JP6482285B2 - 回折光学素子 - Google Patents

Description

本件発明は、回折光学素子に関する。

近年、光学系の色収差などを補正する方法の一つとして、回折光学素子を用いることが行われている。回折光学素子は、負分散、異常分散性を有し、光学系を飛躍的に小型化したり、結像性能を大幅に向上させたりできる。

ところで、回折光学素子の回折面に入射した光線は、複数の次数の回折光に分かれる。一般に、回折光学素子では、使用波長領域の光束を特定の次数（以下、「設計次数」と称する。）に集中させ、設計次数の回折光の回折効率が所定の波長（以下、「設計波長」と称する。）において最大になるようにその回折格子構造を決定する。しかしながら、回折光の回折効率は波長依存性を示し、設計波長からのずれが大きくなるにつれて、回折効率は低下する。このため、使用する光線の波長が広帯域に渡る場合、設計波長近傍以外の波長では、設計次数以外の次数の回折光（以下、「不要回折光」と称する。）が強度を有するようになる。

不要回折光は、設計次数の回折光とは別のところに結像するため、フレアなどになる。また、不要回折光の強度も波長特性を有する。このため、可視光の一部の波長域において不要回折光の強度が高くなると、着色したフレア（以下、「色フレア」と称する。）が生じる。このような課題を解決するために、２種類の分散の異なる材質からなる回折格子を積層した回折格子構造を有するいわゆる積層型の回折光学素子が提案されている（例えば、「特許文献１」参照）。特許文献１に記載されるような積層型の回折光学素子とすることにより、使用する光線の波長が広帯域に渡る場合でも、その全域において、設計次数の回折光の回折効率の波長依存性を低減して、不要回折光に起因するフレアの発生を防止するものとしている。

しかしながら、上記積層型の回折光学素子を採用した場合であっても、不要回折光が全く存在しないということはなく、残存した不要回折光により色フレアが生じる。撮像光学系では、この僅かに残存した不要回折光であっても、色フレアによる画像の劣化が問題になる場合がある。そこで、所定の条件式に従って２つの設計波長を設定することにより、次数の異なる不要回折光同士で、光の加法混色によりフレアの白色化を図る方法などが提案されている（例えば、「特許文献２」参照）。

特許第３７１７５５５号公報 特許第３７８７４７４号公報

しかしながら、特許文献２には、使用波長域における二つの波長において回折光の回折効率が最大になり、且つ、不要回折光が白色化されるように設計波長を設定することが記載されている。そのため、特許文献２に記載の回折光学素子では、当該回折効率が依然として波長依存性を示すと考えられ、フレアを白色化することは困難である。

本件発明の課題は、フレアをより白色に近づけることができる回折光学素子を提供することにある。

本発明者等は、鋭意研究を行った結果、以下の回折面を備える回折光学素子を採用することで上記課題を達成するに到った。

本件発明に係る回折光学素子は、断面が鋸歯形状の輪帯部を複数有する回折光学素子であって、回折面は、前記輪帯部の少なくとも一部を含む回折領域を複数有し、当該回折面に設けられた複数の回折領域のうち、少なくとも２つの回折領域における波面収差が最小になる波長が互いに異なることを特徴とする。

本件発明に係る回折光学素子では、使用波長域において、当該回折面全体でみたときに高次の波面収差成分が０になる波長が存在しないことが好ましい。

本件発明に係る回折光学素子では、前記使用波長域において、その中心波長を含む８０％の波長範囲で、前記高次の波面収差成分が、０．０１１λｒｍｓ以上０．０６３λｒｍｓ以下であることが好ましい。

