(57)【要約】【課題】回折格子を有する光学部材は、所望の光学性能を得るために、最適な光学定数を有する材料の組合せが求められる。しかし、そのような組合せには制限があるため、材料選択の自由度が小さい。【解決手段】積層された第１光学部材１０と第２光学部材１１とを備え、該第１光学部材１０と第２光学部材１１との境界面に回折格子１３が形成された回折光学素子１であって、前記第２光学部材１１は、内部に複数の空隙部１７を有する回折光学素子。【選択図】図１
2011221510.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子が形成された第１光学部材と、回折格子が形成された第２光学部材とを備え、該第１光学部材と第２光学部材とが互いの回折格子を対向させた状態で配設された回折光学素子であって、
前記第２光学部材は、内部に複数の空隙部が形成されている回折光学素子。
【請求項２】
前記空隙部は、空孔であって、
前記第２光学部材は、樹脂又はガラスで構成され、内部に複数の前記空孔が分散されている、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第２光学部材は、多孔質の樹脂又はガラスで構成されている、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記空孔は、球状であって、
前記空孔の平均径は、該回折光学素子が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下である、請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記空孔は、球状であって、
前記第２光学部材に含まれる前記空孔のうち、直径が該回折光学素子の対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であるものが９５％以上を占める、請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第２光学部材は、複数の微粒子が堆積して構成され、該微粒子間に前記空隙部が形成されている、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記微粒子の平均径は、該回折光学素子が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下である、請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第２光学部材に含まれる前記微粒子のうち、粒子径が該回折光学素子の対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であるものが９５％以上を占める、請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第２光学部材は、内部に空隙部を有する微粒子を含有する樹脂又はガラスで構成されている、請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記微粒子の平均径は、該回折光学素子が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下である、請求項９に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記第２光学部材に含まれる前記微粒子のうち、粒子径が該回折光学素子の対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であるものが９５％以上を占める、請求項９に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
前記第２光学部材を前記回折格子の単位周期構造ごとに光軸に平行な面で複数の領域に分割した場合に、隣り合う２つの領域において、一方の領域中の前記空隙部の体積比率をｐ１、他方の領域中の前記空隙部の体積比率をｐ２とすると、以下の式（１）が成り立つ、請求項１に記載の回折光学素子。
０．９×ｐ２＜ｐ１＜１．１×ｐ２    ・・・（１）
【請求項１３】
前記第２光学部材を前記回折格子の単位周期構造ごとに光軸に平行な面で複数の領域に分割した場合に、隣り合う２つの領域において、一方の領域に含まれる前記空孔の平均径をｄ１、他方の領域に含まれる前記空孔の平均径をｄ２とすると、以下の式（２）が成り立つ、請求項２に記載の回折光学素子。
０．９×ｄ２＜ｄ１＜１．１×ｄ２    ・・・（２）
【請求項１４】
前記第２光学部材を前記回折格子の単位周期構造ごとに光軸に平行な面で複数の領域に分割した場合に、隣り合う２つの領域において、一方の領域の所定の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）、他方の領域の所定の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とすると、以下の式（３）が成り立つ、請求項１に記載の回折光学素子。
０．９×ｎ２（λ）＜ｎ１（λ）＜１．１×ｎ２（λ）    ・・・（３）
【請求項１５】
前記第２光学部材を前記回折格子の単位周期構造ごとに光軸に平行な面で複数の領域に分割した場合に、隣り合う２つの領域において、一方の領域の前記微粒子の平均径をｖ１、他方の領域の前記微粒子の平均径をｖ２とすると、以下の式（４）が成り立つ、請求項６に記載の回折光学素子。
０．９×ｖ２＜ｖ１＜１．１×ｖ２    ・・・（４）
【請求項１６】
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、
前記結像光学系は、請求項１乃至１５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】
ここに開示された技術は、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。さらに詳しくは、一方の回折格子は、縦壁と該縦壁に対して傾斜した傾斜壁とを有した山形状の凸部を、所定のピッチで複数配列して構成され、他方の回折格子は、該凸部が嵌る谷形状の凹部を、凸部と同様のピッチで複数配列して構成されている。
【０００４】
上記のような回折光学素子は、所望の光学性能を得るためには、複数の光学部材をそれぞれ適切な光学材料で構成する必要がある。すなわち、積層させる光学材料の組み合わせが重要となる。しかし、光学材料は有限であり、適切な光学定数を有する光学材料を選択する際の自由度はそれほど広くない。
【０００５】
材料選択の自由度を大きくする一つの手法として、特許文献２に開示されたように、光学材料中に無機微粒子を混合するナノコンポジット技術がある。光学材料中に無機微粒子を混合することによって、光学定数を調整することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−１２７３２１号公報
【特許文献２】特開２００９−０７３１６６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、ナノコンポジット技術では、無機微粒子のサイズを使用する波長よりも微小にする必要があるため、製造が困難である等の問題がある。
