WO2013168740A1 - 回折光学素子および撮像光学系 - Google Patents

回折光学素子および撮像光学系 Download PDF

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WO2013168740A1
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refractive index
layer
grating layer
diffraction
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幸宏 垰
▲琢▼治 野村
元志 中山
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旭硝子株式会社
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B1/00—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements
    • G02B1/04—Optical elements characterised by the material of which they are made; Optical coatings for optical elements made of organic materials, e.g. plastics
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B3/00—Simple or compound lenses
    • G02B3/02—Simple or compound lenses with non-spherical faces
    • G02B3/08—Simple or compound lenses with non-spherical faces with discontinuous faces, e.g. Fresnel lens
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings

Definitions

  • 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.
  • a refractive lens using a refractive action of light such as a concave lens or a convex lens has been used in many cases.
  • Degradation of image quality due to chromatic aberration of the refractive lens has been a greater problem than before.
  • 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.
  • the change in focal length with respect to the change in wavelength of incident light differs between a diffractive lens and a refractive lens.
  • 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.
  • chromatic aberration can be corrected effectively and the optical system can be made small, but there has been a new problem 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.
  • Patent Document 1 describes an example of selecting an optical material and parameter conditions for achieving a diffractive optical element having high diffraction efficiency at the design order regardless of the wavelength.
  • Patent Document 2 describes a technique for solving the problem that the diffraction efficiency cannot be set sufficiently high over all wavelengths in the visible light region by electronically correcting the information received by the image sensor. Yes.
  • Patent Document 3 in order to eliminate the cause of flare that is not caused by a decrease in diffraction efficiency, the angle of the side wall of the diffraction grating is controlled in order to suppress flare generated by light reflected by the side wall of the diffraction grating. The technology is described.
  • Patent Document 2 does not function sufficiently depending on the shooting environment.
  • the angle of the side wall of the grating is changed. If the angle of the side wall is changed, the diffraction efficiency of the designed order is lowered, which may adversely affect the optical characteristics.
  • these methods alone are not sufficient as a countermeasure for flare using a diffractive lens.
  • the problem is how to set the diffraction efficiency sufficiently high over all wavelengths in the visible light region.
  • Patent Document 1 due to problems such as cost, workability, durability, and haze of materials, it is actually very difficult to set the diffraction efficiency sufficiently high over all wavelengths in the visible light region. It was.
  • the material that meets the requirements is expensive because it is a special material, or it is very difficult to create a diffractive structure using that material, and the environmental fluctuations such as durability and temperature of the material. It has been difficult to simultaneously achieve resistance to changes in optical properties against light, suppression of scattering generated on the surface and inside of the material, and the like.
  • 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 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.
  • a diffractive optical element 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 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.
  • the lattice layer is made of 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.
  • 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 ⁇ m and without any gaps.
  • a zirconia composite material 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.
  • 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 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.
  • 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 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 And at least one diffraction grating layer material containing a zirconia composite material, a phenyl group or a biphenyl group as an organic / inorganic hybrid material.
  • a monomer material containing a fluoro group and a phenyl group in a single molecule may be used.
  • 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 concavo-convex structure that functions as one diffraction grating, and the transparent substrate, the first diffraction grating layer, the second diffraction grating layer, the third diffraction grating layer, and the fourth diffraction grating.
  • 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. Also good.
  • 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.
  • the difference between the ⁇ nC value and the ng ⁇ nC value of the other material is ⁇ (ng ⁇ nC)
  • the difference between the ng value of one material and the ng of the other material is ⁇ ng
  • 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
  • the difference between the value of ng ⁇ nC of one material and the value of ng ⁇ nC of the other material is ⁇ (ng ⁇ nC).
  • the value of ne of one material and the value of ne of the other material When the difference is ⁇ ne, the following conditional expression (B) may be satisfied.
  • 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 to 1.59, it is a medium refractive index material, and if it is less than 1.51, it is a low refractive index material.
  • 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.
  • 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
  • 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
  • the third layer is a high refractive index low dispersion material.
  • 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
  • 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
  • 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
  • the C-layer of the third layer material is C
  • the refractive index of the line is nC 3
  • the difference (ne 1 -ne 2 ) in the refractive index between the first layer and the second layer e line is ⁇ ne 12
  • the refractive index of the second layer and the third layer e line is The difference (ne 2 ⁇ ne 3 ) is ⁇ ne 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 ⁇ (ng ⁇ nC) 12 and the difference in refractive index between the g-line and
  • the surface shape of the uppermost diffraction grating layer may be an aspherical surface.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the diffractive optical element is a diffractive optical element that functions as a lens, and two diffractive gratings are formed in the element.
  • the diffractive optical element having the larger optical path difference of the d-line is used.
  • the optical path difference is 2 ⁇ 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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 the four concavo-convex structures constituting the two diffraction gratings is defined as the incident angle.
  • the arrangement order of the materials of each diffraction grating layer is configured so that the diffraction grating layer made of the 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.
  • 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 constituting the diffraction grating is formed.
  • 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.
  • An imaging optical system 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.
  • 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.
  • a diffractive optical element that can be made of a material that can be put to practical use and that can effectively suppress flare caused by the diffractive optical element in the imaging optical system.
  • (A) And (b) is a schematic cross section which shows typically the cross section of the diffractive optical element of 1st Embodiment. It is a schematic top view which shows typically the shape of the diffraction grating formed in the diffractive optical element of 1st Embodiment. It is explanatory drawing explaining the diffraction surface formed per grating
  • (A) And (b) is a graph which shows the example of the primary diffraction efficiency of the diffraction grating 100 formed in the diffractive optical element of 1st Embodiment compared with the single layer diffraction grating by quartz glass. . It is explanatory drawing which shows the example of the optical characteristic of the material of each diffraction grating layer of the diffractive optical element of 1st Embodiment. It is a graph which shows the correlation with the value R of material set, and the diffraction efficiency value of the minimum side of g line
  • (A) And (b) is a schematic cross section which shows typically the cross section of the diffractive optical element of 2nd Embodiment. It is explanatory drawing explaining the diffraction surface formed per grating
  • FIG. 10 is a graph showing an example of refractive indexes for respective wavelengths of three materials used for the diffraction grating layers 22 to 24 of the diffractive optical element according to the second embodiment. It is a graph which shows the example of the primary diffraction efficiency in the whole diffractive optical element of 2nd Embodiment.
  • (A) And (b) is explanatory drawing which shows the example of a combination of the height direction of two diffraction gratings. It is explanatory drawing which shows the relationship between the difference of the refractive index difference of the diffraction grating material in the example 1 of a combination, and the difference of refractive index, and the height of a diffraction grating.
  • (A) And (b) is explanatory drawing which shows the relationship between the difference of the refractive index difference of the diffraction grating material in the example 2 of a combination, and the difference of a refractive index, and the height of a diffraction grating. It is explanatory drawing which shows the relationship between the difference of the refractive index difference of the diffraction grating material in the example 2 of a combination, and the difference of refractive index, and the height of a diffraction grating.
  • (A) And (b) is explanatory drawing which shows the relationship between the difference of the refractive index difference of the diffraction grating material in the example 3 of a combination, and the difference of a refractive index, and the height of a diffraction grating. It is explanatory drawing which shows the relationship between the difference of the refractive index difference of the diffraction grating material in the example 3 of a combination, and the difference of refractive index, and the height of a diffraction grating.
  • (A) And (b) is a schematic cross section which shows typically the example of the diffractive optical element of 4th Embodiment. It is a schematic cross section which shows typically the other example of the diffractive optical element of 4th Embodiment. It is a schematic cross section which shows typically the example of the diffractive optical element of 5th Embodiment. It is a schematic cross section which shows typically the other example of the diffractive optical element of 5th Embodiment.
  • (A) And (b) is explanatory drawing which shows typically the cross-sectional shape of the diffraction grating part of the diffractive optical element of 6th Embodiment.
  • Explanatory drawing which shows the example of application to the phase transfer function of the uneven structure of the diffractive optical element of 6th Embodiment. is a graph showing the relationship between the product of the height and width of the annular ring-shaped zones when changing the [rho 0.
  • It is a schematic cross section which shows typically the cross section of the laminated diffraction grating layer part of the diffractive optical element of 7th Embodiment.
  • FIG. 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 optical element 10 according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 1B is an exploded cross-sectional view of the diffractive optical element 10 shown in FIG.
  • the diffractive optical element 10 of this embodiment has at least one transparent substrate 11.
  • a first diffraction grating layer 12 hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 12”
  • a second diffraction grating layer 13 hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 13”.
  • a diffraction grating 100 is formed at least at a part of the interface between the first diffraction grating layer 12 and the second diffraction grating layer 13.
  • a concave / convex structure that functions as one diffraction grating is formed in combination, and the two layers of the concave / convex structures 121 and 131 are laminated so as to be in close contact with each other, whereby two different layers are formed on the transparent substrate 11.
  • a diffraction grating 100 made of a material is formed.
