JPH10332918A

JPH10332918A - レリーフ型回折光学素子、およびレリーフ型回折光学素子製造用の型

Info

Publication number: JPH10332918A
Application number: JP14608697A
Authority: JP
Inventors: Hisashi Oide; 寿大出
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1997-06-04
Filing date: 1997-06-04
Publication date: 1998-12-18

Abstract

(57)【要約】【課題】集光点での強度が高く、かつ容易に製造でき
るレリーフ型回折光学素子を提供する。【解決手段】不等間隔格子パターン２を有するレリー
フ型回折光学素子１において、１つのゾーン内でレリー
フ面の傾き角が異なる箇所を有する断面形状を示す第１
のゾーン群と、１つのゾーン内でレリーフ面の傾き角が
一定の断面形状を示す第２のゾーン群とを有し、前記第
１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾーンを含み、各
ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構成した
形状を有し、前記第２のゾーン群は、位相シフト関数か
ら導かれる断面形状の斜辺部を直線で近似した形状を有
することを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、表面に所定の構
造を有するレリーフ型回折光学素子、およびレリーフ型
回折光学素子製造用の型に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、光学系の小型軽量化の要求に伴
い、回折型レンズなどのレリーフ型回折光学素子が注目
されている。例えば、回折型レンズは、色収差補正能力
を有すると共に、簡単に非球面作用を持たせることがで
きるなどの点から、様々な分野での応用が期待されてい
る。

【０００３】ここで、回折型レンズとは、従来の屈折レ
ンズ、例えば球面レンズ、シリンドリカルレンズ、アナ
モルフィックレンズなどの作用を、回折作用を用いて実
現したもので、例えば、球面レンズに相当する回折型レ
ンズは、同心円の輪帯形状の格子パターンを有し、シリ
ンドリカルレンズに相当する回折型レンズは、直線形状
の格子パターンを有する。以後、本明細書では、その格
子パターンの溝の一つ一つをゾーンと呼び、回折型レン
ズの光軸を中心に、周辺に向かって順に１番目のゾー
ン、２番目のゾーンと数えることにする。

【０００４】平行光束をレンズにより一点に集光する場
合、このレンズの位相シフト関数は、図１５に示すよう
に、 φ（ｒ）＝−πｒ²／（λｆ）・・・（１）ｒ：光軸からの距離 λ：波長ｆ：焦点距離で表される。このφ（ｒ）を２π位相構造に変形する
と、回折型レンズの位相シフト関数φ_d（ｒ）は、下記
の（２）式で表される。 φ_d（ｒ）＝φ（ｒ）＋２π（ｉ−１）・・・（２）Ｒ_i-1＜ｒ＜Ｒ_i（ｉ＝１，２，３_,---) これは、１次回折光に対して回折効率を最適化したこと
に相当する。ここで、Ｒ _iは、ｉ番目のゾーンの外半径
である。なお、隣り合うゾーンの外半径の差をピッチと
呼ぶ。

【０００５】図１６に示すように、回折型レンズをレリ
ーフ構造で実現する場合、半径ｒにおけるレリーフ構造
の高さｔ（ｒ）は、ｔ（ｒ）＝ｔ_g・〔｛φ_d（ｒ）／２π｝＋１〕・・・（３）となる。ここで、ｔ_gはレリーフの最大溝深さで、ｔ_g＝λ／（ｎ−１）・・・（４）ｎ：回折光学素子の材料の屈折率である。

【０００６】なお、上記の（２）式は、１つの回折型レ
ンズのみで平行光束を一点に集光する場合の回折型レン
ズの位相シフト関数を表すが、各種の光学系、例えばレ
ンズ系の中で回折型レンズを他の光学素子、例えば屈折
レンズ素子と組み合わせて用いる場合には、回折型レン
ズの位相シフト関数は、一般に高次の偶数次の多項式で
表される。

【０００７】従来のレリーフ型回折光学素子としては、
例えば、特開平１−２５０９０２号公報に示されている
ように、全てのゾーンの斜辺部を位相シフト関数に対応
した曲線形状で形成して、本来の光学性能を充分に発揮
できるようにしたものや、光枝術コンタクトVol.２６、
No. ３、ｐ２０８〜２１２に示されるように、全てのゾ
ーンの斜辺部を直線で近似して、製作性を向上せさたも
のがある。

【０００８】また、レリーフ型回折光学素子を製造する
方法の一つとして、型を用いた加工法がある。この方法
は、製造すべき回折光学素子の断面形状を反転した形状
を型に持たせ、この型をガラスやプラスチックなどの材
料に押し当てて、型の形状を反転して転写したり、ある
いは射出成形法や、フォトポリマー法などにより、型の
形状を反転して転写するようにしている。このようなレ
リーフ型回折光学素子製造用の型として、例えば、上記
の光技術コンタクトVol.２６、No. ３、ｐ２１１には、
全てのゾーンの斜辺部を直線で近似して、型の製作性を
向上させるようにしたものが示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】レリーフ型回折光学素
子の断面形状は、例えば図１６に示すように、位相シフ
ト関数から導かれる形状にすることが望ましい。この場
合、各ゾーンの斜辺部は、一般には曲線になる。しか
し、断面形状を、図１６に示すような曲線形状に形成す
ることは、加工技術、加工時間、製作したものを検査す
る手間などの点で、様々な問題がある。例えば、切削加
工によって断面形状を理想的な曲線形状に形成しようと
すると、バイトの切れ刃先端で加工を行うことになり、
切れ刃稜で加工を行う場合に比べて、良好な表面荒さに
加工することが困難となる。

【００１０】このため、従来は、図１７に示すように、
位相シフト関数から導かれる破線で示す断面形状４の斜
辺部を、実線で示すような直線で近似した断面形状３に
加工することがしばしば行われる。この構造は、製造上
・検査上大きな利点がある。例えば、切削により断面形
状を直線形状に形成する場合には、バイトの切れ刃稜に
よる加工ができるので、加工データを簡素化できると共
に、被加工物の表面荒さも良好にできるという利点があ
る。しかし、他方では、斜辺部を直線で近似すると、以
下に説明するように、光学性能が劣化してしまうという
問題がある。特にゾーン本数が少ない場合には、その影
響が著しくなる。

【００１１】ここで、波長λの平行光束を焦点距離ｆで
集光する回折型レンズにおいて、全てのゾーンの断面形
状を直線で近似した場合の集光点での強度について考え
る。図１８は、ゾーン数に対する同一の波長、焦点距離
のときの下記（５）式で計算した強度比を示す。強度比＝（全てのゾーンの斜辺部を直線で近似した回折型レンズの集光点での強度）／（全てのゾーンが理想的な断面形状を有する回折型レンズの集光点での強度）・・・（５）

【００１２】図１８から明らかなように、ゾーン数が多
い場合は、断面形状の斜辺部を直線で近似したことによ
る影響はほとんどないが、ゾーン数が少なくなるにつれ
て、集光点での強度の低下が著しくなる。この現象は、
例えば、マイクロレンズや、結像光学系に用いて絞りを
絞った状態のように、光束が通過するゾーン数が少ない
場合に無視できない問題となる。

【００１３】このため、このようなレリーフ型回折光学
素子を用いて光学系を構成すると、光束がレリーフ型回
折光学素子の少数のゾーンしか通過しない場合には、集
光点で強度が大幅に低下し、同時に集光スポットが広が
ることにより、ＭＴＦが低下して解像度が低下するとい
う問題が生じることになる。

【００１４】また、レリーフ型回折光学素子を製造する
のに用いる型を製作する場合、その型の断面形状は、製
造すべきレリーフ型回折光学素子の位相シフト関数に対
応した曲線形状を有することが望ましい。しかし、実際
には曲線形状を持たせることが難しいために、斜辺部を
直線で近似する場合がある。この場合には、その型を用
いて製造されるレリーフ型回折光学素子も、斜辺部が直
線で近似した形状となって、光学性能が劣化してしま
う。

