JPH1144810A - 回折光学素子及びそれを用いた光学系 - Google Patents
回折光学素子及びそれを用いた光学系Info
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- JPH1144810A JPH1144810A JP9217103A JP21710397A JPH1144810A JP H1144810 A JPH1144810 A JP H1144810A JP 9217103 A JP9217103 A JP 9217103A JP 21710397 A JP21710397 A JP 21710397A JP H1144810 A JPH1144810 A JP H1144810A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 温度変化が生じた場合でも、回折効率の変動
が少なく使用波長全域で高い回折効率を維持することが
できる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】 少なくとも２種類の分散の異なる材質か
らなる層を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子を形
成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折
効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、各層
はそれを形成する材質の温度変化による屈折率変化率と
各回折格子の格子厚を掛け合わせた値を全ての層につい
て加え合わせ、このときの値が、使用波長に対して小さ
くなるような材質と格子厚の組み合わせより構成してい
ること。
が少なく使用波長全域で高い回折効率を維持することが
できる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】 少なくとも２種類の分散の異なる材質か
らなる層を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子を形
成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折
効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、各層
はそれを形成する材質の温度変化による屈折率変化率と
各回折格子の格子厚を掛け合わせた値を全ての層につい
て加え合わせ、このときの値が、使用波長に対して小さ
くなるような材質と格子厚の組み合わせより構成してい
ること。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は回折光学素子のうち
特に複数の波長、あるいは所定の帯域の光が特定次数
（設計次数）に集中するような格子構造を有した回折光
学素子及びそれを用いた光学系に関するものである。
特に複数の波長、あるいは所定の帯域の光が特定次数
（設計次数）に集中するような格子構造を有した回折光
学素子及びそれを用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来より光学系の色収差を補正する方法
の１つとして、分散の異なる２つの材質の硝材（レン
ズ）を組み合わせる方法がある。
の１つとして、分散の異なる２つの材質の硝材（レン
ズ）を組み合わせる方法がある。
【０００３】こ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格子を設けた回折光学素子を用い
て、色収差を減じる方法がＳＰＩＥ Vol.1354 Internat
ional Lens Design Conference（１９９０）等の文献や
特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６
２号公報、そしてＵＳＰ第５０４４７０６号等により開
示されている。
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格子を設けた回折光学素子を用い
て、色収差を減じる方法がＳＰＩＥ Vol.1354 Internat
ional Lens Design Conference（１９９０）等の文献や
特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６
２号公報、そしてＵＳＰ第５０４４７０６号等により開
示されている。
【０００４】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
になるという物理現象を利用したものである。
は、ある基準波長の光線に対する色収差の出方が逆方向
になるという物理現象を利用したものである。
【０００５】さらに、このような回折光学素子は、その
回折格子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。
回折格子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。
【０００６】ここで、光線の屈折作用において比較する
と、レンズ面では１本の光線は屈折後も１本の光線であ
るのに対し、回折面では１本の光線が回折されると、各
次数に光が複数に分かれてしまう。
と、レンズ面では１本の光線は屈折後も１本の光線であ
るのに対し、回折面では１本の光線が回折されると、各
次数に光が複数に分かれてしまう。
【０００７】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
計次数とも言う）に集中するように格子構造を決定する
必要がある。特定の次数に光が集中している場合では、
それ以外の回折光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。
いる場合には、使用波長領域の光束が特定次数（以後設
計次数とも言う）に集中するように格子構造を決定する
必要がある。特定の次数に光が集中している場合では、
それ以外の回折光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。
【０００８】そのため前記特長を、有するためには設計
次数の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
ア光となる。
次数の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
ア光となる。
【０００９】従って回折光学素子を利用した光学系にお
いては、設計次数での回折効率の分光分布及び設計次数
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。
いては、設計次数での回折効率の分光分布及び設計次数
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。
【００１０】図１２に示すような基盤２に１つの層より
成る回折格子３を設けた回折光学素子１を光学系中のあ
る面に形成した場合の特定の回折次数に対する回折効率
の特性を図１３に示す。この回折光学素子の光学材料と
しては、プラスチック材料であるＰＭＭＡ（nd=1.4917
、νd=57.4）を用い、格子厚ｄを1.07μｍと設定し
た。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。
成る回折格子３を設けた回折光学素子１を光学系中のあ
る面に形成した場合の特定の回折次数に対する回折効率
の特性を図１３に示す。この回折光学素子の光学材料と
しては、プラスチック材料であるＰＭＭＡ（nd=1.4917
、νd=57.4）を用い、格子厚ｄを1.07μｍと設定し
た。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。
【００１１】この回折光学素子１は、１次の回折次数
（図中実線）において、使用波長領域（波長５３０ｎｍ
近傍）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。
（図中実線）において、使用波長領域（波長５３０ｎｍ
近傍）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。
【００１２】さらに、設計次数近傍の回折次数（１次±
１次の０次光と２次光）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
外の波長では序々に低くなる。上記構成では設計波長は
λ＝530nm に設定している。この設計次数での回折効率
の低下分は、他の次数の回折光となり、フレアとなる。
また、回折格子を複数枚使用した場合には特に、設計波
長以外の波長での回折効率の低下は透過率の低下にもつ
ながる。
１次の０次光と２次光）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
外の波長では序々に低くなる。上記構成では設計波長は
λ＝530nm に設定している。この設計次数での回折効率
の低下分は、他の次数の回折光となり、フレアとなる。
また、回折格子を複数枚使用した場合には特に、設計波
長以外の波長での回折効率の低下は透過率の低下にもつ
ながる。
【００１３】この回折効率の低下を減少できる構成が特
