WO2014192291A1 - 回折光学素子、光学機器、および回折光学素子の製造方法 - Google Patents

回折光学素子、光学機器、および回折光学素子の製造方法 Download PDF

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    • G03B19/02—Still-picture cameras
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Definitions

  • the present invention relates to a diffractive optical element, an optical apparatus including the diffractive optical element, and a method for manufacturing the diffractive optical element.
  • a conventional contact type diffractive optical element is formed using resin or molded glass on both sides.
  • a method of controlling the refractive index (nanocomposite) by mixing fine particles of a high refractive index substance into a resin has been performed (see, for example, Patent Document 1).
  • the present invention has been made in view of such a problem, and includes a diffractive optical element that includes a hole having no chromatic dispersion, thereby making it easier to control chromatic dispersion, an optical apparatus including the diffractive optical element, and
  • An object of the present invention is to provide a method for manufacturing a diffractive optical element.
  • a diffractive optical element has a diffractive optical element having a diffractive optical surface in which two diffractive element elements made of different optical materials are bonded and a diffraction grating groove is formed on the bonded surface.
  • at least one of the two diffractive element elements is formed of an optical material including a hole, and the optical material including the hole satisfies a condition of the following formula. P ⁇ 0.9 However, P: Filling rate of the optical material including holes.
  • the diameter of the holes when viewed from the normal direction of the optical surface facing the diffractive optical surface is equal to or less than the wavelength of light diffracted by the diffractive optical surface.
  • the holes are included in the optical material of the diffractive element element having a large refractive index, out of the two diffractive element elements.
  • Such a diffractive optical element preferably satisfies the following condition. 1.6 ⁇ n ⁇ 2.0 However, n: Refractive index with respect to d-line of an optical material containing holes.
  • Such a diffractive optical element preferably satisfies the following condition. 0.6 ⁇ P ⁇ 0.8
  • such a diffractive optical element changes the wavelength range of light diffracted by the diffractive optical surface from F-line to C-line, and when the center wavelength of the light is d-line, changes from F-line to C-line light.
  • ⁇ n difference in refractive index between the optical elements of the two diffractive element elements (assuming ⁇ n> 0)
  • d height of the diffraction grating groove
  • ⁇ wavelength of light.
  • such a diffractive optical element satisfies the following formula for F-line to d-line light.
  • the optical material containing holes is preferably manufactured by vapor deposition or a sol-gel method.
  • the holes are preferably formed in the optical material by etching.
  • the holes are filled with air.
  • the holes are filled with an inert gas.
  • hole is a vacuum.
  • an optical apparatus is characterized by including the diffractive optical element as described above.
  • the method for producing a diffractive optical element according to the present invention is a method for producing a diffractive optical element composed of two diffractive element elements made of different optical materials, and at least one of the two diffractive element elements is filled with a filling factor.
  • P is the following formula: P ⁇ 0.9 Formed of an optical material containing holes so as to satisfy the above conditions, the other diffractive element element is bonded to the one diffractive element element, and a diffractive optical surface having a diffraction grating groove is formed on the bonded surface.
  • At least one of the two diffractive element elements has a refractive index n with respect to d-line of the following formula: 1.6 ⁇ n ⁇ 2.0 It is preferable to form with an optical material containing holes satisfying the above conditions.
  • At least one of the two diffractive element elements has a filling rate P of the following formula: 0.6 ⁇ P ⁇ 0.8 It is preferable to form the optical material containing holes so as to satisfy the above condition.
  • a diffractive optical element that includes a hole having no chromatic dispersion, thereby making it easier to control chromatic dispersion, an optical apparatus including the diffractive optical element, and a method of manufacturing the diffractive optical element. it can.
  • the diffractive optical element D includes a diffractive optical surface in which several to several hundreds of fine groove-shaped or slit-shaped grating structures (diffraction grating grooves g) are formed concentrically per 1 mm, and is incident on the diffractive optical surface.
  • the light is diffracted in a direction determined by the grating pitch (interval of the diffraction grating grooves g) and the wavelength of the incident light.
  • the Abbe number of the optical glass is usually about 30 to 80, but the Abbe number of the diffractive optical element has a negative value as described above.
  • the diffractive optical surface of the diffractive optical element D has a dispersion characteristic that is opposite to that of normal glass (refractive optical element), and the refractive index decreases as the wavelength of light decreases, and the longer the wavelength of light, the greater the curvature.
  • a large achromatic effect can be obtained by combining with an ordinary refractive optical element. Therefore, by using the diffractive optical element D, it becomes possible to correct chromatic aberration that cannot be achieved by ordinary optical glass.
