JP7023598B2 - 回折光学素子およびそれを有する光学系、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置等の光学系に用いられる回折光学素子に関する。

暗視カメラやサーモグラフィなど、遠赤外線を受光して画像を形成する撮像装置が知られている。赤外線用のレンズに用いる材料として、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、カルコゲナイドガラス等がある。これらの材料は屈折率の分散が大きいために色収差を補正する必要がある。

特許文献１には、ＺｎＳｅ、ＺｎＳ、カルコゲナイドガラスのいずれかから成るレンズの光学面に回折格子を形成した回折光学素子が記載されている。また、回折格子を保護するためにポリエチレンから成る被覆層で回折格子の凹凸を埋めることが記載されている。

特開２０１５－１３２７１０号公報

遠赤外線用の撮像装置は、８～１４μｍの波長帯域（以下、遠赤外域と称する）の光を使用する。このため、回折光学素子において特定の回折次数に対する回折効率が遠赤外域の一部で低くなっていると、撮像に不要な回折次数の回折光を生じ得る。これはフレアを生じる要因となるため好ましくない。

しかしながら、特許文献１に記載された回折光学素子では、遠赤外域の一部の波長においては高い回折効率が得られるものの、遠赤外域の他の波長においても高い回折効率を得ることは困難であった。

本発明の目的は遠赤外域において回折効率を向上することのできる回折光学素子を提供することである。

本発明の一側面としての光学素子は、共通の軸を中心として配置された第１の回折格子と第２の回折格子とを有し、前記第１の回折格子の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_１（λ）、前記第２の回折格子の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_２（λ）としたとき、

なる条件式を満足することを特徴とする。

本発明によれば、遠赤外域において回折効率を向上することのできる回折光学素子を実現することができる。

回折光学素子の概略図である。 回折光学素子の回折格子部の拡大図である。 ＺｎＳの屈折率の波長依存性を示す図である。 式（１４）の値の波長依存性を模式的に表わした図である。 実施例１の回折光学素子における１次回折光の回折効率を示す図である。 比較例の回折光学素子における１次回折光の回折効率を示す図である。 実施例２の回折光学素子における１次回折光の回折効率を示す図である。 実施例３の回折光学素子における１次回折光の回折効率を示す図である。 実施例４の回折光学素子における１次回折光の回折効率を示す図である。 実施例５の光学系の概略図である。 実施例６の撮像装置の概略図である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

［実施例１］
図１（ａ）、（ｂ）の各図は、本実施例の回折光学素子（以下、ＤＯＥと称する）１０を示す概略図である。また、図１（ａ）において、点線で示した同心円は、後述する回折格子部２の格子形状を模式的に表したものである。

図１（ｂ）は、ＤＯＥ１０の断面図である。ＤＯＥ１０は、基板１と回折格子部２を有する。ここで、図１（ｂ）に示したＯは、ＤＯＥ１０の中心軸を表している。本実施例のＤＯＥ１０を撮像装置等の光学系に用いる場合、ＤＯＥ１０は中心軸Ｏと光学系の光軸が一致するように配置される。

回折格子部２の拡大図を図２に示す。なお、図２は回折格子部２を模式的に示したものであり、実際の寸法とは異なる。回折格子部２は、第１の回折格子３と、第２の回折格子４を積層して構成されている。

図２に示すように、本実施例の第１の回折格子３と第２の回折格子４は密着して積層されている。また、第１の回折格子３と第２の回折格子４は鋸刃状の回折格子（ブレーズ構造）となっている。第１の回折格子３と第２の回折格子４をブレーズ型の回折格子とすることで、特定の回折次数の回折効率を向上することができる。

このとき、ＤＯＥ１０において、第１の回折格子３の谷部を結んだ包絡線と第１の回折格子３の山部を結んだ包絡線の距離が回折格子部２の格子厚さｄとなる。

なお、図２には第１の回折格子３と第２の回折格子４が密着して積層されている例を示したが、第１の回折格子３と第２の回折格子４を密着させずに空気間隔を設けて積層しても良い。

図１（ａ）において点線で示した複数の円は、第１の回折格子３および第２の回折格子４の格子形状を表したものである。図１（ａ）に示すように、回折格子部２は中心軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子となっている。

