JPH09127321A

JPH09127321A - 回折光学素子

Info

Publication number: JPH09127321A
Application number: JP23010495A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ishii; 哲也石井; Fumiyoshi Imamura; 文美今村
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1995-09-07
Publication date: 1997-05-16
Anticipated expiration: 2015-09-07
Also published as: JP3717555B2

Abstract

(57)【要約】【課題】回折効率の波長依存を低減して、色むらや不
要次数光によるフレアの発生等を有効に防止し得る回折
光学素子を提供する。【解決手段】積層された複数の光学材料11,12 を有
し、その少なくとも一つの互いに異なる光学材料の境界
面にレリーフパターン21を形成してなる回折光学素子に
おいて、レリーフパターン21を形成した境界面に接する
互いに異なる光学材料11,12 を、それらの屈折率ｎ
₁(λ) ，ｎ₂(λ) が、ｎ₁(λ) ＞ｎ₂(λ) 、〔｛ｎ₁(λ
₂)−ｎ₂(λ₂)｝／｛ｎ₁(λ₁)−ｎ₂(λ₁)｝〕＞〔｛ｎ
₁(λ₂)−１｝／｛ｎ ₁(λ₁)−１｝〕（ただし、λ₁ ＜λ
＜λ₂ ；λ₁ ，λ₂ は任意の光の波長）を満たすものを
もって構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数の波長で使
用する回折光学素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】回折光学素子、例えば、集光作用を有す
る回折レンズを用いる光学系には、従来の屈折レンズを
用いる場合に比べて、以下のような特長を有することが
知られている。回折レンズによって非球面波を容易に生成できるの
で、収差補正上効果的である。回折レンズは、実質的に厚みを持たないので、光学
系をコンパクトにできると共に、設計の自由度を上げる
ことができる。屈折レンズでいう分散特性に相当する量が、回折レ
ンズでは逆の値を持つので、色収差を効果的に補正する
ことができる。

【０００３】このような回折レンズの特長を利用して、
光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Bi
nary Optics Technology;The Theory and Design of Mu
lti-Level Diffractive Optical Element,Gary J.Swans
on,Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory,Aug
ust 1989. に詳しく記述されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、回折
光学素子には、従来の屈折素子にはない多くの有用な特
長があるが、他方では、回折効率が波長に依存するため
に、以下に説明するような種々の問題がある。例えば、
光学系に適用する回折光学素子は、レンズ素子として利
用する場合が多いが、このような用途においては、複数
の回折光（複数の焦点）が存在するのは、一般に好まし
くない。そこで、回折レンズにおいては、一般に、図１
９に示すように、使用する波長で透明な基材１０に、断
面形状が鋸歯波状のレリーフパターン２０を形成して、
特定次数の回折光にエネルギーを集中させるようにして
いる。

【０００５】しかしながら、図１９に示すように、断面
形状を鋸歯波状に加工すると、その溝深さによってエネ
ルギーを集中できる波長が異なるため、波長幅を有する
帯域光のエネルギーを特定次数の回折光に集中させるこ
とができなくなる。このような現象は、例えば、レーザ
のような単色と見なせる光を利用する場合には問題とな
らないが、カメラのように白色光を利用する光学系にお
いては、無視できない問題となる。

【０００６】また、回折光学素子の有用な特長の一つで
ある色収差補正効果を実現する場合には、使用する波長
が必然的に複数であるために、特定の波長の光で回折効
率を最適化すると、その他の波長では回折効率が低下
し、特に、可視帯域光で撮像する撮像光学系に適用する
場合には、回折効率の波長依存特性によって、色むらや
不要次数光によるフレアが生じるという問題がある。

【０００７】図２０は、図１９に示す回折光学素子にお
いて、基材１０としてＢＫ７を用い、レリーフパターン
２０を、波長λ＝５２０ｎｍにおいて１次回折効率が１
００％となるような溝深さで形成した場合の１次回折効
率の波長依存特性を示すものである。図２０から明らか
なように、一般に可視波長領域と見なせるλ＝４００ｎ
ｍからλ＝７００ｎｍにおいて、回折効率は、最適化し
たλ＝５２０ｎｍから離れるに従って減少し、特に、短
波長領域での低下が著しいことがわかる。このような所
望次数における回折効率の低下は、不要次数光の増加と
して、光学系に悪影響を与えることになる。

【０００８】この発明は、上述した問題点に着目してな
されたもので、回折効率の波長依存を低減して、色むら
や不要次数光によるフレアの発生等を有効に防止し得る
よう適切に構成した回折光学素子を提供することを目的
とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、積層された複数の光学材料を有し、そ
の少なくとも一つの互いに異なる光学材料の境界面にレ
リーフパターンを形成してなる回折光学素子において、
前記レリーフパターンを形成した境界面に接する互いに
異なる光学材料を、それらの屈折率ｎ₁(λ) ，ｎ₂(λ)
が、

