WO2007145263A1 - 回折光学素子及びこれを用いた光学系、回折光学素子の製造方法 - Google Patents

回折光学素子及びこれを用いた光学系、回折光学素子の製造方法 Download PDF

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Satoshi Hayakawa
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Definitions

  • the present invention relates to a diffractive optical element that generates a diffracted light beam with respect to incident light, an optical system configured using such a diffractive optical element, and a method for manufacturing the diffractive optical element.
  • a diffractive optical element is an optical element made up of a fine structure with several hundreds of covers per minute interval (approx. 1 mm), a slit-like or groove-like lattice structure with equal intervals, and light is incident on it. And has the property of generating a diffracted light beam in a direction determined by the pitch (interval) of the slits and grooves and the wavelength of light.
  • a diffractive optical element is used in various optical systems. For example, a diffractive optical element that collects diffracted light of a specific order at one point and uses it as a lens is known. When a diffractive optical element is used in an optical system, it is possible to obtain a chromatic aberration correction effect.
  • the negative diffractive optical element shown in this figure includes a first diffractive element at the joint surface between the first diffractive element element 10 0 ′ made of glass and the second diffractive element element 2 0 ′ made of resin.
  • the diffraction grating surface formed on the element 10 ′ and the diffraction grating groove formed on the second diffraction element element 2 0 ′ are in close contact with each other to form a diffractive optical surface 6 ′ force S.
  • One such diffractive element and the other diffractive element are in contact with each other.
  • a separate wake-up element in addition to the contact type as described above, a separate wake-up element is known in which two diffractive element elements are arranged so as to face each other with a gap therebetween.
  • the grating height is different, so that the molding is performed by using a mold that matches each grating shape.
  • each grating is aligned in order to satisfy diffraction conditions and obtain high diffraction efficiency.
  • the contact-type diffractive optical element has the same grating height and can be shaped by overlapping the gratings, and has a feature that the effect on diffraction efficiency is small for errors in the grating height and grating position.
  • the diffractive optical element having high diffraction efficiency can be easily manufactured.
  • the materials used for the diffractive optical element are mainly glass and resin.
  • a diffractive optical element made of glass and resin for example, there is a description in the following document (see Patent Document 1).
  • the diffractive optical element is manufactured by a method in which a die having a diffractive grating groove is formed and transferred to glass or resin. Resin has the feature that it is easier to mold than glass. In addition, the price of the material is generally that resin is cheaper than glass.
  • Such as the type of medium is composed of two layers (JP 2 004- 1260 reference 61 JP) or type consisting of three layers (see JP 2003 227 912 JP) are known as contact-type multilayer diffractive optical element
  • the refractive index of the medium dl is nl
  • the refractive index of the medium d 2 is n 2
  • the refractive index of the medium d 3 is n 3
  • the optical path difference ⁇ of the light wavelength ⁇ h is
  • the three-layer type diffractive optical element has a higher diffraction rate by appropriately selecting the grating heights h 1 and h 2 of the diffraction grating grooves and the refractive indices nl, n 2 and n3 of the medium. There is a feature that efficiency can be obtained. In addition, by using different materials for the media d1, d2, and d3, higher diffraction efficiency can be obtained. Disclosure of the invention
  • the two-layer type diffractive optical element as described in Patent Document 1 is difficult to mold because glass is used for one of the media constituting the diffractive optical element, and the cost of the material is low. There was a problem that it was expensive. In addition, when glass is used as the medium, there is a problem that the processing temperature for molding is higher than that of the resin, and it takes time to process. Furthermore, the two-layer type diffractive optical element has a problem that the diffraction efficiency is lower than that of the three-layer type diffractive optical element. I got it.
  • the three-layer diffractive optical element as described in Patent Document 2 has a lattice shape (non-continuous surface) at the boundary surface between the two outer media and air, that is, the non-joint surface.
  • the present invention has been made in view of such problems, and a diffractive optical element having a configuration capable of facilitating manufacture while maintaining good performance such as diffraction efficiency, and an optical system using the diffractive optical element
  • the purpose is to share the manufacturing method of the diffractive optical element.
  • a diffractive optical element includes first to third diffractive element elements made of resins of different materials, and the second diffractive element element is a first diffractive element element. And a diffraction grating formed on the first diffractive element at the joint surface between the first diffractive element and the second diffractive element.
  • the groove and the diffraction grating groove formed on the second diffractive element are closely bonded to each other to form a first diffractive optical surface, and a joint surface between the second diffractive element and the third diffractive element.
  • the diffraction grating groove formed in the second diffractive element element and the diffraction grating groove formed in the third diffractive element element are in close contact with each other to form the second diffractive optical surface.
  • the non-bonding surface of the element element and the non-bonding surface of the third diffraction element element may be misaligned. It consists of a continuous surface.
  • the refractive index of the first diffractive element at the d-line is n 1
  • the refractive index of the second diffractive element at the d-line is n 2
  • the third diffractive element is refracted at the d-line.
  • the ratio is n 3
  • the Abbe number of the first diffractive element is V d 1
  • the Abbe number of the second diffractive element is V d 2
  • the Abbe of the third diffractive element is When the number is vd3, both formulas are equal to 0.001425 (n 1-n 2) /
  • the diffraction grating grooves formed in the first to third diffractive element elements are formed in a sawtooth shape in which the inclined surfaces and the rising surfaces are alternately arranged, and the first diffractive optical element
  • the inclination direction of the inclined surfaces of the diffraction grating grooves of the first and second diffraction element elements forming the surface, and the inclination of the diffraction grating grooves of the second and third diffraction element elements forming the second diffraction optical surface It is preferable that the inclination direction of the surface is the same.
  • the refractive index at the d-line of the first diffractive element is n 1, compared with the diffractive optical element having the above configuration.
  • the refractive index at the d-line of the second diffractive element is n 2 and the refractive index at the d-line of the third diffractive element is n 3, and the Abbe number of the first diffractive element is When V d 1, the Abbe number of the second diffractive element is V d 2, and the Abbe number of the third diffractive element is V d 3, the first condition n 1> 1.
  • the diffractive optical element having the above-described structure it is preferable that all of the first to third diffractive element elements are made of an ultraviolet ray curable resin.
  • an optical system includes, in order from the object side to the image side, a first lens group having a positive refractive power and a second lens group having a negative refractive power. And is configured to enlarge the focal length of the main lens disposed on the image side of the second lens group, and includes the above-described diffractive optical element in at least one of the first lens group and the second lens group.
  • the method for manufacturing a diffractive optical element includes a first step of dropping a first resin, which is a material of the first diffractive element element, on a continuous surface.
  • a second step of forming a diffraction grating groove on the first tree, a third step of curing the first resin, and the second diffraction element described above in the diffraction groove of the first resin A fourth step of dropping the second resin, which is the material of the element, a fifth step of forming a diffraction grating groove in the second resin, a sixth step of curing the second resin,
  • the continuous surface is preferably a flat surface or a curved surface.
  • the diffractive optical element the optical system using the diffractive optical element, and the method of manufacturing the diffractive optical element according to the present invention, by appropriately selecting the resin and the height of the diffraction grating groove, the mass productivity and the processing Excellent in efficiency and cost, and has a high diffraction efficiency in a wide wavelength range! / A diffractive optical element can be obtained.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the diffractive optical element in the first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing the manufacturing process of the diffractive optical element in the order of (A) or (L).
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the incident wavelength to the diffractive optical element and the diffraction efficiency in the first example.
  • FIG. 4 is a schematic cross-sectional view showing the diffractive optical element in the second embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength I input to the diffractive optical element and the diffraction efficiency in the second example. -
  • FIG. ⁇ is a schematic cross-sectional view showing the diffractive optical element in the third example.
  • FIG. 7 is a graph showing the relationship between the wavelength of needle entering the diffractive optical element and the diffraction efficiency in the third example.
  • FIG. 8 is a schematic cross-sectional view showing the diffractive optical element in the fourth embodiment.
  • FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the insertion length into the diffractive optical element and the diffraction efficiency in the fourth example.
  • FIG. 10 is a sectional view of a lens system having a diffractive optical surface of the diffractive optical element in the fifth embodiment.
  • FIG. 11 is an aberration diagram for the fifth example.
  • FIG. 12 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a conventional multilayer diffractive optical element.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a diffractive optical element according to an embodiment of the present invention.
