JPH10133149A - 回折光学素子及びそれを用いた光学系 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用波長域全域で設計次数の回折効率が高く
なり、且つそれにより、設計回折次数近傍の回折効率が
大幅に低減するような回折光学素子及びそれを用いた光
学系を得ること。 【解決手段】 基板上にアッベ数が異なる少なくとも２
つの材質より成る第１，第２の回折格子を各ピッチ毎に
対応するように重ねた回折光学素子であって、該第１の
回折格子は１周期内で一方向に厚さが減少する格子を有
し、該第２の回折格子は１周期内で該一方向に厚さが増
加する格子を有していること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回折光学素子及びそ
れを用いた光学系に関し、特に使用波長領域の光束が特
定次数（設計次数）に集中するような回折格子構造を有
し、所望の分光特性が高い回折効率で得られる写真用カ
メラ、ビデオカメラ、双眼鏡、プロジェクター、望遠
鏡、顕微鏡、複写器等の各種の光学系に好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】光学系には種々の諸収差が存在し、これ
らの収差を補正するように各光学要素が組み立てられて
いる。従来より光学系に於いて発生する諸収差のうち色
収差は、分散特性の異なる硝材を組み合わせることによ
り減じていた。例えば、望遠鏡等の対物レンズでは、分
散の小さい硝材を正レンズとし分散の大きい硝材を負レ
ンズとし、これらを組み合わせることで軸上に現れる色
収差を消していた。このためレンズの構成枚数が制限さ
れる場合や使用できる硝材が限られている場合などでは
色収差の補正を十分にすることが出来なかった。

【０００３】また、従来の硝材の組み合わせにより色収
差を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の
１部に回折作用を有する回折光学素子（以下「回折格
子」とも言う）を設けることで、色収差を減じる方法が
ＳＰＩＥ Vol.1354 International Lens Design Confer
ence(1990)等の文献や特開平4-213421号公報、特開平6-
324262号公報、USP5,044,706等により開示されている。
これは、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波
長の光線に対する色収差の出方が逆方向に発現するとい
う物理現象を利用したものである。

【０００４】このことを図１６を用い簡単に説明する。
回折光学素子１は屈折率１の空気中におかれており、光
軸３に対し垂直に配置されているものとする。ここで回
折格子２の周期ピッチがＰの場合、光軸３に平行な光線
Ａの回折方向θは、 Ｐsin θ＝ｍλ ・・・・・・（１） となる方向に回折光が生じる。ここでｍは回折次数であ
りλは波長である。

【０００５】図では、周期的構造を一方向についてのみ
示したが、この様な周期的構造を光軸等ある光軸を中心
に回転対称に構成し、回折格子の周期ピッチを徐々に変
化させることによりこの周期的構造を有する輪帯構造は
レンズとして作用する。このような回折作用を利用した
レンズは、式（１）よりある次数では波長が長いほど回
折される角度が大きくなることから、波長による結像点
の位置関係が屈折レンズの同じ方向のパワーをもつもの
と逆になる。前述の文献等は主としてこの原理を利用し
て収差（色収差）を補正している。

【０００６】屈折においては、１本の光線は屈折後も１
本の光線であるのに対し、回折においては、各次数に光
が複数に分かれてしまう。そこで、レンズ系として回折
光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が特定
次数（以後「設計次数」と言う）に集中するように回折
格子構造を決定する。特定の次数に光の強度が集中して
いる場合では、それ以外の回折光の方向は式（１）で表
されるものの、その光線の強度は低いものとなり、強度
が０の場合にはその回折光は存在しないものとなる。

【０００７】ｍ次の回折光の回折効率を高めようとする
場合、位相差を与えるための構造において２πｍの位相
差を回折方向の各光路光線に与えられれば、各光線は干
渉し、強められることになる。

【０００８】格子の高さがｄであり、その材質の屈折率
がｎであるような透過型の回折格子において、次数ｍの
光線に２πｍの位相差を与えるために、 ２πｍ＝２πｄ（ｎ−１）／λ ・・・・・・（２） となることが必要になる。式（２）の条件が各ピッチ間
で成立している場合、その回折効率はもっとも高くな
る。

【０００９】この回折作用を得るための回折光学素子の
具体的な構造は、キノフォームとよばれ、この位相差２
πを与える間が連続的になっているもの、連続的な位相
差分布を階段状に近似したバイナリー形状に構成したも
のやその微小な周期的構造を三角波形状に近似し構成し
たもの等が公知である。こうした構造は、光学系中に平
板の表面に形成されたり、レンズ表面に形成されたりす
ることでその回折効果を発生する。また、このような回
折光学素子は、リソグラフィー等の半導体プロセスや切
削等により製造される。

【００１０】さらに、このような回折光学素子は、硝子
の分散により屈折面で発生する色収差に対してとくにそ
の補正する効果がおおきいが、その周期的構造の周期を
変化させることで非球面レンズ的な効果をも持たせるこ
とができ収差の低減に大きな効果がある。

【００１１】公知例に示されているものは、回折の効果
により諸収差とくに色収差が低減しており、回折光学素
子を光学系に組み込んだ効果が収差図上等で確認するこ
とが出来る。しかしながら、その収差低減に寄与した回
折光の回折効率が、高くなければ実際上その光線は存在
しないものとなるため、収差低減を果たす光線の回折効
率が十分高いことが必要になる。また、設計次数以外の
回折次数をもった光線が存在する場合は、設計次数の光
線とは別な所に結像するため、フレアやゴーストとな
り、像のコントラストの低下を引き起こす。従って回折
効果を利用した光学系においては、回折効率の分布及び
設計次数以外の光線の振る舞いについても十分考慮する
事が重要である。