【００１５】さらに、旋盤などで型を加工する場合に
は、バイトの切れ刃先端を用いた切削により、断面形状
を曲線にすることは可能であるが、一般に、型材料の加
工性は悪いため、バイトの切り刃先端を用いた切削で
は、被加工物の表面を鏡面に仕上げることは困難であ
る。このため、その型を用いてレリーフ型回折光学素子
を形成すると、平均的には断面形状が位相シフト関数か
ら導かれる理想的な形状に形成されても、表面の面荒れ
が大きいために、入射した光束の一部に散乱などが生じ
て光の利用効率が低下するという問題が生じると共に、
その散乱された光束が迷光となって光学性能が低下する
という問題が生じることになる。

【００１６】この発明は、上述した点に鑑みてなされた
もので、その第１の目的は、集光点での強度が高く、か
つ容易に製造できるよう適切に構成したレリーフ型回折
光学素子を提供しようとするものである。

【００１７】さらに、この発明の第２の目的は、製造さ
れるレリーフ型回折光学素子の表面の面荒れを小さくで
き、したがって入射光の散乱を有効に防止して光の利用
効率を向上できると共に、散乱による光学性能の低下を
有効に防止でき、しかも集光点での強度を高くできるレ
リーフ型回折光学素子を製造するための型を容易に製作
できるよう適切に構成したレリーフ型回折光学素子製造
用の型を提供しようとするものである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るため、請求項１に係る発明は、不等間隔格子パターン
を有するレリーフ型回折光学素子において、１つのゾー
ン内でレリーフ面の傾き角が異なる箇所を有する断面形
状を示す第１のゾーン群と、１つのゾーン内でレリーフ
面の傾き角が一定の断面形状を示す第２のゾーン群とを
有し、前記第１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾー
ンを含み、各ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直
線で構成した形状を有し、前記第２のゾーン群は、位相
シフト関数から導かれる断面形状の斜辺部を直線で近似
した形状を有することを特徴とするものである。

【００１９】また、請求項２に係る発明は、請求項１記
載のレリーフ型回折光学素子において、前記レリーフ面
を、屈折作用をなす面に回折作用をなす面を重畳して構
成したことを特徴とするものである。

【００２０】さらに、上記第２の目的を達成するため、
請求項３に係る発明は、不等間隔格子パターンを有する
レリーフ型回折光学素子製造用の型において、１つのゾ
ーン内でレリーフ面の傾き角が異なる箇所を有する断面
形状を示す第１のゾーン群と、１つのゾーン内でレリー
フ面の傾き角が一定の断面形状を示す第２のゾーン群と
を有し、前記第１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾ
ーンを含み、各ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の
直線で構成した形状を有し、前記第２のゾーン群は、位
相シフト関数から導かれる断面形状の斜辺部を直線で近
似した形状を有することを特徴とするものである。

【００２１】

【発明の実施の形態】ここで、レリーフ型回折光学素子
のゾーンの断面形状が、集光点での強度に与える影響に
ついて、波長λの平行光束を焦点距離ｆで集光する回折
型レンズを例にとって説明する。本発明者による検討に
よると、以下に示すようにゾーン数が少ない場合には、
全てのゾーンの斜辺部を直線で近似した場合に比べて、
中心の１番目のゾーンのみについて、その断面形状の斜
辺部を２本の直線で構成することで、集光点での強度が
飛躍的に向上することが分かった。

【００２２】図１９は、１次回折光に対して最適化し、
１番目のゾーンの断面形状の斜辺部を２直線で構成した
回折型レンズについて、１番目のゾーンを構成する２直
線の交点を位相シフト関数上の座標で、｛０．５５・Ｒ
₁，０．２５・（−２π）｝とし、それ以外の全てのゾ
ーンの斜辺部を直線で近似した構造として場合の、回折
型レンズを構成するゾーンの本数に対する集光点での強
度を示すものである。ここで、Ｒ₁は、図１６に示すよ
うに、中心の１番目のゾーンの外半径である。また、各
ゾーン数における強度は、全てのゾーンを位相シフト関
数から導かれる形状に形成した場合の集光点での強度と
の比として示してある。

【００２３】図１９から明らかなように、１番目以外の
ゾーンを直線で近似したことによる集光点での強度の低
下は僅かである。例えば、ゾーン数が１０本の場合につ
いて、図１８と図１９とで比較を行ってみると、全ての
ゾーンの斜辺部を直線で近似した構造では、集光点での
強度比は約０．９に低下するのに対して、１番目のゾー
ンの断面形状の斜辺部を２本の直線で構成すると、集光
点での強度比は、約０．９９４になる。

【００２４】全てのゾーンの斜辺部を直線で近似したと
きに生じる光学性能の低下の大きな原因としては、図１
７に示したように、ゾーンの斜辺部を直線で近似したと
きの理想的形状からの乖離、すなわち位相シフトの誤差
量が挙げられる。しかも、各ゾーンにおける乖離の量
は、ピッチの間隔が大きくなるに従って大きくなる。こ
こで、回折型レンズにおいて、ピッチが最も大きくなる
のは、一般に、中心ゾーンであるから、上記のように、
中心ゾーンの斜辺部の形状を２本の直線で近似して構成
すれば、集光点での強度の低下を実質的に防止すること
ができるので、全体の光学性能を大きく向上させること
ができる。

【００２５】したがって、請求項１に係る不等間隔格子
パターンを有するレリーフ型回折光学素子におけるよう
に、例えば、ピッチが最も大きいゾーンの断面形状の斜
辺部を２本以上の直線で構成すれば、図１８および図１
９を用いて説明したように、全てのゾーンの斜辺部を直
線で近似した場合よりも集光点での強度が向上し、特に
ゾーン数が少ない場合に、その効果が大きくなる。当然
のことながら、ピッチが最も大きいゾーン以外のいくつ
かのゾーンについても、それらの断面形状の斜辺部を、
２本以上の直線を用いて位相シフト関数に近似した断面
形状にすれば、集光点での強度を更に向上することがで
きる。

【００２６】また、以上の説明では、回折次数を１次と
した場合の回折型レンズを例として用いたが、２次以上
の高次の回折光に対して最適化した場合にも、この発明
を有効に適用することができる。すなわち、この場合に
は、全輪帯を直線で近似すると、１次回折光に対して最
適化した場合に比べ、理想形状に対する斜辺部の乖離が
さらに大きくなるので、乖離の大きいゾーンの断面形状
の斜辺部を２本以上の直線で近似して構成する。このよ
うにすれば、理想シフト関数の近似を高めることがで
き、上述したと同様に、集光点での強度の低下を有効に
防止でき、全体の光学性能を大きく向上させることがで
きるので、その効果は大きい。

【００２７】このように構成することにより、製造上の
負担を大きく増やすことなく、光束が通過するゾーン数
にかかわらず集光点での強度が高いレリーフ型回折光学
素子を実現することができる。

【００２８】この発明の一実施形態においては、請求項
１記載のレリーフ型回折光学素子において、該レリーフ
型回折光学素子が回折型レンズで、第１のゾーン群に含
まれるゾーンの数を、全ゾーン数の半分以下とする。

【００２９】図１８および図１９を用いて説明したよう
に、不等間隔格子パターンを有する回折型レンズにおい
て、ピッチが最も大きいゾーンの断面形状の斜辺部を２
本以上の直線で構成することで、全てのゾーンの斜辺部
を直線で近似した場合よりも、集光点での強度を向上で
き、特にゾーン数が少ない場合において、その効果が大
きくなる。この場合において、ピッチが最も大きいゾー
ン以外のいくつかのゾーンについて、それらの断面形状
の斜辺部を２本以上の直線で構成した断面形状にすれ
ば、集光点での強度を更に向上することができるが、そ
れにつれて製造上の負担も増加することになる。このよ
うな観点から、第１のゾーン群に含まれるゾーン数は、
全ゾーン数の半分以下とするのが望ましい。

【００３０】このように構成することにより、製造上の
負担を大きく増やすことなく、光束が通過するゾーン数
にかかわらず集光点での強度が高い回折型レンズを実現
することができる。

【００３１】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記のように、第１のゾーン群に含まれるゾーン数
を全ゾーン数の半分以下とする場合において、中心のゾ
ーンのみが第１のゾーン群に含まれるよう構成する。