  • the diffractive optical element 1 includes a first diffractive element element 10, a second diffractive element element 20, and a third diffractive element element 3, which are made of different materials (ultraviolet curable resin).
  • the second diffractive element element 20 has a laminated structure sandwiched between the first diffractive element element 10 and the third diffractive element element 30.
  • the diffraction grating groove 2 formed in the first diffraction element element 10 and the diffraction grating groove 3 formed in the second diffraction element element 20 are in close contact with each other to form the first diffraction optical surface 6.
  • the diffraction grating groove 4 formed in the second diffraction element element 20 and the diffraction grating groove 5 cleaved by the third diffraction element element 30 are closely bonded to each other to form the second diffraction element element 20.
  • a diffractive optical surface 7 is formed.
  • the diffraction grating grooves 2, 3, 4, and 5 have a sawtooth shape in cross section in which ridges and uprights are alternately arranged in a predetermined period.
  • this is not a limitation.
  • the non-joint surface 8 of the first diffractive element 10 and the third diffractive element The non-joint surface 9 force S of element 30 is a continuous surface.
  • continuous surface means a plane or a curved surface, and the curved surface has no inflection point on the non-joint surface.
  • the non-joint surface 8 of the first diffractive element element 10 and the non-joint surface 9 of the third diffractive element element 30 are continuous surfaces such as a flat surface and a curved surface, so that the diffractive optical element can be easily manufactured. can do.
  • the inclination direction of the inclined surface 6a of the diffraction grating grooves 2 and 3 of the first and second diffraction element elements 10 and 20 forming the first diffractive optical surface 6 is
  • the inclined directions of the inclined surfaces 7a of the diffraction grating grooves 4 and 5 of the second and third diffractive element elements 20 and 30 forming the second diffractive optical surface 7 are the same. ⁇ If the slope of the slope 7a is the same, the apex and apex of the diffraction grating groove approach each other, and the change in the thickness of the diffraction element increases, making manufacturing difficult.
  • the diffractive optical element 1 as described above (in the present embodiment, a disc shape) is manufactured as follows. As shown in FIG. 2, first, a light transmitting member 60 (a material that transmits ultraviolet rays UV described later) is prepared as a substrate on which a plane is formed. The light transmitting member 60 is made of glass or a tree. After preparing the light transmitting plate 60, prepare the first UV curable resin 10 '.
  • the first ultraviolet curable resin 10 ′ is dropped on the light transmitting member 60 (see FIG. 2A). Then, a die 50 for forming the first diffractive optical element 10 in which a diffraction grating groove having a predetermined shape is formed is pressed against the dropped first ultraviolet curable resin 10 0 ′ (see FIG. 2B). ) Further, the first ultraviolet curable resin 10 ′ is hardened by irradiating the ultraviolet ray UV from the light transmission side 60 side (see FIG. 2C). Then, the mold 50 is removed from the first ultraviolet curable resin 10 ′ and the light transmitting member 60 which are hardened (see FIG. 2D).
  • the shape of the diffraction grating groove formed in the mold 50 is transferred to the first ultraviolet, UV-curing resin 10 ′, and the first diffractive optical element 10 having the diffraction grating groove 2 is transferred. It is formed.
  • the mold 70 is removed from the second ultraviolet-curing tree effect 20 'and the light transmitting member 60, which are hardened (see 0 2 (H)).
  • the second diffractive optical element 20 having the diffraction grating groove 4 laminated in close contact with the first diffractive optical element 20 is formed.
  • the third ultraviolet curable resin 30 ′ is dropped onto the surface of the second diffractive optical element 20 on which the diffraction grating grooves 4 are formed (see FIG. 2 (I)).
  • the surface-formed flat substrate 80 is pressed against the surface opposite to the surface on which the diffraction grating grooves 4 are formed, that is, the non-joint surface ( (See Figure 2 (J)).
  • the third UV curable resin 3 ° C is cured by irradiating UV rays from the light transmission side 60 side (see Fig. 2 (K)).
  • a third diffractive optical element 30 is formed on the second diffractive optical element 20 by being closely bonded and laminated.
  • the diffractive optical element 1 (third UV curable resin) is composed of 30 diffractive optical elements 1 (see FIG. 2 (L)).
  • the surfaces of the light transmitting member 60 and the surface forming substrate 80 are shown as planes. 1 These surfaces are actually composed of a general lens surface, that is, a plane, a spherical surface, or an aspherical shape. ing.
  • a diffractive optical element can also be formed by dropping an ultraviolet curable resin onto a mold or a substrate and pressing a light transmitting member or a diffraction grating groove.
  • This diffractive optical element 1 irradiates the ultraviolet curable resin with ultraviolet rays by using the materials constituting the first to third diffractive element elements 10 to 30 as described above and making the deviation also an ultraviolet curable resin. Then, since it cures immediately at room temperature, it has the advantage of being able to calorie in a shorter time than thermosetting resins that require heating to cure. In addition, when using a curable resin, there is a problem that thermal deformation is likely to occur and it is difficult to manufacture. When using an ultraviolet curable resin, thermal deformation is difficult to occur. There is no problem of cracking due to deformation. In addition, UV-curing resins have the advantage that they are m ⁇ compared to glass and have a lower processing and less deformation than glass.
  • the refractive index at the d-line of the first diffractive element element 10 is n1
  • the refractive index at the d-line of the second diffractive element element 20 is n2
  • the third diffractive optical element 1 The refractive index of the diffractive element element 3 0 at the d-line is n 3
  • the Abbe number of the first diffractive element element 10 is vdl
  • the Abbe number of the second diffractive element element 2 0 is V d 2
  • conditional expression (1 ) Defines the ratio of the difference in refractive index between the first diffractive element 10 and the second diffractive element 20 and the difference in Abbe number.
  • Condition (2) is the second diffractive element 2 It defines the ratio of the difference in refractive index between the 0 and the third diffraction element element 30 and the difference in Abbe number. If the ratio of the refractive index difference to the Abbe number difference is below the lower limit, it means that the difference in refractive index with respect to the Abbe number difference becomes smaller.
  • the difference in refractive index with respect to the difference in Abbe number becomes small, it is required to increase the grating height of the diffraction grating groove in order to satisfy the diffraction condition.
  • the grating height increases, the diffraction efficiency decreases when the angle at which incident light enters the diffractive optical surface is large. That is, the incident angle characteristic power S of the diffraction efficiency is reduced.
  • the ratio of the difference in refractive index and the difference in Abbe number is set to be greater than that of Shimojo.
  • higher diffraction efficiency can be obtained by setting the direct Hi under the conditional expression (1) higher than 10.001425 to 10.000040.
  • the refractive index at the d-line of the first diffractive element element 10 is n1
  • the refractive index at the d-line of the second diffractive element element 20 is n2
  • the third diffractive optical element 1 The refractive index of the diffractive element 30 at the d-line is n 3
  • the 10th Abbe number of the first diffractive element is V d 1
  • the Abbe number of the second diffractive element 20 is vd2
  • the third condition When the Abbe number of diffractive element element 30 is vd3, the following three conditions, the first condition (Equations (3) and (4)), the second condition (Equations (5) and (6)) ) And the third condition (Equations (7) and (8)).
  • FIG. 1 shows the configuration of the first embodiment.
  • the diffraction grating groove 2 and tif second diffraction element formed in the first diffraction element 10 at the joint surface between the first diffraction element 10 and the second diffraction element 20 The diffraction grating groove 3 formed in the element 20 is closely bonded to each other to form a first diffractive optical surface 6 force S, and the second diffractive element element 20 and the third diffractive element element 30 are joined at the first surface.
  • the diffraction grating groove 4 formed in the second diffraction element element 20 and the diffraction grating groove 5 formed in the third diffraction element element 30 are in close contact with each other to form the second diffractive optical surface 7.
  • the first to third diffraction element elements 10 to 30 are closely bonded so that the pitches of the diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) and the diffraction grating groove 4 (diffraction grating groove 5) are the same. Yes.
  • the inclination direction of the slope 6a of the diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) and the inclination direction of the inclined surface 7a of the diffraction grating groove 4 (diffraction grating groove 5) are the same.
  • each diffraction grating groove is optimized so that the first-order diffracted light obtains high diffraction efficiency in a wide wavelength range, and the grating height of diffraction grating groove 2; h 1 1, diffraction grating groove 4 grating
  • Table 1 below shows values corresponding to the conditional expressions (1) to (8) in the first embodiment. (table 1)
  • the diffractive optical element of this example has a high diffraction efficiency of 99% or more in a wide wavelength range of visible light, as shown by a solid line in FIG.