【００１２】図１４に一般的な光学系の分光透過特性を
示す。図中横軸は、波長を表し、縦軸は分光透過率を表
している。この分光透過特性は、ガラスによる光の吸収
や屈折面における光の反射などによって決定される。こ
の光学系は、使用波長域で評価対象に合わせた分光透過
特性が要求される。

【００１３】回折光学素子をある面に形成した場合、特
定の回折次数に対する回折効率の特性を図１３に示す。
この図で、横軸は波長をあらわし、縦軸は回折効率を表
している。この回折光学素子は、１次の回折次数（図中
実線）において、使用波長領域でもっとも回折効率が高
くなるように設計されている。即ち設計次数は１次とな
る。さらに、設計次数近傍の回折次数（１次±１次）の
回折効率も併せ並記しておく。図に示されるように、設
計次数では回折効率はある波長で最も高くなり（以下
「設計波長」と言う）それ以外の波長では徐々に低くな
る。この原因を説明する。（２）式では位相差が２πと
なるための格子の厚みを示したが、設計波長でこの条件
を満たすように格子の厚みを設定した場合、その他の波
長ではその条件より若干はずれてしまうことになり、こ
のために回折効率の低下が発生する。

【００１４】例えば図１２に示すように、回折光学素子
１を構成する回折格子２の微小構造を８段の階段状のバ
イナリー構造により形成したとき、回折光学素子１の１
次光に対する設計波長を５３０nmとすると、実際の格子
構造は（２）式より２πｍ＝２πｄ（ｎ−１）／λで、
ｍ＝１，λ＝５３０nm，ｎ＝１．４６１としたときの厚
みｄ＝１１５０nmを８等分した厚み１４３．７nmに各段
の厚みがなっている。このとき設計波長での回折効率は
およそ９５％になり、波長４００nmでの１次光の回折効
率は約６７％、波長６５０nmでの１次光に対する回折効
率は８５％になる。従って、回折効果を利用した光学系
においてはこの設計波長を、その光学系が使用される波
長領域の中心付近に設定するなどの考慮が必要である。
設計次数における回折効率だけを考えれば、それは分光
透過特性と同様に考えなければならない。

【００１５】回折光学素子を含む光学系の回折面を除く
分光透過特性を波長の関数で表した物を、ηＬＥＮＳ、
回折光学素子の回折効率をηＤＯＥとするとき、光学系
全体の設計次数での分光透過特性は、 η（λ）＝ηＬＥＮＳ（λ）×ηＤＯＥ（λ） のように表される。図１４に示した分光特性を有する光
学系に、図１３のような回折効率を有する回折面を付加
した場合、設計次数での分光透過特性は図１５の様にな
る。従って使用する波長領域においては設計次数におけ
る回折効率を高くたもつことが望まれる。

【００１６】次に設計次数以外の次数の回折光の影響に
ついて説明する。設計次数以外の次数の光は、評価面上
にデフォーカスした状態でのることになる。このことを
簡単に説明する。ここで設計次数を１次とし、回折効果
を有するレンズのパワーが正とすると、設計次数より高
い次数（２次，３次，・・・ ）の回折光は式（１）より回
折角が大きくなり、１次の結像位置より手前に結像す
る。この回折位置は、回折次数が設計次数より離れるに
従い、大きくなる。同様に設計次数より低い次数（０
次，−１次，・・・ ）の回折光は１次の結像位置より後側
に結像する。評価面は設計次数の回折光結像位置に置か
れるので、これら設計次数以外の回折光は、結像面上に
デフォーカスした状態でのることになる。

【００１７】この内、設計次数から離れた次数の回折光
は、評価面上ではかなりぼけているため、結像には寄与
せず、全面にフレアのような状態で付加される。

【００１８】一方、設計次数近傍の回折次数（１次±１
次）の回折光は、結像性能を評価するような空間周波数
領域では、解像していないが、完全にぼけた状態でもな
く、低い空間周波数領域では解像している。このため、
この回折次数の回折効率が大きいと、設計回折光の回り
にかなり大きなサイドローブのあるようなスポットとな
り、光学性能は悪化する。ただし、図１３に示されてい
る様に設計次数近傍の回折次数（０次，２次）の回折効
率は、設計波長でほぼ０となり、設計波長から離れた波
長でのみ、数％の回折効率を有している。従って、使用
波長域で積分された光量においては、２％程度、評価面
に置かれた感光物の種類によっては、０．５％程度のわ
ずかな光量である。さらにこの光量が評価面ではぼけて
いるため、単位面積当たりの光量は低下し、通常はサイ
ドローブとしては、検出されない。

【００１９】しかしながら、この回折効果を利用した光
学系をカメラのレンズ（撮影系）等に応用した場合に
は、特殊な条件を考慮する必要がある。カメラの場合、
評価面にはフィルムやＣＣＤ等が使用され、撮影条件
（被写体、露出条件）は様々な場合が発生する。この
内、被写体の一部に高輝度な光源が存在する場合等は、
高輝度な光源部はフィルムやＣＣＤの適正露光より飽和
させ、他の被写体部で適正露光に調整し撮影されるケー
スがある。この場合、光源部は適正露光の数倍になって
いるため、前述の設計次数近傍の回折次数の回折光も数
倍される。そのため光源部の回りに、後光がさしたよう
にサイドローブが見られることがある。