【０００８】
また、ガラスで構成された光学部材と樹脂で構成された光学部材とを積層させて回折光学素子にとっては、ナノコンポジット技術があまり有効ではないという問題がある。すなわち、ガラスと樹脂とでは、樹脂の方が微粒子の混合が容易であるため、樹脂で構成される光学部材に微粒子が混合される。その結果、樹脂で構成された光学部材の実効屈折率が高くなる。ここで、回折光学素子では、２つの材料間の屈折率差が大きいほど回折格子の段差を低くすることができる。回折格子の段差が低いと、光が回折格子に斜めに入射した場合でも光学性能を維持できる。しかし、前述のように樹脂で構成された光学部材の実効屈折率が高くなると、２つの材料間の屈折率差が小さくなり、回折格子の段差を高くしなければならない。その結果、光が回折格子に斜めに入射した際の光学性能が劣化してしまう。このように、ガラスで構成された光学部材と樹脂で構成された光学部材とを積層させて回折光学素子にとっては、ナノコンポジット技術があまり有効ではない。
【０００９】
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、ナノコンポジット技術以外の方法で、回折光学素子の材料の選択を容易にすることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決する回折光学素子は、回折格子が形成された第１光学部材と、回折格子が形成された第２光学部材とを備え、該第１光学部材と第２光学部材とが互いの回折格子を対向させた状態で配設された回折光学素子であって、前記第２光学部材は、内部に複数の空隙部を有する。ここで、第１光学部材と第２光学部材とを積層させるとは、第１光学部材と第２光学部材とを直接、密着させて重ね合わせる場合に限られず、空気、反射防止膜、接着剤等の中間層を介在させて、第１光学部材と第２光学部材とを重ね合わせることを含む。
【発明の効果】
【００１１】
上記回折光学素子によれば、光学部材の内部に空隙を設けることで、実効的な屈折率を任意の値に変化させることができる。そのため、回折光学素子の材料の選択を容易にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態１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】（ａ）材料間の傾きＭを満たすように選択した、第1及び第2光学部材の組合せを示すグラフであり、（ｂ）光学部材の内部に空隙部を設けることによる光学定数の変化を示すグラフである。
【図４】実施形態２に係る回折光学素子の概略断面図である。
【図５】実施形態３に係る回折光学素子の概略断面図である。
【図６】模式的な回折格子の断面図である。
【図７】比較例１に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図８】実施例１−１に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図９】実施例１−２に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１０】実施例２に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１１】実施例３に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１２】実施例４に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１３】実施例５に係る回折光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１４】回折格子の形状がばらついているときの格子高ｈを説明するための概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
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。
【００１４】
《発明の実施形態１》
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。
【００１５】
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又は、交換レンズ２００を備えたカメラ１００が光学機器を構成する。
【００１６】
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を積層させて構成され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はガラス材料であり、第２光学部材１１は樹脂材料である。第２光学部材１１は、複数の空隙部を有する、多孔質の樹脂で構成されている。第２光学部材１１の詳細な構成については後述する。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。
【００１７】
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に形成された凸状の第１回折格子１４と、第２光学部材１１の接合面１１ａに形成された凹状の第２回折格子１５とで構成される。
【００１８】
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）傾斜面１４ｃとを有し、その横断面が略三角形状をしている。
【００１９】
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に対して傾斜した傾斜面１５ｃとを有し、その横断面が略三角形状をしている。
【００２０】
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にぴったりと嵌り込むように構成されている。その結果、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とは、隙間を空けることなく重なり合って、１つの境界面１２を形成する。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。ただし、接合面１０ａと接合面１１ａとが略平行であれば、接合面１０ａと接合面１１ａとの間に、空気、反射防止膜、接着剤等の、第１回折格子１４や第２回折格子１５とは屈折率が異なる中間層があっても構わない。
【００２１】
尚、第１回折格子１４の凸部１４ａの傾斜面１４ｃ及び第２回折格子１５の凹部１５ａの傾斜面１５ｃは、非球面状又は球面状に湾曲していてもよい。
【００２２】
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でもって回折されて第２光学部材１１側から出射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。また、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、平面ではなく、非球面状又は球面状に湾曲していてもよい。
