JP5459966B2 - 回折光学素子及びそれを有する光学系並びに光学機器 - Google Patents
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Description
以下回折格子とも言う)を設けることで、色収差を減じる方法が知られている(非特許文献1、特許文献1〜3等)。
る。
密着2層型DOE』という)207を開示している。特許文献6では、互いに異なる2種類の材料の内、一方がガラスモールド用のガラスで、もう一方が紫外線硬化樹脂である。特許文献6では、ガラスを格子先端部まで充填させることと、回折格子面とは逆側の面での樹脂のヒケによる回折効率の劣化防止のため、ベース樹脂層厚d1、d2を規定している。また、密着2層型DOEとして、所望の性能を満足するためのガラスと樹脂の存在範囲を規定している。
SPIE Vol.1354 International Lens Design Conference(1990)
但し、0 ≦ |θg(0,λ)|、|θg(M,λ)| < π/2 の条件を満足している。
o/1000000)を満足する光軸と垂直方向での位置を考える。前記式を満足する値をr=R(M)(m
m)とした時、(R(M)+R(M+1))/2で与えられる位置が前記第M輪帯の回折格子内の中心位置である。
|θg (M、λ)| - |θg (0、λ)| > 0 ‥‥‥(2)
なる条件式を満足している。
Tk(0,λmax))) ×(1000/Kb(λmax)) ×cos(θg(0,λmax))-h(0)/2‥‥‥(3)
なる条件式を満足している。
λ2 < 600 nm、600nm < λ3 < 700 nmとする。波長λにおける光軸上での回折光学素子を含む光学系全体の透過率をTTOT(0、λ)とする。前記TTOT(0,λ)が、
TTOT(0、λ2) - ((TTOT(0、λ1) + TTOT(0、λ3))/2) > 0 ‥‥‥(4)
なる条件式を満足している。
θg、Fb=(ngb-nFb)/(nFb-nCb)≦
(-1.665×10 -7 ×νdb3+5.213×10 -5 ×νdb2-5.656×10 -3 ×νdb+0.675)‥‥‥(6)
ndbb ≧ 1.70 ‥‥‥(7)
νdbb = (ndbb -1) / (nFbb - nCbb) ≦ 20 ‥‥‥(8)
の条件式を満足している。
θ2(M、λF)) - nFb×cos(θ2’(M、λF))) × h2(M))) /λF
m(λd) = (±((ndJ×cos(θ1(M、λd))- cos(θ1’(M、λd))) × h1(M)) + ((±(cos(
θ2(M、λd)) - ndb×cos(θ2’(M、λd))) × h2(M))) /λd
m(λC) = (±((nCJ×cos(θ1(M、λC))- cos(θ1’(M、λC))) × h1(M)) + ((±(cos(
θ2(M、λC)) - nCb×cos(θ2’(M、λC))) × h2(M))) /λC
θ1’(M、λF) = θ2(M、λF)= θg (M、λF)
θ1’(M、λd) = θ2(M、λd)= θg (M、λd)
θ1’(M、λC) = θ2(M、λC)= θg (M、λC)
h2(M) = h(M)
とおいたとき、
0.92 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.08 ‥‥‥(9)
h(M) ≦ 20 ‥‥‥(10)
なる条件式を満足している。
m(λd)=±((ndJ×cos(θ3(M、λF))-ndb×cos(θ3’(M、λF))) × h(M))/λd
m(λC)=±((nCJ×cos(θ3(M、λF))-nCb×cos(θ3’(M、λF))) × h(M))/λC
θ3’(M、λF) = θg (M、λF)
θ3’(M、λd) = θg (M、λd)
θ3’(M、λC) = θg (M、λC)
とおいたとき、
0.92 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.08 ‥‥‥(11)
h(M) ≦ 20 ‥‥‥(12)
なる条件式を満足している。
ここで、n01は波長λ0の光に対する格子部108aを有する材料の屈折率であり、dは格子部108の格子厚、mは回折次数である。また、θ1は回折格子108に波長λ0での光が入射する角度を、θ1’は回折格子108に波長λ0での光が射出する角度である。
ここで、mは回折次数、n1(λ)は波長λの光に対する格子部を形成する材料の屈折率である。また、θ1(λ)は回折格子に、波長λでの光が入射する角度を、θ1’(λ)は回折格子から、波長λの光が射出する角度を各々表している。また、sinc^2(x) = ( sin (x)/ x