【数２】を満たすものをもって構成したことを特徴とするもので
ある。

【００１０】前記波長λ₁ およびλ₂ は、λ₁ ＝４００
ｎｍ、λ₂ ＝７００ｎｍとするのが、適用可能な光学材
料の種類が多く、光学材料の組み合わせの最適化の点で
好ましい。

【００１１】前記屈折率ｎ₂(λ) の光学材料として、Ｔ
ｌ₂Ｏを含むガラスを適用することが、これと対をなす
屈折率ｎ₁(λ) の光学材料の選択の範囲を広げる点で好
ましい。

【００１２】前記レリーフパターンは、溝深さｄとし
て、その周期構造のピッチＴが、

【数３】を満たすように形成するのが、良好な光学特性を得る上
で好ましい。

【００１３】

【発明の実施の形態】断面を鋸歯波状に形成したレリー
フパターンは、図１に示すような位相シフト関数φ
（ｘ）で表すことができる。このφ（ｘ）は、レリーフ
パターンの波面変調作用を特長づける関数で、その形状
は、レリーフパターンの断面形状と一致した周期関数で
ある。ここで、位相シフト関数φ（ｘ）の振れ幅（以
後、これを位相振幅と呼ぶことにする）ａを用いれば、
図１に示す位相シフト関数φ（ｘ）で表されるレリーフ
パターンのｍ次回折効率η_mは、

【数４】で与えられる。

【００１４】（１）式において、位相振幅ａは、空気の
屈折率を１、基材の屈折率をｎ、溝深さをｄ、および光
の波長をλとして、

【数５】で定義される量である。ここで、波長λ₀でｍ₀次回折
効率が１００％となるように最適化した溝深さｄ₀は、

【数６】であるから、この結果を（２）式に用いれば、

【数７】のように表すことができる。

【００１５】（４）式は、ある定まった溝深さｄ₀に対
して位相振幅ａが波長に依存することを意味し、この位
相振幅ａの波長依存によって、（１）式から明らかなよ
うに、回折効率の波長依存が引き起こされる。図２は、
図２０に示した回折効率の波長依存特性に対応する位相
振幅の波長依存特性を示すものである。

【００１６】位相振幅の波長依存を、さらに詳しく説明
するために、（４）式から位相振幅の波長依存を決定す
る要素Ｒ（λ），Ｄ（λ）を、以下のように定義する。

【数８】

【００１７】図３は、（５）式で定義した要素Ｒ
（λ），Ｄ（λ）の位相振幅の波長依存特性を示すもの
である。図３から明らかなように、Ｒ（λ），Ｄ（λ）
は、波長の増加に伴ってともに単調に減少するが、その
変化は、Ｒ（λ）よりもＤ（λ）のほうが大きい。この
ことから、レリーフパターンの回折効率の波長依存は、
もっぱらＤ（λ）に依存していることがわかる。

【００１８】本発明者は、種々の実験検討により、特定
の条件下において、上記のＲ（λ）がＤ（λ）の波長依
存を打ち消すように作用し、その結果、位相振幅の波長
依存が低減し、回折効率の波長依存特性を改善できるこ
とを見いだした。すなわち、レリーフパターンを、異な
る光学材料の境界面に形成し、それぞれの光学材料を高
屈折率低分散および低屈折率高分散の組み合わせ（ただ
し、屈折率および分散の高低は、相対的なもの）とす
る。このように構成すると、（４）式に相当する位相振
幅の波長依存は、

【数９】のようになる。さらに、この（６）式から、（５）式に
相当する位相振幅の波長依存を決定する要素Ｒ′
（λ），Ｄ（λ）は、

【数１０】で与えられる。ここで、ｎ₁(λ) およびｎ₂(λ) は、そ
れぞれ高屈折率低分散材料および低屈折率高分散材料の
屈折率である。

【００１９】このように、この発明では、従来、基材と
空気との屈折率の差を利用して構成していたレリーフパ
ターンを、異なる光学材料の屈折率の差を利用して構成
し、さらにその組み合わせを最適化することによって、
回折効率の波長依存を改善する。具体的には、レリーフ
パターンを形成した境界面に接する互いに異なる光学材
料の屈折率ｎ₁(λ) ，ｎ₂(λ) が、

【数１１】の条件を満足するようにする。

【００２０】すなわち、回折効率の波長依存の主因であ
るＤ（λ）の寄与に対して、従来は（５）式で定義され
るＲ（λ）が対をなして、むしろ回折効率の波長依存を
増加させるように作用していたが、この発明では、
（８）式の条件を満足することにより、従来のＲ（λ）
の作用と比較して、（７）式で定義されるＲ′（λ）
が、回折効率の波長依存を低減させる方向に作用するこ
とになる。なお、（８）式において、使用波長幅の上限
（λ₂ ）および下限（λ₁ ）は、特に限定されるもので
はないが、実用的には、通常のカメラ等に用いられる可
視光の波長領域に適用するのが、適用可能な光学材料の
種類が多く、光学材料の組み合わせの最適化にとって有
利であることから、λ₁ ＝４００ｎｍ、λ₂ ＝７００ｎ
ｍとするのが最も効果的である。

