(57)【要約】【課題】密着積層型の回折光学素子において、散乱を抑制しつつ、製造を容易にする。【解決手段】回折光学素子１は、断面鋸歯形状の第１回折格子１４を有する第１光学部材１０と、断面鋸歯形状の第２回折格子１５を有し且つ第１光学部材１０と屈折率が異なる第２光学部材１１とを備えている。回折光学素子１は、第１及び第２光学部材１０，１１を第１及び第２回折格子１４，１５を密着させた状態で積層させている。第１回折格子１４の回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、所定の範囲に設定されている。【選択図】図２
2011227481.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面鋸歯形状の第１回折格子を有する第１光学部材と、該第１回折格子の反転形状をした第２回折格子を有し且つ該第１光学部材と屈折率が異なる第２光学部材とを備え、該第１及び第２光学部材を、該第１及び第２回折格子を密着させた状態で積層させた回折光学素子であって、
上記第１回折格子の回折面は、下記式（１）を満足する回折光学素子；
【数１】
2011227481.tif 000015
ここで、
Ｒａ＿ａ：上記回折面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd：上記第１光学部材と上記第２光学部材との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：上記回折光学素子における光が入射する面のうち、上記回折面を除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：上記散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【請求項２】
断面鋸歯形状の第１回折格子を有する第１光学部材と、該第１回折格子の反転形状をした第２回折格子を有し且つ該第１光学部材と屈折率が異なる第２光学部材とを備え、該第１及び第２光学部材を、該第１及び第２回折格子を密着させた状態で積層させた回折光学素子であって、
上記第１回折格子は、金型で成形され、
上記第１回折格子の回折面には、金型の加工痕を反転させた反転構造が形成されており、
上記反転構造は、断面が円形状となるように凸状に盛り上がっており、
上記第１回折格子の回折面は、下記式（２）を満足する回折光学素子；
【数２】
2011227481.tif 000016
ここで、
Ｒ：上記反転構造の断面の曲率半径［μm］
Ｐ：上記反転構造のピッチ［μm］
Δｎd：上記第１光学部材と上記第２光学部材との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：上記回折光学素子における光が入射する面のうち、上記回折面を除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：上記散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【請求項３】
断面鋸歯形状の第１回折格子を有する第１光学部材と、該第１回折格子の反転形状をした第２回折格子を有し且つ該第１光学部材と屈折率が異なる第２光学部材とを備え、該第１及び第２光学部材を、該第１及び第２回折格子を密着させた状態で積層させた回折光学素子であって、
上記第１回折格子の回折面は、下記式（３）を満足する回折光学素子；
【数３】
2011227481.tif 000017
ここで、
λ：使用波長帯域の最短波長［μm］
Ｒａ＿ａ：上記回折面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd：上記第１光学部材と上記第２光学部材との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：上記回折光学素子における光が入射する面のうち、上記回折面を除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：上記散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【請求項４】
光束を所定の面上に合焦させるための結像光学系を備えた光学機器であって、
上記結像光学系は、請求項１乃至３の何れか１つに記載の回折光学素子を有する光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２つの光学部材を積層させて、それらの境界面に回折格子を形成した回折光学素子及びそれを備えた光学機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の光学部材を密着した状態で積層させて、その境界面にレリーフパターンを形成したものが知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