図１（ａ）に示すように、回折格子の格子ピッチを中心軸Ｏから離れるにつれて徐々に変化させることで、回折格子部２にレンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を具備させることができる。

第１の回折格子３の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_１（λ）、第２の回折格子４の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_２（λ）としたとき、本実施例のＤＯＥ１０は遠赤外域における回折効率を向上するために以下の条件式（１）を満たす構成となっている。

ここで、式（１）を満たすことで遠赤外域における回折効率を向上することができる理由について説明する。

ＤＯＥ１０において、第ｍ次の回折光の回折効率が最大となる条件は、次の式（２）で与えられる。
（ｎ_１（λ）－ｎ_２（λ））×ｄ＝ｍλ （２）

式（２）の左辺は回折格子部２によって生じる光路長差の最大値を表している。式（２）におけるｍは回折次数であり、任意の整数値をとる。すなわち、回折格子部２によって生じる光路長差が波長の整数倍である時に回折効率が最大となる。なお、回折効率は次の式（３）で計算することができる。
η（λ）＝ｓｉｎｃ^２［π｛ｍ－（ｎ_１（λ）－ｎ_２（λ））×ｄ／λ｝］ （３）

式（３）において、ｓｉｎｃ（ｘ）は、｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝で表される関数である。

このため、遠赤外域の各波長での光路長差が波長の整数倍となっていれば遠赤外域において回折効率を向上することができる。そこで、遠赤外域の代表波長をλ＝８μｍ、１０μｍ、１２μｍとして、以下の式（４）～（６）について考える。
（ｎ_１（８）－ｎ_２（８））×ｄ＝Φ（λ_８）λ_８ （４）
（ｎ_１（１０）－ｎ_２（１０））×ｄ＝Φ（λ_１０）λ_１０ （５）
（ｎ_１（１２）－ｎ_２（１２））×ｄ＝Φ（λ_１２）λ_１２ （６）

式（４）～（６）において、λの添え字は波長を表している。式（４）～（６）の右辺のΦ（λ）は、各波長における光路長差と波長の比である。なお、通常ｄは任意の回折次数の回折効率を高めるために、Φ（λ_８）とΦ（λ_１０）とΦ（λ_１２）が任意の整数値または該整数値に近い値となるように定められる。

式（４）と式（６）の差をとることで、以下の関係式（７）を得ることができる。

次に、式（５）を式（７）で除すことで、ｄを消去した関係式（８）を得ることができる。

式（８）において、Φ（λ_８）＝Φ（λ_１０）＝Φ（λ_１２）であれば、遠赤外域のそれぞれの波長における回折効率を最大限向上することができる。このとき、式（８）の右辺はλ_１０／（λ_８－λ_１２）＝－２．５となり、遠赤外域における回折格子部２のアッベ数に相当する値となる。

このため、Φ（λ_８）＝Φ（λ_１０）＝Φ（λ_１２）となるような材料を組み合わせて第１の回折格子３および第２の回折格子４を形成することが好ましい。ただし、Φ（λ_８）とΦ（λ_１０）とΦ（λ_１２）の値に多少のずれがあったとしても十分に高い回折効率を得ることができる。式（１）は、Φ（λ_８）とΦ（λ_１０）とΦ（λ_１２）の値と回折効率の関係を鑑みて、遠赤外域において十分に高い回折効率を得ることのできるｎ_１（λ）とｎ_２（λ）の適切な関係を見出したものである。

式（１）が負の値に範囲を持つのは、Φ（λ_８）とΦ（λ_１０）とΦ（λ_１２）が互いに近い値を持つ場合に式（８）の右辺が負の値となるためである。これは、第１の回折格子３と第２の回折格子４のうち一方が高屈折率かつ低分散の材料で形成され、他方が低屈折率かつ高分散の材料で形成されることを表わしている。

また、Φ（λ_８）の絶対値がΦ（λ_１２）の絶対値よりも大きくなっている場合、式（１）の値は－２．５よりも小さくなる。このとき、式（１）の値を下限よりも大きくすることによって、遠赤外域における回折効率を十分に高くすることができる。一方、Φ（λ_８）の絶対値がΦ（λ_１２）の絶対値よりも小さくなっている場合、式（１）の値は－２．５よりも大きくなる。このとき、式（１）の値を上限よりも小さくすることによって、遠赤外域における回折効率を十分に高くすることができる。