本件発明に係る回折光学素子において、前記回折面は、一以上の輪帯部を含む回折領域を有することが好ましい。

本件発明に係る回折光学素子おいて、前記回折面は、複数の回折領域を含む輪帯部を備えることが好ましい。

本件発明に係る回折光学素子において、下記式（１）を満足することが好ましい。

０．２＜（λ２−λ１）／（λｍａｘ−λｍｉｎ）＜０．７・・・（１）
但し、上記式（１）において、λｍｉｎは、使用波長域の最小波長、λｍａｘは使用波長域の最大波長、λ１は第一の回折領域において前記波面収差が最小となる波長であり、λ２は第二の回折領域において前記波面収差が最小となる波長であり、λ２＞λ１であるものとする。

本件発明に係る回折光学素子において、前記波面収差が最小になる波長がブレーズ波長であることが好ましい。

本件発明に係る回折光学素子は、断面が鋸歯形状の輪帯部を複数有する回折光学素子であって、回折面は、ブレーズ波長が第一の波長である第一の回折領域と、当該第一の回折領域に隣接し、且つ、ブレーズ波長が第二の波長である第二の回折領域とを有し、前記第一の波長と前記第二の波長とは異なる波長であることを特徴とする。

本件発明によれば、フレアをより白色に近づけることができる回折光学素子を提供することができる。

従来のブレーズ型の回折光学素子の断面形状例（ａ）と、本件発明に係る回折光学素子に設けられたブレーズの断面形状例（ｂ）、（ｃ）を示す模式図である。 本件発明に係る回折光学素子に設けられたブレーズの断面形状例（ｄ）〜（ｇ）を示す模式図である。 高次の波面収差成分について説明するための図である。 本件発明に係る回折光学素子を用いたときの回折光の回折効率の一例を示す図である。

以下、本件発明に係る回折光学素子の実施の形態を説明する。本件発明に係る回折光学素子は、断面が鋸歯形状の輪帯部を複数有する回折光学素子に関する。

１．回折光学素子の基本形態
本件発明に係る回折光学素子は、鋸歯形状の輪帯部を複数有する回折光学素子において、回折面に、輪帯部の少なくとも一部を含む回折領域を複数設け、当該回折面に設けられた複数の回折領域のうち、少なくとも２つの回折領域における波面収差が最小になる波長が互いに異なることを特徴とする。ここで、回折領域とは、輪帯部の少なくとも一部を含む連続した領域をいい、当該領域内に光線が入射したときに、光線の波長及び入射角が同じ場合には、同じ回折角度で回折する領域をいうものとし、当該回折領域は、一の輪帯部からなる領域としてもよいし、一の輪帯部が複数の回折領域を含んでもよい。また、一の回折領域に二以上の輪帯部を含む構成としてもよい。

なお、以下では本件発明に係る回折光学素子として、ブレーズ型（キノフォーム型）の回折光学素子を例に挙げて説明するが、本件発明に係る回折光学素子はブレーズ型に限定されるものではなく、例えば、ステップ型の回折光学素子等であってもよい。

ここで、従来の一般的なブレーズ型の回折光学素子は、下記式（ｉ）で規定される回折格子構造を有し、下記式（ｉ）で表す位相差関数で径方向を正規化した等位相差座標系で当該回折格子の断面形状を表した場合、図１（ａ）に示すように各輪帯部の断面が同一の鋸歯形状を示す周期構造を有する。すなわち、図１（ａ）に示すように、等位相差座標系では、各輪帯部のＸ軸方向の幅（ピッチ）Ｗ、各輪帯部のブレーズ高さｈ、各輪帯部の傾斜角θがいずれも同じである。但し、図１に示すＸ軸方向が径方向であり、Ｙ軸方向がブレーズ高さ方向であり、Ｘ軸と輪帯部の傾斜面とがなす角度が傾斜角θである。なお、輪帯部はブレーズと同義である。

Φ（ｒ）＝（φ_２ｒ^２＋φ_４ｒ^４＋φ_６ｒ^６＋…）×ｍ／（２π）・・・（ｉ）
ここで、φ（ｒ）は位相関数であり、ｒは同径方向における光軸からの長さであり、φ_２、φ_４、φ_６…は任意の係数であり、ｍは回折次数である。