【００２１】ここで、異なる光学材料の境界面にレリー
フパターンを構成したものとして、例えば、特開平２−
４３５０３号公報（従来例１）に複合光学素子が開示さ
れている。しかし、従来例１は、回折レンズを積層する
ことにより、個々の回折レンズのパワー負担を減少させ
るようにしたもので、この発明の回折光学素子とは、そ
の目的を全く異にすると共に、当然ながらこの発明の特
徴である光学材料の特性に関しては何ら言及されていな
い。

【００２２】一方、光学材料の特性に関して言及したも
のとして、特開平５−６６３７０号公報（従来例２）
に、波長選択性位相格子光学的ローパスフィルタが開示
されている。このローパスフィルタにおいては、緑色光
（Ｇ）波長における光学材料の屈折率差をゼロにするこ
とにより、その波長における回折作用を実質的に無くし
て、Ｇ波長近傍における遮断周波数を高くしている。つ
まり、２種類の光学材料の分散を異なるものとすること
によって、Ｇ波長から離れるほど遮断周波数が低くなる
ように、すなわち、位相振幅を増加させることによっ
て、回折作用を増加させるように構成している。

【００２３】この従来例２において、２種類の光学材料
の境界面にレリーフパターンを形成する理由は、Ｇ波長
における屈折率差をゼロにすることによって、位相振幅
をゼロにするためである。このような構成は、例えば、
特開昭６４−６１７２６号公報（従来例３）に開示され
ているように、２種類の光学材料の屈折率差をゼロを中
心にして制御する、一種のスイッチング素子を実現した
ものと同一の思想の上に成り立っている。

【００２４】この発明では、（８）式から明らかなよう
に、境界面にレリーフパターンを形成する２種類の光学
材料の屈折率の大小関係が、使用する波長帯域において
反転することがない。また、この発明では、光学材料の
組み合わせを適切に選択することにより、屈折率の波長
依存に伴う作用Ｒ′（λ）が、回折光学素子の本質的な
作用Ｄ（λ）を打ち消すようにして、回折効率の波長依
存を低減させるようにしているが、このような内容につ
いては、上述した従来例では何ら考慮していない。例え
ば、従来例２の構成においては、確かにＧ波長において
回折作用をなくすという一種の回折効率の制御を行って
いるが、その周辺の波長における回折作用、つまり回折
効率の波長依存は、必ずしも最適に制御されているとは
いえない。特に、この従来例２についていえば、回折光
学素子の本質的な作用Ｄ（λ）に関して全く考慮されて
いない。この発明は、上述した従来例とは、思想が根本
的に異なり、使用する波長帯域全体にわたる総合的な回
折効率に関し、従来にない多大な効果をもたらすもので
ある。

【００２５】図４は、この発明において境界面にレリー
フパターンを形成する２種類の光学材料の屈折率の波長
依存特性の一例を示すものである。ここで、注目すべき
点は、２種類の光学材料の屈折率差が、短波長側で小さ
く、長波長側で大きいことである。このように２種類の
光学材料を選定することにより、図５に示すように、
（７）式で示したＲ′（λ）が波長の増加に伴って単調
に増加して、Ｄ（λ）の効果を打ち消すように作用し、
その結果、（６）式で示した位相振幅の波長依存が低減
されて、回折効率の波長依存が改善される。このような
改善の効果は、図３に示した基材表面にレリーフパター
ンを形成した従来のものと比較して、２種類の光学材料
の特性を、Ｒ′（λ）の傾きが増加するように選択した
ときに表れる。

【００２６】しかし、２種類の光学材料の選択につい
て、（８）式の条件から外れると、基材表面にレリーフ
パターンを形成した従来の回折光学素子と比較して、回
折効率の波長依存が悪化する。例えば、ＢＫ７（低屈折
率低分散）とＰＣ（ポリカーボネイト；高屈折率高分
散）との境界面にレリーフパターンを形成すると、その
回折効率の波長依存は、図６に曲線で示すようにな
り、曲線で示す従来の基材（ＢＫ７）表面にレリーフ
パターンを形成した回折光学素子における回折効率の波
長依存と比較して悪くなる。なお、図６の曲線および
は、それぞれレリーフの溝深さを、波長λ＝５２０ｎ
ｍで回折効率が１００％となるように設定した場合の波
長依存を示す。このように、光学材料の組み合わせが不
適当であると、むしろ回折効率の波長依存が悪化するた
め、２種類の光学材料の境界面にレリーフパターンを形
成して、回折効率の波長依存を向上させるためには、光
学材料の組み合わせが重要な要素となる。

【００２７】次に、この発明にかかる回折光学素子にお
けるレリーフパターンの溝深さについて言及する。この
発明において、２種類の光学材料の境界面の断面を鋸歯
波状に形成したレリーフパターンの溝深さは、次の
（９）式で表される。これは、基材表面にレリーフパタ
ーンを形成する場合の（３）式に相当する溝深さであっ
て、波長λ₀においてｍ₀次回折効率が１００％となる
ように最適化した溝深さである。