例えば、特許文献１に記載された回折光学素子は、複数の光学部材を積層させ、両者の境界面に断面鋸歯状の回折格子を形成している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−１２７３２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このような回折格子が形成された境界面においては、空気と光学部材との境界面に比べて、境界面を挟む媒体間の屈折率差の絶対値が小さい。一般に、境界面における散乱は屈折率差の絶対値が大きくなるにつれて大きくなる。そのため、回折格子が形成された境界面においては、散乱が小さくなる。このように、回折格子が形成された境界面は、散乱が小さいため、空気と光学部材との境界面のような厳しい表面粗さが要求されない。要求される表面粗さのレベルが低いと、光学部材の製造が容易となる。
【０００６】
しかしながら、境界面の表面粗さをどの程度まで許容できるかについての知見はない。
【０００７】
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、密着積層型の回折光学素子において、散乱を抑制しつつ、製造を容易にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
ここに開示された回折光学素子は、断面鋸歯形状の第１回折格子を有する第１光学部材と、該第１回折格子の反転形状をした第２回折格子を有し且つ該第１光学部材と屈折率が異なる第２光学部材とを備え、該第１及び第２光学部材を、該第１及び第２回折格子を密着させた状態で積層させた回折光学素子であって、上記第１回折格子の回折面は、下記式（１）を満足する。
【０００９】
【数１】
2011227481.tif 000003
【００１０】
ここで、
Ｒａ＿ａ：上記回折面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd：上記第１光学部材と上記第２光学部材との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：上記回折光学素子における光が入射する面のうち、上記回折面を除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：上記散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【００１１】
また、ここに開示された回折光学素子は、断面鋸歯形状の第１回折格子を有する第１光学部材と、該第１回折格子の反転形状をした第２回折格子を有し且つ該第１光学部材と屈折率が異なる第２光学部材とを備え、該第１及び第２光学部材を、該第１及び第２回折格子を密着させた状態で積層させた回折光学素子であって、上記第１回折格子は、金型で成形され、上記第１回折格子の回折面には、金型の加工痕を反転させた反転構造が形成されており、上記反転構造は、断面が円形状となるように凸状に盛り上がっており、上記第１回折格子の回折面は、下記式（２）を満足する。
【００１２】
【数２】
2011227481.tif 000004
【００１３】
ここで、
Ｒ：上記反転構造の断面の曲率半径［μm］
Ｐ：上記反転構造のピッチ［μm］
Δｎd：上記第１光学部材と上記第２光学部材との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：上記回折光学素子における光が入射する面のうち、上記回折面を除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：上記散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【００１４】
さらに、ここに開示された回折光学素子は、断面鋸歯形状の第１回折格子を有する第１光学部材と、該第１回折格子の反転形状をした第２回折格子を有し且つ該第１光学部材と屈折率が異なる第２光学部材とを備え、該第１及び第２光学部材を、該第１及び第２回折格子を密着させた状態で積層させた回折光学素子であって、上記第１回折格子の回折面は、下記式（３）を満足する。
【００１５】
【数３】
2011227481.tif 000005
【００１６】
ここで、
λ：使用波長帯域の最短波長［μm］
Ｒａ＿ａ：上記回折面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd：上記第１光学部材と上記第２光学部材との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：上記回折光学素子における光が入射する面のうち、上記回折面を除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：上記散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【００１７】
また、ここに開示された光学機器は、光束を所定の面上に合焦させるための結像光学系を備え、上記結像光学系は、上記回折光学素子を有するものとする。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、散乱を抑制しつつ、回折光学素子の製造を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施形態に係る交換レンズが取り付けられたカメラの概略図である。
【図２】回折光学素子の概略断面図である。
【図３】第１光学部材と第２光学部材との境界面の詳細構造を示す拡大断面図である。
【図４】散乱成分を算出するためのシミュレーションにおけるモデルを示す断面図である。
【図５】中心線平均粗さ及び屈折率差と、散乱との関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００２１】