一方、式（１）の上限を満足しない場合または下限を満足しない場合には、格子厚さｄを適切に設計することで遠赤外域の一部の波長において高い回折効率を得ることはできるが、他の波長においても高い回折効率を得ることは困難となる。

なお、式（１）の上限値は好ましくは－１．５とすると良い。また、式（１）の下限値は好ましくは－１０とすると良い。

また、以下の条件式（９）および（１０）を共に満足することで遠赤外域における回折効率を向上することができる。
０．７７＜Φ（λ_８）／Φ（λ_１０）＜１．２３ （９）
０．７７＜Φ（λ_１２）／Φ（λ_１０）＜１．２３ （１０）

式（９）および（１０）はΦ（λ_８）とΦ（λ_１０）とΦ（λ_１２）が互いに近い値であることを表わしている。Φ（λ_８）とΦ（λ_１０）の比が式（９）の範囲内であり、Φ（λ_１２）とΦ（λ_１０）の比が式（９）の範囲内であれば遠赤外域における回折効率を十分に向上することができる。

式（４）から式（６）を用いることで、式（９）と等価な式（９ａ）および式（１０）と等価な式（１０ｂ）を得ることができる。ゆえに、第１の回折格子３の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_１（λ）と、第２の回折格子４の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_２（λ）が以下の条件式（９ａ）および（１０ａ）を満たすことで、遠赤外域における回折効率を向上することができる。
０．６１６＜（ｎ_１（８）－ｎ_２（８））／（ｎ_１（１０）－ｎ_２（１０））＜０．９８４ （９ａ）
０．９２４＜（ｎ_１（１２）－ｎ_２（１２））／（ｎ_１（１０）－ｎ_２（１０））＜１．４７６ （１０ａ）

上述した説明では、遠赤外域の代表波長として８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける回折効率を考えた。ただし、遠赤外域で用いられる材料は長波長側で屈折率が大きく変化するものが多い。遠赤外域で用いられる材料の一例としてＺｎＳの屈折率の波長依存性を図３に示す。図３に示すように、ＺｎＳの屈折率の波長に対する変化は波長が大きくなるに従って大きくなっている。

このため、遠赤外域における回折効率をより向上するためには、より波長の大きな帯域（１２～１３μｍ）における第１の回折格子３および第２の回折格子４の屈折率の変化も考慮することが好ましい。そこで、以下の式（１１）で与えられる回折格子部２における波長１３μｍでの光路長差について考える。
（ｎ_１（１３）－ｎ_２（１３））×ｄ＝Φ（λ_１３）λ_１３ （１１）

式（１１）において、λの添え字は波長を表している。また、Φ（λ_１３）は波長１３μｍにおける光路長差と波長の比である。

ここで、式（６）と式（１１）の差を、式（４）と式（６）の差で除すことで、ｄを消去した関係式（１２）を得ることができる。

式（１２）において、Φ（λ_８）＝Φ（λ_１２）＝Φ（λ_１３）であれば遠赤外域の長波長側の波長帯域（１２～１３μｍ）においても回折効率を最大限向上することができる。このとき、式（１２）の右辺は（λ_１２－λ_１３）／（λ_８－λ_１２）となり、波長１２～１３μｍにおける回折格子部２の部分分散比に相当する値となる。

したがって、式（１２）の値を（λ_１２－λ_１３）／（λ_８－λ_１２）に近づけることで遠赤外域における回折効率をより向上することができる。ただし、遠赤外域で使用することのできる材料は限られているため、式（１）を満足し式（１２）の値が（λ_１２－λ_１３）／（λ_８－λ_１２）に近くなるような材料を組み合わせてＤＯＥ１０を形成することは難しい。同様に、式（９）および式（１０）を満足し、式（１２）の値が（λ_１２－λ_１３）／（λ_８－λ_１２）に近くなるような材料を組み合わせてＤＯＥ１０を形成することは難しい。

しかしながら、式（８）の値と式（１２）の値の関係を適切に設定することで遠赤外域における回折効率をより向上することができる。そのため、ＤＯＥ１０は以下の条件式（１３）を満足していることが好ましい。