【数１２】

【００２８】この溝深さは、従来の基材表面にレリーフ
パターンを形成する場合と比較して、一般に深くなる。
しかし、この溝深さが、レリーフパターンのピッチＴに
対してある程度深くなると、回折効率の入射角依存が増
大して、光学系への適用の際に問題となる場合があると
共に、回折効率の波長依存に関して、すでに（１）式で
示した関係が不正確なものとなる。このように溝深さが
深いレリーフパターンは、一般に、厚型格子と呼ばれ
る。

【００２９】この発明において、レリーフパターンの厚
さを特徴づけるパラメータとしてのＱ値は、溝深さｄ、
波長λとして、

【数１３】のように表すことができる。

【００３０】ここで、一般に、薄いレリーフパターン
は、Ｑ＜１の条件で分類されるので、この発明にかかる
回折光学素子においても、その周期構造のピッチＴが、
Ｑ＜１を満たすように構成することが望ましい。すなわ
ち、

【数１４】を満足するよう構成するのが好ましい。

【００３１】また、本発明者による種々の実験検討によ
れば、特に、Ｑ＜０．１のときに、レリーフパターン
は、薄型の性質をよりよく表すことが確認された。した
がって、より好ましくは、Ｑ＜０．１を満たすように、
すなわち、

【数１５】を満足するように、レリーフパターンを構成するのが望
ましい。

【００３２】

【実施例】この発明の第１実施例においては、境界面に
レリーフパターンを形成する２種類の光学材料として、
光学ガラスＢＳＭ８１（オハラ製）と、プラスチック光
学材料ＰＣ（ポリカーボネイト）とを用いる。図４は、
それぞれの光学材料の屈折率の波長依存特性を示すもの
で、ｎ₁(λ) は高屈折率低分散材料に相当するＢＳＭ８
１の屈折率波長依存特性を、ｎ₂(λ) は低屈折率高分散
材料に相当するＰＣの屈折率波長依存特性を示してい
る。かかる光学材料の組み合わせが、位相振幅の波長依
存に及ぼす作用については、図５において既に説明した
ので、以下に、かかる光学材料の組み合わせによって、
位相振幅の波長依存が実際にどのように改善されたか
を、図７を参照しながら説明する。

【００３３】図７は、位相振幅の波長依存特性を示すも
ので、は、基材（ＢＳＭ８１）の表面にパターンを形
成した従来の回折光学素子の場合を、は、上記の２種
の光学材料（ＢＳＭ８１，ＰＣ）の境界面にパターンを
形成したこの実施例による回折光学素子の場合をそれぞ
れ示している。なお、回折効率が最大となるように最適
化した波長は、については５２０ｎｍ、について
は、d-line（５８７．５６ｎｍ）とした。この実施例に
おいては、比較的短波長側での位相振幅の波長依存の改
善効果が大きいので、回折効率が最大となるように最適
化する波長は、従来の場合と比較して長波長側に設定す
るのが好ましく、このように設定することにより、使用
波長帯域に亘って位相振幅の変化量をより小さく抑える
ことが可能となる。

【００３４】図８は、図７に示した位相振幅の波長依存
特性に対応する回折効率の波長依存特性を示すもので、
は従来の回折光学素子の波長依存特性を、は上記の
２種の光学材料（ＢＳＭ８１，ＰＣ）を用いるこの実施
例による回折光学素子の波長依存特性を示している。図
８から明らかなように、この実施例による回折光学素子
によれば、回折効率の波長依存特性を実質的に無視でき
る程度に小さく抑えることができ、改善の効果が著しい
ことが実証された。

【００３５】なお、上記の説明では、低屈折率高分散材
料として、プラスチック光学材料ＰＣを用いたが、一般
に、プラスチック光学材料は、低屈折率高分散の特長を
有するので、他のプラスチック光学材料も有効に用いる
ことができる。しかも、プラスチック光学材料は、成形
性に優れているので、回折光学素子をより容易に製造で
きるという利点がある。

【００３６】また、この実施例では、レリーフパターン
を２種類の光学材料の境界面に形成しているので、光学
素子の耐環境性を向上することが可能となる。すなわ
ち、レリーフパターンは、通常の屈折素子（例えば、レ
ンズ）と異なり、その表面が埃や指紋で汚染された場
合、払拭することが一般に困難であるが、この実施例に
かかる回折光学素子では、レリーフパターンを２種類の
光学材料の境界面に形成しているので、汚染の問題が生
じない。

【００３７】以下、第１実施例による回折光学素子の具
体的構成について説明する。なお、以下に例示する回折
光学素子の全てに共通する特長は、回折効率の波長依存
が改善されたこと、耐環境性が向上されたことにある。

【００３８】図９は、第１実施例による回折光学素子の
基本的な構成を示すものである。この回折光学素子は、
プリズム作用をなすもので、ＰＣよりなる光学材料１１
と、ＢＳＭ８１よりなる光学材料１２との境界面に、等
ピッチの鋸歯波状レリーフパターン２１を形成したもの
である。また、図１０は、図９の変形例を示すもので、
光学材料１１，１２の境界面のレリーフパターン２３
を、集光作用を有するように形成すると共に、光学材料
１１の外部と接する面３２も集光作用を有するように曲
面としたものである。

