JPWO2013168740A1 - Diffractive optical element and imaging optical system - Google Patents
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Abstract
本発明の回折光学素子は、光の回折現象を利用して入射してくる光の進行方向を変える回折光学素子であって、少なくとも1つの透明基板を有し、透明基板上には第1の回折格子層と第2の回折格子層とが少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、第1の回折格子層の第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、第2の回折格子層の第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられていることを特徴とする。当該回折光学素子は、実用化に耐えうる材料で作製でき、かつ撮像光学系において回折光学素子によるフレアをより効果的に抑制できる。The diffractive optical element of the present invention is a diffractive optical element that changes the traveling direction of incident light by utilizing the diffraction phenomenon of light, and has at least one transparent substrate, and the first is formed on the transparent substrate. The diffraction grating layer and the second diffraction grating layer are stacked at least in the effective region without any gap therebetween, and one of the interfaces of the first diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located. And a part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the first diffraction grating layer is located have a concavo-convex structure that is combined with each other and acts as one diffraction grating, As a material for one diffraction grating layer, a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, or a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule is used. thing And features. The diffractive optical element can be made of a material that can withstand practical use, and flare caused by the diffractive optical element can be more effectively suppressed in the imaging optical system.
Description
本発明は、入射した光に対して回折光束を生じさせる回折光学素子およびこのような回折光学素子を用いて構成される撮像装置用等の光学系である撮像光学系に関する。 The present invention relates to a diffractive optical element that generates a diffracted light beam with respect to incident light, and an imaging optical system that is an optical system for an imaging apparatus configured using such a diffractive optical element.
一眼レフカメラやコンパクトデジタルカメラ、携帯用のカメラといったデジタルカメラの光学系には、凹レンズや凸レンズといった光の屈折作用を用いた屈折レンズが多く用いられてきたが、このような撮像光学系において、屈折レンズの色収差による画質の劣化は、従来より大きな問題であった。 In an optical system of a digital camera such as a single-lens reflex camera, a compact digital camera, or a portable camera, a refractive lens using a refractive action of light such as a concave lens or a convex lens has been used in many cases. In such an imaging optical system, Degradation of image quality due to chromatic aberration of the refractive lens has been a greater problem than before.
屈折レンズの色収差を補正するために、蛍石や異常分散材料等をレンズ材料に用いた色収差補正用レンズを光学系に組み込む等の対策がとられていたが、補正効果が十分でなかったり、光学系が大きくなったり、またコスト的に非常に高いものになるなど、実用化には未だ多くの課題を残していた。 In order to correct the chromatic aberration of the refractive lens, measures such as incorporating a chromatic aberration correction lens using a fluorite or anomalous dispersion material as a lens material into the optical system have been taken, but the correction effect is not sufficient, Many problems still remain in practical use, such as the increase in the optical system and the cost.
近年では、回折レンズと呼ばれる、レンズ作用を有するように構成した回折光学素子を撮像光学系に組み込むことで、色収差の問題を解決しようという試みが数多くなされている。回折レンズは、光の回折現象を利用して光の集光や発散等を行うレンズであり、屈折レンズにはない特徴を有することで知られている。 In recent years, many attempts have been made to solve the problem of chromatic aberration by incorporating a diffractive optical element called a diffractive lens having a lens action into an imaging optical system. A diffractive lens is a lens that collects or diverges light by utilizing a light diffraction phenomenon, and is known to have characteristics that are not found in a refractive lens.
例えば、回折レンズと屈折レンズとでは、入射光の波長変化に対する焦点距離の変化が異なる。具体的には、屈折レンズはアッベ数が正の値であるのに対して、回折レンズのアッベ数に相当する量は負の値である。このような回折レンズの光学特性を利用し、屈折レンズ光学系の一部に回折レンズを組み合わせることで、光学系の色収差の問題が解決できるとされている。 For example, a diffractive lens and a refractive lens have different focal length changes with respect to changes in the wavelength of incident light. Specifically, the refractive lens has a positive Abbe number, whereas the amount corresponding to the Abbe number of the diffractive lens is a negative value. It is said that the problem of chromatic aberration of the optical system can be solved by utilizing such optical characteristics of the diffractive lens and combining the diffractive lens with a part of the refractive lens optical system.
ところが、回折光学素子を用いれば、効果的に色収差を補正できたり、光学系を小さくできるが、光学系にフレアが生じて画質が劣化するという新たな問題が生じていた。フレアの原因の一つに、回折光学素子に回折効率が低い波長帯が存在することが挙げられる。すなわち、回折効率が高くない波長の光が入射すると、目的の次数以外の光が発生し、それらが散乱光となってフレアを発生させていた。 However, if a diffractive optical element is used, chromatic aberration can be effectively corrected and the optical system can be reduced, but a new problem arises in that the image quality deteriorates due to flare in the optical system. One cause of flare is the presence of a wavelength band with low diffraction efficiency in the diffractive optical element. That is, when light having a wavelength that does not have high diffraction efficiency is incident, light other than the target order is generated, which becomes scattered light and generates flare.
例えば、可視光領域の全波長にわたって回折効率を十分に高く設定できれば上記のようなフレアの発生を抑制できる。例えば、特許文献1には、設計次数での回折効率が波長によらず高い回折光学素子を達成するための光学材料の選定例やパラメータ条件が記載されている。
For example, if the diffraction efficiency can be set sufficiently high over all wavelengths in the visible light region, the occurrence of flare as described above can be suppressed. For example,
しかし、特許文献1に記載されている選定例やパラメータ条件では、材料の選択肢が非常に狭い。また、回折効率が可視光領域全体にわたって高い値を維持する、すなわちフラットとなることを目指したとはいっても、波長によって少なからず回折効率が低下する部分があるなど、実際に十分な効果が得られるまでには至っていないものであった。
However, in the selection examples and parameter conditions described in
そこで、特許文献2には、可視光領域の全波長にわたって回折効率が十分に高く設定できない問題を、撮像素子が受け取った情報に対して電子的に補正を行うことで解決する技術が記載されている。
Therefore,
また、特許文献3には、回折効率の低下によるものではないフレアの原因を取り除こうと、回折格子の側壁によって反射する光によって発生するフレアを抑制するために、回折格子の側壁の角度を制御する技術が記載されている。
Also, in
しかし、特許文献2に記載されている電子的な補正によるものでは、撮影環境によっては十分に機能しない。また、特許文献3に記載されている方法では、格子の側壁の角度を変えることになる。側壁の角度を変えると設計次数の回折効率が低下してしまい、光学特性に悪影響を与えてしまうおそれがあった。また、これらの方法だけでは、回折レンズによるフレア対策としては不十分であるという問題もあった。
However, the electronic correction described in
課題は、いかに可視光領域の全波長にわたって回折効率を十分に高く設定するかということである。 The problem is how to set the diffraction efficiency sufficiently high over all wavelengths in the visible light region.
しかし、特許文献1に限らず、コストや加工性、耐久性、材料のヘイズ等の問題から、現実に、可視光領域の全波長にわたって回折効率を十分に高く設定するのは非常に困難であった。例えば、条件が適合する材料が特殊な材料であるために高価であったり、またその材料を用いて回折構造を作成することが非常に困難であったり、材料の耐久性、温度等の環境変動に対する光学特性の変化に対する耐性、材料の表面や内部で発生する散乱等の抑制等を同時に成り立たせることが困難であった。
However, not only in
そこで、本発明は、実用化に耐えうる材料で作製でき、かつ撮像光学系において回折光学素子によるフレアをより効果的に抑制できる回折光学素子の提供を目的とする。具体的には、コストや加工性、耐久性、材料のヘイズといった回折光学素子を撮像光学系に用いる際に考慮すべき諸問題を考慮しつつ、可視光領域の全波長にわたって回折効率を十分に高く設定できる回折光学素子および撮像光学系の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a diffractive optical element that can be made of a material that can be put into practical use and that can more effectively suppress flare caused by the diffractive optical element in an imaging optical system. Specifically, sufficient diffraction efficiency is achieved over all wavelengths in the visible light range, taking into account various issues to be considered when using diffractive optical elements in imaging optical systems, such as cost, workability, durability, and material haze. An object of the present invention is to provide a diffractive optical element and an imaging optical system that can be set high.
本発明による回折光学素子は、光の回折現象を利用して入射してくる光の進行方向を変える回折光学素子であって、少なくとも1つの透明基板と、前記透明基板上に設けられる第1の回折格子層と、前記第1の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第2の回折格子層とを備え、前記第1の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第2の回折格子層の前記第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、前記透明基板と前記第1の回折格子層と前記第2の回折格子層とが、少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられていることを特徴とする。 A diffractive optical element according to the present invention is a diffractive optical element that changes a traveling direction of incident light by utilizing a light diffraction phenomenon, and includes at least one transparent substrate and a first substrate provided on the transparent substrate. A diffraction grating layer; and a second diffraction grating layer formed on the first diffraction grating layer and made of a material having optical characteristics different from the material of the first diffraction grating layer. A part of the interface of the diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located and a part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the first diffraction grating layer is located include: A concavo-convex structure that functions as one diffraction grating is formed by combining with each other, and the transparent substrate, the first diffraction grating layer, and the second diffraction grating layer are spaced at least in the effective region. At least one diffraction layer Zirconia composite material, organic-inorganic hybrid material containing phenyl group or biphenyl group, or monomer material containing fluoro group and phenyl group in a single molecule is used for the material of the sublayer And
なお、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造とは、向かい合わせて接合させると互いの凹凸構造の各面が密着する形状であって、互いに向かい合わせて接合されているまたは互いの距離が1μm以内で空隙を挟まずに配されている1組の凹凸構造をいう。また、上記では少なくとも1つの回折格子層の材料として、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料を用いることとしているが、これら材料には、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料とその他材料を混合した材料やフルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料とその他材料を混合させて硬化させた材料も含む。
また、有効領域とは、回折光学素子の有効径内の領域をいう。Note that the concavo-convex structure that functions as one diffraction grating in combination with each other is a shape in which each surface of the concavo-convex structure is in close contact with each other and bonded to each other. Is a set of concavo-convex structures arranged within a distance of 1 μm and without any gaps. In the above, as a material of at least one diffraction grating layer, a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, or a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule These materials include, but are not limited to, organic and inorganic hybrid materials containing a phenyl group or biphenyl group and other materials mixed with each other, and monomer materials containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule. It includes other materials that are mixed and cured.
The effective area refers to an area within the effective diameter of the diffractive optical element.
また、本発明による回折光学素子は、光の回折現象を利用して入射してくる光の進行方向を変える回折光学素子であって、少なくとも1つの透明基板と、前記透明基板上に設けられる第1の回折格子層と、前記第1の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第2の回折格子層と、前記第2の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層および前記第2の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第3の回折格子層とを備え、前記第1の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第2の回折格子層の前記第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、前記第2の回折格子層の前記第3の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第3の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、前記透明基板と前記第1の回折格子層と前記第2の回折格子層と前記第3の回折格子層とが、少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられていてもよい。 The diffractive optical element according to the present invention is a diffractive optical element that changes a traveling direction of incident light by utilizing a light diffraction phenomenon, and includes at least one transparent substrate and a first transparent substrate provided on the transparent substrate. A first diffraction grating layer, a second diffraction grating layer formed on the first diffraction grating layer and made of a material having optical characteristics different from the material of the first diffraction grating layer, and the second diffraction grating layer A third diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from the materials of the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer provided on the diffraction grating layer; A part of the interface of the grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located and a part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the first diffraction grating layer is located are mutually connected. Are combined to form a concavo-convex structure that acts as one diffraction grating. A part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the third diffraction grating layer is located, and the interface of the third diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located. A part is formed with a concavo-convex structure that is combined with each other to act as one diffraction grating, and the transparent substrate, the first diffraction grating layer, the second diffraction grating layer, and the third diffraction grating are formed. The diffraction grating layer is laminated at least in the effective region without interposing a gap therebetween, and at least one diffraction grating layer material includes a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, Alternatively, a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule may be used.
また、本発明による回折光学素子は、光の回折現象を利用して入射してくる光の進行方向を変える回折光学素子であって、少なくとも1つの透明基板と、前記透明基板上に設けられる第1の回折格子層と、前記第1の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第2の回折格子層と、前記第2の回折格子層上に設けられる、少なくとも前記第2の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第3の回折格子層と、前記第3の回折格子層上に設けられる、少なくとも前記第3の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第4の回折格子層とを備え、前記第1の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第2の回折格子層の前記第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、前記第2の回折格子層の前記第3の回折格子層が位置する側の界面と、前記第3の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面とには、凹凸構造がなく、前記第3の回折格子層の前記第4の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第3の回折格子層の前記第3の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、前記透明基板と前記第1の回折格子層と前記第2の回折格子層と前記第3の回折格子層と前記第4の回折格子層とが、少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられていてもよい。 The diffractive optical element according to the present invention is a diffractive optical element that changes a traveling direction of incident light by utilizing a light diffraction phenomenon, and includes at least one transparent substrate and a first transparent substrate provided on the transparent substrate. A first diffraction grating layer, a second diffraction grating layer formed on the first diffraction grating layer and made of a material having optical characteristics different from the material of the first diffraction grating layer, and the second diffraction grating layer A third diffraction grating layer made of a material having optical properties different from at least the material of the second diffraction grating layer provided on the diffraction grating layer; and at least the above-mentioned provided on the third diffraction grating layer A fourth diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from the material of the third diffraction grating layer, and the interface of the first diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located A portion of the second diffraction grating layer; A part of the interface on the side where the one diffraction grating layer is located is formed with a concavo-convex structure that is combined with each other to act as one diffraction grating, and the third diffraction grating layer has the third structure. The interface on the side where the diffraction grating layer is located and the interface on the side where the second diffraction grating layer of the third diffraction grating layer is located do not have a concavo-convex structure, and the third diffraction grating layer A part of the interface on the side where the fourth diffraction grating layer is located and a part of the interface on the side where the third diffraction grating layer of the third diffraction grating layer is located are combined with each other. An uneven structure that functions as one diffraction grating is formed, and the transparent substrate, the first diffraction grating layer, the second diffraction grating layer, the third diffraction grating layer, and the fourth diffraction grating layer are formed. Are stacked at least in the effective region without any gaps between them, Even if the material of one diffraction grating layer is a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, or a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule Good.
また、第1の回折格子層の材料と第2の回折格子層の材料の組み合わせが、これら2つの材料につき、g線の屈折率をng、C線の屈折率をnC、一方の材料のng−nCの値と他方の材料のng−nCの値の差をΔ(ng−nC)とし、同じく一方の材料のngの値と他方の材料のngの差をΔngとしたときに、以下の条件式(A)を満たすよう構成されていてもよい。
条件式(A):
−0.13 ≦ Δ(ng−nC)+0.506(Δng) ≦ 0.16Further, the combination of the material of the first diffraction grating layer and the material of the second diffraction grating layer is such that, for these two materials, the refractive index of g-line is ng, the refractive index of C-line is nC, and the ng of one material is ng. When the difference between the value of −nC and the value of ng−nC of the other material is Δ (ng−nC), and the difference between the value of ng of one material and ng of the other material is Δng, You may be comprised so that conditional expression (A) may be satisfy | filled.
Conditional expression (A):
−0.13 ≦ Δ (ng−nC) +0.506 (Δng) ≦ 0.16
また、第1の回折格子層の材料と第2の回折格子層の材料の組み合わせが、これら2つの材料につき、g線の屈折率をng、C線の屈折率をnCとし、e線の屈折率をneとし、一方の材料のng−nCの値と他方の材料のng−nCの値の差をΔ(ng−nC)とし、同じく一方の材料のneの値と他方の材料のneの差をΔneとしたときに、以下の条件式(B)を満たすように構成されていてもよい。
条件式(B):
−1.1 < Δ(ng−nC)/(Δne)1/2 < 0.27Further, the combination of the material of the first diffraction grating layer and the material of the second diffraction grating layer is such that, for these two materials, the refractive index of the g-line is ng, the refractive index of the C-line is nC, and the refraction of the e-line. The rate is ne, and the difference between the value of ng−nC of one material and the value of ng−nC of the other material is Δ (ng−nC). Similarly, the value of ne of one material and the value of ne of the other material When the difference is Δne, the following conditional expression (B) may be satisfied.
Conditional expression (B):
−1.1 <Δ (ng−nC) / (Δne) 1/2 <0.27
また、d線の屈折率が1.59より大きければ高屈折率材料とし、1.51〜1.59の範囲内であれば中屈折率材料とし、1.51未満であれば低屈折率材料とし、低屈折率材料の場合に、アッベ数が50以下であれば低屈折率高分散材料とし、アッベ数が60以上であれば低屈折率低分散材料とし、中屈折率材料の場合に、アッベ数が40以下であれば中屈折率高分散材料とし、アッベ数が50以上であれば中屈折率低分散材料とし、高屈折率材料の場合に、アッベ数が30以下であれば高屈折率高分散材料とし、アッベ数が40以上であれば高屈折率低分散材料としたときに、第1の回折格子層の材料と第2の回折格子層と第3の回折格子層の材料の組み合わせが、透明基板からの積層順において、以下の6つのパターンのうちのいずれかに該当していてもよい。
パターン1:1層目が低屈折率低分散材料、2層目が高屈折率低分散材料、3層目が高屈折率高分散材料である。
パターン2:1層目が中屈折率高分散材料、2層目が高屈折率高分散材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン3:1層目が低屈折率高分散材料、2層目が高屈折率高分散材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン4:1層目が中屈折率高分散材料、2層目が低屈折率材料もしくは中屈折率材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン5:1層目が高屈折率高分散材料、2層目が低屈折率材料もしくは中屈折率材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン6:1層目が中屈折率材料、2層目が中屈折率高分散材料、3層目が高屈折率低分散材料である。Moreover, if the refractive index of d-line is larger than 1.59, it will be a high refractive index material, if it is in the range of 1.51-1.59, it will be a medium refractive index material, and if it is less than 1.51, it will be a low refractive index material. In the case of a low refractive index material, if the Abbe number is 50 or less, it is a low refractive index high dispersion material, if the Abbe number is 60 or more, it is a low refractive index low dispersion material, and in the case of a medium refractive index material, If the Abbe number is 40 or less, the material is a medium refractive index high dispersion material. If the Abbe number is 50 or more, the material is a medium refractive index low dispersion material. In the case of a high refractive index material, if the Abbe number is 30 or less, the material is highly refractive. If the Abbe number is 40 or more, the first refractive grating layer material, the second diffraction grating layer, and the third diffraction grating layer material are used. The combination is one of the following six patterns in the order of lamination from the transparent substrate: It may be in crab applicable.
Pattern 1: The first layer is a low refractive index low dispersion material, the second layer is a high refractive index low dispersion material, and the third layer is a high refractive index high dispersion material.
Pattern 2: The first layer is a medium refractive index high dispersion material, the second layer is a high refractive index high dispersion material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
Pattern 3: The first layer is a low refractive index high dispersion material, the second layer is a high refractive index high dispersion material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
Pattern 4: The first layer is a medium refractive index high dispersion material, the second layer is a low refractive index material or medium refractive index material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
Pattern 5: The first layer is a high refractive index and high dispersion material, the second layer is a low refractive index material or medium refractive index material, and the third layer is a high refractive index and low dispersion material.
Pattern 6: The first layer is a medium refractive index material, the second layer is a medium refractive index high dispersion material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
また、各回折格子層の透明基板からの積層順において、1層目の材料のg線の屈折率をng1とし、2層目の材料のg線の屈折率をng2とし、3層目の材料のg線の屈折率をng3とし、1層目の材料のe線の屈折率をne1とし、2層目の材料のe線の屈折率をne2とし、3層目の材料のe線の屈折率をne3とし、1層目の材料のC線の屈折率をnC1とし、2層目の材料のC線の屈折率をnC2とし、3層目の材料のC線の屈折率をnC3とし、1層目と2層目のe線の屈折率の差(ne1−ne2)をΔne12とし、2層目と3層目のe線の屈折率の差(ne2−ne3)をΔne23とし、1層目の材料のg線とC線の屈折率の差と2層目の材料のg線とC線の屈折率の差の差{(ng1−nC1)−(ng2−nC2)}をΔ(ng−nC)12とし、2層目の材料のg線とC線の屈折率の差と3層目の材料のg線とC線の屈折率の差の差{(ng2−nC2)−(ng3−nC3)}をΔ(ng−nC)23としたとき、第1の回折格子層の材料と第2の回折格子層と第3の回折格子層の材料の組み合わせが、前記パターン1に該当する場合には、後述する式(5)においてA=5.5としたときの値が0.65以下であり、かつ後述する式(9)においてE=0.5としたときの値が0.94以下であり、かつ後述する式(7)においてC=−1.5としたときの値が0以下もしくは1.5以上であり、かつ後述する式(8)においてD=0.7としたときの値が1.55未満であり、前記パターン2に該当する場合には、後述する式(5)においてA=5.5としたときの値が0.85未満であり、かつ後述する式(6)においてB=1.2としたときの値が0.99未満であり、かつ後述する式(7)においてC=−1.3としたときの値が0以下もしくは1.575以上であり、かつ後述する式(6)においてB=0.29としたときの値が0.97未満であり、前記パターン3に該当する場合には、後述する式(5)においてA=5.5としたときの値が0.85未満であり、かつ後述する式(7)においてC=−1.3としたときの値が0以下もしくは1.575以上であり、かつ後述する式(6)においてB=1.2としたときの値が1.01以下であり、かつ後述する式(6)においてB=0.29としたときの値が0.97未満であり、前記パターン4に該当する場合には、後述する式(5)においてA=0.2としたときの値が0.97未満であり、かつ後述する式(6)においてB=0.1としたときの値が1.017未満であり、かつ後述する式(5)においてA=0.8としたときの値が1.045未満であり、かつ後述する式(6)においてB=0.47としたときの値が0.98未満であり、前記パターン5に該当する場合には、後述する式(5)においてA=0.05としたときの値が0.975未満であり、かつ後述する式(6)においてB=0.2としたときの値が1.005未満であり、かつ後述する式(5)においてA=0.3としたときの値が0.99未満であり、かつ後述する式(6)においてB=0.6としたときの値が0.965未満であり、前記パターン6に該当する場合には、後述する式(5)においてA=0.6としたときの値が1.00より大きくかつ1.01より小さく、かつ後述する式(7)においてC=−5.0としたときの値が2.15より小さく、かつ後述する式(8)においてD=−2.0としたときの値が1.49より大きくかつ1.77より小さく、かつ後述する式(9)においてE=4.0としたときの値が1.125より大きくなるように構成されていてもよい。Further, in the stacking order of each diffraction grating layer from the transparent substrate, the refractive index of g-line of the first layer material is ng 1 , the refractive index of g-line of the second layer material is ng 2 , and the third layer The refractive index of the g-line of the material is ng 3 , the refractive index of the e-line of the first layer material is ne 1, and the refractive index of the e-line of the second layer material is ne 2. The e-line refractive index is ne 3 , the C-line refractive index of the first layer material is nC 1 , the C-line refractive index of the second layer material is nC 2, and the C-layer of the third layer material is C The refractive index of the line is nC 3 and the difference in refractive index between the first and second e-lines (ne 1 -ne 2 ) is Δne 12, and the refractive index of the e-line in the second and third layers is The difference (ne 2 −ne 3 ) is Δne 23, and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the first layer material and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the second layer material {( ng 1 -nC 1 )-(ng 2 −nC 2 )} is Δ (ng−nC) 12 and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the second layer material and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the third layer material When the difference {(ng 2 −nC 2 ) − (ng 3 −nC 3 )} is Δ (ng−nC) 23 , the material of the first diffraction grating layer, the second diffraction grating layer, and the third diffraction When the combination of the materials of the lattice layer corresponds to the pattern 1, the value when A = 5.5 in the formula (5) described later is 0.65 or less, and the formula (9) described later. The value when E = 0.5 is 0.94 or less, and the value when C = −1.5 in formula (7) described later is 0 or less, or 1.5 or more, and The value when D = 0.7 in formula (8) described later is less than 1.55 and corresponds to the
また、回折光学素子は、最上層の回折格子層の表面形状が非球面であってもよい。 In the diffractive optical element, the surface shape of the uppermost diffraction grating layer may be an aspherical surface.
