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JP2002082214A - 回折光学素子およびそれを用いた光学系 - Google Patents

回折光学素子およびそれを用いた光学系

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JP2002082214A JP2000273339A JP2000273339A JP2002082214A JP 2002082214 A JP2002082214 A JP 2002082214A JP 2000273339 A JP2000273339 A JP 2000273339A JP 2000273339 A JP2000273339 A JP 2000273339A JP 2002082214 A JP2002082214 A JP 2002082214A
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diffraction grating
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用波長領域全域で高い回折効率を得るとと
もに、軸上光から軸外光にわたる画角全域においても高
く、均一な回折効率を維持することができる回折光学素
子およびそれを用いた光学系を得ること。 【解決手段】複数の材質からなる複数の回折格子を積層
して、使用波長領域全域で特定次数(設計次数)の回折効
率を高くした回折光学素子において，前記複数の回折格
子のうち少なくとも１つの回折格子の格子厚は面内の位
置により変化していることを特徴とする回折光学素子。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、回折光学素子およ
びそれを用いた光学系に関するものであり，さらに詳し
くは，広い波長域にわたり高い回折効率が得られ、か
つ、光学系に用いたときには、軸上光から軸外光にわた
る画角全域においても高く、均一な回折効率が得られる
回折光学素子およびそれを用いた光学系に関するもので
ある。
【０００２】
【従来の技術】従来より光学系の色収差を補正する方法
の１つとして、分散の異なる複数の硝材のレンズを組み
合わせる方法がある。
【０００３】また、この複数の硝材のレンズを組み合わ
せることにより色収差を減じる方法に対して、レンズ面
あるいは光学系の１部に光の回折作用を有する回折格子
を設けた回折光学素子を用いて色収差を減じる方法がSP
IE Vol.１３５４ International Lens Design Conferen
ce (１９９０)等の文献や特開平４−２１３４２１号公
報、特開平６−３２４２６２号公報、そしてUSP５０４
４７０６号等に開示されている。
【０００４】これは、光学系中の屈折面と回折面とで
は、ある基準波長の光線に対する色収差が逆方向に発現
するという物理現象を利用したものである。
【０００５】さらに、このような回折光学素子は、その
格子の周期的構造の周期を変化させることで容易に非球
面レンズ的な効果を持たせることができ、収差の低減に
大きな効果がある。
【０００６】ここで、光の屈折作用において比較する
と、レンズ面では１本の光線は屈折後も１本の光線であ
るのに対し、回折面では１本の光線が回折されると、各
回折次数に光が複数に分かれてしまう。
【０００７】そこで、光学系に回折光学素子を用いる場
合には、使用波長領域の光束が特定次数(以下設計次数
とも言う)に集中するように格子構造を決定する必要が
ある。特定の次数に光が集中している場合では、それ以
外の回折次数の光線の強度は低いものとなり、強度が０
の場合にはその回折光は存在しないものとなる。
【０００８】そのため、前記特徴を有するためには設計
次数の回折光の回折効率が十分高いことが必要になる。
また、設計次数以外の回折次数を持った光線が存在する
場合は、設計次数の光線とは別の所に結像するため、フ
レア等の有害光となる。
【０００９】従って回折光学素子を利用した光学系にお
いては、設計次数での回折効率の分光分布及び設計次数
以外の光線の振る舞いについても十分考慮することが重
要である。
【００１０】図８に示すように、基板２に１つの層より
なる回折格子３を設けた回折光学素子１を光学系中のあ
る面に形成した場合の特定の回折次数に対する回折効率
の特性を図９に示す。
【００１１】以下、回折効率の値は全透過光束に対する
各回折光の光量の割合であり、格子境界面での反射光な
どは説明が複雑になるので考慮していない値になってい
る。
【００１２】この回折格子の光学材料は、紫外線硬化樹
脂１(nd =１.５１３，νd= ５１.０)を用い、格子厚d1
