(57)【要約】【課題】像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供する。【解決手段】本発明は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、第１の格子面と第１の格子壁面とを備えた第１の回折格子と、前記第１の格子壁面に配置された反射部材と、第２の格子面と第２の格子壁面とを備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記反射部材と接するように配置された第２の回折格子とを有する。前記光学系の軸外光束の入射角度以上の角度で入射する画面外入射光束が、前記レンズの面法線に対して前記回折光学素子に所定の入射角度で入射したとき、前記第１の格子壁面又は前記第２の格子壁面から射出する光束の最大強度の射出角度は適切に設定され、前記反射部材の最大幅、及び、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のそれぞれの格子ピッチは、適切の関係に設定される。【選択図】図３
2011257663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、
第１の格子面と第１の格子壁面とを備えた第１の回折格子と、
前記第１の格子壁面に配置された反射部材と、
第２の格子面と第２の格子壁面とを備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記反射部材と接するように配置された第２の回折格子と、を有し、
前記光学系の軸外光束の入射角度以上の角度で入射する画面外入射光束が、前記レンズの面法線に対して前記回折光学素子に入射角度ωｉで入射したとき、前記第１の格子壁面又は前記第２の格子壁面から射出する光束の最大強度の射出角度ωｏは、以下の式（１）を満たし、
ωｏ≧ωｉ            …  （１）
前記反射部材の最大幅Ｗ（μｍ）、及び、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のそれぞれの格子ピッチＰ（μｍ）は、以下の式（２−１）、（２−２）を満たすことを特徴とする回折光学素子。
０＜Ｗ／Ｐ＜０．０４  …  （２−１）
０．０２＜Ｗ          …  （２−２）
【請求項２】
前記反射部材は、均一な厚さの膜形状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。
【請求項３】
前記第１の格子面と前記面法線とのなす角度α、該第１の格子面と前記第２の格子壁面とのなす角度β、及び、該第１の格子面と前記第１の格子壁面とのなす角度γは、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。
β≦α＜γ
【請求項４】
前記角度β、γは、更に以下の式を満たすことを特徴とする請求項３に記載の回折光学素子。
γ−β＞０．５°
【請求項５】
前記反射部材の厚さは、入射側から射出側に向けて増加していることを特徴とする請求項３又は４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記反射部材を構成する材料の可視波長帯域における消衰定数ｋは、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
０．８＜ｋ
【請求項７】
前記反射部材は、金属又は金属を含有した材料から構成されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子と、
前記回折光学素子の後側に配置された絞りと、を有することを特徴とする光学系。
【請求項９】
請求項８に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子において、２つの回折格子を密着配置し、各回折格子を構成する材料と格子高さを適切に設定することで広い波長帯域で高い回折効率を得ることが知られている。この格子面と格子壁面を備えた回折光学素子に光束が入射すると、その入射光束が格子壁面で反射又は屈折することにより、不要光（フレア）が発生する。特許文献１には、格子壁面を吸収体又は金属材料で被覆した被覆層を設け、球面波状の波の発生を抑えて設計回折次数の回折効率を向上させた回折光学素子が開示されている。特許文献２には、格子壁面に金属材料を形成し、設計入射光束のうちで格子壁面に入射する光束を回折角方向に反射させることで、設計回折次数の回折効率を向上させた回折光学素子が開示されている。特許文献３は、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用した回折効率の計算について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３１５５２６号公報
【特許文献２】特開２００５−１１５１７６号公報
【特許文献３】特開２００９−２１７１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子において、特に問題となる不要光は設計入射光束とは異なる斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束により高屈折率媒質と低屈折率媒質の界面で発生する全反射に起因する不要光である。しかし特許文献１及び特許文献２には、設計入射光束とは異なる斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束により不要光が発生する問題については言及されていない。このため、特許文献１及び特許文献２に開示された回折光学素子の構成では、不要光を低減させることはできず、像性能の劣化を効果的に抑制することができない。
【０００５】
そこで本発明は、像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての回折光学素子は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、第１の格子面と第１の格子壁面とを備えた第１の回折格子と、前記第１の格子壁面に配置された反射部材と、第２の格子面と第２の格子壁面とを備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記反射部材と接するように配置された第２の回折格子とを有する。前記光学系の軸外光束の入射角度以上の角度で入射する画面外入射光束が、前記レンズの面法線に対して前記回折光学素子に所定の入射角度で入射したとき、前記第１の格子壁面又は前記第２の格子壁面から射出する光束の最大強度の射出角度は、適切に設定される。前記反射部材の最大幅、及び、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子のそれぞれの格子ピッチは、適切の関係に設定される。
【０００７】
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。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、像性能の劣化を抑制する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】
【０００９】
【図１】本実施例における回折光学素子の要部概略図である。
【図２】（ａ）実施例１の回折光学素子を備えた光学系の要部断面図、（ｂ）前記光学系における不要光の光線の概念図である。