開平９−１２７３２１号公報に提示されている。これは
異なる材質の分散と各格子厚を最適に選ぶことで、広波
長範囲で高い回折効率を有する構成となっている。
開平９−１２７３２１号公報に提示されている。これは
異なる材質の分散と各格子厚を最適に選ぶことで、広波
長範囲で高い回折効率を有する構成となっている。
【００１４】具体的には基盤上に複数の光学材料（層）
を積層し、互いに異なる光学材料の境界面の少なくとも
１つにレリーフパターンを形成して成る回折光学素子を
開示している。
を積層し、互いに異なる光学材料の境界面の少なくとも
１つにレリーフパターンを形成して成る回折光学素子を
開示している。
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】基盤上に複数の層を積
層した複数層の格子構造をもつ回折光学素子で、高い回
折効率を実現できる組み合わせの中には、通常の１層の
場合の屈折率差に比べ、各境界を形成する材質の屈折率
差を十分にとれず格子厚が厚くなる組み合わせが存在す
る。この格子厚が厚くなる組み合わせの場合、温度変化
による材質の屈折率変動で回折効率が低下してしまうと
いう問題点がある。
層した複数層の格子構造をもつ回折光学素子で、高い回
折効率を実現できる組み合わせの中には、通常の１層の
場合の屈折率差に比べ、各境界を形成する材質の屈折率
差を十分にとれず格子厚が厚くなる組み合わせが存在す
る。この格子厚が厚くなる組み合わせの場合、温度変化
による材質の屈折率変動で回折効率が低下してしまうと
いう問題点がある。
【００１６】特に組み合わせによっては、温度変化時は
従来の１層の回折効率より悪化するものもある。
従来の１層の回折効率より悪化するものもある。
【００１７】本発明は、基盤上に２層又はそれ以上の多
層を積層して回折光学素子を形成するとき、各層の材質
と格子厚を適切に構成することにより、高い回折効率を
有するとともに、温度変化による屈折率変動で回折効率
が劣化することがなく、常に使用波長域全域で高い回折
効率が維持できるよう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。
層を積層して回折光学素子を形成するとき、各層の材質
と格子厚を適切に構成することにより、高い回折効率を
有するとともに、温度変化による屈折率変動で回折効率
が劣化することがなく、常に使用波長域全域で高い回折
効率が維持できるよう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。
【００１８】
【課題を解決するための手段】本発明の回折光学素子
は、 （１）少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる層
を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子を形成し、使
用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高
くするようにした回折光学素子に於いて、各層はそれを
形成する材質の温度変化による屈折率変化率と各回折格
子の格子厚を掛け合わせた値を全ての層について加え合
わせ、このときの値が、使用波長に対して小さくなるよ
うな材質と格子厚の組み合わせより構成していることを
特徴としている。
は、 （１）少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる層
を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子を形成し、使
用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高
くするようにした回折光学素子に於いて、各層はそれを
形成する材質の温度変化による屈折率変化率と各回折格
子の格子厚を掛け合わせた値を全ての層について加え合
わせ、このときの値が、使用波長に対して小さくなるよ
うな材質と格子厚の組み合わせより構成していることを
特徴としている。
【００１９】（２）分散の異なる材質からなる第１層と
第２層を基盤上に積層し、第１層と第２層の境界で第１
の回折格子面、第２層と空気の境界で第２の回折格子面
を形成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の
回折効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、
該第１層，第２層の材質の温度変化による屈折率変化率
を各々dn1/dt，dn2/dt、第１層に設けられた第１の回折
格子の格子厚をｄ１、第１の回折格子面と第２の回折格
子面をもつ、第２層に設けられた第２の回折格子の格子
厚をｄ２とし、温度変化による屈折率変化率に第１，第
２の回折格子の格子厚を掛け合わせた値φｔを、 φｔ＝（ dn1/dt ）ｄ１ −（dn2/dt）ｄ２ とし、温度変化量をΔｔ、設計次数をｍ、使用波長をλ
０としたとき ｜φｔ・Δｔ｜＜ｍ・λ０／４ を満たすことを特徴としている。
第２層を基盤上に積層し、第１層と第２層の境界で第１
の回折格子面、第２層と空気の境界で第２の回折格子面
を形成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の
回折効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、
該第１層，第２層の材質の温度変化による屈折率変化率
を各々dn1/dt，dn2/dt、第１層に設けられた第１の回折
格子の格子厚をｄ１、第１の回折格子面と第２の回折格
子面をもつ、第２層に設けられた第２の回折格子の格子
厚をｄ２とし、温度変化による屈折率変化率に第１，第
２の回折格子の格子厚を掛け合わせた値φｔを、 φｔ＝（ dn1/dt ）ｄ１ −（dn2/dt）ｄ２ とし、温度変化量をΔｔ、設計次数をｍ、使用波長をλ
０としたとき ｜φｔ・Δｔ｜＜ｍ・λ０／４ を満たすことを特徴としている。
【００２０】（３）少なくとも２種類の分散の異なる材
質からなる層を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子
を形成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の
回折効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、
第Ｌ層の材質の温度変化による屈折率変化をdnoL/dt と
し、第Ｌ層の回折格子の格子厚をｄＬ、とし、温度変化
による屈折率変化率に各回折格子の格子厚を掛け合わせ
た値φｔを、 φｔ ＝（dno1/dt ）ｄ１±（dno2/dt ）ｄ２±‥‥±
（dnoL/dt ）ｄＬ とし、温度変化量をΔｔ、設計次数をｍ、使用波長をλ
０としたき ｜φｔ・Δｔ｜＜（ｍ・λ０）／４ を満たすことを特徴としている。
質からなる層を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子
を形成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の
回折効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、
第Ｌ層の材質の温度変化による屈折率変化をdnoL/dt と
し、第Ｌ層の回折格子の格子厚をｄＬ、とし、温度変化
による屈折率変化率に各回折格子の格子厚を掛け合わせ
た値φｔを、 φｔ ＝（dno1/dt ）ｄ１±（dno2/dt ）ｄ２±‥‥±
（dnoL/dt ）ｄＬ とし、温度変化量をΔｔ、設計次数をｍ、使用波長をλ
０としたき ｜φｔ・Δｔ｜＜（ｍ・λ０）／４ を満たすことを特徴としている。
【００２１】又、構成（１），又は（２），又は（３）
において、 (3-1) 前記基盤上に形成した複数の回折格子の積層格子
構造は、１周期内での格子厚みが一方向で単調に減少し
ていく回折格子と、一方向で単調に増加する回折格子を
組み合わせて構成された構造を有し、少なくとも1 種類
は単調減少する格子と単調増加する格子が含まれた構成
とすることを特徴としている。
において、 (3-1) 前記基盤上に形成した複数の回折格子の積層格子
構造は、１周期内での格子厚みが一方向で単調に減少し
ていく回折格子と、一方向で単調に増加する回折格子を
組み合わせて構成された構造を有し、少なくとも1 種類
は単調減少する格子と単調増加する格子が含まれた構成
とすることを特徴としている。
【００２２】特に、 (3-1-1) 前記複数の層のうち、その光学的形状（光学光
路長）が、１周期内で格子厚みが単調増加の場合は、単
調減少する層の材質の分散が、単調増加する層の材質の
分散より大きいこと。
路長）が、１周期内で格子厚みが単調増加の場合は、単
調減少する層の材質の分散が、単調増加する層の材質の
分散より大きいこと。
【００２３】(3-1-2) 前記複数の層のうち、その光学的
形状（光学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調減少
の場合は、単調増加する層の材質の分散が、単調減少す
る層の材質の分散より大きいこと。等を特徴としてい
る。
形状（光学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調減少
の場合は、単調増加する層の材質の分散が、単調減少す
