(57)【要約】【課題】  反射を防止するとともに波長特性が良好である回折光学素子を提供することを目的とする。【解決手段】第１ピッチ（Ｐｄ）で形成された格子構造を有する回折光学面を互いに向かい合わせて積層した２枚の光学部材（１１、１２）からなる回折光学素子（１１０）である。また、その回折光学素子（１１０）の一面に、前記回折光学素子（１１０）を透過する光の基準波長よりも短い第２ピッチ（Ｐｓ）の凹凸構造（８０）を有する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１ピッチで形成された格子構造を有する回折光学面を互いに向かい合わせて積層した２枚の光学部材からなる回折光学素子において、
前記回折光学素子の一面に、前記回折光学素子を透過する光の基準波長よりも短い第２ピッチの凹凸構造を有する回折光学素子。
【請求項２】
前記基準波長をｄ線（５８７．６ｎｍ）とし、その波長をλｄ、前記２枚の光学部材のｄ線の屈折率差をΔＮｄ、前記一面側の前記光学部材の屈折率をＮｓとすると、以下の条件を満たす請求項１に記載の回折光学素子。
０．０２  ＜ΔＮｄ  ＜  ０．４５  …（１）
０．１  ＜  λｄ／Ｎｓ  ＜  １．０  …（２）
【請求項３】
前記２枚の光学部材の一方が相対的に高屈折率材料で他方が相対的に低屈折率材料で構成され、
前記高屈折率材料の格子構造の最大厚さをＤＨ、低屈折率材料の格子構造の最大厚さをＤＬ、前記第１ピッチの最小ピッチをＰｄ、前記第２ピッチの最大ピッチをＰｓとすると、以下の条件を満たす請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子。
（ＤＨ×Ｐｓ）／（ＤＬ×Ｐｄ）  ＜  ５．０  …（３）
【請求項４】
前記格子構造の最大高さをＨ、前記凹凸構造の最大高さをｈとしたとき、
以下の条件を満たす請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
０．００８  ＜  ｈ／Ｈ  ＜  ２．０  …（４）
【請求項５】
ｄ線（５８７．６ｎｍ）の回折効率をＥｄとし、ｇ線（４３５．８ｎｍ）の回折効率をＥｇとし、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）の回折効率をＥＣとし、前記凹凸構造が形成された前記回折光学素子のｄ線の反射率（垂直入射、１００％＝１．０とする。）をＲｓｄとすると、以下の条件を満たす請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
但し、する。
（（Ｅｄ＋ＥＣ＋Ｅｇ）／３）／Ｒｓｄ  ＞  １０．０  …（５）
【請求項６】
ｄ線（５８７．６ｎｍ）の回折効率をＥｄとし、ｇ線（４３５．８ｎｍ）の回折効率をＥｇとし、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）の回折効率をＥＣとし、以下の数式を満たす請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
（ＥＣ＋Ｅｇ）／（２×Ｅｄ）  ＞  ０．９  …（６）
【請求項７】
前記２枚の光学部材のｄ線の屈折率差をΔＮｄ、前記２枚の光学部材の主分散（ＮＦ−Ｎｃ）の差をΔ（ＮＦ−Ｎｃ）とすると、以下の数式を満たすことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の回折光学素子。
−２０．０  ＜  ΔＮｄ／Δ（ＮＦ−Ｎｃ）＜  −２．０  …（７）
【請求項８】
前記凹凸構造の最大高さをｈ、前記第２ピッチの最大ピッチをＰｓとすると、以下の数式を満たす請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の回折光学素子。
１．０  ＜  ｈ／Ｐｓ  ＜  １０．０  （８）
【請求項９】
前記回折光学面の壁が、前記回折光学素子を透過する光の光軸に対して傾いていることを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記回折光学面は正屈折力であることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記２枚の光学部材の材料は紫外線硬化樹脂であることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
複数の光学素子を有し、光を案内すると共に光に作用する光学系であって、
前記光学素子の少なくとも１つが請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の回折光学素子であることを特徴とする光学系。
【請求項１３】
請求項１から請求項１１のいず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装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子及びその回折光学素子を使った光学系、光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子は、微細な格子構造によって透過光又は反射光を回折させ、入射光の分光や分岐又は結合などの操作を行う素子である。また、回折光学部材は、回折光学素子の格子構造を種々の形状に変調することで、集光、発散又は結像などの作用を実現することができる。
【０００３】
