JPH09127322A - Diffraction optical element - Google Patents

Diffraction optical element

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JPH09127322A
JPH09127322A JP13864596A JP13864596A JPH09127322A JP H09127322 A JPH09127322 A JP H09127322A JP 13864596 A JP13864596 A JP 13864596A JP 13864596 A JP13864596 A JP 13864596A JP H09127322 A JPH09127322 A JP H09127322A
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relief
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To effectively prevent a flare, a ghost, etc., from being generated by easily manufacturing the diffraction optical element and reducing the wavelength dependency of its diffraction efficiency. SOLUTION: This diffraction optical element has 1st, 2nd, and 3rd areas 11, 12, and 13 which are laminated in order very closely or closely, a 1st relief pattern 21 which is formed on the border surface between the 1st and 2nd areas 11 and 12, and a 2nd relief pattern 22 which is formed on the border surface between the 2nd and 3rd areas 12 and 13. Then the 1st, 2nd, and 3rd areas 11, 12, and 13 are formed of mutually different materials which are substantially transparent to the wavelength of light in use and the 1st and 2nd relief patterns 21 and 22 have substantially equal pitch distributions and mutually different groove depths d1 and d2 and are so arranged that their corresponding positions are close to each other.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、複数の波長、あ
るいは帯域光で使用する回折光学素子に関するものであ
る。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diffractive optical element used with a plurality of wavelengths or band lights.

【0002】[0002]

【従来の技術】回折光学素子、例えば、レンズ作用を有
するように構成した回折光学素子(回折レンズ)は、以
下に示すように、従来からある屈折レンズにはない特長
を有することが知られている。 非球面波を容易に生成することができるので、収差を
効果的に補正することができる。 実質的に厚みを持たないので、設計の自由度が高く、
コンパクトな光学系を実現することができる。 屈折レンズでのアッベ数に相当する量が、回折レンズ
では負の値となるので、屈折素子との組み合わせによっ
て、色収差を効果的に補正することができる。
2. Description of the Related Art A diffractive optical element, for example, a diffractive optical element (diffractive lens) configured to have a lens function is known to have features which are not present in conventional refracting lenses, as shown below. There is. Since the aspherical wave can be easily generated, the aberration can be effectively corrected. Since it has virtually no thickness, it has a high degree of freedom in design,
It is possible to realize a compact optical system. Since the amount corresponding to the Abbe number in the refracting lens has a negative value in the diffractive lens, chromatic aberration can be effectively corrected by combining with the refracting element.

【0003】このような回折レンズの特長を利用し、光
学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Bina
ry Optics Technology; The Theory and Design of Mul
ti-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swans
on, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, A
ugust 1989.に詳しく記述されている。
For improving the performance of an optical system by utilizing the characteristics of such a diffractive lens, for example, Bina
ry Optics Technology; The Theory and Design of Mul
ti-Level Diffractive Optical Element, Gary J. Swans
on, Technical Report 854, MIT Lincoln Laboratory, A
It is described in detail in ugust 1989.

【0004】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、以下のような原
理的な問題がある。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、従来の回
折光学素子(具体的には回折レンズ)においては、一般
に、図19に示すように、使用する波長で透明な基材1
に、断面を鋸歯波状とした(ブレーズ化した)レリーフ
パターン2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。
As described above, the diffractive optical element has many useful features that conventional refracting elements do not have, but on the other hand, since the diffraction efficiency depends on the wavelength, the following principle is required. There's a problem. For example, a diffractive optical element applied to an optical system is often used as a lens element, but in such an application, the presence of a plurality of diffracted lights (a plurality of focal points) is generally not preferable. Therefore, in a conventional diffractive optical element (specifically, a diffractive lens), generally, as shown in FIG.
Further, a relief pattern 2 having a sawtooth-shaped cross section (blazed) is formed to concentrate energy on diffracted light of a specific order.

【0005】しかしながら、図19に示すように、断面
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、すなわち回折効率が最大になる波
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、レーザーのような、単色光を
利用する光学系の場合には問題にならないが、カメラの
ように白色光を利用する光学系では、特定の波長の光で
回折効率を最適化すると、その他の波長で回折効率が低
下してしまうという問題がある。
However, as shown in FIG. 19, when the cross section is processed into a sawtooth shape, the wavelength at which energy can be concentrated, that is, the wavelength at which the diffraction efficiency is maximized is different depending on the groove depth, so that the band light having a wavelength width is It becomes impossible to concentrate energy on the diffracted light of a specific order. This phenomenon is not a problem in the case of an optical system that uses monochromatic light, such as a laser, but in an optical system that uses white light, such as a camera, the diffraction efficiency of light of a specific wavelength If is optimized, there is a problem that the diffraction efficiency is reduced at other wavelengths.

【0006】図20は、図19に示した断面形状を有す
る回折光学素子において、基材1としてBK7を用い、
レリーフパターン2を、波長λ=510nmにおいて1
次回折効率が100%となるような溝深さで形成した場
合の1次回折効率と波長との関係を示したものである。
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=400nmからλ=700nmにおいて、回折
効率は、最適化した波長λ=510nm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くなる。
このような回折効率の低下は、単に分光透過率が低下す
るといった問題にとどまらず、溝深さが最適化されてい
ない波長において、不要次数の回折光が発生することに
なる。このため、かかる回折光学素子を、帯域光を用い
る光学系、例えば、白色光で用いる撮像光学系に適用し
た場合には、フレアーやゴーストが生じて、光学系の性
能を低下させることになる。
FIG. 20 shows a diffractive optical element having the sectional shape shown in FIG.
Relief pattern 2 is 1 at wavelength λ = 510 nm.
It shows the relationship between the first-order diffraction efficiency and the wavelength when the groove is formed so that the second-order diffraction efficiency is 100%.
As is clear from FIG. 20, in the range from λ = 400 nm to λ = 700 nm, which can be generally regarded as the visible wavelength range, the diffraction efficiency decreases as the wavelength deviates from the optimized wavelength λ = 510 nm, and particularly in the short wavelength range, the decrease is remarkable. Become.
Such a decrease in diffraction efficiency is not limited to the problem that the spectral transmittance is simply decreased, and diffracted light of an unnecessary order is generated at a wavelength where the groove depth is not optimized. Therefore, when such a diffractive optical element is applied to an optical system that uses band light, for example, an imaging optical system that uses white light, flare and ghosts occur, and the performance of the optical system deteriorates.

【0007】ここで、図19に示した断面が鋸歯波状の
レリーフパターンは、図21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に対応した周期関
数となる。この位相シフト関数φ(x)で表されるレリ
ーフパターンのm次回折効率ηm は、その振れ幅(以
後、位相振幅と呼ぶことにする)aを用いれば、
Here, the relief pattern having a sawtooth-shaped cross section shown in FIG. 19 can be expressed by a phase shift function φ (x) as shown in FIG. This φ (x) is a function that characterizes the wavefront modulation action of the relief pattern, and its shape is a periodic function corresponding to the cross-sectional shape of the relief pattern. The m-th order diffraction efficiency η m of the relief pattern represented by this phase shift function φ (x) can be obtained by using its swing width (hereinafter referred to as phase amplitude) a.

【数3】 で与えられる。(Equation 3) Given by

【0008】(1)式において、位相振幅aは、空気の
屈折率を1、レリーフパターンを形成した基材の屈折率
をn、溝深さをd、および使用する光の波長をλとし
て、
In the equation (1), the phase amplitude a is defined as follows: the refractive index of air is 1, the refractive index of the substrate on which the relief pattern is formed is n, the groove depth is d, and the wavelength of the light used is λ.

【数4】 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d
0 は、
(Equation 4) Is the amount defined by. Here, at the wavelength λ 0 , the groove depth d optimized so that the m 0 -order diffraction efficiency is 100%
0 is

【数5】 となるので、このときの位相振幅aは、(Equation 5) Therefore, the phase amplitude a at this time is

【数6】 となる。(Equation 6) Becomes

【0009】(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。例え
ば、図20に示した回折効率の波長依存も、このような
現象の結果である。
The expression (4) means that the phase amplitude a depends on the wavelength with respect to a certain groove depth d 0 , and the wavelength dependence of the phase amplitude a makes it clear from the expression (1). Thus, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is caused. For example, the wavelength dependence of the diffraction efficiency shown in FIG. 20 is also the result of such a phenomenon.

【0010】[0010]

【発明が解決しようとする課題】本出願人は、上述した
ような回折効率の波長依存性の仕組みを詳細に検討し、
回折効率の波長依存性を低減した新しいタイプのレリー
フ型回折光学素子を既に提案している(特願平7−22
0754号)。ここで提案している回折光学素子は、図
22に示すように、高屈折率低分散の光学材料10a
と、低屈折率高分散の光学材料10bとの異なる2種類
の光学材料を組み合わせ、その異なる2種類の光学材料
10a、10bの境界面にレリーフパターン20を形成
したものである。
The present applicant has studied in detail the mechanism of wavelength dependence of diffraction efficiency as described above,
A new type of relief type diffractive optical element with reduced wavelength dependence of diffraction efficiency has already been proposed (Japanese Patent Application No. 7-22).
0754). As shown in FIG. 22, the diffractive optical element proposed here has a high refractive index and low dispersion optical material 10a.
And two types of optical materials different from the low refractive index and high dispersion optical material 10b are combined, and the relief pattern 20 is formed on the boundary surface between the two different types of optical materials 10a and 10b.

【0011】ここで、レリーフパターン20の断面形状
を、図22に示すように鋸歯波状として、その溝深さ
を、波長λ0 でm0 次回折効率が100%となるように
最適化した場合の位相振幅a(λ)は、
Here, in the case where the cross-sectional shape of the relief pattern 20 is a saw-tooth wave shape as shown in FIG. 22, and the groove depth is optimized so that the m 0 -order diffraction efficiency is 100% at the wavelength λ 0. The phase amplitude a (λ) of

【数7】 で与えられる。ただし、n1(λ) は、高屈折率低分散の
光学材料10aの屈折率を示し、n2(λ) は、低屈折率
高分散の光学材料10bの屈折率を示す。
(Equation 7) Given by However, n 1 (λ) represents the refractive index of the optical material 10 a having a high refractive index and low dispersion, and n 2 (λ) represents the refractive index of the optical material 10 b having a low refractive index and high dispersion.

【0012】(5)式において、2種類の光学材料の屈
折率n1 ,n2 が、使用する波長帯域にわたって、例え
ば、図23に示すように、n1(λ) >n2(λ) であると
すると、分子に現われる屈折率差は波長λの増加に伴っ
て増加し、分母のλの変化分を打ち消すようになる。し
たがって、位相振幅の波長変化は、(4)式で表される
場合と比較して小さく抑えられるので、結果として、回
折効率の波長変化を小さく抑えることができる。
In the equation (5), the refractive indexes n 1 and n 2 of the two kinds of optical materials are n 1 (λ)> n 2 (λ) over the wavelength band used, as shown in FIG. Then, the refractive index difference appearing in the numerator increases as the wavelength λ increases, and the change of λ in the denominator is canceled. Therefore, the wavelength change of the phase amplitude can be suppressed to be small as compared with the case represented by the expression (4), and as a result, the wavelength change of the diffraction efficiency can be suppressed to a small value.