  • the diffractive optical element D is configured by joining two diffractive element elements E1 and E2 made of different optical materials, and providing the diffraction grating groove g on the joint surface to constitute the above-described diffractive optical surface.
  • This is a so-called “contact multilayer diffractive optical element”. Therefore, this diffractive optical element D can increase the diffraction efficiency in a wide wavelength range including g-line to C-line. Therefore, an optical system using this diffractive optical element D can be used in a wide wavelength region.
  • the contact multilayer diffractive optical element is compared with a so-called separated multilayer diffractive optical element in which two diffraction element elements formed with diffraction grating grooves are arranged close to each other so that the diffraction grating grooves face each other.
  • the manufacturing process can be simplified, so that the mass production efficiency is good and the diffraction efficiency with respect to the incident angle of the light beam is good. Therefore, an optical system using the contact multilayer diffractive optical element is easy to manufacture and also improves the diffraction efficiency.
  • the difference in refractive index between the optical materials (mediums) of the two diffractive element elements E1 and E2 is ⁇ n
  • the height of the diffraction grating groove g is d. If the wavelength of light diffracted by the diffractive optical surface of the optical element D is ⁇ , the diffraction efficiency of the first-order diffracted light becomes 100% when the condition of the following formula (a) is satisfied.
  • a large number of minute holes B are formed in at least one of the two diffractive element elements E1 and E2, and the holes B
  • the refractive index of the optical material (medium) of the diffractive element element formed with is adjusted.
  • the diameter of the hole B when viewed from the normal direction of the optical surface facing the diffractive optical surface (for example, the surface on which the diffraction grating groove g of the diffractive element element E1 is not formed in FIG. 1) is The wavelength of light diffracted by this diffractive optical surface is preferably not longer than the wavelength. Since the void B is filled with air, the refractive index of the void B is 1 and the dispersion is 0.
  • the diffractive optical element D is formed using the diffractive element elements E1 and E2 of the medium whose refractive index for the light becomes shorter as the wavelength of the transmitted light becomes shorter, the longer the wavelength, the more the two diffractive element elements The difference ( ⁇ n) in the refractive index of the medium increases.
  • the diffractive optical element D when the ratio of the volume (total) of the voids B to the volume of the diffractive element E1 in which the voids B are formed is a filling factor P, the diffractive optical element D is expressed by the following equation: It is desirable to satisfy the condition (1).
  • the filling rate P may be a weight ratio instead of a volume ratio.
  • the filling rate P of the holes B of the diffractive element element D exceeds the upper limit value of the conditional expression (1), the refractive index of the optical material (medium) of the diffractive element element E1 becomes too low.
  • the optical performance as the diffractive optical element D cannot be satisfied due to the relationship with the diffractive element E2.
  • the filling rate P of the diffraction element element E1 in which the holes B are formed satisfies the condition of the following formula (1 ′). desirable.
  • the diffractive element element E1 made of an optical material in which the holes B are formed is formed as a diffractive element element having a high refractive index and low dispersion among the two diffractive element elements E1 and E2 that form the diffractive optical element D. Is preferred. Therefore, it is preferable that the refractive index n with respect to the d-line of the optical material (medium) of the diffraction element element in which the hole B is formed satisfies the condition of the following formula (2).
  • the diffractive optical element D can realize high diffraction efficiency in the range from the F line to the C line.
  • the diffractive optical element D satisfies the condition of the following expression (3 ′) for light in the range from the F line to the d-line. Is desirable.
  • this diffractive optical element D can realize higher diffraction efficiency.
  • the diffraction element element E1 formed of an optical material having such holes B may be molded glass or resin. Further, a resin in which fine particles of a high refractive index substance are mixed may be used. Examples of methods for creating a substance having pores include, but are not limited to, a sol-gel method, a vapor deposition method, and a sputtering method. In the sol-gel method, the concentration of a solution is used. The filling rate can be changed by changing the degree of vacuum and the amount of gas introduced.
  • the material is not particularly limited, and oxides, fluorides, resins, and the like are conceivable.
  • holes may be formed in the diffractive element element by etching in which an anticorrosion treatment is performed only on a necessary part of the material surface of the diffractive element element, and an unnecessary part is dissolved, eroded and etched by a corrosive agent.
  • the diffractive optical element D shown in FIG. 1 has a configuration in which the diffraction grating grooves g are formed on the opposing surfaces of the two flat plate-like diffraction element elements E1 and E2, and the present invention is configured in this manner. It is not limited to.
  • the surface on which the diffraction grating groove g is formed may be a curved surface.
  • the diffractive optical element D may be formed on any surface of an optical member such as a lens, or as a cemented lens in which the diffractive optical element D is disposed between two lenses and the whole is cemented. Also good.