る層の材質の分散より大きいこと。等を特徴としてい
る。
【００２４】(3-2) 前記複数の層のうち少なくとも１つ
は、その材質がプラスチック光学材料または、紫外線硬
化樹脂であること。
は、その材質がプラスチック光学材料または、紫外線硬
化樹脂であること。
【００２５】(3-3) 前記使用波長域が、可視光域である
こと。
こと。
【００２６】(3-4) 前記基盤の上に積層された複数の層
のうち、基盤に接している層と基盤が同材質であるこ
と。
のうち、基盤に接している層と基盤が同材質であるこ
と。
【００２７】(3-5) 前記｜φｔ・Δｔ｜の値が使用波長
のｍ/ ８以下であること。等を特徴としている。
のｍ/ ８以下であること。等を特徴としている。
【００２８】本発明の回折光学素子を用いた光学系は、
構成（１），又は（２）又は（３）の回折光学素子を一
部に用いていることを特徴としている。
構成（１），又は（２）又は（３）の回折光学素子を一
部に用いていることを特徴としている。
【００２９】特に、回折光学素子を結像光学系や観察光
学系に用いていることを特徴としている。
学系に用いていることを特徴としている。
【００３０】
【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の正面図である。同図において回折光学素子１
は基盤２の表面に複数の層より成る多層部３が作成され
た構成となっている。
施形態１の正面図である。同図において回折光学素子１
は基盤２の表面に複数の層より成る多層部３が作成され
た構成となっている。
【００３１】図２は図１の回折光学素子１を図中Ａ−
Ａ’断面で切断した断面形状の一部である。図２は格子
（回折格子）の深さ方向にかなりデフォルメされた図と
なっている。本実施形態の回折格子の形状は、基盤２上
に互いに分散の異なる材質より成る第１層３−１と第２
層３−２を積層し、第１層３−１と第２層３−２との境
界で第１の回折格子面３ａを形成し、第２層３−２と空
気との境界で第２の回折格子面３ｂを形成している。そ
して、第１層と第１の回折格子面により、第１の回折格
子３−１が、第２層とそれに接する第１の回折格子面と
第２の回折格子面により第２の回折格子３−２が、形成
されている。
Ａ’断面で切断した断面形状の一部である。図２は格子
（回折格子）の深さ方向にかなりデフォルメされた図と
なっている。本実施形態の回折格子の形状は、基盤２上
に互いに分散の異なる材質より成る第１層３−１と第２
層３−２を積層し、第１層３−１と第２層３−２との境
界で第１の回折格子面３ａを形成し、第２層３−２と空
気との境界で第２の回折格子面３ｂを形成している。そ
して、第１層と第１の回折格子面により、第１の回折格
子３−１が、第２層とそれに接する第１の回折格子面と
第２の回折格子面により第２の回折格子３−２が、形成
されている。
【００３２】本実施形態では第１の回折格子３−１と第
１の回折格子３−１上に作られた第２の回折格子３−２
からなる構造を有している。
１の回折格子３−１上に作られた第２の回折格子３−２
からなる構造を有している。
【００３３】さらに、本実施形態における各回折格子３
−１，３−２の形状は格子厚ｄ１，ｄ２が１周期内で図
中左から右に単調減少する第１の回折格子３−１と、１
周期内で単調増加する第２の回折格子３−２を重ね合わ
せた構成になっている。
−１，３−２の形状は格子厚ｄ１，ｄ２が１周期内で図
中左から右に単調減少する第１の回折格子３−１と、１
周期内で単調増加する第２の回折格子３−２を重ね合わ
せた構成になっている。
【００３４】本実施形態の回折光学素子は少なくとも２
種類の分散の異なる材質からなる層を複数、基盤上に積
層し、各層で回折格子を形成した格子構造をもち、各回
折格子の格子厚に各層の材質の温度変化による屈折率変
化率をかけあわせた値の総和が使用波長に比べて十分小
さくなるようにした構成したことを特徴としている。
種類の分散の異なる材質からなる層を複数、基盤上に積
層し、各層で回折格子を形成した格子構造をもち、各回
折格子の格子厚に各層の材質の温度変化による屈折率変
化率をかけあわせた値の総和が使用波長に比べて十分小
さくなるようにした構成したことを特徴としている。
【００３５】また分散の異なる材質からなる層は、１周
期内の格子厚の厚みが分散の異なる材質間で単調増加
と、単調減少の層が少なくとも１組以上ある格子構造と
なることを特徴としている。
期内の格子厚の厚みが分散の異なる材質間で単調増加
と、単調減少の層が少なくとも１組以上ある格子構造と
なることを特徴としている。
【００３６】そして複数の層のうち、その光学的形状
（光学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調増加の場
合は、単調減少する層の材質の分散が、単調増加する層
の材質の分散より大きいことを特徴としている。
（光学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調増加の場
合は、単調減少する層の材質の分散が、単調増加する層
の材質の分散より大きいことを特徴としている。
【００３７】又、複数の層のうち、その光学的形状（光
学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調減少の場合
は、単調増加する層の材質の分散が、単調減少する層の
材質の分散より大きいことを特徴としている。
学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調減少の場合
は、単調増加する層の材質の分散が、単調減少する層の
材質の分散より大きいことを特徴としている。
【００３８】次に広波長域で設計次数の回折効率が高く
なる第１，第２の回折格子３−１，３−２を形成する層
の材質の組み合わせについて記述する前に、２層構造の
回折格子の回折効率の振る舞い及び従来の材質の組み合
わせの場合による回折効率についてに説明する。図１２
に示すような空気中で使用される透過型の回折光学素子
１で、設計波長λ０で回折効率が最大となる条件は、光
束が回折格子３に対して垂直入射した場合は、回折格子
の山と谷の光学光路長差ｄ０が波長の整数倍になればよ
く ｄ０＝（ｎ０−1 ）ｄ＝ｍλ０ ‥‥‥（１） となる。ここでｎ０は波長λ０での材質の屈折率、ｄは
格子厚、ｍは回折次数である。
なる第１，第２の回折格子３−１，３−２を形成する層
の材質の組み合わせについて記述する前に、２層構造の
回折格子の回折効率の振る舞い及び従来の材質の組み合
わせの場合による回折効率についてに説明する。図１２
に示すような空気中で使用される透過型の回折光学素子
１で、設計波長λ０で回折効率が最大となる条件は、光
束が回折格子３に対して垂直入射した場合は、回折格子
の山と谷の光学光路長差ｄ０が波長の整数倍になればよ
く ｄ０＝（ｎ０−1 ）ｄ＝ｍλ０ ‥‥‥（１） となる。ここでｎ０は波長λ０での材質の屈折率、ｄは
格子厚、ｍは回折次数である。
【００３９】２層構造の回折光学素子では、回折格子の
向きの違う２つの回折格子が、重なって１つの回折光学
素子を構成しているので、（１）式と同様の条件式は （ｎ０１−1 ）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２＝ｍλ０ ‥‥‥（２） となる。ここで各層の格子厚ｄ１，ｄ２は絶対値の値と
なっている。またｎ０１は第１層の材質の波長λ０での
屈折率、ｎ０２は第２層の材質の波長λ０での屈折率で
ある。このとき回折効率ηは η＝sinc2 〔｛（ｎ０１−1 ）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２｝/ ｍλ０−1 〕 ＝sinc2 （φ０ /ｍλ０） ‥‥‥（３） ここでφ０は位相誤差であり、φ０＝（ｎ０１−１）ｄ
１−（ｎ０２−１）ｄ２−ｍλ０である。又、sinc
（ｘ）＝sin(πx)/ πx なる関数で表される。
向きの違う２つの回折格子が、重なって１つの回折光学
素子を構成しているので、（１）式と同様の条件式は （ｎ０１−1 ）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２＝ｍλ０ ‥‥‥（２） となる。ここで各層の格子厚ｄ１，ｄ２は絶対値の値と
なっている。またｎ０１は第１層の材質の波長λ０での
屈折率、ｎ０２は第２層の材質の波長λ０での屈折率で
ある。このとき回折効率ηは η＝sinc2 〔｛（ｎ０１−1 ）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２｝/ ｍλ０−1 〕 ＝sinc2 （φ０ /ｍλ０） ‥‥‥（３） ここでφ０は位相誤差であり、φ０＝（ｎ０１−１）ｄ
１−（ｎ０２−１）ｄ２−ｍλ０である。又、sinc
（ｘ）＝sin(πx)/ πx なる関数で表される。
【００４０】従って使用波長域全域で（２）式がみたさ
れれば、回折効率ηは（３）式において位相誤差φ０が
０となり、η＝sinc2
れれば、回折効率ηは（３）式において位相誤差φ０が
０となり、η＝sinc2
〔０〕＝１より全ての使用波長で
最大となる。
最大となる。
【００４１】次に本実施形態の回折光学素子１の格子構
造について実際の数値を基に格子形状について説明す
る。使用波長域は可視域で、この回折格子の設計次数を
＋１次（ｍ＝１）とする。基盤２及び第１の回折格子３
−１を形成する第１層３−１は低吸湿アクリル（nd=1.4