【0013】しかしながら、現実に存在する光学材料の
屈折率と分散(屈折率の波長分散)との関係は、おおよ
そ、屈折率が大きくなるほど分散も大きくなる傾向を示
すため、十分な効果を有する光学材料の組み合わせを見
い出すのは容易ではない。例えば、可視帯域光で使用す
る光学材料には、豊富な種類があるが、基本的には屈折
率の増加に伴って分散も増加する。また、可視帯域光で
使用する光学材料の多くは、いわゆる光学ガラスである
が、2種類の光学材料としてそれぞれ光学ガラスを選ん
だ場合には、加工性が悪いことから、その境界面に微細
なレリーフパターンを形成するのは容易ではない。さら
に、製造の容易さを考慮して、2種類の光学材料の少な
くとも一方を、加工の容易なプラスチック光学材料とす
ることもできるが、プラスチック光学材料は種類が少な
いため、十分な効果を有する光学材料の組み合わせは大
きく制限される。特に、プラスチック光学材料どうしの
組み合わせでは、回折効率の波長依存性を改善するのは
容易ではない。
However, the relationship between the refractive index and the dispersion (wavelength dispersion of the refractive index) of an actually existing optical material tends to increase as the refractive index increases. It is not easy to find a combination of materials. For example, there are many kinds of optical materials used for visible light, but basically, dispersion increases as the refractive index increases. Most of the optical materials used in the visible band light are so-called optical glass, but when optical glass is selected as each of the two types of optical materials, the workability is poor. It is not easy to form a relief pattern. Further, in consideration of easiness of manufacturing, at least one of the two types of optical materials may be a plastic optical material that can be easily processed. However, since there are few types of plastic optical materials, an optical material having a sufficient effect can be obtained. Material combinations are greatly limited. In particular, it is not easy to improve the wavelength dependence of the diffraction efficiency with a combination of plastic optical materials.

【0014】この発明は、上述した問題点に着目してな
されたもので、容易に製造でき、しかも回折効率の波長
依存を低減して、フレアやゴースト等の発生を有効に防
止でき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。
The present invention has been made by paying attention to the above-mentioned problems, and can be manufactured easily, and appropriately reduce the wavelength dependence of the diffraction efficiency to effectively prevent the occurrence of flare, ghost and the like. An object of the present invention is to provide a diffractive optical element configured.

【0015】[0015]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第1の発明にかかる回折光学素子は、密接または近
接して順次に積層した第1、第2および第3の領域と、
前記第1および第2の領域の境界面に形成した第1のレ
リーフパターンと、前記第2および第3の領域の境界面
に形成した第2のレリーフパターンとを有し、前記第
1、第2および第3の領域は、使用する光の波長で実質
的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、前記第
1および第2のレリーフパターンは、実質的に等しいピ
ッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それらの対応
する部位が近接して配置されていることを特徴とするも
のである。
In order to achieve the above object, a diffractive optical element according to a first aspect of the present invention comprises first, second and third regions, which are stacked in close contact or in close proximity and sequentially.
A first relief pattern formed on a boundary surface between the first and second areas and a second relief pattern formed on a boundary surface between the second and third areas; The second and third regions are composed of different materials that are substantially transparent at the wavelength of light used, and the first and second relief patterns have substantially equal pitch distributions and different groove depths. And corresponding portions thereof are arranged in proximity to each other.

【0016】さらに、第2の発明にかかる回折光学素子
は、密接または近接して順次に積層した第1、第2およ
び第3の領域と、前記第1および第2の領域の境界面に
形成した第1のレリーフパターンと、前記第2および第
3の領域の境界面に形成した第2のレリーフパターンと
を有し、前記第1の領域は、使用する光を反射する材料
をもって構成され、前記第2および第3の領域は、使用
する光の波長で実質的に透明な互いに異なる材料をもっ
て構成され、前記第1および第2のレリーフパターン
は、実質的に等しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さ
を有し、それらの対応する部位が近接して配置されてい
ることを特徴とするものである。
Further, the diffractive optical element according to the second invention is formed on the boundary surface between the first, second and third regions and the first, second and third regions which are sequentially stacked closely or closely. And a second relief pattern formed on a boundary surface between the second and third regions, wherein the first region is made of a material that reflects light to be used, The second and third regions are formed of different materials that are substantially transparent at the wavelength of light used, and the first and second relief patterns have different pitches with substantially equal pitch distribution. It is characterized in that it has a depth and its corresponding parts are arranged close to each other.

【0017】さらに、第3の発明にかかる回折光学素子
は、密接または近接して順次に積層した第1、第2およ
び第3の領域と、前記第1および第2の領域の境界面に
形成した第1のレリーフパターンと、前記第2および第
3の領域の境界面に形成した第2のレリーフパターンと
を有し、前記第1、第2および第3の領域は、使用する
光の波長で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構
成され、前記第1および第2のレリーフパターンは、実
質的に等しいピッチ分布で、対応する部位が近接して配
置され、かつ、前記第1、第2および第3の領域をそれ
ぞれ構成する材料の屈折率を、n1(λ) 、n2(λ) およ
びn3(λ) とし、前記第1および第2のレリーフパター
ンのそれぞれの溝深さを、d1 およびd 2 、それらの比
を、α=d2/d1 として、
Further, the diffractive optical element according to the third invention.
Is a first, second and
And the third area and the boundary surface between the first and second areas
The formed first relief pattern and the second and the second relief patterns.
The second relief pattern formed on the boundary surface of the area 3
And said first, second and third regions are used
Construct with different materials that are substantially transparent at the wavelength of light.
And the first and second relief patterns are
With the qualitatively equal pitch distribution, the corresponding parts are placed close to each other.
The first, second and third regions, and
Let n be the refractive index of each material.1(λ), nTwo(λ) and
And nThree(λ) and the first and second relief putters
The groove depth of each1 And d Two, Their ratio
Is α = dTwo/ d1 As

【数8】ΔN(λ)={n1(λ) −n2(λ) }+α{n
2(λ) −n3(λ) } ただし、λ:光の波長 とするとき、
ΔN (λ) = {n 1 (λ) −n 2 (λ)} + α {n
2 (λ) −n 3 (λ)} where λ is the wavelength of light,

【数9】 |ΔN(λ2 )|>|ΔN(λ1 )|>0;λ2 >λ1 ただし、λ1 :使用する光の波長域の短波長端の波長 λ2 :使用する光の波長域の長波長端の波長 を満たすことを特徴とするものである。[Formula 9] | ΔN (λ 2 ) |> | ΔN (λ 1 ) |>0; λ 2 > λ 1 where λ 1 is the wavelength at the short wavelength end of the wavelength range of the light used λ 2 is the light used It is characterized by satisfying the wavelength at the long wavelength end of the wavelength range of.

【0018】[0018]

【発明の実施の形態】図1は、第1の発明にかかる回折
光学素子の概念図で、断面の一部を模式的に示したもの
である。この回折光学素子は、順次に積層した第1の領
域11、第2の領域12および第3の領域13と、第1
の領域11および第2の領域12の境界面に形成した第
1のレリーフパターン21と、第2の領域12および第
3の領域13の境界面に形成した第2のレリーフパター
ン22とを有する。第1,第2および第3の領域11,
12および13は、それぞれ使用する光の波長帯域で実
質的に透明な互いに異なる材料をもって構成する。ここ
では、第1の領域11の屈折率をn1(λ) 、第2の領域
12の屈折率をn2(λ) 、第3の領域13の屈折率をn
3(λ) とする。
1 is a conceptual view of a diffractive optical element according to a first invention, and schematically shows a part of a cross section. This diffractive optical element includes a first region 11, a second region 12 and a third region 13, which are sequentially stacked, and a first region 11.
The first relief pattern 21 is formed on the boundary surface between the area 11 and the second area 12, and the second relief pattern 22 is formed on the boundary surface between the second area 12 and the third area 13. The first, second and third regions 11,
12 and 13 are composed of different materials which are substantially transparent in the wavelength band of the light used. Here, the refractive index of the first region 11 is n 1 (λ), the refractive index of the second region 12 is n 2 (λ), and the refractive index of the third region 13 is n.
Let 3 (λ).

【0019】また、第1および第2のレリーフパターン
21および22は、等しいピッチ分布を有する断面鋸歯
波状に形成して、対応する部位を対向させる。ここで
は、第1のレリーフパターン21の溝深さをd1 、第2
のレリーフパターン22の溝深さをd2 、第1のレリー
フパターン21の頂部と第2のレリーフパターン22の
底部との間隔をd3 とする。
Further, the first and second relief patterns 21 and 22 are formed in a saw-tooth wave cross section having an equal pitch distribution, and the corresponding portions are opposed to each other. Here, the groove depth of the first relief pattern 21 is d 1 ,
The groove depth of the relief pattern 22 is d 2 , and the interval between the top of the first relief pattern 21 and the bottom of the second relief pattern 22 is d 3 .

【0020】図1に示す構成において、回折光学素子に
入射した光は、第1,第2のレリーフパターン21,2
2によってそれぞれ位相変調を受けることになる。この
場合、第1のレリーフパターン21の位相振幅a1(λ)
は、
In the structure shown in FIG. 1, the light incident on the diffractive optical element is the first and second relief patterns 21 and 2.
2 will undergo phase modulation respectively. In this case, the phase amplitude a 1 (λ) of the first relief pattern 21
Is

【数10】 となり、第2のレリーフパターン22の位相振幅a
2(λ) は、
(Equation 10) And the phase amplitude a of the second relief pattern 22 becomes
2 (λ) is

【数11】 となる。[Equation 11] Becomes

【0021】ここで、第1,第2のレリーフパターン2
1,22よりなる構造を一体と考えて、回折光学素子に
入射した光が実質的に同時に変調されるとすると、その
位相シフト作用を特長づける位相振幅a(λ)は、
Here, the first and second relief patterns 2
Assuming that the structure made up of 1 and 22 is integrated and light incident on the diffractive optical element is modulated at substantially the same time, the phase amplitude a (λ) that characterizes the phase shift action is

【数12】 のように表すことができる。(Equation 12) Can be expressed as

【0022】さらに、このときの溝深さを、波長λ0
おいてm0 次回折効率が100%となるように最適化す
れば、a(λ0 )=m0 なる条件から、
Furthermore, if the groove depth at this time is optimized so that the m 0 -order diffraction efficiency becomes 100% at the wavelength λ 0 , from the condition of a (λ 0 ) = m 0 ,

【数13】 となる。ただし、αは、以下のように、第1のレリーフ
パターン21の溝深さd 1 と、第2のレリーフパターン
22の溝深さd2 との比で定義される量である。
(Equation 13)Becomes However, α is the first relief as follows.
Groove depth d of pattern 21 1And the second relief pattern
22 groove depth dTwoIt is an amount defined by the ratio with.

【数14】 [Equation 14]

【0023】このように、第1の発明にかかる回折光学
素子の位相振幅a(λ)は、(8)式で示すように、第
1のレリーフパターン21の位相振幅a1(λ) と、第2
のレリーフパターン22の位相振幅a2(λ) との和で与
えられるが、その波長依存特性は、(10)式で定義し
たパラメータαに依存している。ここで、パラメータα
は、(9)式が示すように、特定波長λ0 における回折
効率の最適化とは無関係に、任意に決めることができる
パラメータである。
As described above, the phase amplitude a (λ) of the diffractive optical element according to the first aspect of the invention is, as shown in the equation (8), the phase amplitude a 1 (λ) of the first relief pattern 21, Second
Is given by the sum of the phase amplitude a 2 (λ) of the relief pattern 22 and the wavelength dependence characteristic depends on the parameter α defined by the equation (10). Where the parameter α
Is a parameter that can be arbitrarily determined irrespective of the optimization of the diffraction efficiency at the specific wavelength λ 0 , as expressed by the equation (9).