  • n d is the refractive index
  • vd is the Abbe number.
  • the grating height h of the diffraction grating groove is 15.8 zm.
  • the diffraction efficiency is 97% to 100% in the visible light region. Compared with this, this example clearly has a diffraction effect in a wide wavelength region. The rate has improved.
  • FIG. 4 shows the configuration of the second embodiment.
  • the first diffractive optical element 6 is formed on the joint surface between the first diffractive element 10 and the second diffractive element 20, and the second diffractive element 20
  • the second diffractive optical surface 7 is formed on the joint surface between the diffractive element 30 and the third diffractive element 30.
  • the first to third diffraction element elements 10 to 30 are closely bonded so that the pitches of the diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) and the diffraction grating groove 4 (diffraction grating groove 5) are the same. .
  • each diffraction grating groove is shaped so that the first-order diffracted light obtains a high diffraction efficiency in a wide wavelength range: the grating height h 21 of diffraction grating groove 2 and the diffraction grating groove 4
  • the diffractive optical element of this example has a high diffraction efficiency of 99% or more in the wide wavelength range of visible light.
  • FIG. 5 shows the diffraction efficiency of a two-layer diffractive optical element as shown in FIG. 11 with a broken line.
  • the diffraction 3 ⁇ 41 rate is 97% to 100% in the ⁇ g region of visible light.
  • this example is clear in a wide wavelength region. In addition, the diffraction efficiency is improved.
  • Fig. 6 shows the configuration of the third embodiment.
  • the first diffractive optical surface 6 is formed on the joint surface between the first diffractive element element 10 and the second diffractive element element 20,
  • a second diffractive optical surface 7 is formed across the joint surface between the second diffractive element 20 and the third diffractive element 30.
  • the first to third diffraction element elements 10 to 30 are closely joined so that the pitches of the diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) and the diffraction grating groove 4 (diffraction grating groove 5) are the same. .
  • Diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) low slope 6 a ft oblique direction and diffraction grating groove 4 (diffraction case) It is the same as the ⁇ oblique direction of the inclined surface 7a of the slave groove 5).
  • Table 3 shows values corresponding to the conditional expressions (1) to (8) in the third embodiment.
  • the diffractive optical element of this example has a high diffraction efficiency of 99% or more in a wide wavelength range of visible light, as shown by a solid line in FIG.
  • FIG. 7 shows the diffraction efficiency of a two-layer diffractive optical element as shown in FIG.
  • the diffraction efficiency is 97% to 100% in the visible light region.
  • this example clearly shows a wide range and a wavelength region. Diffraction efficiency is improved.
  • Figure 8 shows the configuration of the fourth embodiment.
  • the first diffractive optical surface 6 is formed on the joint surface between the first diffractive element element 10 and the second diffractive element element 20,
  • a second diffractive optical surface 7 is formed across the joint surface between the second diffractive element 20 and the third diffractive element 30.
  • the first to third diffraction element elements 10 to 30 are closely joined so that the pitches of the diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) and the diffraction grating groove 4 (diffraction grating groove 5) are the same. ing.
  • the inclination direction of the inclined surface 6a of the diffraction grating groove 2 (diffraction grating groove 3) is the same as the wind oblique direction of the inclined surface 7a of the diffraction grating groove 4 (diffraction grating groove 5).
  • the grating height of each diffraction grating groove is optimized to obtain high diffraction efficiency in the first-order diffraction power S wide wavelength range, the grating height of diffraction grating groove 2 h 41, and the grating height of diffraction grating groove 4
  • n 3 1. 52760
  • the diffractive optical element of this example has a high diffraction efficiency of 99 ° / 0 or more in a wide wavelength range of visible light.
  • FIG. 9 shows the diffraction efficiency of a two-layer diffractive optical element as shown in FIG.
  • the diffraction efficiency of the two-layer type diffractive optical element is: ⁇
  • the diffraction efficiency is 97% to: L 00% in the visible light region. The diffraction efficiency is clearly improved.
  • Figure 10 shows the lens configuration of the optical system consisting of the teleconverter lens and main lens in Example 5.
  • the teleconverter lens TL constituting this optical system includes a first lens group FL having a positive refractive power located on the object side and a first lens group FL having a negative refractive power located on the image side. 2 lens group RL, and the main lens such as an imaging lens on the image side of the second lens group RL XML was placed.
  • a lens element having a diffractive optical surface was placed in the first lens group FL.
  • the main lens ML in this optical system is, in order from the object side, a negative meniscus lens L 1 with a convex surface facing the object side, a biconcave lens L 2, a positive meniscus lens L 3 with a convex surface facing the object side, an aperture stop P, a biconvex lens L 4, biconvex lens L 5, biconcave lens L 6 (both lenses L 5 and L 6 are bonded lenses), positive meniscus lens L 7 with concave surface facing the object side, positive meniscus with convex surface facing object side A lens L 8 and a biconvex lens L 9 are arranged.
  • the teleconverter lens TL attached to the object side of the main lens ML is composed of a first lens group FL having a positive refractive power and a second lens group RL having a negative refractive power, and the first lens group FL is In order from the object side, a negative meniscus lens L 1 1 with a convex surface facing the object side, a positive meniscus lens L 1 2 with a diffractive optical surface G f on the image side surface and a convex surface facing the object side (both these lenses LI 1 and L 12 are bonded lenses), and a positive meniscus lens L 13 having a convex surface facing the object side is arranged.
  • the second lens group RL has a concave surface facing the object side in order from the object side (with the convex surface facing the surface), positive meniscus lens L 1 4, biconcave lens L 1 5, and convex surface facing the object side.
  • a positive meniscus lens L 16 (these lenses L 14, L 15, and L 16 are shell-sharing lenses) is arranged.
  • Table 5 below shows the specifications of each lens in the fifth example.
  • Surface numbers 1 to 11 in Table 5 relate to the teleconverter lens TL, and correspond to reference numerals 1 to 11 in FIG.
  • surface numbers 12 to 33 in Table 1 relate to the main lens ML, and correspond to reference numerals 12 to 33 in FIG.
  • r is the radius of curvature of the lens surface (in the case of an aspherical surface, the radius of curvature of the reference sphere)
  • d is the distance between the lens surfaces
  • Vd is the Abbe number.
  • An aspherical lens surface is marked with an asterisk (*) on the right side of the surface number.
  • the surface corresponding to the surface numbers 3 and 4 in the teleconverter lens TL corresponds to the diffractive optical surface G f, and thus the lens element (diffractive optical device) having the diffractive optical surfaces 6 and 7 according to the present invention.
  • Element 1) corresponds to lens L 1 2.
  • the diffractive optical surface G f is not necessarily provided in the lenses constituting the first lens group FL, but may be provided in the lenses constituting the second lens group RL, or the first lens group FL may be provided. It may be provided in any of the lenses constituting the second lens group RL.
  • the height of the aspheric surface in the direction perpendicular to the optical axis is y
  • the distance along the optical axis from the tangential plane at the apex of the aspheric surface to the position on the aspheric surface at height S was as X
  • the curvature of a reference sphere and c and the paraxial curvature is C
  • a conical coefficient is / c, C 2, C 4 , C 6, C 8, when the C ao an aspherical coefficient
  • the aspherical surface Is represented by the following equation.
  • FIG. 11 is a diagram of various aberrations of the optical system in the fifth example.
  • Each aberration diagram shows the results for the d-line and g-line, FNO indicates the F number, and Y indicates the image height.
  • the solid line shows the sagittal image plane, and the broken line shows the meridional image plane.