特許文献１に開示された回折光学素子は、透明平板の一方の面に格子構造を有し、他方の面に反射防止層を成膜している。特に透過型の回折光学素子は透過率を向上させるために反射防止膜を片面の形成している。回折光学素子を透過する光の波長が例えば可視領域の４００ｎｍから７５０ｎｍであると、これらの幅広い波長に対して反射を防止するため高価な真空装置を使う通常真空蒸着法によって、何層もの膜が形成される。
【０００４】
一方、特許文献２に開示された回折光学素子は、Ｍｏｔｈｅｙｅ（蛾の目）と呼ばれる微細な凹凸パターンを回折光学素子の片面に形成して反射防止したい波長領域の反射を防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−２０６０３９号公報
【特許文献２】特開２００４−１４５０６４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、特許文献１又は特許文献２に示されたように、単層型の回折光学素子では所望の広波長領域（例えば可視光領域）のほぼ全域で高い回折効率を維持することができない。
【０００７】
本発明は上記の課題を鑑みて成されたもので、広波長領域で反射を防止するとともに波長特性が良好である回折光学素子を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１観点における回折光学素子は、第１ピッチで形成された格子構造を有する回折光学面を互いに向かい合わせて積層した２枚の光学部材からなる回折光学素子である。また、その回折光学素子の一面に、前記回折光学素子を透過する光の基準波長よりも短い第２ピッチの凹凸構造を有する。
【０００９】
第２観点における光学系は、複数の光学素子を有し、光ビームを案内すると共に光ビームに作用する光学系である。また、その光学系は光学素子の少なくとも１つが第１観点の回折光学素子である。
第３観点における光学装置は、第１観点の回折光学素子を有する光学装置である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、反射を防止するとともに波長特性が良好である回折光学素子が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１の実施形態の回折光学素子１１０の概略図である。
【図２】異なる光の波長に対して複層型回折光学素子及び単層型回折光学素子の回折効率を比較したグラフである。
【図３】（ａ）は、ピラミッド構造であるＳＷＳ８０Ａの部分斜視図である。  （ｂ）は、円錐構造であるＳＷＳ８０Ｂの配置図である。  （ｃ）は、円錐構造であるＳＷＳ８０Ｂの別の配置図である。
【図４Ａ】空気界面の反射率を示したグラフである。
【図４Ｂ】第１回折格子１１及び第２回折格子１２の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。
【図４Ｃ】第１例の回折光学素子１１０に入射して、＋１次回折光が回折光学素子１１０出射する際の透過効率を示したグラフである。
【図５Ａ】空気界面の反射率を示したグラフである。
【図５Ｂ】第１回折格子１１及び第２回折格子１２の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。
【図５Ｃ】第２例の回折光学素子１１０に入射して、＋１次回折光が回折光学素子１１０出射する際の透過効率を示したグラフである。
【図６Ａ】空気界面の反射率を示したグラフである
【図６Ｂ】第１回折格子１１及び第２回折格子１２の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。
【図６Ｃ】第３例の回折光学素子１１０に入射して、＋１次回折光が回折光学素子１１０出射する際の透過効率を示したグラフである。
【図７】光学部材に貼り付けられた回折光学素子１２０を示した概念断面図である。
【図８】光学部材に貼り付けられた回折光学素子１３０を示した概念断面図である。
【図９】光学部材に貼り付けられた回折光学素子１４０を示した概念断面図である。
【図１０】第１の実施形態の第１回折格子１１及び第２回折格子１２の変形例を示した図である。
【図１１】（ａ）は、絞りＤＰより像面側に回折光学素子１１０が配置された光学系２００である。  （ｂ）は、絞りＤＰより物体側に回折光学素子１１０が配置された光学系２１０である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（第１の実施形態）
＜回折光学素子１１０の構成＞
第１の実施形態の回折光学素子１１０の構成について、図１〜図３を参照しながら説明する。図１は、第１の実施形態の回折光学素子１１０の概略図である。なお、サブ波長面（ＳＷＳ：Sub-Wavelength Structured Surface）８０が突起した方向を＋Ｚ軸方向とし、そのＺ軸に垂直な方向をＸ軸及びＹ軸方向とする。また、図１に示されたように回折光学素子１１０は、第１回折格子１１と、第２回折格子１２と、サブ波長面８０とが順次に接合されたものである。第２回折格子１２とサブ波長面８０とは同時に形成されてもよい。
【００１３】
第１回折格子１１は、Ｚ軸方向に伸びる壁１７とＺ軸方向から斜めに形成された斜面１８とを有し、屈折率がＮ１であるガラス材料又は樹脂材料により構成される。第１回折格子１１の壁１７と斜面１８とはそれぞれが連結されて、第１回折格子１１の＋Ｚ側の面が連続的な鋸歯状に形成されている。また、第２回折格子１２は、Ｚ軸方向に伸びる壁１７とＺ軸方向から斜めに形成された斜面１８とを有し、屈折率がＮ２である材料より構成される。壁１７と斜面１８とはそれぞれが連結されて、第２回折格子１２の−Ｚ側の面が連続的な鋸歯状となっている。第１回折格子１１及び第２回折格子１２の壁１７と斜面１８とは互いに隙間なく接合されている。