を１.０３μｍと設定した。この図で、横軸は波長を表
し、縦軸は回折効率を表している。
【００１３】この回折光学素子１は、１次の設計次数
(図中実線)において、使用波長領域(波長５３０nm近傍)
で最も回折効率が高くなるように設計されている。設計
次数は１次である。
【００１４】さらに、設計次数近傍の回折次数(１次±
１次である０次光と２次光)の回折効率も併記してお
く。図に示されているように、設計次数では回折効率は
ある波長で最も高くなり(以下「設計波長」と言う)それ
以外の波長では徐々に低くなる。
【００１５】上記構成では、設計次数は１次に設定して
いる。この設計次数での回折効率の低下分は他の次数の
回折光となり、フレアとなる。また、回折格子を複数使
用した場合には特に、設計波長以外の波長での回折効率
の低下は透過率の低下にもつながることになる。
【００１６】また広い波長領域にわたり回折効率の低下
を減少できる構成を本出願人は特開平１０−１３３１４
９号公報で提案している。上記提案で提示された回折光
学素子は、図１０に示すように回折格子４，５を基板２
に重ね合わせた積層断面形状をもった２つの回折格子よ
りなっている。そして２つの回折格子を構成する材質の
屈折率，分散特性および格子厚を最適化することによ
り、広い波長領域にわたり、特定次数で高い回折効率を
実現している。
【００１７】又、回折効率の低下を減少できる構成が特
開平９−１２７３２２号公報に提示されている。図１１
に示すように回折格子を３種の異なる材料と、２種の異
なる格子厚d1，d2を最適に選ぶことで、可視域全域で高
い回折効率を実現している。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】上記従来の回折光学素
子では、回折格子面を形成する際の格子（回折格子）の
格子厚に関しては、いずれも格子に対して垂直入射すな
わち入射角０°で入射する光線に対して最大の回折効率
を得る単一の条件のみが記載されている。
【００１９】しかしながら、実際の光学系、例えば銀塩
カメラやデジタルカメラなどに用いられる撮像光学系や
望遠鏡、双眼鏡、顕微鏡などの観察光学系の一部に回折
光学素子を用いた場合、任意の回折格子に対して、必ず
しも全ての光線が入射角０°あるいは０°を中心とした
正負の方向に均等な角度分布で入射するとは限らない。
【００２０】したがって、格子全域にわたり全ての格子
厚を入射角０°の光線に対して最大となる単一の値で規
定した場合、０°以外の入射角あるいは０°以外の角度
を中心とした入射角度分布を持った光線が入射する領域
の格子における回折効率は低下し、すなわち光量の低下
やフレアの増大といった問題が発生する。
【００２１】本発明は広い画角のある光学系に用いたと
きでも、広い画角において高い回折効率を有する回折光
学素子及びそれを用いた光学系の提供を目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】請求項１の発明の回折光
学素子は、複数の材質からなる複数の回折格子を積層し
て、使用波長領域全域で特定次数(設計次数)の回折効率
を高くした回折光学素子において，前記複数の回折格子
のうち少なくとも１つの回折格子の格子厚は面内の位置
により変化していることを特徴としている。
【００２３】請求項２の発明は請求項１の発明において
前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子に
おける格子厚は中心領域から周辺領域にわたって，次第
に薄くなるように変化していく領域を有することを特徴
としている。
【００２４】請求項３の発明は請求項１の発明において
前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子に
おける格子厚は中心領域から周辺領域にわたって，次第
に厚くなるように変化していく領域を有することを特徴
としている。
【００２５】請求項４の発明は請求項１，２又は３の発
明において前記複数の回折格子は、空気層を介して配置
されている２つの回折格子を有していることを特徴とし
ている。
【００２６】請求項５の発明は請求項１から４のいずれ
か１項の発明において光線の入射側から数えてα層目か
らα+L層目までのL+１層の回折格子を有し、回折次数を
m次、特定の光線がα層目の回折格子における中心から
数えてj番目の回折格子に、入射角θα(j)で入射すると
き、各回折格子の面内における各回折格子の格子厚が
【００２７】
【数２】
【００２８】ただし、 ni :i (α≦i≦α+L)層目の回折格子の入射側の材質の
波長λ0での屈折率 ni' :i 層目の回折格子の射出側の材質の波長λ0での
