(57)【要約】【課題】従来の密着２層ＤＯＥでは回折格子を構成する材料の屈折率敏感度が高く、格子壁面の振る舞いを含めた回折効率の波長特性がばらつくという問題があった。【解決手段】本発明の回折光学素子は回折光学素子の屈折率がばらついた場合でも薄膜の膜幅を調整することによって、回折効率の波長特性をほぼ均一にすることが可能である。【選択図】図２
2018189863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの分散の異なる材料より成る第１、第２の回折格子を積層し、
前記第１、第２の回折格子は互いの格子面が密着され、
前記第１、第２の回折格子壁面に薄膜を有し、
前記薄膜を構成する材料の青波長帯域の平均消衰係数ｋＢ、赤波長帯域の平均消衰係数ｋＲが以下の式を満たすことを特徴とする回折光学素子。
１＜ｋＢ−ｋＲ＜０．５
【請求項２】
前記薄膜を構成する材料の青波長帯域の平均消衰係数ｋＢ、緑波長帯域の平均消衰係数ｋＧ、赤波長帯域の平均消衰係数ｋＲが以下の式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
ｋＲ＜ｋＧ＜ｋＢ
【請求項３】
前記薄膜の全体の幅ｗ及び格子ピッチＰは、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子。
ｗ／Ｐ＜０．０１
【請求項４】
前記薄膜を構成する材料の屈折率は、前記第１の回折格子または前記第２の回折格子を構成する材料のうち低い屈折率を有する材料の該屈折率より高いことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記薄膜を構成する材料のｄ線の屈折率ｎｄ３、及び、前記第１の回折格子または前記第２の回折格子を構成する材料のうち高い屈折率を有する材料のｄ線の屈折率ｎｄ２は、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の回折光学素子。
｜ｎｄ３−ｎｄ２｜＜０．２
【請求項６】
請求項１乃至請求項５の何れか一項に記載の回折光学素子を有することを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子およびこれを有する光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、硝材の組み合わせによりレンズ系の色収差を減じる方法に対して、レンズの表面やレンズ系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けることでレンズ系の色収差を減じる方法が知られている。この回折光学素子を用いる方法は、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偏向方向が逆方向になるという物理現象を利用したものである。また、回折光学素子は、その周期的構造の周期を適宜変化させることで非球面レンズ的な効果を持たせることができるので、色収差以外の諸収差の低減にも効果がある。一般的に回折光学素子は格子面と格子側面から構成されるブレーズ構造より成っている。このようなブレーズ構造の回折光学素子は特定の一つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」とも言う）と特定の波長に対して高い効率で光を回折することができる。一方、この特定次数の回折効率を可視波長帯域全域で十分高く得るための回折光学素子構成が知られている。
【０００３】
具体的には、特許文献１に開示されているように、２つの回折格子を密着配置すると共に、各回折格子を構成する材料に低屈折率高分散材料と高屈折率低分散材料を用い、回折格子の高さを適切に設定し（以下、このような回折光学素子を「密着２層ＤＯＥ」という）特定の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率を得ることができる。なお、回折効率は全透過光束の光量に対する各次数の回折光の光量の割合と定義する。
【０００４】
さらに、特許文献２に開示されているように、可視波長域全域で９９％以上の高い回折効率を得るためには、部分分散比θｇＦが通常の材料より小さな値（リニア異常分散性）を有する材料を用いることが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第３７１７５５５号公報
【特許文献２】特開２００８−２４１７３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来の密着２層ＤＯＥでは回折格子を構成する材料の屈折率敏感度が高く、格子壁面の振る舞いを含めた回折効率の波長特性がばらつくという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、格子壁面の振る舞いを含めた設計次数の回折光における回折効率の波長特性のばらつきを低減する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】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明に係る回折光学素子は、