【００１４】
第１回折格子１１の屈折率Ｎ１と第２回折格子１２屈折率Ｎ２とは互いに異なった屈折率であればよい。例えば屈折率Ｎ２が屈折率Ｎ１より高屈折率としてもよい。第２回折格子１２が高屈折率又は低屈折率にかかわらず物体側に配置される。
【００１５】
また、第１回折格子１１又は第２回折格子１２において、壁１７の高さはＨで、斜面１８のＹ軸方向のピッチはＰｄであり、第１回折格子１１のＺ軸方向の高さはＤＬで、第２回折格子１２のＺ軸方向の高さはＤＨで形成されている。第１回折格子１１又は第２回折格子１２の斜面１８のピッチＰｄは、入射光（基準波長）よりも長いピッチである。
【００１６】
第２回折格子１２の表面に形成されたサブ波長面８０は、空気などの外気又は真空に接する面である。サブ波長面８０は、屈折率がＮｓであるガラス材料又は樹脂材料により構成される。そのサブ波長面８０は複数の凹凸構造から構成される。個々のサブ波長面８０の高さはｈで、個々のサブ波長面８０のＹ軸方向のピッチはＰｓである。サブ波長面８０のピッチＰｓは入射光（基準波長）よりも短いピッチである。第２回折格子１２の屈折率Ｎ２とサブ波長面８０の屈折率Ｎｓは同じであってもよい。サブ波長面８０について、図３を参照しながら説明する。
【００１７】
第１の実施形態において、第１回折格子１１及び第２回折格子１２で構成された複層型の回折光学素子１１０が用いられている。これは、第１回折格子１１又は第２回折格子１２のみからなる単層型回折光学素子より、複層型回折光学素子の回折効率が優れているためである。詳しくは、図２を参照しながら説明する。
【００１８】
図２は、光の波長に対して複層型回折光学素子及び単層型回折光学素子の回折効率を比較したグラフである。縦軸に回折効率を横軸に可視光領域の波長を採っている。
図２の横軸には、ｇ線（４３５．８３５ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１３３ｎｍ）、ｅ線（５４６．０７４ｎｍ）、ｄ線（５８７．５６２ｎｍ）及びＣ線（６５６．２７３ｎｍ）を示している。図２に示されたように、実線で示されている複層型回折光学素子の回折効率は、全ての波長の光に対しても９５％以上であり、ｄ線では１００％に近い。一方、点線で示された単層型回折光学素子の回折効率は、ｅ線、ｄ線及びｃ線に対して９５％以上であるが、ｇ線に対して約６０％で、Ｆ線に対して約８５％となっている。つまり、単層型回折光学素子は短波長側のｇ線及びＦ線において、回折効率が顕著に低くなることが理解される。特に可視光域の波長に使用される光学機器に使用される光学系に対しては、複層型の回折光学素子１１０が好ましい。
【００１９】
図３（ａ）は、四角錐構造（又はピラミッド構造）であるサブ波長面８０Ａの部分斜視図である。図３（ｂ）は、円錐構造であるサブ波長面８０Ｂの配置図である。図３（ｃ）は、円錐構造であるサブ波長面８０Ｂの別の配置図である。
【００２０】
図３に示されたように、サブ波長面８０は四角錐構造である突起８２と円錐構造である突起８４とを含む。図示されないが、サブ波長面８０は三角錐などの多角錐の突起を複数備えた構造でもよい。
【００２１】
図３（ａ）に示されたように、四角錐構造の突起８２のＺ軸方向の高さはｈで、個々の突起８２の底面は一辺（ピッチ）がＰｓである正方形である。そして個々の突起８２の間のピッチもＰｓである。このサブ波長面８０Ａは広い波長域広い入射角度で優れる反射効果を有している。また、サブ波長面８０Ａは表面構造が２次元格子となっているため、一般的な反射防止膜に比べると、サブ波長面８０Ａの表面に入射する光の偏光方向に屈折率特性が依存しない。さらに、図３（ａ）のように個々の突起８２の底面が正方形であると、第２回折格子１２（図１を参照）がほとんど空気に露出しないため、第２回折格子１２からの反射損失がなくなる。
【００２２】
また、円錐構造の突起８４のＺ軸方向の高さはｈで、個々の突起８４の間のピッチはＰｓである。円錐構造の突起８４は図３（ｂ）に示されるように正方配列にしてもよい。また円錐構造の突起８４は図３（ｃ）に示されるように六方最密配列にしてもよい。円錐構造の突起８４は、四角錐構造の突起８２と比べて、滑らかな屈折率分布を形成するため、反射防止に効果がある。但し第２回折格子１２が露出する面積が多くなる。
【００２３】
図３（ｂ）に示されるように円錐構造の突起８４が正方に配列された場合と、図３（ｃ）に示されるように円錐構造の突起８４が六方最密に配列された場合とを比べると、円錐構造の突起８４が六方最密に配列された方が、第２回折格子１２の空気に露出する面積が少ない。このため、図３（ｃ）の配置がより良好な反射防止効果が得られる。しかし、図３（ｂ）の正方配列と図３（ｃ）の六方最密配列との反射防止効果の差異は小さい。
【００２４】
なお、図１及び図３に示されたサブ波長面８０は、十数個の個々の突起８２又は突起８４が描かれているが、実際には数千、数万個の突起８２又は突起８４より構成されている。
【００２５】
＜回折光学素子１１０の概要＞
回折光学素子１１０は、以下の条件を備えることが好ましい。
０．０２  ＜ΔＮｄ    ＜  ０．４５      …  （１）
０．１  ＜  λｄ／Ｎｓ  ＜  １．０        …  （２）
【００２６】
数式（１）は斜面１８における第１回折格子１１の屈折率Ｎ１と第２回折格子１２の屈折率Ｎ１との屈折率差についての条件である。すなわち、第１回折格子１１の屈折率Ｎ１と第２回折格子１２の屈折率Ｎ２とは、相対的に高屈折率及び低屈折率の組合せで構成される。この屈折率差は、密着型回折光学素子の回折効率を決める重要な条件の一つである。そして、数式（１）はｄ線における第１回折格子１１と第２回折格子１２との屈折率差ΔＮｄ（＝｜Ｎ１−Ｎ２｜）を規定する。製造上の誤差感度を低めるために、その屈折率差ΔＮｄは０．４５以下であることが好ましく、より好ましくは０．２以下である。数式（１）の上限を上回ると、屈折率差ΔＮｄが大きくなりすぎてしまい、回折光学素子１１０の製造誤差感度が大きくなりすぎる。