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Description

糸田 回折光学素子及ぴこれを用レヽた光学系、 回折光学素子の製造方法 技術分野
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に関し、 このような 回折光学素子を用いて構成する光学系、 さらには回折光学素子の製造方法に関する。 背景技術
回折光学素子は、 微小間隔 （約 1 mm) 当たり数百本禾被の細カ^、等間隔のスリット状 もしくは溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、 光が入射されると、 スリット や溝のピッチ （間隔） と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせる性質を有してい る。 このような回折光学素子は種々の光学系に用いられており、 例えば、 特定次数の回折 光を一点に集めてレンズとして使用するものなどが知られている。 回折光学素子を光学系 に用いると色収差のネ甬正効果を得ることが可能である。
このような回折光学素子として、 近年において、 図 1 2に示すようなネ 型の回折光学 素子が提案されている。 この図に示されるネ ϋ型の回折光学素子は、 ガラスからなる第 1 の回折素子要素 1 0 'と樹脂からなる第 2の回折素子要素 2 0 'との接合面において、 第 1の回折素子要素 1 0 'に形成された回折格子溝と第 2の回折素子要素 2 0 'に形成され た回折格子溝とが互いに密着接合されて回折光学面 6 '力 S形成されている。 このような一 方の回折素子要素と他方の回折素子要素； ^接してレ、るタイプの回折光学素子は密着型と称 される。 ネ媚型の回折光学素子を用いることで、 特定の波長だけではなく広い波長域で高 い回折効率を得られる。
複層型の回折光学素子の中には、 上記のような密着型のほか、 2つの回折素子要素が間 隔をおいて対向するように配置された分离醒カ S知られている。 分离纖の回折光学素子では、 格子高さが異なるためそれぞれの格子形状にあわせた金型により成形が行われている。 ま た、 回折の条件を満たし高い回折効率を得るために、 各格子の位置合わせを行っている。 一方、 密着型の回折光学素子では格子高さは同一で、 格子を重ねる事で成形でき、 格子高 さや格子の位置の誤差に対する回折効率への影響が小さい、 という特徴がある。 したがつ て、 密着型の場合、 高い回折効率を持った回折光学素子を容易に製造する事ができる。 回折光学素子の材質として用いられているのは、 主にガラスと樹脂である。 ガラスと樹 脂とからなる回折光学素子として、 例えば以下の文献 （特許文献 1参照） に記載がある。 一般に、 回折光学素子を大量にかつ安価に形成するためには、 回折格子溝を刻んだ金型を 成形しガラスや樹脂に転写する方法により作られる。 樹脂の場合、 ガラスに比べて金型成 形が容易であるという特徴がある。 また、 材料の値段は一般に樹脂の方がガラスに比べて 安価であるという特徴がある。
密着型の複層型回折光学素子には媒質が 2層から成るタイプ （特開2004— 1260 61号公報参照） や 3層から成るタイプ （特開 2003— 227912号公報参照） など が知られているが、 3層型の回折光学素子の場合、 媒質 d lの屈折率を n l、 媒質 d 2の 屈折率を n 2、 媒質 d 3の屈折率を n 3、 媒質 d 1と媒質 d 2との接合面における回折格 子溝の格子高さを h 1、 媒質 d 2と媒質 d 3との接合面における回折格子溝の格子高さを h 2としたとき、 光の波長 λの光路差 Δ hは、
Δ h= (n 1 -n 2) h 1+ (n 2-n 3) h 2
で表される。
光路差を光の波長 λで割ったものを α とすると、 ひは、 以下のように表される。
α= { (n 1 -η 2) h 1 + (n 2— n 3) h2] /λ
mを回折次数とすると、 回折効率 η は、 以下のように求められる。
Figure imgf000004_0001
2層型に比べ、 3層型の回折光学素子は、 回折格子溝の格子高さ h 1， h 2や媒質の屈 折率 n l， n 2, n3、 を適切に選ぶことで、 より高い回折効率を得る事ができるという 特徴がある。 また、 媒質 d l， d 2, d 3は全て異なる材質とすることで、 より高い回折 効率を得る事ができる。 発明の開示
発明が解決しようとする課題
ところで、 特許文献 1に記載のような 2層型の回折光学素子は、 回折光学素子を構成す る媒質のうち一方にガラスを用いているため金型成形が困難であり、 また材料の値段が高 い、 という問題があった。 また、 媒質としてガラスを用いた場合、 成形のための処理温度 が樹脂に比べて高く処理 になるまでの時間が掛かるといった問題があった。 さらに、 2層型の回折光学素子では 3層型の回折光学素子に比べて回折効率が低レ、という問題があ つた。 また、 特許文献 2に記載のような 3層型の回折光学素子は、 外側の 2つの媒質と空 気との境界面、 すなわち非接合面が各々格子形状 （非連続面） になっており、 非接合面の 形成用の金型が必要であったり、 厚みの薄い部分が離型時に剥離したり欠けたりして製造 力 S難しいといつた問題があつた。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、 回折効率といった性能を良好な ものに保ちつつ、 製造を容易にすることが可能な構成の回折光学素子及びこれを用いた光 学系、 回折光学素子の製造方法を樹共することを目的としている。 課題を角決するための手段
前記課題を解決するために本発明に係る回折光学素子は、 互いに異なる材質の樹脂から なる第 1〜第 3の回折素子要素で構成され、 第 2の回折素子要素が第 1の回折素子要素お よび第 3の回折素子要素に挟まれて接合された積層構造を有し、 第 1の回折素子要素と第 2の回折素子要素との接合面において第 1の回折素子要素に形成された回折格子溝と第 2 の回折素子要素に形成された回折格子溝とが互いに密着接合されて第 1の回折光学面が形 成され、 第 2の回折素子要素と第 3の回折素子要素との接合面において第 2の回折素子要 素に形成された回折格子溝と第 3の回折素子要素に形成された回折格子溝とが互いに密着 接合されて第 2の回折光学面が形成され、 第 1の回折素子要素の非接合面および第 3の回 折素子要素の非接合面がレヽずれも連続な面で構成されて ヽる。
さらに、 第 1の回折素子要素の d線での屈折率を n 1とし、 第 2の回折素子要素の d線 での屈折率を n 2とし、 第 3の回折素子要素の d線での屈折率を n 3とし、 第 1の回折素 子要素のァッべ数を V d 1とし、 第 2の回折素子要素のァッべ数を V d 2とし、 第 3の回 折素子要素のアッベ数を vd3としたとき、 両式一 0. 001425く (n 1-n 2) /
(vdl- vd2) 及び一 0. 001425 < (n 2-n 3) / (vd2- vd3) のうち、 少なくとも一方を満たすように構成されている。
なお、 上記構成の回折光学素子において、 第 1〜第 3の回折素子要素に形成された回折 格子溝が、 傾斜面および起立面が交互に並んだ断面鋸歯状に形成され、 第 1の回折光学面 を形成する第 1および第 2の回折素子要素の回折格子溝の傾斜面の傾斜方向と、 第 2の回 折光学面を形成する第 2および第 3の回折素子要素の回折格子溝の傾斜面の傾斜方向とが 同一であるのが好ましい。
また、 上記構成の回折光学素子にぉレヽて、 第 1の回折素子要素の d線での屈折率を n 1 とし、 第 2の回折素子要素の d線での屈折率を n 2とし、 第 3の回折素子要素の d線での 屈折率を n 3とし、 第 1の回折素子要素のァッべ数を V d 1とし、 第 2の回折素子要素の ァッべ数を V d 2とし、 第 3の回折素子要素のァッべ数を V d 3としたとき、 第 1の条件 n 1 > 1 . 5 4 0 0 0、 4 5く v d 1 < 5 5及び第 2の条件 n 2 > 1 . 5 4 0 0 0、 4 5 く v d 2く 5 5及び第 3の条件 n 3〉1 . 5 4 0 0 0、 4 5く v d 3く 5 5のうち、 少なく とも 1つの条件を満たすのが好ましい。
また、 上記構成の回折光学素子において、 第 1〜第 3の回折素子要素のいずれもが紫外 線硬化樹脂を材質とするの力 S好ましい。