《発明の実施形態》
図１には、本実施形態に係る例示的な回折光学素子１を備えた交換レンズ２００及びそれが取り付けられたカメラ１００の概略図を、図２には、回折光学素子１の概略断面図を示す。
【００２２】
交換レンズ２００は、カメラ１００に着脱可能に構成されている。交換レンズ２００は、例えば、望遠ズームレンズである。交換レンズ２００は、屈折型レンズ２１０，２２０に加えて、回折光学素子１をレンズ素子として機能させている。これら屈折型レンズ２１０，２２０及び回折光学素子１によって、光束をカメラ１００の撮像素子１１０上に合焦させるための結像光学系２３０を構成している。この交換レンズ２００が光学機器を構成する。
【００２３】
回折光学素子１は、それぞれ光透過性を有する第１光学部材１０及び第２光学部材１１を密着させた状態で積層させた密着積層型回折光学素子である。本実施形態では、第１光学部材１０はガラスで、第２光学部材１１は樹脂で構成されている。尚、第１及び第２光学部材１０，１１の材料は、これらに限定されるものではない。第１光学部材１０と第２光学部材１１とは相互に接合されている。第１光学部材１０の接合面１０ａと第２光学部材１１の接合面１１ａとで構成される境界面１２には、断面鋸歯形状の回折格子１３が形成されている。回折格子１３の光学的パワーは波長依存性を有するため、回折格子１３は、波長の異なる光に対してほぼ同じ位相差を付与し、波長の異なる光を相互に異なる回折角で回折させる。回折格子１３は、第１光学部材１０の接合面１０ａに形成された断面鋸歯形状の第１回折格子１４と、第２光学部材１１の接合面１１ａに形成された断面鋸歯形状の第２回折格子１５とで構成される。
【００２４】
詳しくは、第１回折格子１４は、回折光学素子１の光軸Ｘを中心として周方向に延び且つ、光軸Ｘを中心として同心円状に規則的に配列された複数の山形状の凸部１４ａ，１４ａ，…で構成されている。各凸部１４ａは、光軸Ｘと略平行な（即ち、光軸Ｘに沿って延びる）縦面１４ｂと光軸Ｘに対して傾斜した（即ち、縦面１４ｂに対して傾斜した）回折面１４ｃとを有し、その横断面が略三角形状をしている。
【００２５】
また、第２回折格子１５は、回折光学素子１の光軸Ｘを中心として周方向に延び且つ、光軸Ｘを中心として同心円状に規則的に配列された複数の谷形状の凹部１５ａ，１５ａ，…で構成されている。各凹部１５ａは、光軸Ｘと略平行な縦面１５ｂと光軸Ｘに対して傾斜した回折面１５ｃとを有し、その横断面が略三角形状をしている。
【００２６】
これら第１回折格子１４と第２回折格子１５とはそれぞれ、格子高が同じで且つ格子ピッチも同じとなるように構成されている。すなわち、第２回折格子１５は、第１回折格子１４の反転形状をしており、第１回折格子１４の各凸部１４ａが第２回折格子１５の各凹部１５ａに密着した状態で嵌っている。こうして、第１回折格子１４と第２回折格子１５とが一体となって回折格子１３を形成する。
【００２７】
尚、第１回折格子１４の回折面１４ｃ及び第２回折格子１５の回折面１５ｃは、非球面状又は球面状に湾曲していてもよい。
【００２８】
一方、第１光学部材１０の接合面１０ａとは反対側の表面１０ｂと、第２光学部材１１の接合面１１ａとは反対側の表面１１ｂとは、相互に平行な平面に形成されている。図１に示すように、例えば、第１光学部材１０側から回折光学素子１に入射した光は、回折格子１３（具体的には回折面１４ｃ，１５ｃ）でもって回折されて第２光学部材１１側から射出されるようになっている。尚、第１光学部材１０の表面１０ｂと第２光学部材１１の表面１１ｂとは平行でなくてもよい。
【００２９】
次に、このように構成された回折光学素子１の製造方法の一例について簡単に説明する。まず、第１回折格子１４の反転形状が形成された金型を用意する。この金型に軟化したガラス（例えば、ガラス転移点以上に加熱されたガラス又は溶融したガラス）を充填する。こうして、第１光学部材１０を成形する。続いて、別の金型内に、第１光学部材１０を第１回折格子１４が金型の内方を向く状態で設置する。そして、第１光学部材１０が設置された金型内に溶融樹脂を充填する。その結果、第１光学部材１０の第１回折格子１４上に第２光学部材１１が積層される。このとき、第１回折格子１４の谷の部分に溶融樹脂が流れ込み、第１回折格子１４と重なり合う第２回折格子１５を有する第２光学部材１１が成形される。尚、この製造方法は一例であって、回折光学素子１を製造できる限りにおいては、任意の製造方法を適用することができる。例えば、第２光学部材１１をガラスで構成する場合には、軟化したガラス（例えば、ガラス転移点以上に加熱されたガラス又は溶融したガラス）を、上記第１光学部材１０を設置した金型内に充填し、該軟化したガラスを第１光学部材１０の第１回折格子１４に押圧することによって、第１光学部材１０に第２光学部材１１が積層された回折光学素子１を製造してもよい。第２光学部材１１を樹脂及びガラスの何れで構成する場合であっても、軟化した光学材料が第１光学部材１０の第１回折格子１４に倣った形状に変形し、第１回折格子１４と密着した第２回折格子１５が形成される。
【００３０】