【図３】本実施例における回折光学素子の拡大断面図である。
【図４】実施例１の回折光学素子の素子構造と画面外入射光束の関係を示す模式図である。
【図５】実施例１における回折格子部の拡大断面図である。
【図６】実施例１における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図７】実施例１における回折光学素子の設計入射光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図８】実施例１における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図９】実施例１における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図１０】実施例２における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１１】実施例３における回折格子部の拡大断面図である。
【図１２】実施例３における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１３】実施例４における回折格子部の拡大断面図である。
【図１４】実施例４における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１５】本実施例における回折光学素子の要部概略図である。
【図１６】実施例５における撮影光学系の概略断面図である。
【図１７】比較例における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１８】比較例における回折光学素子の設計入射光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図１９】比較例における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図２０】比較例における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２１】比較例における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図２２】比較例における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２３】比較例における回折光学素子の構造と画面外入射光束との関係を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
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。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１１】
まず、本発明の実施例１における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子は、光学系のレンズに適して用いられる。図１は、回折光学素子の概略図（正面図及び側面図）である。回折光学素子１は、平板又はレンズより構成される基板２、３に挟まれた回折格子部１０を備えて構成される。本実施例では、回折格子部１０が設けられる基板２、３の面は、曲面となっている。回折格子部１０は、光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状であり、レンズ作用を有する。
【００１２】
図３は、図１のＡ−Ａ’面を切断して拡大した回折光学素子１の拡大断面図である。格子形状を分かりやすくするために、図３は格子深さ方向にデフォルメされた図となっている。また、格子数も実際よりは少なく描かれている。以降に説明する断面図についても同様である。図３に示されるように、回折光学素子１の回折格子部１０は、第１の回折格子１１、第２の回折格子１２、及び、反射部材２０を備えて構成される。第１の回折格子１１は、格子面１１ａ（第１の格子面）と格子壁面１１ｂ（第１の格子壁面）とを備え、第１の屈折率を有する。第２の回折格子１２は、格子面１２ａ（第２の格子面）と格子壁面１２ｂ（第２の格子壁面）とを備える。第２の回折格子１２は、第１の屈折率とは異なる第２の屈折率を有する。第１の回折格子１１の格子面１１ａは、第２の回折格子１２の格子面１２ａと接している（密着している）。反射部材２０は、格子壁面１１ｂ、１２ｂとの間に配置され、膜形状構造を有する。反射部材２０の材料や形状を適切に設定することにより、斜入射（画面外入射）光束によって発生する不要光を制御し、結像面に到達する不要光を減少させることが可能となる。格子壁面１１ｂは反射部材２０の一方の面に接し、格子壁面１２ｂは反射部材２０の他方の面に接している。
【００１３】
図１及び図３に示されるように、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、それぞれ格子面１１ａ、１２ａと格子壁面１１ｂ、１２ｂから構成される同心円状のブレーズ構造の回折格子である。そして、光軸Ｏから円の外周に近づくに従って格子ピッチＰを徐々に変化させることにより、レンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を有するように構成されている。また、格子面１１ａ、１２ａ及び格子壁面１１ｂ、１２ｂは、反射部材２０を介して互いに隙間なく接しており、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、全体で１つの回折格子部１０として作用する。また、回折格子部１０をブレーズ構造にすることで、回折光学素子１に入射した光（入射光）は、回折格子部１０で回折せずに透過する０次回折方向に対し、特定の回折次数（本実施例では＋１次）方向に集中して回折する。
【００１４】
また、本実施例の回折光学素子１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１１及び第２の回折格子１２を構成する材料及び格子高さｄが選択される。すなわち、複数の回折格子（第１の回折格子１１、第２の回折格子１２）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に、各回折格子の材料及び格子高さｄが決定される。このように回折格子の材料及び形状を適切に設定することにより、使用波長全域で高い回折効率が得られる。なお、回折格子の格子高さｄ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。また、格子壁面が面法線方向からシフトしているときや格子先端が変形しているとき等の場合には、格子面の延長線と面法線との交点との距離で定義される。
【００１５】
続いて、本実施例における回折光学素子１の構成および不要光について説明する。図４は、回折光学素子１を構成する回折格子部１０の拡大断面図である。格子形状を分かりやすくするために、図４は格子深さ方向にデフォルメされ、また、格子数も実際よりは少なく描かれている。以降の断面図についても同様である。図５は、回折格子部１０をさらに拡大した断面図である。
【００１６】