式（１３）において、２．５は、－λ_１０／（λ_８－λ_１２）に等しい。また、－０．２５は－（λ_１２－λ_１３）／（λ_８－λ_１２）に等しい。

式（１３）を満たすことで回折効率をより向上することのできる理由について、１次回折光の回折効率に着目して説明する。式（２）および（３）より、以下の式（１４）におけるΦ（λ）（任意の波長における光路長差と波長の比）の値が１に近いほど、ＤＯＥ１０における１次の回折効率は高くなる。
Φ（λ）＝（ｎ_１（λ）－ｎ_２（λ））×ｄ／λ （１４）

ここで、ｎ_１（λ）は第１の回折格子３の波長λにおける屈折率、ｎ_２（λ）は第２の回折格子４の波長λにおける屈折率、ｄは回折格子部２の格子厚さである。

図４にΦ（λ）の波長依存性を模式的に示す。図４において、点線は式（８）の値がλ_１０／（λ_８－λ_１２）よりも小さく、式（１３）を満たさない場合のΦ（λ）である。この場合、回折格子部２におけるΦ（λ）は波長が大きくなるにつれて小さくなる傾向がある。

一方、図４において実線は式（８）の値がλ_１０／（λ_８－λ_１２）よりも小さく、式（１３）を満たす場合のΦ（λ）である。この場合、波長８～１１μｍにおいては点線で示した場合と同様に、Φ（λ）は波長が増加するにつれて小さくなるように変化している。しかし、波長１２μｍ～１４μｍにおいてΦ（λ）は波長が増加するにつれて大きくなるように変化している。これは、式（１３）を満足するように式（１２）の値を調整したためである。

すなわち、式（１３）を満たすことで長波長側での光路長差の減少量を小さくすることができ、長波長側における回折効率をより向上することができる。結果として、遠赤外域における回折効率をより向上することができる。

以上の説明は、式（８）の値がλ_１０／（λ_８－λ_１２）よりも大きい場合にも成り立つ。すなわち、式（８）の値がλ_１０／（λ_８－λ_１２）よりも大きく式（１３）を満たしていない場合、回折格子部２における光路長差は波長が大きくなるにつれて大きくなる傾向がある。しかし、式（１３）を満足するように式（１２）の値を調整することで長波長側での光路長差の増加量を小さくすることができ、長波長側における回折効率をより向上することができる。結果として、遠赤外域における回折効率をより向上することができる。

なお、式（１３）の上限値は好ましくは０．１とすると良い。また、式（１）の下限値は好ましくは－１０とすると良い。

また、ｆ（λ）＝（ｎ_１（λ）－ｎ_２（λ））／λなる式で定義されるｆ（λ）について、ｆ（λ）の傾きを適切に設定することで長波長側でのΦ（λ）の変化を補正することができる。具体的には、以下の条件式（１５）を満足することが好ましい。
ａ_２／ａ_１＜１ （１５）

ここで、式（１５）におけるａ_１は８μｍ以上１２μｍ以下の波長帯域でｆ（λ）をλに対して線形近似した際のλの係数である。式（１５）におけるａ_２は１２μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域でｆ（λ）をλに対して線形近似した際のλの係数である。なお、線形近似は最小二乗法によって行う。

ａ_１とａ_２が同符号である場合、式（１５）は１２μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域におけるｆ（λ）の傾きの方が８μｍ以上１２μｍ以下の波長帯域におけるｆ（λ）の傾きよりも緩やかであることを表わしている。これは式（１４）のΦ（λ）の傾きが、８μｍ以上１２μｍ以下の波長帯域よりも１２μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域の方が緩やかであることと同義である。すなわち、式（１５）を満たすことで長波長側におけるΦ（λ）の変化量を小さくすることができる。従って、長波長側でΦ（λ）が過剰に変化することによる回折効率の低下を抑制することができる。

また、ａ_１とａ_２が異符号である場合、ｆ（λ）は８μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域において極値を有することになる。これは、式（１４）のΦ（λ）は８μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域において極値を有することと同義である。例えばａ_１が負でａ_２が正の場合、Φ（λ）は図４に実線で示すように変化することになる。従って、ａ_１とａ_２が同符号である場合よりも遠赤外域におけるΦ（λ）の変化の幅を小さくすることができる。これによって遠赤外域における回折効率をより向上することができる。