また、回折光学素子は、第1の回折格子層に形成される凹凸構造がなす回折格子の透明基板側の頂点を結んだ曲面が非球面であってもよい。 In the diffractive optical element, the curved surface connecting the vertices on the transparent substrate side of the diffraction grating formed by the concavo-convex structure formed in the first diffraction grating layer may be an aspherical surface.
また、回折格子を構成している前記凹凸構造がいずれも同心円形状であり、前記同心円形状の輪帯のうち最も幅の広い輪帯の幅と2番目に幅の広い輪帯の幅の比が1〜0.7であってもよい。 In addition, the concave and convex structures constituting the diffraction grating are all concentric, and the ratio of the width of the widest ring zone to the width of the second widest ring zone is the concentric ring zone. It may be 1 to 0.7.
また、回折格子を構成している前記凹凸構造が形成されている回折格子層の前記凹凸構造が形成されている面の有効領域外の一部に、前記凹凸構造と同程度の高さの凹凸構造が形成されていてもよい。 Further, the unevenness having the same height as that of the concavo-convex structure is formed on a part outside the effective region of the surface on which the concavo-convex structure is formed of the diffraction grating layer in which the concavo-convex structure constituting the diffraction grating is formed. A structure may be formed.
また、回折光学素子は、レンズとして機能する回折光学素子であって、素子内に1つの回折格子が構成されており、レンズ表面の曲率方向と前記回折格子の鋸の斜面の方向とが、同一方向の傾きをもつように各回折格子層の材料の配置順序が構成されていてもよい。 The diffractive optical element is a diffractive optical element that functions as a lens, and a single diffraction grating is formed in the element. The direction of curvature of the lens surface and the direction of the slope of the saw of the diffraction grating are the same. The arrangement order of the materials of the respective diffraction grating layers may be configured so as to have an inclination in the direction.
また、回折光学素子は、レンズとして機能する回折光学素子であって、素子内に2つの回折格子が構成されており、前記2つの回折格子のうちd線の光路差が大きい方の回折格子の光路差が2λ以下であり、前記2つの回折格子は、d線の屈折率が1.59より大きければ高屈折率材料とし、1.51〜1.59の範囲内であれば中屈折率材料とし、1.51未満であれば低屈折率材料とし、低屈折率材料の場合に、アッベ数が50以下であれば低屈折率高分散材料とし、アッベ数が60以上であれば低屈折率低分散材料とし、中屈折率材料の場合に、アッベ数が40以下であれば中屈折率高分散材料とし、アッベ数が50以上であれば中屈折率低分散材料とし、高屈折率材料の場合に、アッベ数が30以下であれば高屈折率高分散材料とし、アッベ数が40以上であれば高屈折率低分散材料としたときに、それぞれの回折格子を形成する材料の組み合わせが、低屈折率低分散材料と高屈折率低分散材料の組み合わせ、高屈折率低分散材料と高屈折率高分散材料の組み合わせ、中屈折率高分散材料と高屈折率高分散材料の組み合わせ、低屈折率高分散材料と高屈折率高分散材料の組み合わせのいずれかに該当し、前記2つの回折格子を構成する合計4つの凹凸構造の各々の底部をつないだ線のうち入射する光線に最も近い側の線の法線と入射光線とがなす角度を入射角度とし、入射光線が法線より光軸側から入射する光線を正の回転方向とするとき、入射角度が正の回転方向となる場合には、前記2つの回折格子のうち光路差が大きい凹凸構造の組み合わせにおいて、屈折率が低い材料からなる回折格子層がより入射側に位置するように、各回折格子層の材料の配置順序が構成されており、入射角度が負の回転方向となる場合には、前記2つの回折格子のうち光路差が大きい凹凸構造の組み合わせにおいて、屈折率が高い材料からなる回折格子層がより入射側に位置するように、各回折格子層の材料の配置順序が構成されていてもよい。 The diffractive optical element is a diffractive optical element that functions as a lens, and two diffractive gratings are formed in the element. Of the two diffractive gratings, the diffractive optical element having the larger optical path difference of the d-line is used. The optical path difference is 2λ or less, and the two diffraction gratings are made of a high refractive index material if the refractive index of d-line is larger than 1.59, and medium refractive index material if it is in the range of 1.51 to 1.59. If it is less than 1.51, a low refractive index material is used. In the case of a low refractive index material, if the Abbe number is 50 or less, a low refractive index high dispersion material is obtained. If the Abbe number is 60 or more, a low refractive index material is obtained. In the case of a low-dispersion material and a medium-refractive index material, if the Abbe number is 40 or less, a medium-refractive-index high-dispersion material is used. If the Abbe number is 50 or more, a medium-refractive-index low-dispersion material is used. In this case, if the Abbe number is 30 or less, a high refractive index and high dispersion material is used. When the Abbe number is 40 or more, when a high refractive index and low dispersion material is used, the combination of materials forming each diffraction grating is a combination of a low refractive index low dispersion material and a high refractive index and low dispersion material, and a high refractive index. It corresponds to one of the combination of low dispersion material and high refractive index and high dispersion material, one combination of medium refractive index high dispersion material and high refractive index and high dispersion material, and one combination of low refractive index high dispersion material and high refractive index and high dispersion material. The angle formed by the normal of the line closest to the incident light and the incident light among the lines connecting the bottoms of each of the four concavo-convex structures constituting the two diffraction gratings is defined as the incident light. When the incident angle is a positive rotation direction when the light beam incident from the optical axis side with respect to the normal line is a positive rotation direction, in the combination of the concavo-convex structure having a large optical path difference between the two diffraction gratings, Low refractive index material The arrangement order of the materials of each diffraction grating layer is configured so that the diffraction grating layer made of a material is located on the incident side, and when the incident angle is a negative rotation direction, the two diffraction grating layers Among them, in the combination of the concavo-convex structure having a large optical path difference, the arrangement order of the materials of the respective diffraction grating layers may be configured so that the diffraction grating layer made of a material having a high refractive index is located on the incident side.
また、透明基板と第1の回折格子層の間、または、回折格子を構成する凹凸構造が形成されている回折格子層の間に、金属酸化物による薄膜が設けられていてもよい。 In addition, a thin film made of a metal oxide may be provided between the transparent substrate and the first diffraction grating layer or between the diffraction grating layers on which the concavo-convex structure forming the diffraction grating is formed.
また、回折格子を構成している凹凸構造が形成されている回折格子層の屈折率差または前記回折格子層と前記回折格子層の間に設けられる薄膜との屈折率差が、0.15以下であってもよい。 Further, the difference in refractive index of the diffraction grating layer in which the concavo-convex structure constituting the diffraction grating is formed or the difference in refractive index between the diffraction grating layer and the thin film provided between the diffraction grating layers is 0.15 or less. It may be.
また、本発明による撮像光学系は、少なくとも1つのレンズを備えた撮像光学系であって、上述したいずれかの回折光学素子を備え、前記回折光学素子が、当該撮像光学系が備えるレンズ系で発現する色収差をうち消す色収差を発現させることを特徴とする。 An imaging optical system according to the present invention is an imaging optical system including at least one lens, including any of the diffractive optical elements described above, and the diffractive optical element is a lens system included in the imaging optical system. It is characterized in that chromatic aberration that eliminates chromatic aberration that appears is developed.
また、撮像光学系は、回折光学素子が、レンズ機能を有する透明基板上に形成されており、レンズの屈折方向が正のパワーであれば回折方向が正のパワーとなるよう構成されており、レンズの屈折方向が負のパワーであれば回折方向が負のパワーとなるよう構成されていてもよい。 Further, the imaging optical system is configured such that the diffractive optical element is formed on a transparent substrate having a lens function, and the diffraction direction is a positive power if the refractive direction of the lens is a positive power, If the refractive direction of the lens is negative power, the diffraction direction may be negative power.
本発明によれば、実用化に耐えうる材料で作製でき、かつ撮像光学系において回折光学素子によるフレアをより効果的に抑制できる回折光学素子を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide a diffractive optical element that can be made of a material that can withstand practical use and that can more effectively suppress flare caused by the diffractive optical element in the imaging optical system.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
実施形態1.
図1は、本発明の第1の実施形態の回折光学素子の例を示す構成図である。なお、図1(a)は、本発明の第1の実施形態の回折光学素子10の断面を模式的に示す模式断面図である。また、図1(b)は、図1(a)に示した回折光学素子10の分解断面図である。
FIG. 1 is a configuration diagram showing an example of the diffractive optical element according to the first embodiment of the present invention. FIG. 1A is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the diffractive
図1に示すように、本実施形態の回折光学素子10は、少なくとも1つの透明基板11を有する。そして、透明基板11上には、第1の回折格子層12(以下、単に「回折格子層12」ともいう)と第2の回折格子層13(以下、単に「回折格子層13」ともいう)とが積層されて、これら第1の回折格子層12と第2の回折格子層13の界面の少なくとも一部において回折格子100が形成されている。すなわち、第1の回折格子層12の第2の回折格子層13側の界面の一部と、第2の回折格子層13の第1の回折格子層12側の界面の一部とには、組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、これら2つの層の凹凸構造121,131が向かい合わせで密着するように積層されることによって、透明基板11上に異なる2つの材料によって構成される回折格子100が形成されている。
As shown in FIG. 1, the diffractive
このような回折格子層が積層される透明基板11の面は、平面であっても曲面であってもよい。すなわち、単レンズ形状である透明基板11の表面に回折格子層12,13を接合積層させてもよい。第1の回折格子層12は、例えば、インプリント法等によって所望の凹凸構造121を有して形成してもよい。また、第2の回折格子層13は、第1の回折格子層12を形成した後でその凹凸構造121の凹部を埋めるように、モノマー材料を充填し、硬化させたり、熱可塑樹脂を充填し、成型する等により形成して、接合積層してもよい。その際、第1の回折格子層12に対し、プラズマ処理を実施したり、シラン等を用いたカップリング処理を実施したりして、第1の回折格子層12と第2の回折格子層13の密着性を向上させると好ましい。なお、透明基板11と第1の回折格子層12とを同じ材料としてもよい。すなわち、透明基板11の表面を加工して基板上に直接、凹凸構造121を形成して、透明基板11が第1の回折格子層12を兼用することも可能である。加工する手段としては、透明基板11がガラスであれば、ガラスモールド法、切削、ドライエッチング法等があり、透明基板11が樹脂であれば、射出成型等によって加工する。
The surface of the
また、透明基板11の対向側に、さらに1つの透明基板を有していてもよい。すなわち、2枚の透明基板の間に回折格子層12,13が挟持された構成であってもよい。
Further, one transparent substrate may be provided on the opposite side of the
回折格子100を構成する凹凸構造121,131は、例えば断面形状が鋸歯状の凹凸が周期的に並んだ構造であってもよい。また、素子面全体においては、いずれか一方の凹凸構造がフレネルレンズを模した形状、例えば鋸歯状の断面形状を有する輪帯が光軸に対して回転対称な同心円状に配置された構造であってもよい。図2は、本実施形態の回折光学素子10に形成される回折格子100の形状を模式的に示す模式上面図である。なお、格子ピッチや格子高さは、回折光学素子10の機能および選択した材料に応じて、適宜選択される。
The concavo-
なお、本実施形態の回折光学素子10は、2つの光学部材を組み合わせて1つの回折格子を形成した、いわゆる密着積層型の回折光学素子であって、図3に示すように、本実施形態の回折光学素子10は、格子1周期についてみると、異なる2つの材料を使って1つの回折面が形成されているとみなすことができる(図3の破線参照。)。
Note that the diffractive
本実施形態では、このような回折面を形成する2つの材料、すなわち回折格子層12,13の材料として、低屈折率で、かつ屈折率の波長分散が大きい材料と、高屈折率で、かつ屈折率の波長分散が小さい材料とを組み合わせて用いる。波長分散の大きい/小さいは、具体的には、アッベ数の小さい/大きいでみてもよい。すなわち、高分散材料は、アッベ数の小さい材料であってもよい。また、低分散材料は、アッベ数の大きい材料であってもよい。なお、ここで屈折率が高い/低い、または、分散もしくはアッベ数が大きい/小さいとは、両材料間の相対的な関係を表したものである。以下、本実施形態の回折面を形成する2つの材料を表す表現として、低屈折率でかつ屈折率の波長分散が大きい方の材料を「相対的低屈折率高分散材料」という場合がある。また、高屈折率でかつ屈折率の波長分散が大きい方の材料を「相対的高屈折率低分散材料」という場合がある。 In the present embodiment, two materials for forming such a diffractive surface, that is, materials for the diffraction grating layers 12 and 13, a material having a low refractive index and a large refractive index wavelength dispersion, a high refractive index, and A material having a small refractive index wavelength dispersion is used in combination. Specifically, the large / small chromatic dispersion may be considered as small / large Abbe number. That is, the highly dispersed material may be a material having a small Abbe number. The low dispersion material may be a material having a large Abbe number. Here, the high / low refractive index, or the large / small dispersion or Abbe number represents a relative relationship between the two materials. Hereinafter, as an expression representing the two materials forming the diffractive surface of the present embodiment, a material having a lower refractive index and a larger wavelength dispersion of the refractive index may be referred to as a “relatively low refractive index high dispersion material”. Further, a material having a higher refractive index and a larger wavelength dispersion of the refractive index may be referred to as a “relatively high refractive index low dispersion material”.
図4は、回折格子層12,13に用いられる2つの材料1,2の波長ごとの屈折率の一例を示すグラフである。なお、材料1,2をいずれの回折格子層に用いるかは任意である。すなわち、材料1を回折格子層12の材料に用い、材料2を回折格子層13の材料に用いてもよいし、材料2を回折格子層12の材料に用い、材料1を回折格子層13の材料に用いてもよい。
FIG. 4 is a graph showing an example of the refractive index for each wavelength of the two
図4に示す例では、材料1は、材料2に比べて屈折率が低くかつ高分散の材料であることがわかる。一方、材料2は、材料1に比べて屈折率が高くかつ低分散の材料であることがわかる。このような特性を有する材料の例としては、例えば、相対的高屈折率低分散材料として、シクロ環、アダマンタン、シクロペンタニル基を含む樹脂をマトリクスとしたジルコニアコンポジット材料や硫黄を含む樹脂、光学ガラス材料が挙げられる。また、例えば、相対的低屈折率高分散材料として、2重結合を多く含む有機材料やフェニル基、ビフェニル基、ターフェニル基、フルオレン骨格を含む材料や、フルオロ基とフェニル基とを含有する材料、チタニア微粒子やチタン酸バリウム微粒子を用いたコンポジット材料が挙げられる。このような特殊な光学材料には、耐久性も考慮したうえで、高屈折率で高アッベ数のものや、低屈折率で低アッベ数のものがあるため、素子の光学特性を自由に制御できる。
In the example shown in FIG. 4, it can be seen that the
ここで、本実施形態の回折光学素子10の回折効率について説明する。本実施形態のような、いわゆる2層密着積層型の光学回折素子の回折効率は、回折格子に用いる2つの材料の屈折率の差Δnと、回折格子の高さdを掛けたものに、入射する光の波長λを割ったものが整数となる条件、すなわちΔnd/λ=m(mは0以外の整数)となる条件が最も高い状態となる。可視光帯域の全領域(例えば、青430nm〜赤660nm)にわたって高い回折効率を得るためには、それらの領域内においてΔnd/λが略m(例えば、m±0.1以内)となればよい。しかし、Δnが波長に対して変化しないと、ある波長で上記条件を満たすことはできても、それ以外の波長ではΔnd/λがm以外の値になってしまう。すると、それらの波長帯では回折効率が低下することになる。
Here, the diffraction efficiency of the diffractive
そこで、Δnを波長に対して変化させるために、本実施形態では、屈折率が高くかつ低分散の材料と、屈折率が低くかつ高分散の材料とを組み合わせて回折格子100を形成する。こうすることによって、波長が長くなるのに対してΔnを大きくできるので、両材料の波長に対する屈折率の変化を打ち消しあって可視光領域全体にわたってΔnd/λをm付近にすることができる。その結果、可視光帯域全体にわたって回折効率を高くできる。
Therefore, in order to change Δn with respect to the wavelength, in the present embodiment, the
なお、mの値は、±1であると回折格子の高さを下げることができ、製造が容易になり、かつ入射角度依存性が小さくなりやすいため好ましく、良好な特性を得られやすい。しかし、mの値が±1以外の場合においても、回折格子を集光レンズもしくは発散レンズとして機能させ、光学系のレンズ枚数の削減や光学系の全長を小さくする場合において、m≒±1の場合に対し、フレアの発生の状況が変わるため、光学系によってはより最適な状況が得られる場合がある。従って、最もよいmの値を選択することが好ましい。なお、|m|が大きくなりすぎると格子高さが大きくなりすぎるため、作成が困難なことや、フレアが発生しやすいため、|m|≦5であるとよい。 The value of m is preferably ± 1, because the height of the diffraction grating can be lowered, manufacturing becomes easy, and the incident angle dependency tends to be small, and good characteristics are easily obtained. However, even when the value of m is other than ± 1, when the diffraction grating functions as a condensing lens or a diverging lens and the number of lenses of the optical system is reduced or the total length of the optical system is reduced, m≈ ± 1. On the other hand, since the state of occurrence of flare changes, a more optimal state may be obtained depending on the optical system. Therefore, it is preferable to select the best value of m. If | m | is too large, the lattice height will be too large, making it difficult to produce or flaring easily. Therefore, | m | ≦ 5 is preferable.
図5(a)は図4に示す材料1,2を組み合わせて作製される回折格子100の1次の回折効率の一例を示すグラフである。また、図5(b)は、石英ガラスのみを用いて作製した回折格子100と同様の形状の回折格子を形成した場合の同回折格子の回折効率を示すグラフである。ただし、これらの例における格子高さは、本実施形態の回折格子100では12.8μm、石英ガラスのみを用いた回折格子では1.1μmである。なお、本発明において格子高さすなわち回折格子の高さとは、e線の光が進行する方向分布の平均となる方向に対する高さをいう。図5(b)に示すように、石英ガラスのみを用いて作製した、すなわち石英ガラスと空気とによる回折面を有する回折格子の回折効率は、可視光帯域全体でみると、波長によって回折効率が大きく異なっているのがわかる。それに対して、図5(a)に示す本実施形態の回折格子100は、上述した回折格子層11,12の材料の選定条件を満足することによって、波長430nmと650nmとをピークに、可視光帯域全体において95%以上の回折効率を維持できていることがわかる。
FIG. 5A is a graph showing an example of the first-order diffraction efficiency of the
また、回折格子層11,12の材料を選定する際に、温度等の環境変化の変動や太陽光に対する耐久性が高いものや、ヘイズ値が小さいものを選ぶことで、撮像光学系においてフレアをより効果的に抑制でき、かつ実用化に耐えうる回折光学素子を作製できる。 Further, when selecting the material of the diffraction grating layers 11 and 12, flare can be produced in the imaging optical system by selecting a material having a high environmental durability such as temperature, high durability against sunlight, or a material having a low haze value. A diffractive optical element that can be more effectively suppressed and can withstand practical use can be manufactured.
例えば、相対的高屈折率低分散材料として、硫黄等のハロゲン系元素を含有する樹脂材料が挙げられるが、これらは着色されることが多い。このため、紫外線や熱に対する黄変性や温度変動に弱いといった課題があった。また、コンポジット材料はヘイズが大きいため、撮像光学系に向かないという課題があった。そこで、そのようなヘイズが大きい課題を考慮して、例えば、シランカップリング剤、カルボン酸基を有する有機酸でコーティングされた、平均粒径が3nm以上20nm以下のジルコニア微粒子のコンポジット材料を用いてもよい。例えば、マトリクス材料にシクロ環、特に、アダマンチル基、ジシクロペンタニル基、また、フェニル基を含む材料をマトリクスに80vol%以上用いた、上記ジルコニア微粒子を含有する材料であってもよい。 For example, as a relatively high refractive index and low dispersion material, a resin material containing a halogen-based element such as sulfur can be cited, and these are often colored. For this reason, the subject that it was weak to yellowing with respect to an ultraviolet-ray or a heat | fever, and a temperature fluctuation occurred. Moreover, since the composite material has a large haze, there is a problem that it is not suitable for an imaging optical system. Therefore, in consideration of such a large haze problem, for example, using a composite material of zirconia fine particles having an average particle size of 3 nm to 20 nm coated with a silane coupling agent and an organic acid having a carboxylic acid group. Also good. For example, a material containing the above zirconia fine particles using a material containing a cyclo ring, particularly an adamantyl group, a dicyclopentanyl group, or a phenyl group in the matrix material in an amount of 80 vol% or more may be used.
また、相対的低屈折率高分散材料として、例えば、フッ素樹脂にチタニア等の微粒子を利用することが提案されているが、撥水撥油性のフッ素樹脂にチタニア等の微粒子を安定的に混合させることはかなり難しい。また、同様に、フッ素樹脂に他のモノマー材料を混合しても、分離したり、ガラス転移点が低いフッ素樹脂の特性により、温度変化に対する屈折率の変動が大きいといった課題があった。また、2重結合を多く含む樹脂材料が提案されているが、紫外線や熱に対する黄変性に課題があった。そこで、そのような製造時の困難性や温度変化に対する屈折率変動や透明性に関する課題を考慮して、例えば、炭素鎖が2以上で6以下のフルオロ基とフェニル基を構造にもつモノマー、特に炭素数11〜21のモノマーを用いてもよい。そのようなモノマーであれば、低屈折率かつ低アッベ数であるので相対的低屈折率高分散材料となりやすく、また他の樹脂とも混合することが容易で、かつ屈折率温度変動が抑制され、透明性に優れた黄変性に強い樹脂を得ることができる。また、例えば、フェニル基やビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料を用いることで同様の課題が解決できる。フェニル基やビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料は、例えば、フェニル基またはビフェニル基がSi原子に併せて1つ以上結合している樹脂であればよい。 In addition, as a relatively low refractive index and high dispersion material, for example, it has been proposed to use fine particles such as titania in a fluororesin, but the fine particles such as titania are stably mixed in a water- and oil-repellent fluororesin. It's pretty difficult. Similarly, there is a problem that even when another monomer material is mixed with the fluororesin, the refractive index varies greatly with temperature change due to the separation or characteristics of the fluororesin having a low glass transition point. In addition, a resin material containing many double bonds has been proposed, but there was a problem in yellowing with respect to ultraviolet rays and heat. Therefore, in consideration of such difficulty in production and problems with refractive index fluctuation and transparency with respect to temperature change, for example, a monomer having a fluoro group and a phenyl group having a carbon chain of 2 or more and 6 or less, in particular, A monomer having 11 to 21 carbon atoms may be used. With such a monomer, since it has a low refractive index and a low Abbe number, it is likely to be a relatively low refractive index and high dispersion material, and it is easy to mix with other resins, and the refractive index temperature fluctuation is suppressed, A resin that is excellent in transparency and resistant to yellowing can be obtained. For example, the same problem can be solved by using an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group. The organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group may be, for example, a resin in which one or more phenyl groups or biphenyl groups are bonded together with Si atoms.
