JP6996089B2 - 回折光学素子、光学系および光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子、これを備えた光学系および光学機器に関する。

回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical Element）は、薄いながらも所定の光
学特性を得られることから、撮像装置や顕微鏡等の光学機器にも用いられるようになっている。一例を挙げれば、低屈折率高分散の光学材料と高屈折率低分散の光学材料とを回折格子溝を設けて積層して構成される密着複層型の回折光学素子が用いられている（例えば、特許文献１を参照）。

特許第３７１７５５５号公報

このような回折光学素子を用いた撮像装置では、輪帯状の明暗が現れたボケ像（デフォーカスによる像）が生じる場合があった。

前記課題を解決する第１の発明に係る回折光学素子は、屈折面が複数の輪帯に分割され、それぞれの輪帯が光軸方向の格子高さを有する位相フレネル型の回折光学素子であって、前記複数の輪帯のうち最も中心側に位置する輪帯は、前記最も中心側に位置する輪帯を除く他の輪帯のうち一部もしくは全部の輪帯の格子高さの略整数倍の格子高さを有し、前記それぞれの輪帯は、分割される前記屈折面を形成する傾斜部と、前記傾斜部の外周側に繋がって形成されて光軸方向に沿って延びる並行部とを有し、前記複数の輪帯のうち前記最も中心側に位置する輪帯における前記傾斜部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯のうち一部もしくは全部の輪帯の格子高さの略整数倍の格子高さであり、前記複数の輪帯のうち前記最も中心側に位置する輪帯における前記並行部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯のうち一部もしくは全部の輪帯の格子高さと同じであり、前記略整数倍の範囲は、整数倍±１０％の範囲である。

前記課題を解決する第２の発明に係る回折光学素子は、屈折面が複数の輪帯に分割され、それぞれの輪帯が光軸方向の格子高さを有する位相フレネル型の回折光学素子であって、前記複数の輪帯のうち最も中心側に位置する輪帯は、他の輪帯の格子高さよりも大きい格子高さを有し、前記それぞれの輪帯は、分割される前記屈折面を形成する傾斜部と、前記傾斜部に繋がって形成されて光軸方向に沿って延びる並行部とを有し、前記複数の輪帯のうち前記最も中心側に位置する輪帯における前記傾斜部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯の格子高さよりも大きい格子高さであり、前記最も中心側に位置する輪帯における前記並行部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯の格子高さと同じである。

また、本発明に係る光学系は、複数のレンズを備え、前記複数のレンズのうち少なくとも一つに、上述の回折光学素子が設けられている。

また、本発明に係る光学機器は、上述の光学系を備えている。

第１実施形態の回折格子を示す拡大断面図である。 位相フレネルレンズを模式的に示す側断面図である。 位相フレネルレンズを用いた光学系の断面図である。 デジタル一眼レフカメラの断面図である。 位相フレネルレンズの製造方法を示すフローチャートである。 位相フレネルレンズの成形工程について（ａ）～（ｅ）へ順に示す模式図である。 第１実施形態の回折格子を用いた場合のボケ像のシミュレーション結果を示す図である。 従来の回折格子を用いた場合のボケ像のシミュレーション結果を示す図である。 第２実施形態の回折格子を示す拡大断面図である。 第２実施形態の回折格子を用いた場合のボケ像のシミュレーション結果を示す図である。 第１実施形態の回折格子の変形例を示す拡大断面図である。 第２実施形態の回折格子の第１変形例を示す拡大断面図である。 第２実施形態の回折格子の第２変形例を示す拡大断面図である。 回折格子の他の変形例を示す拡大断面図である。 従来の位相フレネル型の回折光学素子を示す模式図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。回折光学素子の一例として密着複層型の回折光学素子ＤＯＥを用いた位相フレネルレンズ（以下、ＰＦレンズＬｐｆと称する）が図２に示されている。このＰＦレンズＬｐｆは、レンズ要素１１の一方のレンズ面に回折光学素子ＤＯＥが積層されて構成される。レンズ要素１１は、一般的なガラス、樹脂等から所定のレンズ形状に形成されたものである。回折光学素子ＤＯＥは、所定の第１光学材料（例えば、低屈折率高分散の樹脂材料）からなる第１回折光学要素１と、第１光学材料と異なる第２光学材料（例えば、高屈折率低分散の樹脂材料）からなる第２回折光学要素２とにより２つの層から構成される。なお、レンズ要素１１の一方のレンズ面（回折光学素子ＤＯＥと接合する方の面）には、シランカップリング剤からなるプライマー層３が形成されている。