第１の回折格子１１を形成する材料としては、フッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５０４、νｄ＝１６．３、θｇＦ＝０．３９０、ｎ５５０＝１．５１１）が用いられる。第２の回折格子１２を形成する材料としては、アクリル製紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５６７、νｄ＝４７．０、θｇＦ＝０．５６９、ｎ５５０＝１．５７０）が用いられる。格子高さｄは９．２９μｍ、設計次数は＋１次である。なお、各回折格子１１，１２のそれぞれのｎｄはｄ線に対する屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数、θｇＦはｇ線とＦ線に対する部分分散比、n５５０は波長５５０ｎｍに対する屈折率である。また、格子壁面１ｂ、１ｂ’に沿って、略膜形状の反射部材２０が設けられている。反射部材２０は、格子壁面に沿って実質的に均一な厚さの薄膜形状を有し、斜入射（画面外入射）光束によって発生する不要光を制御し、結像面に到達する不要光を減少させる。反射部材２０を構成する材料は例えばＡｌで、反射部材２０の幅ｗは１．０μｍである。
【００１７】
図６は、回折光学素子１の設計入射角度である入射角度０度（図５のａ）、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおいて、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）を行った結果である。図６（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図６（ｂ）は、図６（ａ）の縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について示した結果である。回折角は、図５の下向きを正の方向としている。図６（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．４６％（回折角＋０．２０度）である。残りの光は不要光となり、図６（ｂ）に示されるように、略０次光を中心にピークを有する不要光となって伝播する。この不要光は、図７に示されるように、入射光束の格子壁面付近に入射する成分のうち、格子壁面に対して、高屈折率材料側（第２の回折格子１２側）に入射する光束ａ’は、格子壁面において高屈折率材料側に回り込む。また、低屈折率材料側（第１の回折格子１１側）に入射する光束ａ’’は、光束ａ’を反転させたように格子壁面において低屈折率材料側に回り込む。これは、格子壁面の反射部材２０により、格子壁面の低屈折率材料側から高屈折率材料側への電磁場の伝播が遮断されたためと考えられる。また、反射部材２０により、本来、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次（およそ±３５次、回折角±１０度）の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ここで想定される格子ピッチＰは、一つの基準として１００μｍとしている。図１に示されるように、光軸に近い輪帯ほど格子ピッチは大きくなり、格子壁面および反射部材２０による悪影響が小さくなる。このため、設計次数の回折効率は高く、不要光の回折効率は低くなる。
【００１８】
次に、実際の光学系に回折光学素子１を適用した場合において、画面外光の入射に伴って発生する不要光について説明する。図２（ａ）は、本実施例の回折光学素子を備えた望遠タイプの撮影光学系（光学系）の概略構成図である。この撮影光学系には、回折光学素子１に加えて絞り４０と結像面４１が設けられ、焦点距離ｆ＝３９２．００ｍｍ、Ｆ値Ｆｎｏ＝４．１２、半画角３．１６度であり、第２面に回折面が設けられている。図２（ｂ）は、図２（ａ）の光学系における不要光の模式図である。
【００１９】
図２（ｂ）及び図４において、光軸Ｏに対して入射角ωで入射した画面外光束Ｂ，Ｂ’は、回折光学素子１の基板２を通過後、それぞれ光軸Ｏから図中の上方向に数えてｍ番目、図の下方向に数えてｍ番目の回折格子であるｍ格子、ｍ’格子に入射する。画面外光束Ｂ，Ｂ’のｍ格子、ｍ’格子に対しての入射角度は、主光線方向に対して角度ωｉ、ωｉ’である。ここで、格子壁面１ｂ、１ｂ’の高さ方向は主光線方向と等しいものとする。
【００２０】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図５のｂ、図４のＢ）を想定する。図８は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。入射角は、図５の下向きを正の方向としている。図８（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について示した結果である。回折角は、図５の下向きを正の方向としている。図８（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しているが、回折効率は９６．００％（回折次数＋１、回折角＋９．９４度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は、像面に到達することはないためその影響は小さい。残りの不要光は、図８（ｂ）に示されるように、特定の角度方向にピークをもつ不要光となって伝播する。この不要光は略−１０度方向にピークを有し、この伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度＋１０度の光束の成分が全反射して伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。
【００２１】
図２、図４に示されるように、回折光学素子を光学系に適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が、少なくとも像面に到達する。図７の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６（回折角＋０．３４度）の回折効率が０．００３８％、回折次数−４７（回折角＋０．１４度）の回折効率が０．００３９％となる。このように、回折効率は極めて小さい。
【００２２】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図５のｃ、図４のＢ’）を想定する。図９は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。入射角は、図５の下向きを正の方向とする（図４のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図９（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図９（ｂ）は、図９（ａ）の縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について示した結果である。図９（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しているが、回折効率は９５．８０％（回折次数＋１、回折角−９．４２度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下する。この画面外光入射角度の＋１次回折光は、像面に到達することはないためその影響は小さい。残りの不要光は、図９（ｂ）に示されるように、特定の角度方向にピークを有する不要光となって伝播する。この不要光は、略＋１０度方向にピークを有する。この略＋１０度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度光束が反射部材２０で反射した反射光の射出方向＋１０度に略等しい。
