JP2001324674A

JP2001324674A - 光学系及び光学機器

Info

Publication number: JP2001324674A
Application number: JP2001060351A
Authority: JP
Inventors: Hideki Ogawa; 秀樹小川
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-03-08
Filing date: 2001-03-05
Publication date: 2001-11-22
Anticipated expiration: 2021-03-05
Also published as: JP3467018B2

Abstract

(57)【要約】【課題】画面全体にわたり常に良好な回折効率が得ら
れる光学系を得ること。【解決手段】光軸に対して回転対称の回折格子を、曲
率を有するレンズ面に設けた光学系において、該回折格
子を設けたレンズ面の曲率の符号は、該光学系の最も物
体側の面から、該回折格子が設けられたレンズ面の直前
の面までの合成系の設計波長における焦点距離の符号と
同符号であり、かつ、軸外光束の中心光線が該回折格子
を設けるレンズ面に入射する位置の光軸からの距離の符
号と異符号であること。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、回折光学素子を有
する光学系に関し、とくに回折光学素子と屈折光学素子
を組み合わせて色消しを良好に行ったフィルム用カメ
ラ、ビデオカメラ、デジタルカメラ、望遠鏡、プロジェ
クター等の光学機器に好適な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２つの材質の硝材（レン
ズ）を組み合わせる方法がある。

【０００３】この従来の硝材の組み合わせにより色収差
を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の一
部に回折作用を有する回折格子等の回折光学素子を設け
ることで、色収差を減じる方法がSPIE Vol. 1354 Inter
national LensD esignConference(1990)等の文献や特開
平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号
公報、ＵＳＰ５０４４７０６等により開示されている。

【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の出方が逆方向
に発現するという物理現象を利用したものである。さら
に、このような回折光学素子は、その周期的構造の周期
を変化させることで非球面レンズ的な効果をも持たせる
ことができ収差の低減に大きな効果がある。

【０００５】ここで、屈折においては、１本の光線は屈
折後も１本の光線であるのに対し、回折においては、各
次数に光が分かれてしまう。そこで、光学系に回折格子
を用いる場合には、使用波長領域の光束が１つの特定次
数（以後設計次数とも言う）に集中するように格子構造
を決定し、かつ画面全体にわたり、良好なる回折効率が
得られるようにする必要がある。

【０００６】回折格子として、ブレーズ形状の回折格子
を用い、観察画面全体の回折効率の均一性を狙った光学
系が、特開平１０−２６８１１５号公報で提案されてい
る。

【０００７】特開平１０−２６８１１５号公報では、光
軸を中心とした中心領域の格子（格子部）の深さより
も、周辺領域の格子の高さを低くしたブレーズ形状の回
折格子を用い、中心領域と周辺領域で回折効率がほぼ同
じとなるように構成したケプラー型ファインダー光学系
と、光軸を中心とした中心領域の非有効面（回折格子の
うちの回折作用をしない面で回折格子の側面に相当）を
ほぼ円柱面の一部とし、周辺領域の非有効面を円錐面の
一部としたブレーズ形状の回折格子を用い、周辺領域で
の非有効面での光線のケラレを防止したケプラー型ファ
インダー光学系を開示している。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】特開平１０−２６８１
１５号公報で提案されているケプラー型ファインダー光
学系では、軸上光束と最軸外光束が絞りから比較的離れ
た位置に設けた回折光学面上を通過する位置で各々の光
束が分離しており、該公報の構成では、この様な光線の
通過状態でないと光線のケラレを含む回折効率の均一性
の効果が得られないという性質がある。

【０００９】つまり、本発明の光学系として想定してい
る撮影光学系では、後述の実施形態で説明する図１，図
２及び図３からも分るように、光学系の内部において軸
上光束と軸外光束が完全に分離していない為、絞りから
離れたレンズ面であっても、軸上光束と軸外光束の通過
領域は重なる傾向にある。

【００１０】従って、該公報の構成をそのまま撮影レン
ズに適用しても、軸上と軸外の双方で、同時に良好な回
折効率を得ることは困難である。

【００１１】特に、比較的大口径の撮影レンズでは、軸
上光束と軸外光束の回折格子を設けたレンズ面での入射
光束のそれぞれの領域は大きく重なることになるため、
このままの構成では更に不利となる。

【００１２】本発明の目的は、回折光学素子と屈折光学
素子を組み合わせて色消しを行うとき、画面の各位置に
到達する各光束が回折光学面上で互いに大きく重なりあ
っていても、画面全体にわたり良好な回折効率が得ら
れ、高い光学性能を有した光学系の提供を目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明の光学系
は、光軸に対して回転対称の回折格子を、曲率を有する
レンズ面に設けた光学系において、該回折格子を設けた
レンズ面の曲率の符号は、該光学系の最も物体側の面か
ら、該回折格子が設けられたレンズ面の直前の面までの
合成系の設計波長における焦点距離の符号と同符号であ
り、かつ、軸外光束の中心光線が該回折格子を設けるレ
ンズ面に入射する位置の光軸からの距離の符号と異符号
であることを特徴としている。

