出面に相当）の法線４０１ｐａと中心軸Ｃａから数えて第ｐ番目の格子部４ｐの周辺側（図中右側）の格子側面４０１ｐとのなす角度φ1（ｐ）と、同面４０２の法線４０１ｑａと第ｑ番目の格子部４ｑの周辺側の格子側面４０１ｑとのなす角度φ1（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、格子が並ぶ方向（格子の周期方向、図中ｘ方向）に変化している。
【００１８】
同様に、回折格子５における各格子部の入射側の稜線を連ねた面（回折格子５の入射面に相当）５０２の法線５０１ｐａと第ｐ番目の周辺側の格子側面５０１ｐとのなす角度φ2（ｐ）と、同面５０２の法線５０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑの周辺側の格子側面５０１ｑとのなす角度φ2（ｑ）も、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、格子が並ぶ方向で変化している。格子側面の傾きの変化は中心軸Ｃａから離れるに従って順次角度が大きく、又は小さくなっている。
【００１９】
すなわち、通常の屈折光学系において色消しを行うのと同様に、分散の異なる材料を組み合わせた複数の回折格子によって回折光学素子を構成することで、回折効率の波長依存性を低減し、使用波長領域全域で高い回折効率を得るとともに、格子部の位置ごとに通過する全有効光線の入射・射出角度分布を考慮し、それぞれの格子部での光線のケラレが少なくなるように格子側面の傾きを変化させ、画角全域にわたりフレアやゴースト等の撮影や観察の際に不要な有害光の発生を抑制している。
【００２０】
図１７に実施形態１と同様の積層構造からなり、格子側面４０１，５０１を回折部３の入射面Ｈａに対して垂直（すなわち面４０２，５０２に対しても垂直）に設けた回折光学素子にある角度を持った光線（特定の光線）が入射した際の光線の様子を示す。回折格子の１周期の格子部に入射する光束７のうち、一部の光束７０１は格子側面４０１，５０１などにより大きくケラレたり、高い回折効率を達成するための条件を満たさない光路を通過しており、これらは結像に寄与しないばかりでなく有害光が発生する原因となる。
【００２１】
例えば、光線の入射面Ｈａに対する入射角θ1（ｊ）を１０°とし、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を７．８８μｍ、第２層目の回折格子５の格子厚ｄ2を１０．９５μｍ、第１層目の回折格子４の稜線を連ねた面４０２から第２層目の回折格子５の稜線を連ねた面５０２までの間隔Ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとしたときには、１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１（４．２５μｍ）の割合は約５．３％にもなる。
【００２２】
図３は、実施形態１の回折光学素子１に特定の光線が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。回折格子４，５の各格子部の側面の傾き角度φi（ｊ）を光線のケラレが少なくなるように面内（ｘｙ面内）で変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１の割合が図１９の回折光学素子に比べて明らかに減少していることが分かる。
【００２３】
本実施形態においては、特定の光線７０１の回折光学素子１の入射面Ｈａに対する入射角θ1（ｊ）を１０°、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を７．８８μｍ、第２層目の回折格子５の格子厚ｄ2を１０．９５μｍ、面４０２から面５０２までの間隔Ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、格子側面４０１の面４０２の法線に対する角度φ1（ｊ）を１０°、格子側面５０１の面５０２の法線に対する角度φ2（ｊ）を１２．８°と設定した。
本実施例において回折格子４のピッチ８０μｍ、格子厚７．８８μｍである。これより格子面の面４０２に対する角度αは
ｔａｎ −１ （７．８８／８０）＝５．６２５°
である。入射角θ 1 （ｊ）は
θ 1 （ｊ）＝１０°である。回折格子４の材料の屈折率１．６３６であるからスネルの法則より出射角θ 1 （ｊ） ' は
θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
となる。
同様に回折格子５についても求めると回折格子５に対する入射角θ 2 （ｊ）は
θ 2 （ｊ）＝θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
である。
これにより、回折部３の１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１（０．７３μｍ）の割合は約０．９％となり、図１８に示す従来例の構造に比べ光線のケラレる割合が約６分の１にまで低減される。このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることでフレアやゴーストなどの要因となる有害光の抑制に大きな効果がある。
回折格子５の材料の屈折率１．５１３であるからスネルの法則より出射角θ 2 （ｊ） ' は
θ 2 （ｊ） ' ＝１１．０°
となる。
【００２４】
ここで、格子側面４０１の角度φ1（ｊ）および格子側面５０１の角度φ2（ｊ）を回折格子４，５への特定の光線の入射角θ1（ｊ），θ2（ｊ）に基づきそれぞれ１０°，１２．８°と決定したが、いずれか一方ないしは両方をそれぞれの格子からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′、θ2（ｊ）′に基づいて決定してもよい。また、格子側面の角度は特定の光線の入射角ないしは射出角に厳密に一致させなくとも、入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定しても前述したのと同様の効果が得られる。
【００２５】
すなわち、複数の回折格子のうち光入射側から数えて第ｉ層目および第（ｉ＋１）層目に配置された回折格子は、その中心から数えて第ｊ番目の格子部を通過する特定の光線の入射角をθi（ｊ），θi+1（ｊ）、射出角をθi（ｊ）′，θi+1（ｊ）′とするとき、格子側面の傾き角度φi（ｊ）が、
φi（ｊ）＝Ｃ1・θi（ｊ） …（１）
φi（ｊ）＝Ｃ1・θi（ｊ）′ …（２）
φi+1（ｊ）＝Ｃ1・θi+1（ｊ） …（３）
φi+1（ｊ）＝Ｃ1・θi+1（ｊ）′ …（４）
ただし、
Ｃ1：０．２以上、２．０以下の任意の実数
のうちの少なくとも１つを満たしつつ変化する領域を有することが好ましい。
【００２６】
本実施形態では、２つの層からなる積層型の回折光学素子において、その両方の層の格子側面の傾きが変化している形態を示しているが、この傾きの変化はいずれか一方の層だけでもそれなりの効果が得られる。また、２層より多くの回折格子からなる積層型の回折光学素子においても、１層以上で実施するだけでそれなりの効果がある。
【００２７】
さらに、実施形態１では、図１に示したように、各回折格子を構成する格子部が直線状に設けられた場合を示しているが、格子部が同心円状に設けられているような場合についても同様な効果が得られる。
【００２８】
（実施形態２）
図４は、本発明の回折光学素子の実施形態２の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面にそれぞれ異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図５に示すように同心円状の回折格子４と回折格子５とが空気層を挟んで積層されており、回折格子４，５は中心Ｌａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど格子周期が徐々に小さくなっている。 図５は、実施形態２の回折光学素子１を図４中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものである。入射側から数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．６３６、アッベ数νd＝２２．８）で形成され、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５１３、アッベ数νd＝５１．０）で形成されている。Ｌａは回折光学素子１の中心、すなわち光軸である。回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。
【００２９】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、回折格子４において各格子部の射出側の稜線を連ねた面４０２の法線４０１ｐａと光軸Ｌａから数えて第ｐ番目の格子部４ｐの周辺側の格子側面４０１ｐのなす角度φ1（ｐ）と、同面４０２の法線４０１ｑａと第ｑ番目の格子部４ｑの周辺側の格子側面４０１ｑのなす角度φ1（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、光軸Ｌａから離れるに従って順次大きく若しくは小さく変化している。
【００３０】
同様に回折格子５における各格子部の入射側の稜線を連ねた面５０２の法線５０１ｐａと光軸Ｌａから数えて第ｐ番目の格子部５ｐの周辺側の格子側面５０１ｐのなす角度φ2（ｐ）と、同面５０２の法線５０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑの周辺側の格子側面５０１ｑとのなす角度φ2（ｑ）も特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっている。
【００３１】
本実施形態において更に特徴的なのは、各層の回折格子を構成する回折格子のエッジ（稜線）の位置を特定の光線の入射角又は射出角に応じてｘ方向でずらし、ずれ量が光軸Ｌａから離れるに従って大きく又は小さくなるように変化させている点である。具体的には第１層第ｐ番目の格子部の周辺側のエッジとそれに近接した第２層第ｐ番目の格子部の周辺側のエッジのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｐ）と、第１層第ｑ番目の格子部の周辺側のエッジとそれに近接した第２層第ｑ番目の格子部の周辺側のエッジのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｑ）を、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異ならせている。
【００３２】