【００２０】したがって、カメラのような様々な露光条
件を有する光学系に回折光学素子を用いた場合、この設
計次数近傍の回折次数の効率を少なくすることが望まし
い。

【００２１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来の回折光学素子では、設計次数（１次光）における設
計波長と異なる波長での回折効率は設計波長から離れる
にしたがって低下している。そして、この回折効率の低
下した分は設計次数近傍の次数（例えば０次と＋２次）
の回折光束となり、前述したように評価面にフレアとし
てのり、画像に悪影響を与えてしまう。

【００２２】また光学系に複数の回折光学素子を用いる
場合には、このフレアの影響のほかに設計次数での回折
効率も問題になる。従来例で示したように、設計波長５
３０nmでは９５％の回折効率があるのに対し、波長４０
０nmでは６７％まで低下してくる。このような回折光学
素子を例えば２枚、光学系中に使用した場合は、設計波
長では９０％の合成の回折効率をもつが、波長４００nm
では４５％まで低下し、透過率の観点からも問題となっ
ていた。

【００２３】本発明は回折光学素子をアッベ数（分散）
の異なる材質より成る少なくとも２つの回折格子を重ね
合わせて構成することによって設計次数の回折効率を使
用波長領域全域で高く、かつ設計回折次数近傍の次数の
回折効率を低減することができ、光学系に適用したとき
は色収差等の諸収差を良好に補正することができる写真
用カメラ、ビデオカメラ、双眼鏡、プロジェクター、望
遠鏡、顕微鏡、複写器等の各種の光学系に好適な回折光
学素子及びそれを用いた光学系の提供を目的とする。

【００２４】

【課題を解決するための手段】本発明の回折光学素子
は、 （１−１）基板上にアッベ数が異なる少なくとも２つの
材質より成る第１，第２の回折格子を各ピッチ毎に対応
するように重ねた回折光学素子であって、該第１の回折
格子は１周期内で一方向に厚さが減少する格子を有し、
該第２の回折格子は１周期内で該一方向に厚さが増加す
る格子を有していることを特徴としている。

【００２５】特に、(1-1-1) 前記第１，第２の回折格子
は所定波長域の光束が特定次数に集中する格子構造より
成っていること、(1-1-2) 前記第１，第２の回折格子の
１周期内の格子は複数の階段形状より成っていること、
(1-1-3) 前記第１，第２の回折格子の１周期内の格子は
厚さが連続的に変化する形状より成っていること、(1-1
-4) 前記第１，第２の回折格子の１周期内の格子はキノ
フォーム形状より成っていること、(1-1-5) 前記第１，
第２の回折格子の基準波長での材質の屈折率をｎ１，ｎ
２、厚さをｄ１，ｄ２とし、光学光路長Ｌ１，Ｌ２を Ｌ１＝（ｎ１−１）ｄ１ Ｌ２＝（ｎ２−１）ｄ２ と表わしたとき、重ね合わせた光学光路長が１周期内で
前記一方向において減少するときは、前記第１，第２の
回折格子の材質のアッベ数を各々ν１，ν２とすると
き、 ν２＜ν１ なる条件を満足すること、(1-1-6) 前記第１，第２の回
折格子の基準波長での材質の屈折率をｎ１，ｎ２、厚さ
をｄ１，ｄ２とし、光学光路長Ｌ１，Ｌ２を Ｌ１＝（ｎ１−１）ｄ１ Ｌ２＝（ｎ２−１）ｄ２ と表わしたとき、重ね合わせた光学光路長が１周期内で
前記一方向において増加するときは、前記第１，第２の
回折格子の材質のアッベ数を各々ν１，ν２とすると
き、 ν２＜ν１ なる条件を満足すること、(1-1-7) 前記第１，第２の回
折格子は１次元格子より成っていること、(1-1-8) 前記
第１，第２の回折格子は同心円格子より成っているこ
と、(1-1-9) 前記第１，第２の回折格子の組を複数、前
記基板上に設けていること、(1-1-10)前記第１の回折格
子は１周期内で前記一方向に厚さが単調減少する格子を
有していること、(1-1-11)前記第２の回折格子は１周期
内で前記一方向に厚さが単調増加する格子を有している
こと、(1-1-12)前記第１の回折格子は１周期内で前記一
方向に厚さが単調減少する格子を有し、前記第２の回折
格子は１周期内で前記一方向に厚さが単調増加する格子
を有していること、(1-1-13)前記基板は平行平板である
こと、(1-1-14)前記基板は曲率を有した曲面であること
等を特徴としている。

【００２６】本発明の光学系は、構成（１−１）の回折
光学素子を用いていることを特徴としている。

【００２７】

【発明の実施の形態】図１は本発明の回折光学素子の実
施形態１の要部正面図、図２は図１の回折光学素子の要
部断面図である。

【００２８】図中、１は回折光学素子である。本実施形
態の回折光学素子１は互いに分散の異なる複数の材質よ
り成る複数の回折格子、例えば互いに分散の異なる２つ
の材質より成る第１の回折格子２ａと第２の回折格子２
ｂの２つの回折格子を基板１１上で各ピッチ毎に対応す
るように重ね合わせた構成より成っている。そして図２
に示すように回折格子２ａ，２ｂの１周期（格子ピッチ
Ｐ）内の複数の段差形状は、その格子厚がａ段，ｂ段，
・・・・ｈ段と一方向にいくに従って第１の回折格子２ａで
は単調減少し、第２の回折格子２ｂでは一方向にいくに
従って単調増加する段差構造より成っている。

【００２９】このように本実施形態の回折光学素子１
は、２種類の分散の異なる材質から成る第１，第２の回
折格子２ａ，２ｂの各段差部の重ね合わせにより合成さ
れた１つの回折格子とした場合に所望の回折効率が得ら
れる構成になっている。