【００２７】
反対に、数式（１）の下限を下回ると、屈折率差ΔＮｄが小さくなりすぎてしまい、必要な回折を生じさせるためには回折格子の壁１７の高さを大きくしなければならない。このため、数式（１）の下限を下回ると、第１回折格子１１及び第２回折格子１２は製造上不利となり、壁１７により入射光に対する影が生じてしまう。また、ブレーズ光の回折効率の低下と壁１７に入射する入射光による散乱や反射による迷光が大きくなってしまう。
なお、数式（１）の効果を十分に発揮するには、下限値を０．１５とすることがより好ましい。
【００２８】
数式（２）は、サブ波長面８０を用いて、回折光学素子１１０と空気との界面での反射率を十分に小さくするための条件である。入射する光の波長λに対してサブ波長面８０の屈折率Ｎｓを規定している。この数式（２）に示すように、光の波長λを屈折率Ｎｓで割った値が１より小さいと、回折光が発生せず入射した光は０次光となって抜けるため、反射率が低くなり反射防止機能が十分に発揮される。なお、反射防止機能の効果をより発揮させるためには、数式（２）の上限が０．８以下になることが好ましい。
また、数式（２）の下限を下回ると、一般の光学材料（ガラス、樹脂等）の場合に内部吸収が増えて透過率が下がる不具合が生じやすい。なお、数式（２）の効果を十分に発揮するには、下限値を０．１５とすることがより好ましい。
【００２９】
回折光学素子１１０の回折格子とサブ波長面とは、以下の条件を備えることが好ましい。
（ＤＨ×Ｐｓ）／（ＤＬ×Ｐｄ）  ＜  ５．０    …  （３）
数式（３）は、後述されるような光学系全体の入射瞳に近い方に高屈折率の回折格子が配置され、遠い方に低屈折率の回折格子が配置される構成である。例えば、図１において光学系全体の入射瞳が回折光学素子１１０の右側に配置され、全体で凸パワーの格子となる。例えば、図１において光学系全体の入射瞳が回折光学素子１１０の右側に配置される場合には、第２回折格子１２の屈折率Ｎ２が第１回折格子１１の屈折率Ｎ１よりも高い。この場合に、高屈折率材料からなる第２回折格子１２の最大厚さをＤＨ、低屈折率材料からなる第１回折格子１１の最大厚さをＤＬ、サブ波長面８０の最大ピッチをＰｓ、斜面１８に形成された回折格子の最小ピッチをＰｄとする。
【００３０】
数式（３）の上限を上回ると、サブ波長面８０のピッチＰｓが大きくなってしまい、十分な反射防止効果が得られなくなる。また、斜面１８に形成された回折格子の最小ピッチＰｄが小さくなってしまい回折効率が損なわれる。なお、反射防止機能の効果を十分に発揮するには、数式（３）の上限が２．０以下になることが好ましい。
【００３１】
さらに回折光学素子１１０の回折格子とサブ波長面とは、以下の条件を備えることが好ましい。
０．０１  ＜  ｈ／Ｈ  ＜  ５．０      …  （４）
数式（４）は、サブ波長面８０の最大高さをｈ、第１回折格子１１及び第２回折格子１２の壁１７の最大格子高さをＨとした時の両者の関係を示す。
【００３２】
数式（４）の上限を上回ると、サブ波長面８０の最大高さが大きくなりすぎてしまい、製作し難くなる。さらには、サブ波長面８０のアスペクト比（図３（ａ）における高さｈと一辺Ｐｓとの比）が大きくなって対環境性又は耐久性が落ちる不都合も生じる。数式（４）の上限が２．０以下になると、サブ波長面８０の製作などが容易になる。
【００３３】
数式（４）の下限を下回ると、サブ波長面８０の反射防止機能が落ちてしまう。さらに、格子高さＨが大きくなりすぎてしまい、第１回折格子１１及び第２回折格子１２を製作し難くなる。さらに、第１回折格子１１及び第２回折格子１２の壁１７が長くなることから、入射光に対する角度特性が劣化し、壁１７で入射光が反射するなどして迷光が発生しやすくなる。数式（４）の下限が０．０１５以上になると格子の製作または迷光などの問題がより少なくなる。
【００３４】
また回折光学素子１１０の回折格子とサブ波長面とは、以下の条件を備えることが好ましい。
（（Ｅｇ＋Ｅｄ＋ＥＣ）／３）／Ｒｓｄ  ＞  １０．０      …  （５）
ここで、Ｅｇはｇ線（４３５．８ｎｍ）の回折効率であり、Ｅｄはｄ線（５８７．６ｎｍ）の回折効率であり、ＥＣはＣ線（６５６．３ｎｍ）の回折効率である。また、Ｒｓｄはサブ波長面８０と空気との界面におけるｄ線の反射率（垂直入射、１００％＝１．０とする。）である。
【００３５】
この数式（５）は、各スペクトル線での第１回折格子１１及び第２回折格子１２の回折効率とサブ波長面８０の基準波長における反射率とに関する条件である。数式（５）の下限を下回ると、反射率が十分に低減されないため、反射光によるフレアが増え迷光が増してしまう。なお、迷光などを十分に防ぐためには、下限を１００．０以上とすることが好ましい。
【００３６】
さらに、回折光学素子１１０がより優れた性能を達成するためには、以下の数式を満たすことが好ましい。
（Ｅｇ＋ＥＣ）／（２×Ｅｄ）  ＞  ０．９                …  （６）
−２０．０  ＜  ΔＮｄ／Δ（ＮＦ−Ｎｃ）  ＜  −２．０  …  （７）
１．０  ＜  ｈ／Ｐｓ  ＜  １０．０                      …  （８）
【００３７】