前記課題を解決するために本発明に係る光学系は、 物体側から像側に向かって順に、 正 の屈折力を有する第 1レンズ群と、 負の屈折力を有する第 2のレンズ群とを有し、 第 2レ ンズ群の像側に配置された主レンズの焦点距離を拡大するように構成され、 第 1レンズ群 及び第 2レンズ群の少なくとも一方に上述の回折光学素子を備える。
前記課題を解決するために本発明に係る回折光学素子の製造方法は、 連続な面を有した 上に上述の第 1の回折素子要素の材質である第 1の樹脂を滴下する第 1の工程と、 第 1の樹月旨に回折格子溝を形成する第 2の工程と、 第 1の樹脂を硬化させる第 3の工程と、 第 1の樹脂の回折格子溝に上述の第 2の回折素子要素の材質である第 2の樹脂を滴下する 第 4の工程と、 第 2の樹脂に回折格子溝を形成する第 5の工程と、 第 2の樹脂を硬化させ る第 6の工程と、 第 2の樹脂の回折格子溝に上述の第 3の回折素子要素の材質である第 3 の樹脂を滴下する第 7の工程と、 第 3の樹脂を硬ィ匕させる第 8の工程と、 第 3の樹脂に連 続な面を形成する第 9の工程とを有する。
また、 上記回折光学素子の製造方法において、 連続な面は、 平面もしくは曲面であるの が好ましい。 発明の効果
本発明に係る回折光学素子及びこれを用レ、た光学系、 回折光学素子の製造方法によれば、 その材質である樹脂と回折格子溝の高さを適切に選ぶ事で、 量産性、 加工性、 コストに優 れ、 広 ヽ波長範囲で回折効率が高!/ヽ回折光学素子を得る事ができる。 図面の簡単な説明
図 1は、 第 1実施例における回折光学素子を示す模式断面図である。 図 2は、 回折光学素子の製造工程を （A) か ( L) の順で示す図である。 図 3は、 第 1実施例における回折光学素子への入射波長と回折効率との関係を示す図で ある。
図 4は、 第 2実施例における回折光学素子を示す模式断面図である。
図 5は、 第 2実施例における回折光学素子への入 I波長と回折効率との関係を示す図で ある。 ―
図 δは、 第 3実施例における回折光学素子を示す模式断面図である。
図 7は、 第 3実施例における回折光学素子への入針波長と回折効率との関係を示す図で ある。
図 8は、 第 4実施例における回折光学素子を示す模式断面図である。
図 9は、 第 4実施例における回折光学素子への入纖長と回折効率との関係を示す図で ある。
図 1 0は、 第 5実施例における回折光学素子の回折光学面を有するレンズ系の断面図で める。
図 1 1は、 第 5実施例における収差図である。
図 1 2は、 従来の複層型回折光学素子の構成を示す模式断面図である。 発明を実施するための最良の形態
以下、 図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。 図 1は本発明の一 実施形態に係る回折光学素子の模式断面図である。 本実施形態における回折光学素子 1は、 互いに異なる材質の樹脂 （紫外線硬化樹脂） カゝらなる第 1の回折素子要素 1 0、 第 2の回 折素子要素 2 0および第 3の回折素子要素 3 0で構成され、 第 2の回折素子要素 2 0が第 1の回折素子要素 1 0および第 3の回折素子要素 3 0に挟まれた積層構造を有する。 そし て、 第 1の回折素子要素 1 0に形成された回折格子溝 2と第 2の回折素子要素 2 0に形成 された回折格子溝 3とが互いに密着接合されて第 1の回折光学面 6が形成され、 第 2の回 折素子要素 2 0に形成された回折格子溝 4と第 3の回折素子要素 3 0に开滅された回折格 子溝 5とが互いに密着接合されて第 2の回折光学面 7が形成されている。 本実施形態では、 図 1に示すように、 回折格子溝 2， 3 , 4， 5は、 慨斜面および起立面が交互に所定の周 期で並んだ断面鋸歯状をなしているが、 本発明がこれに限定されるわけではない。
本回折光学素子にお V、て、 第 1の回折素子要素 1 0の非接合面 8および第 3の回折素子 要素 3 0の非接合面 9力 Sいずれも連続な面で構成されている。 ここで、 「連続な面」 とは、 平面もしくは曲面であり、 曲面においては非接合面に変曲点を有しない場合をいう。 この ように第 1の回折素子要素 1 0の非接合面 8および第 3の回折素子要素 3 0の非接合面 9 を平面や曲面といった連続な面とすることで、 回折光学素子を容易に製造することができ る。
また、 図 1に示すように、 第 1の回折光学面 6を形成する第 1および第 2の回折素子要 素 1 0 , 2 0の回折格子溝 2， 3の傾斜面 6 aの傾斜方向と、 第 2の回折光学面 7を形成 する第 2および第 3の回折素子要素 2 0， 3 0の回折格子溝 4， 5の傾斜面 7 aの傾斜方 向とが同一になっている。 ί 斜面 7 aの银斜方向が同一でなレヽ¾^、 回折格子溝の頂点と 頂点とが近付き、 回折素子要素の厚みの変化が大きくなるため製造が難しくなる。 また、 曲面上に回折格子溝を形成する^には、 俱斜方向が同一でないと金型から回折素子要素 を離型する際に匪が難しくなる。 従って、 银斜面 7 aの傾斜方向が同一の場合、 製造が 容易になり、 量産性に優れ、 製造コストを抑えることが可能である。
上記のような回折光学素子 1 (本実施形態では円盤状とする） は、 以下のようにして製 造される。 図 2に示すように、 まず、 平面が形成された基板としての光透過部材 6 0 (後 述する紫外線 UVを透過する材料） を用意する。 この光透過部材 6 0は、 ガラス又は樹月旨 で構成されている。 光透過咅附 6 0を用意した上で、 第 1の紫外線硬化樹脂 1 0 'を用意 する。
次に、 光透過部材 6 0上に、 上記第 1の紫外線硬化樹脂 1 0 'を滴下する （図 2 (A) 参照） 。 そして、 滴下した第 1の紫外線硬化樹脂 1 0 'に所定形状の回折格子溝が形成さ れた第 1の回折光学素子 1 0形成用の金型 5 0を押し当てる （図 2 (B) 参照） 。 さらに、 光透過き附 6 0側から紫外線 UVを照射することで、 第 1の紫外線硬化樹脂 1 0 'を硬ィ匕 させる （図 2 (C) 参照） 。 そして、 金型 5 0を硬ィ匕させた第 1の紫外線硬化樹脂 1 0 ' 及び光透過部材 6 0から取り外す （図 2 (D) 参照） 。 これにより、 金型 5 0に形成され ていた回折格子溝の形状が、 第 1の紫外,棣硬化樹脂 1 0 'に転写されて、 回折格子溝 2を 有する第 1の回折光学素子 1 0カ形成される。
続レ、て、 上記のようにして作製された第 1の回折光学素子 1 0の回折格子溝 2； ^形成さ れた面上に、 第 2の紫外線硬化樹脂 2 0 'を適量滴下する （図 2 (E) 参照） 。 滴下した 第 2の紫外線硬化樹脂 2 0 'に所定形状の回折格子溝 4が形成された第 2の回折光学素子 2 0形成用の金型 7 0を押し当てる （図 2 (F) 参照） 。 さらに、 光透過音附 6 0側から 紫外線 UVを照射することで、 第 2の紫外線硬化樹月旨 2 0 'を硬化させる （図 2 (G) 参 照） 。 そして、 金型 7 0を硬ィ匕させた第 2の紫外線硬化樹月旨 2 0 'および光透過部材 6 0 から取り外す (0 2 (H) 参照） 。 これにより、 第 1の回折光学素子 2 0の上に密着接合 されて積層され回折格子溝 4を有する第 2の回折光学素子 2 0が形成される。
次に、 第 2の回折光学素子 2 0の回折格子溝 4が形成された面上に、 第 3の紫外線硬化 樹脂 3 0 'を適量滴下する （図 2 ( I ) 参照） 。 滴下された第 3の紫外線硬化樹脂 3 0 , において、 回折格子溝 4が形成された面とは反対側の面に、 すなわち非接合面に面形成用 の平板状の基板 8 0を押し当てる （図 2 ( J ) 参照） 。 さらに、 光透過咅附 6 0側から紫 外線 UVを照射することで、 第 3の紫外線硬化樹脂 3◦一を硬化させる （図 2 (K) 参 照） 。 これにより、 第 2の回折光学素子 2 0の上に密着接合されて積層された第 3の回折 光学素子 3 0が形成される。 最後に、 面形成用の基板 8 0を取り外せば、 第 1の回折光学 素子 （第 1の紫外線硬化樹脂） 1 0と第 2の回折光学素子 （第 2の紫外線硬化樹脂） 2 0 と第 3の回折光学素子 （第 3の紫外線硬化樹脂） 3 0カゝら構成される、 本発明に係る密着 欄型 （3層構造） の回折光学素子 1が する （図 2 (L) 参照） 。
光透過部材 6 0および面形成用の基板 8 0の表面は、 図 2に示すように平面で図示した 1 これらの表面は、 実際は一般のレンズ面、 すなわち平面または球面または非球面形状 で構成されている。 なお、 紫外線硬化樹脂を、 金型又は基板に滴下し光透過部材又は回折 格子溝を押し当てることでも回折光学素子は形成可能である。