【0024】また、図1に示す構成によれば、第1,第
2および第3の領域11,12および13は、互いに異
なる材料で形成されており、屈折率差Δn1(λ) および
Δn 2(λ) が、異なる波長依存性を示すことになるの
で、パラメータαの設定を変えることにより、(9)式
の位相振幅a(λ)を、種々の異なった波長依存性を有
するようにすることができる。
According to the configuration shown in FIG. 1, the first and the first
The second and third regions 11, 12 and 13 are different from each other.
Is formed of a material having a refractive index difference Δn1(λ) and
Δn Two(λ) will show different wavelength dependence
Then, by changing the setting of parameter α, equation (9)
Of the phase amplitude a (λ) of
You can

【0025】したがって、第1の発明によれば、第1,
第2のレリーフパターンの溝深さの比、すなわちパラメ
ータαを最適に設定することにより、特定波長λ0 にお
ける回折効率を最適に保ったまま、それとは独立に回折
効率の波長依存だけを好適に制御するたとができる。な
お、一般に、二つのレリーフパターンの溝深さを互いに
相違させれば、すなわち、α≠1とすれば、回折効率の
波長依存を最適に設定することができるが、この発明に
よれば、第1,第2,第3の領域を構成する材料を適切
に組み合わせることにより、α=1で、回折効率の波長
依存を最適に設定することも可能である。
Therefore, according to the first invention,
By optimally setting the groove depth ratio of the second relief pattern, that is, the parameter α, it is possible to keep only the diffraction efficiency at the specific wavelength λ 0 optimal and independently of it, only the wavelength dependence of the diffraction efficiency is preferable. You can control it. Generally, if the groove depths of the two relief patterns are different from each other, that is, if α ≠ 1, the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be optimally set. By properly combining the materials forming the first, second, and third regions, it is possible to optimally set the wavelength dependence of the diffraction efficiency with α = 1.

【0026】図2は、第2の発明にかかる回折光学素子
の概念図を示すものである。この回折光学素子は、順次
に積層した第1の領域14、第2の領域15および第3
の領域16と、第1の領域14および第2の領域15の
境界面に形成した第1のレリーフパターン23と、第2
の領域15および第3の領域16の境界面に形成した第
2のレリーフパターン24とを有する。第1の領域14
は、使用する光を反射する材料をもって構成し、第2お
よび第3の領域15および16は、それぞれ使用する光
の波長帯域で実質的に透明な互いに異なる材料をもって
構成する。
FIG. 2 is a conceptual diagram of a diffractive optical element according to the second invention. This diffractive optical element includes a first region 14, a second region 15 and a third region which are sequentially stacked.
Area 16, the first relief pattern 23 formed on the boundary surface between the first area 14 and the second area 15, and the second
And a second relief pattern 24 formed on the boundary surface between the region 15 and the third region 16. First area 14
Is made of a material that reflects the light used, and the second and third regions 15 and 16 are made of different materials that are substantially transparent in the wavelength band of the light used.

【0027】ここでは、第2の領域15の屈折率をn
2(λ) とし、第3の領域16の屈折率をn3(λ) とす
る。また、第1,第2のレリーフパターン23,24
は、等しいピッチ分布を有し、かつ対応する部位が対向
するように、図1の場合と同様に、断面鋸歯波状に形成
する。ここでは、図1の場合と同様に、第1のレリーフ
パターン23の溝深さをd1 、第2のレリーフパターン
24の溝深さをd2 、第1のレリーフパターン23の頂
部と、第2のレリーフパターン24の底部との間隔をd
3 とする。
Here, the refractive index of the second region 15 is n.
2 (λ) and the refractive index of the third region 16 is n 3 (λ). In addition, the first and second relief patterns 23 and 24
Are formed to have a sawtooth-shaped cross section, as in the case of FIG. 1, so that they have the same pitch distribution and the corresponding portions face each other. Here, as in the case of FIG. 1, the groove depth of the first relief pattern 23 is d 1 , the groove depth of the second relief pattern 24 is d 2 , the top of the first relief pattern 23, The distance from the bottom of the relief pattern 24 of 2 is d
Set to 3 .

【0028】図2に示す構成において、第3の領域16
側から回折光学素子に入射した光は、第2,第1のレリ
ーフパターン24,23によってそれぞれ位相変調を受
けることになる。ここで、第1のレリーフパターン23
は、反射材料で構成された第1の領域14に面している
ので、素子に入射した光は、この第1のレリーフパター
ン23で反射される。したがって、かかる構成の回折光
学素子は、全体として反射型回折格子として機能する。
In the configuration shown in FIG. 2, the third region 16
Light incident on the diffractive optical element from the side undergoes phase modulation by the second and first relief patterns 24 and 23, respectively. Here, the first relief pattern 23
Faces the first region 14 made of a reflective material, so that the light incident on the element is reflected by the first relief pattern 23. Therefore, the diffractive optical element having such a configuration functions as a reflective diffraction grating as a whole.

【0029】ここで、図1の場合と同様に、第1,第2
のレリーフパターン23,24よりなる構造を一体と考
え、回折光学素子に入射した光が実質的に同時に変調さ
れるとすると、波長λ0 においてm0 次回折効率が10
0%となるように、レリーフパターン23,24の溝深
さを設定した場合の位相振幅は、
Here, as in the case of FIG. 1, the first and second
Assuming that the structure composed of the relief patterns 23 and 24 of 1 is integrated, and the lights incident on the diffractive optical element are modulated substantially at the same time, the m 0 -order diffraction efficiency is 10 at the wavelength λ 0 .
When the groove depths of the relief patterns 23 and 24 are set so as to be 0%, the phase amplitude is

【数15】 のように表すことができる。この(11)式は、図1に
示す構成の位相振幅を表す(9)式に相当するもので、
パラメータαも、第1のレリーフパターン23の溝深さ
1 と、第2のレリーフパターン24の溝深さd2 とに
より、(10)式で定義されるものである。
(Equation 15) Can be expressed as The equation (11) corresponds to the equation (9) representing the phase amplitude of the configuration shown in FIG.
Some parameters alpha, a groove depth d 1 of the first relief pattern 23, by the groove depth d 2 of the second relief pattern 24, is defined by equation (10).

【0030】上記(11)式は、図1に示す構成の位相
振幅を表す(9)式において、光が侵入しない第1の領
域14の屈折率を0とおいたものと一致する。すなわ
ち、図2に示す構成の反射型回折格子の場合も、その位
相振幅は、図1に示す構成の場合と同様に、任意のパラ
メータαを含む形式で表現される。したがって、図2に
示す構成の回折光学素子においても、任意のパラメータ
αを最適に設定することにより、図1に示す構成の回折
光学素子の場合と同様に、特定波長λ0 における回折効
率を最適に保ったまま、それとは独立に回折効率の波長
依存だけを好適に制御することができる。
The above equation (11) is consistent with the equation (9) representing the phase amplitude of the configuration shown in FIG. 1 in which the refractive index of the first region 14 where light does not enter is set to zero. That is, also in the case of the reflection type diffraction grating having the configuration shown in FIG. 2, its phase amplitude is expressed in a format including an arbitrary parameter α, as in the case of the configuration shown in FIG. Therefore, also in the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. 2, by optimizing the arbitrary parameter α, the diffraction efficiency at the specific wavelength λ 0 is optimized as in the case of the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. It is possible to preferably control only the wavelength dependence of the diffraction efficiency independently of the above.

【0031】上記第1の発明において、回折効率の波長
依存をより小さくするためには、(8)式、もしくは
(9)式で示された位相振幅a(λ)の波長依存をより
小さくする必要がある。例えば、(9)式において、位
相振幅a(λ)の波長依存を決めるのは、分子にある2
つの屈折率差の項、Δn1(λ) およびαΔn2(λ) と、
分母にあるλである。したがって、この波長依存をより
小さくするためには、2つの屈折率差の項の和の絶対値
ΔN(λ)を、
In the first aspect of the invention, in order to reduce the wavelength dependence of the diffraction efficiency, the wavelength dependence of the phase amplitude a (λ) shown in the equation (8) or the equation (9) is made smaller. There is a need. For example, in equation (9), it is the numerator that determines the wavelength dependence of the phase amplitude a (λ).
Two refractive index difference terms, Δn 1 (λ) and αΔn 2 (λ),
It is λ in the denominator. Therefore, in order to further reduce this wavelength dependence, the absolute value ΔN (λ) of the sum of the terms of the two refractive index differences is

【数16】 ΔN(λ)=|Δn1(λ) +αΔn2(λ) | (12) としたとき、第3の発明におけるように、ΔN(λ)が
波長λの増加に伴って増加するように、材料の組み合わ
せと、溝深さの比とを最適に設定するのが効果的であ
る。
When ΔN (λ) = | Δn 1 (λ) + αΔn 2 (λ) | (12), ΔN (λ) increases as the wavelength λ increases, as in the third invention. Thus, it is effective to optimally set the combination of materials and the ratio of the groove depth.

【0032】このようにすれば、(9)式の分子および
分母の波長依存の効果は、互いに相殺し合うので、回折
効率の波長依存をより低減した回折光学素子を実現する
ことができる。なお、(9)式は、第1の発明の構成に
対して定義した式であるが、n1(λ) =0、とすること
により、(11)式が得られるので、上記(12)式に
関する説明は、第2の発明に対しても同様に成り立つ。
In this way, the wavelength-dependent effects of the numerator and denominator of formula (9) cancel each other out, so that it is possible to realize a diffractive optical element in which the wavelength dependence of the diffraction efficiency is further reduced. The expression (9) is an expression defined for the configuration of the first aspect of the invention. By setting n 1 (λ) = 0, the expression (11) is obtained. The description regarding the formulas similarly holds for the second invention.

【0033】ところで、実在する光学材料を組み合わせ
た場合の屈折率差Δn(λ)は、その絶対値が波長λの
増加に伴って減少する場合が多い。すなわち、所望の特
性とは逆の波長依存性を生じることが多い。これは、実
在する光学材料が、高屈折率高分散から低屈折率低分散
の方向に多く分布しているためである。このような場合
には、上述した第1発明および第2の発明において、2
つの屈折率差の項が互いに打ち消し合うように、溝深さ
比αの代数符号を設定することが、所望の特性とは逆の
波長依存性が打ち消される点で効果的である。これによ
り、材料選択の容易さの点で好適な、高屈折率高分散材
料と低屈折率低分散材料とを組み合わせた場合でも、所
望の特性とは逆の波長依存性が打ち消されるので、回折
効率の波長依存性をより低減することができる。
By the way, in many cases, the absolute value of the refractive index difference Δn (λ) in the case of combining existing optical materials decreases as the wavelength λ increases. That is, a wavelength dependence opposite to the desired characteristic is often generated. This is because many existing optical materials are distributed in the direction from high refractive index and high dispersion to low refractive index and low dispersion. In such a case, in the above-mentioned first invention and second invention, 2
It is effective to set the algebraic sign of the groove depth ratio α so that the two refractive index difference terms cancel each other out, in that the wavelength dependence opposite to the desired characteristic is canceled. As a result, even when a high-refractive-index, high-dispersion material and a low-refractive-index, low-dispersion material, which are suitable in terms of ease of material selection, are combined, the wavelength dependence opposite to the desired characteristics is canceled out, so The wavelength dependence of efficiency can be further reduced.

【0034】ここで、溝深さ比αの代数符号の違いは、
レリーフパターンの凹凸の反転に対応する。すなわち、
(10)式で示したαの定義において、αが正となるの
は、図3で示すように、第1,第2のレリーフパターン
の山と山(谷と谷)とが対応している場合、つまり、2
つのレリーフパターンの凹凸が対応している場合であ
る。これとは反対に、αが負となるのは、図8で示すよ
うに、第1,第2のレリーフパターンの山と谷(谷と
山)とが対応している場合、つまり、2つのレリーフパ
ターンの凹凸が反転して対応している場合である。
Here, the difference in the algebraic sign of the groove depth ratio α is
It corresponds to the inversion of the relief pattern unevenness. That is,
In the definition of α shown in the equation (10), α is positive, as shown in FIG. 3, corresponding to the peaks and peaks (valleys and valleys) of the first and second relief patterns. If, that is, 2
This is the case where the relief patterns of the two reliefs correspond to each other. On the contrary, α becomes negative when the peaks and valleys (valleys and peaks) of the first and second relief patterns correspond to each other, that is, when the two are as shown in FIG. This is the case where the relief pattern unevenness is reversed and corresponding.