数式（６）は入射光に対する第１回折格子１１及び第２回折格子１２のバランスを規定する。特に広帯域の可視光域で回折効率のバランスを向上させる条件である。数式（６）の左辺が右辺を下回ると、短波長又は長波長のいずれかで回折効率が低下してしまい、回折フレアが大きくなり迷光が発生する。なお、広帯域の可視光域で迷光を防ぐためには、下限を０．９５以上にすることが望ましい。また、数式（６）の効果を十分に発揮するには、上限値を１．１とすることが好ましい。数式（６）の上限が１．１を上回ると、Ｅｇ、ＥＣ、Ｅｄのバランス上、ＥｇとＥＣが上がりＥｄが下がるので緑色系の回折フレアが強くなって、画質を損ねる不都合がおきやすくなる。
【００３８】
数式（７）は第１回折格子１１と第２回折格子１２との屈折率と分散との配分を規定する。Δ（ＮＦ-Ｎｃ）は第１回折格子１１の主分散（ＮＦ-Ｎｃ）と第２回折格子１２の主分散（ＮＦ-Ｎｃ）の差を示す。また、ＮＦはＦ線（４８６．１  ｎｍ）に対する屈折率、ＮｃはＣ線（６５６．３ｎｍ）に対する屈折率を示す。またΔＮｄはｄ線における第１回折格子１１と第２回折格子１２との屈折率差を示す。
【００３９】
この数式（７）の条件は、回折光学素子１１０が入射光の波長の広帯域にわたり、十分に高い回折効率を得るために好ましい条件である。数式（７）の不等号が逆の場合には、回折光学素子１１０は十分に高い回折効率は得られない。なお、回折光学素子１１０が波長の広帯域にわたり十分に高い回折効率を得るためには、上限を−３．０以下、下限を−１０．０以上とすることが好ましい。
【００４０】
数式（８）はサブ波長面８０の条件を規定する。すなわち数式（８）はサブ波長面８０のアスペクト比（図３（ａ）における高さｈと一辺（ピッチ）Ｐｓとの比）を規定する。数式（８）の下限を下回ると、空気層から第２回折格子１２の表面までの屈折率の遷移領域が小さくなりすぎ反射防止が十分でなくなる。数式（８）の上限を上回ると、アスペクト比が大きくなりすぎてしまい、サブ波長面８０が製造し難くなる。なお、数式（８）の効果を十分に発揮するには、下限値を２．０とすることがより好ましい。
【００４１】
以下、回折光学素子１１０の実施例について、図４から図６を参照しながら説明する。
＜第１例＞
表１に示された条件値により構成された第１例の回折光学素子１１０について、図４Ａから図４Ｃを用いて説明する。
【００４２】
第１例の回折光学素子１１０は、第２回折格子１２の屈折率Ｎ２とサブ波長面８０の屈折率Ｎｓとは同じ材料で構成された場合である。なお、図４Ａから図４Ｃ回折効率はスカラー理論による計算に基づく。ブレーズ次数は+１としている。反射率は電磁場解析手法（ＲＣＷＡ）に基づく。また、サブ波長面８０は図３（ａ）に示された四角錐構造である突起８２である。
表１：
【表１】
2011022319.tif 000003
基準波長をｄ線（５８７．６ｎｍ）とすると、斜面１８のピッチＰｄは基準波長よりも長くサブ波長面８０のピッチＰｓは基準波長よりも短い。
【００４３】
表１の条件値によると、数式（１）から数式（８）の計算結果は表２のとおりである。第１例の回折光学素子１１０は、表２に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
表２：
【表２】
2011022319.tif 000004
【００４４】
図４Ａは空気界面の反射率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に反射率を採っている。実線は第１例の回折光学素子１１０における反射率を示す。点線はサブ波長面８０がない第１回折格子１１及び第２回折格子１２のみからなる複層型回折光学素子の反射率を示す。
【００４５】
図４Ａに示されるように、サブ波長面８０を有する回折光学素子１１０は、可視光の広い領域（４４０ｎｍから８００ｎｍ）において反射率が著しく低減している。具体的にはサブ波長面８０は反射率を４０分の１程度に低減している。
特に、数式（２）、数式（３）、数式（４）、数式（５）及び数式（８）がサブ波長面８０による反射率の低減に寄与する。
【００４６】
図４Ｂは第１回折格子１１及び第２回折格子１２の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に回折効率を採っている。実線（１Ｔ）が＋１次回折光を示している。
図４Ｂに示されるように、複層型回折光学素子は＋１次回折光を効率的に形成している。他の回折光は極めて回折効率が小さくなっている。
特に数式（１）、数式（６）及び数式（７）が複層型回折光学素子による１次回折光の回折効率の向上に寄与する。
【００４７】
図４Ｃは第１例の回折光学素子１１０に入射して、＋１次回折光が回折光学素子１１０出射する際の透過効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に透過効率を採っている。実線は第１例の回折光学素子１１０における透過効率を示す。点線はサブ波長面８０がない第１回折格子１１及び第２回折格子１２のみからなる複層型回折光学素子の透過効率を示す。
【００４８】
図４Ｃに示されるように、サブ波長面８０を有する回折光学素子１１０は、可視光の広い領域（４００ｎｍから８００ｎｍ）において１次回折光の透過効率が、サブ波長面８０がない複層型回折光学素子に比べて５パーセント程度向上している。
【００４９】
＜第２例＞
表３に示された条件値により構成された第２例の回折光学素子１１０について、図５Ａから図５Ｃを用いて説明する。
【００５０】
第２例の回折光学素子１１０も、第２回折格子１２の屈折率Ｎ２とサブ波長面８０の屈折率Ｎｓとは同じ材料で構成された場合である。図５Ａから図５Ｃ回折効率はスカラー理論による計算に基づく。ブレーズ次数は+１としている。反射率は電磁場解析手法（ＲＣＷＡ）に基づく。また、サブ波長面８０は図３（ａ）に示された四角錐構造である突起８２である。