また、本実施形態の回折光学素子10の用途を撮像光学系に限定して考える場合には、屈折率差とアッベ数もしくは主分散の差による条件よりも、さらに適した以下の条件を用いて回折格子を形成する材料を選定するのが好ましい。
Further, when the application of the diffractive
回折効率の計算において、屈折率差と主分散の差のみしか考慮しない場合、緑から黄色の波長帯域において回折効率が低下したり、430nm以下の波長帯域において、回折効率が低下することがある。 In the calculation of the diffraction efficiency, when only the difference between the refractive index and the main dispersion is considered, the diffraction efficiency may decrease in the green to yellow wavelength band, or the diffraction efficiency may decrease in the wavelength band of 430 nm or less.
本発明の発明者は、主分散やアッベ数に代わって次の条件を基に材料を選定すると、撮像光学系により適した回折レンズとして、可視光帯域を含む広い範囲(400nm〜700nm)にわたって、高い回折効率(具体的には90%以上)を保持できることを発見した。 When the inventor of the present invention selects a material based on the following conditions instead of the main dispersion and the Abbe number, as a diffractive lens more suitable for the imaging optical system, over a wide range (400 nm to 700 nm) including the visible light band, It was discovered that high diffraction efficiency (specifically, 90% or more) can be maintained.
アッベ数の計算にも用いられる主分散は、フラウンホーファー線のF線とC線の屈折率を用いて求められるものだが、これらは人の目の感度を基準に考えられている。このため、撮像光学系にそのまま適用した場合に最適な結果が得られていないことがあった。例えば、CMOS等の画像センサの感度は、人の目よりも、青として認識する波長が短い波長まで及んでいる。この感度の違いを無視して屈折率差と主分散のみを考慮して材料選定を行うと、430nm以下の波長帯域において回折効率が低下しやすく、所望の回折次数とならなかった光が青色のフレアとして発生するため、画質に悪影響を及ぼす。また、緑から黄色の回折効率が低下するため、緑や赤のフレアとして認識され、やはり画質に悪影響を及ぼす。従って、撮像光学系に用いる場合には、組み合わせる2つの材料の光学特性として、次の条件を用いるのがより好ましい。 The main dispersion used to calculate the Abbe number is obtained using the refractive indexes of the F-line and C-line of the Fraunhofer line, which are considered based on the sensitivity of the human eye. For this reason, an optimum result may not be obtained when applied to an imaging optical system as it is. For example, the sensitivity of an image sensor such as a CMOS extends to a wavelength that is shorter than the human eye to recognize as blue. If material selection is performed by ignoring this difference in sensitivity and taking into consideration only the refractive index difference and the main dispersion, the diffraction efficiency tends to decrease in the wavelength band of 430 nm or less, and the light that has not reached the desired diffraction order is blue. Since it occurs as flare, the image quality is adversely affected. In addition, since the diffraction efficiency from green to yellow decreases, it is recognized as a flare of green or red, which also adversely affects the image quality. Therefore, when used in an imaging optical system, it is more preferable to use the following conditions as the optical characteristics of the two materials to be combined.
条件式(A):
−0.13 ≦ Δ(ng−nC)+0.506(Δng) ≦ 0.16Conditional expression (A):
−0.13 ≦ Δ (ng−nC) +0.506 (Δng) ≦ 0.16
条件式(B):
−1.1 < Δ(ng−nC)/(Δne)1/2 < 0.27Conditional expression (B):
−1.1 <Δ (ng−nC) / (Δne) 1/2 <0.27
ここで、ngはg線(波長435.84nm)の屈折率を表す。また、nCはC線(波長656.27nm)の屈折率を表す。また、neはe線(波長546.07nm)の屈折率を表す。また、Δは、続く記号で表される数値の材料1と材料2の差を表す。例えば、Δ(ng−nC)は、材料1のng−nCの値と、材料2のng−nCの値との差を表す。
Here, ng represents the refractive index of g-line (wavelength 435.84 nm). NC represents the refractive index of C-line (wavelength 656.27 nm). Ne represents the refractive index of e-line (wavelength 546.07 nm). Δ represents the difference between the
なお、条件式(A)は、430nm以下の波長帯域において回折効率が低下するのを抑止するための条件であり、条件(B)は、緑から黄色の波長帯域において回折効率が低下するのを抑止するための条件である。なお、条件式(A)、(B)は、その目的に応じてそれぞれ独立した条件として使用できる。すなわち、どちらか一方のみを満たしていてもよい。 Conditional expression (A) is a condition for suppressing a decrease in diffraction efficiency in a wavelength band of 430 nm or less, and condition (B) is a condition in which the diffraction efficiency is decreased in a green to yellow wavelength band. This is a condition for deterrence. Conditional expressions (A) and (B) can be used as independent conditions depending on the purpose. That is, only one of them may be satisfied.
図6は、条件式(A)、(B)を説明する説明図であって、組み合わせる2つの材料の光学特性の例を示したグラフである。図6において、一点鎖線は、g線付近での両部材間の屈折率の差を示し、二点鎖線は、C線付近での両部材間の屈折率の差を示している。また、点線は、各材料のg線とC線の屈折率の差の波長に対する傾きを示している。 FIG. 6 is an explanatory diagram for explaining conditional expressions (A) and (B), and is a graph showing an example of optical characteristics of two materials to be combined. In FIG. 6, the alternate long and short dash line indicates the difference in refractive index between the two members near the g line, and the alternate long and two short dashes line indicates the difference in refractive index between the two members near the C line. Moreover, the dotted line has shown the inclination with respect to the wavelength of the difference of the refractive index of each material's g line and C line.
通常カラーフィルタを用いているイメージセンサは、紫外線としてカットされる400nm程度から、ブルーフィルタによって遮断される700nm程度までの光を取り込む。このため、g線とC線付近(例えば、約436nmと656nm)の回折効率がともに高くなるように設定すると、青と赤の波長での回折効率だけでなく、緑から黄色の波長帯域において回折効率が低下するのを抑止できる。 An image sensor that normally uses a color filter captures light from about 400 nm that is cut as ultraviolet light to about 700 nm that is blocked by a blue filter. For this reason, if both the diffraction efficiencies in the vicinity of the g-line and C-line (for example, about 436 nm and 656 nm) are set to be high, diffraction is not only performed in the blue and red wavelengths but also in the green to yellow wavelength band. It is possible to prevent the efficiency from decreasing.
ここで、g線とC線付近の回折効率が高くなるような条件は、回折格子層12の屈折率をn12、回折格子層13の屈折率をn13、また、回折格子層12のg線の屈折率をn12gと表現し、C線の屈折率をn12Cと表現し、回折格子層13についても同様に表現するとすれば、以下の式(1)で表すことができる。Here, the condition that the diffraction efficiency near the g-line and the C-line is high is that the refractive index of the
(n12g−n13g)/435.84=(n12C−n13C)/656.27 ・・・式(1) (N 12 g-n 13 g ) /435.84= (
式(1)より、左辺を屈折率差の比の項としてまとめ、右辺を波長の比の項としてまとめ、さらに両辺に−1をかけ、1を加えると、
1−(n12C−n13C)/(n12g−n13g)=1−656.27/435.84
となり、さらに整理すると、
((n12g−n12C)−(n13g−n13C))/(n12g−n13g)≒−0.506
となる。From equation (1), the left side is summarized as the refractive index difference ratio term, the right side is summarized as the wavelength ratio term, both sides are multiplied by -1, and 1 is added.
1- (n 12 C-n 13 C) / (
And further organizing
((N 12 g-n 12 C) - (
It becomes.
ここで、以下の式(2)を定義する。
R = ((n12g−n12C)−(n13g−n13C))+0.506×(n12g−n13g) ・・・式(2)Here, the following equation (2) is defined.
R = ((n 12 g- n 12 C) - (
図7は、値Rとg線とC線の最小側の効率値との相関を示すグラフである。図7に示す結果から、条件式(A)が導き出せる。すなわち、−0.13<R<0.16であれば、g線とC線の回折効率の最小値が95%以上となり好ましい。なお、−0.1<R<0.12であれば、g線とC線の回折効率の最小値が97%以上となりより好ましい。また、−0.07<R<0.08であれば、g線とC線の回折効率の最小値が99%以上となりさらに好ましい。このように、所望とするg線とC線の回折効率に応じて条件(B)の許容範囲を変更してもよい。 FIG. 7 is a graph showing a correlation between the value R, the efficiency value on the minimum side of the g line and the C line. Conditional expression (A) can be derived from the results shown in FIG. That is, if −0.13 <R <0.16, the minimum value of the diffraction efficiency of the g-line and C-line is preferably 95% or more. In addition, if -0.1 <R <0.12, the minimum value of the diffraction efficiency of g-line and C-line is 97% or more, which is more preferable. Further, if -0.07 <R <0.08, the minimum value of the diffraction efficiency of g-line and C-line is 99% or more, which is more preferable. As described above, the allowable range of the condition (B) may be changed according to the desired diffraction efficiency of the g-line and C-line.
一方、回折効率の可視光全体にわたって高い回折効率を得るためには、回折効率が低下しやすい、e線の回折効率が低下させないことも重要である。 On the other hand, in order to obtain a high diffraction efficiency over the entire visible light having a diffraction efficiency, it is also important that the diffraction efficiency of the e-line does not decrease, which tends to decrease.
本発明では、以下の式(3)の値Pを定義する。図6に示すように、この値Pが小さいほど緑領域の屈折率曲線が凹んでいる(材料1のグラフ曲線を参照。)。 In the present invention, the value P of the following formula (3) is defined. As shown in FIG. 6, the smaller the value P, the more concave the refractive index curve in the green region (see the graph curve of Material 1).
P = (ne−nC)/(ng−nC) ・・・式(3) P = (ne−nC) / (ng−nC) (3)
回折効率の可視光全体にわたって高い回折効率を得るためには、回折効率が低下しやすい、e線の回折効率が低下させないことが重要である。しかし、可視光帯域全体において吸収のない透明な材料によって本実施形態の回折格子100を形成すると、e線の光路差がC線やg線の光路差よりも大きくなりやすく、1より大きくなりやすいため、回折効率が低下しやすい。そのため、低屈折率の材料は値Pが小さいほどよく、高屈折率の材料は値Pが大きいほどよい。
In order to obtain a high diffraction efficiency over the entire visible light having a diffraction efficiency, it is important that the diffraction efficiency of the e-line does not decrease, which is likely to decrease. However, when the
また、本発明の発明者は、材料1の値Pと材料2の値Pの差分値と、材料1と2の屈折率差の平方根の商の値Qとその材料を用いて形成される回折格子100のe線の回折効率とに依存性があることを発見した。ここで、以下の式(4)を定義する。
Further, the inventor of the present invention uses the difference value between the value P of the
Q = ΔP/(Δne)1/2 ・・・式(4)Q = ΔP / (Δne) 1/2 Formula (4)
図8は、条件(a)を満たしたときに、ある材料セットの値Qとその材料を用いて形成される回折格子100のe線の回折効率との関係を示すグラフである。相対的高屈折率低分散材料と相対的低屈折率高分散材料とを用いて、可視光広帯域で回折するようにg線とC線の回折効率が高くなるように格子高さを決定した場合に、図8に示すように、上述の式(4)の値Qは、格子を形成する材料の屈折率差にあまり依存せず、かつ回折効率に良く依存する関係を示すことがわかった。
FIG. 8 is a graph showing the relationship between the value Q of a certain material set and the e-line diffraction efficiency of the
図8に示す結果から、条件(B)が導き出せる。すなわち、−1.1<Q<0.27であれば、e線の回線効率が95%以上となり好ましい。なお、−0.9<Q<0.15であれば、e線の回線効率が97%以上となりより好ましい。また、−0.7<Q<0.06であれば、e線の回線効率が99%以上となりさらに好ましい。このように、所望とするe線の回線効率に応じて条件(B)の許容範囲を変更してもよい。 The condition (B) can be derived from the result shown in FIG. That is, if -1.1 <Q <0.27, the line efficiency of the e line is preferably 95% or more. If -0.9 <Q <0.15, the line efficiency of the e-line is 97% or more, which is more preferable. If -0.7 <Q <0.06, the line efficiency of the e line is 99% or more, which is more preferable. Thus, the allowable range of the condition (B) may be changed according to the desired line efficiency of the e line.
なお、式(2)に示すように、分散を表す材料1の傾きと材料2の傾き(いずれも図6の点線参照。)の差が大きいと、回折格子層12と回折格子層13の屈折率差を大きくできる。よって、分散の差が大きいほど回折格子の格子高さを下げることができるため、製造が容易となり、また、回折効率の入射角度依存性等も低減でき、好ましい。
As shown in the equation (2), if the difference between the slope of the
回折格子層12と13の材料の組み合わせにおいて、このような関係を保持させることで回折効率の広帯域性に有効に作用させられる。 By maintaining such a relationship in the combination of the materials of the diffraction grating layers 12 and 13, it is possible to effectively act on the broadband efficiency of diffraction efficiency.
以上のように、2層の密着積層型回折格子として用いる材料の組み合わせとして、材料セットの屈折率差および分散特性が上記で示した諸条件を満たす材料を選択することによって、フレアを効果的に抑制できる。 As described above, the flare can be effectively reduced by selecting a material that satisfies the various conditions described above in terms of the refractive index difference and dispersion characteristics of the material set as a combination of materials used as the two-layer close-contact laminated diffraction grating. Can be suppressed.
また、本実施形態の回折光学素子10を撮像光学系に組み込む場合には、入射角度依存性による回折効率の変化が問題となる場合がある。撮像光学系に回折光学素子10を組み込んだ場合、当該回折光学素子10には、様々な入射角度から光が入射することが考えられる。回折格子は入射角度によって回折効率が変化することが知られているが、回折格子100のアスペクト比を小さくすることで、効率の変化を抑制できる。そのため、本実施形態の回折格子100は、格子の高さが20μm以下であると好ましく、15μm以下であるとさらに好ましい。
In addition, when the diffractive
図9は、第1の実施形態の回折光学素子10の他の例を示す模式断面図である。例えば、図9に示す単レンズ形状の透明基板11上に回折格子層12,13を積層して回折格子が正のパワーを有するハイブリッドレンズとして機能させる回折光学素子10を考える。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another example of the diffractive
透明基板11が図9のように、凸形状であれば、透明基板11側から見て1層目に位置する第1の回折格子層12に高屈折率低分散材料を用い、2層目に位置する第2の回折格子層13に低屈折率高分散材料を用いると、格子側壁の方向を光軸方向から外周側に傾けることができるので、インプリントプロセスを用いて回折格子層12を作成する場合に、型から離型しやすく、最適な格子形状を形成しやすくなるメリットがある。なお、回折格子のパワーの方向が負の場合は、逆に、低屈折率高分散材料を第1の回折格子層12に用いればよい。
If the
また、透明基板11が凹形状で、回折格子のパワーが正であれば、第1の回折格子層12として低屈折率高分散材料をインプリントするのがよく、回折格子のパワーが負であれば、第1の回折格子層12として高屈折率低分散材料をインプリントするのがよい。
Further, if the
換言すると、積層するレンズ表面の曲率方向と回折格子の鋸の斜面の方向とが、レンズ表面に対して同一方向の傾きをもつように各回折格子層の材料配置がなされていることがより好ましい。 In other words, it is more preferable that the material of each diffraction grating layer is arranged so that the curvature direction of the lens surface to be laminated and the direction of the slope of the saw of the diffraction grating have the same inclination with respect to the lens surface. .
実施形態2.
次に、本発明の第2の実施形態について説明する。図10は、本発明の第2の実施形態の回折光学素子の例を示す構成図である。なお、図10(a)は、第2の実施形態の回折光学素子20の断面を模式的に示す模式断面図である。また、図10(b)は、図10(a)に示した回折光学素子20の分解断面図である。
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 is a configuration diagram showing an example of a diffractive optical element according to the second embodiment of the present invention. FIG. 10A is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the diffractive
図10に示すように、本実施形態の回折光学素子20は、少なくとも1つの透明基板21を有し、その透明基板21上に、第1の回折格子層22(以下、単に「回折格子層22」ともいう)と第2の回折格子層23(以下、単に「回折格子層23」ともいう)と第3の回折格子層24(以下、単に「回折格子層24」ともいう)とが積層されて、これら第1の回折格子層22と第2の回折格子層23の界面の少なくとも一部において回折格子201が形成されているとともに、第2の回折格子層23と第3の回折格子層24の界面の少なくとも一部において回折格子202が形成されている。すなわち、第1の回折格子層22の第2の回折格子層23側の界面の一部と、第2の回折格子層23の第1の回折格子層22側の界面の一部とには、組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、これら2つの層の凹凸構造221,231が向かい合わせで密着するように積層されるとともに、第2の回折格子層23の第3の回折格子層24側の界面の一部と、第3の回折格子層24の第2の回折格子層23側の界面の一部とには、組み合わされて1つの回折格子として作用する第2の凹凸構造が形成されており、これら2つの層の凹凸構造232,241が向かい合わせで密着するように積層されることによって、透明基板21上に互いに異なる材料の組み合わせで構成される2つの回折格子201,202が形成されている。なお、回折格子201と202とで格子ピッチは略同一とする。なお、格子高さは異なっていてもよい。ここで、格子ピッチの略同一とはピッチの差が±2%の場合をいう。
As shown in FIG. 10, the diffractive
本実施形態においても、回折格子層が積層される透明基板21の面は、平面であっても曲面であってもよい。また、透明基板21と第1の回折格子層22とを同じ材料としてもよい。また、透明基板21の対向側に、さらに1つの透明基板を有していてもよい。すなわち、2枚の透明基板の間に回折格子層22,23,24が挟持された構成であってもよい。
Also in the present embodiment, the surface of the
なお、本実施形態の回折光学素子20は、3つの異なる光学部材を組み合わせて合計2つの回折格子を形成した、いわゆる3層密着積層型の回折光学素子であって、図11に示すように、本実施形態の回折光学素子20は、格子1周期についてみると、3種の光学部材層を使って2つの回折面が形成されているとみなすことができる(図11の破線参照。)。
Note that the diffractive
このような2つの回折面を形成する3つの材料、すなわち回折格子層22,23,24の材料は、図12に示す6つの組み合わせ例のいずれかに合致することが好ましい。すなわち、回折格子層22,23,24に用いる3つの材料を、材料3,4,5とすると、組み合わせ例1)材料3は低屈折率低分散材料であり、材料4は高屈折率低分散材料であり、材料5は高屈折率高分散材料であるか、組み合わせ例2)材料3は中屈折率高分散材料であり、材料4は高屈折率高分散材料であり、材料5は高屈折率低分散材料であるか、組み合わせ例3)材料3は低屈折率高分散材料であり、材料4は高屈折率高分散材料であり、材料5は高屈折率低分散材料であるか、組み合わせ例4)材料3は中屈折率高分散材料であり、材料4は低屈折率から中屈折率の材料であり、材料5は高屈折率低分散材料であるか、組み合わせ例5)材料3は高屈折率高分散材料であり、材料4は低屈折率から中屈折率の材料であり、材料5は高屈折率低分散材料であるか、組み合わせ例6)材料3は中屈折率材料であり、材料4は中屈折率高分散材料であり、材料5は高屈折率低分散材料である。ここでは、図12の1層目材料は材料3、2層目材料は材料4、3層目材料は材料5、として説明している。
It is preferable that the three materials forming the two diffractive surfaces, that is, the materials of the diffraction grating layers 22, 23, and 24 match any of the six combinations shown in FIG. 12. That is, if the three materials used for the diffraction grating layers 22, 23, and 24 are
なお、上記組み合わせは、d線の屈折率が1.59より大きければ高屈折率材料とし、1.51よりも小さければ低屈折率材料、その間を中屈折率材料としている。また、低屈折率材料の場合、アッベ数が50以下であれば高分散材料とし、60以上であれば低分散材料としている。また、中屈折率材料の場合、アッベ数が40以下であれば高分散材料とし、50以上であれば低分散材料としている。また、高屈折率材料の場合、アッベ数が30以下であれば高分散材料とし、40以上であれば低分散材料としている。なお、上記組み合わせにおいて単に低屈折率材料といった場合には、低屈折率材料であって低分散から高分散のいずれでもよい材料を意味する。同様に、中屈折率材料といった場合には中屈折率材料であって低分散から高分散のいずれでもよい材料を意味する。さらに、高屈折率材料といった場合には高屈折率材料であって低分散から高分散のいずれでもよい材料を意味する。 In the above combination, a high refractive index material is used if the d-line refractive index is greater than 1.59, a low refractive index material is used if the refractive index is less than 1.51, and a medium refractive index material therebetween. In the case of a low refractive index material, a high dispersion material is used when the Abbe number is 50 or less, and a low dispersion material is used when the Abbe number is 60 or more. In the case of a medium refractive index material, if the Abbe number is 40 or less, it is a high dispersion material, and if it is 50 or more, it is a low dispersion material. In the case of a high refractive index material, if the Abbe number is 30 or less, it is a high dispersion material, and if it is 40 or more, it is a low dispersion material. In the above combination, when the material is simply a low refractive index material, it means a material that is a low refractive index material and may be either low dispersion or high dispersion. Similarly, a medium refractive index material means a medium refractive index material that may be either low dispersion or high dispersion. Furthermore, in the case of a high refractive index material, it means a material that is a high refractive index material and may be either low dispersion or high dispersion.
図13は、回折格子層22,23,24に用いられる3つの材料3,4,5の波長ごとの屈折率の一例を示すグラフである。なお、上記で示した屈折率差と波長分散の関係が2つの回折面で保持できれば、材料3〜5をいずれの回折格子層に用いるかは任意である。例えば、図13に示す例では、材料3を回折格子層24に用い、材料4を回折格子層23に用い、材料5を回折格子層22に用いてもよい。また、例えば、材料3を回折格子層22に用い、材料4を回折格子層23に用い、材料5を回折格子層24に用いてもよい。
FIG. 13 is a graph showing an example of the refractive index for each wavelength of the three
このような組み合わせを可能にする光学材料として、例えば、高屈折率低分散材料としては、既に説明したような、シクロ環やアダマンチル基やジシクロペンタニル基をマトリクスとしたジルコニアコンポジット材料や光学ガラスなどが挙げられる。また、例えば中屈折率低分散材料としては、前記ジルコニアコンポジット材料やアダマンチル基やジシクロペンタニル基を含む樹脂材料、光学ガラスなどが挙げられる。また、例えば低屈折率低分散材料としては、重合基以外に2重結合を持たない炭化水素系の材料や光学ガラスなどが挙げられる。また、例えば高屈折率高分散材料としては、フェニルやビフェニルがSi原子に結合したモノマーを硬化させた樹脂材料やフルオレン、ターフェニル等のベンゼン環を多く含む樹脂材料や2重結合、3重結合を多く含む構造を持つ樹脂材料などが挙げられる。また、例えば中屈折率高分散材料としては、既に説明したような、フェニルやビフェニルがSi原子に結合したモノマーを硬化させた有機無機ハイブリッド材料や、2重結合を多く含むポリカーボネートのような樹脂材料などが挙げられる。また、例えば低屈折率高分散材料としては、フルオロ基とフェニル基とを含有する材料などが挙げられ、特に同一のモノマーにフルオロ基とフェニル基とを含有する材料を用いると高屈折率の材料と混合しやすくなるため、好ましい。これらの光学材料を適宜選択して組み合わせることによって、素子の光学特性を自由に制御できる。 As an optical material enabling such a combination, for example, as a high refractive index and low dispersion material, a zirconia composite material or optical glass having a cyclo ring, an adamantyl group or a dicyclopentanyl group as a matrix as described above. Etc. Examples of the medium refractive index low dispersion material include the zirconia composite material, a resin material containing an adamantyl group and a dicyclopentanyl group, and optical glass. Examples of the low refractive index and low dispersion material include hydrocarbon materials and optical glass that do not have a double bond other than a polymer group. In addition, for example, as a high refractive index and high dispersion material, a resin material obtained by curing a monomer in which phenyl or biphenyl is bonded to an Si atom, a resin material containing many benzene rings such as fluorene or terphenyl, a double bond, or a triple bond. Resin materials having a structure containing a large amount of. In addition, for example, as a medium refractive index high dispersion material, as already described, an organic-inorganic hybrid material obtained by curing a monomer in which phenyl or biphenyl is bonded to an Si atom, or a resin material such as a polycarbonate having many double bonds Etc. Further, for example, as a low refractive index and high dispersion material, a material containing a fluoro group and a phenyl group can be mentioned, and in particular, when a material containing a fluoro group and a phenyl group is used in the same monomer, a material having a high refractive index is used. It is preferable because it is easy to mix with. By appropriately selecting and combining these optical materials, the optical characteristics of the element can be freely controlled.