【0035】なお、第1の発明および第2の発明におい
て、第3の領域13および16は、該領域の接する環境
の雰囲気とすることもできる。例えば、通常の使用状態
において、環境は空気なので、第3の領域13および1
6を空気で構成することもできる。この場合には、組み
合わせる透明材料との屈折率差を大きくすることができ
るので、必要なレリーフパターンの溝深さを浅くするこ
とができ、これにより高性能な回折光学素子を実現する
ことができる。
In the first and second inventions, the third regions 13 and 16 may be an atmosphere of the environment in which the regions contact. For example, in normal use, the environment is air, so the third areas 13 and 1
It is also possible to configure 6 with air. In this case, the difference in the refractive index with the transparent material to be combined can be increased, so that the required groove depth of the relief pattern can be reduced, and thus a high-performance diffractive optical element can be realized. .

【0036】ところで、回折光学素子は、一般に厚型と
薄型とに分類されるが、波長幅を有する帯域光で、特に
結像光学系に適用する場合は、入射角依存や波長依存が
比較的少ない薄型をとすることが好ましい。ここで、回
折光学素子の厚さを特長づけるパラメータとしては、
Incidentally, the diffractive optical element is generally classified into a thick type and a thin type, but it is a band light having a wavelength width, and particularly when it is applied to an imaging optical system, the incident angle dependence and the wavelength dependence are relatively large. It is preferable to have a small thickness. Here, as a parameter that characterizes the thickness of the diffractive optical element,

【数17】 で与えられるQ値がよく知られており、一般に、Q<1
のとき、その回折光学素子は薄型に分類される。ただ
し、(13)式において、λは波長、Tは周期構造のピ
ッチ、Dは周期構造の深さ、n0 は周期構造の平均屈折
率である。したがって、この発明に係る回折光学素子に
おいても、Q<1を満たすように構成することが好まし
い。
[Equation 17] The Q value given by is well known, and in general, Q <1
At that time, the diffractive optical element is classified into a thin type. However, in the equation (13), λ is the wavelength, T is the pitch of the periodic structure, D is the depth of the periodic structure, and n 0 is the average refractive index of the periodic structure. Therefore, it is preferable that the diffractive optical element according to the present invention is also configured to satisfy Q <1.

【0037】(13)式から、回折光学素子の厚さを示
すパラメータQは、波長λに依存しているが、使用する
波長範囲全般にわたって回折効率の均一性を維持するた
めには、概ね使用する帯域光の中心波長について、薄型
の条件、Q<1が満たされていればよい。したがって、
この発明に係る回折光学素子においても、使用する帯域
光の中心波長について、Q<1を満たすように構成する
のが好ましい。例えば、この発明に係る回折光学素子
を、可視帯域光で使用する光学系に適用する場合には、
該中心波長を概ね480nmから550nmの範囲に設
定することができる。ただし、パラメータQが波長λに
依存していることを考慮し、全波長範囲で薄型の条件、
Q<1を満たすことが望ましいのは言うまでもない。
From the equation (13), the parameter Q indicating the thickness of the diffractive optical element depends on the wavelength λ, but is generally used in order to maintain the uniformity of the diffraction efficiency over the entire wavelength range used. Regarding the center wavelength of the band light, the thin condition, Q <1 may be satisfied. Therefore,
Also in the diffractive optical element according to the present invention, it is preferable that the central wavelength of the band light used is set to satisfy Q <1. For example, when the diffractive optical element according to the present invention is applied to an optical system used in visible band light,
The center wavelength can be set in the range of approximately 480 nm to 550 nm. However, considering that the parameter Q depends on the wavelength λ, thin conditions in the entire wavelength range,
It goes without saying that it is desirable to satisfy Q <1.

【0038】さらに、本発明者による検討によれば、Q
<0.1のときのレリーフ格子は、薄型の性質をより良
く表すことが確認された。したがって、この発明に係る
回折光学素子においても、より好適には、Q<0.1と
なるように、周期構造を構成するのが望ましい。
Further, according to the study by the present inventor, Q
It was confirmed that the relief grating at <0.1 better represents the thin nature. Therefore, also in the diffractive optical element according to the present invention, it is more preferable to configure the periodic structure so that Q <0.1.

【0039】ここで、図1に示した構成の回折光学素子
における、周期構造の深さDおよび平均屈折率n0 は、
Here, in the diffractive optical element having the structure shown in FIG. 1, the depth D of the periodic structure and the average refractive index n 0 are

【数18】 で与えられる。また、図2に示した構成の回折光学素子
における、周期構造の深さDおよび平均屈折率n0 は、
(Equation 18) Given by In the diffractive optical element having the configuration shown in FIG. 2, the depth D of the periodic structure and the average refractive index n 0 are

【数19】 で与えられる。[Equation 19] Given by

【0040】この発明に係る回折光学素子は、使用する
波長範囲が、所定量以上の幅を有する場合に効果が大き
い。ここで、任意の波長λで回折効率を最適化した通常
のレリーフ格子において、回折効率の変化が無視できる
波長変化の幅は、λの±5%程度が目安であるため、こ
の発明に係る回折光学素子は、任意の中心波長λに対し
て、その±5%以上の波長幅の帯域光を使用する場合に
効果的である。
The diffractive optical element according to the present invention is highly effective when the wavelength range used has a width of a predetermined amount or more. Here, in an ordinary relief grating in which the diffraction efficiency is optimized at an arbitrary wavelength λ, the width of the wavelength change in which the change in the diffraction efficiency is negligible is about ± 5% of λ as a guide, so the diffraction according to the present invention The optical element is effective when using band light having a wavelength width of ± 5% or more with respect to an arbitrary center wavelength λ.

【0041】以上、この発明を、第1,第2および第3
の領域が密接した場合を例にとって説明したが、この発
明はこれに限らず、上記の各領域の境界に接着層を設け
て、各領域が近接するように構成しても同等の効果を奏
することができる。
As described above, the present invention is applied to the first, second and third aspects.
However, the present invention is not limited to this, and an adhesive layer is provided at the boundary of each of the above regions, and the same effect can be obtained even if the regions are arranged close to each other. be able to.

【0042】この発明に係る回折光学素子は、複数の波
長、あるいは帯域光で使用する光学装置全般に適用する
ことができる。その中でも、特に、結像光学系を有する
光学装置に適用すると効果的である。
The diffractive optical element according to the present invention can be applied to all optical devices that use a plurality of wavelengths or band lights. Among them, it is particularly effective when applied to an optical device having an imaging optical system.

【0043】図17は、その一適用例を示すもので、こ
の発明に係る回折光学素子を撮像装置、例えば、カメラ
の撮影レンズに適用した場合の概念図である。図17に
おいて、撮像光学系60は、屈折レンズ51と、この発
明による回折レンズ41とを有し、物体の像を撮像素子
61上に結像するよう構成されている。ここで、この発
明による回折レンズ41は、例えば、可視帯域光の全域
において、高い回折効率を得ることができるので、カラ
ー映像を撮影した場合のフレアやゴーストの発生を有効
に防止することができる。
FIG. 17 shows an example of the application, and is a conceptual diagram when the diffractive optical element according to the present invention is applied to an image pickup apparatus, for example, a taking lens of a camera. In FIG. 17, an image pickup optical system 60 has a refracting lens 51 and a diffractive lens 41 according to the present invention, and is configured to form an image of an object on an image pickup element 61. Here, since the diffractive lens 41 according to the present invention can obtain high diffraction efficiency in the entire visible band light, for example, flare and ghost can be effectively prevented when a color image is taken. .

【0044】また、図18は、この発明に係る回折光学
素子の他の適用例を示すもので、観察光学系を含む光学
装置、例えば、カメラのファインダや顕微鏡の接眼レン
ズに適用した場合の概念図である。図18において、対
物レンズ53は、物体の拡大実像を形成し、屈折レンズ
52と、この発明による回折レンズ42とを有する接眼
光学系62は、その実像をさらに拡大して観察者の網膜
に投影するよう構成されている。この場合も、図17に
示した撮像装置の場合と同様の効果を得ることができ
る。
FIG. 18 shows another application example of the diffractive optical element according to the present invention, which is a concept applied to an optical device including an observation optical system, for example, a finder of a camera or an eyepiece of a microscope. It is a figure. In FIG. 18, an objective lens 53 forms a magnified real image of an object, and an eyepiece optical system 62 having a refraction lens 52 and a diffractive lens 42 according to the present invention further magnifies the real image and projects it on the retina of an observer. Is configured to. Also in this case, the same effect as in the case of the imaging device shown in FIG. 17 can be obtained.

【0045】[0045]

【実施例】図3は、この発明の第1実施例を示すもので
ある。この実施例は、透過型の回折レンズを示すもの
で、第1の領域101としてオハラ製の光学ガラスLa
L14(nd=1.6968,νd=55.5)を、第
2の領域102として紫外線硬化樹脂(nd=1.5
2,νd=52)を、第3の領域103としてポリカー
ボネイト(nd=1.58,νd=30.5)をそれぞ
れ用い、これらを順次積層する。また、第1の領域10
1と第2の領域102との境界面、および第2の領域1
02と第3の領域103との境界面には、等しいピッチ
分布を有する第1のレリーフパターン201および第2
のレリーフパターン202を、第1のレリーフパターン
201の頂部と第2のレリーフパターン202の底部と
が接するようにそれぞれ形成する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS FIG. 3 shows a first embodiment of the present invention. In this example, a transmission type diffractive lens is shown, and an optical glass La made by OHARA is used as the first region 101.
L14 (nd = 1.6968, νd = 55.5) is used as the second region 102 for the ultraviolet curable resin (nd = 1.5).
2, νd = 52) and polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.5) are used as the third region 103, and these are sequentially laminated. In addition, the first region 10
1 and the second area 102, and the second area 1
02 and the third region 103, the first relief pattern 201 and the second relief pattern 201 having the same pitch distribution are provided on the boundary surface.
The relief patterns 202 are formed so that the tops of the first relief patterns 201 and the bottoms of the second relief patterns 202 are in contact with each other.

【0046】第1,第2のレリーフパターン201,2
02は、所定のレンズ作用を持つように各ピッチ配列を
最適化すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ=
550nmで1次回折効率が最大となるようにその溝深
さを最適化する。この実施例では、第1のレリーフパタ
ーン201の溝深さd1 を、d1 =7.90μm、第2
のレリーフパターン202の溝深さd2 を、d2 =1
3.74μmとして、上記(10)式で定義したパラメ
ータαを、α≒1.74とする。また、外側に面する2
つの端面301および302は、ともに平面として、各
端面上に反射防止コートを施す。
First and second relief patterns 201,2
In No. 02, each pitch arrangement is optimized so as to have a predetermined lens action, each cross section has a sawtooth wave shape, and the wavelength λ =
The groove depth is optimized so that the first-order diffraction efficiency is maximized at 550 nm. In this embodiment, the groove depth d 1 of the first relief pattern 201 is d 1 = 7.90 μm,
Of the groove depth d 2 of the relief pattern 202, d 2 = 1
Assuming 3.74 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is α≈1.74. Also facing 2
Both of the end faces 301 and 302 are flat, and an antireflection coating is applied on each end face.