【００２３】
前記第２光学部材１１は、樹脂層１６の中に複数の空孔１７，１７，…が分散されている。空孔１７は、略球状に形成されている。樹脂層１６中では、複数の空孔１７，１７，…がそれぞれ分離した状態で存在する場合に限られず、複数の空孔１７，１７，…が連結された状態でも存在する。また、空孔１７は、球状がつぶれた形状でも存在し得る。また、空孔１７内は、気体（例えば、空気、二酸化炭素等）で満たされている。すなわち、空孔１７は、気泡である。空孔１７は、空隙部の一例である。
【００２４】
第２光学部材１１内に複数の空孔１７，１７，…を形成することによって、第２光学部材１１の光学定数を変化させることができる。具体的には、第２光学部材１１内に複数の空孔１７，１７，…を形成することによって、第２光学部材１１の実効屈折率を、空孔１７が形成されていない場合と比較して低下させることができる。詳しくは後述するが、これにより、回折光学素子１として採用できる第２光学部材１１の材料選択の幅、さらには、第１光学部材１０の材料選択の幅を広げることができる。
【００２５】
空孔１７の平均径は、回折光学素子１が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であることが好ましい。例えば、回折光学素子１の対象波長が４００〜７００ｎｍであるとすると、空孔１７の平均径は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。このように構成することで、第２光学部材１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。あるいは、第２光学部材１１に含まれる空孔１７，１７，…のうち、直径が回折光学素子１の対象波長の最短波長の１／２０以下であるものが９５％以上であることが好ましい。この構成によっても、第２光学部材１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。
【００２６】
また、複数の空孔１７，１７，…は、第２光学部材１１の樹脂層１６内に一様に拡がっている。すなわち、複数の空孔１７，１７，…は、樹脂層１６の一箇所に固まっているのではない。詳しくは、第２光学部材１１を第２回折格子１５の単位周期構造（即ち、凹部１５ａ）ごとに光軸に平行な面で複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…に分割した場合に、隣り合う２つの領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄ中の前記空孔１７，１７，…の体積比率をｐ１、他方の領域１１ｄ中の前記空孔１７，１７，…の体積比率をｐ２とすると、以下の式（１）が成り立つことが好ましい。
【００２７】
０．９×ｐ２＜ｐ１＜１．１×ｐ２    ・・・（１）
上記式（１）を満たすことにより、複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…間での空孔１７，１７，…の量のばらつきが小さくなる。つまり、複数の空孔１７，１７，…が、第２光学部材１１の樹脂層１６内に一様に拡がった状態となる。
【００２８】
さらに、隣り合う２つの前記領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄに含まれる空孔１７，１７，…の平均径をｄ１、他方の領域１１ｄに含まれる空孔１７，１７，…の平均径をｄ２とすると、以下の式（２）が成り立つことが好ましい。
【００２９】
０．９×ｄ２＜ｄ１＜１．１×ｄ２    ・・・（２）
上記式（２）を満たすことにより、複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…間での空孔１７，１７，…のサイズのばらつきが小さくなる。
【００３０】
さらにまた、隣り合う２つの前記領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄの所定の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）、他方の領域１１ｄの所定の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とすると、以下の式（３）が成り立つことが好ましい。所定の波長λは、回折光学素子１の対象波長中の任意の波長とすることが好ましく、例えば、ｄ線の波長である。
【００３１】
０．９×ｎ２（λ）＜ｎ１（λ）＜１．１×ｎ２（λ）    ・・・（３）
上記式（３）を満たすことにより、複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…間での屈折率のばらつきが小さくなる。
【００３２】
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材料を充填する。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。つまり、第１回折格子１４が、金型と協働してキャビディを形成する。そして、第１光学部材１０が設置された金型内に紫外線硬化樹脂材料を充填する。この結果、第１回折格子１４の谷の部分に樹脂が流れ込む。
【００３３】
この紫外線硬化樹脂材料には、紫外線硬化モノマーとそれに相溶する空隙部形成剤（ポロジェン）とが混合されている。紫外線硬化モノマーは、紫外線に反応してポリマーに変化する。ここで使用されるポロジェンは、モノマーには相溶するが、ポリマーには相溶しない材料である。つまり、硬化した後の紫外線硬化樹脂材料の中に、ポロジェンがポリマーから分離した状態で存在する。紫外線で硬化させた後にポリマー中に含まれるポロジェンを取り除く洗浄工程を経ることで材料中に多数の空孔１７，１７，…が存在する第２光学部材１１が第１光学部材１０の第１回折格子１４上に積層される。そして、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。
【００３４】
ポロジェンの含有量を調整することによって、空孔１７，１７，…の量を調節することができる。また、ポロジェンのサイズを調節することによって、空孔１７，１７，…のサイズを調節することができる。
【００３５】
本実施形態のように、回折光学素子１が交換レンズ２００に用いられる場合には、白色光を対象とするため、回折効率の波長依存性が低いことが望まれる。そのため、回折光学素子１は下記式（４）を満たすことが好ましい。
【００３６】
−6.30≦Ｍ≦−4.55      ・・・（４）
ただし、
Ｍ＝｛ｎ1（λ2）−ｎ2（λ2）｝／｛ｎ1（λ1）−ｎ1（λ3）−ｎ2（λ1）＋ｎ2（λ3）｝、
ｎ1（λ）：波長λの入射光に対する第１光学部材の屈折率、
ｎ2（λ）：波長λの入射光に対する第２光学部材の屈折率、
λ1：0.486133μm、
λ2：0.587562μm、
λ3：0.656273μm、
である。
【００３７】