【００２３】
図２、図４に示されるように、回折光学素子を光学系に適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が、少なくとも像面に到達する。図９の回折角＋０．２０度付近の回折効率はＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９（回折角＋０．２６度）の回折効率が０．００４３％、回折次数＋４８（回折角＋０．０６度）の回折効率が０．００４１％である。このように、回折効率は極めて小さい。
【００２４】
本実施例の回折光学素子１を適用した光学系に画面外光束が入射した場合、反射部材２０を設けることにより、図２、図４に示されるように、ｍ格子及びｍ’格子での不要光は極めて小さくなる。この結果、結像面に到達する不要光が小さくなるため、像性能の低下を抑制することができる。同時に、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響しない程度に抑制することができる。
なお、ここでは格子ピッチ１００μｍとしている。さらに格子ピッチの広い輪帯においては壁面の寄与が小さくなるため、設計次数の回折効率は高く、不要光の回折効率は低くなる。また、図示してはいないが、この不要光の伝播方向については格子ピッチに依存せず、伝播方向は同じであった。このため、ひとつの基準として格子ピッチ１００μｍの回折効率を示している。
また、ここでは画面外光束Ｂ，Ｂ’の入射角は画面外＋１０度（光軸方向に対しては入射角ωは＋１３．１６度）を想定する。この入射角度より小さい角度ではレンズ表面や結像面反射によるゴーストやレンズ内部、表面微小凹凸による散乱が多いため回折光学素子の不要光は比較的目立たない。また、この入射角度より大きい角度では、前側レンズ面の反射やレンズ鏡筒による遮光により回折光学素子の不要光の影響度は比較的小さい。このため、画面外入射光束は＋１０度付近が回折光学素子の不要光に対して最も影響が大きく、ここでは画面外光束の入射角は略＋１０度を想定する。
【００２５】
本実施例では、図２（ｂ）に示されるように、不要光のピークが絞り４０で遮光されている（図２（ｂ）中のＢｍ−及びＢ’ｍ−）が、これは一例であって、これに限定されるものではない。不要光のピークをレンズ鏡筒に導いて遮光し、又は、後側のレンズにより像面に到達しない角度に反射させること等によっても不要光の抑制は可能である。また、本実施例では、代表的な格子についての例を示している。勿論、全回折格子に渡って、結像面に到達する回折次数及び回折効率をＲＣＷＡ計算することが好ましく、より厳密な評価が可能である。また、この手法を光学系に対して適用することにより、結像面に到達する不要光の厳密な計算を行うことができ、不要光を抑制した回折光学素子を設計することが可能となる。
【００２６】
また、本実施例において、各回折格子の材料や格子高さは限定されない。本実施例では、回折格子の材料として微粒子を分散させた樹脂材料を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、樹脂材料等の有機材料、ガラス材料、光学結晶材料、又は、セラミックス材料等を用いてもよい。また、微粒子を分散させる微粒子材料としては、酸化物、金属、セラミックス、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子材料を用いることができるが、これらの微粒子材料に限定されるものではない。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いと、微粒子材料を樹脂材料に混合する際にレイリー散乱が大きくなる可能性がある。また、微粒子材料を混合する樹脂材料としては、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が適して用いられるが、これらの樹脂材料に限定されるものではない。本実施例では、設計次数を＋１次にしているが、これに限定されるものではない。＋１次以外の設計次数であっても同様の効果が得られる。
【００２７】
本実施例の反射部材２０を構成する材料はＡｌ等の金属材料（又は、金属を含有した材料）であるが、画面外入射光束を反射させる作用を有するものであれば、金属材料に限定されるものではない。例えば、樹脂にブラックカーボン等の炭素系微粒子や金属酸化物、金属硫化物、金属炭酸塩等の金属化合物微粒子や顔料、染料等を分散させて構成された材料が用いられる。また、微細構造により同等の効果をもつ構造やカーボンナノチューブ等によっても実現可能である。また、反射部材２０の幅又は形状を回折光学素子の輪帯毎に変えるように制御することも可能である。この結果、結像面に到達する不要光を効果的に抑制することができる。
【００２８】
反射部材２０の製造方法は、特に限定されるものではない。例えば、まず第２の回折格子１２を製造し、その後、反射部材２０を選択的に形成する。具体的には、反射部材２０を構成する材料を真空蒸着手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でパターニングしてから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や、インクジェットプロセスを用いて格子壁面部のみに直接形成する方法等を用いることができる。その後、第１の回折格子１１を形成することで回折光学素子を製造することができる。
【００２９】
本実施例では、回折光学素子１の第１の回折格子１１と第２の回折格子１２の屈折率の関係がｎ１１＜ｎ２２であるとして説明しているが、この関係がｎ１１＞ｎ２２であっても構わない。第１の回折格子１１と第２の回折格子１２の屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２の場合には、屈折率の関係が逆であるため、回折格子の格子形状の向きも逆に構成される。
【実施例２】
【００３０】
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。本実施例は、反射部材の幅（厚さ）が実施例１とは異なるが、他の構成は実施例１と同様であるため、実施例１と同様の構成に関する説明は省略する。本実施例の反射部材２０の幅ｗ（厚さ）は０．１μｍである。
【００３１】
図１０（ａ）は、設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおける回折光学素子に対してＲＣＷＡ計算を行った結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９８．３８％である。残りの光は不要光となり、実施例１と同様略０次光を中心にピークを有する不要光となって伝播する。本実施例の反射部材２０は、実施例１より幅（厚さ）が薄くなっている。このため、本実施例では、実施例１と比較して＋１次回折光の回折効率の低減量が小さくなる。
【００３２】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）の回折光学素子に入射する光束を想定して図１０（ｂ）に、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しており、回折効率は９６．９５％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、実施例１と同様、略−１０度方向にピークを有する。この伝播方向は格子壁面に入射する画面外入射角度＋１０度の光束の成分が全反射して伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。