本実施形態の回折光学素子20は、2つの回折格子を組み合わせて、第1の実施形態の回折光学素子10が有する回折格子と同様の作用を持たせようというものである。従って、第1の実施形態で説明したように、素子内において、Δnd/λの値をより整数値に近づけるようにするという基本的な原理は変わらない。ただし、組み合わせる材料が増えているため、第1の実施形態に比べて、Δnd/λの値がより単一の整数値に近い値を取れるように調整しやすくなっている。例えば、第1の実施形態の回折格子100を1つの回折格子としてではなく同じ高さを持った材料1と材料2による回折格子を2つ張り合わせたものと考え、材料3と4の回折格子にて、材料2の回折格子と同様の回折格子を形成し、材料4と5の回折格子にて、材料1の回折格子と同様の回折格子を形成して張り合わせたものとして設計してもよい。すると、本実施形態では、2種類の回折格子で高さを変えられることから、材料選択の幅を広げることができる。一例として、実施形態1における材料2の材料1に対する屈折率と分散の関係を材料3と材料4とで代替し、実施形態1における材料1の材料2に対する屈折率と分散の関係を材料4と材料5で代替するように設計してもよい。
The diffractive
例えば、透明な光学材料の多くは、屈折率が大きくなるとアッベ数が小さくなる傾向がある。換言すると、屈折率が大きくなると主分散が大きくなる傾向にある。本実施形態の構成によれば、屈折率が大きくなるほど主分散も大きくなっていく組み合わせを用いて回折格子を形成しても第1の実施形態と同等以上の効果が得られる。 For example, many transparent optical materials have a tendency that the Abbe number decreases as the refractive index increases. In other words, the main dispersion tends to increase as the refractive index increases. According to the configuration of the present embodiment, even if the diffraction grating is formed using a combination in which the main dispersion increases as the refractive index increases, the same or better effect as the first embodiment can be obtained.
図14は、図13に示す材料3,4,5を組み合わせて作製された本実施形態の回折光学素子20全体の1次の回折効率の一例を示すグラフである。なお、図14に示すグラフは、材料5による回折格子層22と材料4による回折格子層23とで高さ9.8μmの回折格子201を形成し、かつ材料4による回折格子層23と材料3による回折格子層24とで高さ6.9μmの回折格子202を形成した場合の例である。図14に示す例では、波長400nmと600nmとをピークに、可視光帯域全体において95%以上の回折効率を維持できるだけでなく、緑から黄色の波長帯域などピーク以外の波長領域においても回線効率の低下が少なく、可視光帯域全体にわたって高い値を維持しているのがわかる。
FIG. 14 is a graph showing an example of the first-order diffraction efficiency of the entire diffractive
なお、図12に示した組み合わせ例では、透明基板21から見て1層目、2層目、3層目として、その積層順に各回折格子層の材料を規定しているが、材料の配置順は必ずしもこれに限られない。
In the example of combination shown in FIG. 12, the material of each diffraction grating layer is defined as the first layer, the second layer, and the third layer as viewed from the
また、図12に示した組み合わせ例の特徴としては、例えば、組み合わせ例1,2,3では、1層目と2層目の材料セットとして、屈折率差がある程度大きく(例えば、0.04以上)かつ分散特性が似ている材料を選択した場合に、3層目を、それらの材料のうち屈折率が高い方の屈折率に近い屈折率であって1層目と2層目との屈折率差よりも2層目と3層目の屈折率差が小さくなる屈折率でかつ分散特性がそれらとは異なる材料としている。この場合に、2層目と3層目の最も屈折率差が小さくなる波長帯域を緑付近にすると、1層目と2層目によって形成される回折格子と2層目と3層目によって形成される回折格子のピッチ方向の位置ずれや入射角度依存性の影響を抑制しやすい場合がある。 Further, as a feature of the combination example illustrated in FIG. 12, for example, in the combination examples 1, 2, and 3, the difference in refractive index between the first layer and the second layer is large to some extent (for example, 0.04 or more). When a material having similar dispersion characteristics is selected, the third layer has a refractive index close to that of the higher refractive index of those materials, and the refraction of the first and second layers. The difference in refractive index between the second layer and the third layer is smaller than the difference in the refractive index, and the dispersion characteristics are different from those of these materials. In this case, if the wavelength band where the refractive index difference between the second layer and the third layer is the smallest is near green, the diffraction grating formed by the first layer and the second layer and the second and third layers are formed. In some cases, it is easy to suppress the influence of the positional deviation in the pitch direction and the incident angle dependency of the diffraction grating.
なお、例1は、1層目と2層目がいずれも低分散材料であって、3層目を、1層目と2層目の材料のうち屈折率が高い方の材料である1層目よりも若干高い屈折率の高分散材料とした例である。また、例2は、1層目と2層目がいずれも高分散材料であって、3層目を、1層目と2層目の材料のうち屈折率が高い方の材料である2層目よりも若干高い屈折率の低分散材料とした例である。また、例3は、1層目と2層目がいずれも高分散材料であって、3層目を、1層目と2層目の材料のうち屈折率が高い方の材料である2層目よりも若干低い屈折率の低分散材料とした例である。 In Example 1, the first layer and the second layer are both low-dispersion materials, and the third layer is a material having a higher refractive index among the materials of the first and second layers. This is an example of a highly dispersed material having a refractive index slightly higher than that of the eye. In Example 2, both the first layer and the second layer are highly dispersed materials, and the third layer is a material having a higher refractive index among the materials of the first layer and the second layer. This is an example of a low dispersion material having a slightly higher refractive index than the eye. In Example 3, the first layer and the second layer are both highly dispersed materials, and the third layer is a two-layer material having a higher refractive index among the first and second layer materials. This is an example of a low dispersion material having a refractive index slightly lower than that of the eye.
このように、それぞれの回折格子を形成する材料の組み合わせにおいて、材料間の屈折率の差が大きい場合には波長分散が近いもの同士(例えば、低分散材料と低分散材料の組み合わせや高分散材料と高分散材料)の組み合わせとなり、材料間の屈折率の差が小さい場合には波長分散が離れているもの同士(例えば、低分散材料と高分散材料)の組み合わせとなるように3つの材料を選定するのが好ましい。なお、上記例では、低屈折率材料と高屈折率材料の組み合わせまたは中屈折率材料と高屈折率材料の組み合わせであれば、材料間の屈折率の差が大きいものとし、低屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせまたは高屈折率材料と高屈折率材料の組み合わせであれば、材料間の屈折率差が小さいものとしているが、屈折率差の大きい/小さいの判断基準はこの限りではない。例えば、本実施の形態では2つの材料のd線の屈折率の差が0.04以上であれば大きい、0.04未満であれば小さいとしてもよい。 In this way, in the combination of materials forming each diffraction grating, when the difference in refractive index between the materials is large, those having close wavelength dispersion (for example, a combination of a low dispersion material and a low dispersion material or a high dispersion material) When the difference in refractive index between the materials is small, the three materials are combined so that the chromatic dispersions are separated (for example, a low dispersion material and a high dispersion material). It is preferable to select. In the above example, if the combination of the low refractive index material and the high refractive index material or the combination of the medium refractive index material and the high refractive index material, the difference in refractive index between the materials is large, and the low refractive index material and If the combination is a low refractive index material or a combination of a high refractive index material and a high refractive index material, the refractive index difference between the materials is assumed to be small, but the criteria for determining whether the refractive index difference is large or small is not limited to this. . For example, in this embodiment, the difference between the refractive indices of the d-lines of the two materials is 0.04 or more, and the difference may be small if it is less than 0.04.
さらに付け加えると、ピッチが小さくなったときや回折格子への入射角度が大きくなったときに、回折効率の低下を防ぐためには、凹凸構造の凸部の高さすなわち格子高さが高くなりすぎないことが好ましい。より具体的には、回折格子201の格子高さが20μm以下であるとよく、さらに15μm以下であるとより好ましい。以下、屈折率の条件として回折格子201の格子高さが20μm以下である範囲と、15μm以下となる範囲とをそれぞれ示す。以下では、説明する図の凹凸高さの符号が同じ場合は、凹凸構造の凸と凸が重なるように配置され(図15(a)参照。)、符号が逆の場合は、凹凸構造の凸と凹が対向するように配置され(図15(b)参照。)、格子高さは絶対値での値が上記の範囲となる条件を示す。図15(a)は、2つの回折格子の高さ方向が逆の場合の例を示す説明図であり、図15(b)は、2つの回折格子の高さ方向が同じ場合の例を示す説明図である。
In addition, when the pitch is reduced or the incident angle on the diffraction grating is increased, the height of the convex portion of the concavo-convex structure, that is, the grating height is not excessively increased in order to prevent a decrease in diffraction efficiency. It is preferable. More specifically, the grating height of the
なお、以下では、1層目の材料のg線の屈折率をng1、2層目の材料のg線の屈折率をng2、3層目の材料のg線の屈折率をng3としている。また、1層目の材料のe線の屈折率をne1、2層目の材料のe線の屈折率をne2、3層目の材料のe線の屈折率をne3としている。また、1層目の材料のC線の屈折率をnC1、2層目の材料のC線の屈折率をnC2、3層目の材料のC線の屈折率をnC3としている。また、1層目と2層目のe線の屈折率の差(ne1−ne2)をΔne12とし、2層目と3層目のe線の屈折率の差(ne2−ne3)をΔne23としている。また、1層目の材料のg線とC線の屈折率の差と2層目の材料のg線とC線の屈折率の差の差{(ng1−nC1)−(ng2−nC2)}をΔ(ng−nC)12とし、2層目の材料のg線とC線の屈折率の差と3層目の材料のg線とC線の屈折率の差の差{(ng2−nC2)−(ng3−nC3)}をΔ(ng−nC)23としている。In the following description, the refractive index of the g-line of the first layer material is ng 1 , the refractive index of the g-line of the second layer material is ng 2 , and the refractive index of the g-line of the third layer material is ng 3. Yes. The refractive index of the e-line of the first layer material is ne 1 , the refractive index of the e-line of the second layer material is ne 2 , and the refractive index of the e-line of the third layer material is ne 3 . The refractive index of the C-line of the first layer material is nC 1 , the refractive index of the C-line of the second layer material is nC 2 , and the refractive index of the C-line of the third layer material is nC 3 . Also, the difference in refractive index between the first layer and the second layer e-line (ne 1 -ne 2 ) is Δne 12, and the difference in refractive index between the second layer and the third layer e-line (ne 2 -ne 3). ) As Δne 23 . Further, the difference in refractive index between the g-line and C-line of the first layer material and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the second layer material {(ng 1 −nC 1 ) − (ng 2 − nC 2 )} is Δ (ng−nC) 12 and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the second layer material and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the third layer material { (Ng 2 −nC 2 ) − (ng 3 −nC 3 )} is represented by Δ (ng−nC) 23 .
このとき、図12に示した1層目材料を回折格子層22の材料とし、2層目材料を回折格子層23の材料とし、3層目材料を回折格子層24の材料とする。
At this time, the first layer material shown in FIG. 12 is the material of the
ここで、以下の式(5)〜(9)を定義する。なお、以下の式(5)〜(9)におけるA,B,C,D,Eは、上記組み合わせ例1〜6の具体的な値や範囲等を計算していった際に得られた格子高さに対して相関のある値を見積もったときの経験式のパラメータである。 Here, the following formulas (5) to (9) are defined. In addition, A, B, C, D, and E in the following formulas (5) to (9) are lattices obtained when specific values and ranges of the above combination examples 1 to 6 are calculated. This is an empirical parameter when a value correlated with height is estimated.
すなわち、これらのパラメータA,B,C,D,Eを所定の値にすると、格子高さと相関が得られることが経験的にわかった。 That is, when these parameters A, B, C, D, and E are set to predetermined values, it has been empirically found that the correlation with the lattice height can be obtained.
まず、組み合わせ例1を満たす材料セットによる上述の式(5)〜(9)の値と回折格子の高さとの相関について示す。図15に、組み合わせ例1を満たす材料セットを用い、A=5.5としたときの式(5)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を示す。また、図17に、組み合わせ例1を満たす材料セットを用い、E=0.5としたときの式(9)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を示す。図15より、式(5)の値<0.65であれば、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さは十分に15μm以下となることがわかり、図17より、式(9)の値>0.94であれば、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さは十分に15μm以下となることがわかる。また、図18に、組み合わせ例1を満たす材料セットを用い、C=−1.5としたときの式(7)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を示す。また、図19に、組み合わせ例1を満たす材料セットを用い、D=0.7としたときの式(8)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を示す。図18より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、0<式(7)の値<1.5以外であり、15μm以下となるのは、0<式(7)の値<1.7以外であることがわかる。また、図19より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(8)の値<1.55であり、15μm以下となるのは、式(8)の値<1.51であることがわかる。
First, it shows about the correlation with the value of the above-mentioned formula (5)-(9) by the material set which satisfies combination example 1, and the height of a diffraction grating. FIG. 15 shows a correlation between the value of Expression (5) and the height of the concavo-convex structure of the
次に、組み合わせ例2を満たす材料セットによる上述の式(5)〜(9)の値と回折格子の高さとの相関について示す。組み合わせ例2を満たす材料セットを用いた場合であって、A=5.5としたときの式(5)の値と回折格子201の凹凸構造高さとの相関を図20に示す。また、B=1.2としたときの式(6)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図21に示す。図20より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(5)の値<0.85であり、15μm以下となるのは、式(5)の値<0.78であることがわかる。また、図21より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)の値<0.99であり、15μm以下となるのは、式(6)の値<0.975であることがわかる。また、C=−1.3としたときの式(7)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図22に示す。なお、図22(a)は式(7)の値が−2〜2の範囲において回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を示す説明図であり、図22(b)は、スケールをより大きくして、式(7)の値が1.5〜2.1の範囲において回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を示す説明図である。また、B=0.29としたときの式(6)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図23に示す。図22より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、0<式(7)の値<1.575以外であり、15μm以下となるのは、0<式(7)の値<1.65以外であることがわかる。また、図23より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)の値<0.97であり、15μm以下となるのは、式(6)の値<0.96であることがわかる。
Next, the correlation between the values of the above formulas (5) to (9) and the height of the diffraction grating by the material set satisfying the combination example 2 will be described. FIG. 20 shows the correlation between the value of the equation (5) and the height of the concavo-convex structure of the
次に、組み合わせ例3を満たす材料セットによる上述の式(5)〜(9)の値と回折格子の高さとの相関について示す。組み合わせ例3を満たす材料セットを用いた場合であって、A=5.5としたときの式(5)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図24に示す。また、B=1.2としたときの式(6)の値と回折格子202の凹凸構造の高さの相関を図25に示す。図24より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(5)の値<0.85であり、15μm以下となるのは、式(5)の値<0.78であることがわかる。また、図25より、式(6)の値<1.01であれば、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さは十分に15μm以下であることがわかる。また、C=−1.3としたときの式(7)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図26に示す。なお、図26(a)は式(7)の値が−2〜2の範囲において回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を示す説明図であり、図22(b)は、スケールをより大きくして、式(7)の値が1.5〜2.1の範囲において回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を示す説明図である。また、B=0.29としたときの式(6)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図27に示す。図26より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、0<式(7)の値<1.575以外であり、15μm以下となるのは、0<式(7)の値<1.65以外であることがわかる。また、図27より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)の値<0.97であり、15μm以下となるのは、式(6)の値<0.96であることがわかる。
Next, the correlation between the values of the above formulas (5) to (9) and the height of the diffraction grating by the material set satisfying the combination example 3 will be described. FIG. 24 shows the correlation between the value of the equation (5) when A = 5.5 and the height of the concavo-convex structure of the
また、上記の組み合わせ例4、5では、1層目と2層目の材料セットとして、屈折率差がある程度小さく(例えば、0.04未満)かつ分散特性が離れている材料を選択した場合に、3層目を、それらの材料のうち屈折率が高い方の屈折率よりも高い屈折率(これにより、1層目と2層目との屈折率差よりも2層目と3層目の屈折率差が大きくなる)でかつ分散特性がそれらの材料のうち屈折率が低い方の分散特性と似ている材料としている。 In the above combination examples 4 and 5, when a material having a small difference in refractive index (for example, less than 0.04) and a dispersive characteristic is selected as the material set of the first layer and the second layer The third layer has a higher refractive index than the higher refractive index of these materials (therefore, the difference in refractive index between the first and second layers is higher than the second and third layers). The difference in refractive index is large), and the dispersion characteristics are similar to those of those materials having a lower refractive index.
このような組み合わせ例4を満たす材料セットによる上述の式(5)〜(9)の値と回折格子の高さとの相関について示す。組み合わせ例4を満たす材料セットを用いた場合であって、A=0.2としたときの式(5)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図28に示す。また、B=0.1としたときの式(6)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図29に示す。図28より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(5)の値<0.97であり、15μm以下となるのは、式(5)の値<0.965であることがわかる。また、図29より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)の値<1.017であり、15μm以下となるのは、式(6)の値<1.015であることがわかる。また、A=0.8としたときの式(5)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図30に示す。また、B=0.47としたときの式(6)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図31に示す。図30より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(5)の値<1.045であり、15μm以下となるのは、式(5)の値<1.025であることがわかる。また、図31より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)の値<0.98であり、15μm以下となるのは、式(6)の値<0.97であることがわかる。
The correlation between the values of the above-described formulas (5) to (9) and the height of the diffraction grating by the material set satisfying the combination example 4 will be described. FIG. 28 shows the correlation between the value of the equation (5) when A = 0.2 and the height of the concavo-convex structure of the
次に、組み合わせ例5を満たす材料セットによる上述の式(5)〜(9)の値と回折格子の高さとの相関について示す。組み合わせ例5を満たす材料セットを用いた場合であって、A=0.05としたときの式(5)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図32に示す。また、B=0.2としたときの式(6)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図33に示す。図32より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(5)の値<0.975であり、15μm以下となるのは、式(5)の値<0.97であることがわかる。また、図33より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)の値<1.005であり、15μm以下となるのは、式(6)の値<1.000であることがわかる。また、A=0.3としたときの式(5)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図34に示す。また、B=0.6としたときの式(6)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図35に示す。図34より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(5)<0.99であり、15μm以下となるのは、式(5)<0.975であることがわかる。また、図35より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(6)<0.965であり、15μm以下となるのは、式(6)<0.95であることがわかる。
Next, it shows about the correlation with the value of said Formula (5)-(9) by the material set which satisfy | fills the example 5 of a combination, and the height of a diffraction grating. FIG. 32 shows the correlation between the value of the equation (5) when A = 0.05 and the height of the concavo-convex structure of the
また、上記の組み合わせ例6では、1層目と2層目の材料セットとして屈折率がほぼ同じで分散特性が離れている材料を選択した場合に、2層目を高分散材料とし、かつ3層目を、その2層目の材料よりも高い屈折率でかつ分散特性が離れているような材料としている。 Further, in the above combination example 6, when a material having substantially the same refractive index and different dispersion characteristics is selected as the material set of the first layer and the second layer, the second layer is made a highly dispersed material, and 3 The layer is made of a material having a refractive index higher than that of the material of the second layer and having a dispersive characteristic.
そのような組み合わせ例6を満たす材料セットによる上述の式(5)〜(9)の値と回折格子の高さとの相関について示す。組み合わせ例6を満たす材料セットを用いた場合であって、A=0.6としたときの式(5)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図36に示す。また、D=−2.0としたときの式(8)の値と回折格子201の凹凸構造の高さとの相関を図37に示す。図36より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20〜15μm以下となるのは、式(5)の値<1.00か、式(5)の値>1.01であることがわかる。また、図37より、回折格子201の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、1.77>式(8)の値>1.49であり、15μm以下となるのは、1.75>式(8)の値>1.52であることがわかる。また、C=−5.0としたときの式(7)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図38に示す。また、E=4.0としたときの式(9)の値と回折格子202の凹凸構造の高さとの相関を図39に示す。図38より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さは、式(7)の値<2.15であれば十分に20μm以下であり、15μm以下となるのは、式(7)の値<1.95であることがわかる。また、図39より、回折格子202の凹凸構造の高さすなわち格子高さが20μm以下となるのは、式(9)の値>1.125であり、15μm以下となるのは、式(9)の値>1.15であることがわかる。
The correlation between the values of the above formulas (5) to (9) and the height of the diffraction grating by the material set satisfying such combination example 6 will be described. FIG. 36 shows the correlation between the value of Expression (5) and the height of the concavo-convex structure of the
また、本実施形態の構成は、緑領域の回折効率が下がりやすいため、以下に定義する式(10)、(11)の値をある範囲に設定するとよい。 Further, in the configuration of the present embodiment, since the diffraction efficiency of the green region is likely to be lowered, the values of the expressions (10) and (11) defined below may be set within a certain range.
P’=P+0.167ne−0.605 ・・・式(10) P ′ = P + 0.167ne−0.605 Formula (10)
Q’=ΔP’/(Δne)1/2 ・・・式(11)Q ′ = ΔP ′ / (Δne) 1/2 Formula (11)
回折格子201と回折格子202の格子高さが2倍以上異なる場合、2層目と3層目において、相対的に高分散材料と低分散材料のP´の差が、上述の組み合わせ例1では、0.055以下だと98%の回折効率となり好ましく、0.015以下だと99%の回折効率となりさらに好ましい。また、組み合わせ例3では、0.045以下だと98%の回折効率となり好ましく、0.01以下だと99%の回折効率となりさらに好ましい。また、組み合わせ例6では、0.065以下だと98%の回折効率となり好ましく、0.028以下だと99%の回折効率となりさらに好ましい。
When the grating heights of the
また、回折格子201と回折格子202の格子高さが2倍以内の場合は、1層目と3層目において、相対的に高分散材料と低分散材料のP´の差とe線の屈折率差の平方根の商の値Q’が0.3より小さいと緑領域の回折効率は98%となり好ましく、0.1より小さいと緑領域の回折効率は99%以上となり、さらに好ましい。
Further, when the grating heights of the
このように、3つの材料の組み合わせを適切に調整すれば、回折格子の高さが高くなりすぎることなく、回折格子のアスペクト比を小さくできるので、効率の劣化が抑制でき、かつ作製しやすい回折格子が得られる。 In this way, if the combination of the three materials is adjusted appropriately, the aspect ratio of the diffraction grating can be reduced without excessively increasing the height of the diffraction grating. A lattice is obtained.
ところで、本実施形態において、材料の配置順を決定する際に入射角度依存性の関係を考慮するのが好ましい。 By the way, in this embodiment, it is preferable to consider the incident angle dependence relationship when determining the arrangement order of materials.