このとき、第１回折格子１４の回折面１４ｃの微小な凹凸構造まで、第２回折格子１５の回折面１５ｃに転写される。その結果、第１回折格子１４の回折面１４ｃの凹凸構造と第２回折格子１５の回折面１５ｃの凹凸構造とが合致する。換言すれば、第２回折格子１５の回折面１５ｃは、その微小な凹凸構造まで、第１回折格子１４の回折面１４ｃに倣った形状となっている。つまり、第２回折格子１５の回折面１５ｃの表面形状は、第１回折格子１４の回折面１４ｃの表面形状を反転させた形状となっている。こうして、第１回折格子１４の回折面１４ｃの表面粗さが、第１光学部材１０と第２光学部材１１との境界面１２の表面粗さとなる。詳しくは後述するが、これら回折面１４ｃ，１５ｃの表面粗さは、回折面１４ｃ，１５ｃにおける散乱に影響を与える。
【００３１】
ここで、第１回折格子１４の回折面１４ｃの表面粗さは、金型表面の表面粗さによって決まる。つまり、第１回折格子１４の回折面１４ｃには、第１光学部材１０用の金型の、回折面１４ｃに対応する部分の表面形状が転写される。つまり、第１回折格子１４の回折面１４ｃの表面粗さは、金型の、回折面１４ｃに対応する部分の表面粗さと略同様になる。
【００３２】
金型の表面、特に、第１回折格子１４の反転形状のように入り組んだ形状の表面は、一般にバイトによる切削加工で仕上げられている。詳しくは、金型の表面は、先端部の曲率半径がＲのバイトを所定の微小なピッチＰで送りながら、切削加工されている。そのため、金型の表面には、半径Ｒの円弧状の断面形状を有する溝が加工痕として、ピッチＰで複数並んで形成されている。
【００３３】
このような金型で成形された第１回折格子１４の回折面１４ｃには、図３に示すように、金型表面の加工痕が転写される。図３は、第１光学部材１０と第２光学部材１１との断面図であって、説明の便宜上、回折面１４ｃ，１５ｃを水平に描いている。詳しくは、第１光学部材１０の回折面１４ｃには、半径Ｒの円弧状の断面形状を有する、凸状に盛り上がった線条１４ｄ，１４ｄ，…がピッチＰで複数並んで形成されている。この線状１４ｄ，１４ｄ，…は、加工痕の反転構造である。尚、第２光学部材の回折面１５ｃには、回折面１４ｃの表面形状が転写されるため、半径Ｒの円弧状の断面形状を有する溝１５ｄ，１５ｄ，…がピッチＰで複数並んで形成されている。線条１４ｄ，１４ｄ，…と溝１５ｄ，１５ｄ，…とは、ぴったり合致している。
【００３４】
バイト先端部の曲率半径ＲやピッチＰは、金型の表面に要求される表面粗さ、即ち、第１回折格子１４の回折面１４ｃに要求される表面粗さと、第１回折格子１４の稜部（縦面１４ｂと回折面１４ｃとで形成される峰の部分）に求められる形状によって決定される。切削加工においては、バイト先端部の曲率半径Ｒを大きくすることで表面粗さを細かくすることができる。その一方で、金型における、第１回折格子１４の稜部の反転形状となる谷底の部分の尖鋭の程度は、バイト先端部の曲率半径Ｒで決まってしまう。つまり、バイト先端部の曲率半径Ｒが大きいと、金型の該谷底の部分が丸まってしまう。その結果、第１回折格子１４の稜部も丸まってしまう。丸まった稜部は回折に寄与しないので、回折格子１４が光を適切に回折させることができなくなり、回折効率が低下してしまう。このような観点から、バイト先端部の曲率半径Ｒを小さくする必要がある。ところが、バイト先端部の曲率半径Ｒを小さくすると、前述の如く、表面粗さが粗くなってしまう。そこで、表面粗さが粗くなることを回避すべく、バイト先端部の曲率半径Ｒが小さい場合には、バイトの送りピッチを小さくする必要がある。しかし、その場合、バイトによる切削距離（加工中におけるバイトの移動距離）が長くなってしまう。切削距離が長いと、バイトが摩耗したり、破損したりする虞がある。また、切削距離が長いと、加工中の温度や湿度などの環境が変化し、金型の仕上がりに悪影響を及ぼしてしまう。このように、表面粗さが細かい金型を製造することは容易ではない。
【００３５】
ここで、回折面１４ｃでの散乱の観点からすると、回折面１４ｃの表面粗さはそれほど細かくなくてもよい。詳しくは、一般に、境界面の表面粗さが粗くなると、該境界面における散乱を増大させてしまう。しかしながら、散乱の程度を決める要因は、境界面における表面粗さだけでなく、境界面の前後における媒体間の屈折率差も要因の１つとなる。つまり、境界面における散乱は、境界面の表面粗さが粗くなるほど、境界面の前後の媒体間の屈折率差の絶対値が大きくなるほど、大きくなる。ここで、回折面１４ｃを挟んだ前後の媒体は、第１光学部材１０と第２光学部材１１である。そのため、一方の媒体が空気となる、第１光学部材１０の表面１０ｂや第２光学部材１１の表面１１ｂに比べて、回折面１４ｃを挟んだ前後の媒体間の屈折率差の絶対値は小さい。このように境界面の前後の媒体間の屈折率差の絶対値が小さい場合には、境界面の表面粗さを或る程度粗くしても、境界面における散乱はそれほど増大しない。
【００３６】
そこで、第１回折格子１４の回折面１４ｃの表面粗さは、下記式（１）を満たすように構成されている。
【００３７】
【数１】
2011227481.tif 000006
【００３８】
ここで、
Ｒａ＿ａ：回折面１４ｃの中心線平均粗さ［μm］
Δｎd：第１光学部材１０と第２光学部材１１との屈折率差
Ｒａ＿ｓ：回折光学素子１における光が入射する面のうち、回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さ［μm］
Δｎd＿ｓ：散乱が最も大きい面を挟んだ媒体間の屈折率差
である。
【００３９】
