JP7071085B2 - 回折光学素子、光学系、および、撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、光学系に適して用いられる回折光学素子に関する。

特許文献１には、回折格子の壁面部に格子材料とは異なる材料層を設けることにより、設計入射光束とは異なる斜入射光束が入射したときに発生する不要光を低減した回折光学素子が開示されている。また、特許文献２には、回折格子の壁面部に格子材料とは異なる材料層を設けることにより、回折効率を向上させた回折光学素子が開示されている。

特開２０１４－１７０１０９号公報 国際公開第２０１１／０９９５５０号

しかしながら、特許文献１および特許文献２には、回折光学素子の径方向の位置に応じて壁面部の膜の特性を適切に設定することが開示されていない。このため、回折光学素子の光学性能を向上させることができない。

そこで本発明は、径方向の位置に応じて膜の特性を適切に設定することにより光学性能を向上させた回折光学素子、光学系、および、撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の一側面としての回折光学素子は、第１の格子面及び第１の格子壁面の夫々を複数備えた第１の回折格子と、第２の格子面及び第２の格子壁面の夫々を複数備えた第２の回折格子と、を有し、複数の第１の格子壁面の夫々と複数の第２の格子壁面の夫々は、薄膜を介して互いに密着しており、設計波長λｄ（ｎｍ）において、第１及び第２の回折格子のそれぞれの屈折率ｎ１、ｎ２、有効径内の第ｍ輪帯（ｍ＝１、２、…）における薄膜の屈折率及び膜厚（ｎｍ）ｎｈｍ及びｄｍ、該屈折率ｎｈｍの平均値ｎｈａ、有効径内の薄膜と第１の回折格子との位相差Ｐｍ＝（ｎｈｍ－ｎ１）×ｄｍ／λｄ、該Ｐｍの最大値Ｐｍａｘ、位相差Ｐｍのうち最も周辺側の薄膜と第１の回折格子との位相差Ｐｅ、位相差Ｐｍのうち最も周辺側ではない少なくとも一つの輪帯における薄膜と第１の回折格子との間の位相差Ｐｍａは、所定の条件を満足する。第ｍ輪帯における薄膜の屈折率及び膜厚は均一であるとする。

本発明の他の側面としての光学系は、前記回折光学素子と、該回折光学素子の物体側又は像側に配置された光学素子とを有する。

本発明の他の側面としての撮像装置は、前記光学系と、前記光学系により形成された像を受光する撮像素子とを有する。

本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。

本発明によれば、径方向の位置に応じて膜の特性を適切に設定することにより光学性能を向上させた回折光学素子、光学系、および、撮像装置を提供することができる。

実施例１における回折光学素子の正面図および側面図である。 実施例１における回折光学素子の部分断面図である。 実施例１における回折格子へ斜入射光線が入射している状態を示す断面図である。 実施例１における回折格子へ斜入射光線が入射した際の回折効率を示す図である。 比較例としての回折格子へ斜入射光線が入射した際の回折効率を示す図である。 実施例１における回折格子の壁面誘電体膜の特性を示す図である。 実施例２における回折光学素子の正面図および側面図である。 実施例２における回折光学素子の部分断面図である。 実施例２における回折格子の壁面誘電体膜の特性を示す図である。 実施例３における回折格子の壁面誘電体膜の特性を示す図である。 実施例４における回折光学素子の部分断面図である。 実施例５における光学系の光路図である。 実施例６における光学系の光路図である。 実施例７における観察光学系の構成図である。 実施例８における撮像装置の概略図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。

まず、図１および図２を参照して、本発明の実施例１における回折光学素子の構成について説明する。図１（ａ）は、本実施例の回折光学素子１の正面図、図１（ｂ）は回折光学素子１の側面図である。図２は、回折光学素子１を図１（ａ）中のＡ－Ａ’線で切断したときの断面形状の一部を拡大した部分拡大図である。ただし、図２は格子深さ方向にデフォルメされた図として示されている。

図１および図２に示されるように、回折光学素子１は、第１の素子部２と第２の素子部３とを備えて構成される。また、第１の回折格子８と第２の回折格子９は、誘電体薄膜１０を挟んで密着して積層されている。図２に示されるように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と第１の格子ベース部６と第１の回折格子８とを備えて構成される。第１の回折格子８は第１の格子ベース部６と一体的に形成されており、第１の格子ベース部６と第１の回折格子８は第１の格子形成層を構成する。第２の素子部３は、第２の透明基板５と第２の格子ベース部７と第２の回折格子９とを備えて構成される。第２の回折格子９は第２の格子ベース部７と一体的に形成されており、第２の格子ベース部７と第２の回折格子９は第２の格子形成層を構成する。第１の回折格子８と第２の回折格子９は、第１の回折格子８の格子斜面（第１の格子面）８ａと第２の回折格子９の格子斜面（第２の格子面）９ａとを互いに密着して積層されている。第１の回折格子８の格子壁面（第１の格子壁面）８ｂと第２の回折格子９の格子壁面（第２の格子壁面）９ｂとの間には、誘電体薄膜（薄膜）１０が設けられている。誘電体薄膜１０は、格子壁面８ｂおよび格子壁面９ｂの両方と接している。

第１の素子部２および第２の素子部３の全体で、１つの回折光学素子１として作用する。第１の回折格子８および第２の回折格子９は、光軸Ｏを中心とした同心円状の格子形状を有し、径方向における格子ピッチが変化することによりレンズ作用を有する。本実施例において、回折光学素子１に入射させる光の波長領域、すなわち使用波長領域は可視領域であり、第１の回折格子８および第２の回折格子９を構成する材料および格子厚さは、可視領域全体で１次の回折光の回折効率が高くなるように選択される。