【0047】図4は、この実施例による回折レンズにお
いて、(6)式で与えられるΔn1と、(7)式で与え
られるΔn2 とのそれぞれの波長依存特性を、可視波長
域について示すものである。図4から明らかなように、
LaL14(第1の領域101)と紫外線硬化樹脂(第
2の領域102)との屈折率差Δn1 は、LaL14の
屈折率のほうが紫外線硬化樹脂の屈折率よりも大きいの
で、可視波長帯域で正となり、また、LaL14と紫外
線硬化樹脂とのアッベ数νdが比較的近いことから、波
長λの増加に伴ってわずかに減少する傾向を示す。これ
に対して、紫外線硬化樹脂(第2の領域102)とポリ
カーボネイト(第3の領域103)との屈折率差Δn2
は、ポリカーボネイトの屈折率のほうが紫外線硬化樹脂
の屈折率よりも大きいので、可視波長帯域で負となり、
また、波長λの増加に伴って相対的に大きく増加する傾
向を示す。
FIG. 4 shows the wavelength-dependent characteristics of Δn 1 given by the equation (6) and Δn 2 given by the equation (7) in the visible wavelength region in the diffractive lens according to this example. Is. As is clear from FIG.
The refractive index difference Δn 1 between LaL14 (first region 101) and ultraviolet curable resin (second region 102) is positive in the visible wavelength band because the refractive index of LaL14 is larger than that of the ultraviolet curable resin. Further, since the Abbe number νd of LaL14 and the ultraviolet curable resin are relatively close to each other, there is a tendency that the Abbe number νd slightly decreases as the wavelength λ increases. In contrast, the refractive index difference Δn 2 between the ultraviolet curable resin (second region 102) and the polycarbonate (third region 103).
Has a negative refractive index in the visible wavelength band because the refractive index of polycarbonate is higher than that of UV curable resin.
In addition, there is a tendency that the wavelength greatly increases as the wavelength λ increases.

【0048】この実施例では、図4のΔn1 およびΔn
2 の波長依存特性から明らかなように、αΔn2 の絶対
値が、Δn1 の大きさを超えないような正の値のαを選
んでいるので、(12)式で定義した屈折率差の項N
(λ)の波長依存は、波長λの増加に伴って増加するこ
とになる。したがって、(9)式の分母に現れるλは、
この屈折率差の項N(λ)で良好に相殺され、これによ
り位相振幅の波長依存が低減され、回折効率の波長依存
が低減される。
In this embodiment, Δn 1 and Δn of FIG.
As is clear from the wavelength-dependent characteristic of 2 , since a positive value of α such that the absolute value of αΔn 2 does not exceed the magnitude of Δn 1 is selected, the refractive index difference defined by equation (12) is Term N
The wavelength dependence of (λ) increases as the wavelength λ increases. Therefore, λ that appears in the denominator of equation (9) is
The term N (λ) of the difference in refractive index is well offset, whereby the wavelength dependence of the phase amplitude is reduced, and the wavelength dependence of the diffraction efficiency is reduced.

【0049】図5は、この実施例による回折レンズと従
来の回折レンズとの位相振幅の波長依存特性を比較して
示すものである。図5において、実線はこの実施例によ
る回折レンズの位相振幅の波長依存特性を示す。また、
破線は従来の回折レンズの位相振幅の波長依存特性を示
したもので、波長λ=510nmで1次回折効率が最大
となるように、LaL14の基板にブレーズパターンを
形成した場合のものである。図5から明らかなように、
αの値を最適化することによって、位相振幅の波長依存
が良好に低減されていることがわかる。
FIG. 5 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of the phase amplitude between the diffractive lens of this example and the conventional diffractive lens. In FIG. 5, the solid line shows the wavelength-dependent characteristic of the phase amplitude of the diffractive lens according to this embodiment. Also,
The broken line shows the wavelength dependence characteristic of the phase amplitude of the conventional diffractive lens, and is the case where the blazed pattern is formed on the LaL 14 substrate so that the first-order diffraction efficiency is maximized at the wavelength λ = 510 nm. As is clear from FIG.
It can be seen that the wavelength dependence of the phase amplitude is satisfactorily reduced by optimizing the value of α.

【0050】図6は、図5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、
実線および破線は、図5の場合と同じものを表す。図6
から明らかなように、この実施例による回折レンズによ
れば、回折効率の波長依存が従来のものと比較してきわ
めて良好に補正されていることがわかる。
FIG. 6 shows the wavelength dependence characteristic of the diffraction efficiency corresponding to the wavelength dependence characteristic of the phase amplitude shown in FIG.
A solid line and a broken line represent the same thing as the case of FIG. FIG.
As is apparent from the above, according to the diffractive lens of this example, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is corrected very well as compared with the conventional one.

【0051】このように、この実施例による回折レンズ
によれば、可視帯域光の全域において高い回折効率を得
ることができるので、可視帯域光を用いる場合のフレア
やゴーストの発生を有効に防止できる。したがって、例
えば、カメラのような撮像光学系に好適に適用すること
ができる。
As described above, according to the diffractive lens of this embodiment, a high diffraction efficiency can be obtained in the entire visible band, so that flare and ghost can be effectively prevented when the visible band is used. . Therefore, for example, it can be suitably applied to an image pickup optical system such as a camera.

【0052】なお、図5および図6にみられるように、
この実施例では、1次回折効率が100%となるように
最適化した波長を、従来例とは違えて設定してある。こ
れは、一般に、最適化波長は、使用する波長範囲におい
て回折効率をバランスさせるように設定するからであ
る。つまり、この実施例の場合と従来例の場合とでは、
回折効率の波長依存がバランスする最適波長が異なるか
らである。例えば、図5においては、従来例の最適化波
長は510nmであるが、この実施例では550nmで
ある。
As shown in FIGS. 5 and 6,
In this embodiment, the wavelength optimized so that the first-order diffraction efficiency is 100% is set differently from the conventional example. This is because the optimized wavelength is generally set to balance the diffraction efficiency in the wavelength range used. That is, in the case of this embodiment and the case of the conventional example,
This is because the optimum wavelength for balancing the wavelength dependence of the diffraction efficiency is different. For example, in FIG. 5, the optimized wavelength of the conventional example is 510 nm, but it is 550 nm in this embodiment.

【0053】この実施例においては、回折効率の波長依
存が、使用する波長帯域の短波長側でより効果的に低減
される。したがって、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より長波長側に設
定することが好ましい。具体的には、使用する波長帯域
の中間波長に対し、使用する波長幅の±10%以内の波
長範囲に最適化波長を設定するのが望ましい。ここで、
使用する波長幅は、例えば、可視帯域光で用いる結像光
学系の場合には、400nm〜700nmとするのが普
通である。
In this embodiment, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is more effectively reduced on the short wavelength side of the wavelength band used. Therefore, the wavelength optimized to maximize the diffraction efficiency is preferably set on the longer wavelength side as compared with the conventional case. Specifically, it is desirable to set the optimized wavelength within a wavelength range within ± 10% of the wavelength width to be used with respect to the intermediate wavelength of the wavelength band to be used. here,
The wavelength width to be used is usually 400 nm to 700 nm in the case of an image forming optical system used for visible light.

【0054】さらに、この実施例によれば、第2の領域
102を紫外線硬化樹脂をもって構成したので、第1,
第2のレリーフパターン201,202を、それぞれ第
1,第3の領域101,103に別々に形成し、その
後、これらを紫外線硬化樹脂を介して貼り合わせるとい
う極めて簡単な工程で、回折効率の波長依存性が低減さ
れた回折レンズを製造することができる。したがって、
低コストにできるという効果もある。
Further, according to this embodiment, since the second region 102 is made of the ultraviolet curable resin,
The second relief patterns 201 and 202 are separately formed in the first and third regions 101 and 103, respectively, and then these are bonded together via an ultraviolet curable resin. A diffractive lens with reduced dependence can be manufactured. Therefore,
There is also an effect that the cost can be reduced.

【0055】なお、かかる効果は、第2の領域102を
紫外線硬化樹脂をもって構成する場合に最も大きいが、
より一般的には、第2の領域102をプラスチック材料
をもって構成することにより、同様の効果を得ることが
できる。
This effect is greatest when the second region 102 is made of an ultraviolet curable resin,
More generally, the same effect can be obtained by forming the second region 102 with a plastic material.

【0056】また、第1,第2のレリーフパターン20
1,202を貼り合わせるにあたっては、第1,第2の
レリーフパターン201,202によって発生するモア
レ縞を位置合わせに用いることができる。すなわち、モ
アレ縞が完全に消えるように、第1,第2のレリーフパ
ターン201,202を位置合わせすることにより、そ
れらの対応する部分を対向させることができる。
Further, the first and second relief patterns 20
When the 1, 202 are bonded together, the moire fringes generated by the first and second relief patterns 201, 202 can be used for the alignment. That is, by aligning the first and second relief patterns 201 and 202 so that the moire fringes are completely eliminated, the corresponding portions can be opposed to each other.

【0057】図7は、第1実施例の変形例を示すもので
ある。この回折レンズは、外側に面する2つの端面30
3,304のうち、一方の端面303を正の屈折力を有
する曲面に、他方の端面304を負の屈折力を有する曲
面に形成したもので、その他の構成は第1実施例と同様
である。なお、端面303,304には、それぞれ反射
防止コートを施す。
FIG. 7 shows a modification of the first embodiment. This diffractive lens has two end faces 30 facing outward.
Among the three and 304, one end surface 303 is formed into a curved surface having a positive refractive power, and the other end surface 304 is formed into a curved surface having a negative refractive power, and other configurations are similar to those of the first embodiment. . The end faces 303 and 304 are each provided with an antireflection coating.

【0058】かかる回折レンズによれば、回折作用によ
るパワーと屈折作用によるパワーとの両方のパワーを有
するので、全体として大きなパワーを持ったレンズ素子
を実現することができる。また、回折作用によるパワー
と屈折作用によるパワーとは、波長分散(アッベ数)が
逆符号であるので、その波長分散の打ち消し合いによ
り、色収差が補正されたレンズ素子を実現することがで
きる。特に、図7に示すように、外側に面する端面30
3,304の屈折力の符号を反転させることにより、2
次スペクトルまで補正された色消し単レンズを実現する
ことができる。
According to this diffractive lens, since it has both the power due to the diffractive action and the power due to the refraction action, it is possible to realize a lens element having a large power as a whole. Further, since the wavelength dispersion (Abbe number) of the power due to the diffracting power and the power due to the refracting action have opposite signs, the chromatic aberration can be realized by canceling the chromatic dispersion. In particular, as shown in FIG. 7, the end face 30 facing outwards.
By reversing the sign of the refractive power of 3,304, 2
It is possible to realize an achromatic single lens whose spectrum is corrected up to the next spectrum.

【0059】図8は、この発明の第2実施例を示すもの
である。この実施例は、透過型の回折レンズを示すもの
で、第1の領域104として旭硝子製のフッ素系樹脂サ
イトップ(nd=1.34149,νd=93.8)
を、第2の領域105として紫外線硬化樹脂(nd=
1.52,νd=51.8)を、第3の領域106とし
てポリカーボネイト(nd=1.58,νd=30.
5)をそれぞれ用い、これらを順次積層する。また、第
1の領域104と第2の領域105との境界面、および
第2の領域105と第3の領域106との境界面には、
等しいピッチ分布を有する第1のレリーフパターン20
3および第2のレリーフパターン204を、第1のレリ
ーフパターン203の頂部と第2のレリーフパターン2
04の底部とが接するようにそれぞれ形成する。
FIG. 8 shows a second embodiment of the present invention. This embodiment shows a transmission type diffractive lens, and the first region 104 is made of Asahi Glass fluorinated resin Cytop (nd = 1.34149, νd = 93.8).
As the second region 105, and the ultraviolet curable resin (nd =
1.52, νd = 51.8) as a third region 106 made of polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.
5) is used, respectively, and these are sequentially laminated. Further, on the boundary surface between the first area 104 and the second area 105 and the boundary surface between the second area 105 and the third area 106,
First relief pattern 20 having equal pitch distribution
3 and the second relief pattern 204, the top of the first relief pattern 203 and the second relief pattern 2
It is formed so as to be in contact with the bottom portion of 04.