以下、本実施形態における入射角度依存性と材料の配置順について説明する。以下では、図40に示すような単レンズ形状の透明基板21上に回折格子層22,23,24を積層して正のパワーを有するハイブリッドレンズとして機能させる回折光学素子20を例に用いて説明する。
Hereinafter, the incident angle dependency and the arrangement order of materials in the present embodiment will be described. Hereinafter, the diffractive
図41は、図40に示した回折光学素子20における回折構造への入射光線の入射面と回折方向との関係を示す説明図である。なお、図41では、積層させた回折格子層の上層側すなわち回折格子層24側から光が入射した場合の回折方向を示している。
FIG. 41 is an explanatory diagram showing the relationship between the incident surface of incident light on the diffractive structure and the diffraction direction in the diffractive
図41に示すように、回折光学素子20において回折格子の最底部をつないだ線をそれぞれ81,82とするとき、この2本の線は互いに平行となっているものとする。以下、便宜上、回折格子層24内に結ばれる線を81、回折格子層22内に結ばれる線を82とする。すると、入射する光線に近い側の線81の法線と入射光線とがなす角αが回折構造への入射角度となる。入射角度は、法線方向から光軸側を正とする。今、線81側から入射光線38が法線84の関係で入射したとする。このとき、入射方向は正であり、回折方向は入射光線を延長した仮想線より光軸側に回折した方向(図に示す方向)となる。
As shown in FIG. 41, when the lines connecting the bottoms of the diffraction gratings in the diffractive
図42は、図41に示す回折構造の入射角度による回折効率の変化の一例を示すグラフである。図42に示すように、図41に示すような形状および回折方向を有する回折構造では斜入射となったとき、入射角度が正の場合と負の場合とでは回折効率の変化が異なっているのがわかる。図42に示す例では、入射角度が正であれば、負の場合と比べて入射角度依存性が弱いことがわかる。 FIG. 42 is a graph showing an example of the change in diffraction efficiency depending on the incident angle of the diffractive structure shown in FIG. As shown in FIG. 42, in the diffractive structure having the shape and diffraction direction as shown in FIG. 41, when oblique incidence occurs, the change in diffraction efficiency differs between the case where the incident angle is positive and the case where the incident angle is negative. I understand. In the example shown in FIG. 42, it can be seen that if the incident angle is positive, the incident angle dependency is weaker than that in the negative case.
次に、図43に示すような、積層させた回折格子層の下層側すなわち回折格子層22側から光が入射することを考える。図43は、図40に示した回折光学素子20における回折構造への入射光線の入射面と回折方向との関係を示す説明図である。図43に示す例でも、回折光学素子20において回折格子の最底部をつないだ線のうち、回折格子層24内に結ばれる線を81、回折格子層22内に結ばれる線を82とする。なお、この2本の線81,82は互いに平行となっているものとする。すると、入射する光線に近い側の線82の法線と入射光線とがなす角αが回折構造への入射角度となる。今、線82側から入射光線83が法線84の関係で入射したとする。このとき、入射方向は光軸側とは反対であるので負であり、回折方向は入射光線を延長した仮想線より光軸側に回折した方向(図に示す方向)となる。
Next, let us consider that light is incident from the lower layer side of the laminated diffraction grating layer, that is, the
図44は、上述の組み合わせ例1,2,3のいずれかに該当する材料セットによる図43に示す回折構造の入射角度による回折効率の変化の一例を示すグラフである。上述の組み合わせ例1,2,3に該当する材料セットを用いる場合、図44に示すように、図43に示す形状および回折方向を有する回折構造では斜入射となったとき、入射角度が正の場合と負の場合とでは回折効率の変化が異なっているのがわかる。図44に示す例では、入射角度が負であれば、正の場合と比べて入射角度依存性が弱いことがわかる。従って、本実施形態においても入射角度が入射角度依存性の弱い方向となるように回折構造の材料配置の位置関係を調整するのが好ましい。具体的には、ある曲率を持った基板上に回折格子を形成する際に、入射光線を延長した仮想線より光軸側に回折する場合には、光路差の大きい回折格子を形成する2つの材料のうち、屈折率の小さい材料が曲率半径の中心により近い側に配置されると好ましく、光軸側とは反対側へ回折する場合には、屈折率の大きい材料が曲率半径の中心により近い側に配置されると好ましい。 FIG. 44 is a graph showing an example of a change in diffraction efficiency depending on the incident angle of the diffraction structure shown in FIG. 43 by the material set corresponding to any one of the above-described combination examples 1, 2, and 3. When the material set corresponding to the above combination examples 1, 2, and 3 is used, as shown in FIG. 44, when the diffractive structure having the shape and the diffraction direction shown in FIG. It can be seen that the change in diffraction efficiency differs between the case and the negative case. In the example shown in FIG. 44, it can be seen that if the incident angle is negative, the incident angle dependency is weaker than that in the positive case. Therefore, in this embodiment as well, it is preferable to adjust the positional relationship of the material arrangement of the diffractive structure so that the incident angle is in a direction in which the incident angle dependency is weak. Specifically, when a diffraction grating is formed on a substrate having a certain curvature, two diffraction gratings having a large optical path difference are formed when the incident light beam is diffracted to the optical axis side from the extended virtual line. Of the materials, it is preferable that a material having a small refractive index is disposed closer to the center of the radius of curvature, and when diffracting to the side opposite to the optical axis side, a material having a higher refractive index is closer to the center of the radius of curvature. It is preferable to arrange on the side.
例えば、図41に示すような構造および用途であれば、2つの回折格子201,202について、回折格子1周期における凹凸の最も深い部分と浅い部分の光路差を比較し、光路差の大きい回折格子が出射側に位置しているのが好ましい。すなわち、回折格子201をなす回折格子層22の材料と回折格子層23の材料の屈折率に凹凸高さを乗算し差を取った光路差と、回折格子202をなす回折格子層23の材料と回折格子層24の材料の屈折率に凹凸高さを乗算し差を取った光路差とを比較した場合に、出射側に位置している回折格子201をなす回折格子層22の材料と回折格子層23の材料によって形成される光路差の方が、入射側に位置している回折格子202をなす回折格子層23の材料と回折格子層24の材料によって形成される光路差よりも大きくなるように各材料が配置されていることが好ましい。
For example, in the case of the structure and application as shown in FIG. 41, for two
また、例えば、図43に示すような構造および用途であれば、2つの回折格子201,202について上記同様の光路差を比較し、格子材料の光路差の大きい回折格子が入射側に位置しているのが好ましい。すなわち、回折格子201をなす回折格子層22の材料と回折格子層23の材料の屈折率に凹凸高さを乗算し差を取った光路差と、回折格子202をなす回折格子層23の材料と回折格子層24の材料の屈折率に凹凸高さを乗算し差を取った光路差とを比較した場合に、入射側に位置している回折格子201をなす回折格子層22の材料と回折格子層23の材料によって形成される光路差の方が、出射側に位置している回折格子202をなす回折格子層23の材料と回折格子層24の材料によって形成される光路差よりも大きくなるように各材料が配置されていることが好ましい。なお、回折方向が逆になった場合はどちらの場合もこの関係を逆にすればよい。
Further, for example, in the case of the structure and application shown in FIG. 43, the same optical path difference is compared between the two
なお、素子構成としては、凸レンズ上に回折構造を形成する場合は、格子材料の光路差の大きい回折格子が凸レンズ側すなわち透明基板21により近い側に配置されるようにすればよい。一方、凹レンズ上に形成する場合は、入射方向に対する回折格子層の配置順を凸レンズ上に形成する場合とは逆にすればよい。図45に、凹レンズ上に本実施形態の回折格子構造を形成する場合の回折格子層22,23,24の配置例を示す。図45に示す例では、透明基板21上に積層される回折格子201,202の材料の光路差の大小関係として、外側すなわち透明基板21により遠い側に位置している回折格子202の方が、凹レンズ側すなわち透明基板21により近い側に位置している回折格子201よりも光路差が大きくなるように各材料が配置されていることが好ましい。
As the element configuration, when a diffractive structure is formed on a convex lens, a diffraction grating having a large optical path difference of the grating material may be arranged on the convex lens side, that is, closer to the
なお、図12に示した材料の組み合わせ例は、図40に示すような、正のパワーを有する凸レンズに本発明の回折構造を組み入れた構成において、好ましいとされる各層の材料の組み合わせの例であるので、入射してくる光が回折格子の回折方向に対してどのように傾いているかによってこれらの材料の組み合わせの配置を変えるのが好ましい。 The example of the combination of materials shown in FIG. 12 is an example of a preferable combination of materials for each layer in the configuration in which the diffractive structure of the present invention is incorporated in a convex lens having a positive power as shown in FIG. Therefore, it is preferable to change the arrangement of the combination of these materials depending on how the incident light is inclined with respect to the diffraction direction of the diffraction grating.
このように、回折構造を形成する面の形状と、入射してくる光の角度分布によって最適な構造をとることが任意にできるため、入射角依存性による回折効率の劣化をより抑制できる。 As described above, since it is possible to arbitrarily adopt an optimum structure depending on the shape of the surface forming the diffractive structure and the angular distribution of incident light, it is possible to further suppress deterioration of diffraction efficiency due to the incident angle dependency.
以上のように、3層の密着積層型回折格子として用いる材料の組み合わせにおいて、材料セットの屈折率差および分散特性が所定の条件を満たすものを選択することによって、フレアを効果的に抑制できる。また、本実施形態によれば、材料の選択性を広げた上で、第1の実施形態と同等以上の効果を得ることができる。 As described above, flare can be effectively suppressed by selecting materials having a refractive index difference and dispersion characteristics satisfying predetermined conditions in a combination of materials used as a three-layer close-contact laminated diffraction grating. In addition, according to the present embodiment, it is possible to obtain an effect equal to or greater than that of the first embodiment while expanding the selectivity of the material.
実施形態3.
次に、本発明の第3の実施形態について説明する。図46は、本発明の第3の実施形態の回折光学素子の例を示す構成図である。なお、図46(a)は、第3の実施形態の 回折光学素子の断面を模式的に示す模式断面図である。また、図46(b)は、図46(a)に示した回折光学素子30の分解断面図である。
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 46 is a configuration diagram showing an example of a diffractive optical element according to the third embodiment of the present invention. FIG. 46A is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the diffractive optical element of the third embodiment. FIG. 46B is an exploded cross-sectional view of the diffractive
図46に示すように、本実施形態の回折光学素子30は、少なくとも1つの透明基板31を有し、その透明基板31上に、第1の回折格子層32(以下、単に「回折格子層32」ともいう)と第2の回折格子層33(以下、単に「回折格子層33」ともいう)と第3の回折格子層34(以下、単に「回折格子層34」ともいう)と第4の回折格子層35(以下、単に「回折格子層35」ともいう)とが積層されて、これら第1の回折格子層32と第2の回折格子層33の界面の少なくとも一部において回折格子301が形成されているとともに、第3の回折格子層34と第4の回折格子層35の界面の少なくとも一部において回折格子302が形成されている。すなわち、第1の回折格子層32の第2の回折格子層33側の界面の一部と、第2の回折格子層33の第1の回折格子層32側の界面の一部とには、組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、これら2つの層の凹凸構造321,331が向かい合わせで密着するように積層されるとともに、第3の回折格子層34の第4の回折格子層35側の界面の一部と、第4の回折格子層35の第3の回折格子層34側の界面の一部とには、組み合わされて1つの回折格子として作用する第2の凹凸構造が形成されており、これら2つの層の凹凸構造341,351が向かい合わせで密着するように積層されることによって、透明基板31上に異なる4つの材料の組み合わせで構成される2つの回折格子301,302が形成されている。本実施の形態においても、回折格子301と302とで格子ピッチは略同一とする。格子ピッチの略同一とはピッチの差が±2%以内の場合をいう。なお、格子高さは異なっていてもよい。
As shown in FIG. 46, the diffractive
本実施形態においても、回折格子層が積層される透明基板31の面は、平面であっても曲面であってもよい。また、透明基板31と第1の回折格子層32とを同じ材料としてもよい。また、透明基板31の対向側に、さらに1つの透明基板を有していてもよい。すなわち、2枚の透明基板の間に回折格子層32,33,34,35が挟持された構成であってもよい。
Also in this embodiment, the surface of the
なお、本実施形態の回折光学素子30は、それぞれが異なる2つの光学部材を組み合わせて合計2つの回折格子を形成した、いわゆる4層密着積層型の回折光学素子であって、図47に示すように、本実施形態の回折光学素子30は、格子1周期についてみると、4種の光学部材層を使って2つの回折面が形成されているとみなすことができる(図47の破線参照。)。
Note that the diffractive
このような2つの回折面を形成する4つの材料、すなわち回折格子層32,33,34,35の材料は、第2の実施形態と同様の条件を基に選択すればよい。すなわち、1つの回折面を形成する回折格子の組み合わせにおいて、回折格子層32と33の屈折率の相対関係と第2の実施形態の回折格子層22と回折格子層23の材料の屈折率の相対関係とが同じであればよく、かつ、回折格子層34と35の屈折率の相対関係と第2の実施形態の回折格子層23と回折格子層24の材料の屈折率の相対関係とが同じであればよい。例えば、上述した式(5)〜式(9)は、すべて回折格子を形成する隣り合う材料の屈折率差によって定義してあるので、本構造に対してもそのまま適用される。すなわち、第2の実施形態の2層目の材料を、2−1層目、2−2層目というように分けて考えればよい。
The four materials forming the two diffractive surfaces, that is, the materials of the diffraction grating layers 32, 33, 34, and 35 may be selected based on the same conditions as in the second embodiment. That is, in the combination of diffraction gratings forming one diffraction surface, the relative relationship between the refractive indices of the diffraction grating layers 32 and 33 and the relative refractive index of the materials of the diffraction grating layers 22 and 23 of the second embodiment. And the relative relationship between the refractive indexes of the diffraction grating layers 34 and 35 and the relative relationship between the refractive indexes of the materials of the
本実施形態では、このような条件を満たした上でさらに波長依存性を改善するために、4層構造の利点を活かし、任意の組み合わせにおいて、屈折率がほぼ同じであって、異なる部分分散比を持つ材料を用いてもよい。 In this embodiment, in order to further improve the wavelength dependence while satisfying such conditions, the advantages of the four-layer structure are utilized, the refractive index is almost the same, and the partial dispersion ratios are different in any combination. You may use the material which has.
例えば、上述の図40に示した回折光学素子20を作製する場合、回折格子層22、回折格子層23、回折格子層24と積層していくと、回折格子202の側壁が内側に向いている構造となっているため、回折格子層24をインプリントする際に型を離型する工程が困難となることを考慮して、格子の形状を理想的な形状から崩すことが考えられる。そのような場合に、例えば、図48のような構造にし、かつ回折格子層32を回折格子層22と同一の材料とし、回折格子層33を回折格子層23と同一の材料とし、回折格子層34を回折格子層24と同一の材料とし、回折格子層35を回折格子層23と同一の材料とし、回折格子層23と24によって形成される凹凸構造の凹凸方向を回折格子層34と回折格子層35によって形成される凹凸構造の凹凸方向を反転させることによって、同一の回折効率を得られ、かつ、型の離型も容易となり、理想的な形状が作成しやすい。
For example, when the diffractive
また、図49は、回折格子層32,33,34,35を形成する4つの材料6,7,8,9の波長ごとの屈折率の一例を示すグラフである。なお、2つの回折格子301,302が、図12で示した材料セットを用いて作製される第2の実施形態の回折格子201,202と同様の作用をもつように構成できれば、材料6〜9をいずれの回折格子層に用いるかは任意である。すなわち、第2の実施形態の2層目の材料を、2−1層目、2−2層目というように分けて図12の屈折率差と波長分散の関係をみたときに、2つの回折格子を構成する材料セットの関係が少なくとも図12で示される関係を満たしていればよい。例えば、図49に示す例では、材料6を回折格子層35に用い、材料7を回折格子層34に用い、材料8を回折格子層33に用い、材料9を回折格子層32に用いていてもよい。また、例えば、材料6を回折格子層32に用い、材料7を回折格子層33に用い、材料8を回折格子層34に用い、材料9を回折格子層35に用いていてもよい。なお、本実施形態においても、第2の実施形態と同様の原理にて入射角度依存性を抑制できる。
FIG. 49 is a graph showing an example of the refractive index for each wavelength of the four
図49に示す例では、材料6と7が1つの組み合わせであって、波長分散が近いものの例である。また、材料8と9がもう1つの組み合わせであって、波長分散が離れているものの例である。また、材料6と8は、屈折率がほぼ同じで、主分散に関してもかなり近いように見えるが、部分分散比は異なっていることがわかる。このような材料を異なる格子高さで組み合わせて回折効率の波長依存性を小さくすることに利用している。
The example shown in FIG. 49 is an example in which the
図50は、図49に示す材料6〜9を組み合わせて作製された本実施形態の回折光学素子30の1次の回折効率の一例を示すグラフである。なお、図50に示す本実施形態の回折光学素子30は、材料9による回折格子層32と材料8による回折格子層33とで高さ12.9μmの回折格子301を形成し、かつ材料7による回折格子層34と材料6による回折格子層35とで高さ7.4μmの回折格子302を形成した場合の例である。図50に示すように、可視光帯域全体において99%以上の回折効率を維持できているのがわかる。
FIG. 50 is a graph showing an example of the first-order diffraction efficiency of the diffractive
以上のように、本実施形態では、材料を、それぞれの相対関係のみを考えればよいので選択肢がより増える。また、材料の選択肢が増えることによって、部分分散比のような、同一の屈折率では変化させることが難しいようなパラメータであっても、設計パラメーターとして用いることができるようになる。選択の仕方の例として、利用できる材料の中で部分分散比が大きく異なる(例えば、0.02以上)ものを2種類ピックアップし、その2種類の材料に対して、それぞれ第2の実施形態と同様の組み合わせ条件に合致する材料を選択してもよい。第1の実施形態および第2の実施形態に対して、選択できる材料が同じであれば、必ず可視光帯域の波長依存性を同等かそれ以下にできる。 As described above, according to the present embodiment, there are more options because only the relative relationship between the materials needs to be considered. Further, by increasing the choice of materials, even parameters that are difficult to change with the same refractive index, such as a partial dispersion ratio, can be used as design parameters. As an example of the method of selection, two types of materials that have significantly different partial dispersion ratios (for example, 0.02 or more) are picked up, and the two types of materials are respectively selected from the second embodiment. Materials that meet similar combination conditions may be selected. If the materials that can be selected are the same as those in the first embodiment and the second embodiment, the wavelength dependence of the visible light band can be made equal to or less than that.
実施形態4.
次に、本発明の第4の実施形態について説明する。本実施形態は、上記各実施形態の構成において、各回折格子を形成する回折格子層の表面の形状を非球面とする構成である。積層型回折格子を作製する場合、回折格子を積層させる土台となる透明基板の表面形状を球面ではなく非球面とすることで、光学系全体の収差の抑制ができることが知られている。しかし、ガラス等のレンズを非球面に加工することは難しくコストが高くなる問題があった。
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. The present embodiment is a configuration in which the shape of the surface of the diffraction grating layer forming each diffraction grating is an aspherical surface in the configuration of each of the above embodiments. In the case of producing a laminated diffraction grating, it is known that the aberration of the entire optical system can be suppressed by making the surface shape of the transparent substrate, on which the diffraction grating is laminated, an aspherical surface instead of a spherical surface. However, it is difficult to process a lens such as glass into an aspherical surface, which increases the cost.
そこで、本実施形態では、形状制御がしやすい樹脂材料を非球面とすることで、低コストで収差が抑制された光学系を得ることができる。具体的には、回折格子を形成する樹脂の回折格子が存在しない側の面であって透明基板と接していない面の形状を非球面としてもよい。また、例えば、回折格子層によって形成される、最も透明基板11と近い回折格子の頂点(本例では、ブレーズ形状の各構造における頂点)を結んだ曲線が非球面であってもよい。 Therefore, in this embodiment, an optical system in which aberration is suppressed can be obtained at low cost by using an aspherical resin material that is easy to control the shape. Specifically, the shape of the surface on the side where the diffraction grating of the resin forming the diffraction grating is not present and not in contact with the transparent substrate may be an aspherical surface. Further, for example, a curve formed by the diffraction grating layer and connecting the apexes of the diffraction grating closest to the transparent substrate 11 (in this example, the apex in each blazed structure) may be an aspherical surface.
図51(a)は、本実施形態の回折光学素子の例を模式的に示す模式断面図である。なお、図51(b)は、図51(a)において破線で囲んだ部分のうち回折格子面のみを取り上げて拡大して示す説明図である。なお、図51に示す例は、第1の実施形態の回折光学素子10に対して本実施形態の構成要素を適用させた例であり、透明基板11上には、一方の面に凹凸構造121を有する第1の回折格子層12と、同じく一方の面に凹凸構造131を有する第2の回折格子層13とが、互いの凹凸構造を向き合わせた状態で密着させて積層されている。本例では、回折格子層12と回折格子層13とによって形成される、単レンズ形状の透明基板11と最も近い回折格子の頂点を結んだ曲面(図51(b)の破線122参照。)が非球面となっている。
FIG. 51A is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the diffractive optical element of this embodiment. FIG. 51 (b) is an explanatory diagram showing only the diffraction grating surface of the portion surrounded by the broken line in FIG. 51 (a) in an enlarged manner. The example shown in FIG. 51 is an example in which the constituent elements of this embodiment are applied to the diffractive
このような構成とすることによって、色収差と同時に、収差を効果的に除去できる非球面を追加できる。 With such a configuration, it is possible to add an aspherical surface capable of effectively removing aberrations simultaneously with chromatic aberration.
また、図52は、本実施形態の回折光学素子の他の例を模式的に示す模式断面図である。図52に示す例は、第1の実施形態の回折光学素子10に対して本実施形態の構成要素を適用させた例であり、透明基板11上には、一方の面に凹凸構造(回折面)121を有する第1の回折格子層12と、同じく一方の面に凹凸構造(回折面)131を有する第2の回折格子層13とが、互いに回折面を密着させて積層されている。本例では、積層された回折格子層12のうち最も外側の層の表面である面132が非球面となっている。
FIG. 52 is a schematic cross-sectional view schematically showing another example of the diffractive optical element of the present embodiment. The example shown in FIG. 52 is an example in which the constituent elements of this embodiment are applied to the diffractive
このような構成とすることによって、色収差と同時に、収差を効果的に除去できる非球面を樹脂のインプリント法によって追加できる。従って、収差低減効果に加えて、光学系のレンズの枚数を削減できるメリットがある。 With such a configuration, an aspherical surface capable of effectively removing aberrations can be added simultaneously with chromatic aberration by a resin imprint method. Therefore, in addition to the aberration reduction effect, there is an advantage that the number of lenses of the optical system can be reduced.
なお、図51および図52では、第1の実施形態の構成に本実施形態を適用させた例を示したが、本実施形態は、第2および第3の実施形態の構成に対しても同様に適用可能である。 51 and 52 show an example in which the present embodiment is applied to the configuration of the first embodiment, the present embodiment is similar to the configurations of the second and third embodiments. It is applicable to.
実施形態5.
次に、本発明の第5の実施形態について説明する。本実施形態は、上記各実施形態の構成において、透明基板と回折格子層との間、および/または、回折格子層と回折格子層との間に薄膜を介在させることにより、シランカップリング剤等によるカップリング処理の効果を高めて密着性を向上させたり、透明基板と回折格子層、及び、回折格子層と回折格子層の屈折率が異なることによって発生する反射を抑制し、フレアの発生を抑制する。
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, in the configuration of each of the embodiments described above, a thin film is interposed between the transparent substrate and the diffraction grating layer and / or between the diffraction grating layer and the diffraction grating layer, so that a silane coupling agent or the like Increases the effect of coupling treatment by improving the adhesion, suppressing the reflection that occurs due to the difference in the refractive index of the transparent substrate and the diffraction grating layer, and the diffraction grating layer and the diffraction grating layer, the generation of flare Suppress.