屈折率 θi(j) :特定の光線のi層目の回折格子の中心から数え
てj番目の格子への入射角 θi'(j) :特定の光線のi層目の回折格子の中心から数
えてj番目の格子からの射出角 di(j) :i層目の回折格子の中心から数えてj番目の格子
の格子厚 ただし、格子の側壁部分において、０次光に対して+１
次光の発現する側に射出側の材質があるときを正の値と
し、入射側の材質がある場合を負の値とする Ｋ :０.９以上，１.１以下の任意の実数 λ0 :設計波長 の式を満たすように変化している領域を有することを特
徴とする 請求項６の発明は請求項５の発明において前記特定の光
線は、その回折格子を通過する全光線の略平均値の入射
角を持った光線であることを特徴としている。
【００２９】請求項７の発明は請求項５の発明において
前記特定の光線は、入射角の絶対値がその回折格子を通
過する光線のうち最大値を有する光線であることを特徴
としている。
【００３０】請求項８の発明は請求項５の発明において
前記特定の光線は前記回折光学素子を光学系に用いた場
合のその回折格子を通過する絞り中心光線であることを
特徴としている。
【００３１】請求項９の発明は請求項１から８のいずれ
か１項の発明において前記複数の回折格子のうち少なく
とも１つの回折格子は、平面あるいは曲面上に形成され
ていることを特徴としている。
【００３２】請求項１０の発明は請求項９の発明におい
て前記複数の回折格子のうち少なくとも１つの回折格子
は、平面あるいは曲面上に形成されており、該回折格子
において格子厚及び、該平面または曲面から回折格子の
谷の部分までの厚さが変化していることを特徴としてい
る。
【００３３】請求項１１の発明は請求項１から１０のい
ずれか１項の発明において前記使用波長は，可視光であ
ることを特徴としている。
【００３４】請求項１２の発明は請求項１から１１のい
ずれか１項の発明において前記複数の回折格子におい
て、それぞれの回折格子の格子厚が３０μｍ以下で２．
０μｍ以上であることを特徴としている。
【００３５】請求項１３の発明は請求項１から１２のい
ずれか１項のの発明において前記複数の回折格子のう
ち、少なくとも１つはエネルギー硬化材料で成形されて
いることを特徴としている。
【００３６】請求項１４の発明の光学系は請求項１から
１３のいずれか１項の回折光学素子を１以上有している
ことを特徴としている。
【００３７】請求項１５の発明は請求項１４の発明にお
いて前記光学系は、結像光学系であることを特徴として
いる。
【００３８】請求項１６の発明は請求項１４の発明にお
いて前記光学系は、観察光学系であることを特徴として
いる。
【００３９】
【発明の実施の形態】図１は、本発明の回折光学素子の
実施形態１の正面図である。同図において回折光学素子
１は基板２の表面に複数の材質からなる複数の回折格子
（格子）３が積層された多層構成となっている。
【００４０】図２は図１の回折光学素子１を図中A−A'
断面で切断した断面形状の一部を示すものである。図２
は分かりやすくするために、回折格子の厚さ方向に、縮
尺が拡大されたものとなっている。
【００４１】本実施形態の回折格子の形状は、基板２上
に第１層の回折格子４と第２層の回折格子５を空気層８
を介して一次元方向（Ｘ方向）に配置しており、第１層
の回折格子４と空気層８の境界で第１の回折格子面６
を、空気層８と第２の格子部５の境界で第２の回折格子
面７を形成している。このとき、格子面内において、そ
れぞれの位置の格子に入射する設計波長の特定の光線に
おいて最大の回折効率が得られるよう格子厚ｄが面内
（Ｘ方向）で変化する構成となっている。図２では、中
心から数えてp番目の回折格子における第１層の格子厚d
1(p)，第２層の格子厚d2(p)とq番目の回折格子における
第１層の格子厚d1(q)，第２層の格子厚d2(q)とで変化し
ていることを示すものである。
【００４２】ここで中心Ｃａとは、回折光学素子１のＸ
方向（回折格子の並び方向）の距離の中点をいい、中心
軸とは中点を通り、基板２に重要な線をいう。
【００４３】本発明では格子面内において、それぞれの
格子の面内の位置に応じた最適な格子厚を与えることに
より、均一で高い回折効率を維持することができ、光学
系に組み込んだ場合も、その画角全域にわたり均一で、
フレアなども有効に抑制できる光学系を達成している。
【００４４】本実施例では一次元方向に回折格子のピッ
チを固定又は一定の割合で変化して配列している。そし
て、格子厚を一次元方向（Ｘ方向）で変えている。
【００４５】次に回折格子の最適な格子厚を決定するた
めの、回折光学素子の回折効率の入射角依存性について
説明する。
【００４６】図８に断面図を示したような通常の１層の
回折光学素子１において、設計波長λ0で回折効率が最