詳しくは、式（４）において、λ1はＦ線の波長、λ2はｄ線の波長、λ3はＣ線の波長である。つまり、Ｍの分子は、第１光学部材１０の基準屈折率（ｎ1（λ2））と第２光学部材１１の基準屈折率（ｎ2（λ2））との差であり、Ｍの分母は、第１光学部材１０の主分散（ｎ1（λ1）−ｎ1（λ3））と第２光学部材の主分散（ｎ2（λ1）−ｎ2（λ3））との差である。ここで、主分散とは、Ｆ線に対する屈折率とＣ線に対する屈折率との差である。すなわち、Ｍは、第１光学部材１０と第２光学部材１１との間の主分散の変化量（差）に対する、第１光学部材１０と第２光学部材１１との間の基準屈折率の変化量（差）を表しており、本明細書においては、Ｍを「材料間の傾き」と称する。
【００３８】
回折光学素子１の回折効率の波長依存性は、この材料間の傾きＭに応じて変化する。そして、式（１）を満たすように第１及び第２光学部材１０、１１を選択し、その第１及び第２光学部材１０、１１を用いて回折光学素子１を作製することによって、回折光学素子１の回折効率を可視波長域（波長が０．４００〜０．７００μmの領域）の全域に亘って一様に高くすることができる。つまり、可視波長域の全域に亘る回折効率の波長依存性を低減させると共に、可視波長域の全域における回折効率の平均値（以下、可視平均回折効率という）を向上させることができる。
【００３９】
図３（ａ）は、材料間の傾きＭを満たすように選択した、第1及び第2光学部材１０、１１の組合せを示すグラフである。図３（ａ）のグラフの縦軸は、基準屈折率（ｎ（λd））であり、横軸は、主分散（ｎ（λF）−ｎ（λC））である。図３（ａ）中の点Ａ〜Ｄは、第１光学部材１０に用いられる材料の一例であり、点Ｅ〜Ｈは、第２光学部材１１に用いられる材料の一例である。点Ａ〜Ｈの具体的な光学定数を以下の表１に示す。
【００４０】
【表１】
2011221510.tif 000003
【００４１】
これらは、第１光学部材１０および第２光学部材１１に用いられる材料の一例を示すものであって、その全てを網羅しているわけではない。
【００４２】
点Ａと点Ｅとを結ぶ直線の傾きは「−６．２２」であり、この直線の傾きは、材料間の傾きＭに相当する。材料Ａと材料Ｅとの組み合わせは、材料間の傾きＭに関する式（４）の関係を満たしている。また、点Ｂと点Ｆとを結ぶ直線の傾き、および、点Ｄと点Ｈとを結ぶ直線の傾きは、それぞれ「−６．１８」「−６．２０」であり、材料Ｂと材料Ｆとの組み合わせも、材料Ｄと材料Ｈとの組み合わせも、材料間の傾きＭに関する式（４）の関係を満たしている。このように材料間の傾きＭが所定の値となるように第１及び第２光学部材１０、１１を選択することによって、所望の光学特性を実現する回折光学素子１を得ることができる。
【００４３】
しかし、点Ｃと点Ｇとを結ぶ直線の傾きは、「０．６４」であり、式（４）を満たさない。このように、材料Ｃの組み合わせで式（４）を満たすような第２光学部材１１の光学材料が存在しないことがある。すなわち、材料間の傾きＭに関する所定の条件を満たすような光学材料の組み合わせが存在しない場合がある。例えば、所望のガラス材料は存在するが、このガラス材料に対応する樹脂材料が存在しないという場合である。また、材料間の傾きＭに関する所定の条件を満たす光学材料の組み合わせが存在したとしても、その光学材料が成形が難しい材料である可能性もある。例えば、選択したガラス材料の成形温度が高いため、成形が困難であるような場合である。また、材料間の傾きＭに関する所定の条件を満たし、かつ、成形が容易な光学材料の組み合わせが存在したとしても、２つの材料間の屈折率差が小さい場合もある。一般に、成形が容易な材料は、屈折率が低い場合が多い。しかし、低屈折率材料同士を組み合わせると、２つの材料間の屈折率差が小さくなる傾向がある。屈折率差が小さいほど、回折格子の高さが高くなる。その結果、光が回折格子に斜入射する際の回折効率が低下してしまい、所望の光学特性が得ることが困難になる。
【００４４】
このように、回折光学素子１に適した材料を選択する際には、様々な制約がある。つまり、実在する光学材料の中では、材料選択の自由度は小さい。
【００４５】
そこで、本実施形態に係る回折光学素子１では、第２光学部材１１の内部に複数の空隙部を形成している。具体的には、第２光学部材１１は、内部に複数の空孔１７，１７，…を備えている。これにより、第２光学部材１１の光学定数を変化させることができる。具体的には、第２光学部材１１の実効屈折率を低下させることができる。
【００４６】
図３（ｂ）は、光学部材の内部に空隙部を設けることによる光学定数の変化を示すグラフである。光学部材に対する空隙部の体積比率を大きくすることによって、該光学部材の実効的な光学定数は空気の光学定数に近づく。すなわち、光学部材の内部に複数の空隙部を設けることによって、その光学部材の実効屈折率を下げることができる。つまり、回折光学素子１の一方の光学部材の光学定数を変化させることによって、材料間の傾きＭに関する所定の条件を満たすような光学材料の組み合わせを実現することができる。
【００４７】
具体的に、図３（ｂ）の点Ｃおよび点Ｇを例にして説明する。点Ｃと点Ｇとを結ぶ直線の傾きは、上記式（４）を満たさない。つまり、材料Ｃと材料Ｇとを組み合わせたとしても、所望の光学特性を有する回折光学素子１を得ることができない。しかし、材料Ｇの内部に空隙部を形成することによって、点Ｇは、図３（ｂ）の曲線Ｌ上を移動する。つまり、材料Ｇは、図３（ｂ）の曲線Ｌ上の任意の点に対応する光学定数を取り得る。空隙部の体積比率を調整することによって、材料Ｇの光学定数を曲線Ｌに沿う範囲で任意に調整することができる。例えば、材料Ｇの光学定数を点Ｇ´に対応する光学定数となるように調整することができる。点Ｇ´に対応する光学定数は、屈折率ｎｄが１．６９、アッベ数νｄが１７．０である。点Ｃと点Ｇ´とを結ぶ直線の傾きは「−５．４０」であり、材料Ｃと材料Ｇ’との組み合わせは上記式（４）を満たす。この結果、最適な組み合わせ相手が存在しなかったために使用することができなかった材料Ｃも、使用可能となる。
【００４８】
したがって、本実施形態では、第２光学部材１１の内部に複数の空隙部を形成することによって、第２光学部材１１の光学定数を調整することができる。それにより、所望の光学定数を有する第１及び第２光学部材１０，１１を積層させて、所望の光学性能を有する回折光学素子１を実現することができる。つまり、第２光学部材１１を構成する光学材料そのものが所望の光学定数を有さなかったとしても、第２光学部材１１に空隙部を形成することによって、第２光学部材１１の光学定数を、所望の光学性能を有する回折光学素子１を実現するための所望の値に調整することができる。その結果、第１及び第２光学材料１０，１１の光学材料を選択する際の制約を取り除くことができ、材料選択の自由度を大きくすることができる。
【００４９】
また、空孔１７の平均径を回折光学素子１が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下とすることによって、第２光学部材１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。
【００５０】
さらに、第２光学部材１１を凹部１５ａごとに複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…に分割して、隣り合う２つの領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄ中の前記空孔１７，１７，…の体積比率をｐ１、他方の領域１１ｄ中の前記空孔１７，１７，…の体積比率をｐ２とした場合に上記式（１）を満足させることによって、空孔１７，１７，…を第２光学部材１１内に一様に散在させることができる。これにより、光学定数を第２光学部材１１内で均一にすることができる。