  • the surface of the transparent substrate 11 on which such a diffraction grating layer is laminated may be a flat surface or a curved surface. That is, the diffraction grating layers 12 and 13 may be bonded and laminated on the surface of the transparent substrate 11 having a single lens shape.
  • the first diffraction grating layer 12 may be formed with a desired concavo-convex structure 121 by, for example, an imprint method or the like.
  • the second diffraction grating layer 13 is filled with a monomer material and cured or filled with a thermoplastic resin so as to fill the concave portion of the concave-convex structure 121 after the first diffraction grating layer 12 is formed.
  • the transparent substrate 11 and the first diffraction grating layer 12 may be made of the same material. That is, the surface of the transparent substrate 11 can be processed to form the uneven structure 121 directly on the substrate, so that the transparent substrate 11 can also serve as the first diffraction grating layer 12.
  • the transparent substrate 11 is glass
  • one transparent substrate may be provided on the opposite side of the transparent substrate 11.
  • the diffraction grating layers 12 and 13 may be sandwiched between two transparent substrates.
  • the concavo-convex structures 121 and 131 constituting the diffraction grating 100 may be, for example, a structure in which serrated concavo-convex sections are periodically arranged.
  • one of the concave and convex structures has a shape simulating a Fresnel lens, for example, a ring zone having a sawtooth cross-sectional shape arranged in a concentric manner rotationally symmetric with respect to the optical axis. May be.
  • FIG. 2 is a schematic top view schematically showing the shape of the diffraction grating 100 formed in the diffractive optical element 10 of the present embodiment.
  • the grating pitch and the grating height are appropriately selected according to the function of the diffractive optical element 10 and the selected material.
  • the diffractive optical element 10 of this embodiment is a so-called close-contact diffractive optical element in which two optical members are combined to form one diffraction grating, and as shown in FIG.
  • the diffractive optical element 10 can be regarded as having one diffractive surface formed by using two different materials in terms of one period of the grating (see the broken line in FIG. 3).
  • 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.
  • 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.
  • the high / low refractive index, or the large / small dispersion or Abbe number represents a relative relationship between the two materials.
  • 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”.
  • 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”.
  • FIG. 4 is a graph showing an example of the refractive index for each wavelength of the two materials 1 and 2 used for the diffraction grating layers 12 and 13. It should be noted that which diffraction grating layer the materials 1 and 2 are used in is arbitrary. That is, the material 1 may be used as the material of the diffraction grating layer 12, the material 2 may be used as the material of the diffraction grating layer 13, the material 2 may be used as the material of the diffraction grating layer 12, and the material 1 may be used as the material of the diffraction grating layer 13. It may be used as a material.
  • the material 1 has a lower refractive index than the material 2 and is a highly dispersed material.
  • the material 2 has a higher refractive index than the material 1 and is a low dispersion material.
  • materials having such characteristics include, for example, relatively high refractive index and low dispersion materials, zirconia composite materials using a resin containing a cyclo ring, adamantane, and cyclopentanyl group as a matrix, resins containing sulfur, optical A glass material is mentioned.
  • an organic material containing many double bonds a material containing a phenyl group, a biphenyl group, a terphenyl group, a fluorene skeleton, or a material containing a fluoro group and a phenyl group
  • composite materials using titania fine particles and barium titanate fine particles have high refractive index and high Abbe number, and low refractive index and low Abbe number in consideration of durability, so the optical characteristics of the element can be freely controlled. it can.
  • the diffraction efficiency of the diffractive optical element 10 of the present embodiment will be described.
  • the diffraction efficiency of a so-called two-layer close-contact laminated type optical diffraction element as in this embodiment is obtained by multiplying the difference ⁇ n between the refractive indexes of two materials used for the diffraction grating by the height d of the diffraction grating.
  • ⁇ nd / ⁇ should be approximately m (for example, within m ⁇ 0.1) in those regions. .
  • ⁇ n does not change with respect to the wavelength, even if the above condition can be satisfied at a certain wavelength, ⁇ nd / ⁇ becomes a value other than m at other wavelengths. Then, the diffraction efficiency decreases in those wavelength bands.
  • the diffraction grating 100 is formed by combining a material having a high refractive index and low dispersion and a material having a low refractive index and high dispersion.
  • ⁇ n can be increased as the wavelength becomes longer, so that the change in refractive index with respect to the wavelength of both materials can be canceled and ⁇ nd / ⁇ can be made around m over the entire visible light region.
  • the diffraction efficiency can be increased over the entire visible light band.
  • 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.
  • m is other than ⁇ 1
  • 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
  • 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
  • FIG. 5A is a graph showing an example of the first-order diffraction efficiency of the diffraction grating 100 manufactured by combining the materials 1 and 2 shown in FIG.
  • FIG. 5B is a graph showing the diffraction efficiency of the diffraction grating when a diffraction grating having the same shape as that of the diffraction grating 100 manufactured using only quartz glass is formed.
  • the grating height in these examples is 12.8 ⁇ m in the diffraction grating 100 of the present embodiment, and 1.1 ⁇ m in the diffraction grating using only quartz glass.
  • the grating height that is, the height of the diffraction grating
  • the diffraction efficiency of a diffraction grating manufactured using only quartz glass that is, having a diffraction surface made of quartz glass and air
  • the diffraction grating 100 of the present embodiment shown in FIG. 5A satisfies the above-described selection conditions for the materials of the diffraction grating layers 11 and 12, and peaks at wavelengths of 430 nm and 650 nm. It can be seen that the diffraction efficiency of 95% or more can be maintained in the entire band.
  • 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.
  • a resin material containing a halogen-based element such as sulfur may be mentioned, 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
  • 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.
  • 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.
  • a monomer having a fluoro group and a phenyl group having a carbon chain of 2 or more and 6 or less in particular, Monomers having 11 to 21 carbon atoms may be used.
  • a monomer having a fluoro group and a phenyl group having a carbon chain of 2 or more and 6 or less in particular, Monomers having 11 to 21 carbon atoms may be used.
  • 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.
  • the diffractive optical element 10 of the present embodiment when the application of the diffractive optical element 10 of the present embodiment is limited to the imaging optical system, the following conditions more suitable than the conditions based on the difference in refractive index and Abbe number or main dispersion are used. It is preferable to select a material for forming the diffraction grating.
  • 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.
  • the inventor of the present invention selects a material based on the following conditions instead of the main dispersion and the Abbe number, and 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.
  • the main dispersion used to calculate the Abbe number is obtained using the refractive index of the F-line and C-line of the Fraunhofer line, but these 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.
  • 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.
  • 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).
  • ⁇ represents the difference between the material 1 and the material 2 indicated by the following symbols.
  • ⁇ (ng ⁇ nC) represents the difference between the ng ⁇ nC value of material 1 and the ng ⁇ nC value of material 2.
  • Conditional expression (A) is a condition for suppressing a decrease in diffraction efficiency in a wavelength band of 430 nm or less
  • 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.
  • 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.
  • the alternate long and short dash line indicates the difference in refractive index between the two members near the g line
  • the alternate long and two short dashes line indicates the difference in refractive index between the two members near the C line.
  • 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.
  • An image sensor using a normal 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.
  • the condition that the diffraction efficiency near the g-line and the C-line is high is that the refractive index of the diffraction grating layer 12 is n 12 , the refractive index of the diffraction grating layer 13 is n 13 , and the g of the diffraction grating layer 12 is g. If the refractive index of the line is expressed as n12g, the refractive index of the C line is expressed as n12C, and the diffraction grating layer 13 is also expressed in the same manner, it can be expressed by the following formula (1).
  • FIG. 7 is a graph showing the correlation between the value R and the efficiency value on the minimum side of the g-line and 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. 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.
  • a value P of the following equation (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).
  • the diffraction efficiency of the e-line does not decrease, which is likely to decrease.
  • the optical path difference of the e-line is likely to be larger than the optical path difference of the C-line or the g-line, and is likely to be larger than 1. For this reason, the diffraction efficiency tends to decrease. Therefore, the lower the value P, the better the material with a low refractive index, and the higher the value P, the better the material with a high refractive index.
  • the inventor of the present invention uses the difference value between the value P of the material 1 and the value P of the material 2, the value Q of the square root quotient of the refractive index difference between the materials 1 and 2, and the diffraction formed by using the material. It has been found that there is a dependency on the diffraction efficiency of the e-line of the grating 100.
  • equation (4) is defined.
  • FIG. 8 is a graph showing the relationship between the value Q of a certain material set and the diffraction efficiency of the e-line of the diffraction grating 100 formed using the material when the condition (a) is satisfied.
  • the grating height is determined so that the diffraction efficiency of g-line and C-line is high so that diffraction is performed in a visible light broadband using a relatively high refractive index low dispersion material and a relatively low refractive index high dispersion material.
  • the value Q of the above-described formula (4) shows a relationship that does not depend much on the difference in the refractive index of the material forming the grating and also depends on the diffraction efficiency well.
  • 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 more preferably 97% or more. 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.
  • 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.