次に、回折光学素子１の具体的な構成について説明する。図２に示される回折光学素子１において、第１の回折格子８を形成する第１の材料として、アクリル系樹脂にＺｒＯ_２微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．６１９、Ｎ５５＝１．６２１６、νｄ＝４４．３、θｇＦ＝０．５６９）が用いられる。一方、第２の回折格子９を形成する第２の材料として、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．５６５、Ｎ５５＝１．５７１８、νｄ＝１９．２、θｇＦ＝０．４２５）が用いられる。

格子壁面部の誘電体薄膜１０としては、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の混合材料の薄膜が用いられており、格子壁面上の膜厚（誘電体薄膜１０の膜厚）は、回折光学素子１の径方向における位置に応じて変化する。また、回折光学素子１の径方向における位置に応じて屈折率が変化する。なお各実施例において、アッベ数νｄおよび部分分散比θｇＦのそれぞれの定義は、一般に用いられる定義と同じである。すなわち、フラウンホーファー線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線に対する屈折率をそれぞれＮｇ、ＮＦ、Ｎｄ、ＮＣとするとき、アッベ数νｄおよび部分分散比θｇＦはそれぞれ以下の式（ａ）、（ｂ）で表される。

νｄ＝（Ｎｄ－１）／（ＮＦ－ＮＣ） … （ａ）
θｇＦ＝（Ｎｇ－ＮＦ）／（ＮＦ－ＮＣ） … （ｂ）
Ｎ５５は波長５５０ｎｍにおける屈折率である。第１の格子ベース部６の厚さは４０μｍ、第２の格子ベース部７の厚さは２μｍ、回折ピッチＰは１００～３０００μｍ、格子高さｄ１は１０．９６～１１．００μｍである。

次に、本実施例の回折光学素子１の位相差と回折効率との関係について説明する。本実施例の回折光学素子１において、波長λの場合に回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、光路長差Φ（λ）が以下の条件式（ｃ）を満足することである。

Φ（λ）＝－（ｎ０２－ｎ０１）×ｄ１＝ｍλ … （ｃ）
条件式（ｃ）において、ｎ０１は第１の回折格子８を形成する材料の波長λの光に対する屈折率、ｎ０２は第２の回折格子９を形成する材料の波長λの光に対する屈折率である。ｄ１は第１の回折格子８および第２の回折格子９のそれぞれの格子厚さである。

図２中の０次回折光から下向きに回折する光の回折次数を負の回折次数、０次回折光から上向きに回折する光の回折次数を正の回折次数とする。このとき、図２に示されるような入射側の第１の回折格子８の格子厚さが図２中の下から上に増加する格子形状を有する回折格子の場合、条件式（ｃ）における格子厚ｄ１の符号は、正となる。また、任意の波長λでの回折効率η（λ）は、以下の式（ｄ）で表すことができる。

η（λ）＝ｓｉｎｃ^２〔π｛ｍ－Φ（λ）／λ｝〕 … （ｄ）
式（ｄ）において、ｍは評価すべき回折光の次数、Φ（λ）は波長λの光に対する回折光学素子１の１つの単位格子における光路長差である。また、ｓｉｎｃ（ｘ）は、｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝で表される関数である。なお、本実施例の回折光学素子１の設計波長は５５０ｎｍである。本実施例の回折光学素子１において、格子高さｄ１＝１０．９６μｍのときに視波長域で最も回折効率が高い状態となる。

本実施例において、第１の回折格子８および第２の回折格子９は互いに異なる材料により形成されている。第２の回折格子９は低屈折率高分散材料から構成され、第１の回折格子８は第２の回折格子９よりも高い屈折率を有する高屈折率低分散材料から構成されている。以下の条件式（１）、（２）、および（３）を満足することにより、高い回折効率を得ることができる。

νｄ１＞３５ … （１）
νｄ２＜２５ … （２）
０．９６０≦（ｎ１ｄ－ｎ２ｄ）×ｄ／（ｍ×λｄ）≦１．０４０ … （３）
条件式（１）～（３）において、ｄ線における第１の回折格子８および第２の回折格子９を構成する材料の屈折率をそれぞれｎ１ｄ、ｎ２ｄ、アッべ数をνｄ１、νｄ２、格子高さをｄ、設計次数をｍとする。

次に、本実施例における回折格子の壁面部に設けられた誘電体薄膜１０について説明する。誘電体薄膜１０は、格子壁面に沿って略均一な厚さを有し、第１の回折格子８と第２の回折格子９との境界面の少なくとも一部に配置されている。本実施例において、誘電体薄膜１０は、第１の回折格子８の壁面部と第２の回折格子９の壁面部との間に密着接合されている。誘電体薄膜１０は、格子壁面付近に入射する光束がその内部に閉じ込められ、光導波路になっている。

回折光学素子１に光導波路効果を持たせるには、設計波長λｄ（ｎｍ）の光に対して、誘電体薄膜１０の有効径内における屈折率（平均屈折率）ｎｈａ、第１の回折格子８および第２の回折格子９の屈折率ｎ１、ｎ２が以下の条件式（４）を満足することが好ましい。ここで有効径とは、光束が通過する領域の光軸Ｏからの最大径である。

ｎ２＜ｎ１＜ｎｈａ … （４）
条件式（４）に加えて、比屈折率差Δが以下の条件式（５）を満足することが好ましい。これにより、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上し、設計次数±１次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させ、かつ波長特性および偏光特性を低減することができる。