【００３０】図３は本実施形態の回折光学素子の回折効
率の説明図である。

【００３１】同図において、横軸は波長を表わし、本発
明の回折光学素子が使用される波長域が示されている。
本実施形態においては設計次数は１次であり、この回折
光学素子が使用される波長域中で１次光の回折効率が最
も高くなっている（図中実線）。また、この回折光学素
子が使用される波長は主として最低波長４００nmから最
高波長７００nmの可視光領域である。また設計次数近傍
の次数の回折光として、０次、２次の回折効率も各々点
線、一点鎖線で示している。従来例に比べて、設計次数
で使用波長全域での回折効率が増え、一方，０次、２次
の回折効率が減少している。上記所望の回折効率を得る
ため、本発明では回折光学素子の格子として少なくとも
２種類の分散の異なる材質から成る前述の形状の第１，
第２の回折格子を重ね合わせる構成で実現している。

【００３２】次に本実施形態の回折光学素子１の具体的
な格子構造について図２に示した８段のバイナリー型の
回折格子を例にとり説明する。

【００３３】今、便宜上、回折格子の設計次数を＋１次
とする。基板１１及び第１の回折格子２ａの材質には石
英ガラスを使用し、第２の回折格子２ｂの材質にはＴｉ
Ｏ₂を使用した。従って第１の回折格子２ａの材質の屈
折率ｎ１は、波長５３０nm，４００nm，６５０nmにおい
て、それぞれ１．４６１，１．４７０，１．４５７であ
る。一方、第２の回折格子２ｂの材質の屈折率ｎ２は、
それぞれ２．３３５，２．５８１，２．２８２となる。

【００３４】次に１周期内の回折格子の各段を図２に示
すように、左から順に段部ａ，ｂ，ｃ，ｄ，ｅ，ｆ，
ｇ，ｈと置くことにする。ａ段は第１の回折格子２ａの
みから成り、厚みｄ１ａは２０１１．８nmに設定してい
る。次にｂ段は第１，第２の回折格子２ａ，２ｂより成
り、このうちｂ段の第１の回折格子の厚みｄ１ｂは１７
２４．４nm、第２の回折格子２ｂの厚みｄ２ｂは４９．
６nmに設定している。同様にｃ段，ｄ段といくに従っ
て、第１の回折格子の厚みｄ１ｃ，ｄ１ｄ，・・・・は１４
３７nm，１１４９．６nmと２８７．４nmずつ減少してい
き、ｈ段で第１の回折格子２ａの厚みは０になる。また
第２の回折格子２ｂの厚みはｄ２ｃ，ｄ２ｄ，・・・・は９
９．２nm，１４８．８nmと４９．６nmずつ増加してい
き、ｈ段で第２の回折格子２ｂのみとなり、厚みｄ２ｈ
は３４７．２nmに設定している。

【００３５】まず波長５３０nmの光線に対して、前述の
回折格子はどのような振る舞いをするか説明する。まず
各段に対して光学光路長Ｌを計算してみる。波長５３０
nmにおける第１，第２の回折格子の材質の屈折率ｎ１，
ｎ２はｎ１＝１．４６１，ｎ２＝２．３３５である。ａ
段は第１の回折格子のみからなっているので光学光路長
Ｌａは、 Ｌａ＝（ｎ１−１）ｄａ＝（1.461−1）＊2011.8＝927.4nm となる。同様にしてｂ段の光学光路長Ｌｂは第１の回折
格子の光学光路長Ｌ１ｂと第２の回折格子部の光学光路
長Ｌ２ｂの和となり、 Ｌｂ＝Ｌ１ｂ＋Ｌ２ｂ＝（ｎ１−１）ｄ１ｂ＋（ｎ２−１）ｄ２ｂ ＝（1.461−1）＊1724.4＋（2.335−1）＊49.6＝861.2nm となる。以下順にＬｃ＝794.9nm，Ｌｄ＝728.7nm，Ｌｅ
＝662.4nm，Ｌｆ＝596.2nm，Ｌｇ＝529.9nmとなり、ｈ
段で第２の回折格子のみとなり、光学光路長Ｌｈは、Ｌ
ｈ＝（ｎ２−１）ｄｈ＝（2.335−1）＊347.3＝463.7nm
となる。

【００３６】隣合う段部での光学光路長差は各々６６．
２５nmとなる。回折光学素子において回折効率が最も高
くなる波長は光路長差が波長と等しくなる波長である。
８段の回折格子形状において各段の光学光路長差が６
６．２５nmとなる場合、全光路長差は６６．２５nm＊８
＝５３０nmとなる。従って前述の回折格子の構造は波長
５３０nmの光線に対しては、設計波長が５３０nmで作成
された回折格子と見做すことができる。

【００３７】次に波長４００nmの光線に対して、前述の
回折格子はどのような振る舞いをするか説明する。同様
に各段に対して光学光路長Ｌを計算してみる。波長４０
０nmにおける第１，第２の回折格子の材質の屈折率ｎ
１，ｎ２はｎ１＝１．４７０，ｎ２＝２．５８１であ
る。

【００３８】ａ段での光学光路長Ｌａは、 Ｌａ＝（ｎ１−１）ｄａ＝（1.470−1）＊2011.8＝945.5nm となる。同様にしてｂ段の光学光路長Ｌｂは、 Ｌｂ＝Ｌ１ｂ＋Ｌ２ｂ＝（ｎ１−１）ｄ１ｂ＋（ｎ２−１）ｄ２ｂ ＝（1.470−1）＊1724.4＋（2.581−1）＊49.6＝888.9nm となる。以下順にＬｃ＝738.3nm，Ｌｄ＝681.6nm，Ｌｅ
＝625.0nm，Ｌｆ＝568.3nm，Ｌｇ＝511.7nmとなり、ｈ
段で第２の回折格子のみとなり、光学光路長Ｌｈは、Ｌ
ｈ＝（ｎ２−１）ｄｈ＝（2.581−1）＊347.3＝549.1nm
となる。