  • the diffractive optical element 10 of the present embodiment when the diffractive optical element 10 of the present embodiment is incorporated in an imaging optical system, a change in diffraction efficiency due to incident angle dependency may be a problem.
  • the diffractive optical element 10 is incorporated in the imaging optical system, it is conceivable that light enters the diffractive optical element 10 from various incident angles.
  • the diffraction efficiency of the diffraction grating changes depending on the incident angle, the change in efficiency can be suppressed by reducing the aspect ratio of the diffraction grating 100. Therefore, the diffraction grating 100 of the present embodiment preferably has a grating height of 20 ⁇ m or less, and more preferably 15 ⁇ m or less.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view showing another example of the diffractive optical element 10 of the first embodiment.
  • a diffractive optical element 10 in which diffraction grating layers 12 and 13 are stacked on a single-lens transparent substrate 11 shown in FIG. 9 so that the diffraction grating functions as a hybrid lens having positive power.
  • a high refractive index and low dispersion material is used for the first diffraction grating layer 12 located in the first layer when viewed from the transparent substrate 11 side.
  • a low refractive index and high dispersion material is used for the second diffraction grating layer 13 positioned, the direction of the grating side wall can be tilted from the optical axis direction to the outer peripheral side. Therefore, the diffraction grating layer 12 is formed using an imprint process. When it does, there exists a merit which becomes easy to release from a type
  • the power direction of the diffraction grating is negative, on the contrary, a low refractive index and high dispersion material may be used for the first diffraction grating layer 12.
  • the transparent substrate 11 is concave and the power of the diffraction grating is positive, it is better to imprint a low refractive index and high dispersion material as the first diffraction grating layer 12, and the power of the diffraction grating should be negative.
  • a high refractive index and low dispersion material is preferably imprinted as the first diffraction grating layer 12.
  • 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.
  • 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 optical element 20 of the second embodiment.
  • FIG. 10B is an exploded cross-sectional view of the diffractive optical element 20 shown in FIG.
  • the diffractive optical element 20 of the present embodiment has at least one transparent substrate 21, and a first diffraction grating layer 22 (hereinafter simply referred to as “diffraction grating layer 22”) on the transparent substrate 21. And a second diffraction grating layer 23 (hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 23”) and a third diffraction grating layer 24 (hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 24”).
  • the diffraction grating 201 is formed at least at a part of the interface between the first diffraction grating layer 22 and the second diffraction grating layer 23, and the second diffraction grating layer 23 and the third diffraction grating layer 24 are formed.
  • a diffraction grating 202 is formed on at least a part of the interface.
  • a part of the interface of the first diffraction grating layer 22 on the second diffraction grating layer 23 side and a part of the interface of the second diffraction grating layer 23 on the first diffraction grating layer 22 side are:
  • a concavo-convex structure that acts as one diffraction grating is formed, and the concavo-convex structures 221 and 231 of these two layers are laminated so as to be in close contact with each other, and the second diffraction grating layer 23 has a second structure.
  • the third diffraction grating layer 24 side interface part and the third diffraction grating layer 24 side interface part of the second diffraction grating layer 23 side are combined to act as one diffraction grating.
  • Two concavo-convex structures are formed, and two concavo-convex structures 232 and 241 of these two layers are laminated so as to be in close contact with each other.
  • the diffraction gratings 201 and 202 are It has been made. Note that the diffraction gratings 201 and 202 have substantially the same grating pitch. Note that the lattice height may be different. Here, substantially the same lattice pitch means that the pitch difference is ⁇ 2%.
  • the surface of the transparent substrate 21 on which the diffraction grating layer is laminated may be a flat surface or a curved surface.
  • the transparent substrate 21 and the first diffraction grating layer 22 may be made of the same material. Further, one transparent substrate may be provided on the opposite side of the transparent substrate 21. That is, a configuration in which the diffraction grating layers 22, 23, and 24 are sandwiched between two transparent substrates may be employed.
  • the diffractive optical element 20 of the present embodiment is a so-called three-layer close-contact diffractive optical element in which three different optical members are combined to form a total of two diffraction gratings, as shown in FIG.
  • the diffractive optical element 20 of the present embodiment can be regarded as having two diffractive surfaces formed using three types of optical member layers in terms of one grating period (see the broken line in FIG. 11).
  • 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 combination examples shown in FIG. That is, if the three materials used for the diffraction grating layers 22, 23, and 24 are materials 3, 4, and 5, combination example 1) Material 3 is a low refractive index and low dispersion material, and Material 4 is a high refractive index and low dispersion material. Material 5 is a high refractive index high dispersion material or combination example 2) Material 3 is a medium refractive index high dispersion material, Material 4 is a high refractive index high dispersion material, and Material 5 is high refractive.
  • Example 3 Material 3 is a low refractive index, high dispersion material, Material 4 is a high refractive index, high dispersion material, and Material 5 is a high refractive index, low dispersion material, or a combination Example 4)
  • the material 3 is a medium refractive index high dispersion material, the material 4 is a material having a low refractive index to a medium refractive index, and the material 5 is a high refractive index low dispersion material, or a combination example 5)
  • material 3 is the medium refractive index material, the material 4 is a medium refractive index and high dispersion material, the material 5 is a high refractive index and low dispersion material.
  • the first layer material in FIG. 12 is described as material 3
  • the second layer material is material 4
  • the above combination uses a high refractive index material when the d-line refractive index is greater than 1.59, a low refractive index material when the refractive index is smaller than 1.51, and a medium refractive index material therebetween.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the material 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.
  • a medium refractive index material means a medium refractive index material that may be either low dispersion or high dispersion.
  • 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.
  • FIG. 13 is a graph showing an example of the refractive index for each wavelength of the three materials 3, 4, and 5 used for the diffraction grating layers 22, 23, and 24.
  • any of the diffraction grating layers using the materials 3 to 5 is arbitrary as long as the relationship between the refractive index difference and the wavelength dispersion described above can be held by two diffraction surfaces.
  • the material 3 may be used for the diffraction grating layer 24, the material 4 may be used for the diffraction grating layer 23, and the material 5 may be used for the diffraction grating layer 22.
  • the material 3 may be used for the diffraction grating layer 22, the material 4 may be used for the diffraction grating layer 23, and the material 5 may be used for the diffraction grating layer 24.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the diffractive optical element 20 of the present embodiment is a combination of two diffraction gratings so as to have the same function as that of the diffraction grating of the diffractive optical element 10 of the first embodiment. Therefore, as described in the first embodiment, the basic principle of making the value of ⁇ nd / ⁇ closer to an integer value in the element remains unchanged. However, since the number of materials to be combined is increased, it is easier to adjust so that the value of ⁇ nd / ⁇ can take a value closer to a single integer value as compared with the first embodiment.
  • the diffraction grating 100 of the first embodiment is not a single diffraction grating, but two diffraction gratings of the material 1 and the material 2 having the same height are bonded together, and the diffraction gratings of the materials 3 and 4 are combined.
  • the diffraction grating similar to that of the material 2 may be formed, and the diffraction grating similar to that of the material 1 may be formed by bonding the diffraction gratings of the materials 4 and 5 together.
  • the range of material selection can be expanded.
  • the relationship between the refractive index and the dispersion of the material 2 in the first embodiment for the material 1 is replaced with the material 3 and the material 4, and the relationship between the refractive index and the dispersion of the material 1 in the first embodiment for the material 2 is replaced with the material 4.
  • the material 5 may be designed to be replaced.
  • 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.
  • FIG. 14 is a graph showing an example of the first-order diffraction efficiency of the entire diffractive optical element 20 of this embodiment manufactured by combining the materials 3, 4, and 5 shown in FIG.
  • the diffraction grating layer 22 made of the material 5 and the diffraction grating layer 23 made of the material 4 form a diffraction grating 201 having a height of 9.8 ⁇ m
  • the diffraction grating layer 23 made of the material 4 and the material 3
  • the diffraction efficiency of 95% or more can be maintained in the entire visible light band with the wavelengths of 400 nm and 600 nm as peaks, but also the line efficiency can be improved in a wavelength region other than the peak such as the green to yellow wavelength band. It can be seen that the decrease is small and the high value is maintained over the entire visible light band.
  • each diffraction grating layer is defined as the first layer, the second layer, and the third layer as viewed from the transparent substrate 21 in the stacking order. Is not necessarily limited to this.
  • the difference in refractive index between the first layer and the second layer is large to some extent (for example, 0.04 or more).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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. .
  • 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.
  • the grating height of the diffraction grating 201 is preferably 20 ⁇ m or less, and more preferably 15 ⁇ m or less.
  • a range in which the grating height of the diffraction grating 201 is 20 ⁇ m or less and a range in which the grating height is 15 ⁇ m or less are shown.
  • FIG. 15A is an explanatory diagram illustrating an example in which the height directions of two diffraction gratings are opposite
  • FIG. 15B illustrates an example in which the height directions of two diffraction gratings are the same. It is explanatory drawing.
  • 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
  • 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
  • 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
  • the refractive index of the C-line of the third layer material is nC 3 .