このように回折格子構造が規定された回折光学素子では、設計次数の回折光が設計波長に対して最大の回折効率を示すように回折格子構造が決定される。しかしながら、上述したとおり、このような従来の回折光学素子では、回折光の回折効率が波長依存性を示し、設計波長近傍以外の波長では、設計次数の回折光の回折効率が低下し、不要回折光が強度を有する。このため、当該回折光学素子を可視光域で使用する光学系等に適用した場合、不要回折光により色フレアが生じる場合がある。

これに対して、本件発明に係る回折光学素子では、輪帯部の少なくとも一部を含む回折領域を複数設け、互いに隣接する回折領域では、各回折領域における波面収差が最小になる波長が互いに異なるように、その回折格子構造が決定される。具体的には、例えば、図１（ｂ）に示すように傾斜面の傾斜角（θ_１、θ_２）及びブレーズ高さ（ｈ_１、ｈ_２）の異なる輪帯部を交互に配置された断面を有する回折格子構造、図１（ｃ）に示すように傾斜面の傾斜角（θ_１、θ_２）及びピッチ（Ｗ_１、Ｗ_２）の異なる輪帯部が交互に配置された断面を有する回折格子構造のように、一の輪帯部を一の回折領域とし、波面収差が最小となる波長が互いに異なる輪帯部を交互に配置したり、図１（ｄ）〜（ｅ）に示すように一の輪帯部内に異なる傾斜角（θ_１、θ_２）を有する複数の傾斜面を設け、一つの傾斜面を含む領域をそれぞれ一つの回折領域とし、一の輪帯部において、波面収差が最小になる波長の異なる複数の回折領域を備える回折格子構造、或いは、図１（ｇ）に示すように例えば、第１の傾斜角（θ_１）、第１のブレーズ高さ（ｈ_１）及び第１のピッチ（Ｗ_１）を有する複数の輪帯部からなる第一の回折領域と、第２の傾斜角（θ_２）、第２のブレーズ高さ（ｈ_２）及び第２のピッチ（Ｗ_２）を有する複数の輪帯部からなる第二の回折領域を交互に配置した回折格子構造などを種々の態様を採用することができる。

この構成により、本件発明に係る回折光学素子では、不要回折光の波長依存性を低減することができ、フレアをより白色に近づけることができる。

また、上記のように回折面を形成することにより、本件発明に係る回折光学素子では、使用波長域において、回折面全体でみたときに、高次の波面収差成分が０（ゼロ）になる波長が存在しない。従って、使用波長域全域において、回折光の回折効率を略一定とすることができ、不要回折光の強度が使用波長域内の特定の狭い波長範囲において強くなることを防止し、フレアの白色化を図ることができる。なお、図１（ｂ）〜（ｇ）に示す具体的な態様については後で詳細に説明する。

次に、波面収差等について説明する。本件発明において、「波面収差が最小になる波長」とは、文言通りに解釈することができ、使用波長域において回折光の波面収差が最小になる波長をいい、当該使用波長域において波面収差が「０」になる波長であることが好ましい。すなわち、当該「波面収差が最小になる波長」がいわゆる「ブレーズ波長」であることが好ましく、互いに隣接する回折領域では、各回折領域におけるブレーズ波長が互いに異なることが好ましい。