以上のように、式（１５）を満たすことで遠赤外域における回折効率をより向上することができる。なお、より好ましくは式（１５）に代えて以下の式（１５ａ）を満たすことが好ましい。
－４＜ａ_２／ａ_１＜０ （１５ａ）

式（１５ａ）を満たすことで、ａ_１とａ_２が異符号である場合に長波長側でΦ（λ）が過剰に変化することによる回折効率の低下を抑制することができ、遠赤外域における回折効率をより向上することができる。

また、第１の回折格子３の波長１２～１３μｍに対する部分分散比と第２の回折格子４の波長１２～１３μｍに対する部分分散比の差の絶対値｜Δθ_{１２，１３}｜は以下の条件式（１６）を満足することが好ましい。
０．０１＜｜Δθ_{１２，１３}｜＜１．２ （１６）

ここで、第１の回折格子３の波長１２～１３μｍに対する部分分散比θ_１は以下の条件式（１７）で定義される値である。また、第２の回折格子４の波長１２～１３μｍに対する部分分散比θ_２は以下の条件式（１８）で定義される値である。
θ_１＝（ｎ_１（１２）－ｎ_１（１３））／（ｎ_１（８）－ｎ_１（１２）） （１７）
θ_２＝（ｎ_２（１２）－ｎ_２（１３））／（ｎ_２（８）－ｎ_２（１２）） （１８）

式（１６）は、長波長側におけるΦ（λ）の変化を効果的に補正することのできる｜Δθ_{１２，１３}｜の範囲を規定したものである。｜Δθ_{１２，１３}｜を式（１５）の下限よりも大きくすることで、長波長側での光路長差の変化をより大きくすることができるため、長波長側でのΦ（λ）の変化をより効果的に補正することができる。また、｜Δθ_{１２，１３}｜を式（１５）の上限値よりも小さくすることで、長波長側でΦ（λ）が過剰に変化することによる回折効率の低下を抑制することができる。

すなわち、｜Δθ_{１２，１３}｜を式（１６）の範囲とすることで、長波長側におけるΦ（λ）の変化を効果的に補正することができ、長波長側での回折効率をより向上することができる。結果として、遠赤外域における回折効率をより向上することができる。

なお、第１の回折格子３および第２の回折格子４は、前述した式（１）を満たすような材料を用いて形成されていれば特に限定されない。

ただし、ＤＯＥ１０の遠赤外域における透過率を向上するためには第１の回折格子３を構成する材料および第２の回折格子４を構成する材料の波長１０μｍにおける吸収係数は共に２６．６６［ｃｍ^－１］以下であることが好ましい。このような材料としては、ゲルマニウム、シリコン、カルコゲナイドガラス、セレン化亜鉛（ＺｎＳ）、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）等がある。なお、高密度ポリエチレンとは密度が０．９４２［ｋｇ／ｍ^３］以上のポリエチレンである。

ＨＤＰＥ等の有機材料は射出成形が可能であるため、ゲルマニウムやシリコン等の無機材料と比較して加工や成形が容易であり、材料自体も安価である。例えば、第１の回折格子３と第２の回折格子４のうちの一方を製造した後、該回折格子を型としてＨＤＰＥを成形することにより他方の回折格子を形成することで回折格子部２を得ることができる。このため、第１の回折格子３または第２の回折格子４のうち少なくとも一方を高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）等の有機材料で形成することにより、ＤＯＥ１０の製造コストを低減することができる。

また、ＨＤＰＥ等の有機材料に、無機材料の微粒子を分散させた材料を用いて第１の回折格子３や第２の回折格子４を形成しても良い。ＨＤＰＥ等の有機材料に無機材料の微粒子を分散させることで光学定数を調整することができる。したがって、ＨＤＰＥ等の有機材料に無機材料の微粒子を分散させた材料を用いて第１の回折格子３や第２の回折格子４を形成することでより回折効率を向上することができる。