互いに密着した第１回折光学要素１と第２回折光学要素２との界面には、複数の輪帯が同心円状に並ぶ回折格子５が形成されている。すなわち、回折格子５を構成する溝パターンとして、断面形状が鋸歯形状のレリーフパターンが形成されている。また、第１回折光学要素１および第２回折光学要素２の厚さは、例えば、５０μｍ～４００μｍである。なお、各図において、説明容易化のため、回折格子５の輪帯の数を少なく記載しているが、実際の輪帯数は使用可能な程度に十分多いものとする。また、各図において、説明容易化のため、断面図のハッチングを省略している。

回折光学素子ＤＯＥは、所望の光学性能が得られる球面形状もしくは非球面形状（位相形状）が複数の輪帯に分割された位相フレネル型の回折光学素子でもある。ここで、位相フレネル型の回折光学素子について、図１５を参照して説明する。所望の光学性能として例えば、光学系の収差（色収差等）を補正するために、図１５に示す（光軸方向に沿った）量だけ波面を変形させる必要があるものと仮定する。この場合、図１５に示す波面をほぼ反転させた非球面形状の光学面（屈折面）を有する補正板Ｌｃを光学系に挿入することで、光学系の収差を補正できることが知られている。

図１５に示す波面を光軸方向に光の波長λ（２πの位相差）ごとに分割し、上述の補正板Ｌｃの場合と同様に反転させて平行平面板上に並べると、複数の輪帯が同心円状に並ぶ回折格子が形成された回折光学素子ＤＯＥ´が得られる。なお、各輪帯の形状は、補正板Ｌｃの非球面形状を光軸方向に分割したものと同等である。各輪帯の光軸方向の格子高さは、光の波長λもしくはその整数倍の高さ（２πの位相差分の高さ）となり一定である。各輪帯が並ぶ格子ピッチは、非球面形状に応じて変化する。この位相フレネル型の回折光学素子ＤＯＥ´は、上述の補正板Ｌｃと同等の光学特性を有し、光学系の収差を補正できることが知られている。以降の各実施形態において、各輪帯の光軸方向の格子高さが一定の（位相フレネル型の回折光学素子の）回折格子を、従来型の回折格子と称する場合がある。

ＰＦレンズＬｐｆは、カメラの交換レンズや、デジタル一眼レフカメラ、顕微鏡、双眼鏡等の光学機器に用いられる。そこで、ＰＦレンズＬｐｆを用いた光学系の一例として、
図３に示す望遠レンズ型の光学系ＴＬについて説明する。この光学系ＴＬ１は、光軸に沿って物体側から順に並んだ、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｇ１と、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｇ２とを備えて構成される。

第１レンズ群Ｇ１は、光軸に沿って物体側から順に並んだ、前群Ｇ１ａと、この前群Ｇ１ａに対し第１レンズ群Ｇ１の中で最も長い空気間隔を隔てた後群Ｇ１ｂとから構成される。第１レンズ群Ｇ１の前群Ｇ１ａは、物体側から順に、正レンズＬ１１と、正レンズＬ１２と負レンズＬ１３とが貼り合わされた接合レンズと、正レンズであるＰＦレンズＬｐｆとから構成される。第１レンズ群Ｇ１の後群Ｇ１ｂは、物体側から順に、負レンズＬ１５と正レンズＬ１６とが貼り合わされた接合レンズから構成される。

なお、ＰＦレンズＬｐｆにおける像面Ｉ側のレンズ面に、回折光学素子ＤＯＥが配置される。この光学系ＴＬに用いられる回折光学素子ＤＯＥは、密着複層型の回折光学素子であり、２種類の紫外線硬化樹脂によって平均の格子高さが約２０μｍの回折格子（光軸に対して回転対称形状の回折格子）が形成される。

第２レンズ群Ｇ２は、物体側から順に、正レンズＬ２１と負レンズＬ２２とが貼り合わされた合焦レンズＬＦと、負レンズＬ２３と正レンズＬ２４とが貼り合わされた接合レンズと、正レンズＬ２５と負レンズＬ２６とが貼り合わされた接合レンズと、負レンズＬ２７と、正レンズＬ２８と負レンズＬ２９とが貼り合わされた接合レンズと、正レンズＬ３０とから構成される。そして、無限遠物体から近距離（有限距離）物体への合焦（フォーカシング）の際、合焦レンズＬＦが光軸に沿って像面Ｉ側に移動するようになっている。