  • the difference in refractive index between the first and second e-lines (ne 1 -ne 2 ) is ⁇ ne 12
  • 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 ⁇ (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 ⁇ (ng ⁇ nC) 23 .
  • the first layer material shown in FIG. 12 is the material of the diffraction grating layer 22
  • the second layer material is the material of the diffraction grating layer 23
  • the third layer material is the material of the diffraction grating layer 24.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less except for 0 ⁇ value of Formula (7) ⁇ 1.5, and 15 ⁇ m or less is 0 ⁇ It can be seen that the value of formula (7) is other than ⁇ 1.7. Further, from FIG. 18, from FIG. 18, the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less except for 0 ⁇ value of Formula (7) ⁇ 1.5, and 15 ⁇ m or less is 0 ⁇ It can be seen that the value of formula (7) is other than ⁇ 1.7. Further, from FIG.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less because the value of Expression (8) ⁇ 1.55, and 15 ⁇ m or less is the expression (8 ) Value ⁇ 1.51.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201 is 20 ⁇ m or less because the value of Equation (5) ⁇ 0.85, and 15 ⁇ m or less is that of Equation (5). It can be seen that the value ⁇ 0.78. Further, from FIG. 21, the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because the value of the expression (6) ⁇ 0.99, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 0.975.
  • FIG. 20 the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because the value of the expression (6) ⁇ 0.99, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 0.975.
  • 22A is an explanatory diagram showing the correlation with the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 in the range where the value of the expression (7) is ⁇ 2 to 2
  • FIG. 8 is an explanatory diagram showing the correlation with the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 in the enlarged range where the value of Expression (7) is in the range of 1.5 to 2.1.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less except for 0 ⁇ value of Formula (7) ⁇ 1.575, and 15 ⁇ m or less is 0 ⁇ It can be seen that the value of formula (7) is other than 1.65. Further, from FIG.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less because the value of Expression (6) ⁇ 0.97, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 0.96.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201 is 20 ⁇ m or less because the value of Equation (5) ⁇ 0.85, and 15 ⁇ m or less is that of Equation (5). It can be seen that the value ⁇ 0.78.
  • FIG. 25 shows that the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is sufficiently 15 ⁇ m or less if the value of the expression (6) ⁇ 1.01.
  • 26A is an explanatory diagram showing a correlation with the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 in the range where the value of the expression (7) is ⁇ 2 to 2
  • FIG. FIG. 8 is an explanatory diagram showing the correlation with the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 in the enlarged range where the value of Expression (7) is in the range of 1.5 to 2.1.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less except for 0 ⁇ the value of the expression (7) ⁇ 1.575, and 15 ⁇ m or less is 0 ⁇ It can be seen that the value of formula (7) is other than 1.65. Further, from FIG. 27, the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because the value of Expression (6) ⁇ 0.97, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 0.96.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201 is 20 ⁇ m or less because the value of the formula (5) ⁇ 0.97, and 15 ⁇ m or less is the formula (5). It can be seen that the value ⁇ 0.965. Further, from FIG. 29, the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because the value of the expression (6) ⁇ 1.017, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 1.015.
  • FIG. 29 the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because the value of the expression (6) ⁇ 1.017, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 1.015.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less because the value of Expression (6) ⁇ 0.98, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 0.97.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201 is 20 ⁇ m or less because the value of Equation (5) ⁇ 0.975, and 15 ⁇ m or less is that of Equation (5). It can be seen that the value ⁇ 0.97.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201 is 20 ⁇ m or less because the value of Expression (6) ⁇ 1.005, and 15 ⁇ m or less is the expression (6 ) Value ⁇ 1.000.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 that is, the grating height is 20 ⁇ m or less when the equation (5) ⁇ 0.99, and 15 ⁇ m or less is when the equation (5) ⁇ 0. It turns out that it is 975. Further, from FIG.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 that is, the height of the grating is 20 ⁇ m or less is the formula (6) ⁇ 0.965, and the height of 15 ⁇ m or less is the formula (6) ⁇ It turns out that it is 0.95.
  • 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.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201 is 20 to 15 ⁇ m or less when the value of the expression (5) ⁇ 1.00 or the value of the expression (5)> 1.01. I know that there is. Also, from FIG. 37, the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because 1.77> the value of formula (8)> 1.49, and 15 ⁇ m or less. It can be seen that 1.75> value of formula (8)> 1.52.
  • FIG. 37 the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 201, that is, the grating height is 20 ⁇ m or less because 1.77> the value of formula (8)> 1.49, and 15 ⁇ m or less. It can be seen that 1.75> value of formula (8)> 1.52.
  • the height of the concavo-convex structure of the diffraction grating 202 is 20 ⁇ m or less because the value of the expression (9)> 1.125, and 15 ⁇ m or less is the expression (9 ) Value> 1.15.
  • the values of the equations (10) and (11) defined below may be set within a certain range.
  • the difference between P ′ of the relatively high dispersion material and the low dispersion material in the second layer and the third layer is If it is 0.055 or less, a diffraction efficiency of 98% is preferable, and if it is 0.015 or less, a diffraction efficiency of 99% is obtained.
  • a diffraction efficiency of 98% is preferable, and if it is 0.01 or less, 99% diffraction efficiency is obtained, it is more preferable.
  • the diffraction efficiency is preferably 98%, and if it is 0.028 or less, the diffraction efficiency is 99%, more preferably.
  • the difference between P ′ of the relatively high dispersion material and the low dispersion material and the refraction of the e-line in the first and third layers is less than 0.3, the diffraction efficiency in the green region is preferably 98%, and if it is less than 0.1, the diffraction efficiency in the green region is 99% or more, more preferably.
  • the aspect ratio of the diffraction grating can be reduced without excessively increasing the height of the diffraction grating. A lattice is obtained.
  • the diffractive optical element 20 that functions as a hybrid lens having a positive power by stacking the diffraction grating layers 22, 23, and 24 on the single-lens transparent substrate 21 as shown in FIG. 40 will be described as an example. To do.
  • FIG. 41 is an explanatory diagram showing the relationship between the incident surface of incident light on the diffractive structure in the diffractive optical element 20 shown in FIG. 40 and the diffraction direction.
  • FIG. 41 shows the diffraction direction when light is incident from the upper layer side of the laminated diffraction grating layer, that is, the diffraction grating layer 24 side.
  • the lines connecting the bottoms of the diffraction gratings in the diffractive optical element 20 are 81 and 82, respectively, these two lines are assumed to be parallel to each other.
  • the line connected in the diffraction grating layer 24 is denoted by 81
  • the line connected in the diffraction grating layer 22 is denoted by 82.
  • the angle ⁇ formed by the normal line 81 on the side close to the incident light beam and the incident light beam becomes the incident angle to the diffraction structure.
  • the incident angle is positive on the optical axis side from the normal direction.
  • the incident light beam 38 is incident from the line 81 side in relation to the normal line 84.
  • the incident direction is positive
  • the diffraction direction is a direction (direction shown in the figure) diffracted to the optical axis side from the imaginary line obtained by extending the incident light beam.
  • FIG. 42 is a graph showing an example of the change in diffraction efficiency depending on the incident angle of the diffraction structure shown in FIG.
  • 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.
  • FIG. 43 is an explanatory diagram showing the relationship between the incident surface of incident light on the diffractive structure in the diffractive optical element 20 shown in FIG. 40 and the diffraction direction. Also in the example shown in FIG. 43, among the lines connecting the bottoms of the diffraction gratings in the diffractive optical element 20, 81 is connected to the diffraction grating layer 24, and 82 is connected to the diffraction grating layer 22. It is assumed that the two lines 81 and 82 are parallel to each other.
  • an angle ⁇ formed by the normal of the line 82 closer to the incident light beam and the incident light beam becomes the incident angle to the diffractive structure.
  • the incident light beam 83 is incident from the side of the line 82 with respect to the normal line 84.
  • the incident direction is opposite to the optical axis side, it is negative, and the diffraction direction is a direction (direction shown in the figure) diffracted to the optical axis side from the imaginary line obtained by extending the incident light beam.
  • 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.
  • FIG. 44 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • the optical path difference between the deepest part and the shallowest part of the unevenness in one period of the diffraction grating is compared. Is preferably located on the exit side.
  • the refractive index of the material of the diffraction grating layer 24 is multiplied by the unevenness height and compared with the optical path difference obtained by taking the difference, the material of the diffraction grating layer 22 forming the diffraction grating 201 located on the output side and the diffraction grating are compared.
  • the optical path difference formed by the material of the layer 23 is larger than the optical path difference formed by the material of the diffraction grating layer 23 forming the diffraction grating 202 located on the incident side and the material of the diffraction grating layer 24. It is preferable that each material is disposed on the surface.
  • the same optical path difference is compared between the two diffraction gratings 201 and 202, and the diffraction grating having a large optical path difference of the grating material is positioned on the incident side. It is preferable.