【００３２】このように構成すれば、回折型レンズで
は、ピッチが最も大きいのは一般に中心のゾーン、すな
わち１番目のゾーンであるから、図１８および図１９を
用いて説明したように、そのピッチが最も大きいゾーン
のみの断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構成すれ
ば、高い効果が得られることになる。

【００３３】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記のように、中心のゾーンのみが第１のゾーン群
に含まれるよう構成する場合において、中心のゾーンの
断面形状の斜辺部を２本の直線で構成すると共に、その
２直線の交点の位置を、位相シフト関数上の座標（Ｒ，
ｚ）に関して、（０≦Ｒ≦Ｒ₁，−２π≦ｚ≦０）の範
囲にあり、かつ下記の条件を満たすようにする。ｚ＞−２πＲ／Ｒ₁，ｚ＜−３π｛Ｒ−（３Ｒ₁／５）｝／Ｒ₁ ・・・（６）

【００３４】このように構成すれば、回折型レンズで
は、ピッチが最も大きいのは一般に中心のゾーン、すな
わち１番目のゾーンであるので、実質上高い効果を得る
ことができる。

【００３５】さらに、この発明の一実施形態において
は、請求項２記載のように、請求項１記載のレリーフ型
回折光学素子において、レリーフ面を、屈折作用をなす
面に回折作用をなす面を重畳して構成する。

【００３６】例えば、球面上に不等間隔格子パターンを
形成する場合、回折型レンズ全体として必要なパワー
を、屈折面である球面と、回折面としての不等間隔格子
パターンとで分担するように設計すると、不等間隔格子
パターンが分担するパワーが小さくなり、各ゾーンのピ
ッチが大きくなる傾向にある。このように、ピッチが大
きくなると、ゾーンの斜辺部を直線で近似したことによ
る理想形状からのずれが大きくなるので、上記のよう
に、第１のゾーン群の断面形状の斜辺部を２本以上の直
線で構成することは、効果が大きい。

【００３７】さらに、この発明の一実施形態において
は、請求項１記載のレリーフ型回折光学素子において、
第１のゾーン群の断面形状を構成する直線のうち、１本
の直線はレリーフパターンを形成する基板の面と平行と
なるようにする。

【００３８】図２０は、１次回折光に対して最適化し、
１番目のゾーンの断面形状の斜辺部を、１本の直線がレ
リーフパターンを形成する基板の面と平行である２直線
で構成した回折型レンズについて、１番目のゾーンを構
成する２直線の交点の位相シフト関数上での座標を
（０．３４・Ｒ₁，０）とし、それ以外のすべてのゾー
ンの斜辺部を直線で近似した構造とした場合の、回折型
レンズを構成するゾーンの本数に対する集光点での強度
を示すものである。ただし、各ゾーン数における強度
は、全てのゾーンを位相シフト関数から導かれる形状に
形成した場合の集光点での強度との比として示してあ
る。

【００３９】図２０から判るように、１番目以外のゾー
ンを直線で近似したことによる集光点での強度の低下は
僅かである。例えば、ゾーン数が１０本の場合につい
て、図１８および図１９と比較してみると、全てのゾー
ンの斜辺部を直線で近似した構造（図１８）では、集光
点での強度比は約０．９に低下するのに対して、図２０
では、図１９の結果よりは若干劣るものの、集光点での
強度比は約０．９８８となる。

【００４０】このように、中心のゾーンの断面形状の斜
辺部を２本の直線で構成し、そのうち１本の直線をレリ
ーフパターンが形成される基板の面と平行になるように
しても、理想形状からの乖離を少なくすることができる
ので、集光点での強度の低下を効果的に防止することが
でき、全体の光学性能を向上させることができる。

【００４１】さらに、上記のように１本の直線をレリー
フパターンが形成される基板の面と平行となるようにす
れば、製造上および検査上大きな利点がある。例えば、
レリーフ構造をバイトによる切削を含む工程により実現
する場合、１回の切削のみで、断面形状の斜辺部を２本
の直線で構成した形状に加工することができるので、切
削の工程を少なくすることができる。したがって、断面
形状の斜辺部を２本以上の直線で構成した他の回折型レ
ンズに比べ、製作が容易となる。

【００４２】さらに、この発明の一実施形態において
は、上記のように、１本の直線をレリーフパターンが形
成される基板の面と平行とする場合において、中心のゾ
ーンのみが第１のゾーンに含まれ、該中心のゾーンの断
面形状の斜辺部を２本の直線で構成し、その２直線の交
点の位置が、位相シフト関数上の座標（Ｒ，ｚ）に関し
て、０＜Ｒ＜０．５９・Ｒ₁，ｚ＝０の条件を満たすようにする。

【００４３】このように構成すれば、集光点での強度の
低下防止について、実質上の効果を得ることができる。

【００４４】さらに、この発明の一実施形態において
は、第１のゾーン群および第２のゾーン群が回転対称と
なる共通の回転軸を有するよう構成する。

【００４５】さらに、この発明の一実施形態において
は、第１のゾーン群が、上記の回転軸に対して垂直な面
を含むように構成する。

【００４６】さらに、請求項３に係るレリーフ型回折光
学素子製造用の型におけるように、ピッチの最も大きい
ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構成し、
その他のゾーンは断面形状の斜辺部を直線で近似した形
状に形成すれば、この型をバイトによる切削を含む工程
によって製作する場合、各ゾーンの断面形状が全て直線
で構成されているので、製作が容易になる。なお、例え
ば、凸作用を有する回折型レンズを製造するための型を
バイトによる切削を含む工程によって製作する場合に
は、中心のゾーンについては、光軸に近い側の直線はバ
イトの切れ刃先端で切削することになるが、各ゾーンの
形状を切れ刃先端で理想形状に切削する場合に比べれ
ば、全体として良好な表面荒さに加工することが可能と
なる。

【００４７】また、凹作用を有する回折型レンズを製造
するための型をバイトによる切削を含む工程によって製
作する場合には、中心のゾーンを含む全てのゾーンの断
面形状の切削加工は、バイトの切れ刃稜で行うことがで
きるので、良好な表面荒さに加工することが可能とな
る。したがって、いずれの場合でも、容易に製作できる
と共に、該型を用いて製造されるレリーフ型回折光学素
子として、その表面の面荒れを小さくでき、したがって
入射光の散乱を有効に防止して光の利用効率を向上でき
ると共に、散乱による光学性能の低下を有効に防止でき
る。

【００４８】しかも、この型を用いて製造される回折光
学素子は、ピッチが最も大きいゾーンの断面形状の斜辺
部が２本以上の直線で構成され、その他のゾーンは断面
形状の斜辺部が直線で近似した形状となるので、図１８
および図１９を用いて説明したように、光束が通過する
ゾーン数にかかわらず集光点での強度が高い回折光学素
子を得ることができる。なお、ピッチが最も大きいゾー
ン以外のいくつかのゾーンについても、それらの断面形
状の斜辺部を２本以上の直線で構成すれば、該型を用い
て製造されるレリーフ型回折光学素子の集光点での強度
を更に向上することができる。

【００４９】この発明の一実施形態においては、請求項
３記載のレリーフ型回折光学素子製造用の型において、
該型が回折型レンズ製造用の型で、第１のゾーン群に含
まれるゾーンの数を、全ゾーン数の半分以下とする。

【００５０】かかる型を用いて回折型レンズを製造すれ
ば、得られる回折型レンズは、ピッチが最も大きいゾー
ンの斜辺部が２本以上の直線で形成された断面形状とな
り、その他のゾーンの斜辺部は直線で近似された断面形
状となる。また、ピッチが最も大きいゾーン以外のいく
つかのゾーンについても、それらの斜辺部の断面形状を
２本以上の直線で構成すれば集光点での強度を更に向上
させることができるが、それにつれて型の製作上の負担
も増加することになる。したがって、型の製作上の観点
からは、第１のゾーン群に含まれるゾーン数を、最大で
も全ゾーン数の半分以下とするのが望ましく、このよう
な型を用いて回折型レンズを製造すれば、図１８および
図１９を用いて説明したように、光束が通過するゾーン
数にかかわらず、集光点での強度が高い回折型レンズを
得ることができる。