【００１４】請求項２の発明は請求項１の発明におい
て、前記回折格子の非有効面のうち少なくとも一部を延
長したときに形成される仮想の円錐の頂点が該回折格子
を設けたレンズ面の曲率中心の近傍に位置することを特
徴としている。

【００１５】請求項３の発明の光学系は、光軸に対して
回転対称な同心円状の回折格子を、曲率を有するレンズ
面に設けた回折光学面を有する光学系において、該回折
格子の非有効面の少なくとも一部を延長したときに形成
される仮想の円錐の頂点が該回折格子が設けられたレン
ズ面の曲率中心の近傍に位置することを特徴としてい
る。

【００１６】請求項４の発明は請求項２又は３の発明に
おいて、前記仮想の円錐の頂点から前記回折格子が設け
られたレンズ面の曲率中心までの距離をＤＬ、前記回折
格子が設けられたレンズ面の曲率半径をＲとするとき｜ＤＬ／Ｒ｜＜０．３なる条件を満足することを特徴としている。

【００１７】請求項５の発明は請求項１，２、３又は４
の発明において、前記回折格子が設けられたレンズ面の
曲率中心から、前記光学系の最も物体側の面から前記回
折格子が設けられたレンズ面の直前の面までの合成系の
設計波長における焦点までの距離をＤ、前記回折格子が
設けられたレンズ面の曲率半径をＲとするとき、｜Ｄ／Ｒ｜＜５なる条件を満足することを特徴としている。

【００１８】請求項６の発明は請求項１から５のいずれ
か１項の発明において、前記回折格子が設けられたレン
ズ面の屈折力をＰとすると共に、光軸に対する垂直方向
の高さをＹ，設計波長をλ、位相係数をＣ_i（ｉ＝１，
２，３…）を用いて、前記回折格子の位相形状が、 φ（Ｙ）＝（２π／λ₀）（Ｃ₁Ｙ²＋Ｃ₂Ｙ⁴＋Ｃ₃Ｙ⁶＋
…）で表されるとき、Ｃ₁・Ｐ＜０なる条件を満足することを特徴としている。

【００１９】請求項７の発明は請求項１から６のいずれ
か１項の発明において、前記回折格子は積層型回折格子
であることを特徴としている。

【００２０】請求項８の発明は請求項７の発明におい
て、前記積層型回折格子は、空気層を隔てて２つの回折
格子が隣接配置された隣接積層型回折格子であることを
特徴としている。

【００２１】請求項９の発明は請求項８の発明におい
て、前記隣接積層型回折格子は、略同じ曲率を有する隣
接する２つのレンズ面の間に設けられ、物体側より順
に、第１層、第２層、第３層の３層構造から成り、第２
層が空気層であることを特徴としている。

【００２２】請求項１０の発明は請求項８の発明におい
て、前記隣接積層型回折格子の２つの回折格子の各々
は、紫外線硬化性の樹脂であることを特徴としている。

【００２３】請求項１１の発明は請求項１から７のいず
れか１項の発明において、複数の前記回折光学面を有す
ることを特徴としている。

【００２４】請求項１２の発明は請求項１から６のいず
れか１項の発明において、前記回折格子はブレーズ型の
回折格子であることを特徴としている。

【００２５】請求項１３の発明の光学機器は、請求項１
から１２のいずれか１項の光学系を有していることを特
徴としている。

【００２６】

【発明の実施の形態】図１、図２及び図３は、それぞれ
本発明の実施形態１，２，３の光学系ＯＬの要部断面図
である。図１は望遠タイプ、図２はガウスタイプ、図３
は逆望遠タイプの撮影光学系ＯＬに本発明を適用した例
である。図中、ＤＯがレンズ面に回折格子を設けた回折
光学面であり、回折格子は、いずれも光軸に対して回転
対称な同心円状であって格子断面形状はブレーズ型であ
る。ＳＰは光学系の明るさを定める開口絞り、ＩＰは像
面である。

【００２７】なお、レンズ面の曲率の符号は、レンズ面
に対し曲率中心が光射出側（像側）にある場合を正と
し、光入射側（物体側）にある場合を負としている。し
たがって、物体側に凸（像側に凹）のレンズ面が正符
号、物体側に凹（像側に凸）のレンズ面が負符号とな
る。一方、軸外光束の中心光線が回折格子が設けられた
レンズ面に入射する位置の光軸からの距離の符号は、光
軸を基準に光線の入射位置が入射方向と逆方向側にある
場合を正とし、入射方向と同方向側にある場合を負とし
ている。したがって、光線が光軸と交差する前であれば
負符号、光軸と交差した後であれば正符号となる。