このように、格子部の位置ごとに通過する全有効光線の入射・射出角度分布を考慮し、それぞれの格子部で光線のケラレが少なくなるような格子側面の傾き角度およびエッジの位置を最適に設定することで、画角全域にわたりフレアやゴースト等の要因となる有害光の発生を抑制している。
【００３３】
図６は、実施形態２の回折光学素子１に特定の光線が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。格子側面の傾き角度および各層の格子部のエッジのずれ量の少なくとも一方を光線のケラレが少なくなるように変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１の割合を大幅に減少させることができる。
【００３４】
本実施形態においては、特定の光線の入射角θ1（ｊ）を１０°、第１層目の回折格子
４の格子厚ｄ1を７．８８μｍ、第２層目の回折格子５の格子厚ｄ2を１０．９５μｍ、面４０２から面５０２までの間隔Ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、格子側面４０１の傾き角度φ1（ｊ）を１０°、格子側面５０１の傾き角度φ2（ｊ）を１２．８°、エッジのずれ量ΔＳ2（ｊ）を０．３４μｍに設定した。
ここで入射角θ 1 （ｊ）はθ 1 （ｊ）＝１０°より出射角θ 1 （ｊ） ' はスネルの法則
θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
となる。
回折格子５に対する入射角θ 2 （ｊ）は
θ 2 （ｊ）＝θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
である。
入射光束７のうちケラレる光束７０１に相当する回折格子の断面形状における横方向の距離ΔＰをスネルの法則を用いて求めると
ΔＰ＝０．３９μｍ
となる。
これにより、１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（０．３９μｍ）の割合は約０．４９％となり、図１７に示した構造に比べ光線のケラレる割合が約１０分の１にまで低減される。そして、このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることでフレアやゴーストなどの有害光の抑制に大きな効果がある。ただし、ここで示したケラレる光束の割合は、単純に回折格子を断面形状で考えた際の横方向の割合である。
【００３５】
本実施形態では、角度φ1（ｊ）および角度φ2（ｊ）を回折格子４，５への特定の光線の入射角θ1（ｊ），θ2（ｊ）に基づき１０°、１２．８°と決定したが、いずれか一方ないしは両方をそれぞれの回折格子からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′，θ2（ｊ）′に基づいて決定してもよい。また、格子側面４０１、５０１の傾き角度は厳密に特定の光線の入射角ないしは射出角に一致させる必要はなく、前述の条件式（１）〜（４）の少なくとも１つを満足するように、特定の光線の入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定してもよい。
【００３６】
さらに、各層の格子部のエッジのずれ量ΔＳ2（ｊ）は、間隔Ｌ1（ｊ）′および回折格子４からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′の値１２．８°に基づいて間隔１．５μｍにｔａｎ１２．８°を乗じた値から０．３４μｍと決定したが、厳密にこうして求めた値に一致させる必要はなく、この値
Ｌ1（ｊ）′×ｔａｎθ1（ｊ）′
の０．１倍から１．５倍の間で任意に設定してもよい。
【００３７】
具体的には、第ｉ層目に配置された回折格子における中心から数えて第ｊ番目の格子部のエッジの位置と、それに近接する第（ｉ＋１）層目の回折格子の格子部のエッジの位置とが特定の光線のケラレが少なくなるように格子部の並び方向にずれて配置されており、そのずれ量ΔＳi+1（ｊ）が、
ΔＳi+1（ｊ）＝Ｃ2・Ｌi（ｊ）′ｔａｎθi（ｊ）′ …（５）
ただし、
Ｃ2：０．１以上、１．５以下の任意の実数
を満たすように変化させればよい。
【００３８】
なお実施形態２では、図４のように回折格子が同心円状に設けられた場合を示しているが、回折格子が直線状に設けられた場合についても同様な効果が得られる。
【００３９】
（実施形態３）
図７は、本発明の回折光学素子の実施形態３の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面にそれぞれ異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図８に示すようにｙ方向に伸びる１次元格子（直線状格子）である回折格子４と回折格子５とが空気層を挟んで、その回折格子５と回折格子６とが空気層を挟まず積層されており、回折格子４，５，６は中心Ｃａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど格子周期が徐々に小さくなっている。
【００４０】
図８は、実施形態３の回折光学素子１を図７中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものである。基板２上に入射側から順に、回折格子４、空気層ａｉｒ、回折格子５、回折格子６が積層されている。入射側から数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．６３６、アッベ数νd＝２２．８）、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５９８、アッベ数νd＝２８．０）、第３層目の回折格子６は第３の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５１３、アッベ数νd＝５１．０）で形成されている。回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子６は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。
【００４１】
本実施形態の回折光学素子では、回折格子６の各格子部の入射側の稜線を連ねた面６０２の法線６０１ｐａと空気層を挟まず密着した回折格子５，６において中心Ｃａから数えて第ｐ番目の格子部５ｐ，６ｐの周辺側の格子側面５０１ｐとのなす角度φ2（ｐ）と、同面６０２の法線６０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑ，６ｑの周辺側の格子側面５０１ｑのなす角度φ2（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、ｘ方向に沿って変化している。
【００４２】
図１８に実施形態３と同様の３層の回折格子からなり、格子部の側面を入射面に対して垂直に設けた回折光学素子に特定の光線が入射した際の様子を示す。１周期の格子部に入射する光束７のうち、一部の光束７０１は格子側面４０１，５０１などにより大きくケラレたり、高い回折効率を達成するための条件を満たさない光路を通過しており、これらは結像に寄与しないばかりでなくフレアやゴーストなどの有害光が発生する原因となる。
【００４３】
例えば、特定の光線７０１の入射角θ1（ｊ）を１０°とし、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を３．５４μｍ、第２層目の回折格子５および第３層目の回折格子６の格子厚ｄ2を１９．５０μｍ、第１層目の回折格子４の射出側の稜線を連ねた面４０２から第２層目の回折格子５における入射側の界面５０３までの間隔ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、同面５０３から面６０２までの間隔ｌ2（ｊ）を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとしたときには、１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（５．２８μｍ）の割合は約６．６％になる。
【００４４】
これに対し、図９は実施形態３の回折光学素子１に特定の光線７が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。回折格子５，６の各格子部の側面５０１の傾き角度φi（ｊ）を光線のケラレが少なくなるように面内（ｘｙ面内）でｘ方向で変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうち、ケラレる光束７０１の割合が図１８の回折光学素子に比べて明らかに減少していることが分かる。
【００４５】
本実施形態においては、特定の光線の回折光学素子１の入射面に対する入射角θ1（ｊ）を１０°、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を３．５４μｍ、第２層目の回折格子５および第３層目の回折格子６の格子厚ｄ2を１９．５０μｍ、面４０２から第２層目の回折格子５における入射側の界面５０３までの間隔ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、同面５０３から面６０２までの間隔ｌ2（ｊ）を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、格子側面４０１の面４０２の法線に対する角度φ1（ｊ）を０°、格子側面６０１の面６０２の法線に対する角度φ2（ｊ）を１１．２°と設定した。これにより、回折部３の１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（１．４２μｍ）の割合は約１．７８％となり、図１８に示す従来例の構造に比べ光線のケラレる割合が３分の１以下にまで低減される。このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることで、フレアやゴーストなどの有害光の抑制に大きな効果がある。
【００４６】
ここで、格子側面６０１の角度φ2（ｊ）を回折格子５からの特定の光線の射出角θ2（ｊ）′と同じ１１．２°と決定したが、回折格子６への特定の光線の入射角θ2（ｊ）に基づいて決定してもよい。また、格子側面の角度は特定の光線の入射角ないしは射出角に必ずしも厳密に一致させる必要はなく、前述の条件式（１）〜（４）の少なくとも１つを満足するように、入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定してもよい。
【００４７】
なお本実施形態では、３つの層からなる積層型の回折光学素子において、入射側から数えて第２層目および第３層目に配置された回折格子の格子側面の傾き角度が変化している形態を示しているが、更に第１層目の回折格子の側面の傾きをも変化させても良い。但し、積層型の回折光学素子において少なくとも１層で実施するだけでもそれなりの効果がある。