【００５１】
さらにまた、隣り合う２つの前記領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄに含まれる空孔１７，１７，…の平均径をｄ１、他方の領域１１ｄに含まれる空孔１７，１７，…の平均径をｄ２とした場合に上記式（２）を満足させることによって、散乱の程度を第２光学部材１１内で均一にすることができる。
【００５２】
また、隣り合う２つの前記領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄの所定の波長λに対する屈折率をｎ１（λ）、他方の領域１１ｄの所定の波長λに対する屈折率をｎ２（λ）とした場合に上記式（３）を満足させることによって、波長λに対する屈折率を第２光学部材１１内で均一にすることができる。
【００５３】
《発明の実施形態２》
続いて、実施形態２に係る回折光学素子２０１について説明する。図４は、実施形態２に係る回折光学素子２０１の概略断面図を示す。
【００５４】
実施形態２に係る回折光学素子２０１は、第２光学部材２１１の構成が実施形態１の第２光学部材１１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成は、同様の符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００５５】
詳しくは、第２光学部材２１１は、複数の微粒子１８，１８，…が堆積して形成されている。第２光学部材２１１は、その微粒子１８，１８，…間に空隙部１９，１９，…が形成されている。
【００５６】
微粒子１８は、例えば、樹脂材料である。微粒子１８は、略球形状をしている。微粒子１８は、完全な球形状で存在するものもあれば、複数の微粒子１８，１８，…が結合して、球形状を維持していないものも存在する。
【００５７】
第２光学部材２１１内に複数の空隙部１９，１９，…を形成することによって、第２光学部材２１１の光学定数を変化させることができる。具体的には、第２光学部材２１１内に複数の空隙部１９，１９，…を形成することによって、第２光学部材２１１の実効屈折率を、空隙部１９が形成されていない場合と比較して低下させることができる。すなわち、第２光学部材２１１における空隙部１９，１９，…の体積比率（即ち、第２光学部材１１の体積に対する空隙部１９，１９，…の体積の比率）を増加させることによって、第２光学部材２１１の実効屈折率を低下させることができる。詳しくは後述するが、これにより、回折光学素子２０１として採用できる第２光学部材２１１の材料選択の幅、さらには、第１光学部材１０の材料選択の幅を広げることができる。
【００５８】
微粒子１８の平均径は、回折光学素子２０１が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であることが好ましい。例えば、回折光学素子２０１の対象波長が４００〜７００ｎｍであるとすると、微粒子１８の平均径は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。このような構成にすることで、第２光学部材２１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。あるいは、第２光学部材２１１に含まれる微粒子１８，１８，…のうち、直径が回折光学素子２０１が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であるものが９５％以上を占めることが好ましい。この構成によっても、第２光学部材２１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。
【００５９】
また、第２光学部材２１１を第２回折格子１５の単位周期構造（即ち、凹部１５ａ）ごとに光軸に平行な面で複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…に分割した場合に、隣り合う２つの領域１１ｄ，１１ｄにおいて、一方の領域１１ｄ中の前記微粒子１８，１８，…の平均径をｖ１、他方の領域１１ｄ中の前記微粒子１８，１８，…の平均径をｖ２とすると、以下の式（５）が成り立つことが好ましい。
【００６０】
０．９×ｖ２＜ｖ１＜１．１×ｖ２    ・・・（５）
上記式（４）を満たすことにより、複数の領域１１ｄ，１１ｄ，…間での微粒子１８，１８，…のサイズのばらつき、ひいては、空隙部１９，１９，…のサイズのばらつきが小さくなる。
【００６１】
次に、回折光学素子２０１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材料を充填する。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。第２光学部材２１１の形成は、一般的なゾル−ゲル法を用いる。第１光学部材１０が設置された金型内に樹脂材料微粒子を含んだゾル又はゲルを塗布する。ゾル又はゲルを塗布した状態で熱処理をすることにより内部に残された溶媒を取り除き、緻密化を促進させることによって、樹脂微粒子が積層し、内部に空隙部１９，１９，…が存在する第２光学部材２１１を得ることができる。この結果、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２１１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２０１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。
【００６２】
《発明の実施形態３》
続いて、実施形態３に係る回折光学素子３０１について説明する。図５は、実施形態３に係る回折光学素子３０１の概略断面図を示す。
【００６３】
実施形態３に係る回折光学素子３０１は、第２光学部材３１１の構成が実施形態１の第２光学部材１１と異なる。そこで、実施形態１と同様の構成は、同様の符号を付して説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００６４】
詳しくは、第２光学部材３１１は、樹脂層１６と、樹脂層１６中に分散された複数の中空シリカ微粒子２０，２０，…とを備える。
【００６５】
中空シリカ微粒子２０は、シリカで構成された略球形状の微粒子である。中空シリカ微粒子２０は、内部に空孔が形成されて、中空状となっている。中空シリカ微粒子２０は、内部に空隙部を有する微粒子の一例である。
【００６６】