【００２８】図４、図５は本発明に係る回折光学面の説
明図であり、レンズ１の一方のレンズ面１ａにブレーズ
型の回折格子２を設けた状態を示している。図中、４は
回折格子のうちの所望の回折作用をする有効面、３はブ
レーズド型の回折格子２をレンズ面１ａに形成するとき
の回折作用にかかわりのない側面（以下「非有効面」と
いう。）である。

【００２９】これらの非有効面３は、その少なくとも一
部を延長したときに光軸５と一点で交わり、この交点を
頂点とした円錐面の一部である。図４ではこの仮想の円
錐の頂点をＤＯＰ、レンズ面１ａの曲率中心をＲＣとし
て示している。

【００３０】本実施形態では頂点ＤＯＰが曲率中心ＲＣ
の近傍に位置するようにしている。ここで近傍とは該円
錐の頂点ＤＯＰから、回折格子が設けられたベースのレ
ンズ面１ａの曲率中心ＲＣまでの距離をＤＬ、該レンズ
面１ａの曲率半径をＲとしたとき、｜ＤＬ／Ｒ｜＜０．３を満足することを意味している。

【００３１】本実施形態では、回折格子が設けられるベ
ースのレンズ面への物点からの各軸上光線（軸上光束）
の入射方向が、それらの光線が回折格子が設けられるレ
ンズ面と交わる交点での各法線の方向とほぼ同方向とな
るようにして、例えば回折格子の各輪帯の高さを、光軸
と一致した光線の回折効率が１００％となるような高さ
（光学光路長が設計波長の整数倍となる高さ）として、
回折格子が設けられるレンズ面の法線方向に均一に設定
している。これにより、軸上光束の回折効率を、ほぼ１
００％とすることができるようにしている。

【００３２】その結果、軸上光束全体のケラレをなく
し、回折効率として高い効率を得ている。

【００３３】まず、回折光学面で回折される光束のうち
の軸上光束の回折効率について説明する。

【００３４】各実施形態とも、回折格子が設けられたレ
ンズ面の曲率Ｒａ（１／Ｒ）の符号（像面側（光射出
側）に凹面を向けた面は正、逆は負の符号である）は、
光学系の最も物体側（光入射側）の面から、回折格子が
設けられたレンズ面の直前の面までの合成系の設計波長
における焦点距離ｆａの符号と同符号となるようにして
ある。図１の実施形態１はＲａ，ｆａが共に正、図２、
図３の実施形態２，３はＲａとｆａが共に負の符号とな
っている。

【００３５】この時、画面中心へ到達する軸上光束を構
成する各光線が、回折格子を設けたレンズ面に入射する
ときの入射方向は、それらの光線が回折格子を設けたレ
ンズ面と交わる交点での各法線の方向とほぼ同方向とな
る。この状態で回折格子の非有効面が一部を形成する円
錐の頂点ＤＯＰが回折格子が設けられるレンズ面の曲率
中心（各法線が集まる位置）ＲＣの近傍に位置するよう
に設定している。これにより、各軸上光線の回折格子の
非有効面でのケラレを少なくして、ケラレによる回折効
率の低下を防止している。

【００３６】次に、回折光学面で回折される光束のうち
の軸外光束の回折効率について説明する。

【００３７】各実施形態とも、軸外光束の中心光線が回
折格子を設けたレンズ面に入射する位置の光軸からの距
離Ｈａの符号（光軸を基準に入射位置が入射方向と逆方
向を正、入射方向と同方向を負の符号とする）は、回折
格子を設けたレンズ面の曲率Ｒａの符号と異符号となる
ようにしている。

【００３８】図１の実施形態１では軸外光束の中心光線
ＬＰａが回折格子を設けたレンズ面ＤＯに入射してお
り、このとき光軸Ｌａを基準に入射位置ＤＯａが中心光
線ＬＰａの入射方向と同方向である為、距離Ｈａ＜０で
ある。又、レンズ面ＤＯの曲率ＲａはＲａ＞０である。

【００３９】図２、図３の実施形態２，３では、軸外光
束の中心光線ＬＰａが回折格子を設けたレンズ面ＤＯへ
の入射位置ＤＯａが光軸Ｌａを基準にして中心光線ＬＰ
ａの入射方向と逆方向である為、距離Ｈａ＞０である。
又、レンズ面ＤＯの曲率ＲａはＲａ＜０である。

【００４０】この時、画面周辺へ到達する各軸外光束を
構成する各光線の、回折格子を設けたレンズ面への入射
方向は、軸上光束の場合と同様に、それらの光線が回折
格子を設けたレンズ面と交わる交点での各法線の方向と
ほぼ同方向となる。

【００４１】したがって、軸上光束の場合と同様に回折
格子の非有効面３が一部を形成する円錐の頂点ＤＯＰが
該回折格子が設けられたレンズ面の曲率中心位置（各法
線が集まる位置）ＲＣの近傍になるように設定すること
により、画面周辺付近へ到達する各軸外光束の各光線の
回折格子の非有効面でのケラレを少なくして、回折効率
の低下を防止できる。