970 、νd=56.0）なる材質を使用し、第２の回折格子３
−２を形成する第２層３−２はCargille Laboratories
Inc.製のＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｌｉｑｕｉｄ Ｉ．Ｌ１
１６０（nd=1.4820 、νd=42.3）なる材質を使用した。
造について実際の数値を基に格子形状について説明す
る。使用波長域は可視域で、この回折格子の設計次数を
＋１次（ｍ＝１）とする。基盤２及び第１の回折格子３
−１を形成する第１層３−１は低吸湿アクリル（nd=1.4
970 、νd=56.0）なる材質を使用し、第２の回折格子３
−２を形成する第２層３−２はCargille Laboratories
Inc.製のＩｍｍｅｒｓｉｏｎ Ｌｉｑｕｉｄ Ｉ．Ｌ１
１６０（nd=1.4820 、νd=42.3）なる材質を使用した。
【００４２】従って第１層の材質の屈折率ｎ１は、ｅ線
（波長０．５４６μｍ）、ｇ線（波長０．４３６μ
ｍ）、Ｃ線（波長０．６５６μｍ）において、それぞれ
１．４９９１１、１．５０８１０、１．４９４３２であ
る。
（波長０．５４６μｍ）、ｇ線（波長０．４３６μ
ｍ）、Ｃ線（波長０．６５６μｍ）において、それぞれ
１．４９９１１、１．５０８１０、１．４９４３２であ
る。
【００４３】一方第２層の材質の屈折率ｎ２はそれぞれ
１．４８４８０、１．４９６９２、１．４７８８１とな
る。従って（２）式は上記３つの波長についてそれぞれ
以下の式が成立する。 （１．４９９１１−１）ｄ１−（１．４８４８０−１）ｄ２＝０．５４６０７ ‥‥‥（４） （１．５０８１０−１）ｄ１−（１．４９６９２−１）ｄ２＝０．４３５８３５ ‥‥‥（５） （１．４９４３２−１）ｄ１−（１．４７８８１−１）ｄ２＝０．６５６２７ ‥‥‥（６） 式が３つに対し変数が２つなので全ての式を満足する材
質の厚みは求められない。
１．４８４８０、１．４９６９２、１．４７８８１とな
る。従って（２）式は上記３つの波長についてそれぞれ
以下の式が成立する。 （１．４９９１１−１）ｄ１−（１．４８４８０−１）ｄ２＝０．５４６０７ ‥‥‥（４） （１．５０８１０−１）ｄ１−（１．４９６９２−１）ｄ２＝０．４３５８３５ ‥‥‥（５） （１．４９４３２−１）ｄ１−（１．４７８８１−１）ｄ２＝０．６５６２７ ‥‥‥（６） 式が３つに対し変数が２つなので全ての式を満足する材
質の厚みは求められない。
【００４４】例えばｅ線とｇ線をとり（４）、（５）式
から格子厚ｄ１，ｄ２を求めるとｄ１＝35.4μｍ、ｄ２
＝35.4μｍとなる。この厚みを（６）式の左辺に代入す
ると、0.549 となる。これは、光学光路長差が0.549 μ
ｍであることを意味し、Ｃ線の波長0.65627 μｍに対し
て光路長差が短くなり、若干回折効率を最大にする条件
から外れている。このため、回折効率は(3) 式よりη＝
sinc2 （0.549/１＊0.656 −1 ）= ９８％程度に低下す
る。このようにして、使用波長領域で各波長に対して回
折格子の光学光路長差と波長の関係から回折効率が求め
られる。
から格子厚ｄ１，ｄ２を求めるとｄ１＝35.4μｍ、ｄ２
＝35.4μｍとなる。この厚みを（６）式の左辺に代入す
ると、0.549 となる。これは、光学光路長差が0.549 μ
ｍであることを意味し、Ｃ線の波長0.65627 μｍに対し
て光路長差が短くなり、若干回折効率を最大にする条件
から外れている。このため、回折効率は(3) 式よりη＝
sinc2 （0.549/１＊0.656 −1 ）= ９８％程度に低下す
る。このようにして、使用波長領域で各波長に対して回
折格子の光学光路長差と波長の関係から回折効率が求め
られる。
【００４５】図１４に上記格子厚ｄ１，ｄ２での可視域
における回折効率を示す。図中曲線で示された実線が
上記関係を満たす初期状態の回折光学素子１の回折効率
である。この図でｇ線、ｅ線の波長では、回折効率が最
大となる条件を満足しているので、回折効率は１００％
を示している。一方、Ｃ線の波長では、回折効率は９８
％程度に低下している。しかし、従来の１層より成る回
折格子の回折効率では、図１３に示したように最大６８
％程度に低下しているのと比較すると、可視域全域で十
分高い回折効率を維持していることがわかる。
における回折効率を示す。図中曲線で示された実線が
上記関係を満たす初期状態の回折光学素子１の回折効率
である。この図でｇ線、ｅ線の波長では、回折効率が最
大となる条件を満足しているので、回折効率は１００％
を示している。一方、Ｃ線の波長では、回折効率は９８
％程度に低下している。しかし、従来の１層より成る回
折格子の回折効率では、図１３に示したように最大６８
％程度に低下しているのと比較すると、可視域全域で十
分高い回折効率を維持していることがわかる。
【００４６】また図１５に設計次数近傍（０次、２次）
の回折効率を示す。図中曲線で示された曲線が同様に
初期状態の設計次数近傍（０次、２次）の回折効率であ
る。この図から設計次数近傍の回折光も全域で２％以下
と大幅に抑制されていることがわかる。
の回折効率を示す。図中曲線で示された曲線が同様に
初期状態の設計次数近傍（０次、２次）の回折効率であ
る。この図から設計次数近傍の回折光も全域で２％以下
と大幅に抑制されていることがわかる。
【００４７】次に温度変化により第１，第２層の各材質
の屈折率が変化した場合の回折効率の変動について説明
する。各材質の温度ｔに対する屈折率ｎの変化量（屈折
率変化率）をｄｎ／ｄｔとし、温度変化量をΔｔとす
る。このとき温度変化により各材質の屈折率は、ｎ０１
ｔ＝ｎ０１＋（ｄｎ０１／ｄｔ）＊Δｔ、ｎ０２ｔ＝ｎ
０２＋（ｄｎ０２／ｄｔ）＊Δｔに変化する。
の屈折率が変化した場合の回折効率の変動について説明
する。各材質の温度ｔに対する屈折率ｎの変化量（屈折
率変化率）をｄｎ／ｄｔとし、温度変化量をΔｔとす
る。このとき温度変化により各材質の屈折率は、ｎ０１
ｔ＝ｎ０１＋（ｄｎ０１／ｄｔ）＊Δｔ、ｎ０２ｔ＝ｎ
０２＋（ｄｎ０２／ｄｔ）＊Δｔに変化する。
【００４８】従って温度変化後の回折効率ηｔは（３）
式より、 ηｔ＝sinc2〔｛（ｎ０１ｔ−1）ｄ１−（ｎ０２ｔ−1 ）ｄ２｝/ ｍλ０−1〕 ＝sinc2〔｛（ｎ０１−1 ）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２｝/ ｍλ０−1＋｛（ ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１−（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ２）｝Δｔ/ ｍλ０〕 ＝sinc2 （φ０/ ｍλ０＋φｔΔｔ/ ｍλ０） ‥‥‥（７） で表される。
式より、 ηｔ＝sinc2〔｛（ｎ０１ｔ−1）ｄ１−（ｎ０２ｔ−1 ）ｄ２｝/ ｍλ０−1〕 ＝sinc2〔｛（ｎ０１−1 ）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２｝/ ｍλ０−1＋｛（ ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１−（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ２）｝Δｔ/ ｍλ０〕 ＝sinc2 （φ０/ ｍλ０＋φｔΔｔ/ ｍλ０） ‥‥‥（７） で表される。
【００４９】（７）式中位相誤差φ０＝｛（ｎ０１−1
）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２｝−ｍλ０の項は初期の
形状決定で決まる値であり、温度変化に依存しない。
）ｄ１−（ｎ０２−1 ）ｄ２｝−ｍλ０の項は初期の
形状決定で決まる値であり、温度変化に依存しない。
【００５０】従ってこのことより、回折効率の温度変化
による変動を抑制するためには、（７）式中φｔ＝
｛（ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１−（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ
２｝の項が小さくなることが必要である。
による変動を抑制するためには、（７）式中φｔ＝
｛（ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１−（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ
２｝の項が小さくなることが必要である。
【００５１】次に前記材質で温度変化が５ｄｅｇ生じた
場合の回折効率の変化量を示す。前記第１，第２層の材
質の温度変化による屈折率変化率はｄｎ０１／ｄｔ=1.2
×１０-4、ｄｎ０２／ｄｔ=-3.85×１０-4である。
場合の回折効率の変化量を示す。前記第１，第２層の材
質の温度変化による屈折率変化率はｄｎ０１／ｄｔ=1.2
×１０-4、ｄｎ０２／ｄｔ=-3.85×１０-4である。
【００５２】ここで温度変化による屈折率変化率の波長
依存は説明を簡単にするため無視できるものとする。ｇ
線、ｅ線については（４），（５）式が成立するように
各格子厚を設定したのでφ０＝０である。
依存は説明を簡単にするため無視できるものとする。ｇ
線、ｅ線については（４），（５）式が成立するように
各格子厚を設定したのでφ０＝０である。
【００５３】一方φｔは φｔ＝（1.2 ×１０-4＊35.4−(-3.85×１０-4) ＊35.