) ^2 で表される関数である。
ここで、n01は第1の素子部2において第1の回折格子5を形成する格子部5cの材料の波長λ0の光に対する屈折率である。n02は第2の素子部3において第2の回折格子6を形成する格子部6cの材料の波長λ0の光に対する屈折率である。
φ(λ) = ( n1(λ) ×cosθ1(λ) - n2(λ) ×cosθ1’(λ)) × d ……… (17)
ここで、mは回折次数、n1(λ)は第1の回折格子5の格子部5cを形成する材料の波長λでの屈折率、n2(λ)は第2の回折格子6を形成する格子部6cの材料の波長λでの屈折率である。dは第1及び第2の回折格子5、6の共通の格子部5c、6cの格子厚である。
(λ)が全ての使用波長に対して、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、上記(16)式中のφ(λ) / λがmに近づけばよい。例えば、設計次数mを1次とした際、φ(λ) / λが1に近づけばよい。
光軸と垂直方向の位置r=0mm)では、共通の格子部の格子厚h(0)は13.9μmである。
)
また、本発明の回折光学素子に使用している微粒子分散材料のように、可視波長域に大きな吸収と散乱を有している材料では、微粒子分散材料による内部透過率の低下が懸念されていた。
(a)、(b)において、横軸は波長(nm)、縦軸は透過率(%)及び散乱率(%)を各々表している。
・格子厚h(0) = 13.9μm ・ベース樹脂層d(0) = 7.5μm
●格子番号M=25の場合 → ・重心入射角度θg (25、λd)= 8.0deg ・格子厚h(25) =
13.9μm ・ベース樹脂層d(25) = 7.4μm
●格子番号M=109の場合 → ・重心入射角度θg (109、λd)= 18.0deg ・格子厚h(10
9) = 13.8μm ・ベース樹脂層d(109) = 6.9μm
尚、実施例1では、微粒子分散材料を含む第2の素子部3の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
φ(λ) = (( n1(λ) ×cosθ1(λ) - 1×cosθ1’(λ)) ×d1) - ((1×cosθ2(λ) - n2(λ) ×cosθ2’(λ)) × d2) ……… (19)
θ1’(λ) = θ2(λ) ……… (20)
ここで、mは回折次数、n1(λ)は第1の回折格子5の格子部5cを形成する材料の波長λでの屈折率、n2(λ)は第2の回折格子6の格子部6cを形成する材料の波長λでの屈折率である。
^ 2 で表される関数である。
(λ)が全ての使用波長に対して、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、上記(18)式中のφ(λ) / λがmに近づけばよい。例えば、設計次数mを1次とした際、φ(λ) / λが1に近づけばよい。
光軸と垂直方向の位置r=0mm)では、格子部5cの格子厚d1は14.2μm、格子部6cの格子厚d2(=h(0))は12.0μmである。
換算の内部透過率と散乱率を、図10(a)(b)に各々示す。
・格子厚h(0) = 11.6μm ・ベース樹脂層d(0) = 4.8μm
●格子番号M=25の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (25、λd)= 8.0deg ・格子厚h(25) =
11.6μm ・ベース樹脂層d(25) = 4.7μm
●格子番号M=109)の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (109、λd)= 18.0deg ・格子厚h(1
09) = 11.6μm ・ベース樹脂層d(25.0) = 4.2μm
尚、実施例2では、微粒子分散材料を含む第2の素子部3の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
光軸と垂直方向の位置r=0mm)では、共通の格子部5c、6cの格子厚h(0)は13.9μmである。
・格子厚h(0) = 13.9μm ・ベース樹脂層d(0) = 7.5μm
●格子番号M=40の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (40、λd)= -0.6deg ・格子厚h(40)
= 13.9μm ・ベース樹脂層d(40) = 7.5μm
●格子番号M=155の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (155、λd)= -1.8deg ・格子厚h(15
5) = 13.8μm ・ベース樹脂層d(47.0) = 7.4μm