  • the refractive index of the material of the diffraction grating layer 24 is multiplied by the uneven height and compared with the optical path difference obtained by taking the difference, the material of the diffraction grating layer 22 forming the diffraction grating 201 located on the incident side and the diffraction grating
  • the optical path difference formed by the material of the layer 23 is larger than the optical path difference formed by the material of the diffraction grating layer 23 forming the diffraction grating 202 positioned on the emission side and the material of the diffraction grating layer 24. It is preferable that each material is disposed on the surface. If the
  • FIG. 45 shows an arrangement example of the diffraction grating layers 22, 23, and 24 when the diffraction grating structure of the present embodiment is formed on the concave lens. In the example shown in FIG.
  • the diffraction grating 202 positioned on the outer side, that is, on the side farther from the transparent substrate 21, Each material is preferably arranged so that the optical path difference is larger than that of the diffraction grating 201 located on the concave lens side, that is, on the side closer to the transparent substrate 21.
  • 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.
  • the optimum structure can be arbitrarily selected according to the shape of the surface forming the diffractive structure and the angular distribution of incident light, it is possible to further suppress the deterioration of diffraction efficiency due to the incident angle dependency.
  • flare can be effectively suppressed by selecting materials having a refractive index difference and a dispersion characteristic satisfying predetermined conditions in a combination of materials used as a three-layer close-contact laminated diffraction grating.
  • 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 optical element 30 shown in FIG.
  • the diffractive optical element 30 of this embodiment has at least one transparent substrate 31, and a first diffraction grating layer 32 (hereinafter simply referred to as “diffraction grating layer 32”) is formed on the transparent substrate 31. ),
  • the second diffraction grating layer 33 (hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 33”), the third diffraction grating layer 34 (hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 34”), and the fourth.
  • a diffraction grating layer 35 (hereinafter also simply referred to as “diffraction grating layer 35”) is laminated, and the diffraction grating 301 is formed at least at a part of the interface between the first diffraction grating layer 32 and the second diffraction grating layer 33.
  • the diffraction grating 302 is formed on at least a part of the interface between the third diffraction grating layer 34 and the fourth diffraction grating layer 35.
  • a part of the interface of the first diffraction grating layer 32 on the second diffraction grating layer 33 side and a part of the interface of the second diffraction grating layer 33 on the first diffraction grating layer 32 side are:
  • a concavo-convex structure that functions as one diffraction grating is formed, and the concavo-convex structures 321 and 331 of these two layers are stacked so as to be in close contact with each other, and the third diffraction grating layer 34 has a first structure.
  • a part of the interface of the fourth diffraction grating layer 35 side and a part of the interface of the fourth diffraction grating layer 35 on the third diffraction grating layer 34 side are combined to act as one diffraction grating.
  • the two concavo-convex structures are formed, and the concavo-convex structures 341 and 351 of these two layers are laminated so as to be in close contact with each other, thereby forming a combination of four different materials on the transparent substrate 31.
  • Two diffraction gratings 301 and 302 It has been made. Also in this embodiment, the diffraction gratings 301 and 302 have substantially the same grating pitch.
  • the substantially identical lattice pitch means that the pitch difference is within ⁇ 2%. Note that the lattice height may be different.
  • the surface of the transparent substrate 31 on which the diffraction grating layer is laminated may be a flat surface or a curved surface.
  • the transparent substrate 31 and the first diffraction grating layer 32 may be made of the same material. Further, one transparent substrate may be provided on the opposite side of the transparent substrate 31. In other words, the diffraction grating layers 32, 33, 34, and 35 may be sandwiched between two transparent substrates.
  • the diffractive optical element 30 of the present embodiment is a so-called four-layer close-contact diffractive optical element in which two different optical members are combined to form a total of two diffraction gratings, as shown in FIG.
  • the diffractive optical element 30 of this embodiment can be regarded as having two diffractive surfaces formed by using four types of optical member layers in terms of one period of the grating (see the broken line in FIG. 47). .
  • the four materials forming the two diffraction surfaces 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.
  • 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 diffraction grating layer 23 and the diffraction grating layer 24 of the second embodiment are the same. If it is.
  • the equations (5) to (9) described above are all defined by the difference in refractive index between adjacent materials forming the diffraction grating, they can be applied to this structure as they are. That is, the second layer material of the second embodiment may be considered separately as the 2-1 layer and the 2-2 layer.
  • 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.
  • the side wall of the diffraction grating 202 faces inward.
  • the process of releasing the mold becomes difficult when imprinting the diffraction grating layer 24 because of the structure, it is conceivable that the shape of the grating is broken from the ideal shape. In such a case, for example, the structure shown in FIG.
  • the diffraction grating layer 32 is made of the same material as that of the diffraction grating layer 22, and the diffraction grating layer 33 is made of the same material as that of the diffraction grating layer 23.
  • 34 is made of the same material as that of the diffraction grating layer 24
  • the diffraction grating layer 35 is made of the same material as that of the diffraction grating layer 23, and the concavo-convex direction of the concavo-convex structure formed by the diffraction grating layers 23 and 24 is set to the diffraction grating layer 34 and the diffraction grating.
  • FIG. 49 is a graph showing an example of the refractive index for each wavelength of the four materials 6, 7, 8, and 9 forming the diffraction grating layers 32, 33, 34, and 35.
  • the two diffraction gratings 301 and 302 can be configured to have the same action as the diffraction gratings 201 and 202 of the second embodiment manufactured using the material set shown in FIG. Which diffraction grating layer is used is arbitrary. That is, when the second layer material of the second embodiment is divided into a 2-1 layer and a 2-2 layer and the relationship between the refractive index difference and the wavelength dispersion in FIG. It is only necessary that the relationship between the material sets constituting the lattice satisfies at least the relationship shown in FIG.
  • the material 6 is used for the diffraction grating layer 35
  • the material 7 is used for the diffraction grating layer 34
  • the material 8 is used for the diffraction grating layer 33
  • the material 9 is used for the diffraction grating layer 32.
  • the material 6 may be used for the diffraction grating layer 32
  • the material 7 may be used for the diffraction grating layer 33
  • the material 8 may be used for the diffraction grating layer 34
  • the material 9 may be used for the diffraction grating layer 35.
  • the incident angle dependency can be suppressed based on the same principle as in the second embodiment.
  • the example shown in FIG. 49 is an example in which the materials 6 and 7 are one combination and have close chromatic dispersion. Further, the materials 8 and 9 are another combination, and are examples in which the wavelength dispersion is separated. In addition, the materials 6 and 8 have substantially the same refractive index and seem to be very close to the main dispersion, but it can be seen that the partial dispersion ratios are different. Such materials are used in combination with different grating heights to reduce the wavelength dependence of diffraction efficiency.
  • FIG. 50 is a graph showing an example of the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element 30 of the present embodiment produced by combining the materials 6 to 9 shown in FIG.
  • the diffraction grating layer 32 made of the material 9 and the diffraction grating layer 33 made of the material 8 form a diffraction grating 301 having a height of 12.9 ⁇ m
  • the material 7 This is an example in which a diffraction grating 302 having a height of 7.4 ⁇ m is formed by the diffraction grating layer 34 and the diffraction grating layer 35 made of the material 6.
  • FIG. 50 it can be seen that a diffraction efficiency of 99% or more can be maintained in the entire visible light band.
  • the number of options increases. 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.
  • a partial dispersion ratio 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.
  • Embodiment 4 FIG. 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.
  • 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.
  • it is difficult to process a lens such as glass into an aspherical surface which increases the cost.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 51A is a schematic cross-sectional view schematically showing an example of the diffractive optical element of the present 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 optical element 10 of the first embodiment.
  • the concavo-convex structure 121 is provided on one surface.
  • a second diffraction grating layer 13 having a concavo-convex structure 131 on one surface are stacked in close contact with each other with the concavo-convex structure facing each other.
  • a curved surface (see a broken line 122 in FIG. 51B) formed by the diffraction grating layer 12 and the diffraction grating layer 13 and connecting the vertex of the diffraction grating closest to the single-lens transparent substrate 11 is used. It is aspherical.
  • 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 optical element 10 of the first embodiment.
  • an uneven structure (diffractive surface on one surface) is shown.
  • the second diffraction grating layer 13 having a concavo-convex structure (diffraction surface) 131 on one surface are laminated with the diffraction surfaces in close contact with each other.
  • the surface 132 which is the surface of the outermost layer among the laminated diffraction grating layers 12 is an aspherical surface.
  • 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.
  • FIG. Next, a fifth embodiment of the present invention will be described.
  • 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.
  • the diffractive optical element 10 shown in FIG. 53 is an example in which the coupling process is performed with the thin film 14 interposed between the transparent substrate 11 and the diffraction grating layer 12 in the configuration of the first embodiment.
  • the thin film 14 made of silica or the like is formed on the transparent substrate 11.
  • the thin film 14 formed on the transparent substrate 11 is subjected to coupling treatment using silane or the like, and the diffraction grating layer 12 is formed on the thin film 14.