また、「高次の波面収差成分」とは、次のことを意味する。当該回折光学素子の波面収差を干渉計により測定すると、例えば、図２に実線で示すような測定結果が得られる。この波面収差を有限次数項でゼルニケ（Ｚｅｒｎｉｋｅ）円形多項式に展開し、この多項式の各成分を次数に応じて低次成分と高次成分とに分離する。このときの高次成分を本件発明にいう「高次の波面収差成分」とすることができる。また、低次成分とは、このようにゼルニケ展開を行ったときに、球面収差、非点収差、コマ収差等のザイデル収差に対応する収差成分を含めた、低次項で展開される収差成分である。本件発明の「高次の波面収差成分」は、これらの低次成分で展開できない「高次成分」とする。例えば、３７項までゼルニケ展開を行ったときに、これらの項で展開できない成分を高次の波面収差成分とすることができる。また、簡易には、Ｚｙｇｏ社のフィゾー型の干渉計（ＶｅｒｉｆｉｒｅやＧＰＩ、ＤｙｎａＦｉｚ）等により波面収差を測定したときに、これらの干渉計で高次収差として得られる波面収差成分を本件発明にいう「高次の波面収差成分」とすることができる。なお、図２に波線で示したのが、実線で示した低次成分及び高次成分を含む波面収差から、低次成分を除いた高次の波面収差成分である。

ここで、上述の特許文献２に示されるように回折効率が１００％の波長が存在する場合、すなわち、回折面全体でみたときに高次の波面収差成分が０になる波長が存在する場合には、当該波長のフレア光成分が存在しないため、当該波長の補色のフレアが発生することになり、フレアを白色化することは困難である。これに対し、上述のように、使用波長域において回折面全体でみたときに高次の波面収差成分が０になる波長が存在しないよう当該回折面を形成することにより、効果的にフレアを白色に近づけることができる。

本件発明に係る回折光学素子では、使用波長域において、その中心波長を含む８０％の波長範囲で、上記高次の波面収差成分が、０．０１１λｒｍｓ以上０．０６３λｒｍｓ以下であることが好ましい。回折面全体でみたときの波面収差が上記範囲内であると、使用波長域における回折光の回折効率が使用波長域の上記８０％の波長範囲で９５％以上９９．５％以下の範囲内となり、使用波長域の上記８０％の波長範囲における不要回折光の強度が波長によらず概ね一定の低い値を示す。このため、フレアの白色化を図ることができる。このように、フレアの白色化を図る上で、使用波長域において、その中心波長を含む８０％以上の波長範囲で上記値を示すことが好ましく、８５％以上の波長範囲で上記値を示すことがより好ましく、９０％以上の範囲で上記値を示すことがさらに好ましい。

また、フレアの白色化を図る上で、或いは、フレアの発生自体を抑制するには、上記波長範囲において、上記高次の波面収差成分は、０．０５λｒｍｓ以下であることがより好ましい。

次に、条件式（１）について説明する。本件発明に係る回折光学素子は、下記条件式（１）を満足することが好ましい。

０．２＜（λ２−λ１）／（λｍａｘ−λｍｉｎ）＜０．７・・・（１）
但し、上記式（１）において、λｍｉｎは、使用波長域の最小波長、λｍａｘは使用波長域の最大波長、λ１は第一の回折領域において前記波面収差が最小となる波長であり、λ２は第二の回折領域において前記波面収差が最小となる波長であり、λ２＞λ１であるものとする。

上記条件式（１）を満足させることにより、使用波長域において設計次数の回折光の回折効率が高い値を示す波長範囲を広域化することができる。例えば、本件発明に係る回折光学素子が、第一の波長（λ１）において波面収差が最小になる第一の回折領域と、第二の波長（λ２）において波面収差が最小になる第二の回折領域とを備え、第一の回折領域と第二の回折領域とが互いに隣接して設けられた回折面を有するものとする。また、当該回折光学素子の使用波長域を可視光域とし、上記λｍｉｎ＝０．４０μｍ、上記λｍａｘ＝０．７０μｍとする。そして、第一の波長をλ１＝０．５０μｍとし、第二の波長をλ２＝０．６３μｍとする。なお、この第一の波長及び第二の波長はそれぞれ第一の回折領域及び第二の回折領域のブレーズ波長である。また、条件式（１）の数値は、０．４３であり、上記条件式（１）を満足する。