【００３３】
図２、図４に示されるように、回折光学素子を光学系に適用した場合の画面外光が入射した際の不要光については、設計入射角での設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が、少なくとも像面に到達する。これにより、図１０（ａ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果より、回折次数−４６の回折効率が０．００７８％、回折次数−４７の回折効率が０．００７８％となる。このように、回折効率は大幅に減少する。
【００３４】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して図１０（ｃ）に入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中し、回折効率は９６．７４％で設計入射角度である０度から傾いているため低下する。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、実施例１と同様図１０（ｃ）に示されるように、略＋１０度方向にピークを有する。この略＋１０度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度の光束が反射部材で反射した反射光の射出方向＋１０度に略等しい。
【００３５】
図２、図４に示されるように、回折光学素子を光学系に適用した場合の画面外光が入射した際の不要光については、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が、少なくとも像面に到達する。図９の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果より、回折次数＋４９の回折効率が０．００７４％、回折次数＋４８の回折効率が０．００７５％である。このように、回折効率の値は極めて小さくなる。
【００３６】
本実施例の回折光学素子を適用した光学系に画面外光束が入射した場合、反射部材を設けることにより、結像面に到達する不要光を減少させることができるため、像性能の低下を抑制することが可能となる。また、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することが可能となる。反射部材の膜厚依存性は小さく反射部材の構造敏感度が小さいため、反射部材の材料や製造プロセスの選択が広がる。
【実施例３】
【００３７】
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。本実施例では、反射部材の構造が実施例１、２とは異なる。本実施例の反射部材は、格子壁面に沿って略均一な厚さの薄膜形状を有しない。図１１は、本実施例における回折格子部の拡大断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ及び設計次数は、実施例１及び２と同様である。本実施例の回折光学素子には反射部材２４が設けられている。反射部材２４は、格子壁面に沿って均一な膜形状ではなく、回折格子の頂点からその幅（厚さ）が厚くなるように形成されている。すなわち反射部材２４は、図１１中の入射側（左側）から射出側（右側）に向かって幅（厚さ）が厚くなるように形成されている。回折光学素子の格子面（第１の格子面、第２の格子面）と面法線とのなす角度をα、格子面と第２の格子壁面とのなす角度をβ、格子面と第１の格子壁面とのなす角度をγとすると、α＝β＜γが成立する。反射部材２４はＡｌで構成され、反射部材２４の角度θ（θ＝γ―α）は２ｄｅｇで膜形状の最大幅Ｗは０．３２μｍである。なお、角度θは面法線方向に対する反射部材２４の角度である。
【００３８】
図１２（ａ）は、回折光学素子への入射角度が設計入射角度である０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍの場合にＲＣＷＡ計算を行った結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９８．１０％（回折角＋０．２０度）である。残りの光は不要光となり、実施例１と同様に図１２（ａ）に示されるように、略０次光を中心にピークを有する不要光となって伝播する。本実施例において、回折光学素子全域を考慮した場合、この格子ピッチ１００μｍの回折効率０．６６％の低減量は、設計入射角度（撮影光入射角度）において日中の太陽等の高輝度光源を直接撮影することは稀であるため、ほとんど影響せず、問題とはならない。
【００３９】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して、図１２（ｂ）に入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しており、回折効率は９６．９８％（回折次数＋１、回折角＋９．９４度）であり、設計入射角度である０度から傾いているため低下する。画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達しないため、その影響は小さい。残りの不要光は、実施例１と同様に図１２（ａ）に示されるように、略−１０度方向にピークを有する。その伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度＋１０度の光束の成分が全反射して伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。図２、図３に示されるように、回折光学素子を光学系に適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が少なくとも像面に到達する。これより、図１２（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６の回折効率が０．００７２％、回折次数−４７の回折効率が０．００７１％である。反射部材を設けることにより、回折効率は大幅に減少する。
【００４０】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して図１２（ｃ）に入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中している。回折効率は９６．１２％（回折次数＋１、回折角−９．４２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図１２（ｃ）に示されるように、略＋１５度方向にピークを有する。この略＋１５度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度光束が反射部材で反射した反射光の射出方向＋１４度に略等しい。本実施例では、略均一膜形状の反射部材を備えた実施例１及び２の場合の射出方向よりも高角度にシフトして射出している。これは、反射部材が回折格子の頂点から、その厚さが厚くなる構造であって、入射角度−１０度の入射光が反射する角度がシフトしたためである。このように反射部材の構造を変化させることによって不要光のピークをシフトさせることができる。
【００４１】