第２光学部材３１１に中空シリカ微粒子２０，２０，…を含有させることによって、第２光学部材３１１の内部に複数の空孔を形成することができる。第２光学部材３１１内に複数の空孔を形成することによって、実施形態１と同様に、第２光学部材３１１の光学定数を変化させることができる。詳しくは、第２光学部材３１１の実効屈折率を低下させることができる。ここで、第２光学部材３１１の光学定数は、シリカの存在も考慮する必要がある。そのため、第２光学部材に単純に空孔を形成する場合と比較して、シリカを含む分だけ、第２光学部材３１１の実効屈折率を低下させる効果は小さい。しかしながら、樹脂層１６中への中空シリカ微粒子２０，２０，…の分散が容易であるため、容易に製造できる等のメリットがある。また、中空シリカ微粒子２０中の空隙部の体積比率を大きくすることによって、実効屈折率が空気に近い中空シリカ微粒子２０を構成することもできる。こうすることによって、実効屈折率を下げるという効果について、実施形態１や実施形態２と同様の効果が得ることもできる。
【００６７】
ここで、第２光学部材３１１の実効屈折率を求めるためには、まず、中空シリカ微粒子２０のシリカと空孔との体積比率から中空シリカ微粒子２０の実効屈折率を求める。その後、樹脂層１６に対する中空シリカ微粒子２０，２０，…の体積比率から第２光学部材３１１全体の実効屈折率を求める。
【００６８】
尚、内部に空隙部を有する微粒子は、中空シリカ微粒子２０に限らない。例えば、メソポーラスシリカなど、別の内部に空隙部を持つ微粒子でもよい。
【００６９】
中空シリカ微粒子２０の平均径は、回折光学素子３０１が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であることが好ましい。例えば、回折光学素子３０１の対象波長が４００〜７００ｎｍであるとすると、中空シリカ微粒子２０の平均径は、２０ｎｍ以下であることが好ましい。このような構成にすることで、第２光学部材３１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。あるいは、第２光学部材３１１に含まれる中空シリカ微粒子２０，２０，…のうち、直径が回折光学素子３０１が対象とする入射光の波長域における最短波長の１／２０以下であるものが９５％以上を占めることが好ましい。この構成によっても、第２光学部材３１１に光が入射した際の光の散乱を抑えることができる。
【００７０】
次に、本実施形態に係る回折光学素子３０１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材料を充填する。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、中空シリカ微粒子２０，２０，…を混合した紫外線硬化樹脂材料を充填する。空隙部は中空シリカ微粒子２０中に含まれているため、紫外線硬化樹脂材料中に中空シリカ微粒子２０，２０，…を均等に分散させればよい。次に、紫外線硬化樹脂材料に紫外線を照射し、硬化させる。これによって材料中に多数の空隙部が存在する第２光学部材３１１が第１光学部材１０の第１回折格子１４上に積層される。この結果、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３１１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３０１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。
【実施例】
【００７１】
本実施例では、様々な材料の組合せで構成された回折光学素子のモデルを作製し、その回折効率をシミュレーションにより求めた。まず、回折光学素子の回折効率の求め方について説明する。図６は、模式的な回折格子の断面図である。
【００７２】
図６に示すような回折格子１３について考える。このとき、下記式（６）、（７）が成り立つ。
【００７３】
φ（λ）＝（ｈ／λ）×｛ｎ1（λ）cosθｍ−ｎ2（λ）cosθｉ｝    ・・・（６）
ｎ2（λ）sinθｍ＝ｎ1（λ）sinθｉ＋ｍλ／Ｐ    ・・・（７）
ここで、
φ（λ）：位相差
ｈ：格子高［μm］
λ：波長［μm］
ｍ：回折次数
ｎ1（λ）：第１光学部材の波長λに対する屈折率
ｎ2（λ）：第２光学部材の波長λに対する屈折率
θｉ：入射角［°］
θｍ：ｍ次回折角［°］
Ｐ：周期（格子ピッチ）［μm］
である。
【００７４】
この位相差φ（λ）を用いて、波長λの入射光に対するｍ次回折光の回折効率ηｍ（λ）を下記式（８）により求めることができる。
【００７５】
ηｍ（λ）＝sinc2（φ（λ）−ｍ）    ・・・（８）
ここでは、光軸と平行な方向に入射する光に対する１次回折光の回折効率を求めるため、θｉ＝０、ｍ＝１とする。また、通常、Ｐ≫λとなる。そのため、式（７）より、θｍ＝０となる。その結果、式（６）、（８）はそれぞれ、
φ（λ）＝（ｈ／λ）×｛ｎ1（λ）−ｎ2（λ）｝    ・・・（９）
η1（λ）＝sinc2（φ（λ）−1）    ・・・（１０）
となる。
【００７６】
すなわち、式（９）に基づいて、波長λを可視波長域で変化させることによって、可視波長域の各波長λに対する位相差φ（λ）を求めることができる。さらに、その位相差を式（１０）に代入することによって、可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率η1（λ）を求めることができる。そして、求められた回折効率η1（λ）を可視波長域に亘って平均することによって、可視波長域における１次回折光の回折効率η1（λ）の平均値である可視平均回折効率ηを求めることができる。
【００７７】
ただし、式（９）は、波長λだけでなく、格子高ｈの関数でもある。格子高ｈは、ブレーズ波長λｂによって決まる。つまり、ブレーズ波長λｂのときは回折効率ηｍ（λ）が１（即ち、１００％）となるため、式（８）より、φ（λｂ）−ｍ＝０となる。ここでは、１次回折光を対象としているため、ｍ＝１とすると、φ（λｂ）＝１となる。これを式（９）に代入して整理すると、
ｈ＝λｂ／｛ｎ1（λｂ）−ｎ2（λｂ）｝    ・・・（１１）
となる。ここで、ｄ線に対する屈折率ｎｄ及びアッベ数νｄが既知の材料については、各波長λ［μm］に対する屈折率ｎ（λ）は、以下に示すヘルツベルガーの式（１２）〜（１４）に基づいて算出することができる。
【００７８】
Ａ（λ）＝0.088927×λ2−1.294878＋0.37349／（λ2−0.035）＋0.005799／（λ2−0.035）2    ・・・（１２）
Ｂ（λ）＝0.001255−0.007058×λ2＋0.001071／（λ2−0.035）−0.000218／（λ2−0.035）2    ・・・（１３）
ｎ（λ）＝1＋（ｎｄ−1）×｛1＋Ｂ（λ）＋（Ａ（λ）／νｄ）｝    ・・・（１４）
したがって、まず、ブレーズ波長λｂと第１及び第２光学部材１０、１１の材料（即ち、第１光学部材１０のｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）及びアッベ数νｄ1と、第２光学部材１１のｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）及びアッベ数νｄ2）を決める。次に、式（１２）〜（１４）に基づいて、ブレーズ波長λｂに対する、第１光学部材１０の屈折率ｎ1（λｂ）と第２光学部材１１の屈折率ｎ2（λｂ）とを求め、それらを式（１１）に代入して格子高ｈを求める。求めた格子高ｈを式（９）に代入すると共に、波長λを可視波長域で変化させながら、式（１０）によって各波長λに対する１次回折光の回折効率η1（λ）を求める。このとき、各波長λに対する、第１光学部材１０の屈折率ｎ1（λ）と第２光学部材１１の屈折率ｎ2（λ）は、式（１２）〜（１４）に基づいて求める。最終的に、各波長λに対する１次回折光の回折効率η1（λ）を可視波長域に亘って平均して可視平均回折効率ηを求める。