  • the diffractive optical element 10 shown in FIG. 54 is an example in which the coupling process is performed with the thin film 14 interposed between the diffraction grating layers 12 and 13 in the configuration of the first embodiment. Note that the present invention may be implemented by combining the example of FIG. 53 and the example of FIG.
  • a thin film 14 made of silica or the like is used on the diffraction grating layer 12 by sputtering, vapor deposition, CVD, or the like. create. Thereafter, the thin film 14 formed on the diffraction grating layer 12 is subjected to a coupling treatment using silane or the like, and then the diffraction grating layer 13 is formed on the thin film 14.
  • the thickness of the thin film 14 is preferably about 5 nm to 100 nm.
  • the durability due to the improved adhesion can be improved.
  • the occurrence of scattering due to peeling of the interface can be suppressed. Note that the same effect can be obtained at the interface of the substrate even when a coupling process is performed on the interface between the diffraction grating layer and the substrate.
  • an antireflection film can be formed by adjusting the refractive index, thickness, and film configuration of the thin film 14 to form a single layer film or a multilayer film. In such a case, it is possible to suppress not only the surface on which most of the light beams forming the diffraction grating are incident, but also the reflection of the side surfaces of the unevenness having an angle close to perpendicular.
  • a sputtering method using CVD or ion assist is used, and the diffraction grating is defined by the effective area of the image sensor.
  • the film thickness and refractive index may be determined so that the reflectance at the average incident angle of light incident from an external incident angle becomes smaller than the effective angle of view, and the film is configured.
  • reflection can be effectively suppressed over a wide wavelength range by forming a film having a refractive index between the refractive indexes of the materials forming the interface.
  • flare generated by optimizing film thickness and refractive index to the average value of the position where the light source that exists outside the angle of view that causes flare is assumed is effective for both single layer films and multilayer films Can be suppressed.
  • the thickness of the thin film (more specifically, the antireflection film) between the diffraction grating layers constituting the diffraction grating is 1 ⁇ m or less, it substantially acts as a diffraction grating by a combination of diffraction grating layers.
  • 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 thin film 14 can be applied to any of the above embodiments.
  • 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.
  • a diffractive lens when forming a diffractive lens, there may be a diffractive structure with 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.
  • 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.
  • Equation (12) As a representation of the phase wavefront formed by the diffractive lens, consider the following phase transfer function (Equation (12)).
  • ⁇ 0 is set so that the aspect ratio of the unevenness at the center portion is lowered.
  • 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.
  • the diffractive lens has a function of only a light collecting effect with a focal length of 1000 mm.
  • P 1 ⁇ 7.85.
  • 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 central portion 2 Think of a ring zone.
  • FIG. 57 shows the relationship between the product of the height of the annular zone and the width of the annular zone when ⁇ 0 is changed.
  • 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 ⁇ 0 of the phase transfer function so that the aspect ratio of the unevenness in the central portion is lowered by the method.
  • Embodiment 7 FIG. 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.
  • 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 the present embodiment.
  • the diffraction grating layer is laminated only in the effective region
  • 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.
  • 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.
  • the concavo-convex structure provided outside the effective region has a pitch equal to or greater than the minimum pitch within the effective diameter.
  • the diffractive optical element of the present invention is realized as a diffractive lens whose shape is similar to a Fresnel lens
  • the filling factor is outside the effective diameter of the Fresnel lens.
  • an uneven structure in which the lattice pitch increases toward the outer periphery may be used outside the effective diameter.
  • 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.
  • 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
  • Embodiment 8 FIG. Next, an eighth embodiment of the present invention will be described.
  • the refraction of the material forming the diffraction structure The difference in rate was determined.
  • FIG. 59 is an explanatory view 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.
  • 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.
  • the area of the side wall portion can be reduced by increasing the refractive index difference between the gratings.
  • the refractive index difference is large, the reflectivity increases accordingly, and as a result, the amount of reflection is increased as shown in FIG.
  • the amount of reflection at the side wall tends to increase as a function close to the square of the refractive index.
  • 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.
  • the refractive index difference 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 embodiment and the third embodiment. Then, it is preferable that it is 0.15 or less between the materials which comprise each diffraction grating.
  • 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.
  • Embodiment 9 a ninth embodiment of the present invention will be described.
  • 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.
  • a normal refractive convex lens causes chromatic aberration due to the wavelength dependence of the refractive index. That is, the condensing position varies depending on the wavelength, and images are formed in the order of blue, green, and red wavelengths.
  • the diffractive optical element 10 shown in FIG. 61B is configured so that the diffraction direction has a positive power, it can form an image in the order of the wavelengths of red, green, and blue.
  • the imaging optical system 1000 is configured by combining the refractive optical lens 90 shown in FIG. 61A and the diffractive optical element 10 shown in FIG. It is possible to eliminate chromatic aberration.
  • chromatic aberration tends to be blue ⁇ green ⁇ red in order of increasing focal length.
  • 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.
  • chromatic aberration can be corrected efficiently by combining a diffractive optical element having a negative power in the diffraction direction.
  • the chromatic aberration of the refractive lens coincides with the chromatic aberration of the diffractive optical element.
  • 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.
  • 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.
  • the example in which the flat diffractive optical element 10 is incorporated in the existing optical system is shown.
  • a diffractive structure is put in the lens of the existing optical system.
  • the diffractive optical element 10 acting as a hybrid lens can be created by forming the transparent substrate of the diffractive optical element into a lens shape.
  • stacks a diffraction grating layer on the surface of a lens may be sufficient.
  • Such a diffractive optical element 10 can be obtained by processing the transparent substrate of the diffractive optical element 10 into a shape that functions as one of lenses of an existing optical system.
  • 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.
  • the diffractive optical element 10 of the first embodiment is incorporated in the imaging optical system, but the diffractive optical element may be any of the above embodiments.
  • an imaging optical system incorporating a diffractive optical element for example, a compact digital camera, a small camera for a mobile phone or a smartphone, a surveillance camera, an endoscope, an image sensor, and the like are conceivable.
  • 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.
  • flare can be effectively suppressed in the imaging optical system.
  • 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.
  • the first example is an example of the first embodiment, and the diffractive optical element 10 in which the surface of the transparent substrate 11 on which the diffraction grating layer as shown in FIG. 9 is laminated is a curved surface will be described.
  • a glass substrate is processed into a desired shape (in this example, a single lens shape) to obtain a spherical single lens 11 having an effective diameter of 10 mm.
  • a coupling treatment is performed on the surface of the single lens 11 with a silane coupling agent for improving the adhesion with the diffraction grating layer 12 to be laminated in the next step.
  • a first resin material that is a material of the diffraction grating layer 12 is laminated on the single lens 11 while transferring a desired shape using an optical imprint method, thereby forming the diffraction grating layer 12.
  • the material used for the diffraction grating layer 12 is an organic-inorganic hybrid material in which a silicon atom is bonded to a biphenyl group.
  • the acrylic monomer is cured by UV light by a photoimprint method, and the diffraction grating layer 12 and the resin are cured.
  • the diffraction grating layer 12 acts as a diffraction grating 100 on the surface thereof, that is, the surface not in contact with the single lens 11, in combination with the concavo-convex structure of the diffraction grating layer 13 to be described later.
  • the cross section is formed to include a blazed uneven structure.
  • the concavo-convex structure 121 provided in the diffraction grating layer 12 has a diffraction grating with respect to a direction that is an average of a direction distribution in which e-ray light travels at least within an effective diameter as a diffraction lens of the diffractive optical element 10. It is formed so that the height of 100 is 12.8 ⁇ m.
  • the concavo-convex structure 121 is patterned so that the diffraction grating 100 has a condensing effect with a focal length of 1000 mm as a diffraction lens, and the minimum pitch is about 120 ⁇ m at the outermost periphery.
  • a concavo-convex structure having a pitch of 120 ⁇ m is formed outside the effective diameter, so that the concavo-convex structure is created on the entire surface of the single lens 11.
  • the second resin material which is the material of the diffraction grating layer 13 is transferred onto the surface of the diffraction grating layer 12, that is, the surface not in contact with the single lens 11, using the optical imprint method.
  • the diffraction grating layer 13 is formed by laminating.
  • the diffraction grating layer 13 fills at least the recesses of the concavo-convex structure 121 provided on the surface of the diffraction grating layer 12 without any gaps, and the other surface has a lens shape.
  • the diffraction grating 100 constituting one diffraction surface is formed by the diffraction grating layers 12 and 13.
  • an antireflection film is formed on the diffraction grating layer 13 and on the surface of the single lens 11 by using a sputtering method, and the diffractive optical element 10 acting as a hybrid lens is obtained.
  • conditional expression (A) of the material of diffraction grating layer 12 and the material of diffraction grating layer 13 was 0.00147, and the value of conditional expression (B) was ⁇ 0.0743.
  • FIG. 63 is a graph showing the diffraction efficiency in the produced diffractive optical element 10 of this example.
  • the diffraction efficiency was measured, it was 99.5% at a wavelength of 455 nm, 97.5% at a wavelength of 533 nm, and 99.8% at a wavelength of 660 nm.