すなわち、本実施形態では、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、４×Ｒａ＿ｓ以上に設定されている。すなわち、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、回折光学素子１における光が入射する面のうち、回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さＲａ＿ｓよりも４倍以上粗くてもよいことになる。このように、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａが４×Ｒａ＿ｓ以上でよいとすると、金型表面の中心線平均粗さＲａも４×Ｒａ＿ｓ以上でよくなる。この場合には、金型表面の中心線平均粗さＲａがＲａ＿ｓの場合と比べて（即ち、回折光学素子１における光が入射する面のうち、回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面と同等の面粗さに加工する場合と比べて）、金型加工における切削距離が概ね半分程度となる。その結果、金型を容易に製造することができるため、回折光学素子１の製造（金型の製造を含む）を容易にすることができる。
【００４０】
具体的には、第１及び第２光学部材１０，１１を積層させた回折光学素子１の場合、回折光学素子１における光が入射する面のうち、回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面は、第１光学部材１０の表面１０ｂか第２光学部材１１の表面１１ｂとなる。これら表面１０ｂ，１１ｂは、空気との境界面であり、その中心線平均粗さＲａは、一般に、0.002μm程度に設定される。光波干渉法等の表面粗さを測定する方法では、一般的に、0.0025〜0.005μm程度の凹凸の測定が限界である。換言すれば、光は、これよりも小さい凹凸を識別することができない。したがって、一般には、光が入射する、空気との境界面は、散乱を抑制するために、その中心線平均粗さＲａが0.002μm程度に設定される。
【００４１】
そうすると、上記式（１）は、下記式（４）のようになる。
【００４２】
【数４】
2011227481.tif 000007
【００４３】
すなわち、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、0.008μｍ以上に設定されることになる。空気との境界面となる表面１０ｂ，１１ｂの中心線平均粗さＲａに比べて、回折面１４ｃの表面粗さは、大幅に粗くてもよいことになる。このように、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａが0.008μｍ以上でよいとすると、金型表面の中心線平均粗さＲａも0.008μｍ以上でよくなる。この場合には、金型表面の中心線平均粗さＲａが0.002μｍの場合と比べて、金型加工における切削距離が概ね半分程度となる。その結果、金型を容易に製造することができるため、回折光学素子１の製造（金型の製造を含む）を容易にすることができる。
【００４４】
その一方で、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａの上限値を式（１）のように設定することによって、回折面１４ｃにおける散乱を抑制することができる。すなわち、前述の如く、或る境界面における散乱は、境界面の表面粗さが粗くなるほど、境界面の前後の媒体間の屈折率差の絶対値が大きくなるほど、大きくなる。そのため、詳しくは後述するが、中心線表面粗さＲａと屈折率差Δｎdの絶対値との積を散乱の程度を表すパラメータ（以下、散乱パラメータと称する）として用いることができる。すなわち、散乱パラメータが大きくなるほど、その境界面における散乱が大きくなる。そこで、回折面１４ｃにおける散乱パラメータが、回折光学素子１における光が入射する面のうち、回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面（以下、散乱最大面と称する）の散乱パラメータ以下となるように回折面１４ｃを構成する。つまり、回折面１４ｃにおける散乱パラメータと散乱最大面（例えば、第１光学部材１０の表面１０ｂ）における散乱パラメータとの関係は、下記式（５）を満たすようになる。
【００４５】
Ｒａ＿ａ・Δｎd≦Ｒａ＿ｓ・Δｎd＿ｓ        ・・・（５）
この式（５）を回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａについて整理することによって、式（１）に示すような上限値が規定される。つまり、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａを式（１）の上限値以下に設定することによって、回折面１４ｃにおける散乱を、少なくとも、散乱最大面における散乱よりも抑制することができる。
【００４６】
したがって、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａが式（１）を満たすように第１回折格子１４を構成することによって、散乱を抑制しつつ、回折光学素子１の製造を容易にすることができる。
【００４７】
また、前述の如く、第１光学部材１０の回折面１４ｃには、金型の加工痕が転写されて、その反転構造としての線条１４ｄ，１４ｄ，…が形成されている。回折面１４ｃの線条１４ｄの断面の曲率半径をＲ［μm］、線条１４ｄのピッチをＰ［μm］とすると、第１回折格子１４は、下記式（２）を満たすように構成されている。
【００４８】
【数２】
2011227481.tif 000008
【００４９】