大となる条件は、回折格子３の段差部分での光路長差が
波長の整数倍になればよく、一般に、 （n1-n1')d1=m λ0 ・・・・・・（１） とあらわされる。
【００４７】ここで、n1，n1'はそれぞれ波長λ0での入
射側の材質、射出側の材質の屈折率で、d1は格子厚、m
は回折次数である。この式は入射光の入射角およびm次
の回折光の射出角が共に０°あるいは０°と近似して差
し支えない場合の条件式である。
【００４８】しかし、m次の回折光の射出角が、０°で
近似できないような角度で発現する場合、(１)式を満た
す条件では最大の回折効率を実現することができなくな
り、射出角を考慮に入れた式を用いる必要がある。すな
わち回折効率が最大となる条件は、 （n1-n1'cosθ1')d1=mλ0 ・・・・・（２） となる。ここで、θ1'は，m次の回折光の格子３からの
射出角である。ただし、ここでθ1'は格子の設けられた
面の面法線Ｈａに対する角度であり、微視的に見たブレ
ーズ形状等の回折格子面に対する角度ではない。今後説
明に用いる入射角、射出角についても同様である。
【００４９】また、一般の回折光学素子、特に撮像光学
系や観察光学系の一部に回折光学素子を用いた場合など
は、回折光学素子において、すべての位置の格子に対し
て光線が０°あるいは０°と近似できる入射角で入射す
るとは限らない。格子に入射角θ1で入射した波長λ0の
光線に対して回折効率が最大となる条件式は、 （n1-cos θ1-n1'cos θ1')d1=mλ0 ・・・（３） となる。
【００５０】２層以上の回折格子が積層された積層型の
回折光学素子の場合でも、光線の入射角および射出角を
考慮した場合の回折効率を最大とする条件についての考
え方は同様である。すなわち、n層に積層された回折格
子によって回折次数がm次となる場合、入射角θ1で入射
した波長λ0の光線に対して回折効率が最大となる条件
は、
【００５１】
【数３】
【００５２】である。
【００５３】ここで、ni ni'はそれぞれ入射側からi層
目の回折格子における波長λ0の光に対する入射側の材
質の屈折率、射出側の材質の屈折率である。θi ，θi'
はそれぞれ入射側からi 層目の回折格子における光線の
入射角，射出角である。
【００５４】ただし、diは，i層目の回折格子の設けら
れた面の面法線に沿って計った格子厚であるが、格子の
側壁部分において、０次光に対して+１次の回折光が発
現する側に射出側の材質があるとき正の値とし、入射側
の材質がある場合を負の値と規定している。
【００５５】そして、本発明においては、i層目の回折
格子において、中心軸Ｃａから数えてj番目の格子に入
射する設計波長λ0の光線の入射角分布を考慮し、入射
角がその平均値や重心値、最大値等である特定の光線の
入射角から、（４）式に基づく最適な格子厚を計算する
ことで格子を形成したものとなっている。
【００５６】本実施形態では、以上のように複数の材料
からなる複数の回折格子が積層してあり、使用波長領域
（可視域）全域で特定次数(設計次数)の回折効率を高く
している。そして複数の回折格子のうちの少なくとも１
つの回折格子における格子厚を、面内において変化させ
ている。
【００５７】これによって、通常の屈折光学系において
色消しを行うのと同様に、分散の異なる複数の材質を組
み合わせることで、回折効率の波長依存性を低減し、使
用波長領域全域で高い回折効率を得るとともに、任意の
位置に入射する全光線の入射角度分布を考慮し、それぞ
れの格子での回折効率が最大となるようそれぞれ格子厚
を決定することで、画角の中心から周辺にわたり高くか
つ均一な回折効率を維持し、フレアなどを抑制してい
る。
【００５８】そして、少なくとも１つの回折格子におけ
る格子厚が、中心領域から周辺領域にわたって、次第に
薄くなるように又は厚くなるように変化していく領域を
設けている。
【００５９】以下に具体的な例を用いて、本発明の効果
について説明する。
【００６０】本発明の積層型の回折光学素子として、図
２に示した回折格子が２層の場合を考える。ここで、第
１層の回折格子４の材質としてエネルギー硬化材料の１
つとして紫外線硬化樹脂１(nd = １.５１３，νd = ５
１.０)、第２層の回折格子５の材質として紫外線硬化樹
脂２(nd = １.６３６，νd = ２２.８)を例にとる。
【００６１】尚、第１層の回折格子４の材質として熱硬
化性樹脂を用いても良い。
【００６２】入射する特定の光線の入射角が０°である
ような格子において、設計波長λ0を５９０nm、設計回
折次数を１次としたとき、最大の回折効率を与える格子
厚は、入射角、射出角を考慮しない式、すなわち(４)式
において、θi ，θi'を０とおいた場合の式から１つの
組み合わせとして、第１層の回折格子４の格子厚は９.