次に、以上のように構成される光学系ＴＬを備えた光学機器の一例として、図４に示すデジタル一眼レフカメラＣＡＭについて説明する。図４に示すデジタル一眼レフカメラＣＡＭにおいて、不図示の物体（被写体）からの光は、撮影レンズとしての光学系（望遠レンズ）ＴＬで集光されて、クイックリターンミラーＭを介して焦点板Ｆ上に結像される。焦点板Ｆ上に結像された光は、ペンタプリズムＰ中で複数回反射されて接眼レンズＥへと導かれる。これにより、撮影者は、接眼レンズＥを介して物体（被写体）の像を正立像として観察することができる。

また、撮影者によって不図示のレリーズボタンが押されると、クイックリターンミラーＭが光路外へ退避し、光学系ＴＬで集光された物体（被写体）からの光は、撮像素子Ｃ上に結像されて被写体の像を形成する。これにより、物体（被写体）からの光は、撮像素子Ｃ上に結像されて当該撮像素子Ｃにより撮像され、物体（被写体）の画像として不図示のメモリーに記録される。このようにして、撮影者はデジタル一眼レフカメラＣＡＭによる物体（被写体）の撮影を行うことができる。なお、クイックリターンミラーＭを有しないカメラであっても、上記カメラＣＡＭと同様の効果を得ることができる。また、図４に示すデジタル一眼レフカメラＣＡＭは、光学系ＴＬを着脱可能に保持する構成であってもよく、光学系ＴＬと一体に構成されるものであってもよい。

次に、ＰＦレンズＬｐｆの製造方法について、図５に示すフローチャートを参照しながら説明する。まず、レンズ要素１１の上に１層目の第１回折光学要素１を成形し接合させる（ステップＳ１０１）。第１回折光学要素１を成形する際、図６（ａ）に示すように、レンズ要素１１の一方のレンズ面にシランカップリング剤／エチルアルコール／水（酢酸でやや酸性にした水）の混合液をスピンコートにより全面的に塗布し、ベーキングしてプライマー層３を形成する。プライマー層３を形成したレンズ要素１１の一方のレンズ面に所定の格子形状を有する第１の成形型（金型）２１を近接させ、図６（ｂ）に示すように、その間隙に第１回折光学要素１を成形するための未硬化の樹脂材１ａを充填する。この状態で、高圧水銀ランプを備えた紫外光照射機（図示せず）によりレンズ要素１１の他方
のレンズ面から樹脂材１ａに向けて所定波長の紫外線を所定の照射量（例えば、１０Ｊ／ｃｍ²）だけ照射し、未硬化の樹脂材１ａを硬化させた後、離型する。

これにより、第１の成形型２１の格子形状が樹脂材１ａに転写されて回折格子５を有する第１回折光学要素１の層が成形されると同時に、第１回折光学要素１がプライマー層３を介してレンズ要素１１の一方のレンズ面に接合された構造が形成される。なお、第１回折光学要素１に用いられる第１光学材料（樹脂材１ａ）は紫外線硬化樹脂である。

次に、第１回折光学要素１の上に２層目の第２回折光学要素２を重ねて成形し接合させる（ステップＳ１０２）。第２回折光学要素２を成形する際、図６（ｃ）に示すように、第１回折光学要素１の上に第２回折光学要素２を成形するための未硬化の樹脂材２ａを滴下し、図６（ｄ）に示すように、滴下した樹脂材２ａに第２の成形型（金型）２２を当接させて成形した後、１層目と同様に紫外線硬化させて離型する。なお、第２の成形型２２の表面（転写面）は球面もしくは非球面となるように形成される。また、第２の成形型２２の表面（転写面）は、平面であってもよく、第２回折光学要素２の形状に応じて決定される。

これにより、図６（ｅ）に示すように、回折格子５に密着するように第２回折光学要素２の層が成形されると同時に、第２回折光学要素２が第１回折光学要素１の一方の面に接合された構造が形成される。なお、第２回折光学要素２に用いられる第２光学材料（樹脂材２ａ）は紫外線硬化樹脂である。このようにして、レンズ要素１１の一方のレンズ面に２つの樹脂層（すなわち、第１回折光学要素１および第２回折光学要素２）が形成されたＰＦレンズＬｐｆが製造される。