なお、微粒子の混合比率を３ｖｏｌ％より大きくすることで混合後の光学定数の制御が容易となる。また混合比率を３０ｖｏｌ％より小さくすることで成形が容易な粘度を保ちつつ光学定数を調整することができる。このため、ＨＤＰＥ等の有機材料に微粒子を分散させる場合、微粒子の混合比率は３ｖｏｌ％以上、３０ｖｏｌ％以下であることが好ましい。

また、微粒子を混合することによるレイリー散乱を低減するためには、微粒子の平均粒径を回折格子部２へ入射する光の波長の１／４以下とすることが好ましい。本実施例のＤＯＥ１０のように遠赤外域で使用する場合、微粒子の平均粒径は２．５μｍ以下であれば良い。

次に、本実施例のＤＯＥ１０の特性について述べる。

本実施例において第１の回折格子３は、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）を用いて形成されている。第１の回折格子３の屈折率はｎ_１（８）＝１．５１、ｎ_１（１０）＝１．４９、ｎ_１（１２）＝１．４８である。また、第１の回折格子３のアッベ数ν_１（１０）は１９．２６であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．３４である。ここで、遠赤外域におけるある媒質のアッべ数ν（１０）は波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける該媒質の屈折率をそれぞれＮ（８），Ｎ（１０），Ｎ（１２）としたとき、次の式（１９）で与えられる値である。
ν（１０）＝（Ｎ（１０）－１）／（Ｎ（８）－Ｎ（１２）） （１９）

また、本実施例において第２の回折格子４は、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）を用いて形成されている。第２の回折格子４の屈折率はｎ_２（８）＝１．４３、ｎ_２（１０）＝１．４０、ｎ_２（１２）＝１．３７である。また、第２の回折格子４のアッベ数ν_２（１０）は７．３０であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．３２である。

このような第１の回折格子３および第２の回折格子４を用いてＤＯＥ１０を構成することで、式（１）の値は－３．１９となる。また、本実施例における式（１３）の値は－０．０４０となっている。すなわち本実施例のＤＯＥ１０は式（１）と式（１３）を共に満たす構成となっている。また、本実施例のＤＯＥ１０の設計次数は１次である。ここで、設計次数とはＤＯＥ１０において最も回折効率の高い回折次数を言う。

図５に、本実施例のＤＯＥ１０の遠赤外域における１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図５より、１次回折光の回折効率は波長８～１４μｍにおいて９４％以上となっていることがわかる。

図６に比較例のＤＯＥの遠赤外域における１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。本比較例のＤＯＥは、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）を用いて第１の回折格子３を形成しており、第２の回折格子は設けられていない。すなわち、本比較例のＤＯＥにおける第２の回折格子に相当する部分は空気となっている。このため、本比較例のＤＯＥ１０は、式（１）を満たす構成となっていない。図６より、本比較例のＤＯＥにおける１次回折光の回折効率は遠赤外域の一部の波長においては略１００％となっているが、他の波長においては回折効率が大きく減少していることがわかる。

以上より、本実施例のＤＯＥ１０のように式（１）を満たす構成とすることで遠赤外域における回折効率を向上することができる。

［実施例２］
次に、実施例２におけるＤＯＥについて説明する。本実施例のＤＯＥは図１および図２に示す通りであり、実施例１の場合と同様である。ただし、本実施例において第１の回折格子３および第２の回折格子４を構成する材料は実施例１とは異なっている。

本実施例において第１の回折格子３は、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）を用いて形成されている。第１の回折格子３の屈折率はｎ_１（８）＝２．４２、ｎ_１（１０）＝２．４１、ｎ_１（１２）＝２．３９である。また、第１の回折格子３のアッベ数ν_１（１０）は５７．４１であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．３３である。

また、本実施例において第２の回折格子４は、硫化亜鉛（ＺｎＳ）を用いて形成されている。第２の回折格子４の屈折率はｎ_２（８）＝２．２２、ｎ_２（１０）＝２．２０、ｎ_２（１２）＝２．１７である。また、第２の回折格子４のアッベ数ν_２（１０）は２０．５９であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．５１である。

本実施例において、式（１）の値は－６．０９である。また、本実施例における式（１３）の値は－１．４１３である。すなわち本実施例のＤＯＥ１０は式（１）および式（１３）を満たす構成となっている。また、本実施例のＤＯＥ１０の設計次数は１次である。