１３μm，第２層の回折格子５の格子厚は−６.４３μｍ
が得られる。
【００６３】本実施形態では各回折格子の格子厚が２．
０μｍ以上３０μｍ以下となるようにしている。
【００６４】表１にここで求めた単一の格子厚の組み合
わせで製作された、格子ピッチ１mmの格子に入射角−２
０°，−１５°，−１０°，−５°，０°，５°，１０
°，１５°，２０°で入射した波長５９０nmの光線に対
する設計次数である１次および０次、２次の回折光の回
折効率を示す。ここで、入射角は、図２のような場合、
左側からの入射角が負の入射角、右側からの入射角が正
の入射角である。
【００６５】
【表１】
【００６６】ここに示した回折効率η（λ0）は、 η（λ0）=sinc2[π｛Ｍ-Φ（λ0）/λ0}] ・・・・・（５） なる式から計算した値である。ここで、Ｍは効率を計算
する所望の回折次数であり、Φ（λ0）は、
【００６７】
【数４】
【００６８】であり、本発明では、 Φ（λ0）=(n1 cos θ1-n1’cos θ1')d1+(n2 cos θ2-
n2' cos θ2')d2 である。ここで、n1は第１層の回折格子４における入射
側の材質の波長λ0での屈折率、n1'は第１層の回折格子
４における射出側の材質の波長λ0での屈折率、n2は第
２層の回折格子５における入射側の材質の波長λ0での
屈折率、n2'は第２層の回折格子５における射出側の材
質の波長λ0での屈折率、θ1は第１層の回折格子４への
入射角、θ1'は第１層の回折格子４からの射出角、θ2
は第２層の回折格子５への入射角、θ2'は第２層の回折
格子５からの射出角、d1は第１層の回折格子４の格子
厚、d2は第２層の回折格子５の格子厚で、格子の側壁部
分において、０次光に対して+１次光の発現する側に射
出側の材質があるときを正の値とし、入射側の材質があ
る場合を負の値とする。図２において、+１次の回折光
が発現する側に第１層では射出側の材質(ここでは空気)
があるので正の値(９.１３μｍ)となり、第２層では入
射側の材質(ここでは空気)があるので負の値(−６.４３
μｍ)となる。
【００６９】また、式を見て分かるとおり、表１に示し
た回折効率は、各界面で発生する光の反射や格子による
ケラレなどは考慮されていないものである。
【００７０】表１から、単一の格子厚で構成された回折
格子は、入射角の絶対値が大きくなるに従い、設計次数
である１次の回折光の回折効率が低下し、設計次数とは
異なる０次、２次の回折光の回折効率が増加することが
分かる。これら設計次数以外の回折光は、フレア光（ノ
イズ光）となるために、改善（削減）することが望まし
い。
【００７１】そこで上記構成のおいて本発明で提案する
入射光の入射角に応じて最大の回折効率が得られるよう
格子厚を(４)式を満たすようにそれぞれ変化させた場合
の回折効率を表２に示す。
【００７２】
【表２】
【００７３】各格子厚は、(４)式を満たすように格子厚
ｄを変化させた値の１例である。
【００７４】表２から分かるとおり、入射角に応じて最
適な格子厚を与えることで、全ての入射角に対して極め
て高い回折効率となり、従来例にあるように格子厚を入
射角、射出角０°で最適化した場合である表１に比べ、
明らかに改善していることが分かる。
【００７５】しかし、実際の光学系に回折光学素子を用
いた場合、光学系の光軸中心から任意の位置にある回折
格子に対してある入射角度分布を持った光線が入射する
のが一般的である。
【００７６】このような場合、回折光学素子に入射する
光線の分布（入射角分布）を考慮し、画角全域で最適な
回折効率が得られるよう、その格子を通過する全光線の
入射角分布から求めた平均値、重心値、絶対値の最大値
等の入射角を持った光線や回折光学素子を光学系に用い
た際の絞り中心光線などに対して最適化した格子厚を与
えればよい。
【００７７】本実施形態では格子厚を２．０μｍ以上３
０μｍ以下とし、これにより良好なる回折効率を得てい
る。
【００７８】尚、本発明において格子厚の変化は画角に
応じて０〜１．２μｍの範囲で変化させるのが光学性能
上好ましい。
【００７９】また、表１を見て分かるように、図２のよ
うなブレーズ形状の積層回折光学素子における回折効率
の低下は、入射角が負に振れた場合より正に振れた場合
の方が著しい。このことから格子厚の最適化は、単純に
入射角分布から求めた平均値の入射角を持った光線や回
折光学素子を光学系に用いた際の絞り中心光線などの入