【００４８】
さらに実施形態３では、図７に示したように、各回折格子を構成する格子部が直線状に設けられた場合を示しているが、格子部が同心円状に設けられているような場合についても同様な効果が得られる。
【００４９】
（実施形態４）
図１０は、本発明の回折光学素子の実施形態４の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面にそれぞれ異なる材料からなる回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図１１に示すように同心円状の回折格子４，５，６が積層されており、それぞれの回折格子は中心Ｌａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど周期が小さくなっている。
【００５０】
図１１は、実施形態４の回折光学素子１を図１０中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものである。基板２上に入射側から、回折格子４、空気層ａｉｒを介して回折格子５、回折格子５と密着して回折格子６が積層されている。そして、入射側から数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．６３６、νd＝２２．８）、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．５９８、νd＝２８．０）、第３層目の回折格子６は第３の紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．５１３、νd＝５１．０）で形成されている。Ｌａは回折光学素子１の中心すなわち光軸である。そして、回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子６は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。
【００５１】
本実施形態においても、回折格子６の各格子部の入射側の稜線を連ねた面６０２の法線６０１ｐａと空気層を挟まず密着した回折格子５，６において中心Ｌａから数えて第ｐ番目の格子部５ｐ，６ｐの周辺側の格子側面５０１ｐとのなす角度φ2（ｐ）と、同面６０２の法線６０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑ，６ｑの周辺側の格子側面のなす角度φ2（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、光軸Ｌａから離れるに従って拡大又は減少するように変化している。
【００５２】
更に本実施形態の回折光学素子は、回折格子４を構成する格子部の周辺側のエッジ（稜線）とそれに近接する回折格子５，６を構成する格子部の周辺側のエッジを特定の光線の入射角又は射出角に応じてｘ方向でずらし、ずれ量が光軸Ｌａから離れるにしたがって、大きく又は小さくなるように変化させている。具体的には第１層第ｐ番目の格子部のエッジと第２，３層第ｐ番目の格子部のエッジのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｐ）と、第１層第ｑ番目の格子部のエッジ第２，３層第ｑ番目の格子部のエッジとのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｑ）とを特定の光線の入射角又は射出角に応じて異ならせている。
【００５３】
このように、格子部の位置ごとに通過する全有効光線の入射・射出角度分布を考慮し、それぞれの格子部で光線のケラレが少なくなるような格子側面の傾き角度およびエッジの位置を最適に設定することで、画角全域にわたりフレアやゴースト等の要因となる有害光の発生を抑制している。
【００５４】
図１２は、実施形態４の回折光学素子１に特定の光線が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。格子側面の傾き角度および第１層と第２層の格子部のエッジのずれ量を光線のケラレが少なくなるように変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうち、ケラレる光束７０１の割合が大幅に減少している。
【００５５】
本実施形態においては、特定の光線の入射角θ1（ｊ）を１０°とし、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を３．５４μｍ、第２層目の回折格子５および第３層目の回折格子６の格子厚ｄ2を１９．５０μｍ、面４０２から第２層目の回折格子５における入射側の界面５０３までの間隔ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、同面５０３から面６０２までの間隔ｌ2（ｊ）を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、第１層の格子側面４０１の傾き角度φ1（ｊ）を０°、第２，３層の格子側面６０１傾き角度φ2（ｊ）を１１．２°、エッジのずれ量ΔＳ2（ｊ）を０．７９μｍに設定した。これにより、１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（０．６２μｍ）の割合は約０．７８％となり、図１８に示した構造に比べ光線のケラレる割合は８分の１以下にまで低減される。そして、このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることで、フレアやゴーストなどの有害光の抑制に大きな効果がある。ただし、ここで示したケラレる光束の割合は、単純に回折格子を断面形状で考えた際の横方向の割合である。
【００５６】
本実施形態では、角度φ2（ｊ）を回折格子５からの特定の光線の射出角θ2（ｊ）′に基づき１１．２°と決定したが、格子部への特定の光線の入射角θ2（ｊ）に基づいて決定してもよい。また、格子側面の角度は厳密に特定の光線の入射角ないしは射出角に一致させる必要はなく、前述の条件式（１）〜（４）の少なくとも１つを満足するように、入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定してもよい。
【００５７】
さらに、ずれ量ΔＳ2（ｊ）を間隔ｌ1（ｊ）′，ｌ2（ｊ）、回折格子４からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′の値１８．３°、回折格子５への入射角θ2（ｊ）の値１１．３°に基づいて、１．５μｍにｔａｎ１８．３°を乗じた値と１．５μｍにｔａｎ１１．３°を乗じた値の和から０．７９μｍと決定したが、厳密にこうして求めた値に一致させる必要はなく、この値のｌ1（ｊ）′×ｔａｎθ1（ｊ）′の０．１倍から１．５倍の間で任意に設定してもよい。
【００５８】
具体的には、入射側から数えて第ｉ層目に配置された回折格子における中心から数えて第ｊ番目の格子部のエッジの位置と、それに近接する回折格子における中心から数えて第ｊ番目の格子部のエッジの位置とが特定の光線のケラレが少なくなるように格子部の並び方向にずれて配置されており、そのずれ量ΔＳi+1（ｊ）が、
ΔＳi+1(ｊ)＝Ｃ2・[ｌi(ｊ)′ｔａｎθi(ｊ)′＋ｌi+1(ｊ)tanθi+1(ｊ)]
ただし、
Ｃ2：０．１以上、１．５以下の任意の実数
ｌi（ｊ）′：第ｉ層目の回折格子の格子部の稜線を連ねた面から第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の界面までの第ｊ番目の格子部位置での間隔
θi（ｊ）′：第ｉ層目の回折格子における第ｊ番目の格子部からの特定の光線の射出角
ｌi+1（ｊ）：第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の界面から格子部の稜線を連ねた面までの第ｊ番目の格子部位置での間隔
θi+1（ｊ）：第（ｉ＋１）層目の回折格子における第ｊ番目の格子部への特定の光線の入射角
の式を満たすように変化させればよい。
【００５９】
なお本実施形態では、３つの層からなる積層型の回折光学素子において、入射側から数えて第２層目および第３層目に配置された回折格子の格子側面の傾き角度が変化している形態を示しているが、更に第１層目の回折格子の格側面の傾きを変化させても良い。但し、積層型の回折光学素子においても、少なくとも１層で実施するだけでもそれなりの効果がある。
【００６０】
また実施形態４では、図１０に示したように、回折格子が同心円状に設けられた場合を示しているが、回折格子が直線状に設けられた場合についても同様な効果が得られる。
【００６１】
以上の実施形態１〜４に示したように、積層型の回折光学素子を構成する回折部の格子側面の傾きを特定の光線の入射角あるいは射出角を考慮して変化させる、ないしは各層の近接するエッジ位置のずれ量を特定の光線の入射角ないしは射出角を考慮して変化させることで、光線のケラレを大きく低減することができ、光学系中に用いたときにはフレアやゴースト等の要因となる有害光の発生を有効に抑制することができる。
【００６２】
ここで、実際の光学系に回折光学素子を用いた場合、中心（光軸）からの距離に応じて有効光の入射角は変化しており、かつ、その入射角は単一の値ではなく、一定の分布を持っているのが一般的である。そこで実施形態１〜４に示した回折光学素子では、入射する光線の入射角・射出角の分布から求めた平均値、重心値、最大値、最小値等の光線や、回折光学素子を光学系に用いた際の絞りの中心を通過する光線などのうち、ケラレが最も少なくなるような光線を「特定の光線」に設定し、これに基づいて格子側面の傾き角度、エッジ位置のずれ量等を設定している。
【００６３】
また、実施形態１〜４の説明では、いずれも分かりやすくするために平らな基板２上に回折格子４，５，６を設けた場合を示しているが、曲面より成る基板上に設けられた場合についても同様な効果が得られる。
【００６４】
また、以上の各実施形態において、ある層の回折格子のエッジの位置がその層の入射側あるいは射出側に隣接する他の層の回折格子のエッジと格子部の並び方向にずらして配置してある領域を有するだけでも良く、これによれば光束のケラレをある程度少なくすることができる。
【００６５】
また、実施形態１〜４において射出面を反射面とし、反射型の回折光学素子としても同様の効果が得られる。
（実施形態５）
次に本発明の実施形態５として実施形態１〜４で説明した回折光学素子を光学系の一部に用いた例を示す。
【００６６】
図１３は、カメラ等の撮影光学系の断面を示したものである。同図において、８は撮影レンズであり、内部に本発明に関わる回折光学素子１が基板２としてのレンズ面上に設けられている。９は絞りであり、１０は結像面であるフィルム、又はＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子（光電変換素子）である。