【００３９】隣合う段部での光学光路長差は各々５６．
６３nmとなる。つまり全光路長差は５６．６３nm＊８＝
４５３nmとなる。従って前述の回折格子の構造は４００
nmの光線に対しては、設計波長が４５３nmで作成された
回折格子と見做すことができる。

【００４０】設計次数における回折効率の低下は設計波
長からずれるほど大きくなることが知られている。従来
の回折格子では、設計波長を決定したら使用波長領域に
おいて設計波長は殆ど変化しないため、前述の従来例で
示したように波長４００nmの光線は、設計波長５３０nm
から大きく離れて、回折効率は６７％まで低下してい
た。しかし本実施形態では、波長４００nmの光線におい
ては設計波長は４５３nmに変化したように見做されるの
で従来例に比べて、設計波長からのずれは低減する。言
い換えれば回折効率は大幅に改善され、約９３％となる
高い回折効率を得ている。

【００４１】さらに本実施形態における発明の効果を明
瞭にするため、図２に示す構成を第１の回折格子２ａの
成分と第２の回折格子２ｂの成分にわけた図４に示す構
成で説明する。光学光路長の変化の点から考えれば、第
１の回折格子２ａと第２の回折格子２ｂが近接している
条件では格子の順番を入れ替えても同等である。近接し
ていない場合は、各回折格子で回折が生じるので、本実
施形態とは異なる特性を示すことになる。ここで図から
明らかなように、これは２種類の回折格子の重ね合わせ
と考えれば良い。前述の説明では、各段毎に発生する光
学光路長の点から説明を加えた。ここでは各材質毎の光
学光路長の点から説明を加える。

【００４２】まず波長５３０nmの光束から考察する。こ
の波長の下では８段の第１の回折格子の１周期内の全光
学光路長Ｌ１は１０６０nmである。これは以下の式で求
められる。

【００４３】 Ｌ１＝（ｎ１−１）（ｄａ−ｄｈ）＊Ｎ／（Ｎ−１） ＝（1.461−1）（2011.8−0）＊8／7＝１０６０nm ここでＮは階段数である。設計波長λ０と設計次数ｍは
Ｌ＝ｍ×λ０を満たす値となる。可視域での使用では、
この回折格子形状は設計次数ｍ１＝２で設計波長λ０１
＝５３０nmの回折格子と考えられる。一方第２の回折格
子は同様にＬ２＝−５３０nmとなっている。つまりこの
第２の回折格子は設計次数ｍ２＝−１で設計波長λ０２
＝５３０nmの回折格子と考えられる。従って合成の回折
光学素子としては、Ｌ＝Ｌ１＋Ｌ２＝５３０nmで設計次
数ｍ＝１でλ０＝５３０nmの回折格子と同様の作用をす
る。

【００４４】次に波長４００nmについて同様に全光学光
路長Ｌ’を求めると Ｌ１’＝１０８１nm＝１０６０＋２１＝Ｌ１＋ΔＬ Ｌ２’＝−６２８nm＝−５３０−９８＝Ｌ２＋ΔＬ２ となり、合成の回折光学素子としては、Ｌ’＝Ｌ１’＋
Ｌ２’＝４５３nmで設計次数ｍ＝１でλ０＝４５３nmの
回折格子と同様の作用をする。このように第１の回折格
子と第２の回折格子が近接している条件では独立の格子
として、全光学光路長を求めた後、加え合わせても本実
施形態の効果は得られる。

【００４５】次に波長４００nmで設計波長４００nmとな
る条件を求めてみる。上述の説明から明白であるが、全
光学光路長Ｌ’がＬ’＝４００nmとなれば良い。つまり
波長が５３０nmから４００nmに変わったときの全光学光
路長の変化量ΔＬが波長差４００−５３０＝−１３０nm
となれば波長４００nmで設計波長４００nmとなる。前述
の実施例では変化量ΔＬは、 ΔＬ＝ΔＬ１＋ΔＬ２＝２１−９８＝−７７ となっている。では変化量ΔＬをΔＬ＝−１３０nmにす
るにはどうすれば良いか考察する。

【００４６】まず１つの手段はΔＬ１の変化量に比べて
ΔＬ２の変化量がより大きくなるように材質を選択すれ
ば良い。つまり第１の回折格子２ａの材質のアッベ数を
ν１、第２の回折格子の材質のアッベ数をν２としたと
き、ν２＜ν１のものを選び、ΔＬ＝−１３０nmとすれ
ば良い。

【００４７】２つめの手段は各回折格子の厚みを厚くす
れば良い。具体的に示すと、第１の回折格子として波長
５３０nmでＬ１＝１３８２nm、第２の回折格子としてＬ
２＝−８５２nmとすれば、波長５３０nmでは全光学光路
長は５３０nmとなる。また波長４００nmでは、 Ｌ１’＝１４０９nm＝１３８２＋２７＝Ｌ１＋ΔＬ１ Ｌ２’＝−１００９nm＝−８５２−１５７＝Ｌ２＋ΔＬ
２ となり、光学光路長の変化量はΔＬ＝−１３０nmとな
る。本発明ではこのように回折格子として材質の分散が
大きいものが使用できない場合は、各回折格子の厚みを
適した値に設定し、これによって同様の効果を得てい
る。図５にこのときの回折効率を示す。同図に示すよう
に波長５３０nmと波長４００nmで高い回折効率をもって
いることがわかる。このように格子厚を調整することで
任意の２波長において回折効率を従来例での設計波長並
みに保つようにしている。また上記の関係から各回折格
子が単独で満たす設計波長と、合成された回折格子の設
計波長の間には、相関はないことが判る。