次に、第１実施形態の回折格子５について説明する。第１実施形態の回折格子５は、図１に示すように、光学系の収差（色収差等）を補正可能な非球面形状（位相形状）を分割して形成された複数の輪帯５０ａ，５０ｂ，…が同心円状に並んで形成される。回折格子５の断面形状は鋸歯形状であり、回折格子５の高さ方向に対し傾斜して伸びる複数の傾斜部５１ａ，５１ｂ，…と、回折格子５の高さ方向に沿って伸びる複数の並行部５２ａ，５２ｂ，…とから断面形状が構成される。なお、図１に示す回折格子５の断面は、回折格子５（ＰＦレンズＬｐｆ）の中心軸（回転対称軸）を通る断面の一部を拡大したものである。また、回折格子５は回転対称形状であるため、図１の左側部分における輪帯、傾斜部および並行部の符号を省略している。

ここで、複数の輪帯について、回折格子５の中心軸の方から順に、第１輪帯５０ａ、第２輪帯５０ｂ、第３輪帯５０ｃ、第４輪帯５０ｄ、第５輪帯５０ｅとする。複数の傾斜部について、回折格子５の中心軸の方から順に、第１傾斜部５１ａ、第２傾斜部５１ｂ、第３傾斜部５１ｃ、第４傾斜部５１ｄ、第５傾斜部５１ｅとする。複数の並行部について、回折格子５の中心軸の方から順に、第１並行部５２ａ、第２並行部５２ｂ、第３並行部５２ｃ、第４並行部５２ｄ、第５並行部５２ｅとする。

なお、第１輪帯５０ａの断面形状は、第１傾斜部５１ａと、第１並行部５２ａとから構成される。第２輪帯５０ｂの断面形状は、第２傾斜部５１ｂと、第２並行部５２ｂとから構成される。第３輪帯５０ｃの断面形状は、第３傾斜部５１ｃと、第３並行部５２ｃとから構成される。第４輪帯５０ｄの断面形状は、第４傾斜部５１ｄと、第４並行部５２ｄとから構成される。第５輪帯５０ｅの断面形状は、第５傾斜部５１ｅと、第５並行部５２ｅとから構成される。

回折格子５の複数の輪帯は、回折格子５の中心軸を囲む部分（第１輪帯５０ａ）を含むものとする。複数の並行部は、説明の便宜上、図１において回折格子５の中心軸と平行に
記載しているが、実際には、回折格子５の中心軸に対し成形加工の抜き勾配に応じた角度だけわずかに傾斜している。回折格子５の高さ方向とは、回折格子５の光軸（中心軸）に沿った方向である。

第２輪帯５０ｂ、第３輪帯５０ｃ、第４輪帯５０ｄ、第５輪帯５０ｅ、およびこれより外周側の輪帯（図示せず）は、所定の格子高さＨ１を有する。一方、第１輪帯５０ａは、所定の格子高さＨ１の３倍の第２の格子高さＨ２を有する。図１の二点鎖線は、各輪帯の光軸方向の格子高さが一定の場合（所定の格子高さＨ１の場合）の従来型の回折格子５´を示したものである。第１輪帯５０ａは、従来型の回折格子５´における１番目の輪帯が所定の格子高さＨ１の２倍の距離だけ第１回折光学要素１の方にシフトし、従来型の回折格子５´における２番目の輪帯が所定の格子高さＨ１と同じ距離だけ第１回折光学要素１の方にシフトした場合と同じ形状になる。

位相フレネル型の回折光学素子では、非球面形状（位相形状）を分割して複数の輪帯が形成されるため、第１輪帯５０ａの断面形状において、従来型の回折格子５´における１番目～３番目の傾斜部が一体化して、非球面形状の一部を構成する第１傾斜部５１ａが形成される。これにより、従来型の回折格子５´と同等の光学性能を有したまま、第１輪帯５０ａ（第１傾斜部５１ａ）の幅が他の輪帯（傾斜部）よりも大きくなり、回折格子５の中心部近傍における鋸歯形状の密度が低くなる。そのため、所定の格子高さＨ１の整数倍（３倍）の第２の格子高さＨ２を有する第１輪帯５０ａにより、回折格子５としての光学性能を維持しつつ、回折格子５の中心部近傍における鋸歯形状のエッジ部の数を減少させることができる。