０．００５＜Δ＜０．０９０ … （５）
ただし、比屈折率差Δは以下の式（５ａ）より求められる。

条件式（５）の下限を満足することにより、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができる。また、条件式（５）の上限を満足することにより、偏光依存性を低減することができる。

好ましくは、条件式（５）は、以下の条件式（５ｂ）を満足する。

０．０１０＜Δ＜０．０８０ … （５ｂ）
誘電体薄膜１０、第１の回折格子８、および、第２の回折格子９を構成する材料は非対称３層平板導波路を構成するため、導波モードが以下の式（６）、（７）で表される固有値方程式を満たすことが知られている。式（６）はＴＥ偏光、式（７）はＴＭ偏光に関する。

式（６）、（７）において、ｋ_０は以下の式（８）で表される。

また、非対称３層平板導波路の単一モードが発生するカットオフ幅は、ＴＥ偏光が式（８ａ）、ＴＭ偏光が式（８ｂ）でそれぞれ表される。

式（８ａ）、（８ｂ）において、κｃ、δｃは以下の式（９）で表される。

本実施例において、壁面部の誘電体薄膜１０の膜幅ｄｍと式（１１）のＴＥ偏光とＴＭ偏光の単一モードが発生するカットオフ幅の平均Ｗｃが以下の条件式（１０）を満足することが好ましい。これにより、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率が向上し、設計次数±１次の回折効率を低減させることができる。また、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させ、かつ波長特性および偏光特性を低減することができる。

０．５００≦ｄｍ／Ｗｃ≦２．０００ … （１０）
式（１０）において、カットオフ幅の平均Ｗｃは、以下の式（１１）で表される。

好ましくは、条件式（１０）は、以下の条件式（１０ａ）を満足する。

０．７５０≦ｄｍ／Ｗｃ≦１．７５０ … （１０ａ）
本発明の回折光学素子においては、壁面部の誘電体薄膜１０からなる導波路の屈折率と第１の回折格子８の高屈折率材料との位相差を適切に制御する。これにより、誘電体薄膜１０が設けられていない場合は不要光となっていた光を光導波路内に閉じ込め、導波モードと回折格子の位相整合させることができる。

その結果、設計次数の回折効率を向上や斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減することができる。好ましくは、少なくとも一つ以上の第ｍ輪帯に関し、壁面部の位相差Ｐｍａは、以下の条件式（１２）を満足する。ここで、第ｍ輪帯とは、回折格子の格子番号であり、光軸中心から光軸中心に対して垂直方向に離れる順に付される格子番号（ｍ＝１、２、…）である。

０．０１３＜Ｐｍａ＜０．０３５ … （１２）
式（１２）において、Ｐｍａ＝（ｎｈｍ－ｎ１）×ｄｍ／λｄで与えられる。ここで、ｎｈｍは第ｍ輪帯における格子壁面上の誘電体薄膜１０の屈折率、ｄｍは第ｍ輪帯における格子壁面上の誘電体薄膜１０の膜厚(ｎｍ)、λｄは設計波長（ｎｍ）である。設計波長λｄは、回折光学素子１の使用波長の平均値付近の値であり、具体的には、使用波長の平均値をλａｖｅ（ｎｍ）とするとき、以下の条件式（１３）を満足する波長範囲にある。

０．９００＜λｄ／λａｖｅ＜１．１００ … （１３）
本実施例の回折光学素子は可視域において使用され、その使用波長は４００ｎｍ～７００ｎｍ、使用波長の平均値λａｖｅは５５０ｎｍである。条件式（１２）の上限を超えるかまたは下限を下回ると、導波モードの最適条件から外れるため、光の閉じ込め効果が少なくなり、例えば斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光の低減効果が少なくなる。

好ましくは、条件式（１２）、以下の条件式（１２ａ）を満足する。

０．０１５＜Ｐｍａ＜０．０３０ … （１２ａ）
より好ましくは、条件式（１２）は、以下の条件式（１２ｂ）を満足する。

０．０１７＜Ｐｍａ＜０．０２６ … （１２ｂ）
次に、本実施例の回折光学素子１に斜入射角度（画面外光入射角度）で入射した光束による不要光の振る舞いについて、厳密波動計算のうち厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いて説明する。図３は、ＲＣＷＡで計算した回折格子の断面図である。図３に示される断面図は、図１（ｂ）に示される回折光学素子１の下側の部分断面図に相当する。

回折光学素子１の格子先端を連ねた包絡面の面法線と格子壁面がなす角度θｔは１５°であり、角度θｔは回折光学素子１に入射する有効光束（撮影に使用する光束）の重心角度と略一致するように設定されている。また回折光学素子１において、像面に到達する出射光線角度は、角度θｔ＝１５°で入射した光線の出射角度の方向に相当し、回折光学素子１の格子先端を連ねた包絡面の面法線に対して、１５．５°前後の方向となる。

回折光学素子１は、回折ピッチが１００μｍ、格子高さｄ１ｔが１０．６５μｍであり、１次の回折光が最大の強度となるように最適化されており、正の屈折力を有する。第１の回折格子８および第２の回折格子９の格子材料は、図２を参照して説明した材料と同じである。格子壁面上の誘電体薄膜１０は、波長５５０ｎｍにおける屈折率が１．７４６０、膜厚が９９ｎｍである。

図３の回折光学素子１の格子壁面に対し、斜入射角度（画面外光入射角度）で入射した光束（図３中の光線１、光線２）の２つの光線においてＲＣＷＡ計算を行う。図３中の上側から入射する光線１は、回折光学素子１の格子先端を連ねた包絡面の面法線に対して２５°で入射している。図３中の下側から入射する光線２は、回折光学素子１の格子先端を連ねた包絡面の面法線に対して５°で入射している。それぞれの光線の波長は５５０ｎｍである。