【００３９】図９および１０に示す回折光学素子によれ
ば、素子に入射する光は、特定方向に進行方向が曲げら
れるが、その際に光を曲げる作用の波長依存が、レリー
フパターン２１または２３（回折面）と、外部に接する
面３１または３２（屈折面）とで相補的となるので、色
収差が低減されることになる。

【００４０】図１１は、光学材料１１，１２の境界面
に、断面形状が矩形のレリーフパターン２２を形成した
ものである。このように、レリーフパターン２２の断面
形状を矩形にすれば、複数の次数の回折光を生成するこ
とができると共に、その各次数の回折光の強度分布の波
長依存を防止することができる。したがって、かかる回
折光学素子は、遮断周波数の波長依存を低減した空間的
ローパスフィルタとして好適に用いることができる。

【００４１】図１２は、異なる光学材料が接する境界面
を２面として、それぞれの境界面にレリーフパターン２
１，２２を形成したものである。２つの境界面を形成す
る光学材料１１，１２および１３は、中間の光学材料１
２をＰＣ、両側の光学材料１１，１３をＢＳＭ８１とす
るか、中間の光学材料１２をＢＳＭ８１、両側の光学材
料１１，１３をＰＣとするか、あるいは、それぞれ異な
る３種類の光学材料とする。この回折光学素子によれ
ば、パターンピッチの制限等によって光を曲げる角度が
制限される場合に、各パターン面（回折面）が負担する
曲げ量を低減できるので、所望の特性のものを容易に得
ることができる。

【００４２】図１３は、３つの光学材料１１，１２およ
び１４を積層して得られる２つの境界面の一方にレリー
フパターン２３を、他方に球面３３を形成したものであ
る。この場合、レリーフパターン２３を形成する光学材
料１１，１２は、例えば上記のＢＳＭ８１とＰＣとの組
み合わせとするが、光学材料１４は、任意の光学材料を
用いる。

【００４３】この発明の第２実施例においては、屈折率
ｎ₂(λ) の低屈折率高分散の光学材料を、少なくともＴ
ｌ₂Ｏを含むガラスをもって構成する。一般に、ガラス
材料にＴｌ₂Ｏを添加すると、高屈折率高分散へと変化
し、その変化の軌跡は、ガラスマップ上で低屈折率高分
散の方へ曲がった弓状になる。例えば、ＳｉＯ₂（シリ
カガラス＝石英ガラス）にＴｌ₂Ｏを添加すると、図１
４に示すように変化する。なお、図１４は、ＳｉＯ₂に
Ｔｌ₂Ｏを０mol ％から２５mol ％まで添加した場合を
示している。

【００４４】図１４から明らかなように、ＳｉＯ₂−Ｔ
ｌ₂Ｏガラスの分布は、市販のガラスに比べて低屈折率
高分散となる。したがって、このＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガ
ラスを低屈折率高分散の光学材料として用いれば、これ
と境界をなす屈折率ｎ₁(λ)の高屈折率低分散の光学材
料の選択範囲が広がり、市販のガラスを使用することも
可能となる。

【００４５】なお、屈折率ｎ₂(λ) の低屈折率高分散の
光学材料は、ＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏの２成分ガラスに限ら
ず、さらに他の成分を添加することができる。このよう
に他の成分を添加すれば、添加する成分やその添加量に
よって、ガラスの屈折率および分散が変化し、図１４に
示す曲線の周辺に分布する様々なガラスを得ることが可
能となる。

【００４６】また、Ｔｌ₂Ｏを添加する元の材料は、Ｓ
ｉＯ₂に限らず、Ｂ₂Ｏ₃（酸化ほう素）等の他の材料
を用いることができる。このように元の材料を変える
と、図１４において、Ｔｌ₂Ｏおよびその他の成分を添
加したときのガラスマップ上での軌跡の出発点が変わ
り、また変化の仕方も変わるので、レリーフパターンを
形成する２種類の光学材料の組み合わせ範囲をより広く
することが可能となる。

【００４７】このように、Ｔｌ₂Ｏを添加する元の材料
を他の材料に変えたり、Ｔｌ₂Ｏおよび他の成分の添加
量を、連続的に変えたりすることができるので、ガラス
マップ上の所定の範囲内に分布する任意のガラスを得る
ことが可能になる。なお、Ｔｌ₂Ｏの添加量は、３０mo
l ％を越えると、ガラスを生成することが困難になるの
で、３０mol ％以下とするのが望ましい。

【００４８】また、ピッチの面から、ｎ₂(λ）の低屈折
率高分散材料に含まれるＴｌ₂Ｏの割合は、７．５mol
％以上が特に好ましい。このようにすれば、ｎ₁(λ）の
高屈折率低分散材料の市販のガラスと組み合わせる場
合、低屈折率高分散材料がプラスチック光学材料の場合
に比べて、上記（１１）式の右辺の値を小さくでき、し
たがってレリーフパターンのピッチをより小さくするこ
とができるので、光を曲げる角度の範囲を広くでき、回
折光学素子の適用範囲を広げることができる。