前述したように、従来の回折光学素子（回折格子）を用いた撮像装置では、輪帯状の明暗が現れたボケ像（デフォーカスによる像）が生じる場合があった。この輪帯状の明暗は、回折格子面（回折格子が形成される面）と撮像素子面とが共役の位置にあるときには発現せず、回折格子面が撮像素子面と共役な位置からずれた位置にあるときに発現する。本願の発明者は、輪帯状に形成された回折格子における鋸歯形状のエッジ部の配置形状に応じて、ベッケ線と同現象の輪帯状の明暗がボケ像に現れることを発見した。なお、媒質（例えば液体）中に一様な位相ずれを生じさせる透明な膜（エッジ部を有する膜）を設置したとき、回折により後方で光の強度分布が起きる現象が知られており、ベッケ線は当該光の強度分布が起きる際に現れる線である。

密着複層型の回折光学素子においては、回折格子面を形成する２つの媒質（低屈折率高分散の光学材料と高屈折率低分散の光学材料）の屈折率差が入射波長に対して線形に変化することが好ましいが、実際には、屈折率差が入射光の波長に対して線形に変化する媒質の組み合わせを実現することが困難であるため、線形の変化からの乖離が生じてしまう（詳細については、特開２０１６－１２６１５７等を参照）。この乖離により生じる位相ずれによって、回折格子のエッジ部の配置形状に応じて輪帯状の明暗が現れる。そして、本実施形態によれば、所定の格子高さＨ１の整数倍（３倍）の第２の格子高さＨ２を有する第１輪帯５０ａにより、回折格子５の中心部近傍における鋸歯形状のエッジ部の数を減少させることができるため、ボケ像に現れる（特に、回折格子５の中心部近傍のエッジ部等の格子ピッチの大きい部位のエッジ部において視認される）輪帯状の明暗の数を低減させることができ、綺麗なボケ像を得ることが可能になる。

図７に、第１実施形態の回折格子５を用いた撮像装置（デジタル一眼レフカメラＣＡＭ）により撮像取得される画像（ボケ像）のシミュレーション結果を示す。図８に、従来の回折格子を用いた撮像装置により撮像取得される画像（ボケ像）のシミュレーション結果を示す。なお、図７および図８に記載された縦軸と横軸の数字は、画像の中心に対する相対座標を示す。図７と図８を比較すると、第１実施形態の回折格子５を用いた場合のボケ
像において、中心部近傍に現れる輪帯状の明暗の数が従来よりも減少していることがわかる。

この結果、第１実施形態によれば、回折格子５の第１輪帯５０ａは、所定の格子高さＨ１の整数倍（３倍）の第２の格子高さＨ２を有している。これにより、回折格子５としての光学性能を維持しつつ、回折格子５における鋸歯形状のエッジ部の数を従来よりも減少させることができるため、他の光学性能に及ぼす影響を抑えつつ、ボケ像に現れる輪帯状の明暗の数を低減させることができ、綺麗なボケ像を得ることが可能になる。

なお、現実の回折格子において、その格子高さの比率を厳密に整数倍とすることは、製造技術上あるいは計測技術上、極めて困難である。そのため、本願発明の趣旨を逸脱しない範囲で、格子高さの比率は略整数倍であればよい。すなわち、本願の各実施形態において、整数倍とは略整数倍を含む概念であり、少なくとも製造技術上の精度の範囲あるいは回折格子５としての光学性能が得られる範囲までが含まれる。例えば、格子高さの比率は、（数学的な）整数倍±１０％の範囲の倍率、整数倍±５％の範囲の倍率、整数倍±３％の範囲の倍率、整数倍±１％の範囲の倍率等であってもよく、これらは略整数倍として、本願の各実施形態における整数倍の範囲に含まれる。

また、回折格子５の第１輪帯５０ａは、複数の輪帯のうち最も中心側に位置している。これにより、回折格子５の中心部近傍における鋸歯形状のエッジ部の数を減少させることができるため、回折格子５の中心部近傍の格子ピッチの大きいエッジ部において視認される輪帯状の明暗の数を低減させることができ、より綺麗なボケ像を得ることが可能になる。

また、回折光学素子ＤＯＥにおける互いに密着した２つの層の界面に、複数の輪帯を有する回折格子５が形成されている。このように、密着複層型の回折光学素子ＤＯＥとすることで、回折効率を向上させることが可能である。

次に、回折格子の第２実施形態について説明する。図９に示すように、第２実施形態の回折格子１０５は、第１実施形態の回折格子５と同様に、複数の輪帯１５０ａ，１５０ｂ，…が同心円状に並んで形成される。回折格子１０５の断面形状は鋸歯形状であり、回折格子１０５の高さ方向に対し傾斜して伸びる複数の傾斜部１５１ａ，１５１ｂ，…と、回折格子１０５の高さ方向に沿って伸びる複数の並行部１５２ａ，１５２ｂ，…とから断面形状が構成される。なお、図９に示す回折格子１０５の断面は、回折格子１０５の中心軸（回転対称軸）を通る断面の一部を拡大したものである。また、回折格子１０５は回転対称形状であるため、図９の左側部分における輪帯、傾斜部および並行部の符号を省略している。