  • the air holes B are filled with air. Thereby, the change of the refractive index with respect to the wavelength of the optical material containing the hole B can be reduced. Furthermore, it is possible to prevent water vapor from entering the holes B.
  • the void B is filled with an inert gas.
  • an inert gas helium gas (He), neon gas (Ne), argon gas (Ar), xenon gas (Xe), krypton gas (Kr), or the like is used.
  • the inside of the hole B is preferably a vacuum. Thereby, the change of the refractive index with respect to the wavelength of the optical material including the hole B can be further reduced.
  • a digital single-lens reflex camera CAM provided with an imaging lens TL having the diffractive optical element D will be described as an example of an optical apparatus provided with the diffractive optical element D with reference to FIGS.
  • the digital single-lens reflex camera CAM shown in FIG. 3 light from an object (subject) (not shown) is collected by the imaging lens TL and imaged on the focusing screen F via the quick return mirror M.
  • the light imaged on the focusing screen F is reflected a plurality of times in the pentaprism P and guided to the eyepiece lens E.
  • the photographer can observe the image of the subject as an erect image through the eyepiece lens E.
  • the quick return mirror M is retracted out of the optical path, and the light from the subject collected by the imaging lens TL is imaged on the imaging element C and formed on the subject.
  • a release button (not shown) is pressed by the photographer, the quick return mirror M is retracted out of the optical path, and the light from the subject collected by the imaging lens TL is imaged on the imaging element C and formed on the subject.
  • the imaging lens TL includes a plurality of lenses L1, L2,... Arranged in order from the object side (subject side) along the optical axis, and the above-described diffractive optical element D is provided on the fourth surface. Is formed.
  • the diffractive optical element D can improve the diffraction efficiency for light in a wide wavelength band.
  • the imaging lens TL has high optical performance in correcting chromatic aberration and the like. Therefore, according to the digital single-lens reflex camera CAM, it is possible to realize an optical device having high optical performance in correcting chromatic aberration and the like.
  • the manufacturing method of the above-mentioned diffractive optical element D is demonstrated using FIG.
  • at least one of the two diffractive element elements E1 and E2 is formed of an optical material (medium) including holes B so that the filling rate P satisfies a predetermined conditional expression (step ST10).
  • the other diffractive element element is joined to the diffractive element element formed of the optical material including the hole B, and a diffractive optical surface having the diffraction grating groove g is formed on the joined surface (step ST20). In this way, the diffractive optical element D is manufactured.
  • a resin is used for a diffractive element element having a low refractive index (diffractive element element E2 in the case of FIG. 1).
  • the case where aluminum oxide (Al 2 O 3 ) with a filling rate of 80% is used for the high refractive index diffractive element (diffractive element E1 in the case of FIG. 1) will be described.
  • the refractive index with respect to the wavelength of light of the optical material (medium) of each diffraction element element is shown in Table 1 below.
  • Table 1 below also shows the refractive index of aluminum oxide without holes (that is, when the filling rate is 0%).
  • the pitch of the diffraction grating grooves g of this diffractive optical element D is 100 ⁇ m, and the grating height is 11.7 ⁇ m.
  • the calculation of diffraction efficiency uses the RCWA (rigorous coupled wave: Rigorous Coupled Wave Analysis) method.
  • Table 3 shows the diffraction efficiency of the first-order diffracted light when the incident angle is 20 °.
  • the diffractive optical element D shown in this embodiment can obtain a diffraction efficiency of 90% or more with respect to the light from the F line to the C line even when the incident angle is 20 °. it can.