射角に対して行うのではなく、やや正側の入射角の光線
に対して行うことが好ましい場合もある。
【００８０】また、本実施形態の説明では、図２のよう
に平らな基板２上に一次元の回折格子４，５を設けた場
合を示しているが、曲面上に設けられた場合についても
同様な効果が得られる。
【００８１】ただし、このような曲面上に回折格子が設
けられた場合、その格子厚は設けられた面の面法線に沿
って測るものと規定する。
【００８２】また、本実施形態１の説明では、図１に示
したように、格子が基板上に直線状に設けられた場合を
示しているが、図３のように同心円状に設けられたレン
ズ作用をする回折光学レンズの場合についても同様な効
果が得られる。
【００８３】図３に示す本実施形態２の回折光学素子１
は中心（光軸）Ｌａから周辺にいくに従って、徐々に格
子ピッチが小さくなる複数の回折格子３を基板（レンズ
面）２に形成している。
【００８４】この場合も中心（光軸中心）Ｌａから周辺
にいくに従って回折格子３の格子厚を変化させている。
【００８５】次に、本発明の実施形態２の要部断面図
（図３のＡ−Ａで切断面）を図４に示す。図２に示した
本発明の実施形態１では、格子厚のみを所定方向(Ｘ方
向）で変化させた構成となっているが、図４に示す本発
明の実施形態２では、格子厚d1(j),d2(j)を中心から周
辺にかけて変化させるのみならず格子の形成された面か
ら格子の谷までの厚さ１６(以下格子ベース厚という)も
変化していることを示している。回折光学素子では、格
子ピッチを変化させることにより容易に非球面レンズと
同等の効果を得ることができるが、格子ベース厚を変化
させることによっても容易に非球面レンズ効果を得るこ
とができる。
【００８６】本実施形態２の回折光学素子１を光学系中
に用いて、各光束に対して広い波長領域で高い回折効率
を得ている。
【００８７】次に本発明の回折光学素子を用いた光学系
の実施形態３を図５に示す。図５は、カメラ等の撮影光
学系の断面を示したものであり、同図において、９は撮
影レンズであり、内部に本発明に関わる回折光学素子１
がレンズである基板２上に設けている。１０は絞りであ
り、１１は結像面であるフィルム、又はCCDなどの固体
撮像素子である。
【００８８】回折光学素子を分散の異なる複数の材質か
らなる回折格子を積層構造にしたことで、回折効率の波
長依存性は大幅に改善されており、さらに格子の面内の
位置に応じた入射角度分布から最適化した格子厚を与え
ている。これにより軸上光のみならず軸外光に対する回
折効率も大幅に改善されているので、フレア光が少なく
画面全域にわたり解像度も高い高性能な撮影レンズが得
られる。また、本発明の回折光学素子１は、図６に示し
たように各回折格子４，５を製造した後、周辺部１２で
貼り合わせるような簡単な製法でも作製できるので、撮
影レンズとしては量産性に優れた安価なレンズを提供す
ることができる。
【００８９】また、本実施例では、カメラの撮影レンズ
の場合を示したが、これに限定するものではなく、ビデ
オカメラの撮影レンズなどに用いても同様の効果が得ら
れる。
【００９０】図７は本発明の回折光学素子を用いた光学
系の実施形態４の要部概略図である。図７は、双眼鏡等
観察光学系の断面を示したものであり、同図において、
１３は像を反転させるためのプリズム(像反転手段)、１
４は接眼レンズ、１５は評価面(瞳面)である。１は本発
明の回折光学素子である。回折光学素子１は光学系全体
の結像面１１での色収差などを補正する目的で形成され
ている。
【００９１】回折光学素子を分散の異なる複数の材質か
らなる回折格子の積層構造とすることで、回折効率の波
長依存性は大幅に改善されており、さらに格子の面内の
位置に応じた入射角度分布から最適化した格子厚を与え
ることで軸上光のみならず軸外光に対する回折効率も大
幅に改善されているので、フレアが少なく画面全域にわ
たり解像度も高い高性能な光学系が得られる。また、本
発明の回折光学素子は，簡単な製法で作製できるので、
観察光学系としては量産性に優れた安価な光学系を提供
することができる。
【００９２】本実施例では、観察光学系における対物レ
ンズ側に回折光学素子１を形成した場合を示したが、こ
れに限定するものではなく、プリズム表面や接眼レンズ
１４内の位置であってもよい。結像面１１より物体側に
設けることで対物レンズ側のみで色収差低減効果がある
ため、肉眼の観察系の場合、少なくとも１つの回折光学
素子を対物レンズ側に設けることが望ましい。