本回折光学素子 1は、 上記のように第 1〜第 3の回折素子要素 1 0〜 3 0を構成する材 質をレ、ずれも紫外線硬化樹脂とすることで、 紫外線を紫外線硬化樹脂に照射すると常温で すぐに硬化するため、 硬化させるために加熱の必要がある熱硬化樹脂に比べて短時間でカロ ェできるという利点がある。 また、 齊 化樹脂を用いた場合には、 熱変形が起き易く製造 しにくいという問題がある力 紫外線硬化樹脂を用いた には熱変形が起きにくいため、 完成品の寸法精度が良好で、 熱変形による割れの発生といった問題も生じない。 さらに、 紫外線硬化樹脂はガラスと比較した m^、 ガラスよりも処理 が低く変形しにくいとい う利点がある。
本回折光学素子 1は、 第 1の回折素子要素 1 0の d線での屈折率を n 1とし、 第 2の回 折素子要素 2 0の d線での屈折率を n 2とし、 第 3の回折素子要素 3 0の d線での屈折率 を n 3とし、 第 1の回折素子要素 1 0のアッベ数を v d lとし、 第 2の回折素子要素 2 0 のァッべ数を V d 2とし、 第 3の回折素子要素 3 0のァッべ数を V d 3としたとき、 次式 (1) 、 (2) のうち、 少なくとも一方を満たす。 一 0. 001425 < (n 1-112) / (vdl - vd2) … (1) —0. 001425く (n 2-n 3) / (vd2- vd3) … （2) ここで、 条件式 (1) は第 1の回折素子要素 10および第 2の回折素子要素 20におけ る屈折率の差とアッベ数の差の比を規定しており、 条件式 （2) は第 2の回折素子要素 2 0と第 3の回折素子要素 30における屈折率の差とアッベ数の差の比を規定している。 屈 折率の差とァッべ数の差の比が、 下卿直を下回ると、 ァッべ数の差に対する屈折率の差が 小さくなる事を意味する。 アッベ数の差に対する屈折率の差が小さくなると、 回折の条件 を満たすために回折格子溝の格子高さを高くすることが要求される。 格子高さが高くなる と、 入射光が回折光学面に入射する角度が大きい場合に回折効率の低下を招く。 すなわち 回折効率の入射角特性力 S低下する。 このため、 本発明の回折光学素子 1は、 屈折率の差と アッベ数の差の比が下隨直よりも大きく設定されている。 なお、 本発明においては、 条件 式 （1) の下 Hi直を一 0. 00 1425よりも高く設定して一 0. 000040とすると、 より高い回折効率を得る事ができる。
さらに、 本回折光学素子 1では、 第 1の回折素子要素 10の d線での屈折率を n 1とし、 第 2の回折素子要素 20の d線での屈折率を n 2とし、 第 3の回折素子要素 30の d線で の屈折率を n 3とし、 第 1の回折素子要素の 10ァッべ数を V d 1とし、 第 2の回折素子 要素 20のアッベ数を vd2とし、 第 3の回折素子要素 30のアッベ数を vd3としたと き、 以下の 3つの条件、 第 1の条件 （式 (3) および （4) ) 、 第 2の条件 （式 （5) お よび （6) ) および第 3の条件 （式 (7) および （8) ) のうち、 少なくとも 1つの条件 を満足すること力 S望ましい。 n 1 > 1. 54000··· (3)
45 < vdl < 55··· (4)
n 2 > 1. 54000··· (5)
45< vd2<55··· (6)
n 3>1. 54000··· (7)
45< vd3< 55··· (8) ここで、 屈折率 n l〜n 3が上記式 (3) ， (5) , (7) において示されている下限 値 1. 54000を下回ると、 回折の条件を満たすために、 回折格子溝の格子高さを高く することが要求される。 格子高さが高くなると、 入射光が回折光学面に入 る角度が大 きい場合に回折効率の低下を招く。 すなわち回折効率の入射角特性が低下する。 このため、 屈折率 n l〜！ ι 3は、 上記式 (3) ， (5) ， (7) のうち少なくとも 1つの条件式を満 足するのが要求されるが、 より高い回折効率を得るために、 下陋直として 1. 55000 であるのが望ましい。
また、 アッベ数 vdl〜vd3力 S上記式 （4) ， (6) ， (8) において示されている 範囲を避兑する場合には、 広い波長範囲で高い回折効率を得ることが出来なくなる。 この ため、 アッベ数 vdl〜vd3は、 上記式 （4) ， (6) , (8) のうち少なくとも 1つ の条件式を満足するのが要求されるが、 より広い波長範囲に亘つて高い回折効率を得るた めに、 下陋直として 48を上限値として 52を設定するのが望ましい。 実施例
以下に、 各実施例について説明する。
(第 1実施例）
図 1は第 1実施例の構成を示している。 図 1に示すように、 第 1の回折素子要素 10と 第 2の回折素子要素 20との接合面において第 1の回折素子要素 10に形成された回折格 子溝 2と tif 第 2の回折素子要素 20に形成された回折格子溝 3とが互いに密着接合され て第 1の回折光学面 6力 S形成され、 第 2の回折素子要素 20と第 3の回折素子要素 30と の接合面において第 2の回折素子要素 20に形成された回折格子溝 4と第 3の回折素子要 素 30に形成された回折格子溝 5とが互いに密着接合されて第 2の回折光学面 7が形成さ れる。 第 1〜第 3の回折素子要素 10〜 30は、 回折格子溝 2 (回折格子溝 3) と回折格 子溝 4 (回折格子溝 5) とのピッチが同じになるようにして密着接合されている。 回折格 子溝 2 (回折格子溝 3) の »斜面 6 aの傾斜方向と回折格子溝 4 (回折格子溝 5) の傾斜 面 7 aの俱斜方向とは同一である。 各回折格子溝の格子高さは、 1次の回折光が広い波長 範囲で高い回折効率を得るように最適化され、 回折格子溝 2の格子高さ; h 1 1、 回折格子 溝 4の格子高さ h i 2は、 h l l = 173. 85 m, h 1 2 = 44. 83 /xmとする。 以下の表 1に、 第 1実施例における条件式 (1) 〜 （8) に対応する値を示す。 (表 1)
(1) (n 1— n 2) / (vdl - vd2)=-一 0. 014272
(2) (n 2-n 3) / (vd2 - d3)=- -o. 000032
(3) n 1= 1. 55690
(4) vdl = 50. 2
(5) n 2=1. 55349
(6) vd2 = 50. 4
(7) n 3 = 1. 55389
(8) vd3 = 38. 1 このように、 本実施例では、 上記条件式 (1) 〜 （8) のうち、 条件式 (1) および (8) を除くもの力 S満たされている。 本実施例の回折光学素子は、 図 3において実線で示 すように、 可視光の広い波長範囲で 99%以上の高い回折効率を有している。 なお、 図 3 には比較として、 図 12に示すような 2層型の回折光学素子の回折効率を破線で示してい る。 この 2層型の回折光学素子は特許文献 1にも記載があり、 第 1の回折素子要素 10 ' としてガラス （ （n d, d)= (1. 59087, 62. 3) ) を用い、 第 1の回折素子 要素 20 'として紫外線硬化樹月旨 （（n d， vd)= (1. 55389， 38. 1) ) を用 いた。 ただし、 屈折率を n d、 アッベ数を vdとする。 回折格子溝の格子高さ hは 1 5. 8 zmである。 図 3に示すように、 2層型の回折光学素子の場合、 回折効率は可視光の領 域で 97%〜100%であり、 これに比べ本実施例は、 幅広い波長領域で明らかに回折効 率が向上している。
(第 2実施例）
図 4は第 2実施例の構成を示している。 第 1実施例と同じように、 第 1の回折素子要素 10と第 2の回折素子要素 20との接合面にぉレヽて第 1の回折光学面 6が形成され、 第 2 の回折素子要素 20と第 3の回折素子要素 30との接合面にぉレヽて第 2の回折光学面 7が 形成される。 第 1〜第 3の回折素子要素 10〜30は、 回折格子溝 2 (回折格子溝 3) と 回折格子溝 4 (回折格子溝 5) とのピッチが同じになるようにして密着接合されている。 回折格子溝 2 (回折格子溝 3) の 斜面 6 aの惧斜方向と回折格子溝 4 (回折格子溝 5) の傾斜面 7 aの傲斜方向とは同一である。 各回折格子溝の格子高さは、 1次の回折光が広 い波長範囲で高い回折効率を得るように： ¾化され、 回折格子溝 2の格子高さ h 21、 回 折格子溝 4の格子高さ h 22は、 h21 = 29. 56 ^m, h 22= 10. 26μπιとす る。 以下の表 2に、 第 2実施例における条件式 (1) 〜 （8) に対応する値を示す。