図４（ａ）は、光線１（２５°）における、出射角度に対する回折効率を示す。同様に、図４（ｂ）は、光線２（５°）における、出射角度に対する回折効率を示す。また、比較例として、図３と同様の回折光学素子の構成において、誘電体薄膜１０を設けていない回折光学素子（格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差が小さい構成）についても、同様のＲＣＷＡによる回折効率の計算を行う。図５（ａ）は、比較例としての回折光学素子に関し、光線１（２５°）における出射角度に対する回折効率を示す。同様に、図５（ｂ）は、比較例としての回折光学素子に関し、光線２（５°）における出射角度に対する回折効率を示す。

図４および図５から分かるように、光線１に関しては、格子壁面部に所望の誘電体薄膜１０を設けることにより不要回折光の光量が若干増加している。一方、光線２に関しては、不要回折光の光量が大幅に低減しているため、全体として不要回折光を減らすことができる。また、本実施例の回折光学素子１に関しては、格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差を回折光学素子１の径方向の位置に応じて変化させている。すなわち、回折光学素子１の周辺部において格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差を減らすような構成としている。

ここで、回折光学素子１の周辺部において格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差を減らすことによる効果について説明する。図３に示されるような回折光学素子１の場合、回折光学素子１の周辺部に近くなるほど回折光学素子１を保持する鏡筒や、回折光学素子１より入射側に配置したレンズ等により、入射光線が遮蔽されやすくなる。すなわち、光線２のような格子壁面部に対して光軸と反対側から入射する光線は、周辺部に近くなるほど遮蔽されやすくなる。逆に、光線１のような格子壁面部に対して光軸側から入射する光線は、周辺部においても遮蔽されにくい。このため、回折光学素子１の周辺部においては、光線１のような格子壁面部に対して光軸側から入射する光線の割合が多くなる。

そこで、回折光学素子１の周辺部において、格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差を減らすことにより、図４（ａ）に示される不要光の光量から図５（ａ）に示される不要光の光量へシフトさせ、不要な回折光量を低減することができる。具体的には、以下の条件式（１４）を満足する。

－０．５００＜Ｐｅ／Ｐｍａｘ＜０．７００ … （１４）
条件式（１４）において、Ｐｍは第ｍ輪帯（ｍ＝１、２、…）のそれぞれにおける格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差、Ｐｍａｘは全輪帯の位相差Ｐｍの最大値である。Ｐｅは、有効径（光線最大有効径部）における誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との位相差である。

条件式（１４）の上限を超えると、回折光学素子１の周辺部において格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差が増加し、不要回折光の光量が増加してしまう。一方、条件式（１４）の下限値を下回ると、格子壁面上の屈折率が小さくなり過ぎ、誘電体薄膜１０内での導波モードがくずれ、不要回折光の光量が増加してしまう。

好ましくは、条件式（１４）は、以下の条件式（１４ａ）を満足する。

－０．４００＜Ｐｅ／Ｐｍａｘ＜０．６００ … （１４ａ）
より好ましくは、条件式（１４）は、以下の条件式（１４ｂ）を満足する。

－０．２００＜Ｐｅ／Ｐｍａｘ＜０．４００ … （１４ｂ）
また、有効径における位相差Ｐｅが以下の条件式（１５）を満足することにより、周辺部の位相差を低減することができ、不要回折光の光量を低減することができるため、好ましい。

－０．０１５＜Ｐｅ＜０．０１８ … （１５）
好ましくは、条件式（１５）は、以下の条件式(１５ａ)を満足する。

－０．００５＜Ｐｅ＜０．０１２ … （１５ａ）
本実施例の回折光学素子１において、有効径の８割から１０割の範囲の輪帯における壁面上の位相差Ｐｍの平均値をＰｅｄｇとするとき、以下の条件式（１６）を満足することが好ましい。

－０．００５＜Ｐｅｄｇ＜０．０２１ … （１６）
条件式（１６）を満足することにより、最周辺部だけでなく周辺部の広い領域において、不要回折光の光量の低減効果を最適化することができる。

好ましくは、条件式（１６）は、以下の条件式（１６ａ）を満足する。

０．０００＜Ｐｅｄｇ＜０．０１９ … （１６ａ）
また、本実施例の回折光学素子１に関して、周辺部においては前述したように光軸から離れた側からの入射光線を遮蔽しやすいが、中心部においては入射光線の遮蔽効果は少なくなる。このため、中心部においては、格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差を確保して、導波モードが成り立つ範囲とすることにより、図４および図５を参照して説明したように、全体として不要回折光を低減することができる。具体的には、有効径の２割から６割の範囲の輪帯における壁面上の位相差Ｐｍの平均値をＰｃｎｔとするとき、以下の条件式（１７）を満足する。

０．０１３＜Ｐｃｎｔ＜０．０３５ … （１７）
好ましくは、条件式（１７）は、以下の条件式（１７ａ）を満足する。

０．０１７＜Ｐｃｎｔ＜０．０２６ … （１７ａ）
条件式（１７）を満足することにより、中心部の広い領域において、不要回折光の光量を低減することができる。有効径の０割（光軸）から２割の範囲においても、条件式（１７）の範囲を満足することが好ましい。ただし、光軸付近の回折格子は格子ピッチが広いため、不要回折光の強度が小さい。このため、条件式（１７）の範囲を超えたとしても不要回折光の影響が小さい。また、光軸付近においては、誘電体薄膜１０の制御が難しくなるため、位相差Ｐｍの制御範囲を緩和することにより、容易に回折光学素子１を製造することができる。