２つの分散の異なる材料より成る第１、第２の回折格子を積層し、
前記第１、第２の回折格子は互いの格子面が密着され、
前記第１、第２の回折格子壁面に薄膜を有し、
前記薄膜を構成する材料の青波長帯域の平均消衰係数ｋＢ、赤波長帯域の平均消衰係数ｋＲが以下の式を満たすことを特徴とする。
【０００９】
０．１＜ｋＢ−ｋＲ＜０．５
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、密着２層ＤＯＥにおいて、格子壁面の振る舞いを含めた設計次数の回折光における回折効率の波長特性のばらつきを低減する回折光学素子およびそれを有する光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】回折光学素子の要部概略図
【図２】本実施例の回折光学素子の素子構造を示す模式図
【図３】実施例１の回折光学素子の回折効率のグラフ
【図４】実施例２の回折光学素子の回折効率のグラフ
【図５】実施例３の回折光学素子の回折効率のグラフ
【図６】比較例の回折光学素子の素子構造を示す模式図
【図７】比較例１の回折光学素子の回折効率のグラフ
【図８】比較例２の回折光学素子の回折効率のグラフ
【図９】比較例３の回折光学素子の回折効率のグラフ
【図１０】本発明の実施例４である撮影光学系の構成を示す断面図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明の実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１３】
［実施例１］
図１は本発明の回折光学素子の正面図及び側面図である。
【００１４】
平板又はレンズより成る基板レンズ２０、３０の面に回折光学素子１０が形成されている。そして、回折光学素子１０が形成されている基板レンズ２０、３０の面は、曲面となっている。回折光学素子１０は光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状からなり、レンズ作用を有している。図２は図１の回折光学素子１０を図中Ａ−Ａ′断面で切断した断面形状である。図２は、格子形状を分かりやすくするために、かなりデフォルメされた図となっている。図２において、回折光学素子１０は、第１の回折格子１と第２の回折格子２が密着配置（積層）した密着ＤＯＥの構成となっている。第１、第２の回折格子は同心円状のブレーズ構造の格子形状からなり、格子ピッチを中心（光軸）から周辺へ向かって徐々に変化させることでレンズ作用（収斂作用又は発散作用）を得ている。そして、各回折格子は、全層を通して一つの回折光学素子１０として作用している。また、ブレーズ構造にすることで、回折光学素子１０に入射した入射光は特定の回折次数（図では＋１次）方向に集中して回折する。
【００１５】
また、本発明の回折光学素子の使用波長領域は可視域である。このため、可視領域全体で設計次数の回折光の回折効率が高くなるように、第１の回折格子１及び第２の回折格子２を構成する材料及び格子高さを選択している。すなわち、複数の回折格子（回折格子１，２）を通過する光の最大光路長差（回折部の山と谷の光学光路長差の最大値）が使用波長域内で、その波長の整数倍付近となるよう、各回折格子の材料及び格子高さが定められている。このように回折格子の材料、形状を適切に設定することによって、使用波長全域で高い回折効率が得られる。なお、一般的に、回折格子の格子高さは、格子周期方向に垂直な方向（面法線方向）の格子先端と格子溝の高さで定義される。
【００１６】
回折格子部１０は、回折格子（第１の回折格子）１と回折格子（第２の回折格子）２とが光軸方向に密着することによって形成され、回折格子１および２の格子壁面には薄膜３が設けられている。
【００１７】
回折光学素子の具体的に構成する材料は第１の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂を用いている。さらに屈折率を調整し、表１に示す材料を用いている。なお、格子高さｄは１１．００μｍ、設計次数は＋１次、入射角度は０ｄｅｇ、格子ピッチは１００μｍである。
【００１８】
【表１】
2018189863.tif 000003
【００１９】
また、微粒子を分散させた樹脂材料は、紫外線硬化樹脂であって、アクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系のいずれかの有機樹脂を含むが、特に限定されない。また、本実施例では設計次数を＋１次にしているが、設計次数を＋１次以外であっても同様の効果が得られるため、設計次数に限定されない。
【００２０】
微粒子は、酸化物、金属、セラミックス、複合物、混合物を含むが、特に限定されない。微粒子材料の平均粒子径は、回折光学素子への入射光の波長（使用波長又は設計波長）の１／４以下であることが好ましい。これよりも粒子径が大きくなると、微粒子材料を樹脂材料に混合した際に、レイリー散乱が大きくなる可能性が生じる。
【００２１】