(表 2)
(1) (η 1 -n 2) / (vdl - 1 vd2) = 0. 001763
(2) (η 2 -n 3) / (vd2 リ 0. 005848
(3) η 1= 1. 55690 II
(4) vdl = = 50. 2
(5) n 2 = 1. 52770
(6) vd2= = 33. 6
(7) n 3 = 1. 55389
(8) vd3- = 38. 1 このように、 本実施例では、 上記条件式 (1) 〜 （8) のうち条件式 (5) 、 (6) お よび （8) を除くもの力 S満たされている。 本実施例の回折光学素子は、 図 5において実線 で示すように、 可視光の広レヽ波長範囲で 99%以上の高い回折効率を有している。 なお、 図 5には比較として、 図 11に示すような 2層型の回折光学素子の回折効率を破線で示し ている。 図 5に示すように、 2層型の回折光学素子の場合、 回折 ¾1率は可視光の^ g域で 9 7 %〜 100 %であり、 これに比べ本実施例は、 幅広い波長領域で明らかに回折効率が向 上している。
(第 3実施例）
図 6に第 3実施例の構成を示す。 本実施例では、 第 1実施例と同じように、 第 1の回折 素子要素 10と第 2の回折素子要素 20との接合面にぉレ、て第 1の回折光学面 6が形成さ れ、 第 2の回折素子要素 20と第 3の回折素子要素 30との接合面にぉ ヽて第 2の回折光 学面 7が形成される。 第 1〜第 3の回折素子要素 10〜 30は、 回折格子溝 2 (回折格子 溝 3) と回折格子溝 4 (回折格子溝 5) とのピッチが同じになるようにして密着接合され ている。 回折格子溝 2 (回折格子溝 3) の低斜面 6 aの ft斜方向と回折格子溝 4 (回折格 子溝 5 ) の傾斜面 7 aの { 斜方向とは同一である。 各回折格子溝の格子高さは、 1次の回 折光が広い波長範囲で高い回折効率を得るように最適化され、 回折格子溝 2の格子高さ h 31、 回折格子溝 4の格子高さ h 32は、 h 31=32. 68 πι, h 32= 13. 77 μπιとする。 以下の表 3に、 第 3実施例における条件式 (1) 〜 （8) に対応する値を示 す。
(表 3)
(1) (η 1 -η 2) / ( v d 1 - d 2) = 0. 001895
(2) (n 2-n 3) / (vd2- vd3) = 0. 007779
(3) n 1 = 1. 55690
(4) vdl =50. 2
(5) n 2= 1. 52760
(6) vd2 = 34. 7
(7) n 3=l. 55389
(8) vd3 = 38. 1 このように、 本実施例では、 上記条件式 (1) 〜 （8) のうち、 条件式 (5) 、 (6) および （8) を除くもの力 S満たされている。 本実施例の回折光学素子は、 図 7において実 線で示すように、 可視光の広い波長範囲で 99%以上の高い回折効率を有している。 なお、 図 7には比較として、 図 1 1に示すような 2層型の回折光学素子の回折効率を ί¾線で示し ている。 図 7に示すように、 2層型の回折光学素子の場合、 回折効率は可視光の領域で 9 7 %〜 100 %であり、 これに比べ本実施例は、 幅広レ、波長領域で明らかに回折効率が向 上している。 (第 4実施例）
図 8に第 4実施例の構成を示す。 本実施例では、 第 1実施例と同じように、 第 1の回折 素子要素 10と第 2の回折素子要素 20との接合面にぉレ、て第 1の回折光学面 6が形成さ れ、 第 2の回折素子要素 20と第 3の回折素子要素 30との接合面にぉ ヽて第 2の回折光 学面 7が形成される。 第 1〜第 3の回折素子要素 10〜30は、 回折格子溝 2 (回折格子 溝 3) と回折格子溝 4 (回折格子溝 5) とのピッチが同じになるようにして密着接合され ている。 回折格子溝 2 (回折格子溝 3) の傾斜面 6 aの傾斜方向と回折格子溝 4 (回折格 子溝 5 ) の傾斜面 7 aの風斜方向とは同一である。 各回折格子溝の格子高さは、 1次の回 折光力 S広い波長範囲で高い回折効率を得るように最適化され、 回折格子溝 2の格子高さ h 41、 回折格子溝 4の格子高さ h42は、 h41=29. 87 μπι, h42 = 23. 29 μπιとする。 以下の表 4に、 第 4実施例における条件式 (1) 〜 （8) に対応する値を示 す。
(表 4)
(1) (η 1— η 2) Z (vdl— vd2)=— 0. 000032
(2) (n 2-n 3) / (vd2- d3) = 0. 007779
(3) n 1= 1. 55349
(4) vdl = 50. 4
(5) n 2= 1. 55389
(6) vd2 = 38. 1
(7) n 3 = 1. 52760
(8) vd3 = 34. 7 このように、 本実施例では、 上記条件式 (1) 〜 （8) のうち、 条件式 (6) 、 (7) および （8) を除くもの力 S満たされている。 本実施例の回折光学素子は、 図 9において実 線で示すように、 可視光の広い波長範囲で 99 °/0以上の高い回折効率を有している。 なお、 図 9には比較として、 図 1 1に示すような 2層型の回折光学素子の回折効率を破線で示し ている。 図 9に示すように、 2層型の回折光学素子の:^、 回折効率は可視光の領域で 9 7%〜： L 00%であり、 これに比べ本実施例は、 幅広レ、波長領域で明らかに回折効率が向 上している。
(第 5実施例）
図 10に第 5実施例に係るテレコンバーターレンズと主レンズとからなる光学系のレン ズ構成を示す。 図 10に示すように、 本光学系を構成するテレコンバーターレンズ T Lを、 物体側に位置して正の屈折力を有する第 1レンズ群 F Lと、 像側に位置して負の屈折力を 有する第 2レンズ群 R Lとから構成し、 第 2レンズ群 R Lの像側に撮像レンズ等の主レン XMLを配置した。 そして、 回折光学面を有するレンズ素子を、 第 1レンズ群 F L中に設 置した。
本光学系における主レン MLは物体側から順に、 物体側に凸面を向けた負メニスカス レンズ L l、 両凹レンズ L 2、 物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ L 3、 開口絞り P、 両凸レンズ L 4、 両凸レンズ L 5、 両凹レンズ L 6 (これら両レンズ L 5， L 6は貼 り合わせレンズ） 、 物体側に凹面を向けた正メニスカスレンズ L 7、 物体側に凸面を向け た正メニスカスレンズ L 8、 及ぴ両凸レンズ L 9を配置して構成した。
また、 主レンズ MLの物体側に取り付けたテレコンバーターレンズ T Lは、 正の屈折力 を有する第 1レンズ群 F Lと負の屈折力を有する第 2レンズ群 R Lとからなり、 第 1レン ズ群 F Lは物体側から順に、 物体側に凸面を向けた負メニスカスレンズ L 1 1、 回折光学 面 G f を像側の面に有する物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ L 1 2 (これら両レ ンズ L I 1 , L 1 2は貼り合わせレンズ） 、 物体側に凸面を向けた正メニスカスレンズ L 1 3を配置して構成した。 また、 第 2レンズ群 R Lは物体側から順に、 物体側に凹面を向 けた （ί象側に凸面を向けた） 正メニスカスレンズ L 1 4、 両凹レンズ L 1 5、 物体側に凸 面を向けた正メニスカスレンズ L 1 6 (これらレンズ L 1 4， L 1 5 , L 1 6は貝占り合わ せレンズ） を配置して構成した。 また、 テレコンバーターレンズ下しの （第 2レンズ群 R の） 最も像側に位置する正メニスカスレンズ L 1 6と主レン MLの最も物体側に位置 する負メニスカスレンズ L 1との間の光路中には保護ガラス F 1を配置するとともに、 主 レン MLの最も像側に位置する両凸レンズ L 9と像面 ΕΜとの間の光路中には、 フィル ターとして平行平板 F 2および TO平板 F 3を配置した。