以上の関係を満足する誘電体薄膜１０の材料および膜幅を適切に設定することにより、本実施例の効果を得ることができるため、誘電体薄膜１０の材料は特に限定されるものではない。また、誘電体薄膜１０の製造方法も特に限定されるものではない。例えば、第２の回折格子９を製造し、その後、誘電体薄膜１０を選択的に形成してもよい。具体的には、誘電体薄膜１０を構成する材料を真空蒸着等の物理蒸着手法やスピンコート法等で薄膜形状に成膜した後、リソグラフィー手法やナノインプリント法等によるによるパターニングしてエッチング手法等で選択的に形成する手法を用いることができる。また、マスクパターンを用いて選択的に蒸着手法等で形成する方法等を用いることができる。また、回折光学素子１の輪帯毎に薄膜の幅、屈折率、または形状を変えることにより輪帯毎に制御してもよい。いずれの製法においても、格子壁面部と格子斜面部の誘電体薄膜１０とを同じ原材料とすることにより、壁面部と斜面部を同時に形成することが可能になり、より簡素な製造方法となるため好ましい。

本実施例の回折光学素子１において、周辺部における格子壁面上の誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差を小さくしている。位相差を小さくする方法としては、誘電体薄膜１０の厚さを減らす方法と、誘電体薄膜１０の屈折率を小さくする方法があるが、膜厚と屈折率とを同時に制御して位相差を所望の値に制御することは困難である。このため、回折光学素子１の周辺部の位相差を小さくする際に、誘電体薄膜１０の膜厚を主体的に制御して周辺部の位相差を小さくするか、誘電体薄膜１０の屈折率を主体的に制御して周辺部の位相差を小さくするかのいずれか一方を選択する。これにより、回折光学素子１を容易に製造することができる。

図６（ａ）は、本実施例の回折光学素子１の径方向の位置における、壁面部の誘電体薄膜１０の屈折率を示す。図６（ｂ）は、壁面部の誘電体薄膜１０の膜厚を示す。図６（ｃ）は、壁面部の誘電体薄膜１０の位相差Ｐｍを示す。図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）において、横軸は径方向の比率を示し、０は光軸上を表し、１は光線有効径を示している。図６（ｂ）において、膜厚ｄｍは実線で示し、式（１１）から計算されるカットオフ幅Ｗｃは破線で示している。

本実施例の回折光学素子１において、壁面部の誘電体薄膜１０の膜厚ｄｍを光線最大径の９割付近の位置から最大有効径となる位置へ徐々に減らすことにより、周辺部において壁面部の誘電体薄膜１０の位相差Ｐｍを減らしている。このため、周辺部の不要回折光を低減することができる。光軸付近から光線最大径の９割付近の範囲においては、所望の位相差を確保した構成となっているため、斜入射光束が入射した際の不要回折光を良好に低減することが可能となる。

膜厚の制御により壁面部の誘電体薄膜１０の位相差を制御する場合、格子壁面上の誘電体薄膜１０の膜厚の最大値をｄｍａｘ、光線最大有効径部における格子壁面上の誘電体薄膜の膜厚をｄｅとするとき、以下の条件式（１８）を満足することが好ましい。

０．０００≦ｄｅ／ｄｍａｘ＜０．７００ … （１８）
より好ましくは、条件式（１８）は、以下の条件式（１８ａ）を満足する。

０．０００≦ｄｅ／ｄｍａｘ＜０．５００ … （１８ａ）

次に、本発明の実施例２における回折光学素子について説明する。実施例１の回折光学素子は、光線入射側から高屈折率低分散材料、低屈折率高分散材料からなる格子の順に構成されているが、本発明はこれに限定されるものではない。

図７（ａ）は、本実施例における回折光学素子１ａの正面図であり、図７（ｂ）は回折光学素子１ａの側面図である。図８は、図７（ａ）に示される回折光学素子１ａをＡ－Ａ’線で切断したときの断面形状の一部を拡大して示している。ただし、図８は格子深さ方向にデフォルメされた図となっている。本実施例の回折光学素子１ａは、実施例１の回折光学素子１と同様に、それぞれ異なる材料からなる第１の素子部２ａ（第１の回折格子８）および第２の素子部３ｂ（第２の回折格子９）が誘電体薄膜１０を挟んで密着して積層されている。図８に示される回折光学素子１ａにおいて、光線出射側の第２の回折格子９を形成する第２の材料として、アクリル系樹脂にＺｒＯ_２微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．６１９、Ｎ５５＝１．６２１６、νｄ＝４４．３、θｇＦ＝０．５６９）が用いられる。一方、第１の回折格子８を形成する第１の材料として、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．５６５、Ｎ５５＝１．５７１８、νｄ＝１９．２、θｇＦ＝０．４２５）が用いられる。

第１の材料からなる第１の格子ベース部６の厚さは４０μｍ、第２の材料からなる第２の格子ベース部７の厚さは２μｍ、回折ピッチＰは１００～３０００μｍ、格子高さｄ１は１０．９６～１１．００μｍである。格子壁面部の誘電体薄膜１０としては、Ａｌ_２Ｏ_３とＺｒＯ_２の混合材料の薄膜が用いられており、回折光学素子１ａの径方向の位置に応じて格子壁面上の膜厚が変化している。また、回折光学素子１ａの径方向の位置に応じて屈折率もわずかに変化している。本実施例の回折光学素子１ａにおいても、実施例１の回折光学素子１と同様に、回折光学素子の周辺部の誘電体薄膜１０の厚さを薄くすることにより、誘電体薄膜１０の位相差Ｐｍを小さくして不要回折光を低減することができる。