【００６７】
回折光学素子１を分散の異なる材料からなる複数の回折格子の積層構造で構成することで、回折効率の波長依存性は大幅に改善されている。さらに回折格子の有効面内の位置に応じた入射角度分布から適切に格子側面の傾き角度や各層の近接する格子部のエッジのずれ量を適切に設定することで、格子側面でケラレる光線の割合を大きく低減し、フレアやゴーストなどの有害光が少なく画面全域にわたり解像度も高い高性能な撮影レンズが得られる。
【００６８】
このような本実施形態の撮影光学系は、一眼レフカメラ用の交換レンズ、ビデオカメラやデジタルカメラ等の撮影レンズなどに好適に用いられる。
（実施形態６）
次に本発明の実施形態６として実施形態１〜４で説明した回折光学素子を観察光学系の一部に用いた形態を示す。
【００６９】
図１４は、双眼鏡の一対の光学系のうち、一方の断面を示したものである。同図において、１１は観察像を形成する対物レンズ、１２は像を反転させるためのプリズム（像反転部材）、１３は接眼レンズ、１４は評価面（瞳面）である。図中の１は本発明に係る回折光学素子であり、対物レンズ１１の一部を構成している。回折光学素子１は対物レンズ１１の結像面１０での色収差などを補正する目的で設置されている。
【００７０】
回折光学素子１を分散の異なる材料からなる複数の回折格子の積層構造で構成することで、回折効率の波長依存性は大幅に改善されている。さらに回折格子の有効面内の位置に応じた入射角度分布から適切に格子側面の傾き角度や各層の近接する格子部のずれ量を適切に設定することで、格子側面でケラレる光線の割合を大きく低減し、フレアやゴーストなどの有害光が少なく、画面全域にわたり解像度も高い高性能な観察光学系が得られる。
【００７１】
本実施形態では、観察光学系における対物レンズ１１が回折光学素子１を有する場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム１２の表面や接眼レンズ１３に設けてもよい。しかし、結像面１０より物体側に設けることで対物レンズ側のみで色収差低減効果があるため、肉眼での観察光学系の場合、少なくとも１つの回折光学素子を結像面１０よりも対物レンズ側に設けることが望ましい。
【００７２】
また、本実施形態では、双眼鏡の実施形態について説明したが、これに限定するものではなく、地上望遠鏡や天体観察用望遠鏡、顕微鏡などであってもよく、また、レンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式のファインダーであっても同様の効果が得られる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学素子を構成する回折格子の形状を適切に設定することにより、高い回折効率が得られ、光学系中に用いたときにフレア光やゴースト光等の有害光を低減させることができる。そして本発明を結像光学系や観察光学系に適用すれば、小型で良好な光学性能の光学系を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の回折光学素子の正面図である。
【図２】実施形態１の回折光学素子の要部断面図である。
【図３】実施形態１の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図４】実施形態２の回折光学素子の正面図である。
【図５】実施形態２の回折光学素子の要部断面図である。
【図６】実施形態２の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図７】実施形態３の回折光学素子の正面図である。
【図８】実施形態３の回折光学素子の要部断面図である。
【図９】実施形態３の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図１０】実施形態４の回折光学素子の正面図である。
【図１１】実施形態４の回折光学素子の要部断面図である。
【図１２】実施形態４の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図１３】回折光学素子を有する撮像光学系の実施形態の概略図である。
【図１４】回折光学素子を有する観察光学系の実施形態の概略図である。
【図１５】従来の回折光学素子（２層）の断面図である。
【図１６】従来の回折光学素子（３層）の断面図である。
【図１７】従来の回折光学素子（２層）における光線のケラレの説明図である。
【図１８】従来の回折光学素子（３層）における光線のケラレの説明図である。
【符号の説明】
１ 回折光学素子
２ 基板
３ 回折部
４ 回折格子
４０１ｐ、４０１ｑ 格子側面
４０２ 回折格子４の稜線を連ねた面
５ 回折格子
５０１ｐ、５０１ｑ 格子側面
５０２ 回折格子５の稜線を連ねた面
５０３ 回折格子５の入射側の界面
６ 回折格子
８ 撮影レンズ
９ 絞り
１０ 結像面
１１ 対物レンズ
１２ 像反転プリズム
１３ 接眼レンズ
１４ 瞳面
【発明の属する技術分野】
本発明は光学系に関するものであり、特に使用波長帯域の全域で高い回折効率が得られるように、異なる材料からなる複数の回折格子を積層した、所謂積層型の回折光学素子それを用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より屈折光学系の色収差を補正する方法の１つとして、それぞれ分散の異なる硝材からなる複数のレンズを組み合わせる方法が知られている。
【０００３】
また、他の方法として、レンズ面あるいは光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を用いることで色収差を減じる方法がSPIE Vol.1354 International Lens Design Conference (1990)等の文献や、特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公報、そして米国特許第５０４４７０６号等に開示されている。これらは、光学系中の屈折部と回折部とでは、ある基準波長に対する色収差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。さらに、このような回折光学素子は、その周期構造の周期を調整することで非球面レンズと同様の効果を持たせることもでき、色収差以外の諸収差の低減をも行うことができる。
【０００４】
ここで、光の屈折作用と回折作用を比較すると、通常の屈折作用を持ったレンズ面においては、ある波長の１本の光線は屈折後も１本の光線のままであるのに対し、回折面ではある波長の１本の光線は回折次数の異なる複数の光線に分かれてしまう。
【０００５】
そこで、光学系に回折光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が特定の回折次数（以下「設計次数」とも言う）に集中するように格子構造を決定する必要がある。特定の回折次数に光が集中している場合では、それ以外の回折次数での光線の強度は小さいものとなり、強度が０の場合にはその回折次数の光は存在しないものとなる。そのため、前記のような特徴を有するためには設計次数の回折効率が十分高いことが必要である。
【０００６】
このような情況を鑑みて、広い波長領域にわたり回折効率の低下を抑制できる構成を本出願人は特開平１０−１３３１４９号公報で提案している。上記で提案した回折光学素子は、図１５に示すように異なる材料からなる回折格子４と回折格子５とを基板２上に重ね合わせた積層型の回折光学素子であり、２つの回折格子４，５を構成する材料の屈折率、分散特性および格子厚ｄ1，ｄ2をそれぞれ適切な値とすることにより、使用波長領域全域で、高い回折効率を実現している。
【０００７】
又、回折効率の低下を減少できる構成が特開平９−１２７３２２号公報に提示されている。ここでは、図１６に示すように３つの回折格子４，５，６を３種の異なる材質と格子厚ｄ1，ｄ2を最適に選び積層することで、可視領域全域で高い回折効率を実現している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
上記した従来の積層型の回折光学素子では、回折格子の格子側面（結像に寄与しない格子の側壁部分、エッジ部ともいう）４ａ，５ａの角度に関しては言及しておらず、格子側面４ａ，５ａはすべて回折格子の設けられた面Ｈａに対し垂直なものとなっている。
【０００９】
実際の光学系、例えば銀塩カメラやデジタルカメラなどに用いられる撮像光学系や、望遠鏡、双眼鏡、顕微鏡などの観察光学系の一部に回折光学素子を用いる場合、格子面内の任意の位置における回折格子に対して、全ての有効光線が必ずしも入射角０°あるいは０°を中心とした正、負に均等な角度分布で入射するとは限らない。したがって、格子面内全域にわたって全ての回折格子における格子側面の角度を回折格子の設けられた面に対して垂直とした場合、０°以外の入射角あるいは０°以外の角度を中心とした入射角分布を持った光線が入射する場合、格子側面で光線がケラレたり、高い回折効率を達成するための条件を満たすための光路を通過しない光線の割合が大きくなり（本明細書の中ではこれらを総じて、単に「ケラレ」と表現している）、結像に寄与する有効光の光量が低下するばかりか、フレアやゴースト等の要因となる有害光が増大する場合がある。
【００１０】
本発明は、このような格子側面でのケラレを低減して、高い回折効率が得られる回折光学素子を実現し、この回折光学素子を光学系中に用いた時にはフレア光やゴースト光の発生を極力低減させることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折光学素子を用いた光学系において、その複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子が、その側面が傾いた領域、又はそのエッジがそれに近接する回折格子のエッジに対してずれた領域を有するよう構成し、入射する光線の入射角・射出角の分布から求めた平均値、重心値、最大値、最小値に基づいて決められた光線や、回折光学素子を光学系に用いた際の絞りの中心を通過する光線等の特定の光線の入射角又は射出角に応じて、その傾きやずれ量を回折光学素子の面内の位置により異ならせている。
特に本発明では、異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折光学素子を有する光学系において、前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子は、その格子側面が傾いた領域を有し、その格子部を通過する全有効光線の射出角の分布から求められる平均の射出角を持つ光線を特定の光線とし、前記少なくとも１つの回折格子は前記複数の回折格子のうち入射側から数えて第ｉ層目に配置された回折格子であって、その中心部から数えて第ｊ番目の格子部に入射する特定の光線の射出角をθi（ｊ）′とするとき、前記格子部の稜線を連ねた面の法線に対する前記格子側面の傾き角度φi（ｊ）が、