尚、実施例3では、微粒子分散材料を含む第1の素子部2の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
・格子厚h(0) = 12.0μm ・ベース樹脂層d(0) = 4.6μm
●格子番号M=40の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (40、λd)= -0.6deg ・格子厚h(40)
= 12.0μm ・ベース樹脂層d(40) = 4.6μm
●格子番号M=155の場合 ⇒ ・重心入射角度θg (155、λd)= -1.7deg ・格子厚h(15
5) = 12.0μm ・ベース樹脂層d(155) = 4.5μm
尚、実施例4では、微粒子分散材料を含む第1の素子部2の内部透過率を各輪帯位置で全て同じ値(90.0%)に設定したときの結果を示したが、これに限ることではない。
M)を規定している。条件式(1)を満足していれば、一般的な光学系に本発明の回折光学素子を用いる場合、光軸外での像の明るさは光軸上に比べて低下する(cosine4乗法則)ことへの対策となる。つまり、微粒子分散材料を含む素子部の内部透過率を、半径r方向の周辺部が光軸中心部よりも同等以上にすることである。
更に
-log(0.8/(TDO(0,λmax) ×Tk(0,λmax)))×(1000/Kb(λmax)) ×cos(θg(0,λmax))-h(0)/2≦ d(0) ≦-log(0.7/(TDO(0,λmax) ×Tk(0,λmax)))×(1000/Kb(λmax)) ×cos(θg(0,λmax))-h(0)/2 ‥‥‥((3)-2)
とするのが良い。
λ3 = 656.3nm(C線)
次に条件式(5)〜(8)は、発明の回折光学素子の素子部に用いる微粒子分散材料に関する。
θg、Fb=(ngb-nFb)/(nFb-nCb)≦(-1.665×10 -7 ×νdb3+5.213×10 -5 ×
νdb2-5.656×10 -3 ×νdb+0.600)
θg、Fb = (ngb - nFb) / (nFb - nCb) ≦
(-1.665×10 -7 ×νdb3+5.213×10 -5 ×νdb2-5.656×10 -3 ×νdb+0.600)……… ((6)-1)
上記条件式(7)及び(8)は、本発明の回折光学素子において、微粒子分散材料に用いる微粒子材料の材料特性の範囲を規定した条件式である。
8)の範囲を満足する材料であれば、これに限ることではない。
νdbb = (ndbb -1) / (nFbb - nCbb) ≦ 18 ……… ((8)-1)
次に条件式(9)〜(12)は、本発明の回折光学素子を用いた光学系において、光軸から光軸に対し、垂直方向に距離r(mm)離れた位置に属する第M輪帯での面法線方向の格子厚h(M)
(μm)が、格子番号Mに対して連続的に変化することを規定している。
更に
0.94 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.06………((9)-2)及び((11)-2)
更に
0.96 ≦ (m(λF) + m(λd) + m(λC))/3 ≦ 1.04………((9)-3)及び((11)-3)
h(M) ≦ 15 ……… ((10)-1)及び((12)-1)
また、微粒子材料の平均粒子径としては、入射光の波長(可視波長域)の1/4以下であることが好ましい。これより粒子径が大きくなると、微粒子材料を樹脂材料に混合した際、散乱が大きくなってしまい好ましくない。
可視波長域で、特定次数(設計次数)の回折光に対して高い回折効率が得られ、且つ特定次数(設計次数)以外の不要回折次数の回折光を十分抑制できる回折光学素子が得られる。
2 第1の素子部
3 第2の素子部
4 第1のベース樹脂層部
5 第1の回折格子部
6 第2の回折格子部
7 第2のベース樹脂層部
8 第1の基板
9 第2の基板
10 撮像光学系
11 回折光学素子
12 絞り
13 結像面
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)
201 回折光学素子
202 基板
203 第1の回折格子
204 第2の回折格子
205 空気層
206 ベース樹脂層
207 回折光学素子
208 第1の素子部
209 第2の素子部
210 回折光学素子
211 第1の素子部
212 第2の素子部
213 回折光学素子
214 第1の素子部
215 第2の素子部
Claims (15)
- ベース樹脂層部と該ベース樹脂層部の上に形成された回折格子とを含む樹脂層と、該樹脂層に密着した透明基板と、を有する素子部が複数積層された回折光学素子であって、
前記複数の素子部のうちの少なくとも1つにおいて、前記樹脂層は微粒子分散材料から成り、かつ、前記ベース樹脂層部の厚さは光軸から周辺に向かうにつれて薄くなっており、