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Abstract

　異なる光学材料からなる２つの回折素子要素（Ｅ１，Ｅ２）を接合し、その接合面に回折格子溝（ｇ）が形成された回折光学面を有する回折光学素子（Ｄ）は、２つの回折素子要素（Ｅ１，Ｅ２）のうちの少なくとも一方が、空孔（Ｂ）を含む光学材料で形成されており、この空孔（Ｂ）を含む光学材料が、所定の条件を満足することを特徴とする。

Description

回折光学素子、光学機器、および回折光学素子の製造方法
　本発明は、回折光学素子、回折光学素子を備えた光学機器、および回折光学素子の製造方法に関する。
　従来の密着型回折光学素子は双方に樹脂またはモールドガラスを用いて作成される。また、近年、樹脂に高屈折率物質の微粒子を混入させることで屈折率をコントロールする方法（ナノコンポジット）が行なわれている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００６－３４３３８７号公報
　しかしながら、従来の方法では、屈折率のみのコントロールは可能であるが、ほとんどの光学材料は短波長の光に対して屈折率が高くなり、上記の混入法では波長分散のコントロールが不十分であるという課題があった。
　本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、波長分散のない空孔を含むことで、より波長分散をコントロールしやすくした回折光学素子、その回折光学素子を備えた光学機器、および回折光学素子の製造方法を提供することを目的とする。
　前記課題を解決するために、本発明に係る回折光学素子は、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝が形成された回折光学面を有する回折光学素子であって、２つの回折素子要素の少なくとも一方が、空孔を含む光学材料で形成され、この空孔を含む光学材料が、次式の条件を満足することを特徴とする。
　Ｐ＜０．９
　但し、
　Ｐ：空孔を含む光学材料の充填率。
　　また、このような回折光学素子は、回折光学面に対向する光学面の法線方向から見たときの空孔の径が、回折光学面で回折させる光の波長以下であることが好ましい。
　また、このような回折光学素子において、空孔は、２つの回折素子要素のうち、屈折率が大きい回折素子要素の光学材料に含まれることが好ましい。
　また、このような回折光学素子は、次式の条件を満足することが好ましい。
　１．６＜ｎ＜２．０
　但し、
　ｎ：空孔を含む光学材料のｄ線に対する屈折率。
　また、このような回折光学素子は、次式の条件を満足することが好ましい。
　０．６＜Ｐ＜０．８
　また、このような回折光学素子は、回折光学面で回折させる光の波長の範囲をＦ線からＣ線までとし、当該光の中心波長をｄ線としたとき、Ｆ線からＣ線の光に対して次式の条件を満足することが好ましい。
　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０７５
　但し、
　Δｎ：２つの回折素子要素の光学素子の屈折率の差（Δｎ＞０とする）、
　　ｄ：回折格子溝の高さ、
　　λ：光の波長。
　また、このような回折光学素子は、Ｆ線からｄ線の光に対して次式の条件を満足することが好ましい。
　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０３０
　また、このような回折光学素子において、空孔を含む光学材料は、蒸着若しくはゾル－ゲル法で製造されることが好ましい。
　また、このような回折光学素子において、空孔は、エッチングにより光学材料に形成されることが好ましい。
　また、このような回折光学素子において、空孔には、空気が充填されることが好ましい。または、空孔には、不活性ガスが充填されることが好ましい。または、空孔内は真空であることが好ましい。
　また、本発明に係る光学機器は、上記のような回折光学素子を備えることを特徴とする。
　また、本発明に係る回折光学素子の製造方法は、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素により構成される回折光学素子の製造方法であって、２つの回折素子要素の少なくとも一方を、充填率Ｐが次式、
　Ｐ＜０．９
の条件を満足するように空孔を含む光学材料で形成し、前記一方の回折素子要素に他方の回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝を有する回折光学面を形成したことを特徴とする。
　また、このような回折光学素子の製造方法において、２つの回折素子要素の少なくとも一方を、ｄ線に対する屈折率ｎが次式、
　１．６＜ｎ＜２．０
の条件を満足する空孔を含む光学材料で形成することが好ましい。
　また、このような回折光学素子の製造方法において、２つの回折素子要素の少なくとも一方を、充填率Ｐが次式、
　０．６＜Ｐ＜０．８
の条件を満足するように空孔を含む光学材料で形成することが好ましい。
　また、このような回折光学素子の製造方法において、回折光学面で回折させる光の波長の範囲をＦ線からＣ線までとし、当該光の中心波長をｄ線としたとき、Ｆ線からＣ線の光に対して、２つの回折素子要素の光学材料の屈折率の差Δｎ（Δｎ＞０とする）、回折格子溝の高さｄ、および光の波長λが次式、