図53に示す回折光学素子10は、第1の実施形態の構成において、透明基板11と回折格子層12との間に薄膜14を介在させてカップリング処理を行った例である。図53に示すように、本実施形態では、透明基板11を所望の形状に加工した後、透明基板11上に、シリカ等を材料とする薄膜14を作成する。その後、透明基板11に積層される形で形成された薄膜14に対してシラン等を用いてカップリング処理を行った上で、その薄膜14の上に回折格子層12を形成する。
The diffractive
また、図54に示す回折光学素子10は、第1の実施形態の構成において、回折格子層12と13との間に薄膜14を介在させてカップリング処理を行った例である。なお、図53と図54の例とを組み合わせて実施可能してもよい。
Further, the diffractive
図54に示す例では、透明基板11に回折格子層12が形成された状態で、その回折格子層12の上に、スパッタリング、蒸着、CVD等を用いて、シリカ等を材料とする薄膜14を作成する。その後、回折格子層12に積層される形で形成された薄膜14に対して、シラン等を用いてカップリング処理を行った上で、その薄膜14の上に回折格子層13を形成する。薄膜14の厚さとしては、5nmから100nm程度が好ましい。
In the example shown in FIG. 54, in a state where the
このように、基板と回折格子層間や各回折格子層間に薄膜14を介在させてカップリング処理を行うことによって、密着性の向上による耐久性も向上できる。また、界面が剥離することによる散乱の発生も抑止できる。なお、回折格子層と基板との界面にカップリング処理を行った場合にも、基板界面において同様の効果を得ることができる。
Thus, by performing the coupling process with the
また、薄膜14の屈折率と厚み、膜構成を調整して単層膜もしくは多層膜を成膜することで、反射防止膜とできる。そのような場合には、回折格子を形成している面の大部分の光線が入射する面に対してのみでなく、垂直に近い角度となっている凹凸の側面の反射を抑制できる。回折格子を構成する回折格子層の側面に効果的に反射防止膜を製膜するには、CVDやイオンアシスト等を利用したスパッタリング法を用い、該回折格子に撮像素子の有効面積によって規定される有効画角よりも外部の入射角度から入射する光の平均的な入射角度の反射率が小さくなるように膜厚や屈折率を決定し、膜構成するとよい。単層膜の場合は、界面を形成する各材料の屈折率の間の屈折率を持つ膜を成膜すると、広い波長範囲に渡って効果的に反射を抑制できる。また、単層膜、多層膜ともに、フレアの原因となる画角外に存在する光源等が想定される位置の平均値に、膜厚や屈折率を最適化することによって発生するフレアを効果的に抑制することできる。なお、回折格子を構成する回折格子層の間の薄膜(より具体的には反射防止膜)の厚さが1μm以下であれば、回折格子層の組み合わせによる回折格子として実質的に作用する。
Further, an antireflection film can be formed by adjusting the refractive index, thickness, and film configuration of the
また、上記説明では、第1の実施形態の構成において本実施形態による薄膜を生成し、カップリング処理や回折格子によるフレアの発生を抑制させることに適用させる場合を例に説明したが、このような薄膜14は上記各実施形態のいずれにも適用可能である。
In the above description, the case where the thin film according to the present embodiment is generated in the configuration of the first embodiment and applied to the suppression of flare caused by the coupling process or the diffraction grating is described as an example. The
実施形態6.
次に、本発明の第6の実施形態について説明する。本実施形態は、上記各実施形態の構成において、回折格子の位相伝達関数の定数項の決定方法を工夫することによって、樹脂の収縮による凹凸の発生を抑止する構成である。図55は、従来の回折レンズと比較して、本実施形態の回折光学素子の回折格子部分の断面形状を模式的に示す説明図である。
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. In the configuration of each of the above embodiments, the present embodiment is configured to suppress the occurrence of unevenness due to resin shrinkage by devising a method for determining the constant term of the phase transfer function of the diffraction grating. FIG. 55 is an explanatory view schematically showing the cross-sectional shape of the diffraction grating portion of the diffractive optical element of this embodiment, as compared with a conventional diffractive lens.
例えば、回折レンズを形成する場合、レンズの中心位置付近が非常に大きなピッチを持った回折構造となる場合がある。すると、樹脂の収縮により回折格子を埋めた樹脂の表面にも同様の凹凸が発生し、収差や回折効率の劣化を引き起こす場合があった(図55(a)参照)。本実施形態では、このような場合を考慮し、光学特性を変えずに形状を変えることによって上記問題を解決する。 For example, when forming a diffractive lens, there may be a diffractive structure having a very large pitch near the center of the lens. Then, similar unevenness was generated on the surface of the resin in which the diffraction grating was buried due to the shrinkage of the resin, which sometimes caused deterioration of aberration and diffraction efficiency (see FIG. 55A). In the present embodiment, in consideration of such a case, the above problem is solved by changing the shape without changing the optical characteristics.
図55(b)は、本実施形態の回折光学素子における位相伝達関数の定数項の決定結果を模式的に示した説明図である。回折レンズによって形成される位相波面を表すものとして、以下の位相伝達関数(式(12))を考える。 FIG. 55B is an explanatory diagram schematically showing the determination result of the constant term of the phase transfer function in the diffractive optical element of the present embodiment. As a representation of the phase wavefront formed by the diffractive lens, consider the following phase transfer function (Equation (12)).
φ(rad)=ρ0+Σρnr2n ・・・式(12)φ (rad) = ρ 0 + Σρ n r 2n Formula (12)
このρ0の項を中心部分の凹凸のアスペクト比が下がるように設定する。具体的には、図56に示すように、回折格子の直径方向に対し、各輪帯の幅をPn(nは、光軸中心の輪帯を1として、外側に凹凸1周期ごとに大きくなる整数値とする。)、輪帯の高さdnとしたとき、これらの積(Pn×dn)の最大値が小さくなるように設定する。このように設定することによって、回折格子層13の収縮が収差や回折効率に与える影響を小さくする。This term of ρ 0 is set so that the aspect ratio of the unevenness at the center portion is lowered. Specifically, as shown in FIG. 56, the width of each ring zone is defined as P n (n is 1 for the ring zone at the center of the optical axis, and the outer ring width is larger for each period of unevenness with respect to the diameter direction of the diffraction grating. integer value as a to.), when the height d n of zones, set as the maximum value of the product (P n × d n) becomes smaller. By setting in this way, the influence of the contraction of the
ここで、回折レンズが焦点距離1000mmの集光効果のみの機能を有するとする。このとき、P1=−7.85となる。なお、P2以降の係数は0である。この場合の位相伝達関数とその微分値は単調現象となるため、そのときの輪帯の高さdnと各輪帯の幅Pnの積の最大値を考えるには、輪帯中央部分2輪帯を考えればよい。一般的には、微分値が0付近の輪帯と両隣の輪帯を考えればよい。図57に、ρ0を変化させたときの輪帯の高さと輪帯の幅の積の関係を示す。Here, it is assumed that the diffractive lens has a function of only a condensing effect with a focal length of 1000 mm. At this time, P 1 = −7.85. It should be noted that the coefficient of P 2 or later is 0. The phase transfer function for the for the differential value becomes monotonous behavior, think the maximum value of the product of the width P n of the height d n and each ring-shaped zone of the annular zone at that time, zonal
図57に示す例では、ρ0=−2.5であれば、各輪帯の幅と高さの積の最大値が最小になる。なお、本例の場合では−1.75〜−3.25の範囲であれば、設計値からの収差のずれが抑制されたことが確認された。以上より、各輪帯の幅と高さの積の最大値が最小になるρ0の値に対して、±3割程度の誤差は認められるものと考えられる。In the example shown in FIG. 57, if ρ 0 = −2.5, the maximum value of the product of the width and height of each annular zone is minimized. In the case of this example, it was confirmed that the deviation of the aberration from the design value was suppressed in the range of −1.75 to −3.25. From the above, it is considered that an error of about ± 30% is recognized with respect to the value of ρ 0 where the maximum value of the product of the width and height of each annular zone is minimized.
なお、図56に示す例では、第1の実施形態に適用させる場合を例に、1つの回折格子に対して位相伝達関数の定数項の決定方法について示したが、回折格子が複数積層される第2および第3の実施形態においても、製造工程において回折格子を埋める樹脂の表面に収縮による凹凸の発生が発生すると収差や回折効率の劣化を引き起こす原因となりうるため、各回折格子に対して同様の方法により中心部分の凹凸のアスペクト比が下がるように位相伝達関数のρ0を設定することが好ましい。In the example shown in FIG. 56, the method for determining the constant term of the phase transfer function for one diffraction grating is shown as an example in the case of applying to the first embodiment, but a plurality of diffraction gratings are stacked. Also in the second and third embodiments, the occurrence of irregularities due to shrinkage on the surface of the resin filling the diffraction grating in the manufacturing process can cause deterioration of aberration and diffraction efficiency. It is preferable to set ρ 0 of the phase transfer function so that the aspect ratio of the unevenness in the central portion is lowered by the method.
実施形態7.
次に、本発明の第7の実施形態について説明する。本実施形態は、上記各実施形態の構成において、有効領域外にも回折格子と同様の構造を作成する構成である。
Next, a seventh embodiment of the present invention will be described. This embodiment is a configuration in which the same structure as the diffraction grating is created outside the effective region in the configuration of each of the above embodiments.
図58は、本実施形態の回折光学素子の積層回折格子層部分の断面を模式的に示す模式断面図である。例えば、有効領域にのみ回折格子層を積層する構成では、いずれかの回折格子層をその好適材料である樹脂で作成した場合に、樹脂の収縮量の違いから有効径外周部や有効径外の樹脂上にしわや剥離、充填樹脂の不足による空隙等の異常が発生して、異常発生部位に入射した光が反射や散乱し、フレアの原因となることがわかった。そこで、図58に示すように、回折格子層を積層する土台となる透明基板の端部まで樹脂層を延長して形成する。また、その際、領域によって樹脂の収縮量の大きな違いが発生しないよう、端部においてもダミーの凹凸構造を形成することがより好ましい。すなわち、2層の樹脂層が積層されて互い違いの凹凸形状が作られていることが好ましい。 FIG. 58 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the laminated diffraction grating layer portion of the diffractive optical element of this embodiment. For example, in the configuration in which the diffraction grating layer is laminated only in the effective region, when any one of the diffraction grating layers is made of a resin that is a suitable material, the outer diameter of the effective diameter or the outer diameter of the effective diameter is different due to the difference in the shrinkage amount of the resin. It was found that abnormalities such as voids due to wrinkles, peeling, and insufficient filling resin occurred on the resin, and the light incident on the site where the abnormality occurred was reflected or scattered, causing flare. Therefore, as shown in FIG. 58, the resin layer is formed so as to extend to the end of the transparent substrate that becomes the base on which the diffraction grating layers are stacked. Further, at that time, it is more preferable to form a dummy concavo-convex structure at the end portion so that a large difference in the shrinkage amount of the resin does not occur depending on the region. That is, it is preferable that the two resin layers are laminated to form an uneven shape.
これにより、樹脂上にしわや剥離、充填樹脂の不足による空隙等の異常が発生することを防止できる。有効領域外に設ける凹凸構造は、有効径内の最小ピッチと同じかそれ以上のピッチであることが好ましい。例えば、本発明の回折光学素子を、形状をフレネルレンズに模した回折レンズとして実現させる場合、フレネルレンズの有効径内の最外周の格子ピッチをpxとしたとき、フレネルレンズ有効径外に充填率が0.35〜0.65の格子ピッチ2px〜0.5pxの格子構造を形成してもよい。なお、有効径外においては、作製を容易とするために、外周に向かうほど格子ピッチが大きくなるような凹凸構造であってもよい。なお、末端部においては、凹凸構造を有していなくてもよく、また、例えば1種類の材料のみによる樹脂膜が形成される構成であってもよい。なお、樹脂層で覆う領域は、少なくとも有効径外を含んでいればよく、必ずしも基板の全ての表面を覆う必要はない。例えば、光学系に組み込む際に支持部との勘合部位として用いる領域等は含んでいなくてもよい。 As a result, it is possible to prevent the occurrence of abnormalities such as voids due to wrinkles and peeling on the resin and insufficient filling resin. It is preferable that the concavo-convex structure provided outside the effective region has a pitch equal to or greater than the minimum pitch within the effective diameter. For example, when the diffractive optical element of the present invention is realized as a diffractive lens whose shape is similar to a Fresnel lens, when the outermost grating pitch within the effective diameter of the Fresnel lens is px, the filling factor is outside the effective diameter of the Fresnel lens. May form a lattice structure having a lattice pitch of 2 px to 0.5 px with 0.35 to 0.65. In addition, outside the effective diameter, in order to facilitate manufacture, an uneven structure in which the lattice pitch increases toward the outer periphery may be used. In addition, in the terminal part, it may not have an uneven structure, for example, the structure by which the resin film only by one type of material may be formed may be sufficient. In addition, the area | region covered with a resin layer should just contain at least the outside of an effective diameter, and does not necessarily need to cover all the surfaces of a board | substrate. For example, it is not necessary to include a region used as a fitting portion with the support portion when incorporated in the optical system.
実施形態8.
次に、本発明の第8の実施形態について説明する。本実施形態は、上記各実施形態の構成において、回折構造に光が入射したときの回折格子の側壁に反射される光による散乱光の発生を抑制するために、回折構造を作成する材料の屈折率の差を定めた。
Next, an eighth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, in the configuration of each of the above embodiments, in order to suppress the generation of scattered light due to the light reflected on the side wall of the diffraction grating when light enters the diffraction structure, the refraction of the material forming the diffraction structure The difference in rate was determined.
図59は、格子側壁によって光が反射される様子を模式的に表した説明図である。なお、図59では、格子側壁の反射光による散乱の様子を模式的に示している。図59に示すように、格子側壁に光が反射されると、その角度によっては大きな散乱光が発生していた。例えば、撮像素子に有効画角外の光が入射してフレアの原因となる場合があった。特に逆光時等の画質が劣化していた。 FIG. 59 is an explanatory diagram schematically showing how light is reflected by the grating side walls. FIG. 59 schematically shows the state of scattering by the reflected light on the grating side walls. As shown in FIG. 59, when light is reflected on the grating side wall, large scattered light is generated depending on the angle. For example, light outside the effective angle of view may enter the image sensor and cause flare. In particular, the image quality deteriorated during backlighting.
このとき、回折構造を作成した材料の屈折率差と反射される角度における散乱光の発生光量を測定すると、図60に示すような傾向を得た。 At this time, when the difference in the refractive index of the material for which the diffractive structure was created and the amount of scattered light generated at the reflected angle were measured, a tendency as shown in FIG. 60 was obtained.
側壁部分の面積は、格子間の屈折率差を大きくすることで小さくできる。しかし、屈折率差が大きいとそれだけ反射率が大きくなるので、図60に示すように、結果的に反射量が増えることになっていた。調べた結果、側壁での反射量は屈折率の2乗に近い関数で増加する傾向にあることがわかった。 The area of the side wall portion can be reduced by increasing the refractive index difference between the gratings. However, if the refractive index difference is large, the reflectivity increases accordingly, and as a result, the amount of reflection is increased as shown in FIG. As a result of examination, it was found that the amount of reflection at the side wall tends to increase as a function close to the square of the refractive index.
本実施形態では、上記各実施形態の構成に加えて、格子間の屈折率差を0.15以下とすることにより、一般的に反射防止膜が目標とする反射率と同程度の反射率である垂直入射時の反射光が0.5%以下となり、また、画角外の光によって格子側壁から反射される反射光の反射率も小さくなるため、フレアの発生を抑制する。 In the present embodiment, in addition to the configuration of each of the above embodiments, the refractive index difference between the gratings is set to 0.15 or less, so that the reflectance generally equal to the target reflectance of the antireflection film is achieved. The reflected light at a certain vertical incidence is 0.5% or less, and the reflectance of the reflected light reflected from the grating side walls by light outside the angle of view is also reduced, so that the occurrence of flare is suppressed.
しかし、屈折率差を小さくしすぎると回折格子の高さが高くなり、回折効率の劣化が発生しやすくなる。このため、実施の形態1の構成では回折格子を構成する材料間の屈折率差は、0.02〜0.15の範囲であることがより好ましく、実施の形態2や実施の形態3の構成ではそれぞれの回折格子を構成する材料間で、0.15以下であることが好ましい。なお、回折格子を形成し、回折格子を構成する材料間の屈折率差は上記範囲内であってもカップリング処理のために薄膜を介在させることも考えられる。そのような場合であっても、薄膜の厚さが100nm以下、もしくは、反射防止膜であれば反射率に大きな変化を及ぼさない。 However, if the difference in refractive index is made too small, the height of the diffraction grating increases, and the diffraction efficiency tends to deteriorate. For this reason, in the configuration of the first embodiment, the difference in refractive index between the materials constituting the diffraction grating is more preferably in the range of 0.02 to 0.15, and the configurations of the second and third embodiments. Then, it is preferable that it is 0.15 or less between the materials which comprise each diffraction grating. In addition, even if the refractive index difference between the materials which form a diffraction grating and comprise a diffraction grating is in the said range, it is possible to interpose a thin film for a coupling process. Even in such a case, if the thickness of the thin film is 100 nm or less, or if it is an antireflection film, the reflectance is not greatly changed.
実施形態9.
次に、本発明の第9の実施形態について説明する。本実施形態では、本発明による回折光学素子を撮像光学系に組み込む例について説明する。図61および図62は、回折光学素子を用いた色収差の補正原理を説明する説明図である。
Next, a ninth embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, an example in which the diffractive optical element according to the present invention is incorporated in an imaging optical system will be described. 61 and 62 are explanatory views for explaining the principle of correcting chromatic aberration using a diffractive optical element.
図61(a)に示す屈折レンズ90のように、通常の屈折系凸レンズでは、屈折率の波長依存性によって色収差が発生する。すなわち、集光位置が波長によって異なり、青、緑、赤の波長の順で結像する。それに対して、図61(b)に示す回折光学素子10は、回折方向が正のパワーを有するように構成すれば、赤、緑、青の波長の順で結像できる。すると、図62に示すように、図61(a)に示す屈折系光学レンズ90と、図61(b)に示す回折光学素子10とを組み合わせて撮像光学系1000を構成することによって、互いの色収差をうち消すことが可能となる。
As with the
上記のように、組み合わせるレンズ系の屈折方向が正のパワーを有する場合には、色収差は、焦点距離が短い順に、青<緑<赤となりやすい。それに対して色消し効果を発現させるためには、回折方向が正のパワーを有する回折光学素子を組み合わせればよい。すなわち、回折光学素子の回折方向が正のパワーとなる場合には、焦点位置は、赤<緑<青となるため、色収差が効率よく補正できる。 As described above, when the refraction direction of the combined lens system has a positive power, the chromatic aberration tends to be blue <green <red in order of increasing focal length. In contrast, in order to develop an achromatic effect, a diffractive optical element having a positive power in the diffraction direction may be combined. That is, when the diffraction direction of the diffractive optical element has a positive power, the focal position is red <green <blue, so that chromatic aberration can be corrected efficiently.
逆に、組み合わせるレンズ系の屈折方向が負のパワーを有する場合には、回折方向も負のパワーを有する回折光学素子を組み合わせれば色収差が効率よく補正できる。なお、本発明による撮像光学系においては、屈折系のレンズの色収差が、回折光学素子が有する色収差と逆傾向に一致するように設計されているものとする。例えば、通常の屈折系光学レンズの場合、結像位置は波長に対して不等分であるが、回折光学素子では等分となる。従って、屈折系光学レンズで発生する色収差を、波長に対して逆傾向ではあるが等分となるように設計すればよい。なお、色収差の補正量は格子ピッチで調整可能である。 On the contrary, when the refraction direction of the lens system to be combined has negative power, chromatic aberration can be efficiently corrected by combining diffractive optical elements having negative power in the diffraction direction. In the imaging optical system according to the present invention, it is assumed that the chromatic aberration of the refractive lens coincides with the chromatic aberration of the diffractive optical element. For example, in the case of a normal refractive optical lens, the imaging position is not evenly divided with respect to the wavelength, but in a diffractive optical element, it is equally divided. Therefore, the chromatic aberration generated in the refractive optical lens may be designed to be equally divided although it has a reverse tendency with respect to the wavelength. The correction amount of chromatic aberration can be adjusted by the grating pitch.
また、撮像光学系は、複数のレンズを備えていてもよい。また、CCDやCMOSのような撮像素子を備えていてもよい。それら撮像光学系が備えるレンズ系によって発生する色収差が、最終的に回折格子と組み合わされたときにお互いに打ち消しあうように設計されていればよい。 The imaging optical system may include a plurality of lenses. Moreover, you may provide an image pick-up element like CCD and CMOS. The chromatic aberration generated by the lens system included in these imaging optical systems may be designed so as to cancel each other when finally combined with the diffraction grating.
なお、図62に示した例では、既存の光学系に平板の回折光学素子10を組み込む例を示したが、この他にも、既存の光学系が有するレンズの中に回折構造を入れて、ハイブリッドレンズとして作用する回折光学素子10を光学系に組み込むことも可能である。これは、回折光学素子が有する透明基板をレンズの形状にすることによって作成できる。なお、レンズの中に回折格子層を挟む構成であっても、レンズの表面に回折格子層を積層させる構成であってもよい。このような回折光学素子10は、いずれも回折光学素子10の透明基板を、既存の光学系が有するレンズのいずれかとして機能する形状に加工することで得られる。
In the example shown in FIG. 62, the example in which the flat diffractive
レンズの中や表面に回折格子を形成する場合、レンズのパワーと回折格子のパワーの符号を同一の符号にし、回折格子のピッチを調整することにより、異常分散材料のレンズに類似した特性を与えることも可能である。この場合、高価な異常分散材料のレンズを回折レンズに置き換えることができ、同様の光学系を安価に構成できる。また、従来設計と同様のコンセプトの光学系を利用でき、回折素子を利用したレンズ系の設計を容易にできる。 When a diffraction grating is formed in or on the lens, the lens power and the power of the diffraction grating are set to the same sign, and the pitch of the diffraction grating is adjusted to give characteristics similar to those of an anomalous dispersion material lens. It is also possible. In this case, an expensive anomalous dispersion material lens can be replaced with a diffractive lens, and a similar optical system can be constructed at low cost. In addition, an optical system having the same concept as the conventional design can be used, and a lens system using a diffraction element can be easily designed.
なお、図61〜図62では、第1の実施形態の回折光学素子10を撮像光学系に組み込む例を示しているが、回折光学素子は上記実施形態のいずれのものであってもよい。また、回折光学素子を組み込む撮像光学系としては、例えば、コンパクトデジタルカメラ、携帯電話やスマートフォン用等の小型カメラ、監視カメラ、内視鏡、イメージセンサ等が考えられる。
61 to 62 show an example in which the diffractive
以上のように、各実施形態で説明したような実用化に耐えうる材料で作製でき、かつ設計次数の回折効率が可視光領域の広い範囲にわたって高い値を維持できる回折光学素子を撮像光学系に組み込むことによって、撮像光学系においてフレアを効果的に抑制できる。また、異常分散材料のレンズと置き換えることが可能であるため、従来の設計概念等が利用でき、また、高価な異常分散材料を用いずに低コストで同等性能の構成を得ることができる。 As described above, a diffractive optical element that can be manufactured using a material that can be put to practical use as described in each embodiment and that can maintain a high diffraction efficiency of the designed order over a wide range in the visible light region is used in the imaging optical system. By incorporating, flare can be effectively suppressed in the imaging optical system. In addition, since it can be replaced with a lens made of an anomalous dispersion material, the conventional design concept can be used, and a configuration with equivalent performance can be obtained at a low cost without using an expensive anomalous dispersion material.