図２、図４に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が少なくとも像面に到達する。図１２（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率が０．００４５％、回折次数＋４８の回折効率が０．００４６％である。この回折効率は実施例１及び２よりも低い。これは、反射部材に角度を設けることで不要光のピークを高射出角度にシフトさせているためである。本実施例では、少なくとも結像面に到達する回折角度＋０．２０度に略一致する回折効率が減少している。
【００４２】
以上のように、反射部材を設けた回折光学素子が適用された光学系に画面外光束が入射した場合、結像面に到達する不要光を小さくし、像性能の低下を抑制することができる。また、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することができる。また、本実施例の反射部材は、製造上の製造公差、量産性やコスト等を考慮して、その製造方法を適宜選択することができる。また、反射部材の角度を制御することにより、不要光のピークをシフトさせることができる。このため、光学系に応じて、不要光を制御して結像面に到達することを抑制することができる。
【００４３】
本実施例では、反射部材２４は第２の回折格子１２の格子壁面に対して傾いて設けられているが、これに限定されるものではない。反射部材２４は、逆に、第１の回折格子１１の格子壁面に対して傾いて設けられてもよい。また反射部材２４は、入射側が薄くて射出側が厚い構造となっているが、逆に、入射側が厚くて射出側が薄い構造でも構わない。また、格子壁面の位置によって反射部材２４の厚さが任意に変化した構造であってもよい。
【実施例４】
【００４４】
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。本実施例は、実施例３の変形例であり、反射部材が格子壁面に沿って不均一な厚さを有する反射部材についての実施例である。図１３は、実施例４の回折格子の拡大断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、及び、設計次数は、実施例１乃至３と同様である。回折光学素子の格子面（第１の格子面、第２の格子面）と面法線とのなす角度をα、格子面と第２の格子壁面とのなす角度をβ、格子面と第１の格子壁面とのなす角度をγとすると、β＜α＜γが成立する。反射部材２４の材料はＡｌであり、反射部材２４の角度θ１、θ２はいずれも２ｄｅｇ、反射部材２４の最大幅Ｗは０．６５μｍである。角度θ１（＝γ−α）は、図１３の断面図において、面法線方向と、反射部材２４と第１の回折格子１１との接触面方向（格子壁面）とのなす角度である。角度θ２（＝α−β）は、面法線方向と、反射部材２４と第２の回折格子１２との接触面方向（格子壁面）とのなす角度である。
【００４５】
図１４（ａ）は、設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．７９％（回折角＋０．２０度）である。残りの光は不要光となり、実施例１と同様図１４（ａ）に示されるように、略０次光を中心にピークを有する不要光となって伝播する。また反射部材２４によって、本来、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次（およそ±３５次、回折角±１０度）の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。
【００４６】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して図１４（ｂ）に入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中している。回折効率は９６．３３％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、略＋１５度方向にピークを有する。この略＋１５度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度光束が反射部材２４で反射した反射光の射出方向＋１４度に略等しい。本実施例では、実施例１乃至３よりも高角度にシフトして射出している。これは、反射部材２４が回折格子の頂点から、その厚さが厚くなる構造であって、入射角度−１０度の入射光が反射する角度がシフトしたためである。このように反射部材の構造を変化させることによって不要光のピークをシフトさせることができる。
【００４７】
図２、図３に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が少なくとも像面に到達する。これより、図１４（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６の回折効率が０．００３７％、回折次数−４７の回折効率が０．００３５％である。本実施例の回折効率は、実施例１乃至３の場合よりも低い。これは、反射部材に角度を設けて不要光のピークを高射出角度にシフトさせることにより、少なくとも結像面に到達する回折角度＋０．２０度に略一致する回折効率が減少しているためである。
【００４８】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して図１４（ｃ）に入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中している。回折効率は９６．１７％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図１４（ｃ）に示されるように、略＋１５度方向にピークを有する。この略＋１５度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度の光束が反射部材で反射した反射光の射出方向＋１４度に略等しい。本実施例では、略均一膜形状の反射部材を備えた実施例１と２の場合の射出方向よりも高角度にシフトして射出している。これは、反射部材が回折格子の頂点から、その厚さが厚くなる構造であって入射角度−１０度の入射光が反射する角度がシフトしたためである。このように反射部材の構造を変化させることによって不要光のピークをシフトさせることができる。
【００４９】
図２、図３に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が少なくとも像面に到達する。図１４（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率が０．００３６％、回折次数＋４８の回折効率が０．００３７％である。この回折効率は、実施例１及び２の場合よりも低い。反射部材に角度を設けて不要光のピークを高射出角度にシフトさせることにより、少なくとも結像面に到達する回折角度＋０．２０度に略一致する回折効率が減少している。
【００５０】