φi（ｊ）＝Ｃ１・θi（ｊ）′
ただし、Ｃ １ は０．７８以上、１．１６以下の任意の実数
を満足するように変化する領域を有することを特徴としている。
【００１２】
このように本発明は、撮影光学系や観察光学系などの光学系に好適に用いることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
（実施形態１）
図１は、本発明の回折光学素子の実施形態１の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面に、それぞれ異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図２に示すようにｙ方向に伸びる１次元格子（直線状格子）である回折格子４と回折格子５とが空気層を挟んで積層されており、回折格子４，５は中心（中心軸）Ｃａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど格子周期が徐々に小さくなっている。
【００１４】
図２は、図１の回折光学素子１を図中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものであり、分かりやすくするために、回折格子の厚さ方向（図中のＺ方向）に拡大デフォルメして描いている（他の断面図でも同様）。
【００１５】
回折部３は、基板（透明基板）２上に、回折格子４と回折格子５とを光学材料層ではない空気層ａｉｒを介して積層配置することにより構成されている。光の入射側ＬＩｎから数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．６３６、アッベ数νd＝２２．８）によって形成され、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５１３、アッベ数νd＝５１．０）によって形成されている。回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。ここで「格子部」とは各回折格子を構成する１つの周期構造を指し、本実施形態及び他の実施形態において「１周期」とは格子部の一方の側面から他方の側面までと定義している。したがって、ｊ番目の格子部の一方の側面は第（ｊ−１）番目の格子部の側面であり、他方の側面は第（ｊ＋１）番目の格子部の側面でもあることになる。
【００１６】
さて、本実施形態の回折光学素子で最も特徴的なのは、回折格子を構成する各格子部の側面の傾きが、後述する特定の光線の入射角又は射出角に応じて有効面内の位置によって異なっている（異なる領域を有している）点である。
【００１７】
具体的には図２に示すように、回折格子４において各格子部の射出側の稜線を連ねた面４０２（回折格子４の射出面に相当）の法線４０１ｐａと中心軸Ｃａから数えて第ｐ番目の格子部４ｐの周辺側（図中右側）の格子側面４０１ｐとのなす角度φ1（ｐ）と、同面４０２の法線４０１ｑａと第ｑ番目の格子部４ｑの周辺側の格子側面４０１ｑとのなす角度φ1（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、格子が並ぶ方向（格子の周期方向、図中ｘ方向）に変化している。
【００１８】
同様に、回折格子５における各格子部の入射側の稜線を連ねた面（回折格子５の入射面に相当）５０２の法線５０１ｐａと第ｐ番目の周辺側の格子側面５０１ｐとのなす角度φ2（ｐ）と、同面５０２の法線５０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑの周辺側の格子側面５０１ｑとのなす角度φ2（ｑ）も、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、格子が並ぶ方向で変化している。格子側面の傾きの変化は中心軸Ｃａから離れるに従って順次角度が大きく、又は小さくなっている。
【００１９】
すなわち、通常の屈折光学系において色消しを行うのと同様に、分散の異なる材料を組み合わせた複数の回折格子によって回折光学素子を構成することで、回折効率の波長依存性を低減し、使用波長領域全域で高い回折効率を得るとともに、格子部の位置ごとに通過する全有効光線の入射・射出角度分布を考慮し、それぞれの格子部での光線のケラレが少なくなるように格子側面の傾きを変化させ、画角全域にわたりフレアやゴースト等の撮影や観察の際に不要な有害光の発生を抑制している。
【００２０】
図１７に実施形態１と同様の積層構造からなり、格子側面４０１，５０１を回折部３の入射面Ｈａに対して垂直（すなわち面４０２，５０２に対しても垂直）に設けた回折光学素子にある角度を持った光線（特定の光線）が入射した際の光線の様子を示す。回折格子の１周期の格子部に入射する光束７のうち、一部の光束７０１は格子側面４０１，５０１などにより大きくケラレたり、高い回折効率を達成するための条件を満たさない光路を通過しており、これらは結像に寄与しないばかりでなく有害光が発生する原因となる。
【００２１】
例えば、光線の入射面Ｈａに対する入射角θ1（ｊ）を１０°とし、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を７．８８μｍ、第２層目の回折格子５の格子厚ｄ2を１０．９５μｍ、第１層目の回折格子４の稜線を連ねた面４０２から第２層目の回折格子５の稜線を連ねた面５０２までの間隔Ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとしたときには、１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１（４．２５μｍ）の割合は約５．３％にもなる。
【００２２】
図３は、実施形態１の回折光学素子１に特定の光線が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。回折格子４，５の各格子部の側面の傾き角度φi（ｊ）を光線のケラレが少なくなるように面内（ｘｙ面内）で変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１の割合が図１９の回折光学素子に比べて明らかに減少していることが分かる。
【００２３】
本実施形態においては、特定の光線７０１の回折光学素子１の入射面Ｈａに対する入射角θ1（ｊ）を１０°、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を７．８８μｍ、第２層目の回折格子５の格子厚ｄ2を１０．９５μｍ、面４０２から面５０２までの間隔Ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、格子側面４０１の面４０２の法線に対する角度φ1（ｊ）を１０°、格子側面５０１の面５０２の法線に対する角度φ2（ｊ）を１２．８°と設定した。
本実施例において回折格子４のピッチ８０μｍ、格子厚７．８８μｍである。これより格子面の面４０２に対する角度αは
ｔａｎ −１ （７．８８／８０）＝５．６２５°
である。入射角θ 1 （ｊ）は
θ 1 （ｊ）＝１０°である。回折格子４の材料の屈折率１．６３６であるからスネルの法則より出射角θ 1 （ｊ） ' は
θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
となる。
同様に回折格子５についても求めると回折格子５に対する入射角θ 2 （ｊ）は
θ 2 （ｊ）＝θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
である。
これにより、回折部３の１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１（０．７３μｍ）の割合は約０．９％となり、図１８に示す従来例の構造に比べ光線のケラレる割合が約６分の１にまで低減される。このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることでフレアやゴーストなどの要因となる有害光の抑制に大きな効果がある。
回折格子５の材料の屈折率１．５１３であるからスネルの法則より出射角θ 2 （ｊ） ' は
θ 2 （ｊ） ' ＝１１．０°
となる。
【００２４】
ここで、格子側面４０１の角度φ1（ｊ）および格子側面５０１の角度φ2（ｊ）を回折格子４，５への特定の光線の入射角θ1（ｊ），θ2（ｊ）に基づきそれぞれ１０°，１２．８°と決定したが、いずれか一方ないしは両方をそれぞれの格子からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′、θ2（ｊ）′に基づいて決定してもよい。また、格子側面の角度は特定の光線の入射角ないしは射出角に厳密に一致させなくとも、入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定しても前述したのと同様の効果が得られる。
【００２５】
すなわち、複数の回折格子のうち光入射側から数えて第ｉ層目および第（ｉ＋１）層目に配置された回折格子は、その中心から数えて第ｊ番目の格子部を通過する特定の光線の入射角をθi（ｊ），θi+1（ｊ）、射出角をθi（ｊ）′，θi+1（ｊ）′とするとき、格子側面の傾き角度φi（ｊ）が、
φi（ｊ）＝Ｃ1・θi（ｊ） …（１）
φi（ｊ）＝Ｃ1・θi（ｊ）′ …（２）
φi+1（ｊ）＝Ｃ1・θi+1（ｊ） …（３）
φi+1（ｊ）＝Ｃ1・θi+1（ｊ）′ …（４）
ただし、
Ｃ1：０．２以上、２．０以下の任意の実数
のうちの少なくとも１つを満たしつつ変化する領域を有することが好ましい。
【００２６】
本実施形態では、２つの層からなる積層型の回折光学素子において、その両方の層の格子側面の傾きが変化している形態を示しているが、この傾きの変化はいずれか一方の層だけでもそれなりの効果が得られる。また、２層より多くの回折格子からなる積層型の回折光学素子においても、１層以上で実施するだけでそれなりの効果がある。
【００２７】
さらに、実施形態１では、図１に示したように、各回折格子を構成する格子部が直線状に設けられた場合を示しているが、格子部が同心円状に設けられているような場合についても同様な効果が得られる。
【００２８】
（実施形態２）