表３： 
【表３】
2011022319.tif 000005
【００５１】
表３の条件値によると、数式（１）から数式（８）の計算結果は表４のとおりである。第２例の回折光学素子１１０は、表４に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
表４：
【表４】
2011022319.tif 000006
【００５２】
図５Ａは空気界面の反射率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に反射率を採っている。実線は第１例の回折光学素子１１０における反射率を示す。点線はサブ波長面８０がない第１回折格子１１及び第２回折格子１２のみからなる複層型回折光学素子の反射率を示す。
【００５３】
図５Ａに示されるように、サブ波長面８０を有する回折光学素子１１０は、可視光の広い領域（４４０ｎｍから８００ｎｍ）において反射率が低減している。但し、波長５００ｎｍ付近及び波長５７０ｎｍ付近では、反射率が悪くなっている。
特に、波長５００ｎｍ付近及び波長５７０ｎｍ付近では、反射率が悪くなっている理由は、図４Ａの場合と比べて、数式（２）の値が大きくなり数式（３）の値が小さくなっていることが原因と思われる。しかし、他の波長域では、サブ波長面８０は反射率を低減している。
【００５４】
図５Ｂは第１回折格子１１及び第２回折格子１２の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に回折効率を採っている。実線（１Ｔ）が＋１次回折光を示している。
図５Ｂに示されるように、複層型回折光学素子は＋１次回折光を効率的に形成している。他の回折光は極めて回折効率が小さくなっている。
特に数式（１）、数式（６）及び数式（７）が複層型回折光学素子による１次回折光の回折効率の向上に寄与する。
【００５５】
図５Ｃは第２例の回折光学素子１１０に入射して、＋１次回折光が回折光学素子１１０出射する際の透過効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に透過効率を採っている。実線は第２例の回折光学素子１１０における透過効率を示す。点線はサブ波長面８０がない第１回折格子１１及び第２回折格子１２のみからなる複層型回折光学素子の透過効率を示す。
【００５６】
図５Ｃに示されるように、サブ波長面８０を有する回折光学素子１１０は、波長５００ｎｍ付近及び波長５７０ｎｍ付近を除き、可視光の広い領域（４００ｎｍから８００ｎｍ）において１次回折光の透過効率が、サブ波長面８０がない複層型回折光学素子に比べて１から５パーセント程度向上している。
【００５７】
＜第３例＞
表５に示された条件値により構成された第３例の回折光学素子１１０について、図６Ａから図６Ｃを用いて説明する。
【００５８】
第３例の回折光学素子１１０も、第２回折格子１２の屈折率Ｎ２とサブ波長面８０の屈折率Ｎｓとは同じ材料で構成された場合である。図６Ａから図６Ｃ回折効率はスカラー理論による計算に基づく。ブレーズ次数は+１としている。反射率は電磁場解析手法（ＲＣＷＡ）に基づく。また、サブ波長面８０は図３（ａ）に示された四角錐構造である突起８２である。
表５：
【表５】
2011022319.tif 000007
【００５９】
表５の条件値によると、数式（１）から数式（８）の計算結果は表６のとおりである。第３例の回折光学素子１１０は、表６に示されたように数式（１）から数式（８）の条件を満たしている。
表６：
【表６】
2011022319.tif 000008
【００６０】
図６Ａは空気界面の反射率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に反射率を採っている。実線は第１例の回折光学素子１１０における反射率を示す。点線はサブ波長面８０がない第１回折格子１１及び第２回折格子１２のみからなる複層型回折光学素子の反射率を示す。
【００６１】
図６Ａに示されるように、サブ波長面８０を有する回折光学素子１１０は、可視光の広い領域（４４０ｎｍから８００ｎｍ）において反射率が著しく低減している。具体的にはサブ波長面８０は反射率を４０分の１程度に低減している。
特に、数式（２）、数式（３）、数式（４）、数式（５）及び数式（８）がサブ波長面８０による反射率の低減に寄与する。
【００６２】
図６Ｂは第１回折格子１１及び第２回折格子１２の複層型回折光学素子による回折効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に回折効率を採っている。実線（１Ｔ）が＋１次回折光を示している。
図６Ｂに示されるように、複層型回折光学素子は＋１次回折光を効率的に形成している。他の回折光は極めて回折効率が小さくなっている。
特に数式（１）、数式（６）及び数式（７）が複層型回折光学素子による１次回折光の回折効率の向上に寄与する。
【００６３】
図６Ｃは第３例の回折光学素子１１０に入射して、＋１次回折光が回折光学素子１１０出射する際の透過効率を示したグラフである。横軸に入射光の波長を採り、縦軸に透過効率を採っている。実線は第３例の回折光学素子１１０における透過効率を示す。点線はサブ波長面８０がない第１回折格子１１及び第２回折格子１２のみからなる複層型回折光学素子の透過効率を示す。
【００６４】
図６Ｃに示されるように、サブ波長面８０を有する回折光学素子１１０は、可視光の広い領域（４００ｎｍから８００ｎｍ）において１次回折光の透過効率が、サブ波長面８０がない複層型回折光学素子に比べて４パーセント程度向上している。
【００６５】