【００４２】また、画面周辺へ到達する各軸外光束を構
成する各光線の、回折格子を設けたレンズ面への入射方
向が、それらの光線が回折格子を設けるレンズ面と交わ
る交点での各法線の方向とほぼ同方向であるので、先に
軸上光束で決めた回折格子の高さのままでも、高い回折
効率が得られるようにしている。

【００４３】本発明では以上のように構成することによ
り、画面全体にわたりケラレを少なくし、高い回折効率
が得られ、特に高輝度被写体撮影時の各色光の不要回折
光によって生ずる色フレアの影響を緩和している。

【００４４】本発明では以上のように各要素を特定する
ことにより、画面全体にわたり良好なる光学性能を有し
た光学系を達成しているが、更に好ましくは次の構成の
うちの少なくとも１つを満足させるのが良い。

【００４５】これによれば、比較的、画質の重要度の大
きい画面中心付近に到達する光束の回折格子の非有効面
でのケラレを更に少なくすることができ、画面中心付近
に到達する光束の回折効率を更に良好にすることができ
る。

【００４６】（ア−１）下記の条件式を満足することで
ある。

【００４７】｜Ｄ／Ｒ｜＜５・・・但し、Ｄ：回折格子が設けられたレンズ面の曲率中心位
置から、光学系全体の中で最も物体側の面から該回折格
子が設けられたレンズ面の直前の面までの合成系の設計
波長における焦点位置までの距離Ｒ：前記回折格子が設けられたレンズ面の曲率半径条件式を外れると、特に、画面中心付近の回折効率が
悪化するので良くない。本発明において更に望ましく
は、条件式の数値範囲を次の如くするのが良く、これ
により回折効率を更に良好とすることができる。即ち、｜Ｄ／Ｒ｜＜３・・・' である。

【００４８】（ア−２）下記の条件式を満足することで
ある。

【００４９】Ｃ₁・Ｐ＜０・・・但し、Ｐは前記回折格子が設けられたレンズ面の屈折
力、Ｃ₁は回折面の位相形状を次の式で与えたときの、
２次の項の位相係数である。

【００５０】 φ（Ｙ）＝（２π／λ₀）（Ｃ₁Ｙ²＋Ｃ₂Ｙ⁴＋Ｃ₃Ｙ⁶…）・・・（ａ）ここに、Ｙ：光軸に対して垂直方向の高さ λ₀：設計波長Ｃ_i：位相係数（ｉ＝１，２，３…）である。

【００５１】条件式は主に本発明に係る回折格子を高
精度に製作する為のものである。

【００５２】以下、条件式の技術的意味について説明
する。

【００５３】任意の波長λ、任意の回折次数ｍに対する
回折面の光学パワー（屈折力に相当、焦点距離の逆数で
表される）φ_D（λ，ｍ）は、前記（ａ）式の位相係数
Ｃ₁を用いて次のように表すことができる。

【００５４】 φ_D（λ，ｍ）＝−２Ｃ₁ｍλ／ｍ₀λ₀ ・・・（ｂ）設計波長、設計次数における回折面の光学パワーは、 φ_D（λ₀，ｍ₀）＝−２Ｃ₁ ・・・（ｃ）となる。

【００５５】つまり条件式は、設計波長、設計次数に
おける回折格子の光学パワーφ_D（λ₀，ｍ₀）を、回折
格子を設けるレンズ面の屈折力と同じ符号を持つように
設けることを意味している。

【００５６】更にこのことが、本発明において果たす意
味を、Ｃ₁の符号の異なる２つのブレーズ形状の図４，
図５を用いて説明する。

【００５７】図４及び図５は、式の位相形状を、位相
係数Ｃ₁の符号の異なるブレーズ形状に変換した回折格
子の概略断面図を示している。回折格子２が設けられた
レンズ面１ａの屈折力Ｐの符号は、それぞれ式を満足
するような曲率符号を選択している。図４がＣ₁＜０
（回折格子の光学パワーが正の値）かつＰ＞０の場合で
あり、図５がＣ₁＞０（回折格子の光学パワーが負の
値）かつＰ＜０の場合である。前述したように図中、１
は回折格子を設けるレンズ、２は回折格子、３は回折格
子の非有効面を示し、非有効面３によって形成される仮
想の円錐の頂点ＤＯＰが回折格子２を設けるそれぞれの
レンズ面１ａの曲率中心位置ＲＣの近傍にある円錐面と
してある。

【００５８】この様なブレーズ形状の回折格子の製造方
法として、例えば、ガラスを高温で融解しながら金型等
でプレス成形を行う方法、あるいは、ガラス基板等の表
面に紫外線硬化性のプラスチック樹脂等を型でプレス成
形し、紫外線を照射して硬化させる方法、あるいは、プ
ラスチック樹脂そのものでレンズと共に型で成形する方
法等が適用可能である。ガラスを直接切削して回折格子
を成形する方法、あるいは、ＳｉＯ₂等をウェットエッ
チングないしドライエッチングにより細かい階段状の回
折格子を成形する方法も適用可能である。