4）=0.0179 となる。従ってｇ線、ｅ線における回折効率ηｔは ηｔ＝sinc2 （0.0179＊５／１＊0.435835）＝0.869 ηｔ＝sinc2 （0.0179＊５／１＊0.54607 ）＝0.915 と初期状態では全波長域でほぼ９７％以上の高い回折効
率が得られていたのに、ｇ線では約13％程度も低下して
いる。
4）=0.0179 となる。従ってｇ線、ｅ線における回折効率ηｔは ηｔ＝sinc2 （0.0179＊５／１＊0.435835）＝0.869 ηｔ＝sinc2 （0.0179＊５／１＊0.54607 ）＝0.915 と初期状態では全波長域でほぼ９７％以上の高い回折効
率が得られていたのに、ｇ線では約13％程度も低下して
いる。
【００５４】図１４，図１５の曲線に温度変化後の回
折効率を示す。図中曲線で示した初期状態の回折効率
に対し、曲線の点線で示された温度変化後の回折効率
は、多層回折格子により高い回折効率を得るという主目
的が満足されていない。逆に回折効率の変動を２％以下
に抑えようとすると、許容される温度変動は1.7degとな
り、温度制御など特殊な装置が必須となる。従って一般
向けのカメラ、ビデオ、事務機等のレンズへの使用はか
なり困難である。
折効率を示す。図中曲線で示した初期状態の回折効率
に対し、曲線の点線で示された温度変化後の回折効率
は、多層回折格子により高い回折効率を得るという主目
的が満足されていない。逆に回折効率の変動を２％以下
に抑えようとすると、許容される温度変動は1.7degとな
り、温度制御など特殊な装置が必須となる。従って一般
向けのカメラ、ビデオ、事務機等のレンズへの使用はか
なり困難である。
【００５５】次に本実施形態の温度変化による屈折率変
化で回折効率が低下するのを抑制するようにした各層の
材料について説明する。初期性能についての材料の選択
は（２）式の等号関係を出来るだけ満足するように決定
する。
化で回折効率が低下するのを抑制するようにした各層の
材料について説明する。初期性能についての材料の選択
は（２）式の等号関係を出来るだけ満足するように決定
する。
【００５６】以下説明を簡単にするために図２に示す２
層より成るの回折光学素子で説明する。温度変化により
材質の屈折率変化が生じたときの回折効率は上述の
（７）式で表される。初期性能が良好な場合は、φ０≒
０と見做してよく、回折効率の変動を減少させるには
（７）式中φｔΔｔが十分小さな値をとることが必要で
ある。そのためにはφｔが小さな値をとることが必要と
なってくる。
層より成るの回折光学素子で説明する。温度変化により
材質の屈折率変化が生じたときの回折効率は上述の
（７）式で表される。初期性能が良好な場合は、φ０≒
０と見做してよく、回折効率の変動を減少させるには
（７）式中φｔΔｔが十分小さな値をとることが必要で
ある。そのためにはφｔが小さな値をとることが必要と
なってくる。
【００５７】本発明は、φｔが小さな値をとる材質の組
み合わせで２層より成る回折光学素子を構成することを
特徴としている。
み合わせで２層より成る回折光学素子を構成することを
特徴としている。
【００５８】まず許容できるφｔの値について説明す
る。１例として回折効率の変動が使用全波長域で２％以
下としたときの許容値を求める。温度変化量をΔｔ＝３
０degとすると、φｔ/ ｍλ０は2.６×１０-3以下とす
る必要がある。このとき回折格子の設計次数を１次（ｍ
＝１）とし、使用波長域を可視光域0.4 〜0.7 μｍとす
ると、φｔの値としては短波長の0.4 μｍで1.04×１０
-3、長波長の0.7 μｍで1.82×１０-3以下となる材質と
格子厚の組み合わせが必要となる。
る。１例として回折効率の変動が使用全波長域で２％以
下としたときの許容値を求める。温度変化量をΔｔ＝３
０degとすると、φｔ/ ｍλ０は2.６×１０-3以下とす
る必要がある。このとき回折格子の設計次数を１次（ｍ
＝１）とし、使用波長域を可視光域0.4 〜0.7 μｍとす
ると、φｔの値としては短波長の0.4 μｍで1.04×１０
-3、長波長の0.7 μｍで1.82×１０-3以下となる材質と
格子厚の組み合わせが必要となる。
【００５９】次に具体的な材質の組み合わせについて述
べる。可視光域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種類の材質としてそれぞれ光学
ガラスを選んだ場合には、ｄｎ０１／ｄｔ、ｄｎ０２／
ｄｔ自体が１０-6のオーダーの小さな変化量であるの
で、前述した３５μｍ程度の格子深さを有しても、φｔ
は充分小さな値となる。
べる。可視光域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種類の材質としてそれぞれ光学
ガラスを選んだ場合には、ｄｎ０１／ｄｔ、ｄｎ０２／
ｄｔ自体が１０-6のオーダーの小さな変化量であるの
で、前述した３５μｍ程度の格子深さを有しても、φｔ
は充分小さな値となる。
【００６０】しかし、２種類の材質ともに光学ガラスと
するには加工上容易なことではない。従って製造の容易
さから２層の内少なくとも一方をプラスチック光学材料
や、紫外線硬化樹脂材料などを選択することが望まし
い。まずどちらか一方が光学ガラスで他方がプラスチッ
ク光学材料や、紫外線硬化樹脂材料を用いた場合につい
て説明する。
するには加工上容易なことではない。従って製造の容易
さから２層の内少なくとも一方をプラスチック光学材料
や、紫外線硬化樹脂材料などを選択することが望まし
い。まずどちらか一方が光学ガラスで他方がプラスチッ
ク光学材料や、紫外線硬化樹脂材料を用いた場合につい
て説明する。
【００６１】プラスチック光学材料等のｄｎ／ｄｔは一
般的に1.2 ×１０-4程度の値をもつ。これに比べて光学
ガラスのｄｎ／ｄｔは十分小さいので、ガラスの材質の
屈折率変化の影響はこの組み合わせでは無視できる。１
層めが光学ガラス、２層めがプラスチック光学材料の組
み合わせを例にとる。この場合にはφｔ≒（−ｄｎ０２
／ｄｔ）＊ｄ２が前述の所望の値以下になればよく、プ
ラスチック光学材料等で構成される回折格子側の格子厚
ｄを8.5 μｍ以下とすれば、回折効率の温度変化による
低下は２％以下に抑制できる。
般的に1.2 ×１０-4程度の値をもつ。これに比べて光学
ガラスのｄｎ／ｄｔは十分小さいので、ガラスの材質の
屈折率変化の影響はこの組み合わせでは無視できる。１
層めが光学ガラス、２層めがプラスチック光学材料の組
み合わせを例にとる。この場合にはφｔ≒（−ｄｎ０２
／ｄｔ）＊ｄ２が前述の所望の値以下になればよく、プ
ラスチック光学材料等で構成される回折格子側の格子厚
ｄを8.5 μｍ以下とすれば、回折効率の温度変化による
低下は２％以下に抑制できる。
【００６２】つぎに２層ともにプラスチック光学材料
や、紫外線硬化樹脂材料を用いる組み合わせの場合、２
種類の層の屈折率差を充分大きくとれないので、各格子
厚を薄くにするのは容易ではない。そこで各々の層で発
生する屈折率変化量をうまく相殺できるように、φｔの
合成で所望の値以下になるような組み合わせを見つける
のが好ましい。
や、紫外線硬化樹脂材料を用いる組み合わせの場合、２
種類の層の屈折率差を充分大きくとれないので、各格子
厚を薄くにするのは容易ではない。そこで各々の層で発
生する屈折率変化量をうまく相殺できるように、φｔの
合成で所望の値以下になるような組み合わせを見つける
のが好ましい。
【００６３】例えば２種類の材質のｄｎ/ ｄｔが同符号
で同量の場合で且つ格子厚ｄ１とｄ２の深さが等しい場
合は、温度による回折効率の低下は完全に０にすること
ができる。また、格子厚ｄ１とｄ２の深さの差が8.5 μ
ｍ以下であれば、1 種類だけをプラスチック光学材料
や、紫外線硬化樹脂材料を用いた場合と同様に回折効率
の温度変化による低下は２％以下にすることができる。
で同量の場合で且つ格子厚ｄ１とｄ２の深さが等しい場
合は、温度による回折効率の低下は完全に０にすること
ができる。また、格子厚ｄ１とｄ２の深さの差が8.5 μ
ｍ以下であれば、1 種類だけをプラスチック光学材料
や、紫外線硬化樹脂材料を用いた場合と同様に回折効率
の温度変化による低下は２％以下にすることができる。
【００６４】図３、図４は本発明に係る回折光学素子を
用いた場合の回折効率の説明図である。図３は設計次数
である＋１次回折光の回折効率を、図４は設計次数近傍
の次数である０次と２次の回折効率を示すグラフであ
る。
用いた場合の回折効率の説明図である。図３は設計次数
である＋１次回折光の回折効率を、図４は設計次数近傍
の次数である０次と２次の回折効率を示すグラフであ
る。
【００６５】本実施形態の回折光学素子には、第１層と
してプラスチック光学材料ＰＭＭＡ（nd=1.4917 、νd=
57.4）を、第２層にはプラスチック光学材料ＰＳ（nd=
1.5918 、νd=31.1）をそれぞれ用い、図２に示すよう
に積層して構成している。
してプラスチック光学材料ＰＭＭＡ（nd=1.4917 、νd=
57.4）を、第２層にはプラスチック光学材料ＰＳ（nd=
1.5918 、νd=31.1）をそれぞれ用い、図２に示すよう
に積層して構成している。
【００６６】このとき各層の格子厚は第１層が18.9μ
ｍ、第２層が14.7μｍの厚みである。この構成では第１
層と第２層の材料がともにプラスチック材料であり、温
度変化による屈折率変化率はほぼ等しく、ｄｎ/ ｄｔ=
1.2×１０-4程度の値となる。
ｍ、第２層が14.7μｍの厚みである。この構成では第１
層と第２層の材料がともにプラスチック材料であり、温