図９（ａ）は、本実施例の回折光学素子１ａの径方向の位置における、誘電体薄膜１０の屈折率を示す。図９（ｂ）は、誘電体薄膜１０の膜厚を示す。図９（ｃ）は、誘電体薄膜１０の位相差Ｐｍを示す。図９（ａ）、図９（ｂ）、図９（ｃ）において、横軸は径方向の比率を示し、０は光軸上を表し、１は光線有効径を示している。図９（ｂ）において、膜厚ｄｍは実線で示し、式（１１）から計算されるカットオフ幅Ｗｃは破線で示している。

本実施例の回折光学素子１ａにおいて、誘電体薄膜１０の膜厚を光線最大径の７割付近の位置から最大有効径となる位置へ徐々に減らすことにより、周辺部において誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差Ｐｍを小さくしている。このため、周辺部の不要回折光を低減することができる。また、光軸付近から光線最大径の７割付近の範囲においては、所望の位相差を確保した構成となっているため、斜入射光束が入射した際の不要回折光を良好に低減することが可能である。

次に、本発明の実施例３における回折光学素子について説明する。前述の回折光学素子１ａにおいては、周辺部の膜厚を減らすことにより、壁面部における誘電体薄膜１０と第１の回折格子８との間の位相差Ｐｍを小さくしているが、本発明はこれに限定されるものではない。

本実施例の回折光学素子において、第１の回折格子８および第２の回折格子９は実施例２の構成と同じであり、壁面部の誘電体薄膜１０の特性を変更した構成となっている。

図１０（ａ）は、本実施例の回折光学素子の径方向の位置における、壁面部の誘電体薄膜１０の屈折率を示す。図１０（ｂ）は、誘電体薄膜１０の膜厚を示す。図１０（ｃ）は、誘電体薄膜１０の位相差Ｐｍを示す。図１０（ａ）、図１０（ｂ）、図１０（ｃ）において、横軸は径方向の比率を示し、０は光軸上を表し、１は光線有効径を示している。図１０（ｂ）において、膜厚ｄｍは実線で示し、式（１１）から計算されるカットオフ幅Ｗｃは破線で示している。図１０（ａ）～（ｃ）に示されるように、本実施例の回折光学素子は、回折光学素子の周辺部の誘電体薄膜１０の屈折率を小さくすることにより、誘電体薄膜１０の位相差Ｐｍを小さくし、斜入射光束が入射した際の不要回折光を低減している。

本実施例のように、屈折率を制御することで壁面部の誘電体薄膜１０の位相差を制御する場合、以下の条件式（１９）を満足することが好ましい。

－０．５００＜ΔＮｅ／ΔＮｍａｘ＜０．７００ … （１９）
条件式（１９）において、ΔＮｍａｘは格子壁面上の誘電体薄膜１０の屈折率と第１の回折格子８の屈折率との差の最大値、ΔＮｅは有効径における格子壁面上の誘電体薄膜１０の屈折率と第１の回折格子８の屈折率との差である。より好ましくは、式（１９）は、以下の条件式（１９ａ）を満足する。

－０．２００＜ΔＮｅ／ΔＮｍａｘ＜０．５００ … （１９ａ）
表１は、実施例１～３の回折光学素子の各条件式に対応する値を示す。

次に、本発明の実施例４における回折光学素子について説明する。実施例１～３の回折光学素子においては、格子壁面部のみに誘電体薄膜１０が形成された構成であるが、本発明はこれに限定されるものではない。

図１１は、本実施例における回折光学素子１ｂの断面図である。本実施例の回折光学素子１ｂにおいて、第１の回折格子８の格子斜面８ａと第２の回折格子９の格子斜面９ａとの間に、誘電体薄膜１０ａを密着して積層させている。また、第１の回折格子８の格子壁面８ｂと第２の回折格子８の格子壁面９ｂとの間に、誘電体薄膜１０ｂを密着して積層させている。

本実施例のように格子斜面８ａと格子斜面９ａとが互いに密着していない構成でも、前述の条件式（１）～（１９）を満足することにより、回折光学素子１ｂに斜入射光束が入射した場合に像面に不要回折光が到達することを抑制することができる。格子斜面部の誘電体薄膜１０ａと格子壁面部の誘電体薄膜１０ｂは、同一の材料または異なる材料のいずれであってもよい。

次に、図１２を参照して、本発明の実施例５における光学系について説明する。図１２は、回折光学素子Ｌｄｏ（実施例１～４の回折光学素子に相当）を有する光学系１００ａの光路図である。

本実施例の光学系１００ａは、焦点距離ｆ＝７８０ｍｍ、Ｆナンバー＝５．８、最大像高Ｙ＝２１．６ｍｍである。光学系１００は、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１、フォーカス群ＬＦ、開口絞りＳＰ、および、負の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２を有する。ＩＰは像面である。光学系１００ａは、フォーカシングの際に、フォーカス群ＬＦを像側に移動することにより、近距離物体への合焦が可能である。また、第１レンズ群Ｌ１は、レンズＬ１１および回折光学素子Ｌｄｏを有する。