以上のように、本実施例の回折光学素子によれば、結像面に到達する不要光を小さくし、像性能の低下を抑制することができる。また、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することができる。また、本実施例における反射部材の角度θ１、θ２によって不要光のピークをシフトさせることができ、角度θ１、θ２をそれぞれ独立に制御することにより不要光を制御することが可能である。実施例１乃至４では、少なくとも結像面に到達する不要光にのみ具体的数値を示している。ただし、回折光学素子の後の光学系、絞りの位置によって不要光が像面に到達する回折次数、回折角度（図２（ｂ）のＢｍ〜Ｂｍ＋の関係）の範囲が異なり、像性能の低下を招く場合がある。このため、光学系に応じて、角度θ１、θ２によって不要光を制御して結像面に到達することを抑制することができる。この反射部材の角度は、特に光学系の焦点距離、光学系における回折光学素子の位置等によって変わり、適宜適切に設計すればよい。光学系の焦点距離が長く、回折光学素子の位置がより物体側に配置するほど角度を小さくすることができる。
【００５１】
次に、上述の実施例１乃至４について、表１を用いて説明する。表１は、実施例１乃至４の回折光学素子に用いられる第１の回折格子の材料のｄ線での屈折率ｎｄ１、アッベ数ｖｄ１、部分分散比θｇＦ１および波長５５０ｎｍの屈折率ｎ１＿５５０を示す。また、第２の回折格子の材料のｄ線での屈折率ｎｄ２、アッベ数ｖｄ２、波長５５０ｎｍの屈折率ｎ２＿５５０を示す。また、回折格子の格子高さｄ、反射部材を構成する材料、形状、実施例３、４については反射部材の幅、実施例１、２については反射部材の角度、最大幅をそれぞれ示す。
【００５２】
【表１】
2011257663.tif 000003
【００５３】
実施例１乃至４のように、光学系の軸外光束の入射角度以上の角度で入射する画面外入射光束が、レンズ（回折光学素子）の面法線に対して回折光学素子に入射角度ωｉで入射したときを想定する。このとき、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）から射出する光束の最大強度の射出角度ωｏ（レンズの面法線に対する角度）は、好ましくは、以下の式（１）を満たす。
ωｏ≧ωｉ              …  （１）
式（１）を満たすことにより、不要光を制御して結像面に到達する不要光を抑制することができる。
【００５４】
また、回折光学素子の格子面（第１の格子面１１ａ、第２の格子面１２ａ）と面法線とのなす角度α、格子面と第２の格子壁面１２ｂとのなす角度β、及び、第１の格子面１１ａと第１の格子壁面１１ｂとのなす角度γは、以下の式（２）を満たすことが好ましい。
【００５５】
β≦α＜γ  …  （２）
角度β、γが式（２）を満たすように設定することで、不要光を制御することができる。この反射部材の角度は、特に光学系の焦点距離、光学系における回折光学素子の位置等に応じて適宜設計される。また、角度β、γは、反射部材の機能を十分に発揮するため、以下の式（３）を満たすことがより好ましい。
【００５６】
γ−β＞０．５°  …  （３）
また、反射部材が格子壁面の５０％以上の領域に形成されることによって不要光を効果的に反射させることができる。
【００５７】
反射部材の幅が大きくなると、位相の不整合領域が拡大し、設計次数の回折効率が低下する。このため、反射部材の最大幅Ｗ（μｍ）、及び、回折格子（第１の回折格子１１、第２の回折格子１２）のそれぞれの格子ピッチＰ（μｍ）は、以下の式（４）を満たすことが好ましい。
０＜Ｗ／Ｐ＜０．０４  …  （４）
実施例３、４のように反射部材の厚さが入射側から射出側に向けて増加している場合（反射部材が不均一な膜厚である場合）、反射部材の幅の最大距離が式（４）を満足することが好ましい。なお、格子ピッチＰを基準として１００μｍとした回折格子を示したが、設計次数の回折効率に関しては反射部材の幅ｗと格子ピッチＰの関係は線形関係を有する。反射部材の幅ｗと格子ピッチＰの回折格子の設計次数の回折効率と反射部材の幅ｗ×２と格子ピッチＰ×２の回折格子の設計次数の回折効率はほぼ同じである。例えば、実施例１に示した格子ピッチ１００μｍ、反射部材の幅の和１．０μｍの回折格子と格子ピッチ２００μｍ、反射部材の幅の和２．０μｍの回折格子の設計次数の回折効率はほぼ同じである。このため、格子ピッチＰと反射部材の最大幅Ｗの関係式は式（４）を満たすことが好ましい。像性能に影響ない回折光学素子を得るためには、以下の式（５）を満たすことがより好ましい。
【００５８】
０＜Ｗ／Ｐ＜０．０２  …  （５）
また、反射部材の膜厚に関し、反射部材への入射角度が通常よく用いられる光学機器の反射膜より高角度であるため、通常の反射膜では膜厚が２００ｎｍ以上必要である。一方、各実施例の反射部材はそれよりも薄い反射膜で十分な反射機能を発揮できるため、以下の式（６）を満足することが好ましい。
【００５９】
０．０２＜Ｗ  …  （６）
また、反射部材を構成する材料としては、不要光を効果的に反射させるため、可視波長帯域における消衰定数ｋが以下の式（７）を満足する材料から選択することが好ましい。
【００６０】
０．８＜ｋ  …  （７）
また、実施例１乃至４では、密着２層ＤＯＥからなる回折光学素子を用いているが、これに限定されるものではなく、さらに回折格子を積層した積層ＤＯＥによる回折光学素子を用いてもよい。また、反射部材を中心領域から周辺領域で変化させて最適な回折光学素子を構成することができる。また、全ての輪帯に反射部材を設ける必要はなく、輪帯の一部に設けてもよい。この際、図１５のように最小格子ピッチを含む一部に反射部材を設けることが有効である。これは、格子ピッチが小さい回折格子は不要光の回折効率が大きく、回折光学素子全体で発生する不要光の寄与が大きいためである。また、不要光を低減させるため、設計次数を＋１次以外の次数にする、格子壁面角度をシフトさせる、格子壁面形状を階段状にさせる等の不要光の制御手段と反射部材とを組み合わせて用いてもよい。
（比較例）
以下、実施例１乃至４に対する比較例としての回折光学素子について説明する。回折格子の材料および格子高さは実施例１〜４と同様で、格子壁面部に反射部材が設けられていない場合である。
【００６１】
図１７は、本比較例における回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度（図１７のａ）、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図１７（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について表示した結果である。図１７（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光に回折効率が集中しているが、回折効率は９８．７６％（回折次数＋１次、回折角０．２０度）で１００％にはならない。残りの光は不要光となり、図１７（ｂ）に示されるように、特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播している。この不要光は、図１８に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ａ’が格子壁面において高屈折率材料側に回り込む回折現象により生じると考えられる。しかし、この設計入射角度（撮影光入射角度）において、日中の太陽等の高輝度光源を直接撮影することは稀であるため、この不要光はほとんど影響せず、問題とはならない。