度変化による屈折率変化率はほぼ等しく、ｄｎ/ ｄｔ=
1.2×１０-4程度の値となる。
【００６７】図３，図４の曲線，は前述の図１４，
図１５と同様に曲線が初期状態の回折効率、曲線が
温度変化後の回折効率を示している。ただし、本実施形
態における曲線の温度変化量ΔｔはΔｔ＝３０deg で
ある。従来の材質の温度変化の影響を考慮しない組み合
わせの場合、図１４での温度変化量はわずか５deg の温
度変化で回折効率はかなり悪化していたのに比べ、本実
施形態の組み合わせでは、温度変化量が大幅に増大した
にもかかわらず、回折効率の変化量は僅か２％未満と良
好に抑制されている。
図１５と同様に曲線が初期状態の回折効率、曲線が
温度変化後の回折効率を示している。ただし、本実施形
態における曲線の温度変化量ΔｔはΔｔ＝３０deg で
ある。従来の材質の温度変化の影響を考慮しない組み合
わせの場合、図１４での温度変化量はわずか５deg の温
度変化で回折効率はかなり悪化していたのに比べ、本実
施形態の組み合わせでは、温度変化量が大幅に増大した
にもかかわらず、回折効率の変化量は僅か２％未満と良
好に抑制されている。
【００６８】上記実施形態はいずれも回折効率の変化量
を２％以下に抑制する場合の組み合わせについて説明を
した。ここで回折効率の温度変化による変動の要因であ
るφｔΔｔの値が取りうる範囲について述べる。
を２％以下に抑制する場合の組み合わせについて説明を
した。ここで回折効率の温度変化による変動の要因であ
るφｔΔｔの値が取りうる範囲について述べる。
【００６９】本実施形態では、初期性能としてのφ０の
値が十分小さな値となることが前提となっている。比較
として初期のφ０の値が小さくならない図１２に示した
1 層の回折光学素子のφ０の値を調べてみる。この場
合、波長４００ｎｍと７００ｎｍの時の材質であるＰＭ
ＭＡの屈折率はそれぞれ1.50798 と1.48787 になる。従
ってφ０の値は φλ=0.4＝（1.50798 −1 ）1.07−1*0.4 ＝0.359 ｍλ
０ φλ=0.7＝（1.48787 −1 ）1.07−1*0.7 ＝-0.254ｍλ
０ となる。
値が十分小さな値となることが前提となっている。比較
として初期のφ０の値が小さくならない図１２に示した
1 層の回折光学素子のφ０の値を調べてみる。この場
合、波長４００ｎｍと７００ｎｍの時の材質であるＰＭ
ＭＡの屈折率はそれぞれ1.50798 と1.48787 になる。従
ってφ０の値は φλ=0.4＝（1.50798 −1 ）1.07−1*0.4 ＝0.359 ｍλ
０ φλ=0.7＝（1.48787 −1 ）1.07−1*0.7 ＝-0.254ｍλ
０ となる。
【００７０】上記１層の回折光学素子のφ０の値を参考
にすれば、本発明の回折光学素子のφｔΔｔの絶対値を
ｍλ０／４以下にできれば、温度変化が生じた場合で
も、1層のみで構成された回折光学素子の初期状態より
回折効率が悪化することはなく、本発明の効果を奏する
ことができる。
にすれば、本発明の回折光学素子のφｔΔｔの絶対値を
ｍλ０／４以下にできれば、温度変化が生じた場合で
も、1層のみで構成された回折光学素子の初期状態より
回折効率が悪化することはなく、本発明の効果を奏する
ことができる。
【００７１】さらに、φｔΔｔの絶対値を1/８ｍλ０以
下にできれば、温度変化が生じた場合の回折効率の変動
量を５％以下にすることが可能となり好ましい。
下にできれば、温度変化が生じた場合の回折効率の変動
量を５％以下にすることが可能となり好ましい。
【００７２】以上説明したように本発明では温度変化に
よる材質の屈折率変化率ｄｎ/ ｄｔと格子厚ｄの積から
なる（ｄｎ/ ｄｔ）＊ｄの和の値を小さくなるような組
み合わせの材料を用いることを特徴としている。
よる材質の屈折率変化率ｄｎ/ ｄｔと格子厚ｄの積から
なる（ｄｎ/ ｄｔ）＊ｄの和の値を小さくなるような組
み合わせの材料を用いることを特徴としている。
【００７３】このような構成を用いれば、温度変化が３
０ｄｅｇくらいある場合でも、回折効率の変動を良好に
抑制でき、一般向けのカメラ、ビデオ、事務機等のレン
ズへ特殊な温度制御機構を設けることなく使用すること
ができる。
０ｄｅｇくらいある場合でも、回折効率の変動を良好に
抑制でき、一般向けのカメラ、ビデオ、事務機等のレン
ズへ特殊な温度制御機構を設けることなく使用すること
ができる。
【００７４】次に本発明の回折光学素子の実施形態２に
ついて説明する。前記実施形態１では２層より成るとき
の材質の組み合わせについて述べたが、２層に限定する
ものではなく、格子形状としては図５のような複数の層
３−１，３−２，３−３からなる回折光学素子でもよ
い。そこで２層以上の多層を用いた回折光学素子の場合
について説明する。
ついて説明する。前記実施形態１では２層より成るとき
の材質の組み合わせについて述べたが、２層に限定する
ものではなく、格子形状としては図５のような複数の層
３−１，３−２，３−３からなる回折光学素子でもよ
い。そこで２層以上の多層を用いた回折光学素子の場合
について説明する。
【００７５】説明を簡単にするため図６に示すように各
層が空気中に分離されてＬ層より成る回折格子が配置さ
れている構成とする。各回折格子面３ａ，３ｂ，３ｃが
密接に配され、全体で１つの回折格子として作用する場
合で、且つ格子境界面の反射を考慮しない場合は、図５
と図６の回折光学素子はその光学作用が同じとなる。こ
こで格子厚は、1 周期内の各回折格子の最大厚と最小厚
の差とする。
層が空気中に分離されてＬ層より成る回折格子が配置さ
れている構成とする。各回折格子面３ａ，３ｂ，３ｃが
密接に配され、全体で１つの回折格子として作用する場
合で、且つ格子境界面の反射を考慮しない場合は、図５
と図６の回折光学素子はその光学作用が同じとなる。こ
こで格子厚は、1 周期内の各回折格子の最大厚と最小厚
の差とする。
【００７６】第Ｌ層目の材質の波長λ０での屈折率をｎ
０Ｌとする。このように定義すると（２）式に対応する
式は （ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ０２−１）ｄ２±‥‥±（ｎ０Ｌ−１）ｄＬ＝ｍλ０ ‥‥‥（８） で表現される。ここでφ０＝（ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ
０２−１）ｄ２±‥‥±（ｎ０Ｌ−１）ｄＬ−ｍλ０と
すると、同様に全体の回折効率ηも η＝sinc2 （φ０／ｍλ０） ‥‥‥（９） となる。
０Ｌとする。このように定義すると（２）式に対応する
式は （ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ０２−１）ｄ２±‥‥±（ｎ０Ｌ−１）ｄＬ＝ｍλ０ ‥‥‥（８） で表現される。ここでφ０＝（ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ
０２−１）ｄ２±‥‥±（ｎ０Ｌ−１）ｄＬ−ｍλ０と
すると、同様に全体の回折効率ηも η＝sinc2 （φ０／ｍλ０） ‥‥‥（９） となる。
【００７７】ここで回折方向を図中０次回折光から左寄
りに回折するのを正の回折次数とすると、（８）式の±
の符号は図中左から右に格子厚が減少する格子形状（第
１，第３層）が正となり、逆に左から右に格子厚が増加
する格子形状（第２層）が負となる。
りに回折するのを正の回折次数とすると、（８）式の±
の符号は図中左から右に格子厚が減少する格子形状（第
１，第３層）が正となり、逆に左から右に格子厚が増加
する格子形状（第２層）が負となる。
【００７８】次に温度変化でのＬ層めの材質の屈折率変
動率をｄｎ０Ｌ／ｄｔとし、温度変化量をΔｔとすると
各層の温度変化による屈折率変化は、ｎ０Ｌｔ＝ｎ０Ｌ
＋（ｄｎ０Ｌ／ｄｔ）＊Δｔに変化する。従って温度変
化により回折効率ηｔは ηｔ＝sinc2 〔｛（ｎ０１ｔ−1 ）ｄ１±（ｎ０２ｔ−１）ｄ２±‥‥ ±（ｎ０Ｌｔ−１）ｄＬ−ｍλ０｝／ｍλ０〕 ＝sinc2 〔｛（ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ０２−１）ｄ２±‥‥ ±（ｎ０Ｌ−１）ｄＬ−ｍλ０｝／ｍλ０＋｛（ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１ ±（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ２±‥‥ ±（ｄｎ０Ｌ／ｄｔ）＊｝Δｔ／ｍλ０〕 ＝sinc2 ｛（φ０／ｍλ０）＋φｔΔｔ／（ｍλ０）｝ ‥‥‥（１０） となる。ここでφｔ＝｛（ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１±
（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ２±‥‥±（ｄｎ０Ｌ／ｄｔ）
＊ｄＬ｝である。
動率をｄｎ０Ｌ／ｄｔとし、温度変化量をΔｔとすると
各層の温度変化による屈折率変化は、ｎ０Ｌｔ＝ｎ０Ｌ
＋（ｄｎ０Ｌ／ｄｔ）＊Δｔに変化する。従って温度変
化により回折効率ηｔは ηｔ＝sinc2 〔｛（ｎ０１ｔ−1 ）ｄ１±（ｎ０２ｔ−１）ｄ２±‥‥ ±（ｎ０Ｌｔ−１）ｄＬ−ｍλ０｝／ｍλ０〕 ＝sinc2 〔｛（ｎ０１−１）ｄ１±（ｎ０２−１）ｄ２±‥‥ ±（ｎ０Ｌ−１）ｄＬ−ｍλ０｝／ｍλ０＋｛（ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１ ±（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ２±‥‥ ±（ｄｎ０Ｌ／ｄｔ）＊｝Δｔ／ｍλ０〕 ＝sinc2 ｛（φ０／ｍλ０）＋φｔΔｔ／（ｍλ０）｝ ‥‥‥（１０） となる。ここでφｔ＝｛（ｄｎ０１／ｄｔ）＊ｄ１±