【００５１】さらに、この発明に係るレリーフ型回折光
学素子製造用の型の一実施形態においては、上記のよう
に、第１のゾーン群に含まれるゾーン数を全ゾーン数の
半分以下とする場合において、中心のゾーンのみが第１
のゾーン群に含まれるよう構成する。

【００５２】このように構成すれば、より簡単に型を製
作することができると共に、かかる型を用いて回折型レ
ンズを製造すれば、得られる回折型レンズは、中心のゾ
ーンのみが、その断面形状の斜辺部を２本以上の直線で
構成した形状となり、他のゾーンは斜辺部を直線で近似
した形状になる。ここで、回折型レンズは、一般に中心
のゾーンのピッチが最も大きいので、図１８および図１
９で説明したように、集光点での強度が高い回折型レン
ズを得ることができる。

【００５３】さらに、この発明に係る型の一実施形態に
おいては、レリーフ面を、回折作用と屈折作用との両方
を同時に行うように、回折作用をなす面に屈折作用をな
す面を重畳して構成する。

【００５４】例えば、型を用いて球面上に不等間隔格子
パターンを有する回折型レンズを製造する場合、回折型
レンズ全体として必要なパワーを、屈折面である球面
と、回折面としての不等間隔格子パターンとで分担する
ように設計すると、不等間隔格子パターンが分担するパ
ワーが小さくなり、各ゾーンのピッチが大きくなる傾向
にある。このように、ピッチが大きくなると、ゾーンの
斜辺部を直線で近似したことによる理想形状からのずれ
が大きくなるので、上記のように、第１のゾーン群の断
面形状の斜辺部を２本以上の直線で構成することは、効
果が大きい。

【００５５】さらに、この発明の一実施形態において
は、請求項３記載のレリーフ型回折光学素子製造用の型
において、第１のゾーン群の断面形状を構成する直線の
うち、１本の直線はレリーフパターンを形成する基板の
面と平行となるようにする。

【００５６】かかる型を用いて、例えば回折型レンズを
製造すれば、得られる回折型レンズは、断面形状の斜辺
部を２本以上の直線で構成したゾーンについては、その
斜辺部を構成する１本の直線の傾きがレリーフパターン
が形成される基板の面と平行になるように形成され、他
のゾーンについは、斜辺部を直線で近似した形状にな
る。したがって、図１８および図２０を用いて説明した
ように、集光点での強度を向上させることができる。

【００５７】さらに、上記のように１本の直線をレリー
フパターンが形成される基板の面と平行になるように形
成すれば、製造上・検査上大きな利点がある。例えば、
レリーフ構造をバイトによる切削を含む工程により実現
する場合、切削するバイトの角度の調整が容易となり、
断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構成した他の回折
型レンズの型に比べ、型の製作が容易となる。特に、凹
パワーを有し、中心のゾーンの断面形状の斜辺部が２本
以上の直線で構成され、そのうちの１本の直線がレリー
フパターンを形成する基板の面と平行になる回折光学素
子を製作するための型を、バイトによる切削を含む工程
により製作する場合には、１回の切削のみで断面形状の
斜辺部を２本の直線で構成した形状に加工できるので、
切削の工程を少なくすることができ、型の製作がさらに
容易になる。

【００５８】さらに、この発明に係る型の一実施形態に
おいては、第１のゾーン群および第２のゾーン群が回転
対称となる共通の回転軸を有するよう構成する。

【００５９】さらに、この発明に係る型の一実施形態に
おいては、第１のゾーン群が、上記の回転軸に対して垂
直な面を含むように構成する。

【００６０】さらに、この発明の一実施形態において
は、上述したこの発明に係るレリーフ型回折光学素子を
用いて光学系を構成する。

【００６１】このように、この発明に係るレリーフ型回
折光学素子を用いて光学系を構成すれば、図１９および
図２０を用いて説明したように、レリーフ型回折光学素
子自体の集光点での強度を、光束が通過するゾーン数が
少ない場合でも高くできるので、フレアの発生を有効に
防止した、解像度の良好な光学系を実現することができ
る。

【００６２】以下、図面を参照してこの発明の実施の形
態について説明する。図１は、この発明の第１実施形態
を説明するための図である。このレリーフ型回折光学素
子１は、波長λの平行光束を焦点距離ｆで集光する回折
型レンズで、両面を平行に研磨した平行平板形状の例え
ば光学ガラスの片面に、光軸に対して回転対称な同心円
状の構造を有する不等間隔格子パターン２よりなるレリ
ーフパターンを形成したレリーフ面を有する。なお、図
１も含め、レリーフ型回折光学素子の図は概念図であっ
て、実際の形状を正確に示している訳ではない。

【００６３】図２は、図１に示したレリーフ型回折光学
素子１の光軸付近の拡大図である。不等間隔格子パター
ン２は、１次回折光に対して回折効率が最適化されてお
り、そのときの各ゾーンの最大溝深さｔ_gは、ｔ_g＝λ
／（ｎ−１）である。但し、ｎはレリーフ型回折光学素
子１の基板材料の波長λに対する屈折率である。図２に
おいて、実線はこの実施形態における断面形状３であ
り、破線は位相シフト関数から導かれる断面形状４であ
る。中心の１番目のゾーン７の断面形状４の斜辺部は、
２本の直線で構成された形状となっている。また、その
他のゾーンについては、位相シフト関数から導かれる斜
辺部を１本の直線で近似した形状となっている。

【００６４】回折型レンズは、一般に、中心のゾーンの
ピッチが最も大きくなる。したがって、この実施形態に
おけるように、ピッチが最も大きいゾーンのみについて
その断面形状の斜辺部を２本の直線で構成すれば、図１
８および図１９を用いて説明したように、全てのゾーン
の断面形状の斜辺部を直線で構成した場合よりも集光点
での強度を向上することができる。特に、このような構
造をとることにより、ゾーン数が少ない場合、あるいは
回折光学素子全体としてのゾーン数が多いが、光束が実
際に通過するゾーン数が少ない場合などに生じる集光点
での強度の大幅な低下を有効に防止することができる。

【００６５】また、図１に示すレリーフ型回折光学素子
１をバイトによる切削を含む工程によって製造する場合
には、各ゾーンの断面形状が全て直線で構成されている
ので、加工が容易になるという利点がある。すなわち、
この場合には、全てのゾーンの切削加工を、バイトの切
れ刃稜で行うことができるので、バイトの切れ刃先端で
加工する場合に比べ、加工データが簡単になると共に、
良好な表面荒さに加工することが可能となる。

【００６６】以下、この実施形態における変形例につい
て説明する。例えば、図１には、凸作用を有する回折型
レンズの構成を示したが、同様に、凹作用を有する回折
型レンズを構成することもできる。また、この凹作用を
有する回折型レンズをバイトによる切削を含む工程によ
って製造する場合、中心のゾーンについては、光軸に近
い側の直線は切れ刃先端によって切削して形成する必要
があるが、各ゾーンの形状を切れ刃先端によって理想形
状に切削する場合に比べれば、全体として良好な表面荒
さに加工することが可能となる。

【００６７】さらに、図１８および図１９を用いて説明
した際、１番目のゾーンの断面形状の斜辺部を構成する
２本の直線の交点は、位相シフト関数上の座標で、
｛０．５５・Ｒ₁，０．２５・（−２π）｝としたが、
交点の座標はこれに限定するものではない。この点につ
いて、さらに詳細に説明する。