微粒子を分散させた樹脂材料の代わりに、樹脂材料等の有機材料、ガラス材料、光学結晶材料、セラミックス材料等を使用してもよい。
【００２２】
薄膜３を構成する材料は着色組成物等に代表されるように消衰係数の波長特性が可視波長帯域内で急激に変化する材料が知られている。特に青波長帯域の平均消衰係数ｋＢ、赤波長帯域の平均消衰係数ｋＲが以下の式を満たす材料を設けている。膜厚ｗは８０ｎｍである。
【００２３】
１＜ｋＢ−ｋＲ＜０．５
この下限値を満たさないと回折効率の波長特性を均一にすることが困難になるため、好ましくない。上限値を満たさないと薄膜との界面で反射が発生してしまうので好ましくない。
【００２４】
また、前記薄膜を構成する材料は青波長帯域の平均消衰係数ｋＢ、緑波長帯域の平均消衰係数ｋＧ、赤波長帯域の平均消衰係数ｋＲが以下の式を満たしている。
【００２５】
ｋＲ＜ｋＧ＜ｋＢ
この式を満たさないと回折効率の波長特性を均一にすることが困難になるため、好ましくない。
【００２６】
これは例えば特許文献、特開２００７−１４７７３８号公報に開示されている透過率と膜厚から導出することが可能である。
【００２７】
吸収層の着色組成物は染料または顔料を分散した樹脂組成物で構成され、所望の特性を得ることができる。染料または顔料は分光透過率特性、耐熱性、耐光性、樹脂への分散性およびその安定性を考慮して選択することができる。具体的にはモノアゾ系材料，ジアゾ系材料，縮合ジアゾ系材料、フタロシアニン系材料、アントラキノン系材料、レーキ系材料など種々あり、さらにそれらを混合することによって所望の材料が得られる。顔料の微粒子径は分光透過率特性、分散性、均一性、安定性を考慮して選択することができる。一般的には顔料を分散した樹脂組成物のほうが耐久性が高く、より好ましい。
【００２８】
回折効率を評価した結果を図３に示す。図３は設計次数＋１次の回折光の回折効率の波長特性である。可視波長帯域である４００〜７００ｎｍに対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。
【００２９】
［実施例２］
実施例２は実施例１の材料の屈折率がばらついた場合の実施例である。第１の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂を用いている。材料が表２に示すように第１の回折格子の材料が実施例１の材料と比較して＋０．０００５０ばらついた材料を用いている。なお、格子高さｄは１１．００μｍ、設計次数は＋１次、入射角度は０ｄｅｇ、格子ピッチは１００μｍである。薄膜３を構成する材料は実施例１と同じで、膜厚ｗは５０ｎｍである。
【００３０】
【表２】
2018189863.tif 000004
【００３１】
回折効率を評価した結果を図４に示す。図４は設計次数＋１次の回折光の回折効率の波長特性である。可視波長帯域である４００〜７００ｎｍに対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。後に示す比較例と比較して、材料の屈折率が２つの材料の屈折率差が大きい方向にばらついた場合でも薄膜の膜幅を変更することにより回折効率の波長特性がほぼ均一にすることができる。
【００３２】
［実施例３］
実施例３は実施例１の材料の屈折率がばらついた場合の実施例である。第１の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂を用いている。材料が表３に示すように第１の回折格子の材料が実施例１の材料と比較して−０．０００５０ばらついた材料を用いている。なお、格子高さｄは１１．００μｍ、設計次数は＋１次、入射角度は０ｄｅｇ、格子ピッチは１００μｍである。薄膜３を構成する材料は実施例１と同じで、膜厚ｗは１００ｎｍである。
【００３３】
【表３】
2018189863.tif 000005
【００３４】
回折効率を評価した結果を図５に示す。図５は設計次数＋１次の回折光の回折効率の波長特性である。可視波長帯域である４００〜７００ｎｍに対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。後に示す比較例と比較して、材料の屈折率が２つの材料の屈折率差が小さい方向にばらついた場合でも薄膜の膜幅を変更することにより回折効率の波長特性がほぼ均一にすることができる。
【００３５】
実施例１〜３より回折光学素子の屈折率がばらついた場合でも薄膜の膜幅を調整することによって、回折効率の波長特性をほぼ均一にすることが可能である。
【００３６】
本発明の回折光学素子は薄膜の全体の幅ｗ及び格子ピッチＰは、以下の式を満たす。
【００３７】
ｗ／Ｐ＜０．０１
この式を満たさないと設計次数の回折効率の絶対値が低下するため好ましくなくなる。
【００３８】
また、薄膜を構成する材料の屈折率は前記第１の回折格子または前記第２の回折格子を構成する材料のうち低い屈折率を有する材料の該屈折率より高いほうが好ましい。これを満たさないと薄膜と回折格子の界面で反射が発生してしまうので好ましくない。
【００３９】
また、薄膜を構成する材料のｄ線の屈折率ｎｄ３、及び、前記第１の回折格子または前記第２の回折格子を構成する材料のうち高い屈折率を有する材料のｄ線の屈折率ｎｄ２は、以下の式を満たすことが好ましい。