（ｄｎ０２／ｄｔ）＊ｄ２±‥‥±（ｄｎ０Ｌ／ｄｔ）
＊ｄＬ｝である。
【００７９】上式で±の符号の選択は、前述の格子厚の
増域に対応している。従って２層以上の多層回折格子に
おいても前述の２層の場合と同様にφｔの値を所望の値
以下にするように材質のｄｎ／ｄｔと格子厚の組み合わ
せを決定する。
増域に対応している。従って２層以上の多層回折格子に
おいても前述の２層の場合と同様にφｔの値を所望の値
以下にするように材質のｄｎ／ｄｔと格子厚の組み合わ
せを決定する。
【００８０】以上述べた説明は、１周期の回折格子の形
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基本的には影響しな
いことが、公知である。つまり本実施形態は図１に示し
た１次元の回折格子の他に、例えば図７に示すような回
折光学レンズなどあらゆる格子ピッチ形状を有する回折
光学素子に応用することができる。
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基本的には影響しな
いことが、公知である。つまり本実施形態は図１に示し
た１次元の回折格子の他に、例えば図７に示すような回
折光学レンズなどあらゆる格子ピッチ形状を有する回折
光学素子に応用することができる。
【００８１】また格子断面の形状としては例えば図８に
示すような階段形状のもの等も適用可能であり、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。但し、図８に示す階段形状の場合は、実際の格
子の厚みｄ１’、ｄ２’は前述のキノフォーム時の格子
厚ｄ１、ｄ２に対して、 ｄ１’＝ｄ１＊（Ｎ−１）/ Ｎ ｄ２’＝ｄ２＊（Ｎ−１）/ Ｎ なる関係を有している。ここでＮは階段格子の格子段数
である。階段形状の回折格子の場合は、光学光路長差を
決定する場合の格子厚ｄと実際の格子厚ｄ’が異なる。
示すような階段形状のもの等も適用可能であり、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。但し、図８に示す階段形状の場合は、実際の格
子の厚みｄ１’、ｄ２’は前述のキノフォーム時の格子
厚ｄ１、ｄ２に対して、 ｄ１’＝ｄ１＊（Ｎ−１）/ Ｎ ｄ２’＝ｄ２＊（Ｎ−１）/ Ｎ なる関係を有している。ここでＮは階段格子の格子段数
である。階段形状の回折格子の場合は、光学光路長差を
決定する場合の格子厚ｄと実際の格子厚ｄ’が異なる。
【００８２】また、実施形態の説明では平板上に回折格
子を設けた回折光学素子であるが、回折格子をレンズ曲
面表面に設けても同様の効果が得られる。
子を設けた回折光学素子であるが、回折格子をレンズ曲
面表面に設けても同様の効果が得られる。
【００８３】また、本実施形態では第１の回折格子を基
盤上に製作しているが、モールド成形などで、基盤と第
１の回折格子を同じ材質の一体成形で製作しても良い。
盤上に製作しているが、モールド成形などで、基盤と第
１の回折格子を同じ材質の一体成形で製作しても良い。
【００８４】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次数光であっても、合成光学光路
長差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。
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次数光であっても、合成光学光路
長差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。
【００８５】次に本発明の回折光学素子の実施形態３に
ついて説明する。前述の実施形態１，２において、第２
の回折格子を形成する層の格子厚の一番薄い部分が厚み
が０となっていた。この構成だと第２の回折格子は格子
ピッチごとに分離された構成となっており、型による製
造では、型からうまく剥離し転写しにくい。
ついて説明する。前述の実施形態１，２において、第２
の回折格子を形成する層の格子厚の一番薄い部分が厚み
が０となっていた。この構成だと第２の回折格子は格子
ピッチごとに分離された構成となっており、型による製
造では、型からうまく剥離し転写しにくい。
【００８６】そこで、図９に示すように回折光学素子全
域に第２の回折格子３−２を形成する層と同じ材質より
成る平坦部４を一定の厚み（図中ｄoff ）で付加した構
造にしている。これによって第２の回折格子３−２は結
合され、型による成形では型から剥離しやすくなるよう
にしている。
域に第２の回折格子３−２を形成する層と同じ材質より
成る平坦部４を一定の厚み（図中ｄoff ）で付加した構
造にしている。これによって第２の回折格子３−２は結
合され、型による成形では型から剥離しやすくなるよう
にしている。
【００８７】次に本発明の回折光学素子を用いた光学系
の実施形態４を図１０に示す。図１０はカメラ等の撮影
光学系の断面を示したものであり、同図中、５は撮影レ
ンズで、内部に絞り６と本発明に係る平板状の回折光学
素子１を設けている。７は結像面であるフィルムであ
る。
の実施形態４を図１０に示す。図１０はカメラ等の撮影
光学系の断面を示したものであり、同図中、５は撮影レ
ンズで、内部に絞り６と本発明に係る平板状の回折光学
素子１を設けている。７は結像面であるフィルムであ
る。
【００８８】本実施形態の回折光学素子として、カラー
画像の撮影に適した回折光学素子の構成について説明す
る。本実施形態の場合は、カラーフィルムの各感光層の
ヒ゜ーク波長について、前述の（４），（５），（６）式に
対応する関係を求め、同様に求めている。
画像の撮影に適した回折光学素子の構成について説明す
る。本実施形態の場合は、カラーフィルムの各感光層の
ヒ゜ーク波長について、前述の（４），（５），（６）式に
対応する関係を求め、同様に求めている。
【００８９】図１０では絞り６近傍の平板ガラス面に回
折光学素子１を設けたが、これに限定するものではな
く、レンズ曲面表面に回折格子を設けても良いし、撮影
レンズ内に複数、回折光学素子を使用しても良い。
折光学素子１を設けたが、これに限定するものではな
く、レンズ曲面表面に回折格子を設けても良いし、撮影
レンズ内に複数、回折光学素子を使用しても良い。
【００９０】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などに使用しても
同様の効果が得られる。
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などに使用しても
同様の効果が得られる。
【００９１】図１１は本発明の回折光学素子を用いた光
学系の実施形態５の要部概略図である。図１１は、双眼
鏡等観察光学系の断面を示したものであり、同図中、８
は対物レンズ、９は像を成立させるための像反転プリズ
ム、１０は接眼レンズ、１１は評価面（瞳面）である。
図中１は回折光学素子である。回折光学素子１は対物レ
ンズ８の結像面７での色収差等を補正する目的で形成さ
れている。
学系の実施形態５の要部概略図である。図１１は、双眼
鏡等観察光学系の断面を示したものであり、同図中、８
は対物レンズ、９は像を成立させるための像反転プリズ
ム、１０は接眼レンズ、１１は評価面（瞳面）である。
図中１は回折光学素子である。回折光学素子１は対物レ
ンズ８の結像面７での色収差等を補正する目的で形成さ
れている。
【００９２】本実施形態では、対物レンズ８側に回折光
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１０内の位置で
あっても同様の効果が得られる。結像面７より物体側に
設けると対物レンズ８のみでの色収差低減効果があるた
め、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ８側に
設けることが望ましい。
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１０内の位置で
あっても同様の効果が得られる。結像面７より物体側に
設けると対物レンズ８のみでの色収差低減効果があるた
め、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ８側に
設けることが望ましい。
【００９３】また本実施形態では、双眼鏡の場合を示し
たが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観
測用望遠鏡などであってもよく、またレンズシャッター
カメラやビデオカメラなど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。
たが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観
測用望遠鏡などであってもよく、またレンズシャッター
カメラやビデオカメラなど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。
【００９４】
【発明の効果】本発明によれば以上にように、基盤上に
２層又はそれ以上の多層を積層して回折光学素子を形成
するとき、各層の材質と格子厚を適切に構成することに