【００５９】図４，図５からも明らかな様に、回折格子
２の非有効面３は円錐面の一部であるので、仮に回折格
子を設けるレンズ面の屈折力Ｐと回折格子の光学パワー
φ_Dをそれぞれ逆符号とし、Ｃ₁・Ｐ＞０とするのはあま
り良くない。例えば、型加工においては型の加工がしず
らく、型の転写時には融解ガラスあるいは樹脂が格子の
深さ方向に回り込み難く、転写性が悪化する場合があ
る。更に離型時には、特にガラスを融解して成形を行う
方法及びプラスチック樹脂でレンズと共に型で成形する
方法等では、最悪のとき型が離型できず、格子部の先端
部を破損し、回折効率の悪化を招く場合がある。紫外線
硬化性のプラスチック樹脂をガラス基板等へ転写する方
法では、樹脂の粘度が比較的小さいことから何とか離型
できるかもしれないが、格子部の先端部付近が離型時の
応力により変形し、やはり回折効率が悪化する場合があ
る。

【００６０】つまり、Ｃ₁・Ｐ₁＞０のときは、型を用い
た成形方法の内、いずれの成形方法であっても型の転写
性、離型性等が良くなく、所望の回折効率を得るのが難
しくなってくるので、なるべくなら条件式を満足する
ことが良い。尚、後述する数値例１ではＣ₁・Ｐ＞０、
数値例２，３ではＣ₁・Ｐ＜０となっている。

【００６１】（ア−３）前記回折格子は、積層型回折格
子であることである。

【００６２】（ア−４）前記積層型回折格子は、少なく
とも１つの薄い空気層を有し、該空気層を隔てて回折格
子が隣接配置された隣接積層型回折格子であることであ
る。

【００６３】（ア−５）前記隣接積層型回折格子は、略
同じ曲率を有する隣接する２つのレンズ面の間に設けら
れ、物体側より順に、第１層、第２層、第３層の３層構
造から成り、第２層が薄い空気層であることである。

【００６４】（ア−６）前記隣接積層型回折格子の第１
層目と第２層目は、紫外線硬化性の樹脂で成形されてい
ることである。

【００６５】構成（ア−３）〜（ア−６）は、使用波長
域全体で回折効率を高める為の格子構造を特定したもの
である。次にこれらの構成について説明する。

【００６６】回折効率の絶対値を、使用する波長域全体
で高める方法として、複数のブレーズ型の回折格子を互
いに密着、あるいは隣接させて配置し、それぞれの格子
材料の屈折率、アッベ数、そして格子の深さ等を適切に
設定した積層型の回折格子が知られている。

【００６７】図７は図６に示す単層のブレーズ型回折格
子に光束を垂直に入射させたときの１次回折光の回折効
率の波長依存特性を示している。実際の回折格子の構成
は、図６に示すように基材１１の表面に紫外線硬化樹脂
を塗布し、樹脂部に波長５３０ｎｍで１次回折光の回折
効率が１００％となるような格子厚ｄの格子１２を形成
している。図７で明らかなように設計次数での回折効率
は最適化した波長５３０ｎｍから離れるに従って低下
し、逆に設計次数近傍の次数０次、２次回折光が増大し
ている。この設計次数以外の回折光の増加はフレアとな
り、光学系の解像度の低下につながる。

【００６８】一方、図９は図８に示す密着積層型の回折
格子に光束を垂直に入射させたときの１次回折光の回折
効率の波長依存特性を示している。具体的な構成として
は、図８に示すように、基材１１上に紫外線硬化樹脂
（ｎｄ=1.499、νｄ=54)からなる第１の回折格子１３を
形成し、その上に別の紫外線硬化樹脂（ｎｄ=1.598、ν
ｄ=28)からなる第２の回折格子１４を形成している。こ
の材質の組み合わせでは、第１の回折格子部１３の格子
厚ｄ１はｄ１=13.8μｍ、第２の回折格子部１４の格子
厚ｄ２はｄ=10.5μｍとしている。図９からわかるよう
に積層構造の回折格子にすることで、設計次数の回折効
率は、使用波長域全域で９５％以上の高い回折効率を有
している。

【００６９】このように、本発明の実施形態の回折格子
として積層構造の回折格子を用いることで、光学性能は
さらに改善され、同時に、前述のごとく構成することに
より、画面全体で、波長依存特性が良好な回折効率が得
られる。この為、積層型とすることが望ましい。

【００７０】次に、積層型回折格子の内、格子部が互い
に密着した密着積層タイプと、薄い空気層を隔てて隣接
配置した隣接積層タイプ回折格子において回折格子の非
有効面が回折効率に及ぼす影響について説明する。