図４は、本発明の回折光学素子の実施形態２の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面にそれぞれ異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図５に示すように同心円状の回折格子４と回折格子５とが空気層を挟んで積層されており、回折格子４，５は中心Ｌａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど格子周期が徐々に小さくなっている。 図５は、実施形態２の回折光学素子１を図４中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものである。入射側から数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．６３６、アッベ数νd＝２２．８）で形成され、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５１３、アッベ数νd＝５１．０）で形成されている。Ｌａは回折光学素子１の中心、すなわち光軸である。回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で中心から周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。
【００２９】
本実施形態においても、実施形態１と同様に、回折格子４において各格子部の射出側の稜線を連ねた面４０２の法線４０１ｐａと光軸Ｌａから数えて第ｐ番目の格子部４ｐの周辺側の格子側面４０１ｐのなす角度φ1（ｐ）と、同面４０２の法線４０１ｑａと第ｑ番目の格子部４ｑの周辺側の格子側面４０１ｑのなす角度φ1（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、光軸Ｌａから離れるに従って順次大きく若しくは小さく変化している。
【００３０】
同様に回折格子５における各格子部の入射側の稜線を連ねた面５０２の法線５０１ｐａと光軸Ｌａから数えて第ｐ番目の格子部５ｐの周辺側の格子側面５０１ｐのなす角度φ2（ｐ）と、同面５０２の法線５０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑの周辺側の格子側面５０１ｑとのなす角度φ2（ｑ）も特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっている。
【００３１】
本実施形態において更に特徴的なのは、各層の回折格子を構成する回折格子のエッジ（稜線）の位置を特定の光線の入射角又は射出角に応じてｘ方向でずらし、ずれ量が光軸Ｌａから離れるに従って大きく又は小さくなるように変化させている点である。具体的には第１層第ｐ番目の格子部の周辺側のエッジとそれに近接した第２層第ｐ番目の格子部の周辺側のエッジのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｐ）と、第１層第ｑ番目の格子部の周辺側のエッジとそれに近接した第２層第ｑ番目の格子部の周辺側のエッジのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｑ）を、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異ならせている。
【００３２】
このように、格子部の位置ごとに通過する全有効光線の入射・射出角度分布を考慮し、それぞれの格子部で光線のケラレが少なくなるような格子側面の傾き角度およびエッジの位置を最適に設定することで、画角全域にわたりフレアやゴースト等の要因となる有害光の発生を抑制している。
【００３３】
図６は、実施形態２の回折光学素子１に特定の光線が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。格子側面の傾き角度および各層の格子部のエッジのずれ量の少なくとも一方を光線のケラレが少なくなるように変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうちケラレる光束７０１の割合を大幅に減少させることができる。
【００３４】
本実施形態においては、特定の光線の入射角θ1（ｊ）を１０°、第１層目の回折格子
４の格子厚ｄ1を７．８８μｍ、第２層目の回折格子５の格子厚ｄ2を１０．９５μｍ、面４０２から面５０２までの間隔Ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、格子側面４０１の傾き角度φ1（ｊ）を１０°、格子側面５０１の傾き角度φ2（ｊ）を１２．８°、エッジのずれ量ΔＳ2（ｊ）を０．３４μｍに設定した。
ここで入射角θ 1 （ｊ）はθ 1 （ｊ）＝１０°より出射角θ 1 （ｊ） ' はスネルの法則
θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
となる。
回折格子５に対する入射角θ 2 （ｊ）は
θ 2 （ｊ）＝θ 1 （ｊ） ' ＝１２．８°
である。
入射光束７のうちケラレる光束７０１に相当する回折格子の断面形状における横方向の距離ΔＰをスネルの法則を用いて求めると
ΔＰ＝０．３９μｍ
となる。
これにより、１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（０．３９μｍ）の割合は約０．４９％となり、図１７に示した構造に比べ光線のケラレる割合が約１０分の１にまで低減される。そして、このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることでフレアやゴーストなどの有害光の抑制に大きな効果がある。ただし、ここで示したケラレる光束の割合は、単純に回折格子を断面形状で考えた際の横方向の割合である。
【００３５】
本実施形態では、角度φ1（ｊ）および角度φ2（ｊ）を回折格子４，５への特定の光線の入射角θ1（ｊ），θ2（ｊ）に基づき１０°、１２．８°と決定したが、いずれか一方ないしは両方をそれぞれの回折格子からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′，θ2（ｊ）′に基づいて決定してもよい。また、格子側面４０１、５０１の傾き角度は厳密に特定の光線の入射角ないしは射出角に一致させる必要はなく、前述の条件式（１）〜（４）の少なくとも１つを満足するように、特定の光線の入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定してもよい。
【００３６】
さらに、各層の格子部のエッジのずれ量ΔＳ2（ｊ）は、間隔Ｌ1（ｊ）′および回折格子４からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′の値１２．８°に基づいて間隔１．５μｍにｔａｎ１２．８°を乗じた値から０．３４μｍと決定したが、厳密にこうして求めた値に一致させる必要はなく、この値
Ｌ1（ｊ）′×ｔａｎθ1（ｊ）′
の０．１倍から１．５倍の間で任意に設定してもよい。
【００３７】
具体的には、第ｉ層目に配置された回折格子における中心から数えて第ｊ番目の格子部のエッジの位置と、それに近接する第（ｉ＋１）層目の回折格子の格子部のエッジの位置とが特定の光線のケラレが少なくなるように格子部の並び方向にずれて配置されており、そのずれ量ΔＳi+1（ｊ）が、
ΔＳi+1（ｊ）＝Ｃ2・Ｌi（ｊ）′ｔａｎθi（ｊ）′ …（５）
ただし、
Ｃ2：０．１以上、１．５以下の任意の実数
を満たすように変化させればよい。
【００３８】
なお実施形態２では、図４のように回折格子が同心円状に設けられた場合を示しているが、回折格子が直線状に設けられた場合についても同様な効果が得られる。
【００３９】
（実施形態３）
図７は、本発明の回折光学素子の実施形態３の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面にそれぞれ異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図８に示すようにｙ方向に伸びる１次元格子（直線状格子）である回折格子４と回折格子５とが空気層を挟んで、その回折格子５と回折格子６とが空気層を挟まず積層されており、回折格子４，５，６は中心Ｃａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど格子周期が徐々に小さくなっている。
【００４０】
図８は、実施形態３の回折光学素子１を図７中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものである。基板２上に入射側から順に、回折格子４、空気層ａｉｒ、回折格子５、回折格子６が積層されている。入射側から数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．６３６、アッベ数νd＝２２．８）、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５９８、アッベ数νd＝２８．０）、第３層目の回折格子６は第３の紫外線硬化樹脂（屈折率ｎd＝１．５１３、アッベ数νd＝５１．０）で形成されている。回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子６は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。
【００４１】
本実施形態の回折光学素子では、回折格子６の各格子部の入射側の稜線を連ねた面６０２の法線６０１ｐａと空気層を挟まず密着した回折格子５，６において中心Ｃａから数えて第ｐ番目の格子部５ｐ，６ｐの周辺側の格子側面５０１ｐとのなす角度φ2（ｐ）と、同面６０２の法線６０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑ，６ｑの周辺側の格子側面５０１ｑのなす角度φ2（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、ｘ方向に沿って変化している。
【００４２】
図１８に実施形態３と同様の３層の回折格子からなり、格子部の側面を入射面に対して垂直に設けた回折光学素子に特定の光線が入射した際の様子を示す。１周期の格子部に入射する光束７のうち、一部の光束７０１は格子側面４０１，５０１などにより大きくケラレたり、高い回折効率を達成するための条件を満たさない光路を通過しており、これらは結像に寄与しないばかりでなくフレアやゴーストなどの有害光が発生する原因となる。
【００４３】
例えば、特定の光線７０１の入射角θ1（ｊ）を１０°とし、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を３．５４μｍ、第２層目の回折格子５および第３層目の回折格子６の格子厚ｄ2を１９．５０μｍ、第１層目の回折格子４の射出側の稜線を連ねた面４０２から第２層目の回折格子５における入射側の界面５０３までの間隔ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、同面５０３から面６０２までの間隔ｌ2（ｊ）を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとしたときには、１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（５．２８μｍ）の割合は約６．６％になる。