【００６２】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図１９に示す。図１９（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図１９（ｂ）は、図１９（ａ）の縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について表示した結果である。図１９（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中していることが、回折効率は９７．１５％（回折次数＋１次、回折角＋９．９４度）で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図１９（ｂ）に示されるように、特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播している。この不要光は、略−１０度方向にピークを有し、この伝播方向は格子壁面に入射する画面外入射角度＋１０度光束の成分が全反射にして伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。格子壁面に対しては、高屈折率材料側から低屈折率材料側に臨界角７４．２度以上の＋８０度で入射するため、全反射が発生している。また、この不要光は、略−１０度方向のピークから高角度範囲に広がっている。また不要光は、図２０に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｂ’が格子壁面において全反射して−１０度方向に伝播し、さらに全反射射出方向中心に不要光が広がって伝播していると考えられる。この不要光は、回折角０度付近（図２０のｂ’’）まで広がっている。回折角０度（図２０のｂ’’）は、設計入射角０度による＋１次回折光の回折角０．２０度に略等しい。光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が、少なくとも像面に到達する。図１９（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６（回折角＋０．３４度）の回折効率が０．０１４％、回折次数−４７（回折角＋０．１４度）の回折効率が０．０１４％である。
【００６３】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定して、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２１に示す。図２１（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）の縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について表示した結果である。図２１（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しているが、回折効率は９７．００％（回折次数＋１次、回折角−９．４２度）で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。残りの不要光は、図２１（ｂ）に示されるように、特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播している。この不要光は、略−１７度方向、略＋１０度方向にも小さなピークを有し、この伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度光束の透過光の射出方向−１８．６度と反射光の射出方向＋９．５度に略等しい。また、格子壁面に対しては、低屈折率材料側から高屈折率材料側に＋８０度で入射するため、透過光の透過率は９１％、反射光の反射光は９％であり、略−１５度方向のピークが大きく、略＋１０度方向のピークが小さいことと対応している。また、この不要光はピークから高角度範囲に広がっており、図２２に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｃ’が格子壁面において透過光と反射光に別れて伝播し、さらに各ピークを中心に広がって伝播していると考えられる。光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０度に略一致する画面外光による不要光の回折光が、少なくとも像面に到達する。図２１（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９（回折角＋０．２６度）の回折効率が０．００２２％、回折次数＋４８（回折角＋０．０６度）の回折効率が０．００２２％である。
【００６４】
以上のように、本比較例の回折光学素子を適用した光学系にて画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、図２（ｂ）、図２３に示すように、ｍ格子による回折角０度付近に射出する不要光が大きく、ｍ’格子による回折角０度付近に射出する不要光が小さい。このため、像性能の低下に対してはｍ格子の寄与が大きいことになる。実際に回折光学素子および光学系を構成して実写したところ、像面に不要光が到達し、像性能の低下が確認された。
【００６５】
従来の手法では、格子壁面に入射する光束を幾何光学現象として扱っているが、その場合は格子壁面に入射する光はスネルの法則に従って特定の方向にのみ射出し伝播する。図２（ｂ）、図２３のように、光学系に回折光学素子を適用し、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、ｍ格子では全反射のみ、ｍ’格子では９１％の透過光および９％の反射光が発生する。しかし、その場合はいずれも絞り４０で遮光されるため結像面４１へ到達しないことになる。以上のように、従来の手法では不要光の抑制に対しては不十分であり、抑制すべき不要光が十分考慮されていなかったといえる。
【実施例５】
【００６６】
本実施例における実施例５について説明する。図１６は、本実施例における撮影光学系の概略断面図である。図１６において、１０１は撮影レンズ（光学系）であり、その内部に、上記各実施例の回折光学素子１、及び、回折光学素子１の後側に配置された絞り４０を備える。４１は結像面であり、フィルム又はＣＣＤやＣＭＯＳ等の光電変換素子が配置される。特に、回折光学素子１の回折格子部に入射する光束の入射角の分布の重心（図形の重心と同じ）が包絡面の回折格子の中心での面法線に対し、回折格子部の中心よりに分布するように構成されている。本実施例によれば、格子壁面に光束が入射した場合でも、不要光の発生が大幅に改善されているため、フレアが少なく解像力も高い高性能な撮影レンズが得られる。
【００６７】
図１６では、前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子１を設けたが、これに限定されるものではなく、レンズ表面に設けてもよく、また、撮影レンズ１０１内に複数の回折光学素子を用いてもよい。また本実施例では、撮影レンズ１０１は光学機器としてのカメラに用いられる場合について説明したが、これに限定されるものではない。他の光学機器であるビデオカメラ、事務機のイメージスキャナー、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結像光学系にも適用可能である。
【００６８】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６９】
１：回折光学素子
１１：第１の回折格子
１２：第２の回折格子
１１ａ、１２ａ：格子面
１１ｂ、１２ｂ：格子壁面
２０、２４：反射部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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