【００６８】図３は、輪帯数２０の回折型レンズについ
て、１番目のゾーンの断面形状の斜辺部を構成する２直
線の交点の座標を位相シフト関数上の座標で（０≦Ｒ≦
Ｒ₁，−２π≦ｚ≦０）の範囲で変化させたときの、集
光点での強度比を示す。各升目の中心が２直線の交点の
座標を表し、その交点を有するときの集光点での強度比
を各升目の模様で示している。各模様の表示は、白色に
近づくほど強度比が高くなることを示し、白で示した升
目は、０．９８以上の強度比を有している領域である。
図３から明らかなように、１番目のゾーンの斜辺部を構
成する２直線の交点の座標は、位相シフト関数上の（０
≦Ｒ≦Ｒ₁，−２π≦ｚ≦０）の座標範囲で、ｚ＞−２πＲ／Ｒ₁，ｚ＜−３π｛Ｒ−（３Ｒ₁／
５）｝／Ｒ₁ の条件を同時に満たすならば、高い効果を得ることがで
きる。

【００６９】ただし、全ゾーンの断面形状の斜辺部を直
線で構成した場合、集光点での強度比は、約０．９４と
なるが、黒で示した升目は０．９４未満の強度比を有し
ている領域であるため、このような領域に２直線の交点
があるように構成しても効果はない。

【００７０】また、１番目のゾーンの断面形状の斜辺部
を２直線で構成する際、ゾーンの両端の位置は、位相シ
フト関数上の座標で（０，０）および（０，−２π）で
固定としたが、これに限定するものではなく、例えば図
４に示すように、中心でのｚ軸の座標ｚ₀をｚ₀≠０と
することにより、理想形状からの乖離を小さくするよう
に構成して、上記と同様の効果を得ることもできる。

【００７１】さらに、図１に示す実施形態では、レリー
フ型回折光学素子１の基板形状を平行平板として説明し
たが、例えば図５に示すように、平凸形状の基板上の凸
面側に不等間隔格子パターンを形成しても、同様の効果
を得ることができる。すなわち、球面上に不等間隔格子
パターンを有する回折型レンズの場合、回折型レンズ全
体として必要なパワーを、屈折面である球面と回折面と
しての不等間隔格子パターンとで分担するように設計す
ると、不等間隔格子パターンが分担するパワーが小さく
なって、各ゾーンのピッチが大きくなる傾向にある。し
たがって、このような場合に、中心の１番目のゾーンの
断面形状の斜辺部を２本の直線で構成した形状に形成す
ることは効果が大きい。また、図１に示す構成の不等間
隔格子パターン２は、基板の片面だけでなく、両面に形
成する場合にも有効に適用することができる。

【００７２】さらに、断面形状の斜辺部を２直線で近似
するゾーンは、中心の１番目のゾーン７のみをでなく、
例えば中心から１番目と２番目ゾーンとすることもでき
る。このように構成すれば、中心の１番目のゾーン７の
斜辺部のみを２直線で構成する場合に比べて、光学性能
をより向上することができる。

【００７３】また、図１では、不等間隔格子パターン２
を、１次回折光に対して最適化したが、その他の次数光
に対して最適化することもできる。この場合、最適化す
る回折次数をｍとすると、ｔ_g＝ｍλ／（ｎ−１）となる。このように高次の回折次数について最適化した
回折型レンズにおいては、全ゾーンの断面形状の斜辺部
を直線で近似すると、回折次数１次で最適化した場合に
比べて、理想的な位相シフト関数からの乖離がさらに大
きくなる。したがって、この場合において、上述したと
同様に、ゾーンの断面形状の斜辺部を２本の直線を用い
て構成すれば、理想的な位相シフト関数からの乖離を小
さくすることができるので、大きな効果を得ることがで
きる。特に、理想形状からの乖離の大きいゾーンに関し
ては、そのゾーンの断面形状の斜辺部を３本以上の直線
で構成すれば、理想形状に対する斜辺部の乖離をより小
さくできるので、高い強度比を得ることができる。

【００７４】さらに、上記の不等間隔格子パターン２の
構成は、透過型に限らず、反射型の場合にも同様に適用
することができる。但し、反射型の場合には、最大溝深
さｔ _gは、ｔ_g＝ｍλ／２（ｍ：反射回折次数）となる。

【００７５】また、不等間隔格子パターン２は、同心円
状に限らず、シリンドリカルレンズに相当する直線パタ
ーンや、楕円パターンに形成することもできる。さら
に、レリーフ型回折光学素子１を構成する基板材料は、
光学ガラスに限らず、プラスチック、光学結晶、金属な
どを用いることもできる。

【００７６】図６は、この発明の第２実施形態を説明す
るための図である。このレリーフ型回折光学素子１は、
波長λの平行光束を焦点距離ｆで集光する回折型レンズ
で、両面を平行に研磨した平行平板形状の例えば光学ガ
ラスの片面に、光軸に対して回転対称な同心円状の構造
を有する不等間隔格子パターン２よりなるレリーフパタ
ーンを形成したレリーフ面を有する。

【００７７】図７は、図６に示したレリーフ型回折光学
素子１の光軸付近の拡大図である。不等間隔格子パター
ン２は、１次回折光に対して回折効率が最適化されてお
り、そのときの各ゾーンの最大溝深さｔ_gは、ｔ_g＝λ
／（ｎ−１）である。但し、ｎはレリーフ型回折光学素
子１の基板材料の波長λに対する屈折率である。図７に
おいて、実線はこの実施形態における断面形状３であ
り、破線は位相シフト関数から導かれる断面形状４であ
る。中心の１番目のゾーン７の断面形状４の斜辺部は、
２本の直線で構成され、そのうちの１本の直線は、レリ
ーフパターンが形成される基板の面と平行となってい
る。また、その他のゾーンについては、位相シフト関数
から導かれる斜辺部を１本の直線で近似した形状となっ
ている。

【００７８】上述したように、回折型レンズは、一般
に、中心のゾーンのピッチが最も大きくなる。したがっ
て、この実施形態におけるように、ピッチが最も大きい
ゾーンのみについてその断面形状の斜辺部を２本の直線
で構成し、そのうちの１本の直線を、レリーフパターン
が形成される基板の面と平行となるようにすれば、図１
８および図２０を用いて説明したように、全てのゾーン
の断面形状の斜辺部を直線で構成した場合よりも集光点
での強度を向上することができる。特に、このような構
造をとることにより、ゾーン数が少ない場合、あるいは
回折光学素子全体としてのゾーン数が多いが、光束が実
際に通過するゾーン数が少ない場合などに生じる集光点
での強度の大幅な低下を有効に防止することができる。

【００７９】また、図６に示すレリーフ型回折光学素子
１をバイトによる切削を含む工程によって製造する場合
には、各ゾーンの断面形状が全て直線で構成されている
ので、加工が容易になるという利点がある。さらに、凸
作用を有するレリーフパターンの場合、１番目のゾーン
を形成するための切削は、２本の直線で構成される断面
形状を１回の切削のみで形成できるので、切削の工程を
少なくでき、容易に製造することができると共に、この
場合には、全てのゾーンの切削加工を、バイトの切れ刃
稜で行うことができるので、良好な表面荒さに加工する
ことが可能となる。

【００８０】以下、この実施形態における変形例につい
て説明する。例えば、図６には、凸作用を有する回折型
レンズの構成を示したが、同様に、凹作用を有する回折
型レンズを構成することもできる。なお、この凹作用を
有する回折型レンズをバイトによる切削を含む工程によ
って製造する場合、中心のゾーンについては、断面形状
を構成する直線毎に切削する必要があることから、レリ
ーフパターンが形成される基板の面と平行となる直線
は、切れ刃先端によって切削する必要がある。しかし、
斜辺部を基板面に対して角度を有する２本の直線で構成
して凹作用を有する回折光学素子を製造する場合に比べ
れば、バイトの角度の調整が容易になる。

【００８１】さらに、図１８および図２０を用いて説明
した際、１番目のゾーンの断面形状の斜辺部を構成する
２本の直線の交点は、位相シフト関数上の座標で、
（０．３４・Ｒ₁，０）としたが、交点の座標はこれに
限定するものではない。この点について、さらに詳細に
説明する。