前記光軸上での透過率に比べて周辺部での透過率が等しいか又は高いことを特徴とする回折光学素子。 - 前記微粒子分散材料から成る樹脂層において、前記回折格子の輪帯を光軸中心から順に第1輪帯・・・第M輪帯とし、前記第1輪帯の格子厚(μm)をh(0)、前記第M輪帯の格子厚(μm)をh(M)、前記光軸上でのベース樹脂層厚(μm)をd(0)、前記第M輪帯の回折格子の中心位置におけるベース樹脂層厚(μm)をd(M)、前記光軸中心に波長λの光線が入射する時の面法線に対する重心入射角度(rad)をθg(0,λ)、前記第M輪帯の回折格子の中心位置に波長λの光線が入射する時の面法線に対する重心入射角度(rad)をθg(M,λ)、とする時、
0<d(M)≦(h(0)/2+d(0))×(cos(θg(M,λ))/cos(θg(0,λ)))−h(M)/2
0≦|θg(0,λ)|
|θg(M,λ)|<π/2
なる条件式を満足するように、前記ベース樹脂層部の厚さが前記光軸から周辺に向かうにつれて薄くなっていることを特徴とする請求項1に記載の回折光学素子。 - 前記重心入射角度θg(M,λ)は、格子番号Mに対して連続的に変化しており、
|θg(M,λ)|−|θg(0,λ)|>0
なる条件式を満足していることを特徴とする請求項2に記載の回折光学素子。 - 前記微粒子分散材料のg線、F線、d線、C線に対する屈折率を順にngb、nFb、ndb、nCbとし、前記微粒子分散材料に含まれる微粒子材料のF線、d線、C線に対する屈折率を順にnFbb、ndbb、nCbbとするとき
νdb=(ndb−1)/(nFb−nCb)≦30
θg、Fb=(ngb−nFb)/(nFb−nCb)≦(−1.665×10 −7 ×νdb3+5.213×10 −5 ×νdb2−5.656×10 −3 ×νdb+0.675)
ndbb≧1.70
νdbb=(ndbb−1)/(nFbb−nCbb)≦20
なる条件式を満足することを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 前記微粒子分散材料はITO、Ti、Nr、Cr及びその酸化物、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子を含んだ樹脂材料であることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載の回折光学素子。
- 前記無機微粒子の粒子径の平均値は、可視域での使用波長の1/4以下であることを特徴とする請求項5に記載の回折光学素子。
- 前記格子厚h(M)(μm)は、格子番号Mに対して連続的に変化しているとともに、前記重心入射角度θg(M,λ)に対して1次回折効率が最大になるように、前記素子部同士の間に空気層を有し、
F線、d線、C線の各波長をλF、λd、λCとし、
F線、d線、C線の各波長における光学光路長差を各波長で割った値をm(λF)、m(λd)、m(λC)とし、
前記微粒子分散材料とは異なる材料から成る回折格子の格子部の格子厚をh1(M)とし、
前記微粒子分散材料から成る回折格子の格子部の格子厚をh2(M)とし、
前記微粒子分散材料とは異なる材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFJ、ndJ、nCJとし、前記微粒子分散材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFb、ndb、nCbとし、
前記微粒子分散材料とは異なる材料から成る回折格子へのF線、d線、C線での入射角度をθ1(M,λF)、θ1(M,λd)、θ1(M,λC)とし、
前記微粒子分散材料とは異なる材料から成る回折格子からのF線、d線、C線での射出角度をθ1’(M,λF)、θ1’(M,λd)、θ1’(M,λC)とし、
前記微粒子分散材料から成る回折格子へのF線、d線、C線での入射角度をθ2(M,λF)、θ2(M,λd)、θ2(M,λC)とし、
前記微粒子分散材料から成る回折格子からのF線、d線、C線での射出角度をθ2’(M,λF)、θ2’(M,λd)、θ2’(M,λC)とし、
m(λF)=(±((nFJ×cos(θ1(M,λF))−cos(θ1’(M,λF)))×h1(M))+((±(cos(θ2(M,λF))−nFb×cos(θ2’(M,λF)))×h2(M)))/λF
m(λd)=(±((ndJ×cos(θ1(M,λd))−cos(θ1’(M,λd)))×h1(M))+((±(cos(θ2(M,λd))−ndb×cos(θ2’(M,λd)))×h2(M)))/λd
m(λC)=(±((nCJ×cos(θ1(M,λC))−cos(θ1’(M,λC)))×h1(M))+((±(cos(θ 2(M,λC))−nCb×cos(θ2’(M,λC)))×h2(M)))/λC