図１２において、Ｒ０は軸上光束、Ｒ１は最大像高となる軸外光束、Ｒ２は回折光学素子Ｌｄｏに入射する画面外光束（最大像高光束以上の入射角度で入射する光束）をそれぞれ示す。光学系１００ａにおいて、回折光学素子Ｌｄｏを物体側のレンズＬ１１から離れた位置に配置しているため、像高が図１２中の上側にシフトして光束の入射角度が大きくなるにつれて、回折光学素子Ｌｄｏの図１２中の下側に当たる光線の範囲が狭くなっている。このため、図３を参照して説明した光線２のように格子壁面に対して光軸Ｏと反対側から入射する光束が、回折光学素子Ｌｄｏよりも物体側のレンズＬ１１により遮光されて回折光学素子Ｌｄｏの周辺部に入射しなくなる。すなわち光学系１００ａは、軸上光束の回折光学素子Ｌｄｏにおける最大有効径よりも最大像高光束の回折光学素子Ｌｄｏにおける最大有効径の方が小さい。このため、条件式（１４）のように回折光学素子の周辺部の位相差を小さくしたことによる不要光の低減効果を効果的に得ることができる。

本実施例において、最も物体側の面から回折面までの距離をＬｄ（ｍｍ）、最も物体側の面の光線有効径をＥ０（ｍｍ）とするとき、以下の条件式（２０）を満足することが好ましい。

０．３００＜Ｅ０／Ｌｄ＜２．０００ … （２０）
条件式（２０）の上限値を上回ると、回折光学素子Ｌｄｏよりも物体側のレンズＬ１１による入射光束の遮蔽効果が小さくなり、不要光の低減効果が小さくなる。一方、条件式（２０）の下限値を下回ると、回折光学素子Ｌｄｏによる収差補正効果が小さくなるため、光学系１００ａの諸収差の影響を受けることになる。

また、本実施例の回折光学素子Ｌｄｏは、開口絞りＳＰよりも物体側に配置されることが好ましい。開口絞りＳＰよりも像側に回折光学素子Ｌｄｏを配置すると、画面外光束が回折光学素子Ｌｄｏに入射しにくくなる。このため、回折光学素子Ｌｄｏの周辺部における、壁面部の位相差を小さくしても十分な不要光の低減効果が得られにくい。また不要光の低減効果が得られた場合でも、効果が得られる画角が一部の画角のみとなり、好ましくない。

次に、図１３を参照して、本発明の実施例６における光学系について説明する。図１２は、回折光学素子Ｌｄｏ（前述の各実施例の回折光学素子に相当）を有する光学系１００ｂの光路図である。

本実施例の光学系１００ｂは、焦点距離ｆ＝１９６ｍｍ、Ｆナンバー＝２．０５、最大像高Ｙ＝２１．６ｍｍである。光学系１００ｂは、物体側から像側へ順に、正の屈折力を有する第１レンズ群Ｌ１、フォーカス群ＬＦ、開口絞りＳＰ、および、正の屈折力を有する第２レンズ群Ｌ２を有する。ＩＰは像面である。光学系１００ｂは、フォーカシングの際に、フォーカス群ＬＦを像側に移動することにより、近距離物体への合焦が可能である。また、第１レンズ群Ｌ１は、レンズＬ１１、および、回折光学素子Ｌｄｏ（実施例１～４の回折光学素子に相当）を有する。

図１３において、Ｒ０は軸上光束、Ｒ１は最大像高となる軸外光束をそれぞれ示す。光学系１００ｂにおいて、回折光学素子Ｌｄｏを物体側のレンズＬ１１から離れた位置に配置しているため、像高が図１３中の上側にシフトして光束の入射角度が大きくなるにつれて、回折光学素子Ｌｄｏの図１３中の下側に当たる光線の範囲が狭くなっている。このため、図３を参照して説明した光線２のように格子壁面に対して光軸Ｏと反対側から入射する光束が、回折光学素子Ｌｄｏよりも物体側のレンズＬ１１により遮光されて回折光学素子Ｌｄｏの周辺部に入射しなくなる。回折光学素子の周辺部の位相差を小さくしたことによる不要光の低減効果を効果的に得ることができる。

表２は、実施例５および実施例６の光学系１００ａ、１００ｂの各条件式に対応する値を示す。

なお実施例５および実施例６において、光学系１００ａ、１００ｂには１つの回折光学素子Ｌｄｏが配置されているが、これに限定されるものではなく、光学系１００ａ、１００ｂに複数の回折光学素子Ｌｄｏを配置してもよい。

次に、図１４を参照して、本発明の実施例７における双眼鏡の観察光学系について説明する。図１４は、観察光学系１１０の構成図である。

図１４において、１０３は結像面、１０４は対物レンズ、１０５は倒立像を正立させるためのプリズム、１０６は接眼レンズ、１０７は瞳面である。対物レンズ１０４は、レンズＬ１１および回折光学素子Ｌｄｏ（実施例１～４の回折光学素子に相当）を有する。回折光学素子Ｌｄｏは、対物レンズ１０４の結像面１０３での色収差等を補正する目的で設けられている。観察光学系１１０は、実施例１～４にて説明したように、回折効率特性が従来に比べて大幅に改善されているため、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有する。なお本実施例では、平板ガラス面に回折光学素子Ｌｄｏを設けているが、本発明はこれに限定されるものではなく、回折光学素子Ｌｄｏをレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。また、観察光学系１１０に複数の回折光学素子Ｌｄｏを配置してもよい。