ここで、回折面１４ｃに、半径Ｒの円弧状の断面形状を有する、凸状に盛り上がった線条１４ｄ，１４ｄ，…がピッチＰで複数並んで形成されている場合、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、下記式（６）で表される。
【００５０】
【数５】
2011227481.tif 000009
【００５１】
つまり、式（６）を式（１）に代入すると、式（２）となる。このように、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａではなく、回折面１４ｃに転写された、加工痕の反転構造の曲率半径Ｒ及びピッチＰが式（２）の関係を満たすように第１回折格子１４を構成することによって、前述の如く、散乱を抑制しつつ、回折光学素子１の製造を容易にすることができる。
【００５２】
尚、回折光学素子１における光が入射する面のうち、回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面の中心線平均粗さＲａを0.002μmとすると、式（２）は、以下の式（７）となる。
【００５３】
【数６】
2011227481.tif 000010
【００５４】
さらに、第１回折格子１４の回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、使用波長帯域のうち最短波長をλ［μm］とすると、下記式（３）を満たすように設定されていてもよい。
【００５５】
【数３】
2011227481.tif 000011
【００５６】
式（３）によれば、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａは、λ／50以上に設定される。回折光学素子１の対象が可視光である場合は、使用波長帯域は概ね400〜800nmとなる。この場合、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａの下限値は、0.008mとなる。この値は、前述の如く、空気との境界面の中心線平均粗さＲａの一般的な値（0.002μm）の４倍であり、当該境界面と比べて、金型加工における切削距離が概ね半分程度となる値である。よって、回折光学素子１の製造（金型の製造を含む）を容易にすることができる。
【００５７】
また、回折面１４ｃに転写された、加工痕の反転構造が曲率半径Ｒ及びピッチＰの線条１４であるとすると、式（３）は下記式（８）のようになる。
【００５８】
【数７】
2011227481.tif 000012
【００５９】
すなわち、回折面１４ｃに転写された、加工痕の反転構造の曲率半径Ｒ及びピッチＰが式（８）の関係を満たすように第１回折格子１４を構成することによっても、前述の如く、散乱を抑制しつつ、回折光学素子１の製造を容易にすることができる。
【００６０】
ここで、境界面の表面粗さ及び境界面の前後の媒体間の屈折率差と、散乱との関係について図４，５を参照しながら説明する。図４は、シミュレーションに用いた積層光学素子のモデルを示し、図５は、散乱のシミュレーション結果を示す。
【００６１】
まず、図４に示すようなモデル３を想定した。このモデル３は、第１光学部材３１と第２光学部材３２とを積層させたものであって、それらの境界面３３には凹凸構造が形成されている。すなわち、第１光学部材３１の境界面３１ａには、半径Ｒの円弧状の断面形状を有する、凸状に盛り上がった線条３１ｃ，３１ｃ，…がピッチＰで複数並んで形成されている。一方、第２光学部材３２の境界面３２ａには、半径Ｒの円弧状の断面形状を有する溝３２ｃ，３２ｃ，…がピッチＰで複数並んで形成されている。そして、境界面３１ａの線条３１ｃと境界面３２ａの溝３２ｃとがぴったりと重なり合う状態で、第１光学部材３１と第２光学部材３２とが積層されている。ここで、第１光学部材３１のｄ線（0.587562μm）に対する屈折率はｎd1であり、第２光学部材３２のｄ線に対する屈折率はｎd2（＜ｎd1）である。そして、ｄ線の光が第１光学部材３１の表面３１ｂから入射し、第２光学部材３２の表面３２ｂから射出していくものとする。このとき、境界面３１ａ（３２ａ）において、光の一部が散乱する。ここで、境界面３１ａの中心線平均粗さＲａ及び屈折率差Δｎd（＝ｎd1−ｎd2）を変化させながら、ＲＣＷＡ法によって、散乱成分の割合を算出した。全透過光量（＝０次光の光量＋全ての散乱光の光量）に対する散乱光量の割合を散乱成分の割合とした。詳しくは、ピッチＰを0.001μmに設定し、半径Ｒを1.1μm〜62.5μmの間で変化させることによって、境界面３１ａの中心線平均粗さＲａを変化させた。ちなみに、Ｒ＝1.1μmのときＲａ＝0.120μｍとなり、Ｒ＝62.5μmのときＲａ＝0.002μｍとなる。中心線平均粗さＲａは、溝断面の半径Ｒ及びピッチＰとから、式（６）に基づいて算出した。また、第１光学部材３１の屈折率ｎd1を1.7（住田光学製ガラスＫ−ＬａＦｎ３の屈折率に相当）で固定し、第２光学部材３２の屈折率ｎd2を変化させることによって、屈折率差Δｎdを変化させた。
【００６２】