【００９３】また、本実施形態では、双眼鏡の場合を示
したが、これに限定するものではなく、地上望遠鏡や天
体観察用望遠鏡、顕微鏡などであってもよく、また、レ
ンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式のフ
ァインダーであっても同様の効果が得られる。
【００９４】以上のように本発明ではある光学系の一部
に回折光学素子を用い、その光学系全体における光利用
効率を最大にするために、回折光学素子上における任意
の位置の回折格子を通過する全ての光線の入射角分布を
考慮して、それぞれ最大の回折効率が得られるよう各格
子の格子厚を面内における位置に応じて最適な値に変化
させている。
【００９５】特に本発明の回折格子は、複数の材料から
なる複数の回折格子を積層し、使用波長領域全域で特定
の次数(設計次数)の回折効率を高くしている。そして該
回折光学素子を光学系に用いるときには、光軸中心から
任意の位置にある格子に入射する全ての光線の入射角分
布を考慮して、それぞれの格子に対して最適な格子厚を
決定することにより、画角の中心から周辺にわたり高く
かつ均一な回折効率を維持し、フレアなどを抑制した回
折光学素子を用いた光学系を達成している。
【００９６】
【発明の効果】本発明によれば本発明は広い画角のある
光学系に用いたときでも、広い画角において高い回折効
率を有する回折光学素子及びそれを用いた光学系を達成
することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折光学素子の実施形態１の要部正面
図
【図２】本発明の回折光学素子の実施形態１の要部断面
図
【図３】本発明の回折光学素子の要部平面図
【図４】本発明の回折光学素子の実施形態２の要部断面
図
【図５】本発明の回折光学素子を用いた実施形態３の撮
影光学系の概略図
【図６】本発明の回折光学素子の実施形態３の要部断面
図
【図７】本発明の回折光学素子を用いた実施形態４の概
略図
【図８】従来の回折光学素子の断面図
【図９】従来の回折光学素子の回折効率の説明図
【図１０】従来の回折光学素子の断面図
【図１１】従来の回折光学素子の断面図
【符号の説明】
１ 回折光学素子 ２ 基板 ３ 回折格子 ４ 回折格子 ５ 回折格子 ６ 回折格子面 ７ 回折格子面 ８ 空気層 ９ 撮影レンズ １０ 絞り １１ 結像面 １２ 貼り合わせ部 １３ 像反転プリズム １４ 接眼レンズ １５ 瞳面 １６ 格子ベース厚
【手続補正書】
【提出日】平成１２年１０月１７日（２０００．１０．
１７）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】請求項５
【補正方法】変更
【補正内容】
【数１】 ただし、 ni :i (α≦i≦α+L)層目の回折格子の入射側の材質の
波長λ0での屈折率 ni' :i 層目の回折格子の射出側の材質の波長λ0での
屈折率 θi(j) :特定の光線のi層目の回折格子の中心から数え
てj番目の格子への入射角 θi'(j) :特定の光線のi層目の回折格子の中心から数
えてj番目の格子からの射出角 di(j) :i層目の回折格子の中心から数えてj番目の格子
の格子厚 ただし、格子の側壁部分において、０次光に対して+１
次光の発現する側に射出側の材質があるときを正の値と
し、入射側の材質がある場合を負の値とする Ｋ :０.９以上，１.１以下の任意の実数 λ0 :設計波長 の式を満たすように変化している領域を有することを特
徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回折光学
素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正内容】
【００２７】
【数２】 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成１３年１０月１０日（２００１．１０．
１０）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６２】入射する特定の光線の入射角が０°である
ような格子において、設計波長λ0を５９０nm、設計回
折次数を１次としたとき、最大の回折効率を与える格子
厚は、入射角、射出角を考慮しない式、すなわち(４)式
において、θi ，θi'を０とおいた場合の式から１つの
組み合わせとして、第１層の回折格子４の格子厚は９.