【００４８】以上述べたように、本実施形態では、 （イ）２つの異なる分散をもつ材質の回折光学素子を重
ね合わせて用いること。

【００４９】（ロ）合成の光学光路長が維持されれば、
近接する領域においては、各回折格子の順番と形状は任
意に変更してもよいこと。

【００５０】（ハ）２つの回折格子は、光学光路長が１
周期内で減少する回折格子と増加する回折格子の組み合
わせで構成すること。

【００５１】（ニ）全光学光路長が１周期内で減少する
場合は、増加する回折格子２ｂの材質の分散（アッベ数
ν２）が、減少する回折格子２ａの材質の分散（アッベ
数ν１）より大きいこと、即ちν２＜ν１が好ましい。

【００５２】（ホ）全光学光路長が１周期内で増加する
場合（図２の状態を紙面の裏側から見たような場合）
は、減少する回折格子２ｂの材質の分散（アッベ数ν
２）が、増加する回折格子２ａの材質の分散（アッベ数
ν１）より大きいこと、即ちν２＜ν１が好ましい。

【００５３】尚、このことは、図２において第２の回折
格子２ｂの増加率が第１の回折格子２ａの減少率よりも
大きく、全光学光路長が１周期内で右上がりに増加する
場合も同様である。

【００５４】（ヘ）特に光学光路長が１周期内で減少す
るときは単調減少するのが良い。

【００５５】（ト）特に光学光路長が１周期内で増加す
るときは単調増加するのが良い。

【００５６】（チ）特に全光学光路長が１周期内で減少
するときは単調減少するのが良い。

【００５７】（リ）特に全光学光路長が１周期内で増加
するときは単調増加するのが良い。

【００５８】以上述べた説明は、１周期の回折格子形状
に限定して説明を行った。しかし、回折格子の回折効率
については、回折格子のピッチは影響しないことが知ら
れている。つまり本実施形態は図１に示すような１次元
の回折格子の他に、例えば図６に示すような回折光学レ
ンズ等あらゆる格子ピッチ形状を有する回折光学素子も
同様に応用することができる。図６の回折光学素子１は
回折格子を同心円状に形成したものであり、格子断面形
状は図２に示す構造と同じである。

【００５９】また回折格子の格子断面の形状は図２に示
すような階段形状の格子や、図７に示すようなキノフォ
ーム形状のもの等が適用可能であるが、特に限定したも
のではなく公知の格子形状を利用することができる。

【００６０】また、実施形態の説明では平板上に回折格
子部を設けた回折光学素子について示しているが、レン
ズ曲面表面に設けても同様の効果が得られる。

【００６１】また、本実施形態では、２種類の異なる分
散からなる材質により構成された回折光学素子について
の例を示したが、２種類に限定するものではなく、３種
類以上でも同様の効果が得られる。

【００６２】また本実施形態では、２つの回折格子の組
み合わせについての例を示したが、これらの組み合わせ
を複数用いても良い。また３つ以上の組み合わせでも、
少なくとも１組の格子厚が単調増加と単調減少で構成さ
れていれば、本実施形態と同様の効果を得ることができ
る。

【００６３】また本実施形態では、回折次数が１次光の
場合を示したが、１次光に限定するものではなく、２次
光などの異なった回折光であっても、合成光学光路長を
所望の回折次数で所望の設計波長となるように設定すれ
ば同様の効果が得られる。

【００６４】また、本実施形態では可視域での使用に関
して説明したが、波長域に限定はなく、使用波長域が広
波長域であるものでは本発明の効果を得ることができ
る。

【００６５】図８は本発明の回折光学素子を用いた光学
系の実施形態２の要部概略図である。本実施形態は回折
光学素子１をカメラ等の撮影レンズの一部に適用した場
合を示している。図中、４は撮影レンズで内部に絞り５
と前述した構成の回折光学素子１を持っている。６は結
像面であるフィルムである。

【００６６】本実施形態では撮影レンズとして屈折レン
ズ部での透過率と回折格子２の回折効率（透過率）の合
計で所定の透過率が得られるように設定している。従来
例では、図１３に示すように回折格子の回折効率（透過
率）が波長によりかなり変化していたため、撮影レンズ
として必要とされる分光特性を得るため、図１０に示す
ような分光特性が、屈折レンズ部に必要となり、屈折レ
ンズ部に特殊なダイクロ膜などを使用する必要があっ
た。また分光特性を所望の特性にするため、図１１に示
すように、設計波長近傍の回折光量を落として、合成透
過率の分光特性の色みを補正せざるを得なかった。これ
に対して、本発明では回折格子の回折効率は使用波長領
域で高く維持されているので、特殊な膜も必要なく通常
の屈折レンズと同等に取り扱うことができる。

【００６７】図８に示す実施形態では、絞り５近傍の平
板ガラス１１の面に回折光学素子１を設けているが、こ
れに限定するものではなく、レンズ曲面の表面に設けて
も良いし、撮影レンズ内に複数、回折光学素子を使用し
ても良い。

【００６８】また本実施形態ではカメラの撮影レンズの
場合を示したが、これに限定するものではなく、ビデオ
カメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、
デジタル複写機のリーダーレンズ等に使用しても同様の
効果が得られる。

【００６９】図９は本発明の回折光学素子を用いた光学
系の実施形態３の要部概略図である。本実施形態は回折
光学素子１を双眼鏡等の観察光学系の一部に適用した場
合を示している。