【００４９】この実施例では、境界面にレリーフパター
ンを形成する２種類の光学材料として、光学ガラスＬＡ
Ｌ１１（オハラ製）と、ＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏ（Ｔｌ
₂Ｏ：８．７５mol ％）とを用いる。図１５は、それぞ
れの光学材料の可視域における屈折率の波長依存特性を
示すもので、ｎ₁(λ) は高屈折率低分散材料に相当する
ＬＡＬ１１の屈折率波長依存特性を、ｎ₂(λ) は低屈折
率高分散材料に相当するＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏの屈折率波
長依存特性をそれぞれ示している。

【００５０】図１６は、位相振幅の波長依存特性を示す
もので、は、基材（ＬＡＬ１１）の表面にレリーフパ
ターンを形成した従来の回折光学素子の場合を、は、
上記２種の光学材料（ＬＡＬ１１，ＳｉＯ₂−Ｔｌ
₂Ｏ）の境界面に鋸歯形状のレリーフパターンを形成し
たこの実施例の回折光学素子の場合をそれぞれ示してい
る。なお、回折効率が最大となるように最適化した波長
は、については５１０ｎｍ、についてはd-line（５
８７．５６ｎｍ）とした。この実施例においても、第１
実施例の場合と同様に、比較的短波長側での位相振幅の
波長依存の改善効果が大きいので、回折効率が最大とな
るように最適化する波長は、従来の場合と比較して長波
長側に設定するのが好ましく、これにより使用波長帯域
に亘って位相振幅の変化量をより小さく抑えることが可
能となる。

【００５１】図１７は、図１６に示した位相振幅の波長
依存特性に対応する回折効率の波長依存特性を示すもの
で、は従来の回折光学素子の波長依存特性を、は上
記２種の光学材料（ＬＡＬ１１，ＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏ）
を用いるこの実施例による回折光学素子の波長依存特性
を示している。図１７から明らかなように、この実施例
による回折光学素子によれば、回折効率の波長依存特性
を実質的に無視できる程度に小さく抑えることができ、
改善の効果が著しいことがわかる。

【００５２】この実施例による回折光学素子を構成する
２種類の光学材料は、上記の例に限らず、種々の組み合
わせが可能である。その幾つかの組み合わせについて、
従来の回折効率と、この実施例により改善された回折効
率とを、波長４００ｎｍから７００ｎｍの範囲で、５０
ｎｍごとに表１に比較して示す。なお、表１において、
各欄の上段は市販ガラス（材料１）を、下段はＳｉＯ₂
−Ｔｌ₂Ｏガラスで、Ｔｌ₂Ｏを表記の割合（mol ％）
で含むもの（材料２）をそれぞれ示す。また、各欄にお
いて、従来の回折効率は、その左欄上段の材料１の表面
にレリーフパターンを形成した回折光学素子のものを示
し、この実施例（本発明）にかかる回折効率は、その左
欄上段の材料１と、下段の材料２との境界面にレリーフ
パターンを形成した回折光学素子のものを示す。この表
１から、この実施例による回折光学素子によれば、いず
れの組み合わせにおいても、回折効率の波長依存が著し
く改善されていることがわかる。

【００５３】

【表１】

【００５４】なお、表１では、波長４００ｎｍから７０
０ｎｍの範囲について示したが、上記（８）式で示した
使用波長帯域の上限および下限は、この帯域に特に限定
されるものではない。しかし、通常のカメラ等の大半の
光学機器は、可視領域で用いられていると共に、この領
域で適用可能な光学材料の種類は多く、材料の組み合わ
せの最適化にとって有利であるので、この実施例による
回折光学素子も、実用的には、可視光の波長領域に適用
することが最も効果的である。

【００５５】また、Ｔｌ₂Ｏの添加量は、表１に示した
もの以外にも、連続的に変えることができ、これにより
図１４の曲線上に分布するガラスを連続的に得ることも
できる。さらに、ＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガラスに他の成分
を添加して、屈折率および分散を微調整することによ
り、図１４の曲線からわずかに離れたガラスを得ること
もできる。また、母体材料をＳｉＯ₂から、例えば、Ｂ
₂Ｏ₃等の他の材料に置き換えることもでき、この場合
も、Ｔｌ₂Ｏの添加量により、屈折率と分散を変えるこ
とができる。

【００５６】以上のように、主として、Ｔｌ₂Ｏの添加
量を調節することにより、所望の低屈折率高分散のガラ
スを容易に得ることができるので、使用できる屈折率ｎ
₁(λ) の高屈折率低分散材料も非常に多くなる。その結
果、上記（８）式を満たす組み合わせが多数存在するこ
とになり、市販のガラスも数多く使用することができる
ようになる。