　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０７５
の条件を満足するようにすることが好ましい。
　また、このような回折光学素子の製造方法において、Ｆ線からｄ線の光に対して、次式、
　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０３０
の条件を満足するようにすることが好ましい。
　本発明によると、波長分散のない空孔を含むことで、より波長分散をコントロールしやすくした回折光学素子、その回折光学素子を備えた光学機器、および回折光学素子の製造方法を提供することができる。
回折光学素子を説明するための説明図である。 回折光学素子の特性を説明するための説明図であって、（ａ）は波長に対する屈折率の関係を示し、（ｂ）は波長に対するΔλの関係を示す。 回折光学素子を備えたデジタル一眼レフカメラの断面図である。 回折光学素子を有する撮像レンズの構成図である。 回折光学素子の製造方法を示すフローチャートである。
　以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。まず、図１を用いて、本実施形態に係る回折光学素子Ｄの構成について説明する。この回折光学素子Ｄは、１ｍｍあたり数本から数百本の細かい溝状またはスリット状の格子構造（回折格子溝ｇ）が同心円状に形成された回折光学面を備え、この回折光学面に入射した光を格子ピッチ（回折格子溝ｇの間隔）と入射光の波長とによって定まる方向へ回折する性質を有している。また、回折光学素子Ｄ（回折光学面）は、負の分散値（例えば、アッベ数＝－３．４５３）を有し、分散が大きく、また異常分散性（例えば、部分分散比（ｎｇ－ｎＦ）／（ｎＦ－ｎＣ）＝０．２９５６）が強いため、強力な色収差補正能力を有している。光学ガラスのアッベ数は、通常３０～８０程度であるが、上述のように回折光学素子のアッベ数は負の値を持っている。換言すると、回折光学素子Ｄの回折光学面は分散特性が通常のガラス（屈折光学素子）とは逆で光の波長が短くなるに伴い屈折率が小さくなり、長い波長の光ほど大きく曲がる性質を有している。そのため、通常の屈折光学素子と組み合わせることにより、大きな色消し効果が得られる。したがって回折光学素子Ｄを利用することで、通常の光学ガラスでは達し得ない良好な色収差の補正が可能になる。
　また、本実施形態に係る回折光学素子Ｄは、異なる光学材料からなる２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２を接合し、その接合面に回折格子溝ｇを設けて上述した回折光学面を構成している、いわゆる「密着複層型回折光学素子」である。そのため、この回折光学素子Ｄは、ｇ線からＣ線を含む広波長域において回折効率を高くすることができる。したがって、この回折光学素子Ｄを用いた光学系は広波長域において利用することが可能となる。なお、回折効率は、透過型の回折光学素子Ｄにおいて１次回折光を利用する場合、入射強度Ｉ０と一次回折光の強度Ｉ１との割合η（＝Ｉ１／Ｉ０×１００［％］）を示す。
　ここで、密着複層型回折光学素子は、回折格子溝が形成された２つの回折素子要素をこの回折格子溝同士が対向するように近接配置してなるいわゆる分離複層型回折光学素子に比べて製造工程を簡素化することができるため、量産効率がよく、また光線の入射角に対する回折効率が良いという長所を備えている。したがって、密着複層型回折光学素子を利用した光学系は、製造が容易となり、また回折効率も良くなる。
　このような密着複層型の回折光学素子Ｄにおいて、２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２の光学材料（媒質）の屈折率の差をΔｎとし、回折格子溝ｇの高さをｄとし、この回折光学素子Ｄの回折光学面で回折させる光の波長をλとすると、次式（ａ）の条件を満足するときに、１次回折光の回折効率が１００％になる。
　Δｎ×ｄ＝λ　　　　　　　　　　　　　　　　　（ａ）
　ここで、Δλ＝１－Δｎ×ｄ／λとすると、上記式（ａ）から、このΔλが０になると回折効率が１００％になる。
　図２（ａ）に示す従来の低屈折率の回折素子要素と高屈折率の回折素子要素とからなる回折光学素子の場合、図２（ｂ）に示すように、所望の波長（ここでは、ｄ線（λ＝５８８ｎｍ））においてΔλが０になるように設定すると、その他の波長ではこのΔλを０にすることができず、中心波長（ｄ線）の近辺では回折効率が高いが、それよりも長い波長や短い波長においては回折効率が悪化してしまう。
　そこで、本実施形態に係る回折光学素子Ｄでは、２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２のうち、少なくともいずれか一方の光学材料（媒質）に多数の微小な空孔Ｂを形成し、この空孔Ｂが形成された回折素子要素の光学材料（媒質）の屈折率を調整している。なお、回折光学面に対向する光学面（例えば、図１において、回折素子要素Ｅ１の回折格子溝ｇが形成されていない方の面）の法線方向から見たときの空孔Ｂの径は、この回折光学面で回折させる光の波長以下であることが好ましい。この空孔Ｂ内は空気で満たされているため、この空孔Ｂの屈折率は１であり、また、分散は０である。そのため、回折素子要素Ｅ１を構成する光学材料に空孔Ｂを設けることにより、この回折素子要素Ｅ１の屈折率だけを調整することが可能となる。このとき、図２（ａ）に示すように、空孔Ｂを設けた光学材料の屈折率の波長に対する変化率は緩やかになる。そのため、透過する光の波長が短くなるほど、その光に対する屈折率が大きくなる媒質の回折素子要素Ｅ１，Ｅ２を用いて回折光学素子Ｄを形成した場合、波長が長くなるほど、２つの回折素子要素の媒質の屈折率の差（Δｎ）は大きくなる。すなわち、上述した式（ａ）において、回折格子溝の高さｄを固定された値とすると、空孔Ｂを設けることにより、式（ａ）の条件に近づくことなる。そのため、図２（ｂ）に示すように、空孔Ｂを設けた光学材料により形成された回折素子要素Ｅ１を用いると、広い波長帯域でΔλの値が０に近くなり、回折効率が向上する（図２（ｂ）の場合では、中心波長であるｄ線よりも短い波長の光に対して回折効率が特に改善されることが分かる）。