図７に、本実施例のＤＯＥ１０の遠赤外域における１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図７より、１次回折光の回折効率は波長８～１４μｍにおいて９４％以上となっていることがわかる。すなわち、本実施例のＤＯＥ１０のように式（１）を満たす構成とすることで、遠赤外域における回折効率を向上することができる。

なお、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）および硫化亜鉛（ＺｎＳ）は共にモールドや焼結による成形が可能な材料であるため、本実施例のＤＯＥ１０のような構成とすることでＤＯＥ１０を製造する際のコストを低減することができる。

［実施例３］
次に、実施例３におけるＤＯＥについて説明する。本実施例のＤＯＥは図１および図２に示す通りであり、実施例１および２と同様である。また、第２の回折格子４を構成する材料は実施例１と同様である。ただし、本実施例において第１の回折格子３を構成する材料は実施例１とは異なっている。

本実施例において第１の回折格子３は、高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）を用いて形成されている。第１の回折格子３の屈折率はｎ_１（８）＝１．５２、ｎ_１（１０）＝１．５１、ｎ_１（１２）＝１．５１である。また、第１の回折格子３のアッベ数ν_１（１０）は９１．９１であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は１．１３である。

また、本実施例において第２の回折格子４は、フッ化バリウム（ＢａＦ_２）を用いて形成されている。第２の回折格子４の屈折率はｎ_２（８）＝１．４３、ｎ_２（１０）＝１．４０、ｎ_２（１２）＝１．３７である。また、第２の回折格子４のアッベ数ν_２（１０）は７．３０であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．３２である。

本実施例において、式（１）の値は－２．３０である。また、本実施例における式（１３）の値は－０．００４である。すなわち本実施例のＤＯＥ１０は式（１）および式（１３）を満たす構成となっている。また、本実施例のＤＯＥ１０の設計次数は１次である。

図８に、本実施例のＤＯＥ１０の遠赤外域における１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図８より、１次回折光の回折効率は波長８～１４μｍにおいて９４％以上となっていることがわかる。すなわち、本実施例のＤＯＥ１０のように式（１）を満たす構成とすることで、遠赤外域における回折効率を向上することができる。

なお、前述のようにＨＤＰＥは安価であり、加工や成形も容易であるため、本実施例のＤＯＥ１０のような構成とすることでＤＯＥ１０を製造する際のコストを低減することができる。

［実施例４］
次に、実施例４におけるＤＯＥについて説明する。本実施例のＤＯＥは図１および図２に示す通りであり、実施例１および２と同様である。ただし、本実施例において第１の回折格子３および第２の回折格子４を構成する材料は実施例１～３とは異なっている。

本実施例の第１の回折格子３は、実施例３で第１の回折格子３に用いた高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）に実施例２で第１の回折格子３に用いたセレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）からなる微粒子を３０ｖｏｌ％分散させた材料で形成されている。第１の回折格子３の屈折率はｎ_１（８）＝１．８３、ｎ_１（１０）＝１．８３、ｎ_１（１２）＝１．８２である。また、第１の回折格子３のアッベ数ν_１（１０）は６４．２２であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．５４である。

また、本実施例の第２の回折格子４は、実施例３で第１の回折格子３に用いた高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）に実施例２で第１の回折格子３に用いた硫化亜鉛（ＺｎＳ）からなる微粒子を２９．９ｖｏｌ％分散させた材料で形成されている。第２の回折格子４の屈折率はｎ_２（８）＝１．７６、ｎ_２（１０）＝１．７５、ｎ_２（１２）＝１．７３である。また、第２の回折格子４のアッベ数ν_２（１０）は２９．５７であり、波長１２～１３μｍにおける部分分散比は０．５９である。

本実施例において、式（１）の値は－６．４８である。また、本実施例における式（１３）の値は－１．６１３である。すなわち本実施例のＤＯＥ１０は式（１）および式（１３）を満たす構成となっている。また、本実施例のＤＯＥ１０の設計次数は１次である。

図９に、本実施例のＤＯＥ１０の遠赤外域における１次回折光の回折効率の波長依存性を示す。図９より、１次回折光の回折効率は波長８～１４μｍにおいて９４％以上となっていることがわかる。すなわち、本実施例のＤＯＥ１０のように式（１）を満たす構成とすることで、遠赤外域における回折効率を向上することができる。