【００５７】この実施例においても、第１実施例の場合
と同様に、レリーフパターンを２種類の光学材料の境界
面に形成しているので、汚染の問題がなく、したがって
光学素子の耐環境性を向上することができる。また、特
に、この実施例では、２種類の光学材料をともにガラス
とすることができるので、プラスチック等を用いる場合
に比べて、光学性能、耐久性に優れた回折光学素子を得
ることができる。

【００５８】なお、第２実施例による回折光学素子は、
具体的には、図９〜１３と同様に構成することができ
る。すなわち、図９に示す構成においては、光学材料１
１をＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガラス、光学材料１２をＬＡＬ
１１として、それらの境界面に、等ピッチの鋸歯波状レ
リーフパターン２１を形成する。また、図１０に示す構
成においては、ＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガラスよりなる光学
材料１１とＬＡＬ１１よりなる光学材料１２の境界面の
レリーフパターン２３を集光作用を有するように形成す
ると共に、光学材料１１の外部と接する面３２も集光作
用を有するように曲面とする。

【００５９】このように構成すれば、第１実施例の場合
と同様に、素子に入射して特定方向に進行方向を曲げら
れる光の波長依存が、レリーフパターン２１または２３
（回折面）と、外部に接する面３１または３２（屈折
面）とで相補的となるので、色収差を低減することがで
きる。

【００６０】また、図１１に示すように、ＳｉＯ₂−Ｔ
ｌ₂Ｏガラスよりなる光学材料１１とＬＡＬ１１よりな
る光学材料１２の境界面に、断面形状が矩形のレリーフ
パターン２２を形成する。かかる回折光学素子によれ
ば、第１実施例の場合と同様に、複数の次数の回折光を
生成することができると共に、その各次数の回折光の強
度分布の波長依存を防止することができるので、遮断周
波数の波長依存を低減した空間的ローパスフィルタとし
て、好適に用いることができる。

【００６１】さらに、図１２に示すように、異なる光学
材料が接する境界面を２面として、それぞれの境界面に
レリーフパターン２１，２２を形成する。この場合、２
つの境界面を形成する光学材料１１，１２および１３
は、中間の光学材料１２をＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガラス、
両側の光学材料１１，１３をＬＡＬ１１とするか、中間
の光学材料１２をＬＡＬ１１、両側の光学材料１１，１
３をＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガラスとするか、あるいは、そ
れぞれ異なる３種類の光学材料とする。この回折光学素
子によれば、第１実施例の場合と同様に、パターンピッ
チの制限等によって光を曲げる角度が制限される場合
に、各パターン面（回折面）が負担する曲げ量を低減で
きるので、所望の特性のものを容易に得ることができ
る。

【００６２】また、図１３に示すように、３つの光学材
料１１，１２および１４を積層して得られる２つの境界
面の一方にレリーフパターン２３を、他方に球面３３を
形成する。この場合、レリーフパターン２３を形成する
光学材料１１，１２は、上記のＳｉＯ₂−Ｔｌ₂Ｏガラ
スとＬＡＬ１１との組み合わせとするが、光学材料１４
は、任意の光学材料を用いる。

【００６３】なお、この発明は、上述した実施例にのみ
限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能
である。例えば、図９〜１３においては、透過型の回折
光学素子の具体的構成について示したが、この発明にか
かる回折光学素子は、外部に接する面にミラーコートを
施すことにより、反射型素子として構成することもでき
る。例えば、図１８に示すように、光学材料１１，１２
の境界面にレリーフパターン２１を形成すると共に、光
学材料１２側の外部に接する面３４にミラーコートを施
す。なお、光学材料１２の層の厚さは、レリーフパター
ン２１と同程度とする。この回折光学素子によれば、光
が面３１の側から入射した場合、波面変調作用がほぼミ
ラーコート面３４で生じていると見なせるので、実質的
に反射型格子を得ることができる。

【００６４】また、上記の各回折光学素子において、光
利用効率を向上させるために、レリーフパターンやミラ
ーコートを形成しない面に、反射防止コートを施すこと
もできる。

【００６５】付記１．積層された複数の光学材料を有し、その少なくとも
一つの互いに異なる光学材料の境界面にレリーフパター
ンを形成してなる回折光学素子において、前記レリーフ
パターンを形成した境界面に接する互いに異なる光学材
料を、それらの屈折率ｎ₁(λ) ，ｎ₂(λ) が、

【数１６】を満たすものをもって構成したことを特徴とする回折光
学素子。２．付記１記載の回折光学素子において、λ₁ ＝４００
ｎｍ、λ₂ ＝７００ｎｍとしたことを特徴とする回折光
学素子。３．付記１または２記載の回折光学素子において、屈折
率ｎ₂(λ) の光学材料が、Ｔｌ₂Ｏを含むガラスからな
ることを特徴とする回折光学素子。４．付記１、２または３記載の回折光学素子において、
溝深さｄで形成した前記レリーフパターンの周期構造の
ピッチＴが、