【００８２】図８は、輪帯数２０の回折型レンズについ
て、１番目のゾーンの断面形状の斜辺部を構成する２直
線の交点の座標を、位相シフト関数上の座標で（０≦Ｒ
≦Ｒ ₁，ｚ＝０）の範囲で変化させたときの集光点での
強度比を示す。横軸にＲ軸、縦軸にその交点を有すると
きの集光点での強度比を示している。図８から明らかな
ように、１番目のゾーンの斜辺部を構成する２直線の交
点の座標が、位相シフト関数上の（０＜Ｒ＜０．５９・
Ｒ₁）の座標範囲に存在すれば、全てのゾーンの斜辺部
を直線で構成した場合に比べ強度比が高くなる。また、
交点の座標が、望ましくは（０．１９・Ｒ₁≦Ｒ≦０．
４７・Ｒ₁）の範囲に存在すれば、強度比が０．９８以
上となり、高い効果を得ることができる。

【００８３】さらに、図６に示す実施形態では、レリー
フ型回折光学素子１の基板形状を平行平板として説明し
たが、屈折作用をなす平凸形状の基板上の凸面側に不等
間隔格子パターンを重畳して形成する場合について適用
しても良好な効果を得ることができる。このように、球
面上に不等間隔格子パターンを形成して回折型レンズと
して用いる場合、回折型レンズ全体として必要なパワー
を、屈折面である球面と回折面としての不等間隔格子パ
ターンとで分担するように設計すると、不等間隔格子パ
ターンが分担するパワーが小さくなって、各ゾーンのピ
ッチが大きくなる傾向にある。したがって、このような
場合に、中心の１番目のゾーン７の断面形状４の斜辺部
を２本の直線で構成し、そのうちの１本の直線を、レリ
ーフパターンが形成される基板の面と平行となるよう
に、すなわち光軸に対して直交するようにすれば、その
効果は大きい。この場合、中心のゾーン７は、光軸に対
して垂直な面を含むことになる。

【００８４】図９は、この発明の第３実施形態を説明す
るための図である。この実施形態は、凸作用を有する回
折型レンズを製造するのに用いるレリーフ型回折光学素
子製造用の型１０を示すものである。この型１０は、例
えばＷＣ（タングステンカーバイト）からなる平行平板
状の型材料の一方の面に、製造すべき回折型レンズの不
等間隔格子パターンを反転した形状の不等間隔格子パタ
ーン１１を形成し、他方の面は平滑に研磨して構成す
る。不等間隔格子パターン１１は光軸に対して回転対称
な同心円状で、その断面は、製造すべき回折型レンズが
１次回折光に対して最適化された溝深さ、形状となるよ
うに形成する。

【００８５】また、不等間隔格子パターン１１の中心の
ゾーンは、製造すべき回折型レンズの断面形状の斜辺部
を２本の直線で近似した形状を反転した形状とし、他の
ゾーンは斜辺部を直線で近似した形状を反転した形状と
する。なお、型１０により加工される材料が、その加工
工程で収縮する場合には、その収縮分を補正するように
断面形状を形成する。

【００８６】このレリーフ型回折光学素子用の型１０を
用いて回折型レンズを製造すれば、中心のゾーンが斜辺
部を２本の直線で構成した断面形状を持ち、他のゾーン
は斜辺部を直線で近似した形状を有する、第１実施形態
で説明したと同様の良好な光学特性を有する回折型レン
ズを得ることができる。

【００８７】また、この実施形態の型１０は、その各ゾ
ーンの断面形状が全て直線となっているので、バイトに
よる切削を含む工程によって容易に製作できる利点があ
る。ただし、上記のような凸作用を有する回折型レンズ
を成形するための型を、バイトによる切削を含む工程に
よって製作する場合、中心のゾーンについては、光軸に
近い側の直線はバイトの切れ刃先端で切削することにな
るが、この場合でも、各ゾーンの形状を切れ刃先端で理
想形状に切削する場合に比べれば、全体として良好な表
面荒さに加工することが可能となる。

【００８８】以下、この実施形態における変形例につい
て説明する。例えば、図９では、凸作用を有する回折型
レンズを製造するための型構造としたが、同様に、凹作
用を有する回折型レンズを製造するための型を構成する
こともできる。なお、この凹作用を有する回折型レンズ
の製造用の型をバイトによる切削を含む工程によって製
作する場合には、中心のゾーンを含む全てのゾーンの断
面形状の切削加工を、バイトの切れ刃稜で行うことがで
きるので、良好な表面荒さに加工することが可能とな
る。

【００８９】また、レリーフ型回折光学素子製造用の型
１０の材料は、上述したＷＣに限らず、他の型材料、例
えばＳｉＣ（シリコンカーバイド）、Ｃｒ₂Ｏ₃、Ｎｉ
Ｐなどを用いることもできる。特に、レリーフ型回折光
学素子の材料としてガラスを用いる場合には、型１０の
材料としてＷＣ、ＳｉＣ、Ｃｒ₂Ｏ₃を用いるのが好ま
しく、また、レリーフ型回折光学素子の材料としてプラ
スチックを用いる場合には、型１０の材料としてＮｉＰ
を用いるのが好ましい。さらに、上述したレリーフ型回
折光学素子製造用の型は、不等間隔格子パターン１１が
同心円状の回折型レンズの製造用のものに限らず、格子
パターンが直線状のものや、楕円状のものの製造用とし
て構成することもできる。

【００９０】また、図９では、平行平板状の基板上に不
等間隔格子パターン１１を形成したレリーフ型回折光学
素子製造用の型１０を示したが、例えば図１０に示すよ
うに、球面上に不等間隔格子パターンを形成してレリー
フ型回折光学素子製造用の型１０′を構成することもで
きる。このような型を用いて、球面上に不等間隔格子パ
ターンを有する回折型レンズを製造する場合、回折型レ
ンズ全体として必要なパワーを、屈折面である球面と回
折面としての不等間隔格子パターンとて分担するように
設計すると、不等間隔格子パターンが分担するパワーが
小さくなって、各ゾーンのピッチは大きくなる傾向にあ
る。したがって、このような回折型レンズを製造する場
合に、その型の中心の１番目のゾーンの断面形状の斜辺
部を２本の直線で形成すれば、得られる回折型レンズの
集光点での強度を高めることができ、その効果は大き
い。

【００９１】図１１は、この発明の第４実施形態を説明
するための図である。この実施形態は、凹作用を有する
回折型レンズを製造するのに用いるレリーフ型回折光学
素子製造用の型１０を示すものである。この型１０は、
例えばＷＣからなる平行平板状の型材料の一方の面に、
製造すべき回折型レンズの不等間隔格子パターンを反転
した形状の不等間隔格子パターン１１を形成し、他方の
面は平滑に研磨して構成する。不等間隔格子パターン１
１は光軸に対して回転対称な同心円状で、その断面は、
製造すべき回折型レンズが１次回折光に対して最適化さ
れた溝深さ、形状となるように形成する。

【００９２】また、不等間隔格子パターン１１の中心の
ゾーンは、製造すべき回折型レンズの断面形状の斜辺部
を２本の直線で構成し、そのうちの１本の直線がレリー
フパターンが形成される基板の面と平行になった断面形
状を反転した形状とし、他のゾーンは斜辺部を直線で近
似した形状を反転した形状とする。

【００９３】このレリーフ型回折光学素子用の型１０を
用いて回折型レンズを製造すれば、中心のゾーンの斜辺
部が２本の直線で構成され、そのうちの１本の直線がレ
リーフパターンが形成される基板の面と平行となった断
面形状を有し、他のゾーンは斜辺部を直線で近似した形
状を有する、第２実施形態で説明したと同様の良好な光
学特性を有する回折型レンズを得ることができる。

【００９４】この実施形態の型１０は、第３実施形態の
場合と同様に、その各ゾーンの断面形状が全て直線とな
っているので、バイトによる切削を含む工程によって容
易に製作できる利点がある。しかも、この場合には、２
本の直線で構成される断面形状を有する１番目のゾーン
については、１回の切削で済むので、切削の工程を少な
くでき、より容易に製作することができると共に、全て
のゾーンをバイトの切れ刃稜で切削加工することができ
るので、良好な表面荒さに加工することが可能となる。