１３μm，第２層の回折格子５の格子厚は＋６.４３μｍ
が得られる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６５
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６５】
【表１】
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６８
【補正方法】変更
【補正内容】
【００６８】であり、本発明では、 Φ（λ0）=(n1 cos θ1-n1’cos θ1')d1+(n2 cos θ2-
n2' cos θ2')d2 である。ここで、n1は第１層の回折格子４における入射
側の材質の波長λ0での屈折率、n1'は第１層の回折格子
４における射出側の材質の波長λ0での屈折率、n2は第
２層の回折格子５における入射側の材質の波長λ0での
屈折率、n2'は第２層の回折格子５における射出側の材
質の波長λ0での屈折率、θ1は第１層の回折格子４への
入射角、θ1'は第１層の回折格子４からの射出角、θ2
は第２層の回折格子５への入射角、θ2'は第２層の回折
格子５からの射出角、d1は第１層の回折格子４の格子
厚、d2は第２層の回折格子５の格子厚で、格子の側壁部
分において、０次光に対して+１次光の発現する側に射
出側の材質があるときを正の値とし、入射側の材質があ
る場合を負の値とする。図２において、+１次の回折光
が発現する側に第１層では射出側の材質(ここでは空気)
があるので正の値(９.１３μｍ)となり、第２層では入
射出側の材質(ここでは紫外線硬化樹脂２)があるので正
の値(＋６.４３μｍ)となる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７２
【補正方法】変更
【補正内容】
【００７２】
【表２】

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 複数の材質からなる複数の回折格子を積
    層して、使用波長領域全域で特定次数(設計次数)の回折
    効率を高くした回折光学素子において，前記複数の回折
    格子のうち少なくとも１つの回折格子の格子厚は面内の
    位置により変化していることを特徴とする回折光学素
    子。
  2. 【請求項２】 前記複数の回折格子のうち少なくとも１
    つの回折格子における格子厚は中心領域から周辺領域に
    わたって，次第に薄くなるように変化していく領域を有
    することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  3. 【請求項３】 前記複数の回折格子のうち少なくとも１
    つの回折格子における格子厚は中心領域から周辺領域に
    わたって，次第に厚くなるように変化していく領域を有
    することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
  4. 【請求項４】 前記複数の回折格子は、空気層を介して
    配置されている２つの回折格子を有していることを特徴
    とする請求項１，２又は３に記載の回折光学素子。
  5. 【請求項５】 光線の入射側から数えてα層目からα+L
    層目までのL+１層の回折格子を有し、回折次数をm次、
    特定の光線がα層目の回折格子における中心から数えて
    j番目の回折格子に、入射角θα(j)で入射するとき、各
    回折格子の面内における各回折格子の格子厚が 【数１】 ただし、 ni :i (α≦i≦α+L)層目の回折格子の入射側の材質の
    波長λ0での屈折率 ni' :i 層目の回折格子の射出側の材質の波長λ0での
    屈折率 θi(j) :特定の光線のi層目の回折格子の中心から数え
    てj番目の格子への入射角 θi'(j) :特定の光線のi層目の回折格子の中心から数
    えてj番目の格子からの射出角 di(j) :i層目の回折格子の中心から数えてj番目の格子
    の格子厚 ただし、格子の側壁部分において、０次光に対して+１
    次光の発現する側に射出側の材質があるときを正の値と
    し、入射側の材質がある場合を負の値とする Ｋ :０.９以上，１.１以下の任意の実数 λ0 :設計波長 の式を満たすように変化している領域を有することを特
    徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の回折光学
    素子。
  6. 【請求項６】 前記特定の光線は、その回折格子を通過
    する全光線の略平均値の入射角を持った光線であること
    を特徴とする請求項５に記載の回折光学素子。
  7. 【請求項７】 前記特定の光線は、入射角の絶対値がそ
    の回折格子を通過する光線のうち最大値を有する光線で
    あることを特徴とする請求項５に記載の回折光学素子。
  8. 【請求項８】 前記特定の光線は前記回折光学素子を光
    学系に用いた場合のその回折格子を通過する絞り中心光
    線であることを特徴とする請求項５に記載の回折光学素
    子。
  9. 【請求項９】 前記複数の回折格子のうち少なくとも１
    つの回折格子は、平面あるいは曲面上に形成されている
    ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載の
    回折光学素子。
  10. 【請求項１０】 前記複数の回折格子のうち少なくとも
    １つの回折格子は、平面あるいは曲面上に形成されてお
    り、該回折格子において格子厚及び、該平面または曲面
    から回折格子の谷の部分までの厚さが変化していること
    を特徴とする請求項９に記載の回折光学素子。
  11. 【請求項１１】 前記使用波長は，可視光であることを
    特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の回折
    光学素子。
  12. 【請求項１２】 前記複数の回折格子において、それぞ
    れの回折格子の格子厚が３０μｍ以下で２．０μｍ以上
    であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項
    に記載の回折光学素子。
  13. 【請求項１３】 前記複数の回折格子のうち、少なくと
    も１つはエネルギー硬化材料で成形されていることを特
    徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の回折光
    学素子。
  14. 【請求項１４】 請求項１〜１３のいずれか１項に記載
    の回折光学素子を、１つ以上有してあることを特徴とす
    る光学系。
  15. 【請求項１５】 前記光学系は、結像光学系であること
    を特徴とする請求項１４に記載の光学系。
  16. 【請求項１６】 前記光学系は、観察光学系であること
    を特徴とする請求項１４に記載の光学系
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