このときの各回折領域の回折効率曲線と、回折面全体でみたときの回折効率曲線を図３に示す。図３に示すように、第一の回折領域の回折効率曲線は、第一の波長λ１において回折効率が最大（１００％）となる。また、第二の回折領域の回折効率曲線は、第二の波長λ２において回折効率が最大（１００％）となる。第二の回折領域は、波面収差が最小になる波長（ここでは、ブレーズ波長）が二波長あり、λ２とともに、λ３＝０．４３μｍにおいても回折効率が最大（１００％）を示す。各回折領域の回折効率は波長依存性を示すが、回折面全体としてみたときの回折効率は、各波長における第一の回折領域の回折効率と、第二の回折領域の回折効率との平均値に相当する。このとき、各回折領域の波面収差が最小になる波長が上記条件式（１）を満足するように各回折領域の回折格子構造を設計することにより、回折面全体としてみたときに、回折効率が９５％以上を示す波長範囲を当該使用波長域の９０％以上とすることができる。なお、図３に示した例では９５％の波長範囲で９５％以上の回折効率を示し、強度の低い白色のフレアが観察された。

当該効果をより確実なものとするため、上記条件式（１）の数値は、下記（１）’を満足することが好ましく、下記（１）’’を満足することがより好ましい。

０．３＜（λ２−λ１）／（λｍａｘ−λｍｉｎ）＜０．６・・・（１）’
０．４＜（λ２−λ１）／（λｍａｘ−λｍｉｎ）＜０．５・・・（１）’’

なお、図３に示したように、第二の回折領域において波面収差が最小になる波長が二波長ある場合、第二の波長λ２と、第三の波長λ３とが、λ２＞λ３の関係を満足し、且つ、λ３＜λ１であることが好ましい。第一の波長λ１と第二の波長λ２が上記条件式（１）を満足するときに、第三の波長λ３が第一の波長λ１よりも小さい波長となるように、第二の回折領域の回折格子構造を設計することで、設計次数の回折光の回折効率が高い値を示す波長範囲をより広域化することができ、フレアの白色化をより容易にするとともに、フレア自体の抑制を図ることができる。なお、第二の回折領域に限らず、当該回折面に設けられる回折領域は、波面収差が最小となる波長が二以上あってもよい。また、当該波面収差が最小となる波長は、波面収差が０になるブレーズ波長であることがより好ましい。

２．本件発明に係る回折光学素子の具体的態様
次に、図１（ｂ）〜（ｇ）に示した各態様をより詳細に説明する。

（１）第一の態様
図１（ｂ）に示す回折格子構造は、上述したとおり、傾斜面の傾斜角及びブレーズ高さの異なる輪帯部が交互に配置された断面を有する。図１（ａ）に示す従来の回折光学素子では、傾斜面の傾斜角θ及びブレーズ高さｈは一定であり、光路差関数に対応した切り替えピッチＷで各輪帯部が設けられる。すなわち、互いに隣接する輪帯部のブレーズ波長は同じ波長になる。一方、図１（ｂ）に示す例では、互いに隣接する輪帯部のピッチＷは、光路差関数に対応しているが、傾斜面の傾斜角及びブレーズ高さが異なる。すなわち、図１（ｂ）に示す例では、第１の回折領域は第１の傾斜角（θ_１）、第１のブレーズ高さ（ｈ_１）を有し、第２の回折領域は第２の傾斜角（θ_２）、第２のブレーズ高さ（ｈ_２）を有する。このため、互いに隣接する輪帯部のブレーズ波長は異なる波長となり、上述した本件発明に係る効果を得ることができる。光路差関数が二次関数の回転対称面で表される場合、各輪帯部の断面の面積はすべて同じになる。色収差補正のための光路差関数は二次関数であることが多いため、得られる回折効率は第一の回折領域の回折効率と、第二の回折領域の回折効率の単純平均となる。