【００４４】
これに対し、図９は実施形態３の回折光学素子１に特定の光線７が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。回折格子５，６の各格子部の側面５０１の傾き角度φi（ｊ）を光線のケラレが少なくなるように面内（ｘｙ面内）でｘ方向で変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうち、ケラレる光束７０１の割合が図１８の回折光学素子に比べて明らかに減少していることが分かる。
【００４５】
本実施形態においては、特定の光線の回折光学素子１の入射面に対する入射角θ1（ｊ）を１０°、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を３．５４μｍ、第２層目の回折格子５および第３層目の回折格子６の格子厚ｄ2を１９．５０μｍ、面４０２から第２層目の回折格子５における入射側の界面５０３までの間隔ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、同面５０３から面６０２までの間隔ｌ2（ｊ）を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、格子側面４０１の面４０２の法線に対する角度φ1（ｊ）を０°、格子側面６０１の面６０２の法線に対する角度φ2（ｊ）を１１．２°と設定した。これにより、回折部３の１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（１．４２μｍ）の割合は約１．７８％となり、図１８に示す従来例の構造に比べ光線のケラレる割合が３分の１以下にまで低減される。このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることで、フレアやゴーストなどの有害光の抑制に大きな効果がある。
【００４６】
ここで、格子側面６０１の角度φ2（ｊ）を回折格子５からの特定の光線の射出角θ2（ｊ）′と同じ１１．２°と決定したが、回折格子６への特定の光線の入射角θ2（ｊ）に基づいて決定してもよい。また、格子側面の角度は特定の光線の入射角ないしは射出角に必ずしも厳密に一致させる必要はなく、前述の条件式（１）〜（４）の少なくとも１つを満足するように、入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定してもよい。
【００４７】
なお本実施形態では、３つの層からなる積層型の回折光学素子において、入射側から数えて第２層目および第３層目に配置された回折格子の格子側面の傾き角度が変化している形態を示しているが、更に第１層目の回折格子の側面の傾きをも変化させても良い。但し、積層型の回折光学素子において少なくとも１層で実施するだけでもそれなりの効果がある。
【００４８】
さらに実施形態３では、図７に示したように、各回折格子を構成する格子部が直線状に設けられた場合を示しているが、格子部が同心円状に設けられているような場合についても同様な効果が得られる。
【００４９】
（実施形態４）
図１０は、本発明の回折光学素子の実施形態４の正面図である。同図において、回折光学素子１は、基板２の表面にそれぞれ異なる材料からなる回折格子を積層した回折部３が配置された構成となっている。回折部３は、後述する図１１に示すように同心円状の回折格子４，５，６が積層されており、それぞれの回折格子は中心Ｌａからｘ方向に沿って周辺に向かうほど周期が小さくなっている。
【００５０】
図１１は、実施形態４の回折光学素子１を図１０中のＡ−Ａ′断面で切断した断面形状の一部を示すものである。基板２上に入射側から、回折格子４、空気層ａｉｒを介して回折格子５、回折格子５と密着して回折格子６が積層されている。そして、入射側から数えて第１層目の回折格子４はエネルギー硬化材料の１つである第１の紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．６３６、νd＝２２．８）、第２層目の回折格子５は第２の紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．５９８、νd＝２８．０）、第３層目の回折格子６は第３の紫外線硬化樹脂（ｎd＝１．５１３、νd＝５１．０）で形成されている。Ｌａは回折光学素子１の中心すなわち光軸である。そして、回折格子４は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状、回折格子５は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって減少する鋸歯形状、回折格子６は格子部の格子厚が１つの周期で周辺に向かって増加する鋸歯形状であり、特定の次数の回折光の回折効率を高めるような形状に設定されている。
【００５１】
本実施形態においても、回折格子６の各格子部の入射側の稜線を連ねた面６０２の法線６０１ｐａと空気層を挟まず密着した回折格子５，６において中心Ｌａから数えて第ｐ番目の格子部５ｐ，６ｐの周辺側の格子側面５０１ｐとのなす角度φ2（ｐ）と、同面６０２の法線６０１ｑａと第ｑ番目の格子部５ｑ，６ｑの周辺側の格子側面のなす角度φ2（ｑ）が、特定の光線の入射角又は射出角に応じて異なっており、光軸Ｌａから離れるに従って拡大又は減少するように変化している。
【００５２】
更に本実施形態の回折光学素子は、回折格子４を構成する格子部の周辺側のエッジ（稜線）とそれに近接する回折格子５，６を構成する格子部の周辺側のエッジを特定の光線の入射角又は射出角に応じてｘ方向でずらし、ずれ量が光軸Ｌａから離れるにしたがって、大きく又は小さくなるように変化させている。具体的には第１層第ｐ番目の格子部のエッジと第２，３層第ｐ番目の格子部のエッジのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｐ）と、第１層第ｑ番目の格子部のエッジ第２，３層第ｑ番目の格子部のエッジとのｘ方向のずれ量ΔＳ2（ｑ）とを特定の光線の入射角又は射出角に応じて異ならせている。
【００５３】
このように、格子部の位置ごとに通過する全有効光線の入射・射出角度分布を考慮し、それぞれの格子部で光線のケラレが少なくなるような格子側面の傾き角度およびエッジの位置を最適に設定することで、画角全域にわたりフレアやゴースト等の要因となる有害光の発生を抑制している。
【００５４】
図１２は、実施形態４の回折光学素子１に特定の光線が入射した際の光線のケラレの様子を示す説明図である。格子側面の傾き角度および第１層と第２層の格子部のエッジのずれ量を光線のケラレが少なくなるように変化させることで、１周期の格子部に入射する光束７のうち、ケラレる光束７０１の割合が大幅に減少している。
【００５５】
本実施形態においては、特定の光線の入射角θ1（ｊ）を１０°とし、第１層目の回折格子４の格子厚ｄ1を３．５４μｍ、第２層目の回折格子５および第３層目の回折格子６の格子厚ｄ2を１９．５０μｍ、面４０２から第２層目の回折格子５における入射側の界面５０３までの間隔ｌ1（ｊ）′を１．５μｍ、同面５０３から面６０２までの間隔ｌ2（ｊ）を１．５μｍ、格子ピッチを８０μｍとし、第１層の格子側面４０１の傾き角度φ1（ｊ）を０°、第２，３層の格子側面６０１傾き角度φ2（ｊ）を１１．２°、エッジのずれ量ΔＳ2（ｊ）を０．７９μｍに設定した。これにより、１周期の格子部に入射する光束７（８０μｍ）のうちケラレる光束７０１（０．６２μｍ）の割合は約０．７８％となり、図１８に示した構造に比べ光線のケラレる割合は８分の１以下にまで低減される。そして、このような本実施形態の回折光学素子１を光学系の一部に用いることで、フレアやゴーストなどの有害光の抑制に大きな効果がある。ただし、ここで示したケラレる光束の割合は、単純に回折格子を断面形状で考えた際の横方向の割合である。
【００５６】
本実施形態では、角度φ2（ｊ）を回折格子５からの特定の光線の射出角θ2（ｊ）′に基づき１１．２°と決定したが、格子部への特定の光線の入射角θ2（ｊ）に基づいて決定してもよい。また、格子側面の角度は厳密に特定の光線の入射角ないしは射出角に一致させる必要はなく、前述の条件式（１）〜（４）の少なくとも１つを満足するように、入射角ないしは射出角の０．２倍から２．０倍の間の角度で任意に設定してもよい。
【００５７】
さらに、ずれ量ΔＳ2（ｊ）を間隔ｌ1（ｊ）′，ｌ2（ｊ）、回折格子４からの特定の光線の射出角θ1（ｊ）′の値１８．３°、回折格子５への入射角θ2（ｊ）の値１１．３°に基づいて、１．５μｍにｔａｎ１８．３°を乗じた値と１．５μｍにｔａｎ１１．３°を乗じた値の和から０．７９μｍと決定したが、厳密にこうして求めた値に一致させる必要はなく、この値のｌ1（ｊ）′×ｔａｎθ1（ｊ）′の０．１倍から１．５倍の間で任意に設定してもよい。
【００５８】
具体的には、入射側から数えて第ｉ層目に配置された回折格子における中心から数えて第ｊ番目の格子部のエッジの位置と、それに近接する回折格子における中心から数えて第ｊ番目の格子部のエッジの位置とが特定の光線のケラレが少なくなるように格子部の並び方向にずれて配置されており、そのずれ量ΔＳi+1（ｊ）が、
ΔＳi+1(ｊ)＝Ｃ2・[ｌi(ｊ)′ｔａｎθi(ｊ)′＋ｌi+1(ｊ)tanθi+1(ｊ)]
ただし、
Ｃ2：０．１以上、１．５以下の任意の実数
ｌi（ｊ）′：第ｉ層目の回折格子の格子部の稜線を連ねた面から第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の界面までの第ｊ番目の格子部位置での間隔
θi（ｊ）′：第ｉ層目の回折格子における第ｊ番目の格子部からの特定の光線の射出角
ｌi+1（ｊ）：第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の界面から格子部の稜線を連ねた面までの第ｊ番目の格子部位置での間隔
θi+1（ｊ）：第（ｉ＋１）層目の回折格子における第ｊ番目の格子部への特定の光線の入射角
の式を満たすように変化させればよい。
【００５９】
なお本実施形態では、３つの層からなる積層型の回折光学素子において、入射側から数えて第２層目および第３層目に配置された回折格子の格子側面の傾き角度が変化している形態を示しているが、更に第１層目の回折格子の格側面の傾きを変化させても良い。但し、積層型の回折光学素子においても、少なくとも１層で実施するだけでもそれなりの効果がある。
【００６０】
また実施形態４では、図１０に示したように、回折格子が同心円状に設けられた場合を示しているが、回折格子が直線状に設けられた場合についても同様な効果が得られる。
【００６１】
以上の実施形態１〜４に示したように、積層型の回折光学素子を構成する回折部の格子側面の傾きを特定の光線の入射角あるいは射出角を考慮して変化させる、ないしは各層の近接するエッジ位置のずれ量を特定の光線の入射角ないしは射出角を考慮して変化させることで、光線のケラレを大きく低減することができ、光学系中に用いたときにはフレアやゴースト等の要因となる有害光の発生を有効に抑制することができる。