【００９５】なお、図１１では、凹作用を有する回折型
レンズを製造するための型構造としたが、同様に、凸作
用を有する回折型レンズを製造するための型を構成する
こともできる。ただし、このような型をバイトによる切
削を含む工程によって製作する場合には、中心のゾーン
については、断面形状を構成する直線毎に切削する必要
があるが、この場合、１本の直線についてはレリーフパ
ターンが形成される基板の面と平行となるように切削す
るので、斜辺部を傾斜した２本の直線で構成した回折光
学素子製造用の型を製作する場合に比べて、バイトの角
度調整が容易になる利点がある。

【００９６】また、図１１では、平行平板状の基板上に
不等間隔格子パターン１１を形成したレリーフ型回折光
学素子製造用の型１０を示したが、球面上に不等間隔格
子パターンを形成してレリーフ型回折光学素子製造用の
型を構成することもできる。このような型を用いて、球
面上に不等間隔格子パターンを有する回折型レンズを製
造する場合、回折型レンズ全体として必要なパワーを、
屈折面である球面と回折面としての不等間隔格子パター
ンとて分担するように設計すると、不等間隔格子パター
ンが分担するパワーが小さくなって、各ゾーンのピッチ
は大きくなる傾向にある。したがって、このような場合
に、その型の中心の１番目のゾーンの断面形状の斜辺部
を２本の直線で構成し、そのうちの１本の直線が光軸に
対して直交するようにすれば、得られる回折型レンズの
集光点での強度を高めることができ、その効果は大き
い。この場合、中心のゾーンは、光軸に対して垂直な面
を含むことになる。

【００９７】さらに、図１１に示すような構成は、不等
間隔格子パターン１１が同心円状の回折型レンズの製造
用のものに限らず、格子パターンが直線状のものや、楕
円状のものの製造用の型の場合にも有効に適用すること
ができる。

【００９８】図１２は、この発明の第５実施形態を説明
するための図で、レリーフ型回折光学素子を含むカメラ
のような撮像光学系を模式的に示したものである。この
撮像光学系は、絞り１２、屈折レンズ１３、レリーフ型
回折光学素子１′と、像面１５とを含む。レリーフ型回
折光学素子１′は、絞り１２側の面にレリーフパターン
が形成された回折型レンズで、その断面形状は、第１実
施形態で説明したように、中心の１番目のゾーンは、そ
の断面形状の斜辺部が２本の直線で構成され、他のゾー
ンは、その斜辺部を直線で近似した断面形状となってい
る。

【００９９】かかる光学系において、図示しない物体か
ら入射する光量が増大し、それに応じて絞り１２の径を
小さくすると、回折型レンズ１４の光束が通過するゾー
ン数が減少する。この場合、回折型レンズとして、従来
例で説明したような全てのゾーンの斜辺部を直線で近似
した形状のものを用いると、ゾーン数の減少によって集
光点での強度が大幅に低下することになる。しかし、こ
の実施形態では、レリーフ型回折光学素子１′として、
第１実施形態で説明した構造の回折型レンズを用いてい
るので、光束が通過する回折格子のゾーン数が減少して
も、集光点での強度の大幅な低下を有効に防止すること
ができ、したがって撮像光学系における解像度の低下を
有効に防止することができる。

【０１００】このように、レリーフ型回折光学素子１′
として、ピッチが最も大きいゾーンの断面形状の斜辺部
を２本の直線で構成した形状とし、その他のゾーンの斜
辺部は直線で近似したものを用いて撮像光学系を構成す
れば、光束が通過する回折光学素子のゾーン数にかかわ
らず、集光点で高い強度が得られる解像度の良好な光学
系を実現することができる。

【０１０１】なお、図１２では、屈折レンズ１３と回折
型レンズとを組み合わせた光学系としたが、回折型レン
ズのみからなる撮像光学系を構成することもできる。ま
た、絞り１２を用いない光学系を構成することもでき
る。なお、絞り１２を用いない場合には、回折型レンズ
として、ゾーン数が少ない、例えば３０本程度以下とす
るのが、製造上および光学特性等の点で好ましい。さら
に、レリーフ型回折光学素子を含む光学系は、上述した
透過型のものに限らず、反射型に構成することもでき
る。

【０１０２】図１３は、この発明の第６実施形態を説明
するための図で、内視鏡として直視型のいわゆる硬性鏡
を含む内視鏡装置の全体の構成を示すものである。この
内視鏡装置２０は、挿入部２２を有する内視鏡２８、カ
メラ２４、モニタ２５、ライトガイドケーブル２６、お
よび光源装置２７を有している。挿入部２２の先端部２
１には、結像光学系、照明光学系、リレー光学系などが
配置されている。また、内視鏡２８の基部２３には、図
示しない接眼光学系が配置され、その接眼光学系の後
に、撮像手段としてのカメラ２４が取り付けられるよう
になっている。ここで、内視鏡２８の基部２３およびカ
メラ２４は、一体式または着脱式で構成されている。ま
た、カメラ２４で撮像された被写体は、最終的にモニタ
２５で内視鏡画像として観察者に観察可能に表示される
ようになっている。

【０１０３】この実施形態では、挿入部２２の先端部２
１に配置される結像光学系をレリーフ型回折光学素子を
用いて構成する。すなわち、図１４に断面図を示すよう
に、外筒３１の端面に前方負レンズ３２を設け、この前
方負レンズ３２を経て入射した光線を、レリーフ型回折
光学素子３３としての回折型レンズを経て像面３４に結
像させるようにする。レリーフ型回折光学素子３３は、
前方負レンズ３２側を非球面とし、像面３４側には、平
面上に不等間隔格子パターン２′を形成して構成する。
不等間隔格子パターン２′は、その中心のゾーンの断面
形状の斜辺部を２本の直線で構成した形状を有し、他の
ゾーンは斜辺部を直線で近似した断面形状を有するよう
に形成する。なお、照明光学系やリレー光学系は、公知
の技術により実現できるので、ここではその図示および
説明を省略してある。

【０１０４】上記構成において、先端部２１の外径は、
観察対象により異なるが、細い場合には数ミリ程度の場
合がある。このような場合、レリーフ型回折光学素子３
３の外径も必然的に小さなものとなり、その全ゾーン数
は数十本以下となる場合もある。しかし、この実施形態
におけるように、中心のゾーンの断面形状の斜辺部を２
本の直線で構成し、他のゾーンは斜辺部を直線で近似し
た断面形状の不等間隔格子パターン２′を有するレリー
フ型回折光学素子３３を用いて結像光学系を構成すれ
ば、レリーフ型回折光学素子３３の全ゾーン数が少ない
場合でも、図１８および図１９を用いて説明したよう
に、集光点での強度の低下を有効に防止することができ
るので、良好な像を得ることができる。

【０１０５】なお、この実施形態において、レリーフ型
回折光学素子３３は、不等間隔格子パターン３５を平面
上に形成したものに限らず、球面上や他の曲面上に形成
したものを用いることもできる。また、この実施形態
は、直視型の硬性鏡に限らず、軟性鏡や斜視型の内視鏡
の結像光学系にも有効に適用することができる。