θ1’(M,λF)=θ2(M,λF)=θg(M,λF)
θ1’(M,λd)=θ2(M,λd)=θg(M,λd)
θ1’(M,λC)=θ2(M,λC)=θg(M,λC)
h2(M)=h(M)
とおいたとき、
0.92≦(m(λF)+m(λd)+m(λC))/3≦1.08
h(M)≦20
なる条件式を満足することを特徴とする請求項2又は3に記載の回折光学素子。 - 前記格子厚h(M)(μm)は、格子番号Mに対して連続的に変化しているとともに、前記重心入射角度θg(M,λ)に対して1次回折効率が最大になるように、前記素子部同士の間に空気層を有しておらず、
F線、d線、C線の各波長をλF、λd、λCとし、
F線、d線、C線の各波長における光学光路長差を各波長で割った値をm(λF)、m(λd)、m(λC)とし、
前記微粒子分散材料とは異なる材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFJ、ndJ、nCJとし、前記微粒子分散材料のF線、d線、C線に対する屈折率をnFb、ndb、nCbとし、
前記回折光学素子へのF線、d線、C線での入射角度をθ3(M,λF)、θ3(M,λd)、θ3(M,λC)とし、
前記回折光学素子からのF線、d線、C線での射出角度をθ3’(M,λF)、θ3’(M,λd)、θ3’(M,λC)とし、
m(λF)=±((nFJ×cos(θ3(M,λF))−nFb×cos(θ3’(M,λF)))×h(M))/λF
m(λd)=±((ndJ×cos(θ3(M,λF))−ndb×cos(θ3’(M,λF)))×h(M))/λd
m(λC)=±((nCJ×cos(θ3(M,λF))−nCb×cos(θ3’(M,λF)))×h(M))/λC
θ3’(M,λF)=θg(M,λF)
θ3’(M,λd)=θg(M,λd)
θ3’(M,λC)=θg(M,λC)
とおいたとき、
0.92≦(m(λF)+m(λd)+m(λC))/3≦1.08
h(M)≦20
なる条件式を満足することを特徴とする請求項2又は3に記載の回折光学素子。 - 前記使用波長λは、d線の波長であることを特徴とする請求項2又は3に記載の回折光学素子。
- 請求項2又は3に記載の回折光学素子を有する光学系であって、前記光学系の位相係数をC1、C2、C3とし、設計波長をλdo(nm)とし、
M=−(C1×r 2 +C2×r 4 +C3×r 6 )/(λdo/1000000)
を満足する前記光軸に対して垂直な方向での位置をr=R(M)(mm)とした時、前記第M輪帯の回折格子の中心位置は
(R(M)+R(M+1))/2
で与えられることを特徴とする光学系。 - 請求項2又は3に記載の回折光学素子を有する光学系であって、前記微粒子分散材料の波長λにおける吸収係数をKb(λ)、前記回折光学素子における光軸上での前記微粒子分散材料から成る樹脂層を除く部分の波長λに対する透過率をTDO(0、λ)、前記光学系おける前記光軸上での前記回折光学素子を除く部分の波長λに対する透過率をTk(0、λ)、前記光軸上での前記光学系全体の透過率の値が最大となる可視波長域内での波長(nm)をλmax、とする時、
−log(0.999/(TDO(0,λmax)×Tk(0,λmax)))×(1000/Kb(λmax))×cos(θg(0,λmax))−h(0)/2≦d(0)≦−log(0.5/(TDO(0,λmax)×Tk(0,λmax)))×(1000/Kb(λmax))×cos(θg(0,λmax))−h(0)/2
なる条件式を満足することを特徴とする光学系。 - 可視波長域内での波長λ1、λ2、λ3を各々
400nm<λ1<500nm
500nm<λ2<600nm
600nm<λ3<700nm
とし、波長λにおける前記光軸上での前記光学系全体の透過率をTTOT(0,λ)とする時、
TTOT(0,λ2)−((TTOT(0,λ1)+TTOT(0,λ3))/2)>0
なる条件式を満足することを特徴とする請求項11に記載の光学系。 - 前記重心入射角度θg(M,λ)は、前記微粒子分散材料から成る回折格子に波長λの光線が入射する時の角度の平均値であるか、若しくは前記回折光学素子に波長λの光線が入射する時の角度分布の内、前記第M輪帯での1次回折効率の落ちが最小となる時の角度であることを特徴とする請求項10乃至12のいずれか1項に記載の光学系。
- 前記光学系が、撮影光学系若しくは観察光学系若しくは読取り光学系であることを特徴とする請求項10乃至13のいずれか1項に記載の光学系。
- 請求項14の光学系を有することを特徴とする光学機器。
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