【００７１】この２つのタイプの回折格子をほぼ同材料
で構成した場合、必要な回折光を得る為の格子部の深さ
は、格子部の入射側と射出側の屈折率の差の絶対値に反
比例することから、空気層を持った隣接積層タイプの方
が、密着積層タイプよりも格子部全体の深さの合計を小
さくすることが出来る。

【００７２】その結果、隣接積層タイプの方が、密着積
層タイプよりも非有効面での光線ケラレが少なくなり、
回折効率の向上の上で有利となる。

【００７３】従って、薄い空気層を隔てた隣接積層型の
回折格子とするのが良い。

【００７４】この時、光学系を構成する１つのレンズを
レンズ面が略同じ曲率を有するように２つに分割し、隣
接積層型回折格子を分割されたレンズ面の間に設け、物
体側より順に、第１層、第２層、第３層の３層構造と
し、第２層目を薄い空気層とすれば比較的簡単な構成の
まま光学系全体の諸収差に影響を与えることなく、更に
良好な回折効率を得ることが出来る。

【００７５】レンズ面がほぼ同曲率となるように１つの
レンズを２つに分割した場合、分割されたレンズ面の曲
率は、ほぼ同曲率のままで如何なる値に設定しても、諸
収差には寄与しにくい。このため、画面中心付近と周辺
付近の回折効率の最適化に特定化した曲率を任意に設定
することができる。従って、このような隣接積層型の回
折格子とするのが良い。

【００７６】この時、分割されたレンズの硝材は、同じ
である必要はなく、必要に応じて変えてもよい。更に、
この格子部を設ける２つのレンズ面が、回折格子を導入
する以前に光学系が色収差補正、球面収差補正、あるい
はコマ収差補正等、収差補正構造上の理由から元々存在
し、曲率の条件等が本発明の構成を満足する接合面であ
れば、新たにレンズを分割する必要はなく、そこに回折
格子を設ければ良い。

【００７７】図１０は実施形態１の光学系に適用した隣
接積層型回折格子の一部分の拡大概略図である。図中、
２１、２２は、それぞれほぼ同曲率で分割されたレンズ
であり、２３、２４は、それぞれ第１層（ｎｄ＝１．６
６８５，νｄ＝１９．７）、第３層（ｎｄ＝１．５２４
０，νｄ＝５０．８）回折格子、２５は、空気層である
第２層、Ｏは光学系の光軸である。また、Ｐ、Ｑは回折
格子２３へ入射する光線、Ｖは光線Ｐ（Ｑ）と回折面を
設けたレンズ面２１ａの交点における法線、θは光線Ｐ
（Ｑ）とレンズ面２１ａの法線Ｖが成す角であり、図１
０では時計回りを正の角度としてある。更に、ｄ１、ｄ
２は第１層、第３層の格子厚であり、ｄ１＝５μｍ，ｄ
２＝７．５μｍに設定してある。Ｐｉは第１層（第１層
と第３層の第ｉ輪帯目における格子ピッチは等しく設定
してある）の第ｉ輪帯目の格子ピッチであり、最小ピッ
チは最周辺部の第１５５輪帯目で、１５６μｍである。

【００７８】尚、隣接積層型回折格子の形状としては本
出願人が先の特願平１１−２１３３７４号で提案したも
のが適用可能である。

【００７９】図１１は実施形態１の光学系の軸上光束及
び最軸外光束のメリジオナル光線の内、光束中心光線と
マージナル光線（上線、下線）のθの値である。又、図
１２は図１０に示す隣接積層型回折格子のθ＝０°、±
１０°入射光に対する回折格子の非有効面でのケラレを
含めた１次回折光の回折効率の、波長４５０ｎｍ、５５
０ｎｍ、６５０ｎｍにおける格子ピッチの依存特性であ
る。

【００８０】一般的に、格子ピッチが小さいほど、光線
入射角度の変化に対して、格子部を通過する光線の換算
光路長が大きく変化するため、回折効率の劣化が激しく
なる。図１２に示す実施形態１の光学系に適用した隣接
積層型回折格子の回折効率は、波長依存特性を含めて、
良好な回折効率を有していることが分る。

【００８１】そして図１１に示す様に、実施形態１の光
学系の光線入射角度θは、最大画角（半画角３．１６
°）のマージナル光線（下線）で最も絶対値が大きく、
θ＝＋２．５°となる。また、このマージナル光線通過
位置は格子部の最周辺部であり、前述した様に格子部の
ピッチはこの位置で最小値Ｐｉ＝１５６μｍ（ｉ＝１５
５）となる。この位置を通過する光線の回折効率が最も
低くなるが、図１２からθ＝０°入射と同等の高い効率
を維持できていることが分る。