より、高い回折効率を有するとともに、温度変化による
屈折率変動で回折効率が劣化することがなく、常に使用
波長域全域で高い回折効率が維持できるような回折光学
素子及びそれを用いた光学系を達成することができる。
２層又はそれ以上の多層を積層して回折光学素子を形成
するとき、各層の材質と格子厚を適切に構成することに
より、高い回折効率を有するとともに、温度変化による
屈折率変動で回折効率が劣化することがなく、常に使用
波長域全域で高い回折効率が維持できるような回折光学
素子及びそれを用いた光学系を達成することができる。
【００９５】また本発明の回折光学素子を撮影レンズに
使用すれば、特殊な温度制御機構をレンズ内に使用する
必要はなく、通常の屈折レンズと同等の使用条件下で所
望の特性が得られ、安価で高精度な撮影レンズを提供で
きる。
使用すれば、特殊な温度制御機構をレンズ内に使用する
必要はなく、通常の屈折レンズと同等の使用条件下で所
望の特性が得られ、安価で高精度な撮影レンズを提供で
きる。
【００９６】また本発明の回折光学素子を観察光学系に
使用すれば、特殊な温度制御機構を光学系内に使用する
必要はなく、通常の屈折光学系と同等の使用条件下で所
望の特性が得られ、安価で高精度な観察光学系を提供で
きる。
使用すれば、特殊な温度制御機構を光学系内に使用する
必要はなく、通常の屈折光学系と同等の使用条件下で所
望の特性が得られ、安価で高精度な観察光学系を提供で
きる。
【図１】本発明の回折光学素子の実施形態１の要部正面
図
図
【図２】本発明の回折光学素子の実施形態１の要部断面
図
図
【図３】本発明の回折光学素子の実施形態１の設計次数
の回折光率の説明図
の回折光率の説明図
【図４】本発明の回折光学素子の実施形態１の設計次数
の近傍の回折効率の説明図
の近傍の回折効率の説明図
【図５】本発明の回折光学素子の実施形態２の要部断面
図
図
【図６】本発明の回折光学素子の実施形態２の概念図
【図７】本発明の回折光学素子の他の形態の説明図
【図８】本発明の回折光学素子の他の形態の要部断面図
【図９】本発明の回折光学素子の実施形態３の要部断面
図
図
【図１０】本発明の回折光学素子のを用いた実施形態４
の概略図
の概略図
【図１１】本発明の回折光学素子のを用いた実施形態５
の概略図
の概略図
【図１２】従来の回折光学素子の要部断面図
【図１３】従来の回折光学素子の回折効率の説明図
【図１４】従来の回折光学素子の設計次数の回折効率の
説明図
説明図
【図１５】従来の回折光学素子の設計次数近傍の回折効
率の説明図
率の説明図
１ 回折光学素子 ２ 基盤 ３ 多層部 ３ａ，３ｂ 回折格子面 ３−１，３−２，３−３ 層（回折格子） ５ 撮影レンズ ６ 絞り ７ 結像面 ８ 対物レンズ ９ 像反転プリズム １０ 接眼レンズ １１ 瞳位置
Claims (13)
- 【請求項１】 少なくとも２種類の分散の異なる材質か
らなる層を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子を形
成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折
効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、各層
はそれを形成する材質の温度変化による屈折率変化率と
各回折格子の格子厚を掛け合わせた値を全ての層につい
て加え合わせ、このときの値が、使用波長に対して小さ
くなるような材質と格子厚の組み合わせより構成してい
ることを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項２】 分散の異なる材質からなる第１層と第２
層を基盤上に積層し、第１層と第２層の境界で第１の回
折格子面、第２層と空気の境界で第２の回折格子面を形
成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折
効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、該第
１層，第２層の材質の温度変化による屈折率変化率を各
々dn1/dt，dn2/dt、第１層に設けられた第１の回折格子
の格子厚をｄ１、第１の回折格子面と第２の回折格子面
をもつ、第２層に設けられた第２の回折格子の格子厚を
ｄ２とし、温度変化による屈折率変化率に第１，第２の
回折格子の格子厚を掛け合わせた値φｔを、 φｔ＝（ dn1/dt ）ｄ１ −（dn2/dt）ｄ２ とし、温度変化量をΔｔ、設計次数をｍ、使用波長をλ
０としたとき ｜φｔ・Δｔ｜＜ｍ・λ０／４ を満たすことを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項３】 少なくとも２種類の分散の異なる材質か
らなる層を複数、基盤上に積層し、各層で回折格子を形
成し、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折
効率を高くするようにした回折光学素子に於いて、第Ｌ
層の材質の温度変化による屈折率変化をdnoL/dt とし、
第Ｌ層の回折格子の格子厚をｄＬ、とし、温度変化によ
る屈折率変化率に各回折格子の格子厚を掛け合わせた値
φｔを、 φｔ ＝（dno1/dt ）ｄ１±（dno2/dt ）ｄ２±‥‥±
（dnoL/dt ）ｄＬ とし、温度変化量をΔｔ、設計次数をｍ、使用波長をλ
０としたき ｜φｔ・Δｔ｜＜（ｍ・λ０）／４ を満たすことを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項４】 前記基盤上に形成した複数の回折格子の
積層格子構造は、１周期内での格子厚みが一方向で単調
に減少していく回折格子と、一方向で単調に増加する回
折格子を組み合わせて構成された構造を有し、少なくと
も1 種類は単調減少する格子と単調増加する格子が含ま
れた構成とすることを特徴とする請求項１、２、３記載
の回折光学素子。 - 【請求項５】 前記複数の層のうち、その光学的形状
（光学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調増加の場
合は、単調減少する層の材質の分散が、単調増加する層
の材質の分散より大きいことを特徴とする請求項４の回
折光学素子。 - 【請求項６】 前記複数の層のうち、その光学的形状
（光学光路長）が、１周期内で格子厚みが単調減少の場
合は、単調増加する層の材質の分散が、単調減少する層
の材質の分散より大きいことを特徴とする請求項４の回
折光学素子。 - 【請求項７】 前記複数の層のうち少なくとも１つは、
その材質がプラスチック光学材料または、紫外線硬化樹
脂であることを特徴とする請求項１，２又は３の回折光
学素子。 - 【請求項８】 前記使用波長域が、可視光域であること
を特徴とする請求項１，２又は３の回折光学素子。 - 【請求項９】 前記基盤の上に積層された複数の層のう
ち、基盤に接している層と基盤が同材質であることを特
徴とする請求項１，２又は３の回折光学素子。 - 【請求項１０】 前記｜φｔ・Δｔ｜の値が使用波長の
ｍ/ ８以下であることを特徴とする請求項２又は３の回
折光学素子。 - 【請求項１１】 請求項１〜１０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。 - 【請求項１２】 前記光学系は、結像光学系であること
を特徴とする請求項１１の光学系。 - 【請求項１３】 前記光学系は、観察光学系であること
を特徴とする請求項１１の光学系。
Priority Applications (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21710397A JP3495884B2 (ja) | 1997-07-28 | 1997-07-28 | 回折光学素子及びそれを用いた光学系 |
| US09/121,685 US6480332B1 (en) | 1997-07-28 | 1998-07-24 | Diffractive optical element and optical system having the same |
| EP98114002A EP0895099B1 (en) | 1997-07-28 | 1998-07-27 | Diffractive optical element and optical system having the same |
| DE69818581T DE69818581T2 (de) | 1997-07-28 | 1998-07-27 | Beugungselement und damit ausgestattetes optisches System |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP21710397A JP3495884B2 (ja) | 1997-07-28 | 1997-07-28 | 回折光学素子及びそれを用いた光学系 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH1144810A true JPH1144810A (ja) | 1999-02-16 |
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Family
ID=16698906
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