ここで、複数の輪帯について、回折格子１０５の中心軸の方から順に、第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、第３輪帯１５０ｃ、第４輪帯１５０ｄとする。複数の傾斜部について、回折格子１０５の中心軸の方から順に、第１傾斜部１５１ａ、第２傾斜部１５１ｂ、第３傾斜部１５１ｃ、第４傾斜部１５１ｄとする。複数の並行部について、回折格子１０５の中心軸の方から順に、第１並行部１５２ａ、第２並行部１５２ｂ、第３並行部１５２ｃ、第４並行部１５２ｄとする。

なお、第１輪帯１５０ａの断面形状は、第１傾斜部１５１ａと、第１並行部１５２ａとから構成される。第２輪帯１５０ｂの断面形状は、第２傾斜部１５１ｂと、第２並行部１５２ｂとから構成される。第３輪帯１５０ｃの断面形状は、第３傾斜部１５１ｃと、第３並行部１５２ｃとから構成される。第４輪帯１５０ｄの断面形状は、第４傾斜部１５１ｄと、第４並行部１５２ｄとから構成される。

回折格子１０５の複数の輪帯は、回折格子１０５の中心軸を囲む部分（第１輪帯１５０ａ）を含むものとする。複数の並行部は、説明の便宜上、図９において回折格子１０５の中心軸と平行に記載しているが、実際には、回折格子１０５の中心軸に対し成形加工の抜き勾配に応じた角度だけわずかに傾斜している。回折格子１０５の高さ方向とは、回折格子１０５の光軸（中心軸）に沿った方向である。回折格子の複数の輪帯、複数の並行部、および回折格子の高さ方向については、以降で述べる各変形例でも同様であり、各変形例においては説明を省略する。

第４輪帯１５０ｄおよびこれより外周側の輪帯（図示せず）は、所定の格子高さＨ１１を有する。一方、第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、および第３輪帯１５０ｃは、所定の格子高さＨ１１の２倍の第２の格子高さＨ１２を有する。図９の二点鎖線は、各輪帯の光軸方向の格子高さが一定の場合（所定の格子高さＨ１１の場合）の従来型の回折格子１０５´を示したものである。第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、および第３輪帯１５０ｃは、従来型の回折格子１０５´における１番目、３番目、および５番目の輪帯が所定の格子高さＨ１１と同じ距離だけ第１回折光学要素１の方にシフトした場合と同じ形状になる。

位相フレネル型の回折光学素子では、非球面形状（位相形状）を分割して複数の輪帯が形成されるため、第１輪帯１５０ａの断面形状において、従来型の回折格子１０５´における１番目～２番目の傾斜部が一体化して、非球面形状の一部を構成する第１傾斜部１５１ａが形成される。第２輪帯１５０ｂの断面形状において、従来型の回折格子１０５´における３番目～４番目の傾斜部が一体化して、非球面形状の一部を構成する第２傾斜部１５１ｂが形成される。第３輪帯１５０ｃの断面形状において、従来型の回折格子１０５´における５番目～６番目の傾斜部が一体化して、非球面形状の一部を構成する第３傾斜部１５１ｃが形成される。これにより、従来型の回折格子１０５´と同等の光学性能を有したまま、第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、および第３輪帯１５０ｃ（第１傾斜部１５１ａ、第２傾斜部１５１ｂ、および第３傾斜部１５１ｃ）の幅が他の輪帯（傾斜部）よりも大きくなり、回折格子１０５の中心部近傍における鋸歯形状の密度が低くなる。そのため、所定の格子高さＨ１１の整数倍（２倍）の第２の格子高さＨ１２を有する第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、および第３輪帯１５０ｃにより、回折格子１０５としての光学性能を維持しつつ、回折格子１０５の中心部近傍における鋸歯形状のエッジ部の数を減少させることができる。

そして、本実施形態によれば、所定の格子高さＨ１１の整数倍（２倍）の第２の格子高さＨ１２を有する第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、および第３輪帯１５０ｃにより、回折格子１０５の中心部近傍における鋸歯形状のエッジ部の数を減少させることができるため、ボケ像に現れる（特に、回折格子１０５の中心部近傍のエッジ部等の格子ピッチの大きい部位のエッジ部において視認される）輪帯状の明暗の数を低減させることができ、綺麗なボケ像を得ることが可能になる。