（２）第二の態様
図１（ｃ）に示す回折格子構造は、上述したとおり、傾斜面の傾斜角及び切り替えピッチの異なる輪帯部が交互に配置された断面を有する。互いに隣接する輪帯部のブレーズ高さ（ｈ）は共通であるため、エッチングなどの手法により輪帯構造を形成する場合、この第二の態様を採用することは有効である。第一の態様と同様に互いに隣接する回折領域のブレーズ波長が異なり、本件発明の効果を得ることができる。第二の態様の場合、それぞれの回折領域の面積が異なってしまうため、互いの回折領域を完全に交互に形成すると全体での回折効率は各回折領域の回折効率の単純平均とはならない。各回折領域の平均的な回折効率を得たい場合には、一部で繰り返しパターンを変えるなどして面積比を調節しても良い。

（３）第三の態様
図１（ｄ）〜（ｆ）に示す回折格子構造は、上述したとおり、一の輪帯部が複数の回折領域を備える。図１（ｄ）〜（ｆ）に示す回折格子構造では、それぞれ傾斜角θ_１の傾斜面を有す領域が第１の回折領域となり、傾斜角θ_２の傾斜面を有する領域が第２の回折領域となり、一の輪帯部が複数の回折領域を有する。この第三の態様では、複数の回折領域が狭い範囲内で繰り返されるため、実形状において輪帯の幅が広くなる光軸の近傍においても、本件発明の効果を得ることができ、小絞りが必要な光学系に適用することが好ましい。

そして、図１（ｇ）に示す回折格子構造のように、一の回折領域に二以上の輪帯部を備える構成としてもよい。上述したとおり、図１（ｇ）に示す回折光学素子は、第１の傾斜角（θ_１）、第１のブレーズ高さ（ｈ_１）及び第１のピッチ（Ｗ_１）を有する複数の輪帯部からなる第一の回折領域と、第２の傾斜角（θ_２）、第２のブレーズ高さ（ｈ_２）及び第２のピッチ（Ｗ_２）を有する複数の輪帯部からなる第二の回折領域を交互に配置した回折格子構造を有する。

更に、一つの回折面内に、第一の態様の回折格子構造〜第三の態様の回折格子構造が混在していてもよい。これらの態様を一つの回折面内に混在させる場合、光軸近傍には第三の態様の回折格子構造を設け、それ以外の領域には第一の態様及び／又は第二の態様の回折格子構造を設けることが好ましい。

本件発明に係る回折光学素子は、使用波長域が可視光域である撮像光学系等の光学系に好適に利用することができる。

θ・・・傾斜角
Ｈ・・・ブレーズ高さ
Ｗ・・・ピッチ

Claims (4)

1. 断面が鋸歯形状の輪帯部を複数有する回折光学素子であって、
   １つの回折面に、ブレーズ波長が第一の波長である第一の回折領域と、当該第一の回折領域に隣接し、且つ、ブレーズ波長が第二の波長である第二の回折領域とを有し、前記第一の波長と前記第二の波長とは異なる波長であり、
   可視光域において、その中心波長を含む８０％の波長範囲で、高次の波面収差成分が、０．０１１λｒｍｓ以上０．０６３λｒｍｓ以下であり、
   前記高次の波面収差成分は、３７項までゼルニケ展開を行ったときに、これらの項で展開できない成分であること、
   を特徴とする回折光学素子。
2. 下記式（１）を満足する請求項１に記載の回折光学素子。
   ０．２＜（λ２−λ１）／（λｍａｘ−λｍｉｎ）＜０．７・・・（１）
   但し、上記式（１）において、λｍｉｎは、可視光域の最小波長、λｍａｘは可視光域の最大波長、λ１は前記第一の波長であり、λ２は前記第二の波長であり、λ２＞λ１であるものとする。
3. 前記回折面は、一以上の輪帯部を含む回折領域を有する請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子。
4. 前記回折面は、複数の回折領域を含む輪帯部を備える請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子。

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