以下、具体的な数値等を用いて各本実施形態の例を説明する。第1の実施例は、第1の実施形態の一実施例であって、図9に示したような回折格子層が積層される透明基板11の面が曲面である回折光学素子10について説明する。本例の回折光学素子10は、まず、ガラス基板をガラスモールド法により所望の形状(本例では、単レンズ形状)に加工して、有効径10mmの球面の単レンズ11を得る。
Hereinafter, examples of the present embodiment will be described using specific numerical values and the like. The first example is an example of the first embodiment, and the diffractive
次に、単レンズ11の表面に、次工程で積層される回折格子層12との密着性を向上させるためのシランカップリング剤にてカップリング処理を行う。
Next, a coupling process is performed on the surface of the
次に、その単レンズ11上に、回折格子層12の材料である第1の樹脂材料を光インプリント法を用いて所望の形状を転写しつつ積層して、回折格子層12を形成する。回折格子層12に用いた材料は、ビフェニル基にシリコン原子が結合した有機無機ハイブリッド材料であり、光インプリント法によってUV光によりアクリルモノマーを硬化させて回折格子層12と樹脂であって、硬化後にアッベ数=25.1、nd(d線の屈折率)=1.597の光学特性を有する。また、波長400nm〜700nmにおいて、吸収を持たない材料である。このとき、回折格子層12は、その表面すなわち単レンズ11と接していない側の面に、後述する回折格子層13の凹凸構造と組み合わされて回折格子100として作用する、全体としてはフレネルレンズ形状であり断面がブレーズ状の凹凸構造を含んで形成される。
Next, the first resin material, which is the material of the
また、回折格子層12に設ける凹凸構造121は、少なくとも本回折光学素子10の回折レンズとしての有効径内においては、e線の光が進行する方向分布の平均となる方向に対して、回折格子100の高さが12.8μmとなるように形成する。本例では、凹凸構造121を、回折格子100が回折レンズとして焦点距離1000mmの集光効果を持つようにパターンニングし、最少ピッチは最外周で約120μmである。また、有効径外にもピッチ120μm凹凸構造を形成し、それにより単レンズ11の表面全体に凹凸構造が作成されるようにする。
In addition, the concavo-
次いで、その回折格子層12の表面すなわち単レンズ11と接していない側の面上に、回折格子層13の材料である第2の樹脂材料を光インプリント法を用いて所望の形状を転写しつつ積層して、回折格子層13を形成する。回折格子層13に用いた材料は、アダマンチル基を有するアクリルモノマーとZrO2微粒子の有機溶媒ゾルを混合し、有機溶媒を減圧乾燥にて、除去したものを硬化させた樹脂であって、アッベ数=44.2、nd=1.644の光学特性を有する。また、波長400nm〜700nmにおいて、吸収を持たない材料である。このとき、回折格子層13は、少なくとも回折格子層12表面に設けられている凹凸構造121の凹部を空隙なく充填し、さらにもう一方の表面をレンズ形状とする。Next, the second resin material, which is the material of the
これにより、回折格子層12と13とで1つの回折面を構成する回折格子100が形成されたことになる。
As a result, the
その後、回折格子層13の上および単レンズ11の表面にスパッタリング法を用いて反射防止膜を作成し、ハイブリッドレンズとして作用する回折光学素子10を得る。
Thereafter, an antireflection film is formed on the
なお、回折格子層12の材料と回折格子層13の材料の条件式(A)の値は、0.00147であり、条件式(B)の値は、−0.0743であった。
In addition, the value of the conditional expression (A) of the material of the
図63は、作製された本例の回折光学素子10における回折効率を示すグラフである。回折効率を測定すると、波長455nmでは、99.5%、波長533nmでは97.5%、波長660nmでは99.8%であった。なお、回折効率のピークは波長440nmと650nmである。
FIG. 63 is a graph showing the diffraction efficiency in the produced diffractive
本実施例の回折光学素子10を用いることで、撮像光学系において回折光学素子によるフレアをより効果的に抑制できる。また、本実施例の回折光学素子10は、有効径外において空気層を含んでいないため、有効領域外に入射した光が空隙等に入射して発生する反射や散乱も十分に小さい値となっている。
By using the diffractive
本実施例の回折光学素子10を利用して、撮像光学系を構築し、撮影を行ったところ、色収差による解像度の劣化がなく、フレアの発生などによる解像度やコントラストの劣化が起こらない良好な画像が得られる。また、回折光学素子10に画角外にある光源からの光が入射した場合にも、フレアの発生によるコントラストが低下しない良好な画像が得られる。
When the imaging optical system was constructed and photographed using the diffractive
第2の実施例は、第2の実施形態の一実施例であって、図40に示したような回折格子層が積層される透明基板11の面が曲面である回折光学素子20について説明する。本例の回折光学素子20は、まず第1の実施例と同様の方法によって、単レンズ21と、その上に積層される第1の樹脂材料による回折格子層22とを形成する。
The second example is an example of the second embodiment, and the diffractive
本実施例では、回折格子層22に設ける凹凸構造221を、回折格子201の高さが5.1μmとなるように形成する。回折格子層22に用いた材料は、アルキル基を主成分としたアクリルモノマーを硬化させた樹脂であって、アッベ数=64.0、nd=1.483の光学特性を有する。
In this embodiment, the
次に、その回折格子層22の表面すなわち単レンズ21と接していない側の面上に、回折格子層23の材料である第2の樹脂材料を光インプリント法を用いて所望の形状を転写しつつ積層して、回折格子層23を形成する。回折格子層23に用いた材料は、ジシクロペンタニル基を有するアクリルモノマーとZrO2微粒子の有機溶媒ゾルを混合し、有機溶媒を減圧乾燥にて、除去したものを光インプリント時に硬化させた樹脂であって、アッベ数=44.9、nd=1.612の光学特性を有する。このとき、回折格子層23は、少なくとも回折格子層22に設けられた凹凸構造221の凹部を空隙なく充填し、さらにもう一方の表面に、回折格子層24に形成される凹凸構造241と組み合わされて回折格子202として作用する、全体がフレネルレンズ形状であり断面がブレーズ状の凹凸構造232を含んで形成される。回折格子層23の表面に設ける凹凸構造232は、回折格子層22と当該回折格子23との界面において形成される回折格子201と略同一の格子ピッチとなるように形成する。ただし、回折格子202の高さが13.2μmとなるように形成する。なお、格子の高さ方向は、図40に示すように、回折格子201,202とで向かい合わせすなわち逆方向になるように形成する。このとき、回折格子層23において回折格子201と202との間は1.0μmである。Next, on the surface of the
回折格子層23の部材を回折格子層22に設けられた凹凸構造221の凹部を空隙なく充填することで、まず1つの回折面を構成する回折格子201が形成されたことになる。
By filling the members of the
次いで、その回折格子層23の表面すなわち回折格子層22と接していない側の面上に、回折格子層24の材料である第3の樹脂材料を光インプリント法を用いて所望の形状を転写しつつ積層して、回折格子層24を形成する。回折格子層24に用いた材料は、フルオレン骨格を有するモノマーを硬化させた樹脂であって、アッベ数=25.2、nd=1.616の光学特性を有する。このとき、回折格子層24は、少なくとも回折格子層23の表面に設けられている凹凸構造の凹部を空隙なく充填し、さらにもう一方の表面をレンズ形状とする。
Next, a desired shape is transferred onto the surface of the
これにより、回折格子層23と24とでさらに1つの回折面を構成する回折格子202が形成されたことになる。
As a result, the
その後、回折格子層24の上および単レンズ21の表面にスパッタリング法を用いて反射防止膜を作成し、ハイブリッドレンズとして作用する回折光学素子20を得る。なお、各回折格子の中心部分の高さや有効径外への凹凸形状の付与等、他の点については第1の実施例と同様である。
Thereafter, an antireflection film is formed on the
このときの材料の屈折率の関係は、組み合わせ例1を充足しており、かつA=5.5とした式(5)の値は0.31であり、E=0.5とした式(9)の値は0.99である。図15と図17に示した相関図より、回折格子201の格子高さは5μm程度となり、ほぼ実形状と同等となっている。また、C=−1.5とした式(7)の値は1.8であり、D=0.7とした式(8)の値は1.49である。図18と図19の相関図より、回折格子202の格子高さは13μm程度となり、ほぼ実形状と同等となっている。
In this case, the relationship between the refractive indexes of the materials satisfies the combination example 1, and the value of the equation (5) when A = 5.5 is 0.31, and the equation (E = 0.5) ( The value of 9) is 0.99. From the correlation diagrams shown in FIGS. 15 and 17, the grating height of the
図64は、作製された本例の回折光学素子20における回折効率を示すグラフである。回折効率を測定すると、波長455nmでは、99.8%、波長533nmでは99.0%、波長660nmでは99.0%であった。なお、回折効率のピークは波長445nmと610nmである。
FIG. 64 is a graph showing the diffraction efficiency in the produced diffractive
また、上述の図42は、本実施例の回折光学素子20の回折構造の入射角度による回折効率の変化を示すグラフである。図42に示すように、本実施例では、たとえ斜入射になったとしても、回折効率の変化が抑制されるように回折構造が形成されていることがわかる。これは、凸レンズとして作用するレンズ形状と各材料の配置位置との関係において、入射角度が正となるように回折構造が形成されているためである。
FIG. 42 is a graph showing the change in diffraction efficiency depending on the incident angle of the diffractive structure of the diffractive
本実施例の回折光学素子20を用いることで、撮像光学系において回折光学素子によるフレアをより効果的に抑制できる。また、本実施例の回折光学素子20は、有効径外において空気層を含んでいないため、有効領域外に入射した光が空隙等に入射して発生する反射や散乱も十分に小さい値となっている。
By using the diffractive
第3の実施例は、第2の実施形態の一実施例であって、図65に示すように、各回折格子の高さの方向を揃えて作製する例である。図65は、本実施例の回折光学素子20の断面を模式的に示す模式断面図である。図65に示すように、本実施例の回折光学素子20の構成は、基本的には第2の実施例と同様である。ただし、第2の実施例では、回折格子の斜辺部の傾きの向きが回折格子201と回折格子202とで相対するような傾きとしたが、本実施例では、傾きの方向を揃えて作製する。
The third example is an example of the second embodiment, and is an example in which the height directions of the diffraction gratings are aligned as shown in FIG. FIG. 65 is a schematic cross-sectional view schematically showing a cross section of the diffractive
本実施例の回折光学素子20は、まず第2の実施例と同様の方法によって、単レンズ21と、その上に積層される第1の樹脂材料による回折格子層22とを形成する。本実施例では、回折格子層22に設ける凹凸構造221を、回折格子201の高さが10.2μmとなるように形成する。
In the diffractive
次に、その回折格子層22の表面すなわち単レンズ21と接していない側の面上に、第2の実施例と同様の方法によって、回折格子層23を形成する。本実施例では、回折格子層23に設ける凹凸構造232を、回折格子層22に設けられた凹凸構造221と略同一の格子ピッチとなるように形成する。ただし、回折格子202の高さが14.5μmとなるように形成する。なお、格子の高さ方向は、図65に示すように、回折格子201,202とで向きが揃うように形成する。換言すると、回折格子201と回折格子202とで回折格子の斜辺部の傾きの向きが揃うように形成する。
Next, the
次いで、その回折格子層23の表面すなわち回折格子層22と接していない側の面上に、第2の実施例と同様の方法によって、回折格子層24を形成する。
Next, the
その後、回折格子層24の上および単レンズ21の表面に反射防止膜を作成し、ハイブリッドレンズとして作用する回折光学素子20を得る。
Thereafter, an antireflection film is formed on the
本例の回折光学素子20の回折格子層22に用いた材料は、同一分子中にビフェニル基とシリコン原子を含むアクリルモノマーを硬化させた樹脂であって、アッベ数=23.3、nd=1.624の光学特性を有する。また、波長400nm〜700nmにおいて、吸収を持たない材料である。
The material used for the
また、回折格子層23に用いた材料は、フェニル基とシリコン原子を含むアクリルモノマーとアダマンチル基を含むアクリルモノマーの混合物を硬化させた樹脂であって、アッベ数=43.1、nd=1.546の光学特性を有する。また、波長400nm〜700nmにおいて、吸収を持たない材料である。
The material used for the
また、回折格子層24に用いた材料は、アダマンチル基を有するアクリルモノマーとZrO2微粒子の有機溶媒ゾルを混合し、有機溶媒を減圧乾燥にて、除去したものを硬化させた樹脂であって、アッベ数=44.0、nd=1.643の光学特性を有する。また、波長400nm〜700nmにおいて、吸収を持たない材料である。The material used for the
このときの材料の屈折率の関係は、組み合わせ例5を充足しており、かつA=0.05とした式(5)の値は0.953であり、B=0.2とした式(6)の値は0.985である。回折格子201の格子高さは図32と図33から、10μm程度と予想され、実形状とほぼ同等である。また、A=0.3とした式(5)の値は0.974であり、B=0.6とした式(6)の値は0.947である。回折格子202の格子高さは図34、図35から15μm程度と予想され、実形状とほぼ同等である。いずれの回折格子も15μm以下の格子高さとなり、格子パターン全面において高い効率を保持している。
The relationship between the refractive indexes of the materials at this time satisfies the combination example 5, and the value of the equation (5) in which A = 0.05 is 0.953, and the equation in which B = 0.2 ( The value of 6) is 0.985. The grating height of the
図66は、作製された本例の回折光学素子20における回折効率を示すグラフである。回折効率を測定すると、波長455nmでは、99.9%、波長533nmでは99.2%、波長660nmでは99.4%であった。なお、回折効率のピークは波長440nmと610nmである。
FIG. 66 is a graph showing the diffraction efficiency in the produced diffractive
以下、第2の実施形態の回折光学素子20の材料セットの他の好適例として、いくつか具体例を示す。図67は、図12に示した組み合わせ例の具体例を示す説明図である。なお、図67において、格子高さ1は回折格子層22と23によって形成される回折格子の高さを表している。また、格子高さ2は回折格子層23と24によって形成される回折格子の高さを表している。なお、回折格子高さ1,2におけるマイナス値は、他方の回折格子に対して格子高さ方向が反転している状態を表している。また、図67では、アッベ数を用いて各材料の分散特性を分類しているが、各材料のアッベ数によって表される分散特性の類否よりも、式(3)で示したような値を用いてその差の大小関係によって表される分散特性の類似が図12の組み合わせと合致していることがより好ましい。
Hereinafter, some specific examples will be shown as other suitable examples of the material set of the diffractive
図67に示す例において、nd=1.51未満でアッベ数が60以上の材料は、例えば、アルキル基を主成分としたアクリルモノマーを主成分とするモノマーを硬化させることで得られる。また、nd=1.51未満でアッベ数が50以下の材料は、例えば、フェニル基とフルオロ基を同一分子中に含むアクリルモノマーを主成分とし、フェニル基を含有するアクリルモノマー等を混合し硬化させることで得られる。 In the example shown in FIG. 67, a material having an Abbe number of 60 or more with an nd of less than 1.51 can be obtained, for example, by curing a monomer mainly composed of an acrylic monomer mainly composed of an alkyl group. In addition, a material having an Abbe number of less than 1.51 and an Abbe number of 50 or less is, for example, mainly composed of an acrylic monomer containing a phenyl group and a fluoro group in the same molecule, and mixed with an acrylic monomer containing a phenyl group. Can be obtained.
また、nd=1.51〜1.59でアッベ数が40以下の材料は、例えば、シリコン原子にビフェニル基が結合している有機無機ハイブリッドアクリルモノマーとフェニル基とフルオロ基を同一分子中に含むアクリルモノマーを選択、混合し硬化させることで得ることができる。nd=1.51〜1.59でアッベ数が40〜50の材料は、例えば、シリコン原子とフェニル基が結合したアクリルモノマーとアダマンチル基を有するアクリルモノマーを混合させて硬化させることで得られる。nd=1.51〜1.59でアッベ数が50以上の材料は、アダマンチル基、または、ジシクロペンタニル基、または、シクロ環を有するアクリルモノマーを混合し、硬化させるか、前記モノマーにZrO2微粒子の有機溶媒ゾルを混合し、有機溶媒を除去することで得ることができるモノマーを硬化させることで得られる。A material having an nd = 1.51 to 1.59 and an Abbe number of 40 or less includes, for example, an organic-inorganic hybrid acrylic monomer in which a biphenyl group is bonded to a silicon atom, a phenyl group, and a fluoro group in the same molecule. It can be obtained by selecting, mixing and curing an acrylic monomer. A material having nd = 1.51 to 1.59 and an Abbe number of 40 to 50 can be obtained, for example, by mixing and curing an acrylic monomer having a silicon atom and a phenyl group bonded to an acrylic monomer having an adamantyl group. For materials with nd = 1.51 to 1.59 and an Abbe number of 50 or more, an acrylic monomer having an adamantyl group, a dicyclopentanyl group or a cyclo ring is mixed and cured, or ZrO is added to the monomer. It is obtained by curing a monomer that can be obtained by mixing two fine organic solvent sols and removing the organic solvent.
また、nd=1.59より大きくアッベ数が40以上の材料は、例えば、アダマンチル基、または、ジシクロペンタニル基、または、シクロ環を有するモノマーとZrO2微粒子の有機溶媒ゾルを混合し、有機溶媒を除去することで得ることができるモノマーを硬化させることで得られる。また、nd=1.59より大きくアッベ数が30以下の材料は、例えば、フルオレン骨格を有するアクリルモノマーやシリコン原子にフェニル基やビフェニル基が同時に、または、複数結合したアクリルモノマーを主成分とするアクリルモノマーを硬化させることで得られる。A material having an Abbe number greater than nd = 1.59 and 40 or more, for example, an adamantyl group, a dicyclopentanyl group, or a monomer having a cyclo ring and an organic solvent sol of ZrO 2 fine particles are mixed, It can be obtained by curing a monomer that can be obtained by removing the organic solvent. A material having an Abbe number greater than nd = 1.59 and 30 or less is mainly composed of, for example, an acrylic monomer having a fluorene skeleton or an acrylic monomer in which a phenyl group or a biphenyl group is bonded to a silicon atom at the same time or a plurality of bonds. It is obtained by curing the acrylic monomer.
このように、第2の実施形態ではさまざまな材料の組み合わせが可能だが、上記のものに限定されない。例えば、図67は、各組み合わせ例における代表的な例を1つずつ挙げただけであるので、この他にも好適例は存在する。 As described above, various combinations of materials are possible in the second embodiment, but are not limited to the above. For example, FIG. 67 shows only one representative example in each combination example, and there are other suitable examples.
第3の実施例は、第2の実施形態の一実施例であって、2枚の透明基板21,25の間に、3つの材料を用いた3層の回折格子層22,23,24が挟まれている回折光学素子20について主にその製造方法について説明する。図68は、本例の回折光学素子20の断面を示す模式的断面図である。図68に示すように、本例の回折光学素子20は、2枚の透明基板21,25の間に、3つの材料を用いた3層の回折格子層22,23,24が挟まれた構成となっている。これは、既存のレンズの中に回折構造を組み込んだ形態ともいえる。
The third example is an example of the second embodiment, and three diffraction grating layers 22, 23, and 24 using three materials are provided between two
本実施例の回折光学素子20は、まず第2の実施例と同様の方法によって、単レンズ21と、その上に積層される第1の樹脂材料による回折格子層22とを形成する。本実施例では、回折格子層22に設ける凹凸構造221は第2の実施例と同じとする。
In the diffractive
次に、ガラスモールド法を用いて、単レンズ21を形成した基板とは別のガラス基板の表面に所望の形状を加工して、単レンズ25を得る。
Next, using a glass mold method, a desired shape is processed on the surface of a glass substrate different from the substrate on which the
次に、作製した単レンズ25上に、回折格子層24の材料である第3の樹脂材料を光インプリント法を用いて所望の形状を転写しつつ積層して、回折格子層24を形成する。このとき、回折格子層24の表面に設ける凹凸構造241は、単レンズ21と25を互いに向かい合わせで張り合わせたときに、当該凹凸構造241によって形作られる回折格子202と、回折格子層22に設けられている凹凸構造221によって形作られる回折格子201とが略同一の格子ピッチとなるように形成する。なお、格子の高さおよび高さ方向は第2の実施例と同様である。これにより、第2の実施例における回折格子層24と等価な構造の回折格子層24を得る。
Next, a third resin material, which is the material of the
次いで、単レンズ21と25とを、回折格子層22と24とが向かい合うようにして所定の間隔をあけて張り合わせる。その際、回折格子層22と回折格子層24との間に回折格子層23となるモノマーを滴下して、回折格子層22の凹凸構造221と回折格子層24の凹凸構造241の間で最も互いに近いところの距離が0.5μmとなるように加圧、露光する。これにより、滴下したモノマーを硬化させて回折格子層22と回折格子層24との間に、凹凸構造231,232を有する回折格子層23を形成する。その後、単レンズ21と単レンズ25の表面にそれぞれスパッタリング法を用いて反射防止膜を作成し、ハイブリッドレンズとして作用する回折光学素子20を得る。なお、各回折格子層に用いる材料は、第2の実施例と同様である。
Next, the
本実施例は、第5の実施形態の一実施例であって、第1の実施例の構成に加えて、図54に示すように、回折格子層12と回折格子層13の間に薄膜14を介在させてカップリング処理を行い、密着性を向上させる例である。
This example is an example of the fifth embodiment. In addition to the configuration of the first example, as shown in FIG. 54, the
本例の回折光学素子10は、まず第1の実施例と同様の方法によって、単レンズ11と、その上に積層される第1の樹脂材料による回折格子層12とを形成する。本実施例では、回折格子層12に設ける凹凸構造は第1の実施例と同じとする。
In the diffractive
次に、その回折格子層12の表面に、スパッタリング法を用いて、シリカを材料とする15nmの厚みの薄膜14を作成する。そして、回折格子層12の凹凸構造の上に積層される形で形成された薄膜14に対してシランカップリング剤を用いてカップリング処理を行った上で、その薄膜14の上に所望の形状の回折格子層13を、光インプリント法により形成する。
Next, a
これにより、回折領域前面にわたり、温度変化の激しい環境や高温加湿の環境においても回折格子層13が剥がれることのない、信頼性の高い回折光学素子10を得ることができる。
Thereby, it is possible to obtain a highly reliable diffractive
本実施例は、第8の実施形態の一実施例である。本実施例では、第5の実施例の構成において、シリカの薄膜14をSiON膜に変更してなる回折光学素子10について説明する。
This example is an example of the eighth embodiment. In this embodiment, a diffractive
第5の実施例の構成において、回折格子層12の表面にCVD法にて薄膜14となるSiON膜を成膜する。ここでは、膜厚が、回折格子100の側壁部分で150nmとなるように成膜する。
In the configuration of the fifth embodiment, a SiON film that becomes the
SiON膜の屈折率nd=1.625であり、アッベ数は47.2である。なお、回折格子層12に用いた材料は、第1の実施例と同じであり、アッベ数=25.1、nd=1.597である。また、回折格子層13に用いた材料は、第1の実施例と同じであり、アッベ数=44.2、nd=1.644である。
The refractive index of the SiON film is nd = 1.625, and the Abbe number is 47.2. The material used for the
本実施例の構成によれば、画角外に光源がある場合において、第1の実施例の回折光学素子10から測定される散乱光のピークに比べて、本実施例の回折光学素子10から測定される散乱光のピークが20%程度に減少させられる。
According to the configuration of the present embodiment, when there is a light source outside the angle of view, the diffractive
以上、本発明を詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、本発明は、さらに別の態様でも実施でき、その主旨を逸脱しない範囲で種々変更を加えうるものである。
本出願は、2012年5月9日付けで出願された日本特許出願(特願2012−107735)に基づいており、その全体が引用により援用される。Although the present invention has been described in detail above, these are merely examples, and the present invention can be implemented in other modes, and various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.