図１０に、第２実施形態の回折格子１０５を用いた撮像装置（デジタル一眼レフカメラＣＡＭ）により撮像取得される画像（ボケ像）のシミュレーション結果を示す。なお、図１０に記載された縦軸と横軸の数字は、画像の中心に対する相対座標を示す。図１０と図８を比較すると、第２実施形態の回折格子１０５を用いた場合のボケ像において、中心部近傍に現れる輪帯状の明暗の数が従来よりも減少していることがわかる。

この結果、第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。

上述の各実施形態において、回折光学素子ＤＯＥにおいて互いに密着した第１回折光学
要素１と第２回折光学要素２との界面に、回折格子が形成されているが、これに限られるものではない。例えば、回折光学素子は、１層もしくは３層以上の樹脂層から構成されてもよく、また、密着複層型ではなく各層の間に空気間隔が設けられてもよい。

上述の各実施形態において、所定の格子高さよりも大きい第２の格子高さを有する輪帯は、輪帯状に形成された回折格子の中心部近傍に形成されているが、これに限られるものではなく、回折格子の中間部もしくは外周部近傍に形成されてもよい。

上述の第１実施形態において、第１輪帯５０ａは、所定の格子高さＨ１の３倍の第２の格子高さＨ２を有し、上述の第２実施形態において、第１輪帯１５０ａ、第２輪帯１５０ｂ、および第３輪帯１５０ｃは、所定の格子高さＨ１１の２倍の第２の格子高さＨ１２を有しているが、これに限られるものではない。例えば、一部の輪帯が、所定の格子高さの２倍の格子高さを有する輪帯と、所定の格子高さの３倍の格子高さを有する輪帯の両方を含むようにしてもよく、さらに、所定の格子高さの４倍の格子高さを有する輪帯を含むようにしてもよく、所定の格子高さの整数倍だけ大きい輪帯を含んでいればよい。但し、整数倍における当該整数は、少なくとも２以上で、格子高さが回折光学素子ＤＯＥの高さに達しない上限の整数以下に設定される。

上述の各実施形態において、所定の格子高さを有する輪帯（傾斜部）は、当該所定の格子高さよりも大きい第２の格子高さを有する輪帯の一端側（第２回折光学要素２の方の端部側）に寄って配置されているが、これに限られるものではなく、所定の格子高さを有する輪帯のうち少なくとも一つが第２の格子高さを有する輪帯の中間もしくは他端側（第１回折光学要素１の方の端部側）に寄って配置されてもよい。但し、輪帯の並行部の高さが小さい方がボケ像に現れる輪帯状の明暗差は小さくなるため、並行部の高さは上述した輪帯の所定の格子高さに抑えることが好ましい。

ここで、各実施形態の具体的な変形例について述べる。図１１に示すように、第１実施形態の変形例に係る回折格子５ａとして、第２輪帯５０ｂ、第３輪帯５０ｃ、第４輪帯５０ｄ、第５輪帯５０ｅ、およびこれより外周側の輪帯（図示せず）が所定の格子高さＨ１を有し、第１輪帯５０ａが所定の格子高さＨ１の２倍の第２の格子高さＨ２Ｂを有してもよい。図１１の構成においては、回折格子全体にわたり並行部（第１～第５並行部５２ａ～５２ｅ等）の高さを所定の格子高さＨ１に抑えているので、ボケ像に現れる輪帯状の明暗差を小さく抑えることができる。

また、図１２に示すように、第２実施形態の第１変形例に係る回折格子１０５ａとして、第３輪帯１５０ｃ、第４輪帯１５０ｄおよびこれより外周側の輪帯（図示せず）が所定の格子高さＨ１１を有し、第２輪帯１５０ｂが所定の格子高さＨ１１の２倍の第２の格子高さＨ１２を有し、第１輪帯１５０ａが所定の格子高さＨ１１の４倍の第３の格子高さＨ１３Ａを有してもよい。また、図１３に示すように、第２実施形態の第２変形例に係る回折格子１０５ｂとして、第４輪帯１５０ｄおよびこれより外周側の輪帯（図示せず）が所定の格子高さＨ１１を有し、第３輪帯１５０ｃが所定の格子高さＨ１１の２倍の第２の格子高さＨ１２を有し、第２輪帯１５０ｂが所定の格子高さＨ１１の３倍の第３の格子高さＨ１３Ｂを有し、第１輪帯１５０ａが所定の格子高さＨ１１の４倍の第４の格子高さＨ１４Ｂを有してもよい。図１２および図１３の構成においても、回折格子全体にわたり並行部（第１～第４並行部１５２ａ～１５２ｄ等）の高さを所定の格子高さＨ１１に抑えているので、ボケ像に現れる輪帯状の明暗差を小さく抑えることができる。