図５のシミュレーション結果からわかるように、中心線平均粗さＲａが大きくなるほど、散乱成分が増加することがわかる。また、屈折率差Δｎdの絶対値が大きくなるほど、散乱成分が大きくなることがわかる。例えば、屈折率差Δｎdの絶対値が１／２になると、同程度の散乱が生じる中心線平均粗さＲａは約２倍となる。すなわち、屈折率差Δｎdの絶対値が１／ｎになると、同程度の散乱が生じる中心線平均粗さＲａはｎ倍となる。したがって、散乱パラメータ（中心線表面粗さＲａ×屈折率差Δｎdの絶対値）が同程度であれば、生じる散乱も同程度であることがわかる。つまり、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａ＿ａの上限値を式（１）のように設定することによって、回折面１４ｃにおける散乱を、回折光学素子１の散乱最大面における散乱と同程度かそれ以下に抑制することができることがわかる。
【実施例】
【００６３】
以下、回折光学素子の実施例について説明する。
【００６４】
−実施例１−
実施例１では、第１光学部材１０を、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が1.57、アッベ数νｄ1が71.2の仮想ガラスとし、第２光学部材１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が1.54、アッベ数νｄ2が42.1の仮想樹脂とした。その結果、屈折率差Δｎdは、0.03となる。ブレーズ波長λbをｄ線に設定した。このときの格子高は、19.59［μm］となる。そして、回折格子のピッチＰを0.1［mm］とした。また、高い回折効率を実現すべく、回折格子の稜部の曲率半径Ｒを10［μm］に設定した。つまり、先端の曲率半径が10［μm］のバイトで回折格子用の金型を切削加工することを想定した。
【００６５】
例えば、回折面の直径が60［mm］の第１光学部材１０に対応した金型を加工する場合を考える。金型表面の中心線平均粗さＲａが通常の光学素子表面に求められる0.002［μm］以下となるように、先端の曲率半径が10［μm］のバイトで加工すると、バイトの送りピッチが0.40［μm］となり、切削距離が約7000［m］以上となってしまう。しかし、本実施例のように、回折面を挟んだ媒体の屈折率差Δｎdが0.03の場合には、第１光学部材１０の表面１０ｂが散乱が最も大きい面であって該表面１０ｂの中心線平均粗さＲａが0.002［μm］（通常の光学素子表面に求められる値）とすると、式（１）より、金型表面の中心線平均粗さＲａは、0.038［μm］以下であればよいことがわかる。先端の曲率半径が10［μm］のバイトで中心線平均粗さＲａが0.038［μm］となるように金型表面を加工する場合、バイトの送りピッチは1.74［μm］となる。その結果、切削距離は、約1600［m］となる。中心線平均粗さが0.002［μm］の場合と比べて、切削距離が大幅に短縮されることになる。
【００６６】
このように形成された金型で第１光学部材１０を成形すると、第１光学部材１０の回折面１４ｃの表面粗さも金型の表面粗さと同様になる。すなわち、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａは、0.038［μm］となる。仮に、この回折面１４ｃが空気と接しているとして、前述のＲＣＷＡ法を用いたシミュレーションにより散乱成分の割合を計算すると、該回折面１４ｃに垂直に入射するｄ線の光のうち0.50［%］が散乱光となってしまう。それに対して、第１光学部材１０との屈折率差Δｎdが0.03となる第２光学部材１１を積層させると、該回折面１４ｃに垂直に入射するｄ線の光のうち散乱光となるのは、0.01［%］未満である。回折面１４ｃが空気層と接している場合と較べて、散乱が大きく抑制されていることがわかる。
【００６７】
−実施例２−
実施例２では、第１光学部材１０を、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が1.66955、アッベ数νｄ1が55.4のガラス（住田光学ガラス製Ｋ−ＶＣ７８）とし、第２光学部材１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が1.606、アッベ数νｄ2が27.3の仮想樹脂とした。その結果、屈折率差Δｎdは、0.06355となる。ブレーズ波長λbをｄ線に設定した。このときの格子高は、9.25［μm］となる。そして、回折格子のピッチＰを0.4［mm］とした。また、高い回折効率を実現すべく、回折格子の稜部の曲率半径Ｒを15［μm］に設定した。つまり、先端の曲率半径が15［μm］のバイトで回折格子用の金型を切削加工することを想定した。
【００６８】
例えば、回折面の直径が80［mm］の第１光学部材１０に対応した金型を加工する場合、先端の曲率半径が10［μm］のバイトで、金型表面の中心線平均粗さＲａが0.002［μm］以下となるように加工すると、バイトの送りピッチが0.49［μm］となり、切削距離が約10000［m］以上となってしまう。しかし、本実施例のように、回折面を挟んだ媒体の屈折率差Δｎdが0.06355の場合には、第１光学部材１０の表面１０ｂが散乱が最も大きい面であって該表面１０ｂの中心線平均粗さＲａが0.002［μm］（通常の光学素子表面に求められる値）とすると、式（１）より、金型表面の中心線平均粗さＲａは、0.021［μm］以下であればよいことがわかる。先端の曲率半径が15［μm］のバイトで中心線平均粗さＲａが0.021［μm］となるように金型表面を加工する場合、バイトの送りピッチは1.59［μm］となる。その結果、切削距離は、約3200［m］となる。中心線平均粗さが0.002［μm］の場合と比べて、切削距離が大幅に短縮されることになる。
【００６９】