また本実施例では、対物レンズ１０４に回折光学素子Ｌｄｏを設けているが、これに限定されるものではなく、プリズム１０５の表面や接眼レンズ１０６内に開設光学素子Ｌｄｏを設けることもでき、この場合にも前述と同様の効果が得られる。ただし、回折光学素子Ｌｄｏを結像面１０３よりも物体側に設けることにより、対物レンズ１０４における色収差低減効果がある。このため、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ１０４に回折光学素子Ｌｄｏを設けることが好ましい。なお本実施例では、双眼鏡の観察光学系１１０について説明したが、回折光学素子Ｌｄｏは、地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用可能である。また回折光学素子Ｌｄｏは、レンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式ファインダにも適用可能である。これらの場合にも、前述と同様の効果が得られる。

次に、図１５を参照して、本発明の実施例８における撮像装置について説明する。図１５は、撮像装置１２０の概略図である。撮像装置１２０は、実施例１～４の回折光学素子を有する光学系を撮像光学系として用いたデジタルスチルカメラである。

図１５において、１２５はカメラ本体、１２１は撮像光学系である。１２２は、カメラ本体１２５に内蔵され、撮像光学系１２１により形成された被写体像（光学像）を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）である。１２３は撮像素子１２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、１２４は液晶ディスプレイパネル等により構成され、撮像素子１２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。このように各実施例の回折光学素子を備えた撮像光学系を用いることにより、フレアやゴーストが少ない、高い光学性能を有する撮像装置を実現することができる。

各実施例によれば、簡素な構成の回折光学素子において可視域全域で高い回折効率を得ると共に、設計入射光束とは異なる斜入射光束が回折光学素子に入射したときの、不要光の低減効果が場所ごとに最適化された回折光学素子を得ることができる。また、回折光学素子を光学系中に用いることにより、色収差等の諸収差やフレアが良好に低減された光学系を得ることができる。このため各実施例によれば、径方向の位置に応じて膜の特性を適切に設定することにより光学性能を向上させた回折光学素子、光学系、および、撮像装置を提供することができる。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

１ 回折光学素子
８ 第１の回折格子
９ 第２の回折格子
１０ 誘電体薄膜（薄膜）

Claims (11)

1. 第１の格子面及び第１の格子壁面の夫々を複数備えた第１の回折格子と、
   第２の格子面及び第２の格子壁面の夫々を複数備えた第２の回折格子と、を有し、
   前記複数の第１の格子壁面の夫々と前記複数の第２の格子壁面の夫々は、薄膜を介して互いに密着しており、
   設計波長λｄ（ｎｍ）において、前記第１及び第２の回折格子の屈折率をそれぞれｎ１及びｎ２、有効径内の第ｍ輪帯（ｍ＝１、２、…）における前記薄膜の屈折率及び膜厚（ｎｍ）をそれぞれｎｈｍ及びｄｍ、該屈折率ｎｈｍの平均値をｎｈａ、有効径内の前記薄膜と前記第１の回折格子との位相差をＰｍ＝（ｎｈｍ－ｎ１）×ｄｍ／λｄ、該Ｐｍの最大値をＰｍａｘ、前記位相差Ｐｍのうち最も周辺側の前記薄膜と前記第１の回折格子との位相差をＰｅ、前記位相差Ｐｍのうち最も周辺側ではない少なくとも一つの輪帯における前記薄膜と前記第１の回折格子との間の位相差をＰｍａとし、前記第ｍ輪帯における前記薄膜の屈折率及び前記膜厚は均一であるとするとき、
   ｎ２＜ｎ１＜ｎｈａ
   －０．５００＜Ｐｅ／Ｐｍａｘ＜０．７００
   ０．０１３＜Ｐｍａ＜０．０３５
   なる条件式を満足することを特徴とする回折光学素子。
2. 前記位相差Ｐｍのうち有効径の２割から６割の範囲内の前記薄膜と前記第１の回折格子との間の位相差の平均値をＰｃｎｔとするとき、
   ０．０１３＜Ｐｃｎｔ＜０．０３５
   なる条件式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。
3. －０．０１５＜Ｐｅ＜０．０１８
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の回折光学素子。
4. 前記位相差Ｐｍのうち有効径の８割から１０割の範囲内の前記薄膜と前記第１の回折格子との間の位相差の平均値をＰｅｄｇとするとき、
   －０．００５＜Ｐｅｄｇ＜０．０２１
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の回折光学素子。
5. 前記膜厚ｄｍの最大値をｄｍａｘ、前記膜厚ｄｍのうち最も周辺側の前記薄膜の膜厚をｄｅとするとき、
   ０．０００≦ｄｅ／ｄｍａｘ＜０．７００
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の回折光学素子。
6. 前記屈折率ｎｈｍと前記屈折率ｎ１との差の最大値をΔＮｍａｘ、前記屈折率ｎｈｍのうち最も周辺側の前記薄膜の屈折率と前記屈折率ｎ１との差をΔＮｅとするとき、
   －０．５００＜ΔＮｅ／ΔＮｍａｘ＜０．７００
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の回折光学素子。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の回折光学素子と、該回折光学素子の物体側又は像側に配置された光学素子とを有することを特徴とする光学系。
8. 最も物体側の面から前記回折光学素子の回折面までの距離をＬｄ、該最も物体側の面の有効径をＥ０とするとき、
   ０．３００＜Ｅ０／Ｌｄ＜２．０００
   なる条件式を満足することを特徴とする請求項７に記載の光学系。
9. 最大像高光束の前記回折光学素子における通過位置は、軸上光束の前記回折光学素子における通過位置よりも光軸に近いことを特徴とする請求項７又は８に記載の光学系。
10. 前記回折光学素子よりも像側に配置された絞りを有することを特徴とする請求項７乃至９の何れか一項に記載の光学系。
11. 請求項７乃至１０の何れか一項に記載の光学系と、
    該光学系により形成された像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。

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