(57)【要約】【課題】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を提供する。【解決手段】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。【選択図】図１
2014232135.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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
【請求項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。
【請求項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または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
次式の条件を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
１．６  ＜  ｎ  ＜  ２．０
０．６  ＜  Ｐ  ＜  ０．８
但し、
ｎ：前記空孔を含む光学材料のｄ線に対する屈折率
【請求項５】
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１〜４のいずれか一項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素子の屈折率の差（Δｎ＞０とする）
ｄ：前記回折格子溝の高さ
λ：前記光の波長
【請求項６】
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５に記載の回折光学素子。
｜１−Δｎ×ｄ／λ｜  ＜  ０．０３０
【請求項７】
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１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
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１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−３４３３８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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。
【０００５】
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を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
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
【０００７】
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。
【０００８】
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。
【０００９】
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
０．６  ＜  Ｐ  ＜  ０．８
但し、
ｎ：空孔を含む光学材料のｄ線に対する屈折率
【００１０】
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
【００１１】
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
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【発明の効果】
【００１４】
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を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】回折光学素子を説明するための説明図である。
【図２】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。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
Δｎ×ｄ  ＝  λ                                  （ａ）
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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）。
【００２４】
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。
【００２５】
Ｐ  ＜  ０．９                                    （１）
【００２６】
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。
【００２７】
０．６  ＜  Ｐ  ＜  ０．８                        （１′）
【００２８】
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。
【００２９】
１．６  ＜  ｎ  ＜  ２．０                        （２）
【００３０】
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。
【００３１】
｜１−Δｎ×ｄ／λ｜  ＜  ０．０７５              （３）
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
｜１−Δｎ×ｄ／λ｜  ＜  ０．０３０              （３′）
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【実施例】
【００３８】
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。
【００３９】
（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
【００４０】
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。
【００４１】
（表２）
波長［ｎｍ］       486         588         656
１次光の回折効率    98.4%       97.8%       96.6%
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
（表３）
波長［ｎｍ］       486         588         656
１次光の回折効率    90.4%       91.2%       91.8%
【００４５】
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。
【符号の説明】
【００４６】
Ｄ  回折光学素子    Ｅ１，Ｅ２  回折素子要素    ｇ  回折格子溝    Ｂ  空孔
【図１】
2014232135.tif 000003
【図２】
2014232135.tif 000004