（第２の実施形態）
＜回折光学素子１２０の構成＞
図７は、光学部材に貼り付けられた回折光学素子１２０を示した概念断面図である。
第３回折格子２１の一面は、第１の実施形態と異なり平板の光学部材９０に貼り付けられている。また、第３回折格子２１及び第４回折格子２２は壁２７及び斜面２８を有している。
【００６６】
第３回折格子２１及び第４回折格子２２からなる複層型回折光学素子は、Ｚ軸方向に平板である。また第３回折格子２１の屈折率Ｎ１は低屈折率であり、第４回折格子２２の屈折率Ｎ２は高屈折率である。第４回折格子２２の斜面２８は凸状に膨らんでいる曲面である。壁２７はＺ軸方向に直線である。また斜面２８に形成された回折格子のピッチＰｄｖは、ＸＹ平面の中心から周辺に向かって徐々に狭くなっている。このため、複層型回折光学素子は、−Ｚ軸方向に一般の凸レンズと同じ正パワーを有している。
【００６７】
斜面２８の反対側の第４回折格子２２の一面にサブ波長面８０が形成されている。サブ波長面８０は空気などの気体又は真空と接している。
第１の実施形態における数式（３）において、回折光学素子１２０のピッチＰｄｖはピッチＰｄに置き換えて計算すればよい。
【００６８】
（第３の実施形態）
＜回折光学素子１３０の構成＞
図８は、光学部材に貼り付けられた回折光学素子１３０を示した概念断面図である。
第５回折格子３１の一面は、第１の実施形態と異なり平板の光学部材９０に貼り付けられている。また、第５回折格子３１及び第６回折格子３２は壁３７及び斜面３８を有している。
【００６９】
第５回折格子３１及び第６回折格子３２からなる複層型回折光学素子は、Ｚ軸方向に平板である。また第５回折格子３１の屈折率Ｎ１は高屈折率であり、第６回折格子３２の屈折率Ｎ２は低屈折率である。第５回折格子３１の斜面３８は凸状に膨らんでいる曲面である。壁３７はＺ軸方向に直線である。また斜面３８に形成された回折格子のピッチＰｄｖは、ＸＹ平面の中心から周辺に向かって徐々に狭くなっている。このため、複層型回折光学素子は、＋Ｚ軸方向に凸レンズと同じ正パワーを有している。なお、回折光学素子１２０又は回折光学素子１３０において負（凹）パワーを持たせる場合には、低屈折率と高屈折率とを逆にすればよい。
【００７０】
斜面３８の反対側の第６回折格子３２の一面にサブ波長面８０が形成されている。サブ波長面８０は空気などの気体又は真空と接している。
第１の実施形態における数式（３）において、回折光学素子１３０のピッチＰｄｖはピッチＰｄに置き換えて計算すればよい。
【００７１】
（第４の実施形態）
＜回折光学素子１４０の構成＞
図９は、光学部材に貼り付けられた回折光学素子１４０を示した概念断面図である。
第７回折格子４１の一面は、第３の実施形態と異なり凸レンズの光学部材９５に貼り付けられている。また、第７回折格子４１及び第８回折格子４２は壁４７及び斜面４８を有している。
【００７２】
第７回折格子４１及び第８回折格子４２からなる複層型回折光学素子は凸レンズの光学部材９５に沿って曲面状であり、Ｚ軸方向の厚さは全面でほぼ均一である。また第７回折格子４１の屈折率Ｎ１は高屈折率であり、第８回折格子４２の屈折率Ｎ２は低屈折率である。第７回折格子４１の斜面４８は凸状に膨らんでいる曲面である。壁４７はＺ軸方向に直線である。また斜面４８に形成された回折格子のピッチＰｄｖは、ＸＹ平面の中心から周辺に向かって徐々に狭くなっている。このため、凸レンズの光学部材９５と同様に、複層型回折光学素子も＋Ｚ軸方向に凸レンズと同じ正パワーを有している。
【００７３】
斜面４８の反対側の第８回折格子４２の一面にサブ波長面８０が形成されている。サブ波長面８０は空気などの気体又は真空と接している。
第１の実施形態における数式（３）において、回折光学素子１４０のピッチＰｄｖはピッチＰｄに置き換えて計算すればよい。
【００７４】
（その他の実施形態）
＜複層型回折光学素子の壁＞
図１０は、第１の実施形態の第１回折格子１１及び第２回折格子１２の変形例を示した図である。第１の実施形態の同じ部材には同じ符号を付している。
【００７５】
数式（４）で説明したように、壁１７の高さ（長さ）Ｈが大きくなると、入射光に対する角度特性が劣化し、壁１７で入射光が反射するなどして迷光が発生しやすくなる。また壁１７の高さ（長さ）Ｈが大きくなると回折効率が低下しやすい。これらの問題を解決するには以下のようにすればよい。
【００７６】
図１０（ａ）に示された壁５７は、Ｚ軸方向に対して傾けて形成されている。この傾け角度は、主光線にならって傾けることが好ましい。これは壁５７を瞳（入射瞳ないしは射出瞳）に向けると言い換えることもできる。
【００７７】
図１０（ｂ）に示された壁６７は、階段形状の段部が形成されている。段部が形成されることにより、壁６７の全体はＺ軸方向に対して傾いている。第１回折格子１１及び第２回折格子１２に所定の角度を持って入射した入射光は段部（Ｚ軸方向の面とＸＹ軸方向の面）で２回反射することになり、入射光と同じ方向で逆向きに戻ることになる。これにより、壁６７に入射した入射光は結像方向に達することはないので、フレア光とはならない。
【００７８】
図１０（ｃ）に示された壁７７は、断面形状が曲線である。壁７７の断面形状が曲線であると反射又は透過光を発散させ、不要な高次回折光・フレア・ゴーストを減ずることができる。
【００７９】
第１の実施形態から第４の実施形態及びその他の実施形態において、複層型回折光学素子及びサブ波長面８０はガラス又は樹脂で形成される。しかしながら、複雑で微細な形状であることから硬化性樹脂を使用することが好ましい。更には複層型回折光学素子及びサブ波長面８０はいずれも紫外線硬化型樹脂である方が生産効率上好ましい。さらに、小型軽量化のためには、回折光学素子を構成する光学材料は、比重が２．０以下の樹脂材料であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため、光学系の軽量化に有効である。そして更に効果を発揮するには比重が１．６以下であることが好ましい。