【００７０】図中、７は対物レンズ、８は像を成立させ
るためのプリズム、９は接眼レンズである。図中３は、
この光学系の光軸であり、１は回折光学素子であり、基
板１１に対物レンズの結像面６での色収差等を補正する
目的で形成されている。

【００７１】本実施形態では、対物レンズ７の一部に回
折光学素子１を形成した場合を示したが、これに限定す
るものではなく、プリズム表面や接眼レンズ内の位置で
あっても同様の効果が得られる。しかしながら、結像面
より物体側に設けることで対物レンズ７のみでの色収差
の低減効果があるため、肉眼の観察系の場合少なくとも
対物レンズ側に設けることが望ましい。

【００７２】また本実施形態では双眼鏡に適用した場合
を示したが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や
天体観測用望遠鏡等であっても良く、またレンズシャッ
ターカメラやビデオカメラ等の光学式のファインダーで
あっても同様の効果が得られる。

【００７３】また実施形態１と同様に回折格子面の構造
については階段形状やキノフォーム等いずれであっても
同様の効果が得られる。

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、回折光学
素子をアッベ数（分散）の異なる材質より成る少なくと
も２つの回折格子を重ね合わせて構成することによって
設計次数の回折効率を使用波長領域全域で高く、かつ設
計回折次数近傍の回折効率を大幅に低減することがで
き、光学系に適用したときは色収差等の諸収差を良好に
補正することができる写真用カメラ、ビデオカメラ、双
眼鏡、プロジェクター、望遠鏡、顕微鏡、複写器等の各
種の光学系に好適な回折光学素子及びそれを用いた光学
系を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の回折光学素子の実施形態１の要部概
略図

【図２】 本発明の回折光学素子の実施形態１の一部分
の要部断面図

【図３】 本発明の回折光学素子の実施形態１の回折効
率の説明図

【図４】 本発明の回折光学素子の実施形態１の一部分
の要部断面図

【図５】 本発明の回折光学素子の実施形態１の異なる
格子厚での回折効率の説明図

【図６】 本発明の回折光学素子を光学レンズより構成
したときの要部概略図

【図７】 本発明の回折光学素子の他の格子構造の説明
図

【図８】 本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施
形態２の要部概略図

【図９】 本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施
形態３の要部概略図

【図１０】 従来の回折光学素子を用いた光学系の屈折
率の分光特性の説明図

【図１１】 従来の回折光学素子を用いた光学系の総合
分光特性の説明図

【図１２】 従来の回折格子の説明図

【図１３】 従来の回折格子の回折効率の説明図

【図１４】 一般的なレンズの分光特性の説明図

【図１５】 分光特性と回折効率の積の説明図

【図１６】 回折作用の説明図

【符号の説明】

１ 回折光学素子 ２ 回折格子 ２ａ 第１の回折格子 ２ｂ 第２の回折格子 ３ 光軸 ４ 光学系 ５ 絞り ６ 結像面 ７ 対物レンズ ８ プリズム ９ 接眼レンズ １０ 評価面 １１ 基板

─────────────────────────────────────────────────────

【手続補正書】

【提出日】平成８年１１月２８日

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００１

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回折光学素子及びそ
れを用いた光学系に関し、特に使用波長領域の光束が特
定次数（設計次数）に集中するような回折格子構造を有
し、所望の分光特性が高い回折効率で得られる写真用カ
メラ、ビデオカメラ、双眼鏡、プロジェクター、望遠
鏡、顕微鏡、複写機等の各種の光学系に好適なものであ
る。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正内容】

【０００５】図では、周期的構造を一方向についてのみ
示したが、この様な周期的構造を光軸等ある軸を中心に
回転対称に構成し、回折格子の周期ピッチを徐々に変化
させることによりこの周期的構造を有する輪帯構造はレ
ンズとして作用する。このような回折作用を利用したレ
ンズは、式（１）よりある次数では波長が長いほど回折
される角度が大きくなることから、波長による結像点の
位置関係が屈折レンズの同じ方向のパワーをもつものと
逆になる。前述の文献等は主としてこの原理を利用して
収差（色収差）を補正している。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２５

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２５】特に、(1-1-1) 前記第１，第２の回折格子
は所定波長域の光束が特定次数に集中する格子構造より
成っていること、(1-1-2) 前記第１，第２の回折格子の
１周期内の格子は複数の階段形状より成っていること、
(1-1-3) 前記第１，第２の回折格子の１周期内の格子は
厚さが連続的に変化する形状より成っていること、(1-1
-4) 前記第１，第２の回折格子の１周期内の格子はキノ
フォーム形状より成っていること、(1-1-5)前記第１，
第２の回折格子の基準波長での材質の屈折率をｎ１，ｎ
２、厚さをｄ１，ｄ２とし、光学光路長Ｌ１，Ｌ２を Ｌ１＝（ｎ１−１）ｄ１ Ｌ２＝（ｎ２−１）ｄ２ と表わしたとき、重ね合わせた光学光路長が１周期内で
前記一方向において減少するときは、前記第１，第２の
回折格子の材質のアッベ数を各々ν１，ν２とすると
き、 ν２＜ν１ なる条件を満足すること、(1-1-6) 前記第１，第２の回
折格子の基準波長での材質の屈折率をｎ１，ｎ２、厚さ
をｄ１，ｄ２とし、光学光路長Ｌ１，Ｌ２を Ｌ１＝（ｎ１−１）ｄ１ Ｌ２＝（ｎ２−１）ｄ２ と表わしたとき、重ね合わせた光学光路長が１周期内で
前記一方向において増加するときは、前記第１，第２の
回折格子の材質のアッベ数を各々ν２，ν１とすると
き、 ν２＜ν１ なる条件を満足すること、(1-1-7) 前記第１，第２の回
折格子は１次元格子より成っていること、(1-1-8) 前記
第１，第２の回折格子は同心円格子より成っているこ
と、(1-1-9) 前記第１，第２の回折格子の組を複数、前
記基板上に設けていること、(1-1-10)前記第１の回折格
子は１周期内で前記一方向に厚さが単調減少する格子を
有していること、(1-1-11)前記第２の回折格子は１周期
内で前記一方向に厚さが単調増加する格子を有している
こと、(1-1-12)前記第１の回折格子は１周期内で前記一
方向に厚さが単調減少する格子を有し、前記第２の回折
格子は１周期内で前記一方向に厚さが単調増加する格子
を有していること、(1-1-13)前記基板は平行平板である
こと、(1-1-14)前記基板は曲率を有した曲面であること
等を特徴としている。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７４】