【0060】第1,第2のレリーフパターン203,2
04は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列
を最適化すると共に、各断面を鋸歯波状で、凹凸が互い
に反転した構造として、波長λ=550nmで1次回折
効率が最大となるように、その溝深さを最適化する。し
たがって、第1のレリーフパターン203の溝深さd 1
と第2のレリーフパターン204の溝深さd2 とは、互
いに逆符号の関係にある。この実施例では、第1のレリ
ーフパターン203の溝深さd1 を、d1 =−9.20
μm、第2のレリーフパターン204の溝深さd2 を、
2 =17.84μmとして、上記(10)式で定義し
たパラメータαを、α≒−1.94とする。また、外側
に面する2つの端面305および306は、ともに平面
として、各端面上に反射防止コートを施す。
First and second relief patterns 203, 2
04 is each pitch arrangement so as to have a predetermined lens action.
Is optimized, and each section has a sawtooth wave shape,
First-order diffraction at wavelength λ = 550 nm
The groove depth is optimized for maximum efficiency. I
Therefore, the groove depth d of the first relief pattern 203 1
And the groove depth d of the second relief pattern 204TwoAnd each other
It has the opposite sign. In this embodiment, the first
Groove depth d of the groove pattern 2031And d1= -9.20
μm, groove depth d of the second relief pattern 204TwoTo
dTwo= 17.84 μm and defined by the above equation (10).
The parameter α is set as α≈−1.94. Also outside
Two end faces 305 and 306 facing each other are flat
As a result, an antireflection coat is applied on each end face.

【0061】図9は、この実施例による回折レンズにお
いて、(6)式で与えられるΔn1と(7)式で与えら
れるΔn2 とのそれぞれの波長依存特性を示すものであ
る。図9から明らかなように、サイトップ(第1の領域
104)と紫外線硬化樹脂(第2の領域105)との屈
折率差Δn1 、および紫外線硬化樹脂(第2の領域10
5)とポリカーボネイト(第3の領域106)との屈折
率差Δn2 は、上述した屈折率の大小関係から、ともに
可視波長帯域で負の値をとる。また、これら2つの材料
の組み合わせは、ともに高屈折率高分散−低屈折率低分
散の関係になるので、Δn1 およびΔn2 は、ともに波
長の増加に伴って大きさ(絶対値)が減少する。
FIG. 9 shows the wavelength dependent characteristics of Δn 1 given by the equation (6) and Δn 2 given by the equation (7) in the diffractive lens according to this example. As is apparent from FIG. 9, the refractive index difference Δn 1 between Cytop (first region 104) and the ultraviolet curable resin (second region 105), and the ultraviolet curable resin (second region 10).
The refractive index difference Δn 2 between 5) and the polycarbonate (third region 106) has a negative value in the visible wavelength band due to the above-described magnitude relation of the refractive index. Moreover, since the combination of these two materials has a relationship of high refractive index and high dispersion-low refractive index and low dispersion, both Δn 1 and Δn 2 decrease in magnitude (absolute value) as the wavelength increases. To do.

【0062】この実施例では、αΔn2 の大きさ(絶対
値)が、Δn1 の大きさ(絶対値)を超えないような負
の値のαを選んで設定してあるので、(12)式で定義
した屈折率差の項N(λ)の波長依存は、波長λの増加
に伴って増加するようになる。したがって、(9)式の
分母に現れるλは、この屈折率差の項N(λ)で良好に
相殺され、これにより位相振幅の波長依存が低減され、
回折効率の波長依存が低減される。
In this embodiment, since the magnitude (absolute value) of αΔn 2 does not exceed the magnitude (absolute value) of Δn 1 , a negative value α is selected and set, so that (12) The wavelength dependence of the term N (λ) of the refractive index difference defined by the formula increases as the wavelength λ increases. Therefore, λ appearing in the denominator of the equation (9) is well canceled by this refractive index difference term N (λ), which reduces the wavelength dependence of the phase amplitude,
The wavelength dependence of the diffraction efficiency is reduced.

【0063】図10は、この実施例による回折レンズ
と、従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比
較して示すものである。図10において、実線はこの実
施例による回折レンズの場合を、破線はサイトップ製の
基板にブレーズパターンを形成した従来の回折レンズ
(最適化波長λ=510nm)の場合をそれぞれ示して
いる。図10から明らかなように、この実施例による回
折レンズによれば、従来のものと比較して回折効率の波
長依存がきわめて良好に補正されていることがわかる。
FIG. 10 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of the diffraction efficiency between the diffractive lens of this example and a conventional diffractive lens. In FIG. 10, the solid line shows the case of the diffractive lens according to this example, and the broken line shows the case of the conventional diffractive lens (optimized wavelength λ = 510 nm) in which a blazed pattern is formed on a Cytop substrate. As is apparent from FIG. 10, according to the diffractive lens of this example, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is corrected very well as compared with the conventional one.

【0064】このように、この実施例によれば、可視帯
域光の全域において高い回折効率を得ることができるの
で、可視帯域光で用いた場合にフレアやゴーストの問題
が生じにくく、したがって、例えばカメラのような撮像
光学系に好適に適用することができる。また、第1、第
3の領域104,106をプラスチック材料をもって構
成したので、第1,第2のレリーフパターン203,2
04を極めて容易に形成することができると共に、特
に、第2の領域105を紫外線硬化樹脂をもって構成し
ているので、第1,第3の領域104,106に形成し
た第1,第2のレリーフパターン203,204どうし
を容易に貼り合わせることができ、これにより、回折効
率の波長依存が低減された回折光学素子を容易に製造す
ることができる。
As described above, according to this embodiment, since high diffraction efficiency can be obtained in the entire visible band light, the problem of flare and ghost hardly occurs when used in the visible band light. It can be suitably applied to an image pickup optical system such as a camera. Moreover, since the first and third regions 104 and 106 are made of the plastic material, the first and second relief patterns 203 and 2 are formed.
04 can be formed very easily, and in particular, since the second region 105 is made of an ultraviolet curing resin, the first and second reliefs formed in the first and third regions 104 and 106 can be formed. The patterns 203 and 204 can be easily attached to each other, whereby a diffractive optical element in which the wavelength dependence of diffraction efficiency is reduced can be easily manufactured.

【0065】図11は、この発明の第3実施例を示すも
のである。この実施例は、2重焦点の回折レンズを示す
もので、順次積層した第1,第2,第3の領域101,
102,103は、第1実施例におけると同じ材料をも
って構成する。すなわち、第1の領域101をオハラ製
の光学ガラスLaL14(nd=1.6968,νd=
55.5)で、第2の領域102を紫外線硬化樹脂(n
d=1.52,νd=52)で、第3の領域103をポ
リカーボネイト(nd=1.58,νd=30.5)で
構成する。また、第1の領域101と第2の領域102
との境界面、および第2の領域102と第3の領域10
3との境界面には、等しいピッチ分布を有する第1のレ
リーフパターン205および第2のレリーフパターン2
06を、第1のレリーフパターン205の頂部と第2の
レリーフパターン206の底部とが接するようにそれぞ
れ形成する。
FIG. 11 shows a third embodiment of the present invention. This embodiment shows a double-focus diffractive lens, in which first, second and third regions 101,
102 and 103 are made of the same material as in the first embodiment. That is, the optical glass LaL14 made by OHARA (nd = 1.6968, νd =
55.5), the second region 102 is exposed to the ultraviolet curable resin (n
d = 1.52, νd = 52), and the third region 103 is made of polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.5). In addition, the first area 101 and the second area 102
And the second area 102 and the third area 10
The first relief pattern 205 and the second relief pattern 2 having the same pitch distribution on the boundary surface with
06 are formed so that the top of the first relief pattern 205 and the bottom of the second relief pattern 206 are in contact with each other.

【0066】第1,第2のレリーフパターン205,2
06は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列
を最適化すると共に、各断面を凹凸比の等しい矩形状と
して、波長λ=600nmで±1次回折効率が最大とな
るように、その溝深さを最適化する。この実施例では、
第1のレリーフパターン205の溝深さd1 を、d1
4.02μm、第2のレリーフパターン206の溝深さ
2 を、d2 =7.03μmとして、上記(10)式で
定義したパラメータαを、α≒1.75とする。また、
外側に面する2つの端面307および308は、ともに
平面として、各端面上に反射防止コートを施す。
First and second relief patterns 205, 2
No. 06 optimizes each pitch arrangement so as to have a predetermined lens action, and makes each cross section a rectangular shape having the same unevenness ratio so that the ± 1st-order diffraction efficiency is maximized at the wavelength λ = 600 nm. Optimize groove depth. In this example,
The groove depth d 1 of the first relief pattern 205 is represented by d 1 =
With the groove depth d 2 of 4.02 μm and the second relief pattern 206 set to d 2 = 7.03 μm, the parameter α defined by the above equation (10) is set to α≈1.75. Also,
The two outer facing end faces 307 and 308 are both flat and have an antireflection coating on each end face.

【0067】この実施例において、±1次回折効率が最
大となるときの、上記(9)式に相当する位相振幅は、
In this embodiment, the phase amplitude corresponding to the above equation (9) when the ± 1st order diffraction efficiency is maximum is

【数20】 で表され、そのときのm次回折効率ηm は、(Equation 20) And the m-th order diffraction efficiency η m at that time is

【数21】 で与えられる。上記(18)式で表される位相振幅は、
(9)式で表される位相振幅に、係数1/2が掛かった
だけであるので、第1実施例の場合と全く同じ作用で、
位相振幅の波長依存を低減することができる。
(Equation 21) Given by The phase amplitude represented by the above equation (18) is
Since the phase amplitude represented by the equation (9) is only multiplied by the coefficient 1/2, the operation is exactly the same as in the case of the first embodiment.
The wavelength dependence of the phase amplitude can be reduced.

【0068】図12は、この実施例による回折レンズの
±1次回折効率の波長依存特性を示すもので、(18)
式を(19)式に適用した結果を示すものである。図1
2において、実線はこの実施例による回折レンズの場合
を、破線はLaL14の材料基板に矩形位相格子を形成
した従来の回折レンズ(最適化波長λ=510nm)の
場合を示す。図12から明らかなように、この実施例に
よれば、従来のものと比較して回折効率の波長依存が良
好に補正されていることがわかる。このように、この実
施例によれば、可視帯域光の全域において、回折効率の
波長依存を低減できるので、可視帯域光で使用する2重
焦点光学系に好適に適用することができる。
FIG. 12 shows the wavelength dependence of the ± 1st-order diffraction efficiency of the diffractive lens of this example.
It shows a result of applying the equation to the equation (19). FIG.
In 2, the solid line shows the case of the diffractive lens according to this embodiment, and the broken line shows the case of the conventional diffractive lens (optimized wavelength λ = 510 nm) in which a rectangular phase grating is formed on the LaL14 material substrate. As is apparent from FIG. 12, according to this example, the wavelength dependence of the diffraction efficiency is corrected well as compared with the conventional example. As described above, according to this embodiment, since the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be reduced in the entire visible band light, it can be suitably applied to the double focus optical system used in the visible band light.

【0069】以上、第1〜3実施例において、第1,第
2のレリーフパターンが断面鋸歯波状の場合と、断面矩
形の場合とについて説明したが、第1,第2のレリーフ
パターンの断面形状は、上記の例に限らず、種々の断面
形状の場合でも、この発明を有効に適用することがで
き、同様の効果を得ることができる。
In the above, in the first to third embodiments, the case where the first and second relief patterns have a sawtooth wave cross section and the case where the cross section has a rectangular cross section have been described, but the cross sectional shapes of the first and second relief patterns are described. Is not limited to the above example, the present invention can be effectively applied to various cross-sectional shapes, and similar effects can be obtained.