【数１７】を満たすことを特徴とする回折光学素子。５．付記３記載の回折光学素子において、Ｔｌ₂Ｏの含
有率が３０mol ％以下であることを特徴とする回折光学
素子。６．付記３記載の回折光学素子において、Ｔｌ₂Ｏの含
有率が７．５mol ％以上であることを特徴とする回折光
学素子。７．付記１〜４のいずれか記載の回折光学素子におい
て、前記レリーフパターンは、鋸歯波状の断面形状を有
することを特徴とする回折光学素子。８．付記７記載の回折光学素子において、前記レリーフ
パターンは、レンズ作用を有するパターンであることを
特徴とする回折光学素子。９．付記１〜４のいずれか記載の回折光学素子におい
て、前記レリーフパターンを形成しない面の少なくとも
１つの面に、反射防止コートを有することを特徴とする
回折光学素子。１０．付記１〜４のいずれか記載の回折光学素子におい
て、前記レリーフパターンを形成しない面の少なくとも
１つの面を曲面としたことを特徴とする回折光学素子。１１．付記１０記載の回折光学素子において、前記曲面
は、レンズ作用を有することを特徴とする回折光学素
子。１２．付記１〜４のいずれか記載の回折光学素子におい
て、外部に接する面の少なくとも１つの面に、ミラーコ
ートを有することを特徴とする回折光学素子。１３．付記１２記載の回折光学素子において、前記ミラ
ーコートを有する面を構成する光学材料と接する異なる
光学材料の面に前記レリーフパターンを形成すると共
に、前記ミラーコートを有する面を構成する光学材料の
厚さを、前記レリーフパターンの溝深さと実質的に等し
くしたことを特徴とする回折光学素子。１４．付記１〜４のいずれか記載の回折光学素子におい
て、互いに接する異なる２種類の光学材料の少なくとも
一方を、プラスチック光学材料をもって構成したことを
特徴とする回折光学素子。

【００６６】

【発明の効果】この発明によれば、回折効率の波長依存
を有効に低減することができるので、例えば、カメラの
ような白色光で使用する光学系に適用した場合には、色
むらや不要次数光によるフレアの発生等を有効に防止す
ることができる。また、レリーフパターンを素子の内部
に形成するようにしたので、耐環境性を向上することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】断面が鋸歯波状のレリーフパターンにおける位
相シフト関数φ（ｘ）を示す図である。

【図２】図２０で示した回折効率の波長依存特性に対応
する位相振幅の波長依存特性を示す図である。

【図３】図２の位相振幅の波長依存を決定する要素Ｒ
（λ），Ｄ（λ）の波長依存特性を示す図である。

【図４】この発明の第１実施例において、境界面にレリ
ーフパターンを形成する２種類の光学材料の屈折率の波
長依存特性の一例を示す図である。

【図５】図４の２種類の光学材料における位相振幅の波
長依存を決定する要素Ｒ′（λ），Ｄ（λ）の波長依存
特性を示す図である。

【図６】従来の回折光学素子と、２種類の光学材料の不
適切な選択による回折光学素子との回折効率の波長依存
特性を比較して示す図である。

【図７】従来の回折光学素子と、第１実施例による回折
光学素子との位相振幅の波長依存特性を比較して示す図
である。

【図８】図７に示した位相振幅の波長依存特性に対応す
る回折効率の波長依存特性を示す図である。

【図９】この発明による回折光学素子の基本的な構成を
示す断面図である。

【図１０】同じく、その変形例を示す断面図である。

【図１１】断面形状が矩形のレリーフパターンを有する
この発明による回折光学素子の構成を示す断面図であ
る。

【図１２】２つの境界面を有するこの発明による回折光
学素子の一例の構成を示す断面図である。

【図１３】同じく、他の例を示す断面図である。

【図１４】ＳｉＯ₂にＴｌ₂Ｏを０mol ％から２５mol
％まで添加した場合の屈折率分散の変化を示す図であ
る。

【図１５】この発明の第２実施例において、境界面にレ
リーフパターンを形成する２種類の光学材料の屈折率の
波長依存特性の一例を示す図である。

【図１６】従来の回折光学素子と、第２実施例による回
折光学素子との位相振幅の波長依存特性を比較して示す
図である。

【図１７】図１６に示した位相振幅の波長依存特性にそ
れぞれ対応する回折効率の波長依存特性を比較して示す
図である。

【図１８】この発明による反射型回折光学素子の一例の
構成を示す断面図である。

【図１９】従来の回折光学素子を示す部分断面図であ
る。

【図２０】従来の回折光学素子における１次回折効率の
波長依存特性の一例を示す図である。

【符号の説明】

１１，１２，１３，１４光学材料２１，２２，２３レリーフパターン３３球面３４ミラーコート面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】積層された複数の光学材料を有し、その
少なくとも一つの互いに異なる光学材料の境界面にレリ
ーフパターンを形成してなる回折光学素子において、前記レリーフパターンを形成した境界面に接する互いに
異なる光学材料を、それらの屈折率ｎ₁(λ) ，ｎ₂(λ)
が、【数１】を満たすものをもって構成したことを特徴とする回折光
学素子。