以下の表 5に、 第 5実施例における各レンズの諸元を示す。 表 5における面番号 1〜1 1はテレコンバーターレンズ T Lに関するものであり、 それぞれ図 1 0における符号 1〜 1 1に対応する。 また、 表 1における面番号 1 2〜 3 3は主レンズ MLに関するものであ り、 それぞれ図 1 0における符号 1 2〜 3 3に対応する。 また、 表 1における rはレンズ 面の曲率半径 （非球面の場合には基準球面の曲率半径） を、 dはレンズ面の間隔を、 n d は d線 = 5 8 7 . 6 n m) に対する屈折率を、 v dはアッベ数をそれぞれ示している。 非球面形状に形成されたレンズ面には、 面番号の右側に *印を付した。 以下の全ての諸元 値において掲載されている曲率^ # r、 面間隔 dその他の長さの単位は、 特記のない場合 一般に 「mm」 力 S使われるが、 光学系は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得 られるので、 単位は 「mm」 に限定されることなく、 他の適当な単位を用いることもでき る。 なお、 本実施例では、 テレコンバーターレンズ TLにおける面番号 3及び4に相当す る面が上記回折光学面 G f に相当し、 したがって本発明に係る回折光学面 6, 7を有する レンズ素子 (回折光学素子 1 ) はレンズ L 1 2に相当する。
なお、 回折光学面 G fは、 必ずしも第 1レンズ群 F Lを構成するレンズに設けられると は限らず、 第 2レンズ群 R Lを構成するレンズに設けてもよいし、 第 1レンズ群 F Lを構 成するレンズおよび第 2レンズ群 R Lを構成するレンズのいずれにも設けてもよい。 本実施例において、 非球面は光軸に垂直な方向の高さを yとし、 非球面の頂点における 接平面から高さ Sにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離 （サグ量） を Xとし、 基準球面の曲率を cとし、 近軸曲率を Cとし、 円錐係数を / c とし、 C2， C4, C6， C 8, Ca oを非球面係数としたとき、 非球面は以下の式で表される。
C= c + 2 C2
= c y { 1 + (1- i c 2y 2) 1/2} + C 2 y 2+ C4 y 4 + C6 y 6 + C8
Figure imgf000017_0001
(表 5)
(フロントコンパ一ターレンズ）
面番号 r d n d v d
1 8 3. 73 103 2. 1 0 1. 8466 6 2 3. 8
2 5 1. 92 1 00 8. 80 1. 5 908 7 6 2. 3
3 800. 00000 0. 00 10001 一 3. 5
4* 8 00. 00000 0. 20 1. 5538 9 3 8. 1
5 79 9. 58 5 1 7 0. 50 1. 00000
6 29. 8 1 1 73 8. 70 1. 5 1 680 64. 1
7 5 7. 758 32 34. 9 5 1. 00000
8 ~38. 4431 9 2. 90 1. 67270 3 2. 1
9 - 1 6. 82800 1. 20 1. 8 348 1 42. 7
10 1 2. 6 1 180 3. 20 1. 698 9 5 30. 1
1 1 3 3 9. 72 108 3. 20 1. 00000 C9iss//〕/-002TId
薩 (X Λ
ω0寸 •
〇
O
〇
O
O
O
Figure imgf000018_0001
τ
甲 X X [第 31面]
κ= + 1.0000 C4= 1.7718X10—4 C6 = 1.1671X10一6
C8 3.7998ΧΚΓ8 C10= 4.2480X10一10 図 11は第 5実施例における光学系の諸収差図である。 各収差図は d線及び g線にっレ、 ての結果を示しており、 FNOは Fナンバーを、 Yは像高を示している。 また、 非点収差 を示す収差図において、 実線はサジタル像面を示し、 破線はメリディォナル像面を示して いる。 各収差図から明らかなように、 本実施例では諸収差が良好に補正され、 優れた結像 性能力 S確保されていることが分かる。

Claims

請 求 の 範 囲
1. 互いに異なる材質の樹脂からなる第 1〜第 3の回折素子要素で構成され、 藤己第 2の 回折素子要素が廳己第 1の回折素子要素および藤己第 3の回折素子要素に挟まれて接 合された積層構造を有する回折光学素子であって、
前記第 1の回折素子要素と前記第 2の回折素子要素との接合面にぉレ、て前記第 1の回 折素子要素に开城された回折格子溝と前記第 2の回折素子要素に形成された回折格子 溝とが互いに密着接合されて第 1の回折光学面が形成され、
Sift己第 2の回折素子要素と ffflH第 3の回折素子要素との接合面にぉ ヽて前記第 2の回 折素子要素に形成された回折格子溝と認己第 3の回折素子要素に形成された回折格子 溝とが互いに密着接合されて第 2の回折光学面が形成され、
ttit己第 1の回折素子要素の非接合面および前記第 3の回折素子要素の非接合面がいず れも連続な面で構成されており、
t己第 1の回折素子要素の d線での屈折率を n 1とし、 藤己第 2の回折素子要素の d 線での屈折率を n 2とし、 fif己第 3の回折素子要素の d線での屈折率を n 3とし、 前 記第 1の回折素子要素のァッべ数を V d 1とし、 前記第 2の回折素子要素のァッべ数を V d 2とし、 flit己第 3の回折素子要素のァッべ数を V d 3としたとき、 次式
-0. 001425< ( 1-n 2) / (vdl-vd2) — 0. 001425 < ( n 2 - n 3 ) / (vd2- vd3) のうち、 少なくとも一方を満たすことを特徴とする回折光学素子。
2. ftlf己第 1〜第 3の回折素子要素に形成された回折格子溝が、 ί 斜面および起立面が交 互に並んだ断面鋸歯状に形成され、
m ιの回折光学面を形成する前記第 ιおよび第 2の回折素子要素の前記回折格子 溝の廳己慨斜面の傾斜方向と、 鍵己第 2の回折光学面を形成する歯己第 2および第 3 の回折素子要素の gift己回折格子溝の l己傾斜面の傾斜方向とが同一であることを特徴 とする請求項 1に記載の回折光学素子。
3 - tiff己第 1の回折素子要素の d茅泉での屈折率を n 1とし、 編己第 2の回折素子要素の d 線での屈折率を n 2とし、 tiff己第 3の回折素子要素の d ,綠での屈折率を n 3とし、 前 記第 1の回折素子要素のアッベ数を vdlとし、 前記第 2の回折素子要素のアッベ数を vd2とし、 flit己第 3の回折素子要素のアッベ数を vd3としたとき、 第 1の条件
n 1 > 1. 54000
45< vdl < 55
および第 2の条件
n 2> 1. 54000
45< vd2<55
および第 3の条件
n 3> 1. 54000
45< vd3< 55
のうち少なくとも 1つの前記条件を満たすことを特徴とする請求項 1もしくは 2に記 載の回折光学素子。
4 · m 1〜第 3の回折素子要素のいずれもが紫外線硬化樹脂を材質とすることを特徴 とする請求項 1〜 3の 、ずれかに言己載の回折光学素子。
5. 物体側から像側に向かって順に、 正の屈折力を有する第 1レンズ群と、負の屈折力を 有する第 2のレンズ群とを有し、 tiff己第 2レンズ群の tiff己像側に配置された主レンズ の焦点距離を拡大する光学系において、
觸己第 1レンズ群及び it己第 2レンズ群の少なくとも一方に請求項 1〜 4の 、ずれか
+に記載の tiff己回折光学素子を備えた光学系。
6. 連続な面を有した基板上に請求項 1〜 5の 、ずれかに記載の f己第 1の回折素子要素 の材質である第 1の樹脂を滴下する第 1の工程と、
tiff己第 1の樹脂に回折格子溝を形成する第 2の工程と、
歸己第 1の樹脂を硬ィ匕させる第 3の工程と、
ttif己第 1の樹月旨の編己回折格子溝に請求項 1〜 5のいずれかに記載の謂己第 2の回折 素子要素の材質である第 2の樹脂を滴下する第 4の工程と、
tin己第 2の樹脂に回折格子溝を形成する第 5の工程と、
ftff己第 2の樹脂を硬化させる第 6の工程と、 Sift己第 2の樹脂の ΙΐΠ己回折格子溝に請求項 1〜 5のレ、ずれかに記載の tin己第 3の回折 素子要素の材質である第 3の樹脂を滴下する第 Ίの工程と、
編己第 3の樹脂を硬化させる第 8の工程と、
前記第 3の樹脂に連続な面を形成する第 9の工程とを有することを特徴とする回折光 学素子の製造方法。
7. tiffffii続な面は、 平面もしくは曲面であることを特徴とする請求項 6に記載の回折光 学素子の製造方法。
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