  • the peaks of diffraction efficiency are at wavelengths of 440 nm and 650 nm.
  • the diffractive optical element 10 of the present embodiment By using the diffractive optical element 10 of the present embodiment, flare caused by the diffractive optical element can be more effectively suppressed in the imaging optical system.
  • the diffractive optical element 10 of the present embodiment does not include an air layer outside the effective diameter, reflection and scattering generated when light incident outside the effective region enters the gap and the like are sufficiently small. ing.
  • the second example is an example of the second embodiment, and the diffractive optical element 20 in which the surface of the transparent substrate 11 on which the diffraction grating layer as shown in FIG. 40 is laminated is a curved surface will be described.
  • the diffractive optical element 20 of this example first, a single lens 21 and a diffraction grating layer 22 of a first resin material laminated thereon are formed by the same method as in the first example.
  • the concavo-convex structure 221 provided in the diffraction grating layer 22 is formed so that the height of the diffraction grating 201 is 5.1 ⁇ m.
  • the second resin material that is the material of the diffraction grating layer 23 is transferred using the optical imprint method. Then, the diffraction grating layer 23 is formed by laminating.
  • the diffraction grating layer 23 fills at least the concave portion of the concave-convex structure 221 provided in the diffraction grating layer 22 without a gap, and is combined with the concave-convex structure 241 formed on the diffraction grating layer 24 on the other surface.
  • the diffraction grating 202 is formed so as to include a concavo-convex structure 232 having a Fresnel lens shape as a whole and a blazed cross section.
  • the concavo-convex structure 232 provided on the surface of the diffraction grating layer 23 is formed to have substantially the same grating pitch as the diffraction grating 201 formed at the interface between the diffraction grating layer 22 and the diffraction grating 23.
  • the diffraction grating 202 is formed to have a height of 13.2 ⁇ m.
  • the grating height direction is formed so as to face the diffraction gratings 201 and 202, that is, in the opposite direction.
  • the distance between the diffraction gratings 201 and 202 in the diffraction grating layer 23 is 1.0 ⁇ m.
  • the diffraction grating 201 constituting one diffraction surface is first formed by filling the concave / convex structure 221 provided in the diffraction grating layer 22 with the member of the diffraction grating layer 23 without a gap.
  • a desired shape is transferred onto the surface of the diffraction grating layer 23, that is, the surface not in contact with the diffraction grating layer 22, using the third resin material that is the material of the diffraction grating layer 24 using the optical imprint method.
  • the diffraction grating layer 24 is formed by laminating.
  • the diffraction grating layer 24 fills at least the concave portion of the concavo-convex structure provided on the surface of the diffraction grating layer 23 without a gap, and the other surface has a lens shape.
  • the diffraction grating 202 constituting one more diffraction surface is formed by the diffraction grating layers 23 and 24.
  • an antireflection film is formed on the diffraction grating layer 24 and on the surface of the single lens 21 using a sputtering method, and the diffractive optical element 20 acting as a hybrid lens is obtained.
  • the other points such as the height of the central portion of each diffraction grating and the provision of irregular shapes outside the effective diameter, are the same as in the first embodiment.
  • the grating height of the diffraction grating 201 is about 5 ⁇ m, which is almost equivalent to the actual shape.
  • the grating height of the diffraction grating 202 is about 13 ⁇ m, which is almost equivalent to the actual shape.
  • FIG. 64 is a graph showing the diffraction efficiency of the produced diffractive optical element 20 of this example. When the diffraction efficiency was measured, it was 99.8% at a wavelength of 455 nm, 99.0% at a wavelength of 533 nm, and 99.0% at a wavelength of 660 nm. The peaks of diffraction efficiency are wavelengths 445 nm and 610 nm.
  • FIG. 42 is a graph showing the change in diffraction efficiency depending on the incident angle of the diffractive structure of the diffractive optical element 20 of this embodiment.
  • the diffractive structure is formed so that the change in the diffraction efficiency is suppressed even when oblique incidence occurs. This is because the diffractive structure is formed so that the incident angle is positive in the relationship between the lens shape acting as a convex lens and the arrangement position of each material.
  • the diffractive optical element 20 of this embodiment By using the diffractive optical element 20 of this embodiment, flare due to the diffractive optical element can be more effectively suppressed in the imaging optical system.
  • the diffractive optical element 20 of the present embodiment does not include an air layer outside the effective diameter, reflection and scattering generated when light incident outside the effective region enters the air gap and the like are sufficiently small. ing.
  • 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 optical element 20 of the present embodiment.
  • the configuration of the diffractive optical element 20 of this embodiment is basically the same as that of the second embodiment.
  • the inclination direction of the hypotenuse part of the diffraction grating is set so that the diffraction grating 201 and the diffraction grating 202 face each other.
  • the inclination directions are aligned. .
  • a single lens 21 and a diffraction grating layer 22 made of a first resin material laminated thereon are formed by the same method as in the second embodiment.
  • the concavo-convex structure 221 provided in the diffraction grating layer 22 is formed so that the height of the diffraction grating 201 is 10.2 ⁇ m.
  • a diffraction grating layer 23 is formed on the surface of the diffraction grating layer 22, that is, on the surface not in contact with the single lens 21 by the same method as in the second embodiment.
  • the concavo-convex structure 232 provided in the diffraction grating layer 23 is formed to have substantially the same grating pitch as the concavo-convex structure 221 provided in the diffraction grating layer 22.
  • the diffraction grating 202 is formed to have a height of 14.5 ⁇ m. As shown in FIG. 65, the grating height direction is formed so as to be aligned with the diffraction gratings 201 and 202. In other words, the diffraction grating 201 and the diffraction grating 202 are formed so that the inclination directions of the oblique sides of the diffraction grating are aligned.
  • the diffraction grating layer 24 is formed on the surface of the diffraction grating layer 23, that is, on the surface not in contact with the diffraction grating layer 22, by the same method as in the second embodiment.
  • an antireflection film is formed on the diffraction grating layer 24 and on the surface of the single lens 21 to obtain the diffractive optical element 20 acting as a hybrid lens.
  • the material used for the diffraction grating layer 24 is a resin obtained by mixing an acrylic monomer having an adamantyl group and an organic solvent sol of ZrO 2 fine particles, and curing the organic solvent removed by drying under reduced pressure.
  • the grating height of the diffraction grating 201 is expected to be about 10 ⁇ m from FIGS. 32 and 33, and is almost the same as the actual shape.
  • the grating height of the diffraction grating 202 is expected to be about 15 ⁇ m from FIGS. 34 and 35, and is almost the same as the actual shape.
  • Each diffraction grating has a grating height of 15 ⁇ m or less, and maintains high efficiency over the entire grating pattern.
  • FIG. 66 is a graph showing the diffraction efficiency of the produced diffractive optical element 20 of this example.
  • the diffraction efficiency was measured, it was 99.9% at a wavelength of 455 nm, 99.2% at a wavelength of 533 nm, and 99.4% at a wavelength of 660 nm.
  • the peaks of diffraction efficiency are at wavelengths of 440 nm and 610 nm.
  • the grating height 1 represents the height of the diffraction grating formed by the diffraction grating layers 22 and 23.
  • the grating height 2 represents the height of the diffraction grating formed by the diffraction grating layers 23 and 24.
  • a negative value at the diffraction grating heights 1 and 2 represents a state in which the grating height direction is reversed with respect to the other diffraction grating.
  • the Abbe number is used to classify the dispersion characteristics of each material.
  • the value shown in the equation (3) is more than the similarity of the dispersion characteristics represented by the Abbe number of each material. It is more preferable that the similarity of the dispersion characteristics represented by the magnitude relation of the difference using the above matches the combination of FIG.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • FIG. 67 shows only one representative example in each combination example, and there are other suitable examples.
  • 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 transparent substrates 21 and 25.
  • the manufacturing method of the sandwiched diffractive optical element 20 will be mainly described.
  • FIG. 68 is a schematic cross-sectional view showing a cross section of the diffractive optical element 20 of this example.
  • the diffractive optical element 20 of this example has a configuration in which three diffraction grating layers 22, 23, and 24 using three materials are sandwiched between two transparent substrates 21 and 25. It has become. This can be said to be a form in which a diffractive structure is incorporated in an existing lens.
  • a single lens 21 and a diffraction grating layer 22 made of a first resin material laminated thereon are formed by the same method as in the second embodiment.
  • the uneven structure 221 provided in the diffraction grating layer 22 is the same as that in the second embodiment.
  • a desired shape is processed on the surface of a glass substrate different from the substrate on which the single lens 21 is formed, and the single lens 25 is obtained.
  • a third resin material which is the material of the diffraction grating layer 24, is laminated on the produced single lens 25 while transferring a desired shape using an optical imprint method, thereby forming the diffraction grating layer 24.
  • the uneven structure 241 provided on the surface of the diffraction grating layer 24 is provided on the diffraction grating 202 and the diffraction grating layer 22 formed by the uneven structure 241 when the single lenses 21 and 25 are bonded to each other.