【００８０】
＜回折光学素子を用いた光学系＞
図１１は、第１の実施形態の回折光学素子１１０を用いる光学系２００又は光学系２１０概念断面図である。図１１（ａ）は、絞りＤＰより像面側に回折光学素子１１０が配置された光学系２００である。図１１（ｂ）は、絞りＤＰより物体側に回折光学素子１１０が配置された光学系２１０である。
【００８１】
図１１（ａ）に示された光学系２００において、図１１（ａ）の左側が物体（不図示）で右側が結像面ＩＰである。光学系２００は、左側から順に結像レンズ２１１、絞りＤＰ（瞳面）、及び回折光学素子１１０を有している。光学系２００は、例えばカメラの撮影レンズとして使われる。
【００８２】
回折光学素子１１０のサブ波長面８０は、結像レンズ２１１及び絞りＤＰを通過した広帯域の可視光に対して、図４Ａ、図５Ａ又は図６Ａで示されたように、反射を防止することができる。そして回折光学素子１１０は図４Ｃ、図５Ｃ又は図６Ｃで示されたように、１次回折光の透過効率が高いため、多くの光を結像面ＩＰに導くことができる。また第１回折格子１１及び第２回折格子１２は、図２、図４Ｂ、図５Ｂ又は図６Ｂで示されたように、広帯域の可視光に対して回折効率が高いため、結像面ＩＰにおいて色収差などを抑えることができる。
【００８３】
図１１（ｂ）に示された光学系２１０において、図１１（ｂ）の左側が物体（不図示）で右側が結像面ＩＰである。光学系２１０は、左側から順に結像レンズ２１２、回折光学素子１１０、絞りＤＰ（瞳面）、及び結像レンズ２１３を有している。光学系２１０もカメラの撮影レンズとして使われる。
【００８４】
回折光学素子１１０のサブ波長面８０は、結像レンズ２１２を通過した広帯域の可視光に対して、反射を防止することができる。そして回折光学素子１１０は１次回折光の透過効率が高いため、多くの光を絞りＤＰ側に導くことができる。また第１回折格子１１及び第２回折格子１２は、広帯域の可視光に対して回折効率が高いため色収差などを抑えることができる。
【００８５】
図１１（ｂ）において、結像レンズ２１２と回折光学素子１１０とは別体である。しかし、これに限定するものではなく、図９で示されたように、結像レンズ２１２に回折光学素子１４０を設けても良い。
【００８６】
図１１に示された光学系２００又は光学系２１０は、透過率が高く、使用波長領域において部分的な回折効率の落ちも少ない。従って、光学系２００又は光学系２１０は高い解像力を持つ高性能の撮影レンズとして提供される。
【００８７】
また、光学系２００又は光学系２１０はカメラの撮影レンズとして示されたが、これに限定せず、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナ、デジタル複写機のリーダーレンズ、双眼鏡や顕微鏡等の観察装置の光学系などの結像光学系に使用しても同様の効果が得られる。
【産業上の利用可能性】
【００８８】
以上、本発明の最適な実施形態について説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更を加えて実施することができる。
例えば、最適な実施形態として、広帯域の可視光（例えば４００ｎｍ〜８００ｎｍ）を対象として説明した。しかし、狭帯域の可視光や、狭帯域や広帯域の赤外線や紫外線が入射する回折光学素子、回折光学部材及び光学系にも適用できる。また、光学系としては、透過型だけでなく、反射型の光学系にも本発明を適用できる。
【符号の説明】
【００８９】
１１  …  第１回折格子
１２  …  第２回折格子
２１  …  第３回折格子
２２  …  第４回折格子
３１  …  第５回折格子
３２  …  第６回折格子
４１  …  第７回折格子
４２  …  第８回折格子
１７，２７，３７，４７，５７，６７，７７  …  壁
１８，２８，３８，４８  …  斜面
８０（８０Ａ，８０Ｂ）  …  サブ波長面
８２，８４  …  突起
９０，９５  …  光学部材
１１０，１２０，１３０，１４０  …  回折光学素子
２００，２１０  …  光学系
２１１  …  結像レンズ
ＤＨ，ＤＬ，Ｈ，ｈ  …  高さ
ＤＰ  …  絞り
ＩＰ  …  結像面
Ｎ１  …  屈折率
Ｎ２  …  屈折率
Ｎｓ  …  屈折率
Ｐｄ，Ｐｄｖ，Ｐｓ  …  ピッチ
【図１】
2011022319.tif 000009
【図２】
2011022319.tif 000010
【図３】
2011022319.tif 000011
【図４Ａ】
2011022319.tif 000012
【図４Ｂ】
2011022319.tif 000013
【図４Ｃ】
2011022319.tif 000014
【図５Ａ】
2011022319.tif 000015
【図５Ｂ】
2011022319.tif 000016
【図５Ｃ】
2011022319.tif 000017
【図６Ａ】
2011022319.tif 000018
【図６Ｂ】
2011022319.tif 000019
【図６Ｃ】
2011022319.tif 000020
【図７】
2011022319.tif 000021
【図８】
2011022319.tif 000022
【図９】
2011022319.tif 000023
【図１０】
2011022319.tif 000024
【図１１】
2011022319.tif 000025