【発明の効果】本発明によれば以上のように、回折光学
素子をアッベ数（分散）の異なる材質より成る少なくと
も２つの回折格子を重ね合わせて構成することによって
設計次数の回折効率を使用波長領域全域で高く、かつ設
計回折次数近傍の回折効率を大幅に低減することがで
き、光学系に適用したときは色収差等の諸収差を良好に
補正することができる写真用カメラ、ビデオカメラ、双
眼鏡、プロジェクター、望遠鏡、顕微鏡、複写機等の各
種の光学系に好適な回折光学素子及びそれを用いた光学
系を達成することができる。

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 基板上にアッベ数が異なる少なくとも２
   つの材質より成る第１，第２の回折格子を各ピッチ毎に
   対応するように重ねた回折光学素子であって、該第１の
   回折格子は１周期内で一方向に厚さが減少する格子を有
   し、該第２の回折格子は１周期内で該一方向に厚さが増
   加する格子を有していることを特徴とする回折光学素
   子。
2. 【請求項２】 前記第１，第２の回折格子は所定波長域
   の光束が特定次数に集中する格子構造より成っているこ
   とを特徴とする請求項１の回折光学素子。
3. 【請求項３】 前記第１，第２の回折格子の１周期内の
   格子は複数の階段形状より成っていることを特徴とする
   請求項１又は２の回折光学素子。
4. 【請求項４】 前記第１，第２の回折格子の１周期内の
   格子は厚さが連続的に変化する形状より成っていること
   を特徴とする請求項１又は２の回折光学素子。
5. 【請求項５】 前記第１，第２の回折格子の１周期内の
   格子はキノフォーム形状より成っていることを特徴とす
   る請求項１又は２の回折光学素子。
6. 【請求項６】 前記第１，第２の回折格子の基準波長で
   の材質の屈折率をｎ１，ｎ２、厚さをｄ１，ｄ２とし、
   光学光路長Ｌ１，Ｌ２を Ｌ１＝（ｎ１−１）ｄ１ Ｌ２＝（ｎ２−１）ｄ２ と表わしたとき、重ね合わせた光学光路長が１周期内で
   前記一方向において減少するときは、前記第１，第２の
   回折格子の材質のアッベ数を各々ν１，ν２とすると
   き、 ν２＜ν１ なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれか１項記載の回折光学素子。
7. 【請求項７】 前記第１，第２の回折格子の基準波長で
   の材質の屈折率をｎ１，ｎ２、厚さをｄ１，ｄ２とし、
   光学光路長Ｌ１，Ｌ２を Ｌ１＝（ｎ１−１）ｄ１ Ｌ２＝（ｎ２−１）ｄ２ と表わしたとき、重ね合わせた光学光路長が１周期内で
   前記一方向において増加するときは、前記第１，第２の
   回折格子の材質のアッベ数を各々ν１，ν２とすると
   き、 ν２＜ν１ なる条件を満足することを特徴とする請求項１〜５のい
   ずれか１項記載の回折光学素子。
8. 【請求項８】 前記第１，第２の回折格子は１次元格子
   より成っていることを特徴とする請求項１〜７のいずれ
   か１項記載の回折光学素子。
9. 【請求項９】 前記第１，第２の回折格子は同心円格子
   より成っていることを特徴とする請求項１〜７のいずれ
   か１項記載の回折光学素子。
10. 【請求項１０】 前記第１，第２の回折格子の組を複
    数、前記基板上に設けていることを特徴とする請求項１
    〜９のいずれか１項記載の回折光学素子。
11. 【請求項１１】 前記第１の回折格子は１周期内で前記
    一方向に厚さが単調減少する格子を有していることを特
    徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の回折光学
    素子。
12. 【請求項１２】 前記第２の回折格子は１周期内で前記
    一方向に厚さが単調増加する格子を有していることを特
    徴とする請求項１〜１０のいずれか１項記載の回折光学
    素子。
13. 【請求項１３】 前記第１の回折格子は１周期内で前記
    一方向に厚さが単調減少する格子を有し、前記第２の回
    折格子は１周期内で前記一方向に厚さが単調増加する格
    子を有していることを特徴とする請求項１〜１０のいず
    れか１項記載の回折光学素子。
14. 【請求項１４】 前記基板は平行平板であることを特徴
    とする請求項１〜１３のいずれか１項記載の回折光学素
    子。
15. 【請求項１５】 前記基板は曲率を有した曲面であるこ
    とを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１項記載の回
    折光学素子。
16. 【請求項１６】 請求項１から１５のいずれか１項記載
    の回折光学素子を用いたことを特徴とする光学系。