【0070】図13は、この発明の第4実施例を示すも
のである。この実施例は、透過型の回折レンズを示すも
ので、第1の領域107としてアクリル樹脂(nd=
1.49,νd=57.7)を、第2の領域108とし
てポリカーボネイト(nd=1.58,νd=30.
5)をそれぞれ用い、これらを順次積層する。また、第
3の領域は、該回折レンズが置かれる雰囲気、実用上は
空気とする。第1の領域107と第2の領域108との
境界面、および第2の領域108と空気との境界面に
は、等しいピッチ分布を有する第1のレリーフパターン
207、および第2のレリーフパターン208を、第1
のレリーフパターン207の頂部と第2のレリーフパタ
ーン208の底部とが接するようにそれぞれ形成する。
FIG. 13 shows a fourth embodiment of the present invention. This embodiment shows a transmission type diffractive lens in which an acrylic resin (nd = nd) is used as the first region 107.
1.49, νd = 57.7) is used as the second region 108 for polycarbonate (nd = 1.58, νd = 30.
5) is used, respectively, and these are sequentially laminated. The third region is an atmosphere in which the diffractive lens is placed, and is practically air. A first relief pattern 207 and a second relief pattern 208 having the same pitch distribution are provided on the boundary surface between the first area 107 and the second area 108 and the boundary surface between the second area 108 and the air. The first
Of the relief pattern 207 and the bottom of the second relief pattern 208 are in contact with each other.

【0071】第1,第2のレリーフパターン207,2
08は、集光作用を持つように、各ピッチ配列を最適化
すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ=550
nmで1次回折効率が最大となるように、その溝深さを
最適化する。この実施例では、第1のレリーフパターン
207の溝深さd1 を、d1 =15.16μm、第2の
レリーフパターン208の溝深さd2 を、d2 =3.3
4μmとして、上記(10)式で定義したパラメータα
を、α≒0.22とする。
First and second relief patterns 207, 2
No. 08 optimizes each pitch arrangement so as to have a condensing function, and each cross section has a sawtooth wave shape, and the wavelength λ = 550.
The groove depth is optimized so as to maximize the first-order diffraction efficiency in nm. In this embodiment, the groove depth d 1 of the first relief pattern 207 is d 1 = 15.16 μm, and the groove depth d 2 of the second relief pattern 208 is d 2 = 3.3.
4 μm, the parameter α defined by the above equation (10)
Is set to α≈0.22.

【0072】この実施例では、第3の領域を、この回折
レンズが置かれる雰囲気、実用上は空気として、その屈
折率を1としているので、上述した実施例の場合と同様
の作用により、回折効率の波長依存を補正することがで
きる。さらに、この実施例では、第3の領域の屈折率が
低いので、第2の領域108と第3の領域との屈折率差
Δn2 が十分大きな値となり、第2のレリーフパターン
208の溝深さd2 を比較的浅くすることができる。こ
れにより、回折レンズをより薄型にできるので、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。
In this embodiment, the third region is the atmosphere in which this diffractive lens is placed, which is air in practice, and its refractive index is 1. Therefore, the third region is diffracted by the same action as in the above-mentioned embodiment. The wavelength dependence of efficiency can be corrected. Furthermore, in this embodiment, since the refractive index of the third region is low, the refractive index difference Δn 2 between the second region 108 and the third region has a sufficiently large value, and the groove depth of the second relief pattern 208 is small. The depth d 2 can be made relatively shallow. Thereby, the diffractive lens can be made thinner, and the pitch of the relief pattern can be made smaller.

【0073】図14は、この実施例による回折レンズ
と、従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比
較して示すものである。図14において、実線はこの実
施例による回折レンズの場合を、破線はアクリル基板に
ブレーズパターンを形成した従来の回折レンズ(最適化
波長λ=510nm)の場合を示している。図14から
明らかなように、この実施例の場合も、従来のものと比
較して回折効率の波長依存を極めて良好に補正できるこ
とがわかる。
FIG. 14 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of the diffraction efficiency between the diffractive lens of this example and a conventional diffractive lens. In FIG. 14, the solid line shows the case of the diffractive lens according to this embodiment, and the broken line shows the case of the conventional diffractive lens (optimized wavelength λ = 510 nm) in which a blazed pattern is formed on an acrylic substrate. As is clear from FIG. 14, also in the case of this embodiment, the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be corrected very well as compared with the conventional one.

【0074】図15は、この発明の第5実施例を示すも
のである。この実施例は、反射型の回折格子を示すもの
で、第1の領域111として金属アルミ(Al)を、第
2の領域112としてポリカーボネイト(nd=1.5
8,νd=30.5)を、第3の領域113としてアク
リル樹脂(nd=1.49,νd=57.7)をそれぞ
れ用い、これらを順次積層する。また、第1の領域11
1と第2の領域112との境界面、および第2の領域1
12と第3の領域113との境界面には、等しいピッチ
分布を有する第1のレリーフパターン211および第2
のレリーフパターン212を、第1のレリーフパターン
211の頂部と第2のレリーフパターン212の底部と
が互いの領域に食い込むように、すなわち第1,第2の
レリーフパターン211,212の間隔d3 が負の値と
なるようにそれぞれ形成する。
FIG. 15 shows a fifth embodiment of the present invention. In this embodiment, a reflection type diffraction grating is shown. Metal aluminum (Al) is used as the first region 111 and polycarbonate (nd = 1.5) is used as the second region 112.
8, vd = 30.5) and acrylic resin (nd = 1.49, vd = 57.7) as the third region 113, and these are sequentially laminated. In addition, the first area 11
1 and the boundary surface between the second area 112 and the second area 1
The first relief pattern 211 and the second relief pattern 211 having the same pitch distribution are provided on the boundary surface between the second region 113 and the third region 113.
Of the first relief pattern 211 so that the top of the first relief pattern 211 and the bottom of the second relief pattern 212 bite into each other, that is, the distance d 3 between the first and second relief patterns 211 and 212 is It is formed so as to have a negative value.

【0075】第1,第2のレリーフパターン211,2
12は、各ピッチを一定とすると共に、各断面を鋸歯波
状として、波長λ=550nmにおける1次回折効率が
最大となるようにその溝深さを最適化する。この実施例
では、第1のレリーフパターン211の溝深さd1 を、
1 =0.53μm、第2のレリーフパターン212の
溝深さd2 を、d2 =6.04μmとして、上記(1
0)式で定義したパラメータαを、α≒11.40とす
る。
First and second relief patterns 211 and 211
In No. 12, each pitch is made constant, each cross section is formed in a sawtooth wave shape, and the groove depth is optimized so that the first-order diffraction efficiency at the wavelength λ = 550 nm is maximized. In this embodiment, the groove depth d 1 of the first relief pattern 211 is
If d 1 = 0.53 μm and the groove depth d 2 of the second relief pattern 212 is d 2 = 6.04 μm, the above (1
The parameter α defined by the equation (0) is α≈11.40.

【0076】この回折格子においては、第1の領域11
1が金属アルミよりなる反射材料で構成されているの
で、入射面311から入射した光は、第1のレリーフパ
ターン211で反射される。したがって、かかる回折格
子は、反射型回折格子として機能する。また、この回折
格子における回折効率の波長依存については、上述した
(11)式で説明することができる。すなわち、(1
1)式は、ここまで説明してきた透過型回折レンズの位
相振幅を表す(9)式において、第1の領域の屈折率を
ゼロとおいた特別な場合とみなせるので、この実施例の
作用も本質的には上述した透過型回折レンズの作用と同
じである。
In this diffraction grating, the first region 11
Since 1 is made of a reflective material made of metallic aluminum, the light incident from the incident surface 311 is reflected by the first relief pattern 211. Therefore, the diffraction grating functions as a reflection type diffraction grating. Further, the wavelength dependence of the diffraction efficiency in this diffraction grating can be explained by the above equation (11). That is, (1
Since the expression (1) can be regarded as a special case where the refractive index of the first region is set to zero in the expression (9) representing the phase amplitude of the transmission type diffractive lens described so far, the action of this embodiment is also essential. The operation is the same as that of the above-mentioned transmission type diffractive lens.

【0077】この実施例によれば、αを最適に設定する
ことにより、第2の領域112を構成するポリカーボネ
イトの屈折率の波長依存を、該ポリカーボネイトと第3
の領域113を構成するアクリル樹脂との屈折率差の波
長依存により好適に補正することができる。これによ
り、(11)式で示された位相振幅の波長依存が低減さ
れ、さらに、回折効率の波長依存が低減される。
According to this embodiment, by setting α to the optimum value, the wavelength dependence of the refractive index of the polycarbonate forming the second region 112 can be made equal to that of the polycarbonate.
Can be suitably corrected by the wavelength dependence of the refractive index difference from the acrylic resin forming the region 113. As a result, the wavelength dependence of the phase amplitude expressed by the equation (11) is reduced, and further the wavelength dependence of the diffraction efficiency is reduced.

【0078】図16は、この実施例による反射型回折格
子と、従来の反射型回折格子との回折効率の波長依存特
性を比較して示すものである。図16において、実線は
この実施例による反射型回折格子の場合を、破線は従来
の反射型ブレーズ格子(最適化波長λ=510nm)の
場合を示している。図16から明らかなように、この実
施例の場合も、従来のものと比較して回折効率の波長依
存を極めて良好に補正できることがわかる。
FIG. 16 shows a comparison of the wavelength dependence characteristics of the diffraction efficiency between the reflection type diffraction grating according to this embodiment and the conventional reflection type diffraction grating. In FIG. 16, the solid line shows the case of the reflection type diffraction grating according to this embodiment, and the broken line shows the case of the conventional reflection type blazed grating (optimized wavelength λ = 510 nm). As is clear from FIG. 16, in the case of this embodiment, the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be corrected very well as compared with the conventional one.

【0079】付記項 1.請求項1記載の回折光学素子において、前記第1、
第2および第3の領域をそれぞれ構成する材料の屈折率
を、n1(λ) 、n2(λ) およびn3(λ) とし、前記第1
および第2のレリーフパターンのそれぞれの溝深さを、
1 およびd 2 、それらの比を、α=d2/d1 として、
Additional Notes 1. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the first,
Refractive index of materials forming the second and third regions, respectively
, N1(λ), nTwo(λ) and nThree(λ) and the first
And the groove depth of the second relief pattern,
d1 And d Two, Their ratio is α = dTwo/ d1 As

【数22】ΔN(λ)={n1(λ) −n2(λ) }+α
{n2(λ) −n3(λ) } ただし、λ:光の波長 とするとき、
[Formula 22] ΔN (λ) = {n 1 (λ) −n 2 (λ)} + α
{N 2 (λ) −n 3 (λ)} where λ is the wavelength of light,

【数23】 |ΔN(λ2 )|>|ΔN(λ1 )|>0;λ2 >λ1 ただし、λ1 :使用する光の波長域の短波長端の波長 λ2 :使用する光の波長域の長波長端の波長 を満たすことを特徴とする回折光学素子。 2.請求項1,2または3記載の回折光学素子におい
て、前記第1のレリーフパターンの位相シフト作用、お
よび第2のレリーフパターンの位相シフト作用が、代数
的に打ち消し合うように、前記第1のレリーフパターン
および第2のレリーフパターンの溝深さ比αを設定した
ことを特徴とする回折光学素子。ただし、α=d2 /d
1 ;d1 ,d2 は、それぞれ第1,第2のレリーフパタ
ーンの溝深さである。 3.請求項1,2または3記載の回折光学素子におい
て、前記第3の領域は、該領域の接する環境の雰囲気で
あることを特徴とする回折光学素子。 4.請求項1,2または3記載の回折光学素子におい
て、前記第1のレリーフパターンおよび第2のレリーフ
パターンで構成された複合レリーフ構造領域の平均屈折
率をn0 、厚さをD、およびレリーフパターンの最小ピ
ッチをTとするとき、
[Expression 23] | ΔN (λ 2 ) |> | ΔN (λ 1 ) |>0; λ 2 > λ 1 where λ 1 is the wavelength at the short wavelength end of the wavelength range of the used light λ 2 is the used light A diffractive optical element characterized by satisfying the wavelength at the long wavelength end of the wavelength range of. 2. The diffractive optical element according to claim 1, 2, or 3, wherein the first relief pattern has a phase shift action and the second relief pattern has a phase shift action that cancels each other algebraically. A diffractive optical element, wherein a groove depth ratio α of the pattern and the second relief pattern is set. However, α = d 2 / d
1 ; d 1 and d 2 are the groove depths of the first and second relief patterns, respectively. 3. The diffractive optical element according to claim 1, 2 or 3, wherein the third region is an atmosphere of an environment in which the region is in contact. 4. The diffractive optical element according to claim 1, 2 or 3, wherein an average refractive index n 0 , a thickness D, and a relief pattern of a composite relief structure region composed of the first relief pattern and the second relief pattern. When the minimum pitch of is T,