上述した実施例１～４における各値を表１にまとめて記す。

［実施例５］
次に、実施例５の光学系について説明する。屈折光学素子とＤＯＥを共に用いることで、光学系の色収差を低減することができることが知られている。本実施例の光学系も、ＤＯＥによって色収差を低減している。

図１０は本実施例の光学系の概略図である。本実施例の光学系１００は、光学素子７１ａ、７１ｂを含む複数の光学素子としての複数のレンズ７１を有する。図１０において、７２は絞りであり、７３は結像面を表している。

本実施例において７１ａはＤＯＥとなっており、回折格子部２が設けられている。ＤＯＥ７１ａは実施例１乃至４のいずれかのＤＯＥ１０と同様の特性を有している。

実施例１乃至４で述べたように、本実施例のＤＯＥ７１ａは遠赤外域において１次回折光に対して高い回折効率を有する。このため本実施例の光学系１００ではフレアの発生を低減することができ、高品位な像を得ることができる。

なお、本実施例では、光学系１００がＤＯＥを１つ有する場合について説明したが、本発明はこれに限定されない。光学系１００が複数のＤＯＥを有していても良い。

［実施例６］
次に実施例６の撮像装置について説明する。

図１１は、本実施例の撮像装置２００である。撮像装置２００はサーモグラフィや暗視カメラ等の遠赤外線を受光して画像を形成する撮像装置である。撮像装置２００は、レンズ部２０１に前述した実施例５の光学系１００を有する。また、光学系１００の結像面７３には遠赤外域に感度を有する撮像素子が配置される。

デジタルカメラ２００が光学系１００を有することで、フレアの発生を低減した高品位な画像を得ることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態及び実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形及び変更が可能である。

１０ 回折光学素子
３ 第１の回折格子
４ 第２の回折格子

Claims (12)

1. 共通の軸を中心として配置された第１の回折格子と第２の回折格子とを有し、
   前記第１の回折格子の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_１（λ）、前記第２の回折格子の波長λ［μｍ］における屈折率をｎ_２（λ）としたとき、
   

   

   
   

   

   
   なる条件式を満足することを特徴とする回折光学素子。
2. 前記第１の回折格子と前記第２の回折格子は、共にブレーズ型の回折格子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. 基板と、該基板の上に設けられた前記第１の回折格子と、該第１の回折格子の上に設けられた前記第２の回折格子とで構成される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. ｆ（λ）＝（ｎ_１（λ）－ｎ_２（λ））／λ
   なる式で定義されるｆ（λ）について、
   ８μｍ以上１２μｍ以下の波長帯域でｆ（λ）をλに対して線形近似した際のλの係数をａ_１、１２μｍ以上１３μｍ以下の波長帯域でｆ（λ）をλに対して線形近似した際のλの係数をａ_２としたとき、
   ａ_２／ａ_１＜１
   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のいずれか一項に記載の回折光学素子。
5. θ_１＝（ｎ_１（１２）－ｎ_１（１３））／（ｎ_１（８）－ｎ_１（１２））
   θ_２＝（ｎ_２（１２）－ｎ_２（１３））／（ｎ_２（８）－ｎ_２（１２））
   Δθ_{１２，１３}＝θ_１－θ_２
   としたとき、
   ０．０１＜｜Δθ_{１２，１３}｜＜１．２
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
6. 前記第１の回折格子の吸収係数と前記第２の回折格子の吸収係数は、共に波長１０μｍにおいて２６．６６ｃｍ^－１以下であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回折光学素子。
7. 前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のうち少なくとも一方は有機材料を含んでいることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の回折光学素子。
8. 前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のうち少なくとも一方は高密度ポリエチレンを含んでいることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の回折光学素子。
9. 前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のうち少なくとも一方は有機材料に微粒子を分散させた材料で形成されていることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の回折光学素子。
10. 前記微粒子の平均粒径は２．５μｍ以下であることを特徴とする請求項９に記載の回折光学素子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の回折光学素子を含む複数の光学素子を有することを特徴とする光学系。
12. 請求項１１に記載の光学系と、該光学系からの光を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

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