【００４０】
｜ｎｄ３−ｎｄ２｜＜０．２
これを満たさないと薄膜と回折格子の界面で反射が発生してしまうので好ましくない。
【００４１】
［比較例１］
本発明の効果をより明らかにするために比較例１を示す。比較例１は実施例１〜３とは異なり、図６のように薄膜が設けられていない場合である。第１の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂を用いている。さらに屈折率を調整し、表４に示す材料を用いている。なお、格子高さｄは１１．００μｍ、設計次数は＋１次、入射角度は０ｄｅｇ、格子ピッチは１００μｍである。
【００４２】
【表４】
2018189863.tif 000006
【００４３】
回折効率を評価した結果を図７に示す。図７は設計次数＋１次の回折光の回折効率の波長特性である。可視波長帯域である４００〜７００ｎｍに対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。
【００４４】
［比較例２］
比較例２は比較例１の材料の屈折率がばらついた場合の実施例である。第１の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂を用いている。材料が表５に示すように第１の回折格子の材料が比較例１の材料と比較して＋０．０００５０ばらついた材料を用いている。なお、格子高さｄは１１．００μｍ、設計次数は＋１次、入射角度は０ｄｅｇ、格子ピッチは１００μｍである。
【００４５】
【表５】
2018189863.tif 000007
【００４６】
回折効率を評価した結果を図8に示す。図8は設計次数＋１次の回折光の回折効率の波長特性である。可視波長帯域である４００〜７００ｎｍに対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率の波長特性は短波長側が低くなっている。
【００４７】
［比較例３］
比較例３は比較例１の材料の屈折率がばらついた場合の実施例である。第１の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料としてアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂を用いている。材料が表６に示すように第１の回折格子の材料が比較例１の材料と比較して−０．０００５０ばらついた材料を用いている。なお、格子高さｄは１１．００μｍ、設計次数は＋１次、入射角度は０ｄｅｇ、格子ピッチは１００μｍである。
【００４８】
【表６】
2018189863.tif 000008
【００４９】
回折効率を評価した結果を図９に示す。図９は設計次数＋１次の回折光の回折効率の波長特性である。可視波長帯域である４００〜７００ｎｍに対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率の波長特性は短波長側が高くなっている。
【００５０】
比較例１〜３より回折光学素子の屈折率がばらついた場合、回折効率の波長特性がばらつくことがわかる。
【００５１】
［実施例４］
本発明の実施例４の概略図を図１０に示す。図１０はカメラ等の撮影光学系の断面を示したものであり、同図中、１０１は撮影レンズで、内部に絞り４０と本発明の前述した各実施例の回折光学素子１０を有している。４１はフィルムまたはＣＣＤ等の光電変換素子の結像面である。回折光学素子１０は撮影レンズ１０１の色収差を補正している。本発明の回折光学素子を適用すれば、波長特性が良好で且つ高い回折効率を可能にしているので、フレアが少ない高性能な撮影レンズが得られる。図１０では前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子１０を設けたが、これに限定されるものではなく、撮影光学系内に複数、回折光学素子を使用しても良い。また、本実施例では、カメラの撮影光学系の場合を示したが、これに限定されるものではなく、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、デジタル複写機のリーダーレンズなど広波長域で使用される光学機器に使用しても同様の効果が得られる。
【符号の説明】
【００５２】
１０  回折光学素子、１  第１の回折格子、２  第２の回折格子、
２０，３０  基板レンズ、４０  絞り、４１  結像面、１０１  撮影レンズ
【図１】
2018189863.tif 000009
【図２】
2018189863.tif 000010
【図３】
2018189863.tif 000011
【図４】
2018189863.tif 000012
【図５】
2018189863.tif 000013
【図６】
2018189863.tif 000014
【図７】
2018189863.tif 000015
【図８】
2018189863.tif 000016
【図９】
2018189863.tif 000017
【図１０】
2018189863.tif 000018