【数24】 を満たすことを特徴とする回折光学素子。ただし、λ0
は、使用する帯域光の中心波長である。 5.請求項1,2または3記載の回折光学素子におい
て、使用する帯域光の短波長端の波長λ1 、長波長端の
波長λ2 が、
(Equation 24) A diffractive optical element that satisfies: Where λ 0
Is the center wavelength of the band light used. 5. The diffractive optical element according to claim 1, 2 or 3, wherein the wavelength λ 1 at the short wavelength end and the wavelength λ 2 at the long wavelength end of the band light used are

【数25】λ2 −λ1 >0.05λ0 を満たすことを特徴とする回折光学素子。ただし、λ0
は、
(25) A diffractive optical element characterized by satisfying λ 2 −λ 1 > 0.05λ 0 . Where λ 0
Is

【数26】 で定義した、λ1 とλ2 との中間波長である。 6.請求項1〜3、付記項1〜5のいずれか一つに記載
の回折光学素子を有する光学装置。
(Equation 26) It is an intermediate wavelength between λ 1 and λ 2 defined in. 6. An optical device comprising the diffractive optical element according to claim 1.

【0080】[0080]

【発明の効果】この発明によれば、第1,第2の2つの
レリーフパターンの溝深さの比を制御することにより、
すなわち2つのレリーフパターンの溝深さの比を最適に
違えて設定することにより、基板材料等の光学特性とは
独立に、位相振幅の波長依存を制御することができるの
で、回折効率の波長依存性を目的に応じて最適化するこ
とができる。したがって、回折効率の波長依存を低減で
きる材料の組み合わせに制限がなくなるので、例えば、
製造の容易な材料を組み合わせて、効果的に回折効率の
波長依存を低減できると共に、安価にできる。
According to the present invention, by controlling the groove depth ratio of the first and second relief patterns,
That is, by setting the groove depth ratio of the two relief patterns to be optimally different, the wavelength dependence of the phase amplitude can be controlled independently of the optical characteristics of the substrate material, etc. The sex can be optimized according to the purpose. Therefore, there are no restrictions on the combination of materials that can reduce the wavelength dependence of the diffraction efficiency.
By combining materials that are easy to manufacture, the wavelength dependence of the diffraction efficiency can be effectively reduced and the cost can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】第1の発明にかかる回折光学素子の概念図であ
る。
FIG. 1 is a conceptual diagram of a diffractive optical element according to a first invention.

【図2】第2の発明にかかる回折光学素子の概念図であ
る。
FIG. 2 is a conceptual diagram of a diffractive optical element according to a second invention.

【図3】この発明の第1実施例を示す断面図である。FIG. 3 is a sectional view showing a first embodiment of the present invention.

【図4】第1実施例の回折レンズにおける順次の領域間
の屈折率差の波長依存特性を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing wavelength dependence characteristics of a refractive index difference between successive regions in the diffractive lens of the first example.

【図5】第1実施例による回折レンズと従来の回折レン
ズとの位相振幅の波長依存特性を比較して示す図であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing a comparison of wavelength dependence characteristics of phase amplitude between the diffractive lens according to the first example and the conventional diffractive lens.

【図6】図5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。
6 is a diagram showing the wavelength dependence characteristic of the diffraction efficiency corresponding to the wavelength dependence characteristic of the phase amplitude shown in FIG.

【図7】第1実施例の変形例を示す断面図である。FIG. 7 is a sectional view showing a modification of the first embodiment.

【図8】この発明の第2実施例を示す断面図である。FIG. 8 is a sectional view showing a second embodiment of the present invention.

【図9】第2実施例の回折レンズにおける順次の領域間
の屈折率差の波長依存特性を示す図である。
FIG. 9 is a diagram showing wavelength-dependent characteristics of the refractive index difference between successive regions in the diffractive lens of the second example.

【図10】第2実施例による回折レンズと従来の回折レ
ンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図であ
る。
FIG. 10 is a diagram showing a comparison of wavelength dependence characteristics of diffraction efficiency between a diffractive lens according to a second example and a conventional diffractive lens.

【図11】この発明の第3実施例を示す断面図である。FIG. 11 is a sectional view showing a third embodiment of the present invention.

【図12】第3実施例の回折レンズにおける±1次回折
効率の波長依存特性を示す図である。
FIG. 12 is a diagram showing wavelength-dependent characteristics of ± first-order diffraction efficiency in the diffraction lens of the third example.

【図13】この発明の第4実施例を示す断面図である。FIG. 13 is a sectional view showing a fourth embodiment of the present invention.

【図14】第4実施例による回折レンズと従来の回折レ
ンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図であ
る。
FIG. 14 is a diagram showing a comparison of wavelength dependence characteristics of diffraction efficiency between a diffractive lens according to a fourth example and a conventional diffractive lens.

【図15】この発明の第5実施例を示す断面図である。FIG. 15 is a sectional view showing a fifth embodiment of the present invention.

【図16】第5実施例による反射型回折格子と従来の反
射型回折格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。
FIG. 16 is a diagram showing a comparison of wavelength dependence characteristics of diffraction efficiency between a reflection type diffraction grating according to a fifth example and a conventional reflection type diffraction grating.

【図17】この発明に係る回折光学素子の一適用例を示
す図である。
FIG. 17 is a diagram showing an application example of the diffractive optical element according to the present invention.

【図18】同じく、他の適用例を示す図である。FIG. 18 is a diagram similarly showing another application example.

【図19】従来の回折光学素子を示す断面図である。FIG. 19 is a sectional view showing a conventional diffractive optical element.

【図20】図19に示す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。
20 is a schematic view of the conventional diffractive optical element shown in FIG.
It is a figure which shows an example of the wavelength dependence characteristic of the secondary diffraction efficiency.

【図21】図19に示す断面鋸歯波状のレリーフパター
ンの位相シフト関数φ(x)を示す図である。
21 is a diagram showing a phase shift function φ (x) of the relief pattern having a sawtooth-shaped cross section shown in FIG.

【図22】本出願人が先に提案した回折光学素子の基本
構成を示す断面図である。
FIG. 22 is a sectional view showing a basic configuration of a diffractive optical element previously proposed by the applicant.

【図23】図22に示す回折光学素子における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。
23 is a diagram showing an example of wavelength-dependent characteristics of refractive indexes of two kinds of optical materials in the diffractive optical element shown in FIG.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

11,14,101,104,107,111 第1の
領域 12,15,102,105,108,112 第2の
領域 13,16,103,106,113 第3の領域 21,23,201,203,205,207,211
第1のレリーフパターン 22,24,202,204,206,208,212
第2のレリーフパターン
11, 14, 101, 104, 107, 111 First area 12, 15, 102, 105, 108, 112 Second area 13, 16, 103, 106, 113 Third area 21, 23, 201, 203 , 205, 207, 211
First relief pattern 22, 24, 202, 204, 206, 208, 212
Second relief pattern

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 密接または近接して順次に積層した第
1、第2および第3の領域と、 前記第1および第2の領域の境界面に形成した第1のレ
リーフパターンと、 前記第2および第3の領域の境界面に形成した第2のレ
リーフパターンとを有し、 前記第1、第2および第3の領域は、使用する光の波長
で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、 前記第1および第2のレリーフパターンは、実質的に等
しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それら
の対応する部位が近接して配置されていることを特徴と
する回折光学素子。
1. A first, a second and a third region which are sequentially stacked closely or closely to each other, a first relief pattern which is formed on a boundary surface of the first and the second region, and the second And a second relief pattern formed on the boundary surface of the third region, wherein the first, second and third regions are made of different materials which are substantially transparent at the wavelength of the light used. The first and second relief patterns have substantially equal pitch distributions, different groove depths, and corresponding portions thereof are arranged close to each other. element.
【請求項2】 密接または近接して順次に積層した第
1、第2および第3の領域と、 前記第1および第2の領域の境界面に形成した第1のレ
リーフパターンと、 前記第2および第3の領域の境界面に形成した第2のレ
リーフパターンとを有し、 前記第1の領域は、使用する光を反射する材料をもって
構成され、 前記第2および第3の領域は、使用する光の波長で実質
的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、 前記第1および第2のレリーフパターンは、実質的に等
しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それら
の対応する部位が近接して配置されていることを特徴と
する回折光学素子。
2. A first, a second and a third region, which are sequentially stacked closely or closely to each other, a first relief pattern formed on a boundary surface between the first and the second regions, and the second And a second relief pattern formed on a boundary surface of the third region, the first region is made of a material that reflects light to be used, and the second and third regions are used. The first and second relief patterns have substantially equal pitch distributions, different groove depths, and corresponding portions thereof. A diffractive optical element characterized in that the two are arranged close to each other.
【請求項3】 密接または近接して順次に積層した第
1、第2および第3の領域と、 前記第1および第2の領域の境界面に形成した第1のレ
リーフパターンと、 前記第2および第3の領域の境界面に形成した第2のレ
リーフパターンとを有し、 前記第1、第2および第3の領域は、使用する光の波長
で実質的に透明な互いに異なる材料をもって構成され、 前記第1および第2のレリーフパターンは、実質的に等
しいピッチ分布で、対応する部位が近接して配置され、 かつ、前記第1、第2および第3の領域をそれぞれ構成
する材料の屈折率を、n1(λ) 、n2(λ) およびn
3(λ) とし、 前記第1および第2のレリーフパターンのそれぞれの溝
深さを、d1 およびd 2 、それらの比を、α=d2/d1
として、 【数1】ΔN(λ)={n1(λ) −n2(λ) }+α{n
2(λ) −n3(λ) } ただし、λ:光の波長 とするとき、 【数2】 |ΔN(λ2 )|>|ΔN(λ1 )|>0;λ2 >λ1 ただし、λ1 :使用する光の波長域の短波長端の波長 λ2 :使用する光の波長域の長波長端の波長 を満たすことを特徴とする回折光学素子。
3. A first layer, which is sequentially laminated in close or close proximity
The first, second, and third regions and the first layer formed on the boundary surface between the first and second regions.
A leaf pattern and a second pattern formed on the boundary surface between the second and third regions.
And a leaf pattern, wherein the first, second and third regions are wavelengths of light to be used.
And the first and second relief patterns are substantially equal to each other.
Corresponding parts are arranged close to each other with a new pitch distribution, and each of the first, second, and third regions is configured.
The refractive index of the material1(λ), nTwo(λ) and n
Three(λ) and each groove of the first and second relief patterns
Depth, d1 And d Two, Their ratio is α = dTwo/ d1 
As follows: ΔN (λ) = {n1(λ) −nTwo(λ)} + α {n
Two(λ) −nThree(λ)} where λ is the wavelength of the light, |Two ) |> | ΔN (λ1) |> 0; λTwo > Λ1 Where λ1: Wavelength at the short wavelength end of the wavelength range of the light used λTwo : A diffractive optical element characterized by satisfying the wavelength at the long wavelength end of the wavelength range of the light used.
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