【０１０６】付記項１．請求項１記載のレリーフ型回折光学素子において、
該レリーフ型回折光学素子が回折型レンズで、前記第１
のゾーン群に含まれるゾーンの数が、全ゾーン数の半分
以下であることを特徴とするレリーフ型回折光学素子。２．付記項１記載のレリーフ型回折光学素子において、
前記第１のゾーン群は、中心のゾーンのみを含むことを
特徴とするレリーフ型回折光学素子。３．付記項２記載のレリーフ型回折光学素子において、
前記中心のゾーンの断面形状の斜辺部を２本の直線で構
成すると共に、その２直線の交点の位置を、位相シフト
関数上の座標（Ｒ，ｚ）に関して、（０≦Ｒ≦Ｒ₁，−
２π≦ｚ≦０）の範囲にあり、かつ、ｚ＞−２πＲ／Ｒ₁，ｚ＜−３π｛Ｒ−（３Ｒ₁／
５）｝／Ｒ₁ の条件を満たすよう構成したことを特徴とするレリーフ
型回折光学素子。４．請求項１記載のレリーフ型回折光学素子において、
前記第１のゾーン群の断面形状を構成する直線のうち、
１本の直線をレリーフパターンを形成する基板の面と平
行にしたことを特徴とするレリーフ型回折光学素子。５．付記項４記載のレリーフ型回折光学素子において、
中心のゾーンのみが前記第１のゾーンに含まれ、該中心
のゾーンの断面形状の斜辺部を２本の直線で構成し、そ
の２直線の交点の位置が、位相シフト関数上の座標
（Ｒ，ｚ）に関して、０＜Ｒ＜０．５９・Ｒ₁，ｚ＝０の条件を満たすよう構成したことを特徴とするレリーフ
型回折光学素子。６．請求項１，２、付記項１〜５のいずれか一項記載の
レリーフ型回折光学素子において、前記第１のゾーン群
および第２のゾーン群が回転対称となる共通の回転軸を
有するよう構成したことを特徴とするレリーフ型回折光
学素子。７．付記項６記載のレリーフ型回折光学素子において、
前記第１のゾーン群は、前記回転軸に対して垂直な面を
含むことを特徴とするレリーフ型回折光学素子。８．請求項３記載のレリーフ型回折光学素子製造用の型
において、該型が回折型レンズ製造用の型で、前記第１
のゾーン群に含まれるゾーンの数が全ゾーン数の半分以
下であることを特徴とするレリーフ型回折光学素子製造
用の型。９．付記項８記載のレリーフ型回折光学素子製造用の型
において、前記第１のゾーン群は、中心のゾーンのみを
含むことを特徴とするレリーフ型回折光学素子製造用の
型。１０．請求項３記載のレリーフ型回折光学素子製造用の
型において、前記レリーフ面を、回折作用と屈折作用と
の両方を同時に行うように、回折作用をなす面に屈折作
用をなす面を重畳して構成したことを特徴とするレリー
フ型回折光学素子製造用の型。１１．請求項３記載のレリーフ型回折光学素子製造用の
型において、前記第１のゾーン群の断面形状を構成する
直線のうち、１本の直線をレリーフパターンを形成する
基板の面と平行にしたことを特徴とするレリーフ型回折
光学素子製造用の型。１２．請求項３、付記項８〜１１のいずれか一項記載の
レリーフ型回折光学素子製造用の型において、前記第１
のゾーン群および第２のゾーン群が回転対称となる共通
の回転軸を有するよう構成したことを特徴とするレリー
フ型回折光学素子製造用の型。１３．付記項１２記載のレリーフ型回折光学素子製造用
の型において、前記第１のゾーン群は、前記回転軸に対
して垂直な面を含むことを特徴とするレリーフ型回折光
学素子製造用の型。１４．請求項１，２、付記項１〜７のいずれか一つに記
載のレリーフ型回折光学素子を含むことを特徴とする光
学系。

【０１０７】

【発明の効果】請求項１記載のレリーフ型回折光学素子
によれば、不等間隔格子パターンを、１つのゾーン内で
レリーフ面の傾き角が異なる箇所を有する断面形状を示
す第１のゾーン群と、１つのゾーン内でレリーフ面の傾
き角が一定の断面形状を示す第２のゾーン群とを有し、
第１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾーンを含み、
各ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構成し
た形状を有し、第２のゾーン群は、位相シフト関数から
導かれる断面形状の斜辺部を直線で近似した形状を有し
て構成したので、集光点での強度を高くでき、かつ容易
に製造することができる。

【０１０８】請求項２記載のレリーフ型回折光学素子に
よれば、請求項１において、レリーフ面を、屈折作用を
なす面に回折作用をなす面を重畳して構成したので、ピ
ッチが大きくなっても、集光点での強度を高くできる。

【０１０９】請求項３記載のレリーフ型回折光学素子製
造用の型によれば、不等間隔格子パターンを、１つのゾ
ーン内でレリーフ面の傾き角が異なる箇所を有する断面
形状を示す第１のゾーン群と、１つのゾーン内でレリー
フ面の傾き角が一定の断面形状を示す第２のゾーン群と
を有し、第１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾーン
を含み、各ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直線
で構成した形状を有し、第２のゾーン群は、位相シフト
関数から導かれる断面形状の斜辺部を直線で近似した形
状を有して構成したので、型自体を容易に製作できると
共に、これを用いて製造されるレリーフ型回折光学素子
として、その表面の面荒れを小さくでき、したがって入
射光の散乱を有効に防止して光の利用効率を向上できる
と共に、散乱による光学性能の低下を有効に防止でき、
しかも集光点での強度を高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施形態を説明するための図で
ある。

【図２】図１の部分拡大図である。

【図３】第１実施形態における集光点での強度比を説明
するための図である。

【図４】第１実施形態の変形例を説明するための図であ
る。

【図５】同じく、他の変形例を説明するための図であ
る。

【図６】この発明の第２実施形態を説明するための図で
ある。

【図７】図６の部分拡大図である。

【図８】第２実施形態における集光点での強度比を説明
するための図である。

【図９】この発明の第３実施形態を説明するための図で
ある。

【図１０】第３実施形態の変形例を説明するための図で
ある。

【図１１】この発明の第４実施形態を説明するための図
である。

【図１２】この発明の第５実施形態を説明するための図
である。

【図１３】この発明の第６実施形態を説明するための図
である。

【図１４】図１３に示す挿入部の先端部の要部の構成を
示す図である。

【図１５】平行光束を回折型レンズにより一点に集光す
る場合の回折面の位相シフト関数を示す図である。

【図１６】位相シフト関数から導かれるレリーフ構造の
回折型レンズにおける半径とレリーフ構造の高さとの関
係を示す図である。

【図１７】従来のレリーフ型回折光学素子を説明するた
めの図である。

【図１８】従来のレリーフ型回折光学素子におけるゾー
ン数に対する集光点での強度比を示す図である。

【図１９】この発明に係るレリーフ型回折光学素子にお
けるゾーン数に対する集光点での強度比の一例を示す図
である。

【図２０】同じく、他の例を示す図である。

【符号の説明】

１，１′ レリーフ型回折光学素子２，２′ 不等間隔格子パターン３回折格子の断面形状４位相シフト関数から導かれる断面形状７中心の１番目のゾーン１０，１０′ レリーフ型回折光学素子製造用の型１１不等間隔格子パターン１２絞り１３屈折レンズ１５像面２０内視鏡装置２１先端部２２挿入部２３基部２４カメラ２５モニタ２６ライトガイドケーブル２７光源装置２８内視鏡３１外筒３２前方負レンズ３３レリーフ型回折光学素子３４像面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】不等間隔格子パターンを有するレリーフ
型回折光学素子において、１つのゾーン内でレリーフ面の傾き角が異なる箇所を有
する断面形状を示す第１のゾーン群と、１つのゾーン内
でレリーフ面の傾き角が一定の断面形状を示す第２のゾ
ーン群とを有し、前記第１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾーンを含
み、各ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構
成した形状を有し、前記第２のゾーン群は、位相シフト
関数から導かれる断面形状の斜辺部を直線で近似した形
状を有することを特徴とするレリーフ型回折光学素子。
【請求項２】請求項１記載のレリーフ型回折光学素子
において、前記レリーフ面を、屈折作用をなす面に回折作用をなす
面を重畳して構成したことを特徴とするレリーフ型回折
光学素子。
【請求項３】不等間隔格子パターンを有するレリーフ
型回折光学素子製造用の型において、１つのゾーン内でレリーフ面の傾き角が異なる箇所を有
する断面形状を示す第１のゾーン群と、１つのゾーン内
でレリーフ面の傾き角が一定の断面形状を示す第２のゾ
ーン群とを有し、前記第１のゾーン群は、ピッチが最も大きいゾーンを含
み、各ゾーンの断面形状の斜辺部を２本以上の直線で構
成した形状を有し、前記第２のゾーン群は、位相シフト
関数から導かれる断面形状の斜辺部を直線で近似した形
状を有することを特徴とするレリーフ型回折光学素子製
造用の型。