【００８２】次に、積層型回折格子の成形方法と収差補
正と回折効率の設計自由度について説明する。

【００８３】レンズ等の屈折部材を有する光学系へ回折
格子を導入する１つの目的として、屈折光学系で発生す
る色収差を回折格子で打ち消すことがある。

【００８４】従って、回折格子をレンズ面に設ける場合
は、回折格子との色収差分担において、回折格子を設け
るレンズは屈折光学系として必要な色収差分担を担って
いるため、回折格子を設けるレンズの材質を任意に選ぶ
ことが困難である。

【００８５】つまり、ガラスを高温で融解しながら金型
等でレンズと共にプレス成形を行う方法、あるいは、プ
ラスチック樹脂でレンズと共に型で成形する方法等で
は、レンズと回折格子が同材料となり、回折格子の材料
の選択の自由度が奪われるため、色収差と積層型格子に
おける回折効率の波長依存性の向上の両立が難しくなっ
てくる。

【００８６】従って、レンズと回折格子の材質を独立に
選択可能とする、例えば、紫外線硬化性のプラスチック
樹脂等を用いた成形方法とすれば、色収差と回折効率が
共に良好な光学系が得られることになり、この様な成形
方法とするのが良い。

【００８７】尚、本発明の光学系は、フィルム用カメ
ラ、ビデオカメラ、デジタルカメラ等の撮像装置、望遠
鏡や双眼鏡等の観察装置、半導体素子製造用のステッパ
ー、そして各種の光学測定器等に広く適用することがで
きる。

【００８８】ここでは実施形態１〜３に示した光学系を
光学機器に適用した１つの実施例を図１３を用いて説明
する。

【００８９】図１３は一眼レフカメラの要部概略図であ
る。図１３において、１０は実施形態１〜３のいずれか
の光学系１を有する撮影レンズである。光学系１は保持
部材である鏡筒２に保持されている。２０はカメラ本体
であり、撮影レンズ１０からの光束を上方に反射するク
イックリターンミラー３、撮影レンズ１０の像形成位置
に配置された焦点板４、焦点板４に形成された逆像を正
立像に変換するペンタダハプリズム５、その正立像を観
察するための接眼レンズ６等によって構成されている。
７はフィルム面である。撮影時にはクイックリターンミ
ラー３が光路から退避すると共に不図示のシャッターが
開かれ、フィルム面７上に撮影レンズ１０によって像が
形成される。

【００９０】実施形態１〜３にて説明した利益は、本実
施形態に開示したような光学機器において効果的に享受
される。

【００９１】次に本発明の実施形態１〜３の光学系の数
値実施例を示す。

【００９２】各数値実施例においてｆは焦点距離、ｆｎ
ｏはｆナンバー、ｒｉは物体側より順に第ｉ番目の面の
曲率半径、ｄｉは物体側より順に第ｉ番目の面と第（ｉ
＋１）番目の面の間隔、ｎｉとνｉは各々物体側より順
に第ｉ番目の光学部材の屈折率とアッベ数である。

【００９３】又、非球面形状は光軸方向をＸ軸、光軸と
垂直な方向の高さをＨ、レンズの交点とＸ軸の交点を原
点にとり、ｒをレンズ面の近軸曲率半径、Ａ，Ｂ，Ｃ，
Ｄ，Ｅを各々非球面係数としたとき、

【００９４】

【数１】

【００９５】なる式で表わしている。

【００９６】又、回折格子の形状の各係数Ｃ₁，Ｃ₂...
は前述の式（ａ）に基づいて示している。又、「Ｄ−０
Ｘ」は１０^-Xを意味している。前述の各条件式と数値例
における諸数値との関係を表１に示す。

【００９７】又、前述の各条件式と数値実施例の関係を
表１に示す。

【００９８】

【外１】

【００９９】

【外２】

【０１００】

【外３】

【０１０１】

【表１】

【０１０２】

【発明の効果】本発明によれば以上の各要素を特定する
ことにより、回折光学素子と屈折光学素子を組み合わせ
て色消しを行うとき、画面の各位置に到達する各光束が
回折光学面上で互いに大きく重なりあっていても、画面
全体にわたり良好な回折効率が得られ、高い光学性能を
有し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】本発明の実施形態１の要部断面図

【図２】本発明の実施形態２の要部断面図

【図３】本発明の実施形態３の要部断面図

【図４】回折格子およびレンズ面の屈折力が正の場合
のブレーズ形状概略図

【図５】回折格子およびレンズ面の屈折力が負の場合
のブレーズ形状概略図

【図６】単層回折格子の概略図

【図７】図６の回折格子の回折効率波長依存特性図

【図８】積層回折格子例（密着型）の概略図

【図９】図８の回折格子の回折効率波長依存特性図

【図１０】本発明の実施形態１に適用した、積層回折
格子例（空気層を隔てた隣接型）の概略図

【図１１】本発明の実施形態１の軸上光束及び軸外光
束のメリジオナル光線の内、光束中心光線（主光線）と
マージナル光線（上線、下線）の格子への入射角度
（θ）を表わす説明図