また、図１４に示す回折格子３０５のように、第２輪帯３５０ｂ、第３輪帯３５０ｃ、第４輪帯３５０ｄおよびこれより外周側の輪帯（図示せず）が所定の格子高さＨ３１を有し、第１輪帯３５０ａが所定の格子高さＨ３１の１倍より大きい２倍未満（１倍より大きい非整数倍）の第２の格子高さＨ３２を有してもよい。これにより、第２輪帯３５０ｂより外周側の格子ピッチを相対的に小さく抑え、回折格子の中心部の輪帯状の明暗を視認されにくくすることができる。なおこの場合、第１輪帯３５０ａ（第１傾斜部３５１ａ）の幅は、第２の格子高さＨ３２に応じて、従来型の回折格子（図示せず）における１番目の輪帯よりも大きくなる。第２輪帯３５０ｂ、第３輪帯３５０ｃ、第４輪帯３５０ｄおよびこれより外周側の輪帯（第２～第４傾斜部３５１ｂ～３５１ｄおよび第２～第４並行部３５２ｂ～３５２ｄ等）は、第１輪帯３５０ａの幅が大きくなる分だけ、従来型の回折格子
の各輪帯（傾斜部）に対して回折格子３０５の外周側に（分割すると第１～第４輪帯３５０ａ～３５０ｄ等が得られる非球面形状（位相形状）に沿って）シフトするように形成される。

ＴＬ 光学系
ＣＡＭ デジタル一眼レフカメラ
Ｌｐｆ ＰＦレンズ
ＤＯＥ 回折光学素子
１ 第１回折光学要素 ２ 第２回折光学要素
５ 回折格子（第１実施形態）
５０ａ～５０ｅ 第１～第５輪帯
１０５ 回折格子（第２実施形態）
１５０ａ～１５０ｄ 第１～第４輪帯
３０５ 回折格子（変形例）
３５０ａ～３５０ｄ 第１～第４輪帯

Claims (5)

1. 屈折面が複数の輪帯に分割され、それぞれの輪帯が光軸方向の格子高さを有する位相フレネル型の回折光学素子であって、
   前記複数の輪帯のうち最も中心側に位置する輪帯は、前記最も中心側に位置する輪帯を除く他の輪帯のうち一部もしくは全部の輪帯の格子高さの略整数倍の格子高さを有し、
   前記それぞれの輪帯は、分割される前記屈折面を形成する傾斜部と、前記傾斜部の外周側に繋がって形成されて光軸方向に沿って延びる並行部とを有し、
   前記複数の輪帯のうち前記最も中心側に位置する輪帯における前記傾斜部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯のうち一部もしくは全部の輪帯の格子高さの略整数倍の格子高さであり、前記複数の輪帯のうち前記最も中心側に位置する輪帯における前記並行部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯のうち一部もしくは全部の輪帯の格子高さと同じであり、
   前記略整数倍の範囲は、整数倍±１０％の範囲である回折光学素子。
2. 前記複数の輪帯は、互いに密着した２つの層の界面に形成される請求項１に記載の回折光学素子。
3. 屈折面が複数の輪帯に分割され、それぞれの輪帯が光軸方向の格子高さを有する位相フレネル型の回折光学素子であって、
   前記複数の輪帯のうち最も中心側に位置する輪帯は、他の輪帯の格子高さよりも大きい格子高さを有し、
   前記それぞれの輪帯は、分割される前記屈折面を形成する傾斜部と、前記傾斜部に繋がって形成されて光軸方向に沿って延びる並行部とを有し、
   前記複数の輪帯のうち前記最も中心側に位置する輪帯における前記傾斜部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯の格子高さよりも大きい格子高さであり、前記最も中心側に位置する輪帯における前記並行部の光軸方向の高さが、前記他の輪帯の格子高さと同じである回折光学素子。
4. 複数のレンズを備え、
   前記複数のレンズのうち少なくとも一つに、請求項１～３のいずれかに記載の回折光学素子が設けられる光学系。
5. 請求項４に記載の光学系を備える光学機器。

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