【００６２】
ここで、実際の光学系に回折光学素子を用いた場合、中心（光軸）からの距離に応じて有効光の入射角は変化しており、かつ、その入射角は単一の値ではなく、一定の分布を持っているのが一般的である。そこで実施形態１〜４に示した回折光学素子では、入射する光線の入射角・射出角の分布から求めた平均値、重心値、最大値、最小値等の光線や、回折光学素子を光学系に用いた際の絞りの中心を通過する光線などのうち、ケラレが最も少なくなるような光線を「特定の光線」に設定し、これに基づいて格子側面の傾き角度、エッジ位置のずれ量等を設定している。
【００６３】
また、実施形態１〜４の説明では、いずれも分かりやすくするために平らな基板２上に回折格子４，５，６を設けた場合を示しているが、曲面より成る基板上に設けられた場合についても同様な効果が得られる。
【００６４】
また、以上の各実施形態において、ある層の回折格子のエッジの位置がその層の入射側あるいは射出側に隣接する他の層の回折格子のエッジと格子部の並び方向にずらして配置してある領域を有するだけでも良く、これによれば光束のケラレをある程度少なくすることができる。
【００６５】
また、実施形態１〜４において射出面を反射面とし、反射型の回折光学素子としても同様の効果が得られる。
（実施形態５）
次に本発明の実施形態５として実施形態１〜４で説明した回折光学素子を光学系の一部に用いた例を示す。
【００６６】
図１３は、カメラ等の撮影光学系の断面を示したものである。同図において、８は撮影レンズであり、内部に本発明に関わる回折光学素子１が基板２としてのレンズ面上に設けられている。９は絞りであり、１０は結像面であるフィルム、又はＣＣＤやＣＭＯＳなどの固体撮像素子（光電変換素子）である。
【００６７】
回折光学素子１を分散の異なる材料からなる複数の回折格子の積層構造で構成することで、回折効率の波長依存性は大幅に改善されている。さらに回折格子の有効面内の位置に応じた入射角度分布から適切に格子側面の傾き角度や各層の近接する格子部のエッジのずれ量を適切に設定することで、格子側面でケラレる光線の割合を大きく低減し、フレアやゴーストなどの有害光が少なく画面全域にわたり解像度も高い高性能な撮影レンズが得られる。
【００６８】
このような本実施形態の撮影光学系は、一眼レフカメラ用の交換レンズ、ビデオカメラやデジタルカメラ等の撮影レンズなどに好適に用いられる。
（実施形態６）
次に本発明の実施形態６として実施形態１〜４で説明した回折光学素子を観察光学系の一部に用いた形態を示す。
【００６９】
図１４は、双眼鏡の一対の光学系のうち、一方の断面を示したものである。同図において、１１は観察像を形成する対物レンズ、１２は像を反転させるためのプリズム（像反転部材）、１３は接眼レンズ、１４は評価面（瞳面）である。図中の１は本発明に係る回折光学素子であり、対物レンズ１１の一部を構成している。回折光学素子１は対物レンズ１１の結像面１０での色収差などを補正する目的で設置されている。
【００７０】
回折光学素子１を分散の異なる材料からなる複数の回折格子の積層構造で構成することで、回折効率の波長依存性は大幅に改善されている。さらに回折格子の有効面内の位置に応じた入射角度分布から適切に格子側面の傾き角度や各層の近接する格子部のずれ量を適切に設定することで、格子側面でケラレる光線の割合を大きく低減し、フレアやゴーストなどの有害光が少なく、画面全域にわたり解像度も高い高性能な観察光学系が得られる。
【００７１】
本実施形態では、観察光学系における対物レンズ１１が回折光学素子１を有する場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム１２の表面や接眼レンズ１３に設けてもよい。しかし、結像面１０より物体側に設けることで対物レンズ側のみで色収差低減効果があるため、肉眼での観察光学系の場合、少なくとも１つの回折光学素子を結像面１０よりも対物レンズ側に設けることが望ましい。
【００７２】
また、本実施形態では、双眼鏡の実施形態について説明したが、これに限定するものではなく、地上望遠鏡や天体観察用望遠鏡、顕微鏡などであってもよく、また、レンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式のファインダーであっても同様の効果が得られる。
【００７３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、回折光学素子を構成する回折格子の形状を適切に設定することにより、高い回折効率が得られ、光学系中に用いたときにフレア光やゴースト光等の有害光を低減させることができる。そして本発明を結像光学系や観察光学系に適用すれば、小型で良好な光学性能の光学系を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態１の回折光学素子の正面図である。
【図２】実施形態１の回折光学素子の要部断面図である。
【図３】実施形態１の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図４】実施形態２の回折光学素子の正面図である。
【図５】実施形態２の回折光学素子の要部断面図である。
【図６】実施形態２の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図７】実施形態３の回折光学素子の正面図である。
【図８】実施形態３の回折光学素子の要部断面図である。
【図９】実施形態３の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図１０】実施形態４の回折光学素子の正面図である。
【図１１】実施形態４の回折光学素子の要部断面図である。
【図１２】実施形態４の回折光学素子における光線のケラレの説明図である。
【図１３】回折光学素子を有する撮像光学系の実施形態の概略図である。
【図１４】回折光学素子を有する観察光学系の実施形態の概略図である。
【図１５】従来の回折光学素子（２層）の断面図である。
【図１６】従来の回折光学素子（３層）の断面図である。
【図１７】従来の回折光学素子（２層）における光線のケラレの説明図である。
【図１８】従来の回折光学素子（３層）における光線のケラレの説明図である。
【符号の説明】
１ 回折光学素子
２ 基板
３ 回折部
４ 回折格子
４０１ｐ、４０１ｑ 格子側面
４０２ 回折格子４の稜線を連ねた面
５ 回折格子
５０１ｐ、５０１ｑ 格子側面
５０２ 回折格子５の稜線を連ねた面
５０３ 回折格子５の入射側の界面
６ 回折格子
８ 撮影レンズ
９ 絞り
１０ 結像面
１１ 対物レンズ
１２ 像反転プリズム
１３ 接眼レンズ
１４ 瞳面
Claims (8)
- 異なる材料からなる複数の回折格子を積層した回折光学素子を有する光学系において、前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子は、その格子側面が傾いた領域を有し、その格子部を通過する全有効光線の射出角の分布から求められる平均の射出角を持つ光線を特定の光線とし、前記少なくとも１つの回折格子は前記複数の回折格子のうち入射側から数えて第ｉ層目に配置された回折格子であって、その中心部から数えて第ｊ番目の格子部に入射する特定の光線の射出角をθi（ｊ）′とするとき、前記格子部の稜線を連ねた面の法線に対する前記格子側面の傾き角度φi（ｊ）が、
φi（ｊ）＝Ｃ１・θi（ｊ）′
ただし、Ｃ １ は０．７８以上、１．１６以下の任意の実数
を満足するように変化する領域を有することを特徴とする光学系。 - 前記少なくとも１つの回折格子は、格子側面の傾きが中心部から周辺部に向かって次第に大きくなるように変化する領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 前記少なくとも１つの回折格子は、格子側面の傾きが中心部から周辺部に向かって次第に小さくなるように変化する領域を有することを特徴とする請求項１に記載の光学系。
- 前記少なくとも１つの回折格子は、その格子エッジの位置がそれに近接する回折格子の格子エッジの位置に対して格子の並ぶ方向にずれた領域を有し、そのずれ量が特定の光線の入射角又は射出角に応じて位置により異なることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学系。
- 前記少なくとも１つの回折格子は、前記ずれ量が中心部から周辺部に向かって次第に大きくなるように変化する領域を有することを特徴とする請求項４に記載の光学系。
- 前記少なくとも１つの回折格子は、前記ずれ量が中心部から周辺部に向かって次第に小さくなるように変化する領域を有することを特徴とする請求項４に記載の光学系。
- 第ｉ層目の回折格子の射出側の稜線を連ねた面から第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の稜線を連ねた面までの中心部から数えて第ｊ番目の格子部位置での間隔をＬi（ｊ）′、第ｉ層目の回折格子の第ｊ番目の格子部からの特定の光線の射出角をθi（ｊ）′とするとき、第ｉ層目の回折格子の第ｊ番目の格子部の格子エッジの位置と第（ｉ＋１）層目の回折格子の第ｊ番目の格子エッジの位置とのずれ量ΔＳi+1（ｊ）が、
ΔＳi+1（ｊ）＝Ｃ2・Ｌi（ｊ）′ｔａｎθi（ｊ）′
ただし、Ｃ2は０．１以上、１．５以下の任意の実数
を満足するように変化する領域を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の光学系。 - 第ｉ層目の回折格子の射出側の稜線を連ねた面から第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の界面までの中心部から数えて第ｊ番目の格子部位置での間隔をｌi（ｊ）′、第ｉ層目の回折格子の第ｊ番目の格子部からの特定の光線の射出角をθi（ｊ）′、第ｉ＋１層目の回折格子における第ｊ番目の格子部への特定の光線の入射角をθi+1(ｊ)、第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の界面から第（ｉ＋１）層目の回折格子の入射側の稜線を連ねた面までの第ｊ番目の格子部位置での間隔をｌi+1（ｊ）とするとき、第ｉ層目の回折格子第ｊ番目の格子エッジの位置と第（ｉ＋１）層目の回折格子の第ｊ番目の格子部の格子エッジの位置とのずれ量ΔＳi+1（ｊ）が、
ΔＳi+1(ｊ)＝Ｃ2・[ｌi(ｊ)′ｔａｎθi(ｊ)′＋ｌi+1(ｊ)tanθi+1(ｊ)]
ただし、Ｃ2は０．１以上、１．５以下の任意の実数
を満足するように変化する領域を有することを特徴とする請求項４乃至６のいずれかに記載の光学系。
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