【００７９】
本実施例では第２光学部材１１の内部に空隙部を設けているために実効屈折率が変化する。その値はLorentz-Lorenzの式に基づいた以下の式（１５）で求められる。以下、図２に示した実施形態１に係る回折光学素子１を例にして説明する。
【００８０】
【数１】
2011221510.tif 000004
【００８１】
ここで、npは第２光学部材１１の実効屈折率、nbは樹脂層１６の屈折率、Vpは空孔１７の体積比率である。尚、式（１５）は、図４に示した実施形態２の構成でも同様の式が適用できる。このとき、nbは樹脂からなる微粒子１８の屈折率、Vpは空隙１９の体積比率である。また、式（１５）は、図５示した実施形態３の中空シリカ微粒子２０の実効屈折率を求める場合にも適用できる。このとき、npは中空シリカ微粒子２０の実効屈折率、nbはシリカの屈折率、Vpはシリカ内部の空隙の体積比率である。
【００８２】
なお、図５に示した実施形態３の構成での第２光学部材１１の実効屈折率は、以下の式で求められる。
【００８３】
np=nb(1-Vs)+ns・Vs    ・・・（１６）
ここでnpは第２光学部材１１の実効屈折率、nbは樹脂材料１６の屈折率、nsは中空シリカ２０の実効屈折率（式（１５）で求めたnp：中空シリカ微粒子２０の実効屈折率）、Vsは中空シリカ微粒子２０の第２光学部材１１中の体積比率である。
【００８４】
これらの式から第２光学部材１１の実効屈折率を求め、所望の材料間の傾きＭを得られる材料を選択し、式（８）から可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率を求めた。
【００８５】
以下、回折光学素子の実施例について説明する。
（比較例１）
比較例１では、第１光学部材１０を、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が１．６９７、アッベ数νｄ1が４８．５のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＬａＦｎ２）とし、第２光学部材１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が１．６２９３、アッベ数νｄ２が２３．５の紫外線硬化樹脂とした。格子高は、８．６８［μm］とした。式（８）を用いて、可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率を計算した。図７に示すように回折効率は、可視波長域全域で良好であった。しかし、第１光学部材１０に用いたＫ−ＬａＦｎ２の成形温度は比較的高い。具体的には、金型に形成された回折形状を転写できる温度が６５０℃以上必要となる。その結果、Ｋ−ＬａＦｎ２を成形するための金型材料が制限されるため回折光学素子の生産は容易ではない。
（実施例１−１）
そこで、実施例１−１は、第２光学部材１１内に空隙部を備える回折光学素子とした。第２光学部材１１内の空孔１７，１７，…の体積比率を８％とした。これにより、第２光学部材１１の、ｄ線に対する実効屈折率ｎ2（λｄ）は１．５６７８、実効アッベ数νｄ2は２４．２となった。
【００８６】
次に、実効屈折率が低下した第２光学部材１１に対応する第１光学部材１０として、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が１．６２３７４、アッベ数νｄ1が４７．１のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＢａＦ８）を選んだ。格子高は１０．６１[μm]とした。図８に示すように、実施例１−１の可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率は、比較例１の回折効率と同様に良好である。第１光学部材１０に用いたＫ−ＢａＦ８は金型に形成された回折形状を５５０℃以下で転写できるので、比較例１に用いたＫ‐ＬａＦｎ２と比較して製造しやすい。
（実施例１−２）
さらに、実施例１−２として、実施例１−１の第２光学部材１１内の空隙部を増やした回折光学素子のモデルを作成した。具体的には、第２光学部材１１内の空孔１７，１７，…の体積比率を１９．５％にした。これにより、第２光学部材１１の、ｄ線に対する実効屈折率ｎ2（λｄ）は１．４８４１、実効アッベ数νｄ2は２５．１となる。第１光学部材１０は、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が１．５４２５、アッベ数νｄ1が６２．９のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＰＧ３７５）を選んだ。格子高は１０．０７μmとした。図９に示すように、実施例１−２の可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率は、比較例１の回折効率と同様に良好である。第１光学部材１０に用いたＫ‐ＰＧ３７５は、金型に形成された回折形状を４００℃以下で転写できるので、実施例１−１のＫ‐ＢａＦ８と比較してより製造しやすい。
【００８７】
実施例１−１及び１−２のように、第２光学部材１１の空隙部の体積比率を変化させて実効屈折率を調整することによって、その実効屈折率に対応した第１光学部材１０の光学材料として、調整前とは異なる光学材料を選択することができる。つまり、成形の難易やコスト等で有利な材料を選択することができる。
（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１．６１０３５、アッベ数νｄ1が５７．９のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＶＣ７９）とし、第２光学部材２１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が１．５９８０、アッベ数νｄ2が２８．０の紫外線硬化樹脂とした。本来、本実施例の材料の組み合わせは、材料間の傾きＭが上記式（４）を満たさないので、可視波長域全域で回折効率が良好な回折光学素子を作製することができない。そこで、第２光学部材２１１内に空隙部を形成した。第２光学部材１１内に体積比率5%の空隙部を設けた。これにより、第２光学部材２１１の、ｄ線に対する実効屈折率ｎ2（λｄ）が１．５６１６、実効アッベ数νｄ2が２８．５となる。格子高は１２．１８μmとした。式（８）を用いて可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率を計算すると、図１０のように可視波長域全域で良好な回折効率を得られた。
（実施例３）