This application is based on a Japanese patent application filed on May 9, 2012 (Japanese Patent Application No. 2012-107735), which is incorporated by reference in its entirety.
本発明は、あらゆる光学系に適用可能であるが、特に、カメラ、携帯電話、スマートフォン、内視鏡、イメージセンサ等に組み込まれる撮像光学系において、小型化とともにフレアの低減を行う用途に好適である。 The present invention can be applied to all types of optical systems, but is particularly suitable for applications that reduce flare and reduce flare in imaging optical systems incorporated in cameras, mobile phones, smartphones, endoscopes, image sensors, and the like. is there.
10、20、30 回折光学素子
11、21、31、25 透明基板
12、22、32 第1の回折格子層
121、221、321 凹凸構造
13、23、33 第2の回折格子層
131、231、232、331 凹凸構造
24、34 第3の回折格子層
241、341 凹凸構造
35 第4の回折格子層
351 凹凸構造
14 薄膜
100、201、202、301、302 回折格子
1000 撮像光学系10, 20, 30 Diffraction
Claims (17)
少なくとも1つの透明基板と、
前記透明基板上に設けられる第1の回折格子層と、
前記第1の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第2の回折格子層とを備え、
前記第1の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第2の回折格子層の前記第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、
前記透明基板と前記第1の回折格子層と前記第2の回折格子層とが、少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、
少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられている
ことを特徴とする回折光学素子。A diffractive optical element that changes the traveling direction of incident light using the diffraction phenomenon of light,
At least one transparent substrate;
A first diffraction grating layer provided on the transparent substrate;
A second diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from the material of the first diffraction grating layer provided on the first diffraction grating layer;
Part of the interface of the first diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located and part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the first diffraction grating layer is located And a concavo-convex structure that is combined with each other and acts as one diffraction grating,
The transparent substrate, the first diffraction grating layer, and the second diffraction grating layer are laminated at least in an effective region without interposing a gap therebetween,
The material of at least one diffraction grating layer is a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, or a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule. A diffractive optical element.
少なくとも1つの透明基板と、
前記透明基板上に設けられる第1の回折格子層と、
前記第1の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第2の回折格子層と、
前記第2の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層および前記第2の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第3の回折格子層とを備え、
前記第1の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第2の回折格子層の前記第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、
前記第2の回折格子層の前記第3の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第3の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、
前記透明基板と前記第1の回折格子層と前記第2の回折格子層と前記第3の回折格子層とが、少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、
少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられている
ことを特徴とする回折光学素子。A diffractive optical element that changes the traveling direction of incident light using the diffraction phenomenon of light,
At least one transparent substrate;
A first diffraction grating layer provided on the transparent substrate;
A second diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from the material of the first diffraction grating layer provided on the first diffraction grating layer;
A third diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from the materials of the first diffraction grating layer and the second diffraction grating layer provided on the second diffraction grating layer;
Part of the interface of the first diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located and part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the first diffraction grating layer is located And a concavo-convex structure that is combined with each other and acts as one diffraction grating,
Part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the third diffraction grating layer is located and part of the interface of the third diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located And a concavo-convex structure that is combined with each other and acts as one diffraction grating,
The transparent substrate, the first diffraction grating layer, the second diffraction grating layer, and the third diffraction grating layer are stacked at least in an effective region without any gaps between them,
The material of at least one diffraction grating layer is a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, or a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule. A diffractive optical element.
少なくとも1つの透明基板と、
前記透明基板上に設けられる第1の回折格子層と、
前記第1の回折格子層上に設けられる、前記第1の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第2の回折格子層と、
前記第2の回折格子層上に設けられる、少なくとも前記第2の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第3の回折格子層と、
前記第3の回折格子層上に設けられる、少なくとも前記第3の回折格子層の材料とは異なる光学特性を有する材料からなる第4の回折格子層とを備え、
前記第1の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第2の回折格子層の前記第1の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、
前記第2の回折格子層の前記第3の回折格子層が位置する側の界面と、前記第3の回折格子層の前記第2の回折格子層が位置する側の界面とには、凹凸構造がなく、
前記第3の回折格子層の前記第4の回折格子層が位置する側の界面の一部と、前記第3の回折格子層の前記第3の回折格子層が位置する側の界面の一部とには、互いが組み合わされて1つの回折格子として作用する凹凸構造が形成されており、
前記透明基板と前記第1の回折格子層と前記第2の回折格子層と前記第3の回折格子層と前記第4の回折格子層とが、少なくとも有効領域内において間に空隙を挟まずに積層されており、
少なくとも1つの回折格子層の材料に、ジルコニアコンポジット材料、フェニル基もしくはビフェニル基を含有した有機無機ハイブリッド材料、または、フルオロ基とフェニル基とを単一の分子内に含有するモノマー材料が用いられている
ことを特徴とする回折光学素子。A diffractive optical element that changes the traveling direction of incident light using the diffraction phenomenon of light,
At least one transparent substrate;
A first diffraction grating layer provided on the transparent substrate;
A second diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from the material of the first diffraction grating layer provided on the first diffraction grating layer;
A third diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from at least the material of the second diffraction grating layer provided on the second diffraction grating layer;
A fourth diffraction grating layer made of a material having optical characteristics different from at least the material of the third diffraction grating layer provided on the third diffraction grating layer;
Part of the interface of the first diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located and part of the interface of the second diffraction grating layer on the side where the first diffraction grating layer is located And a concavo-convex structure that is combined with each other and acts as one diffraction grating,
An uneven structure is formed between the interface of the second diffraction grating layer on the side where the third diffraction grating layer is located and the interface of the third diffraction grating layer on the side where the second diffraction grating layer is located. Without
Part of the interface of the third diffraction grating layer on the side where the fourth diffraction grating layer is located and part of the interface of the third diffraction grating layer on the side where the third diffraction grating layer is located And a concavo-convex structure that is combined with each other and acts as one diffraction grating,
The transparent substrate, the first diffraction grating layer, the second diffraction grating layer, the third diffraction grating layer, and the fourth diffraction grating layer do not interpose a gap at least in the effective region. Are stacked,
The material of at least one diffraction grating layer is a zirconia composite material, an organic-inorganic hybrid material containing a phenyl group or a biphenyl group, or a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule. A diffractive optical element.
条件式(A):
−0.13 ≦ Δ(ng−nC)+0.506(Δng) ≦ 0.16The combination of the material of the first diffraction grating layer and the material of the second diffraction grating layer is such that, for these two materials, the refractive index of g line is ng, the refractive index of C line is nC, and ng-nC of one material. When the difference between the value of ng−nC of the other material is Δ (ng−nC), and the difference between the ng value of one material and the ng of the other material is Δng, the following conditional expression The diffractive optical element according to claim 1, which satisfies (A).
Conditional expression (A):
−0.13 ≦ Δ (ng−nC) +0.506 (Δng) ≦ 0.16
条件式(B):
−1.1 < Δ(ng−nC)/(Δne)1/2 < 0.27The combination of the material of the first diffraction grating layer and the material of the second diffraction grating layer is such that, for these two materials, the refractive index of g-line is ng, the refractive index of C-line is nC, and the refractive index of e-line is The difference between the ng-nC value of one material and the ng-nC value of the other material is Δ (ng-nC), and the difference between the ne value of one material and the ne of the other material is The diffractive optical element according to claim 1, wherein, when Δne is satisfied, the following conditional expression (B) is satisfied.
Conditional expression (B):
−1.1 <Δ (ng−nC) / (Δne) 1/2 <0.27
低屈折率材料の場合に、アッベ数が50以下であれば低屈折率高分散材料とし、アッベ数が60以上であれば低屈折率低分散材料とし、
中屈折率材料の場合に、アッベ数が40以下であれば中屈折率高分散材料とし、アッベ数が50以上であれば中屈折率低分散材料とし、
高屈折率材料の場合に、アッベ数が30以下であれば高屈折率高分散材料とし、アッベ数が40以上であれば高屈折率低分散材料としたときに、
第1の回折格子層の材料と第2の回折格子層と第3の回折格子層の材料の組み合わせが、透明基板からの積層順において、以下の6つのパターンのうちのいずれかに該当している請求項2に記載の回折光学素子。
パターン1:1層目が低屈折率低分散材料、2層目が高屈折率低分散材料、3層目が高屈折率高分散材料である。
パターン2:1層目が中屈折率高分散材料、2層目が高屈折率高分散材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン3:1層目が低屈折率高分散材料、2層目が高屈折率高分散材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン4:1層目が中屈折率高分散材料、2層目が低屈折率材料もしくは中屈折率材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン5:1層目が高屈折率高分散材料、2層目が低屈折率材料もしくは中屈折率材料、3層目が高屈折率低分散材料である。
パターン6:1層目が中屈折率材料、2層目が中屈折率高分散材料、3層目が高屈折率低分散材料である。If the refractive index of d-line is larger than 1.59, it is a high refractive index material, if it is in the range of 1.51-1.59, it is a medium refractive index material, and if it is less than 1.51, it is a low refractive index material,
In the case of a low refractive index material, if the Abbe number is 50 or less, it is a low refractive index high dispersion material, and if the Abbe number is 60 or more, it is a low refractive index low dispersion material,
In the case of a medium refractive index material, if the Abbe number is 40 or less, it is a medium refractive index high dispersion material, and if the Abbe number is 50 or more, it is a medium refractive index low dispersion material,
In the case of a high refractive index material, when the Abbe number is 30 or less, it is a high refractive index high dispersion material, and when the Abbe number is 40 or more, a high refractive index low dispersion material is used.
The combination of the material of the first diffraction grating layer, the material of the second diffraction grating layer, and the material of the third diffraction grating layer corresponds to one of the following six patterns in the stacking order from the transparent substrate. The diffractive optical element according to claim 2.
Pattern 1: The first layer is a low refractive index low dispersion material, the second layer is a high refractive index low dispersion material, and the third layer is a high refractive index high dispersion material.
Pattern 2: The first layer is a medium refractive index high dispersion material, the second layer is a high refractive index high dispersion material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
Pattern 3: The first layer is a low refractive index high dispersion material, the second layer is a high refractive index high dispersion material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
Pattern 4: The first layer is a medium refractive index high dispersion material, the second layer is a low refractive index material or medium refractive index material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
Pattern 5: The first layer is a high refractive index and high dispersion material, the second layer is a low refractive index material or medium refractive index material, and the third layer is a high refractive index and low dispersion material.
Pattern 6: The first layer is a medium refractive index material, the second layer is a medium refractive index high dispersion material, and the third layer is a high refractive index low dispersion material.
1層目の材料のg線の屈折率をng1とし、2層目の材料のg線の屈折率をng2とし、3層目の材料のg線の屈折率をng3とし、
1層目の材料のe線の屈折率をne1とし、2層目の材料のe線の屈折率をne2とし、3層目の材料のe線の屈折率をne3とし、
1層目の材料のC線の屈折率をnC1とし、2層目の材料のC線の屈折率をnC2とし、3層目の材料のC線の屈折率をnC3とし、
1層目と2層目のe線の屈折率の差(ne1−ne2)をΔne12とし、2層目と3層目のe線の屈折率の差(ne2−ne3)をΔne23とし、
1層目の材料のg線とC線の屈折率の差と2層目の材料のg線とC線の屈折率の差の差{(ng1−nC1)−(ng2−nC2)}をΔ(ng−nC)12とし、2層目の材料のg線とC線の屈折率の差と3層目の材料のg線とC線の屈折率の差の差{(ng2−nC2)−(ng3−nC3)}をΔ(ng−nC)23としたとき、
第1の回折格子層の材料と第2の回折格子層と第3の回折格子層の材料の組み合わせが、
前記パターン1に該当する場合には、以下の式(5)においてA=5.5としたときの値が0.65以下であり、かつ以下の式(9)においてE=0.5としたとき値が0.94以下であり、かつ以下の式(7)においてC=−1.5としたときの値が0以下もしくは1.5以上であり、かつ以下の式(8)においてD=0.7としたとき値が1.55未満であり、
前記パターン2に該当する場合には、以下の式(5)においてA=5.5としたときの値が0.85未満であり、かつ以下の式(6)においてB=1.2としたときの値が0.99未満であり、かつ以下の式(7)においてC=−1.3としたときの値が0以下もしくは1.575以上であり、かつ以下の式(6)においてB=0.29としたときの値が0.97未満であり、
前記パターン3に該当する場合には、以下の式(5)においてA=5.5としたときの値が0.85未満であり、かつ以下の式(6)においてB=1.2としたときの値が1.01以下であり、かつ以下の式(7)においてC=−1.3としたときの値が0以下もしくは1.575以上であり、かつ以下の式(6)においてB=0.29としたときの値が0.97未満であり、
前記パターン4に該当する場合には、以下の式(5)においてA=0.2としたときの値が0.97未満であり、かつ以下の式(6)においてB=0.1としたときの値が1.017未満であり、かつ以下の式(5)においてA=0.8としたときの値が1.045未満であり、かつ以下の式(6)においてB=0.47としたときの値が0.98未満であり、
前記パターン5に該当する場合には、以下の式(5)においてA=0.05としたときの値が0.975未満であり、かつ以下の式(6)においてB=0.2としたときの値が1.005未満であり、かつ以下の式(5)においてA=0.3としたときの値が0.99未満であり、かつ以下の式(6)においてB=0.6としたときの値が0.965未満であり、
前記パターン6に該当する場合には、以下の式(5)においてA=0.6としたときの値が1.00より大きくかつ1.01より小さく、かつ以下の式(7)においてC=−5.0としたときの値が2.15より小さく、かつ以下の式(8)においてD=−2.0としたときの値が1.49より大きくかつ1.77より小さく、かつ以下の式(9)においてE=4.0としたときの値が1.125より大きい
請求項6に記載の回折光学素子。
The refractive index of the g-line of the first layer material is ng 1 , the refractive index of the g-line of the second layer material is ng 2, and the refractive index of the g-line of the third layer material is ng 3 .
The refractive index of the e-line of the first layer material is ne 1 , the refractive index of the e-line of the second layer material is ne 2, and the refractive index of the e-line of the third layer material is ne 3 .
The refractive index of the first layer of the C-line of the material and nC 1, the refractive index of the C line of the second layer of material and nC 2, the refractive index of the third layer of material C line and nC 3,
The difference in refractive index (ne 1 -ne 2 ) between the first layer and the second layer e-line is Δne 12, and the difference in refractive index between the second layer and the third layer e-line (ne 2 -ne 3 ) is Δne 23 ,
Difference in refractive index between the g-line and C-line of the first layer material and difference in refractive index between the g-line and C-line of the second layer material {(ng 1 −nC 1 ) − (ng 2 −nC 2 )} Is Δ (ng−nC) 12 and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the second layer material and the difference in refractive index between the g-line and C-line of the third layer material {(ng 2− nC 2 ) − (ng 3 −nC 3 )} is Δ (ng−nC) 23 ,
The combination of the material of the first diffraction grating layer, the material of the second diffraction grating layer, and the material of the third diffraction grating layer is
In the case of corresponding to the pattern 1, the value when A = 5.5 in the following formula (5) is 0.65 or less, and E = 0.5 in the following formula (9). When the value is 0.94 or less and C = −1.5 in the following formula (7), the value is 0 or less or 1.5 or more, and in the following formula (8), D = When 0.7, the value is less than 1.55,
In the case of corresponding to the pattern 2, the value when A = 5.5 in the following formula (5) is less than 0.85, and B = 1.2 in the following formula (6). And the value when C = −1.3 in the following formula (7) is 0 or less or 1.575 or more, and B in the following formula (6) = 0.29 is less than 0.97,
In the case of corresponding to the pattern 3, the value when A = 5.5 in the following formula (5) is less than 0.85, and B = 1.2 in the following formula (6). And the value when C = −1.3 in the following formula (7) is 0 or less or 1.575 or more, and B in the following formula (6) = 0.29 is less than 0.97,
In the case of corresponding to the pattern 4, the value when A = 0.2 in the following formula (5) is less than 0.97, and B = 0.1 in the following formula (6). When the value is less than 1.017, and when A = 0.8 in the following equation (5), the value is less than 1.045, and in the following equation (6), B = 0.47. And the value is less than 0.98,
In the case of corresponding to the pattern 5, the value when A = 0.05 in the following formula (5) is less than 0.975, and B = 0.2 in the following formula (6). And the value when A = 0.3 in the following formula (5) is less than 0.99, and B = 0.6 in the following formula (6) And the value is less than 0.965,
In the case of corresponding to the pattern 6, the value when A = 0.6 in the following formula (5) is larger than 1.00 and smaller than 1.01, and in the following formula (7), C = The value when −5.0 is smaller than 2.15, and the value when D = −2.0 in the following formula (8) is larger than 1.49 and smaller than 1.77, and the following 7. The diffractive optical element according to claim 6, wherein a value when E = 4.0 in the formula (9) is greater than 1.125.
請求項1から請求項7のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。The diffractive optical element according to claim 1, wherein a surface shape of the uppermost diffraction grating layer is an aspherical surface.
請求項1から請求項8のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。The diffractive optical system according to any one of claims 1 to 8, wherein a curved surface connecting the vertices on the transparent substrate side of the diffraction grating formed by the uneven structure formed in the first diffraction grating layer is an aspherical surface. element.
請求項1から請求項9のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。The concavo-convex structures constituting the diffraction grating are all concentric, and the ratio of the width of the widest annular zone to the width of the second widest annular zone among the concentric annular zones is 1 to The diffractive optical element according to claim 1, which is 0.7.
請求項1から請求項10のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。A concavo-convex structure having the same height as the concavo-convex structure is formed on a portion outside the effective region of the surface on which the concavo-convex structure is formed of the diffraction grating layer in which the concavo-convex structure forming the diffraction grating is formed. The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 10, wherein the diffractive optical element is formed.
素子内に1つの回折格子が構成されており、
レンズ表面の曲率方向と前記回折格子の鋸の斜面の方向とが、同一方向の傾きをもつように各回折格子層の材料の配置順序が構成されている
請求項1に記載の回折光学素子。A diffractive optical element that functions as a lens,
One diffraction grating is configured in the element,
The diffractive optical element according to claim 1, wherein the arrangement order of the materials of the respective diffraction grating layers is configured such that the curvature direction of the lens surface and the direction of the slope of the saw of the diffraction grating have the same direction of inclination.
素子内に2つの回折格子が構成されており、
前記2つの回折格子のうちd線の光路差が大きい方の回折格子の光路差が2λ以下であり、
前記2つの回折格子は、d線の屈折率が1.59より大きければ高屈折率材料とし、1.51〜1.59の範囲内であれば中屈折率材料とし、1.51未満であれば低屈折率材料とし、低屈折率材料の場合に、アッベ数が50以下であれば低屈折率高分散材料とし、アッベ数が60以上であれば低屈折率低分散材料とし、中屈折率材料の場合に、アッベ数が40以下であれば中屈折率高分散材料とし、アッベ数が50以上であれば中屈折率低分散材料とし、高屈折率材料の場合に、アッベ数が30以下であれば高屈折率高分散材料とし、アッベ数が40以上であれば高屈折率低分散材料としたときに、それぞれの回折格子を形成する材料の組み合わせが、低屈折率低分散材料と高屈折率低分散材料の組み合わせ、高屈折率低分散材料と高屈折率高分散材料の組み合わせ、中屈折率高分散材料と高屈折率高分散材料の組み合わせ、低屈折率高分散材料と高屈折率高分散材料の組み合わせのいずれかに該当し、
前記2つの回折格子を構成する合計4つの凹凸構造の各々の底部をつないだ線のうち入射する光線に最も近い側の線の法線と入射光線とがなす角度を入射角度とし、入射光線が法線より光軸側から入射する光線を正の回転方向とするとき、
入射角度が正の回転方向となる場合には、前記2つの回折格子のうち光路差が大きい凹凸構造の組み合わせにおいて、屈折率が低い材料からなる回折格子層がより入射側に位置するように、各回折格子層の材料の配置順序が構成されており、
入射角度が負の回転方向となる場合には、前記2つの回折格子のうち光路差が大きい凹凸構造の組み合わせにおいて、屈折率が高い材料からなる回折格子層がより入射側に位置するように、各回折格子層の材料の配置順序が構成されている
請求項2,3,6及び7のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。A diffractive optical element that functions as a lens,
Two diffraction gratings are configured in the element,
Of the two diffraction gratings, the optical path difference of the diffraction grating having the larger optical path difference of d-line is 2λ or less,
The two diffraction gratings should be high refractive index materials if the d-line refractive index is greater than 1.59, and medium refractive index materials if they are in the range of 1.51-1.59, and should be less than 1.51. In the case of a low refractive index material, if the Abbe number is 50 or less, it is a low refractive index high dispersion material, and if the Abbe number is 60 or more, it is a low refractive index low dispersion material. In the case of materials, if the Abbe number is 40 or less, the material is a medium refractive index high dispersion material. If the Abbe number is 50 or more, the material is a medium refractive index low dispersion material. In the case of a high refractive index material, the Abbe number is 30 or less. If the Abbe number is 40 or more, the combination of the materials forming each diffraction grating is a combination of a low refractive index and low dispersion material. Combination of low refractive index low dispersion material, high refractive index low dispersion material and high refraction The combination of high dispersion material, the combination of the medium refractive index and high dispersion material and a high refractive index and high dispersion material, and any of the combination of low refractive index and high dispersion material and a high refractive index and high dispersion material,
Of the lines connecting the bottoms of the four concavo-convex structures constituting the two diffraction gratings, the angle formed by the normal of the line closest to the incident light and the incident light is the incident angle. When the light incident from the optical axis side with respect to the normal is set as the positive rotation direction,
When the incident angle is a positive rotation direction, in the combination of the concavo-convex structure having a large optical path difference between the two diffraction gratings, the diffraction grating layer made of a material having a low refractive index is positioned more on the incident side. The arrangement order of the materials of each diffraction grating layer is configured,
When the incident angle is in the negative rotation direction, in the combination of the concavo-convex structure having a large optical path difference between the two diffraction gratings, the diffraction grating layer made of a material having a high refractive index is positioned more on the incident side. The diffractive optical element according to any one of claims 2, 3, 6, and 7, wherein an arrangement order of materials of each diffraction grating layer is configured.
請求項1から請求項13のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。A thin film made of a metal oxide is provided between the transparent substrate and the first diffraction grating layer or between the diffraction grating layers on which the concavo-convex structure constituting the diffraction grating is formed. Item 14. The diffractive optical element according to any one of Items 13.
請求項1から請求項14のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子。The refractive index difference of the diffraction grating layer in which the concavo-convex structure constituting the diffraction grating is formed or the refractive index difference between the diffraction grating layer and the thin film provided between the diffraction grating layers is 0.15 or less. The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 14.
請求項1から請求項15のうちのいずれか1項に記載の回折光学素子を備え、
前記回折光学素子は、当該撮像光学系が備えるレンズ系で発現する色収差をうち消す色収差を発現させる
ことを特徴とする撮像光学系。An imaging optical system comprising at least one lens,
A diffractive optical element according to any one of claims 1 to 15,
The imaging optical system, wherein the diffractive optical element exhibits chromatic aberration that eliminates chromatic aberration that occurs in a lens system included in the imaging optical system.
請求項16に記載の撮像光学系。The diffractive optical element is formed on a transparent substrate having a lens function, and is configured such that if the refractive direction of the lens is positive, the diffractive direction is positive, and the refractive direction of the lens is negative. The imaging optical system according to claim 16, wherein the imaging optical system is configured such that the diffraction direction is a negative power if the power is.
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