　このような回折光学素子Ｄにおいて、空孔Ｂが形成された回折素子要素Ｅ１の体積に対する空孔Ｂの体積（の総和）の割合を充填率Ｐとすると、この回折光学素子Ｄは、次式（１）の条件を満足することが望ましい。なお、充填率Ｐは、体積比ではなく、重量比としてもよい。
　Ｐ＜０．９　　　　　　　　　　　　　　　　　　（１）
　回折素子要素Ｄの空孔Ｂの充填率Ｐがこの条件式（１）の上限値を上回ると、当該回折素子要素Ｅ１の光学材料（媒質）の屈折率が低くなりすぎてしまい、もう一方の回折素子要素Ｅ２との関係で、回折光学素子Ｄとしての光学性能を満足することができなくなってしまう。なお、この空孔Ｂによる回折効率の向上に対する効果をさらに発揮させるためには、空孔Ｂが形成される回折素子要素Ｅ１の充填率Ｐが次式（１′）の条件を満足することが望ましい。
　０．６＜Ｐ＜０．８　　　　　　　　　　　　（１′）
　なお、空孔Ｂを形成した光学材料からなる回折素子要素Ｅ１は、回折光学素子Ｄを形成する２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２のうち、高屈折率・低分散の回折素子要素に形成することが好ましい。したがって、この空孔Ｂが形成される回折素子要素の光学材料（媒質）のｄ線に対する屈折率ｎは、次式（２）の条件を満足することが好ましい。
　１．６＜ｎ＜２．０　　　　　　　　　　　　（２）
　また、上述したように、１次回折光の回折効率を１００％とするためには、Δλ＝１－Δｎ×ｄ／λを０にすることが必要である。よって、この回折光学素子Ｄで回折させる光の波長をＦ線（λ＝４８６ｎｍ）からＣ線（λ＝６５６ｎｍ）の範囲とすると、この回折光学素子Ｄは、Ｆ線からＣ線の範囲の光に対して、次式（３）の条件を満足することが望ましい。
　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０７５　　　　　　　（３）
　この条件式（３）を満足することにより、この回折光学素子Ｄは、Ｆ線からＣ線までの範囲において、高い回折効率を実現することができる。
　さらに、Ｆ線からＣ線の範囲における中心波長をｄ線とすると、この回折光学素子Ｄは、Ｆ線からｄ線の範囲の光に対して、次式（３′）の条件を満足することが望ましい。
　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０３０　　　　　　　（３′）
　この条件式（３′）を満足することにより、この回折光学素子Ｄは、さらに高い回折効率を実現することができる。
　このような空孔Ｂを有する光学材料で形成された回折素子要素Ｅ１は、モールドガラスでも、樹脂でもよい。また、樹脂に高屈折率物質の微粒子を混入させたものでもよい。空孔を持つ物質の作成法としては、限定するものではないが、例としてゾル－ゲル法や蒸着法、スパッタ法などがあり、ゾル－ゲル法では溶液の濃度、蒸着法では成膜時の真空度、ガス導入量などを変えて、充填率を変えることができる。材料としても、特に拘る必要はなく、酸化物、フッ化物、樹脂等が考えられる。また、回折素子要素の素材表面の必要部分にのみ防食処理を施し、腐食剤によって不要部分を溶解侵食・食刻するエッチングにより、この回折素子要素に空孔を形成してもよい。
　なお、図１に示す回折光学素子Ｄは、平板状の２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２の対向する面に回折格子溝ｇを形成して密着させた構成を示したが、本発明がこの構成に限定されることはない。例えば、回折格子溝ｇが形成される面が曲面で形成されていてもよい。また、レンズ等の光学部材のいずれかの面上に、この回折光学素子Ｄを形成してもよいし、２つのレンズの間にこの回折光学素子Ｄを配置し、全体を接合した接合レンズとしてもよい。
　なお、空孔Ｂには空気が充填されることが好ましい。これにより、空孔Ｂを含む光学材料の波長に対する屈折率の変化を小さくすることができる。さらに、空孔Ｂへの水蒸気の浸入を防ぐことができる。
　または、空孔Ｂには不活性ガスが充填されることが好ましい。これにより、空孔Ｂを含む光学材料の波長に対する屈折率の変化を小さくすることができる。さらに、空孔Ｂへの水蒸気の浸入を防ぐことができる。不活性ガスは、ヘリウムガス(Ｈｅ)、ネオンガス(Ｎｅ)、アルゴンガス(Ａｒ)、キセノンガス(Ｘｅ)、クリプトンガス(Ｋｒ)等が使用される。
　または、空孔Ｂ内は真空であることが好ましい。これにより、空孔Ｂを含む光学材料の波長に対する屈折率の変化をより小さくすることができる。