【図１２】本発明の実施形態１の隣接積層型回折格子
のθ＝０°、±１０°入射光に対する非有効面でのケラ
レを含めた１次回折効率の、波長４５０ｎｍ、５５０ｎ
ｍ、６５０ｎｍにおける格子ピッチ依存特性を示す説明
図

【図１３】本発明の光学機器（一眼レフカメラ）の実
施形態の要部概略図

【符号の説明】

ＯＬ光学系ＤＯ回折光学面ＳＰ絞りＬＰ像面１レンズ１ａレンズ面２回折格子３非レンズ面４レンズ面５光軸ＤＯＰ円錐の頂点ＲＣ曲率中心１１基板１２，１３，１４，２３，２４回折格子２１，２２レンズ２５空気層

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 13/18 Ｇ０２Ｂ 13/18 Ｆターム(参考） 2H049 AA04 AA18 AA37 AA39 AA43 AA45 AA53 AA55 AA65 2H087 KA02 KA03 LA02 LA03 LA06 NA14 PA06 PA09 PA12 PA16 PA18 PB07 PB10 PB16 QA02 QA06 QA07 QA12 QA17 QA21 QA22 QA25 QA26 QA32 QA34 QA41 QA45 QA46 RA05 RA13 RA46 UA01

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光軸に対して回転対称の回折格子を、曲率
を有するレンズ面に設けた光学系において、該回折格子
を設けたレンズ面の曲率の符号は、該光学系の最も物体
側の面から、該回折格子が設けられたレンズ面の直前の
面までの合成系の設計波長における焦点距離の符号と同
符号であり、かつ、軸外光束の中心光線が該回折格子を
設けるレンズ面に入射する位置の光軸からの距離の符号
と異符号であることを特徴とする光学系。
【請求項２】前記回折格子の非有効面のうち少なくとも
一部を延長したときに形成される仮想の円錐の頂点が該
回折格子を設けたレンズ面の曲率中心の近傍に位置する
ことを特徴とする請求項１の光学系。
【請求項３】光軸に対して回転対称な同心円状の回折格
子を、曲率を有するレンズ面に設けた回折光学面を有す
る光学系において、該回折格子の非有効面の少なくとも
一部を延長したときに形成される仮想の円錐の頂点が該
回折格子が設けられたレンズ面の曲率中心の近傍に位置
することを特徴とする光学系。
【請求項４】前記仮想の円錐の頂点から前記回折格子が
設けられたレンズ面の曲率中心までの距離をＤＬ、前記
回折格子が設けられたレンズ面の曲率半径をＲとすると
き｜ＤＬ／Ｒ｜＜０．３なる条件を満足することを特徴とする請求項２又は３の
光学系。
【請求項５】前記回折格子が設けられたレンズ面の曲率
中心から、前記光学系の最も物体側の面から前記回折格
子が設けられたレンズ面の直前の面までの合成系の設計
波長における焦点までの距離をＤ、前記回折格子が設け
られたレンズ面の曲率半径をＲとするとき、｜Ｄ／Ｒ｜＜５なる条件を満足することを特徴とする請求項１，２、３
又は４の光学系。
【請求項６】前記回折格子が設けられたレンズ面の屈折
力をＰとすると共に、光軸に対する垂直方向の高さを
Ｙ，設計波長をλ₀、位相係数をＣ_i（ｉ＝１，２，３
…）を用いて、前記回折格子の位相形状が、 φ（Ｙ）＝（２π／λ₀）（Ｃ₁Ｙ²＋Ｃ₂Ｙ⁴＋Ｃ₃Ｙ⁶＋
…）で表されるとき、Ｃ₁・Ｐ＜０なる条件を満足することを特徴とする請求項１から５の
いずれか１項の光学系。
【請求項７】前記回折格子は積層型回折格子であること
を特徴とする請求項１から６のいずれか１項の光学系。
【請求項８】前記積層型回折格子は、空気層を隔てて２
つの回折格子が隣接配置された隣接積層型回折格子であ
ることを特徴とする請求項７の光学系。
【請求項９】前記隣接積層型回折格子は、略同じ曲率を
有する隣接する２つのレンズ面の間に設けられ、物体側
より順に、第１層、第２層、第３層の３層構造から成
り、第２層が空気層であることを特徴とする請求項８の
光学系。
【請求項１０】前記隣接積層型回折格子の２つの回折格
子の各々は、紫外線硬化性の樹脂であることを特徴とす
る請求項８の光学系。
【請求項１１】複数の前記回折光学面を有することを特
徴とする請求項１から７のいずれか１項の光学系。
【請求項１２】前記回折格子はブレーズ型の回折格子で
あることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項の
光学系。
【請求項１３】請求項１から１２のいずれか１項の光学
系を有していることを特徴とする光学機器。