  • the diffraction grating 201 formed by the uneven structure 221 is formed so as to have substantially the same grating pitch.
  • the height and the height direction of the grating are the same as those in the second embodiment. Thereby, the diffraction grating layer 24 having a structure equivalent to the diffraction grating layer 24 in the second embodiment is obtained.
  • the single lenses 21 and 25 are bonded to each other with a predetermined interval so that the diffraction grating layers 22 and 24 face each other.
  • a monomer that becomes the diffraction grating layer 23 is dropped between the diffraction grating layer 22 and the diffraction grating layer 24, so that the concave / convex structure 221 of the diffraction grating layer 22 and the concave / convex structure 241 of the diffraction grating layer 24 are the most mutually. Pressurization and exposure are performed so that the distance in the vicinity is 0.5 ⁇ m.
  • the dropped monomer is cured to form the diffraction grating layer 23 having the uneven structures 231 and 232 between the diffraction grating layer 22 and the diffraction grating layer 24.
  • an antireflection film is formed on the surface of each of the single lens 21 and the single lens 25 using a sputtering method, and the diffractive optical element 20 acting as a hybrid lens is obtained.
  • the material used for each diffraction grating layer is the same as in the second embodiment.
  • This example is an example of the fifth embodiment.
  • the thin film 14 is interposed between the diffraction grating layer 12 and the diffraction grating layer 13. This is an example of improving the adhesion by performing the coupling treatment with the intervening layer.
  • a single lens 11 and a diffraction grating layer 12 made of a first resin material laminated thereon are formed by the same method as in the first example.
  • the uneven structure provided in the diffraction grating layer 12 is the same as that in the first embodiment.
  • a thin film 14 having a thickness of 15 nm made of silica is formed on the surface of the diffraction grating layer 12 using a sputtering method.
  • the thin film 14 formed on the concavo-convex structure of the diffraction grating layer 12 is subjected to a coupling process using a silane coupling agent, and a desired shape is formed on the thin film 14.
  • the diffraction grating layer 13 is formed by an optical imprint method.
  • a highly reliable diffractive optical element 10 can be obtained in which the diffraction grating layer 13 is not peeled over the front surface of the diffractive region even in an environment where the temperature changes rapidly or in a high-temperature humidified environment.
  • This example is an example of the eighth embodiment.
  • a diffractive optical element 10 in which the silica thin film 14 is changed to a SiON film in the configuration of the fifth embodiment will be described.
  • a SiON film to be the thin film 14 is formed on the surface of the diffraction grating layer 12 by the CVD method.
  • the film is formed so that the film thickness is 150 nm at the side wall portion of the diffraction grating 100.
  • the diffractive optical element 10 of this embodiment when there is a light source outside the angle of view, the diffractive optical element 10 of this embodiment is compared with the peak of scattered light measured from the diffractive optical element 10 of the first embodiment.
  • the peak of the scattered light to be measured is reduced to about 20%.
  • 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.

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。

Description

回折光学素子および撮像光学系
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
日本国特開平１０－２６８１１６号公報 日本国特開２００５－１６７４８５号公報 日本国特開２０１１－１７００２８号公報
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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）　≦　０．１６
　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　＜　０．２７
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
（ａ）及び（ｂ）は、第１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。 第１の実施形態の回折光学素子に形成される回折格子の形状を模式的に示す模式上面図である。 第１の実施形態の回折光学素子で格子１周期につき形成される回折面を説明する説明図である。 第１の実施形態の回折光学素子の回折格子層１２，１３に用いられる２つの材料の波長ごとの屈折率の一例を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、第１の実施形態の回折光学素子に形成される回折格子１００の１次の回折効率の例を、石英ガラスによる単層回折格子と比較して示すグラフである。 第１の実施形態の回折光学素子の各回折格子層の材料の光学特性の例を示す説明図である。 材料セットの値Ｒとｇ線とＣ線の最小側の回折効率値との相関を示すグラフである。 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のｅ線の回折効率との関係を示すグラフである。 第１の実施形態の回折光学素子の他の例を示す模式断面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、第２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。 第２の実施形態の回折光学素子で格子１周期につき形成される回折面を説明する説明図である。 第２の実施形態に好適な材料セットの例を示す説明図である。 第２の実施形態の回折光学素子の回折格子層２２～２４に用いられる３つの材料の波長ごとの屈折率の一例を示すグラフである。 第２の実施形態の回折光学素子全体での１次の回折効率の例を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、２つの回折格子の高さ方向の組み合わせ例を示す説明図である。 組み合わせ例１における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例１における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例１における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例１における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例２における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例２における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、組み合わせ例２における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例２における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例３における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例３における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 （ａ）及び（ｂ）は、組み合わせ例３における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例３における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例４における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例４における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例４における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例４における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例５における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例５における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例５における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例５における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例６における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例６における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例６における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 組み合わせ例６における回折格子材料の屈折率差および屈折率の差の差と回折格子の高さとの関係を示す説明図である。 第２の実施形態の回折光学素子の他の例を示す模式断面図である。 第２の実施形態の回折光学素子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。 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。 第２の実施形態の回折光学素子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 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。 第２の実施形態の回折光学素子の他の例を示す模式断面図である。 （ａ）及び（ｂ）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。 第３の実施形態の回折光学素子で格子１周期につき形成される回折面を説明する説明図である。 第３の実施形態の回折光学素子の他の例を示す模式断面図である。 第３の実施形態の回折光学素子の回折格子層３２～３５を形成する３つの材料の波長ごとの屈折率を示すグラフである。 第３の実施形態の回折光学素子の１次の回折効率の一例を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、第４の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。 第４の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。 第５の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。 第５の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。 （ａ）及び（ｂ）は、第６の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。 第６の実施形態の回折光学素子の凹凸構造の位相伝達関数への適用例を示す説明図。 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グラフである。 第７の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。 格子側壁の反射光による散乱の様子を模式的に示す説明図である。 格子間の屈折率差と反射量の関係を示すグラフである。 （ａ）及び（ｂ）は、回折光学素子を用いた色収差の補正原理を示す説明図である。 回折光学素子を用いた色収差の補正原理を示す説明図である。 第１の実施例の回折光学素子の回折効率を示すグラフである。 第２の実施例の回折光学素子の回折効率を示すグラフである。 第３の実施例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。 第３の実施例の回折光学素子の回折効率を示すグラフである。 第２の実施形態の回折光学素子２０の材料セットの具体例を示す説明図である。 第４の実施例の回折光学素子の断面を示す模式的断面図である。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
条件式（Ａ）：
　－０．１３　≦　Δ（ｎｇ－ｎＣ）＋０．５０６（Δｎｇ）　≦　０．１６
条件式（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
（ｎ１２ｇ－ｎ１３ｇ）／４３５．８４＝（ｎ１２Ｃ－ｎ１３Ｃ）／６５６．２７　・・・式（１）
　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。
　ここで、以下の式（２）を定義する。
Ｒ　＝　（（ｎ１２ｇ－ｎ１２Ｃ）－（ｎ１３ｇ－ｎ１３Ｃ））＋０．５０６×（ｎ１２ｇ－ｎ１３ｇ）　・・・式（２）
　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。
　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。
　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。）。
Ｐ　＝　（ｎｅ－ｎＣ）／（ｎｇ－ｎＣ）　・・・式（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。
　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。
Ｑ　＝　ΔＰ／（Δｎｅ）１／２　・・・式（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
Ｐ’＝Ｐ＋０．１６７ｎｅ－０．６０５　・・・式（１０）
Ｑ’＝ΔＰ’／（Δｎｅ）１／２　・・・式（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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。）。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　φ（ｒａｄ）＝ρ０＋Σρｎｒ２ｎ　・・・式（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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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。
　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

Claims (17)

  1. 　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
    　ことを特徴とする回折光学素子。
  2. 　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る
    　ことを特徴とする回折光学素子。
  3. 　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る
    　ことを特徴とする回折光学素子。
  4. 　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）を満たす請求項１に記載の回折光学素子。
    条件式（Ａ）：
    　－０．１３　≦　Δ（ｎｇ－ｎＣ）＋０．５０６（Δｎｇ）　≦　０．１６
  5. 　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）を満たす請求項１または請求項４に記載の回折光学素子。
    条件式（Ｂ）：
    　－１．１　＜　Δ（ｎｇ－ｎＣ）／（Δｎｅ）１／２　＜　０．２７
  6. 　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。
  7. 　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、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。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
  8. 　最上層の回折格子層の表面形状が非球面である
    　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。
  9. 　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る
    　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。
  10. 　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である
    　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。
  11. 　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る
    　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。
  12. 　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る
    　請求項１に記載の回折光学素子。
  13. 　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。
  14. 　透明基板と第１の回折格子層の間、または、回折格子を構成してい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る
    　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。
  15. 　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以下である
    　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。
  16. 　少なくとも１つのレンズを備えた撮像光学系であって、
    　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。
  17. 　前記回折光学素子は、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る
    　請求項１６に記載の撮像光学系。
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