　次に、上述の回折光学素子Ｄを備えた光学機器の一例として、回折光学素子Ｄを有する撮像レンズＴＬを備えたデジタル一眼レフカメラＣＡＭを、図３および図４を用いて説明する。図３に示すデジタル一眼レフカメラＣＡＭにおいて、不図示の物体（被写体）からの光は、撮像レンズＴＬで集光されて、クイックリターンミラーＭを介して焦点板Ｆ上に結像される。焦点板Ｆ上に結像された光は、ペンタプリズムＰ中で複数回反射されて接眼レンズＥへ導かれる。これにより、撮影者は、接眼レンズＥを介して被写体の像を正立像として観察することができる。
　また、撮影者によって不図示のレリーズボタンが押されると、クイックリターンミラーＭが光路外へ退避し、撮像レンズＴＬで集光された被写体からの光は、撮像素子Ｃ上に結像されて被写体の像を形成する。これにより、被写体からの光は、撮像素子Ｃ上に結像されて当該撮像素子Ｃにより撮像され、被写体の画像として不図示のメモリーに記録される。このようにして、撮影者は、デジタル一眼レフカメラＣＡＭによる被写体の撮影を行うことができる。
　撮像レンズＴＬは、図４に示すように、光軸に沿って物体側（被写体側）から順に並んだ複数のレンズＬ１，Ｌ２，…を有し、第４面に上述の回折光学素子Ｄが形成されている。回折光学素子Ｄは、上述のように、広い波長帯域の光に対して回折効率を向上させることができる。そのため、撮像レンズＴＬは、色収差の補正等において高い光学性能を有している。したがって、デジタル一眼レフカメラＣＡＭによれば、色収差の補正等において高い光学性能を有する光学機器を実現することができる。
　続いて、上述の回折光学素子Ｄの製造方法について、図５を用いて説明する。まず、２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２の少なくともいずれか一方を、充填率Ｐが所定の条件式を満足するように空孔Ｂを含む光学材料（媒質）で形成する（ステップＳＴ１０）。そして、空孔Ｂを含む光学材料で形成された回折素子要素に他方の回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝ｇを有する回折光学面を形成する（ステップＳＴ２０）。このようにして、回折光学素子Ｄは製造される。
　次に、実施例として、上述した回折光学素子Ｄを構成する２つの回折素子要素Ｅ１，Ｅ２のうち、低屈折率の回折素子要素（図１の場合は回折素子要素Ｅ２）に樹脂を用い、高屈折率の回折素子要素（図１の場合は回折素子要素Ｅ１）に、充填率８０％の酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を用いた場合について説明する。まず、各回折素子要素の光学材料（媒質）の光の波長に対する屈折率を以下の表１に示す。なお、以下の表１には、空孔を設けていない酸化アルミニウム（すなわち、充填率が０％の場合）の屈折率も示す。
（表１）
［高屈折率の回折素子要素Ｅ１］
　　波長［ｎｍ］　　　　　　　　　　 486　　　　 588　　　　 656
酸化アルミニウム（充填率０％）　　 1.7700　　　1.7650　　　1.7640
酸化アルミニウム（充填率８０％）　 1.5792　　　1.5758　　　1.5754
 
［低屈折率の回折素子要素Ｅ２］
　　波長［ｎｍ］　　　　　　　　　　 486　　　　 588　　　　 656
樹脂　　　　　　　　　　　　　　　 1.5385　　　1.5276　　　1.5754
　次に、上記の回折素子要素Ｅ１，Ｅ２を用いた回折光学素子Ｄの回折光学面に対して垂直に入射した光（入射角＝０°）の１次回折光の回折効率を表２に示す。なお、この回折光学素子Ｄの回折格子溝ｇのピッチは１００μｍとし、格子高さは１１．７μｍとする。また、回折効率の計算は、ＲＣＷＡ（厳密結合波：Rigorous Coupled Wave Analysis）法を用いている。
（表２）
　波長［ｎｍ］　　　 486　　　　 588　　　　 656
１次光の回折効率　　98.4%　　　 97.8%　　　 96.6%
　この表２から明らかなように、この実施例に示す回折光学素子Ｄでは、Ｆ線（λ＝４８６ｎｍ）からＣ線（λ＝６５６ｎｍ）の光に対して、９５％以上の回折効率を得ることができる。
　また、入射角を２０°とした場合の１次回折光の回折効率を表３に示す。
（表３）
　波長［ｎｍ］　　　 486　　　　 588　　　　 656
１次光の回折効率　　90.4%　　　 91.2%　　　 91.8%
　この表３から明らかなように、この実施例に示す回折光学素子Ｄでは、入射角が２０°であっても、Ｆ線からＣ線の光に対して９０％以上の回折効率を得ることができる。
　Ｄ　回折光学素子　　Ｅ１，Ｅ２　回折素子要素　　ｇ　回折格子溝　　Ｂ　空孔

Claims (18)

  1. 　異なる光学材料からなる２つの回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝が形成された回折光学面を有する回折光学素子であって、
    　前記２つの回折素子要素の少なくとも一方が、空孔を含む光学材料で形成され、
    　前記空孔を含む光学材料が、次式の条件を満足することを特徴とする回折光学素子。
    　Ｐ＜０．９
    　但し、
    　Ｐ：前記空孔を含む光学材料の充填率。