このように形成された金型で第１光学部材１０を成形すると、第１光学部材１０の回折面１４ｃの表面粗さも金型の表面粗さと同様になる。すなわち、回折面１４ｃの中心線平均粗さＲａは、0.021［μm］となる。仮に、この回折面１４ｃが空気と接しているとして、前述のＲＣＷＡ法を用いたシミュレーションにより散乱成分の割合を計算すると、該回折面１４ｃに垂直に入射するｄ線の光のうち0.22［%］が散乱光となってしまう。それに対して、第１光学部材１０との屈折率差Δｎdが0.06355となる第２光学部材１１を積層させると、該回折面１４ｃに垂直に入射するｄ線の光のうち散乱光となるのは、0.01［%］未満である。回折面１４ｃが空気層と接している場合と較べて、散乱が大きく抑制されていることがわかる。
【００７０】
−実施例３−
実施例３では、先端の曲率半径が20［μm］のバイトで回折格子用の金型表面を中心線平均粗さＲａが0.008［μm］となるようなピッチで切削加工し、第１光学部材１０はこの金型で成形されたと想定する。第１光学部材１０のｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）は、1.85であり、アッベ数νｄ1は42であるとする。そして、このように構成された第１光学部材１０の回折面に波長が400nmの光を垂直に入射させたときの散乱光の量をＲＣＷＡ方でシミュレーションした。この400nmという波長は、使用光を可視光とした場合の最短波長である。
【００７１】
第１光学部材１０の回折面が空気と接している場合には、回折面に垂直に入射する波長400nmの光のうち0.11［%］が散乱光となってしまう。それに対して、第１光学部材１０の回折面が、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が1.70で、アッベ数νｄ1が17の光学部材と接している場合には、該回折面に垂直に入射する波長400nmの光のうち散乱光となるのは、0.01［%］未満である。回折面が空気と接している場合と較べて、散乱が大きく抑制されていることがわかる。
【００７２】
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００７３】
すなわち、上記実施形態では、回折光学素子１を交換レンズ２００に採用しているが、これに限られるものではない。回折光学素子１をカメラ１００内のレンズ素子として適用してもよい。また、回折光学素子１は、レンズとして機能させる場合に限られず、それ以外の用途に適用してもよい。
【００７４】
また、第１及び第２回折格子１４，１５の形状は、上記実施形態の形状に限られるものではない。すなわち、第１及び第２回折格子１４，１５は、断面鋸歯形状である限り、任意の形状に形成することができる。
【００７５】
さらに、第１及び第２回折格子１４，１５の形状は、断面矩形状であっても、断面台形状であってもよい。
【００７６】
上記実施形態では、第１光学部材１０を樹脂材料で構成し、第２光学部材をガラス材料で構成しているが、これに限られるものではない。第１光学部材１０をガラス材料で、第２光学部材１１を樹脂材料で構成してもよいし、第１及び第２光学部材１０，１１の両方をガラス材料又は樹脂材料で構成してもよい。また、ガラス材料や樹脂材料の代わりに、透明セラミックを用いてもよい。要するに、使用する波長域で透過性を有する材料であればよい。
【００７７】
また、回折光学素子１の散乱最大面にも、バイトによる金型加工痕の反転構造が形成されている場合には、散乱最大面の反転構造の断面の曲率半径をＲ＿ｓ、該反転構造のピッチをＰ＿ｓとすると、第１回折格子１４は、下記式（９）を満たすように構成してもよい。
【００７８】
【数８】
2011227481.tif 000013
【００７９】
ここで、Ａは、下記式（１０）を満たす値である。
【００８０】
【数９】
2011227481.tif 000014
【００８１】
尚、式（９）の下限値は、0.008[μm]であってもよく、使用波長帯域の最短波長をλとして、λ／50であってもよい。
【００８２】
さらに、回折光学素子１が、レンズ等の他の光学素子と共に光学系を構成する場合には、散乱最大面を、光学系内において光が入射する面のうち、回折光学素子１の回折面１４ｃを除く、散乱が最も大きい面としてもよい。
【００８３】
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。
【産業上の利用可能性】
【００８４】
以上説明したように、本発明は、２つの光学部材を積層させて、それらの境界面に回折格子を形成した回折光学素子及びそれを備えた光学機器について有用である。
【符号の説明】
【００８５】
１      回折光学素子
１０    第１光学部材
１１    第２光学部材
１２    境界面
１３    回折格子
１４    第１回折格子（第１光学部材の回折格子）
１４ｃ  回折面
１４ｄ  線条（反転構造）
１５    第２回折格子（第２光学部材の回折格子）
２００  交換レンズ（光学機器）
２３０  結像光学系
Ｒ      金型加工痕の断面形状の曲率半径
Ｐ      金型加工痕のピッチ
【図１】
2011227481.tif 000018
【図２】
2011227481.tif 000019
【図３】
2011227481.tif 000020
【図４】
2011227481.tif 000021
【図５】
2011227481.tif 000022