実施例３では、第１光学部材１０を、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が１．４９、アッベ数νｄ1が５８．０のＰＭＭＡとし、第２光学部材１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が１．５９８０、アッベ数νｄ2が２８．０の紫外線硬化樹脂とした。本来、本実施例の材料の組み合わせは、材料間の傾きＭが上記式（４）を満たさないので、可視波長域全域で回折効率が良好な回折光学素子を作製することができない。そこで第２光学部材１１内に空隙部を形成した。本実施例では、第２光学部材１１内に体積比率２０．５％の空隙部を設けた。これにより、第２光学部材１１の、ｄ線に対する実効屈折率ｎ2（λｄ）が１．４５４８、実効アッベ数νｄ2が２９．９となる。格子高は１６．８８μmとした。式（８）を用いて可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率を計算すると、図１１のように可視波長域全域で良好な回折効率を得られた。
（実施例４）
実施例４では、第１光学部材１０を、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が１．８１、アッベ数νｄ1が４１．０のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＶＣ８９）とし、第２光学部材１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が２．１４３５２、アッベ数νｄ2が１７．８のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＰＳＦｎ２１４）とした。本来、本実施例の材料の組み合わせは、材料間の傾きＭが上記式（４）を満たさないので、可視波長域全域で回折効率が良好な回折光学素子を作製することができない。そこで第２光学部材１１内に空隙部を形成した。本実施例では、第２光学部材１１内に体積比率２６．５％の空隙部を設けた。これにより、第２光学部材１１は、ｄ線に対する実効屈折率ｎ2（λｄ）が１．７３３６、実効アッベ数νｄ2が２１．９となる。格子高は７．７７μmとした。式（８）を用いて可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率を計算すると、図１１のように可視波長域全域で良好な回折効率を得られた。
（実施例５）
実施例５では、第１光学部材１０を、ｄ線に対する屈折率ｎ1（λｄ）が１．４８５６３、アッベ数νｄ1が８５．２のガラス（住田光学ガラス製  Ｋ−ＰＦＫ８５）とし、第２光学部材１１を、ｄ線に対する屈折率ｎ2（λｄ）が１．６２９３、アッベ数νｄ2が２３．５の仮想樹脂とした。本来、本実施例の材料の組み合わせは、材料間の傾きＭが上記式（４）を満たさないので、可視波長域全域で回折効率が良好な回折光学素子を作製することができない。そこで第２光学部材１１内に空隙部を形成した。本実施例では、空隙部の体積比率が５０％のシリカ微粒子を用いた。シリカ微粒子の、ｄ線に対する実効屈折率ｎｓ（λｄ）が１．２１、実効アッベ数νｄｓが７４．５である。ただし、シリカの、ｄ線に対する屈折率ｎｂ（λｄ）は１．４５、アッベ数νｄｂは６８である。本実施例では、このシリカ微粒子を第２光学部材３１１内に体積比率が４７．０％となるよう混合した。これにより、第２光学部材３１１は、ｄ線に対する実効屈折率ｎ2（λｄ）が１．４３、実効アッベ数νｄ2が２７．９となる。格子高は１１．２３μmとした。式（８）を用いて可視波長域の各波長λに対する１次回折光の回折効率を計算すると、図１２のように可視波長域全域で良好な回折効率を得られた。
【００８８】
《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
【００８９】
すなわち、前記実施形態では、回折光学素子１，２０１，３０１は、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１，２０１，３０１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１，２０１，３０１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。
【００９０】
前記実施形態では、第１光学部材１０をガラス材料で構成し、第２光学部材１１（２１１，３１１）を樹脂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を樹脂材料で、第２光学部材１１（２１１，３１１）をガラス材料で構成してもよいし、第１及び第２光学部材１０、１１（２１１，３１１）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、第１及び第２光学部材１０、１１（２１１，３１１）は、ガラスや樹脂に限らず、透明セラミクス等の使用する波長域で透過性を有する材料で構成してもよい。
【００９１】
また、前記実施形態では、回折光学素子１，２０１，３０１は、２層構造に限られない。回折光学素子１，２０１，３０１が３層以上の構造の場合には、少なくとも、複数の層のうちの、回折格子を挟んで隣接する２つの層において、一方の層に空隙部が形成されていればよい。
【００９２】
また、前記実施形態では、第２光学部材１１（２１１，３１１）に空隙部が形成されているが、これに限られるものではない。例えば、第２光学部材１１（２１１，３１１）の代わりに第１光学部材１０の内部に空隙部を形成してもよいし、第１及び第２光学部材１０，１１（２１１，３１１）の両方に空隙部を形成してもよい。ただし、積層させる２つの光学部材の屈折率差を大きくするためには、屈折率が相対的に小さい方の光学部材に空隙部を設けることが好ましい。このとき、屈折率が相対的に大きい方の光学部材に微粒子を混合させたナノコンポジットを用いてもよい。尚、屈折率差を小さくさせる場合には、屈折率が相対的に大きい方の光学部材に空隙部を設けてもよい。
【００９３】
また、空隙部の形成方法は前記実施形態の方法に限られるものではない。光学材料中に空隙部を形成できる方法であれば、任意の方法を採用することができる。尚、ガラス材料や樹脂材料自体が、多孔性を有する材料であってもよい。
【００９４】
尚、図１４に示すように格子高がばらついている場合には、光軸に平行な線に対する、隣り合う一方の斜面との交点と、他方の斜面との交点との距離を格子高ｈとする。
【００９５】
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】
【００９６】
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】
【００９７】
１、１０１、１１１  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）
１４ａ  凸部
１４ｂ  縦面
１４ｃ  傾斜面
１５  第２回折格子（第２光学部材の回折格子）
１５ａ  凹部
１５ｂ  縦面
１５ｃ  傾斜面
１６  樹脂層
１７  空孔
１８  微粒子
１９  空隙
２０  中空シリカ微粒子
２００  交換レンズ（光学機器）
２３０  結像光学系
【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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