  2. 　前記回折光学面に対向する光学面の法線方向から見たときの前記空孔の径が、前記回折光学面で回折させる光の波長以下であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  3. 　前記空孔は、前記２つの回折素子要素のうち、屈折率が大きい回折素子要素の前記光学材料に含まれることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  4. 　次式の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
    　１．６＜ｎ＜２．０
    　但し、
    　ｎ：前記空孔を含む光学材料のｄ線に対する屈折率。
  5. 　次式の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
    　０．６＜Ｐ＜０．８
  6. 　前記回折光学面で回折させる光の波長の範囲をＦ線からＣ線までとし、当該光の中心波長をｄ線としたとき、Ｆ線からＣ線の前記光に対して次式の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
    　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０７５
    　但し、
    　Δｎ：前記２つの回折素子要素の前記光学材料の屈折率の差（Δｎ＞０とする）、
    　　ｄ：前記回折格子溝の高さ、
    　　λ：前記光の波長。
  7. 　前記回折光学面で回折させる光の波長の範囲をＦ線からＣ線までとし、当該光の中心波長をｄ線としたとき、Ｆ線からｄ線の前記光に対して次式の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
    　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０３０
    　但し、
    　Δｎ：前記２つの回折素子要素の前記光学材料の屈折率の差（Δｎ＞０とする）、
    　　ｄ：前記回折格子溝の高さ、
    　　λ：前記光の波長。
  8. 　前記空孔を含む光学材料は、蒸着若しくはゾル－ゲル法で製造されることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  9. 　前記空孔は、エッチングにより前記光学材料に形成されることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  10. 　前記空孔には、空気が充填されることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  11. 　前記空孔には、不活性ガスが充填されることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  12. 　前記空孔内は真空であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  13. 　請求項１に記載の回折光学素子を備えることを特徴とする光学機器。
  14. 　異なる光学材料からなる２つの回折素子要素により構成される回折光学素子の製造方法であって、
    　前記２つの回折素子要素の少なくとも一方を、充填率Ｐが次式の条件を満足するように空孔を含む光学材料で形成し、
    　Ｐ＜０．９
    　前記一方の回折素子要素に他方の回折素子要素を接合し、当該接合面に回折格子溝を有する回折光学面を形成したことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
  15. 　前記２つの回折素子要素の少なくとも一方を、ｄ線に対する屈折率ｎが次式の条件を満足する前記空孔を含む光学材料で形成したことを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子の製造方法。
    　１．６＜ｎ＜２．０
  16. 　前記２つの回折素子要素の少なくとも一方を、充填率Ｐが次式の条件を満足するように空孔を含む光学材料で形成したことを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子の製造方法。
    　０．６＜Ｐ＜０．８
  17. 　前記回折光学面で回折させる光の波長の範囲をＦ線からＣ線までとし、当該光の中心波長をｄ線としたとき、Ｆ線からＣ線の前記光に対して、前記２つの回折素子要素の前記光学材料の屈折率の差Δｎ（Δｎ＞０とする）、前記回折格子溝の高さｄ、および前記光の波長λが次式の条件を満足するようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子の製造方法。
    　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０７５
  18. 　前記回折光学面で回折させる光の波長の範囲をＦ線からＣ線までとし、当該光の中心波長をｄ線としたとき、Ｆ線からｄ線の前記光に対して、前記２つの回折素子要素の前記光学材料の屈折率の差Δｎ（Δｎ＞０とする）、前記回折格子溝の高さｄ、および前記光の波長λが次式の条件を満足するようにしたことを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子の製造方法。
    　｜１－Δｎ×ｄ／λ｜＜０．０３０
     
     
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