(57)【要約】【課題】結像面の中心部から周辺部の全域にわたって、到達する不要光を低減させることが可能な光学系を提供する。【解決手段】回折光学素子（１）を有する光学系（１００）であって、回折光学素子は、第１の格子面（２１ａ）および第１の格子壁面（２１ｂ）をそれぞれ複数備えた第１の回折格子（２１）と、第２の格子面（３１ａ）および第２の格子壁面（３１ｂ）をそれぞれ複数備えた第２の回折格子（３１）と、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜（１１）とを含み、第１の格子壁面および第２の格子壁面は、薄膜を介して互いに密着しており、第２の格子面と第２の格子壁面との稜線を複数連ねた面の面法線（ＮＬ）に対する重心入射光線の入射角と、面法線（ＮＬ）に対する第２の格子壁面の角度は、所定の条件を満足する。【選択図】図３
2019066756.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折光学素子を有する光学系であって、
前記回折光学素子は、第１の格子面および第１の格子壁面をそれぞれ複数備えた第１の回折格子と、第２の格子面および第２の格子壁面をそれぞれ複数備えた第２の回折格子と、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜とを含み、
前記第１の格子壁面および前記第２の格子壁面は、前記薄膜を介して互いに密着しており、
前記第２の格子面と前記第２の格子壁面との稜線を複数連ねた面の面法線に対する重心入射光線の入射角をθｉ（ｄｅｇ）、前記面法線に対する前記第２の格子壁面の角度をφｉ（ｄｅｇ）とするとき、
０．０＜θｉ−φｉ＜７．０
なる条件を満足することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記重心入射光線に対して斜入射角度で入射する光束による不要光の回折効率は、該不要光が像面に到達する回折次数の範囲内で極小になることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
格子ピッチを１００μｍに規格化した場合の前記不要光の前記回折効率は、前記不要光が前記像面に到達する前記回折次数の範囲内で０．０１０％以下であることを特徴とする請求項２に記載の光学系。
【請求項４】
前記角度φｉは、０よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項５】
前記第２の格子面と前記第２の格子壁面とのなす角度ψｉは、９０度以上であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項６】
前記回折光学素子に光が入射する入射側とは反対の出射側に配置された絞りを更に有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項７】
前記薄膜、前記第１の回折格子、および、前記第２の回折格子の材料の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とするとき、
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項８】
前記第１の回折格子および該第２の回折格子の材料のアッべ数をそれぞれνｄ２、νｄ３、設計次数をｍ、波長をλ、格子ピッチをｐ、θｉ’＝ｓｉｎ−１｛（ｎ２ｃｏｓθｉ−ｍ×λ／ｐ）／ｎ３｝とするとき、
νｄ２＞３５
νｄ３＜２５
０．９４０≦（ｎ２ｃｏｓθｉ−ｎ３ｃｏｓθｉ’）×ｄ／（ｍ×λ）≦１．０６０
なる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項９】
前記第１の回折格子および前記第２の回折格子のそれぞれの格子高さは、１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１０】
前記回折光学素子の設計次数は、＋１次または−１次であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１１】
前記薄膜は、前記第１の格子壁面と前記第２の格子壁面との間から前記第１の格子面と前記第２の格子面との間まで連続して設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の光学系。
【請求項１２】
請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の光学系と、該光学系を保持する保持部材と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、回折光学素子を備えた光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系に用いられる回折光学素子として、２つの回折格子が密着配置されて構成されたものが知られている。この構成において、各回折格子の材料および格子高さをそれぞれ適切に設定することにより、広い波長帯域で高い回折効率を得ることができる。ところが、このような回折光学素子の格子壁面に光束が入射すると不要光（フレア）が発生してしまう。
【０００３】
特許文献１には、回折光学素子の格子壁面に薄膜を設けることで、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させつつ、設計入射角度（撮影光入射角度）に対して斜入射角度で入射する光束が結像面に到達する不要光を低減することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１７０１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示されている回折光学素子では、結像面の中心部から周辺部の全域にわたって不要光を低減させることは困難である。
【０００６】
そこで本発明は、結像面の中心部から周辺部の全域にわたって、到達する不要光を低減させることが可能な光学系および光学機器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】
【０００７】
本発明の一側面としての光学系は、回折光学素子を有する光学系であって、
前記回折光学素子は、第１の格子面および第１の格子壁面をそれぞれ複数備えた第１の回折格子と、第２の格子面および第２の格子壁面をそれぞれ複数備えた第２の回折格子と、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜とを含み、前記第１の格子壁面および前記第２の格子壁面は、前記薄膜を介して互いに密着しており、前記第２の格子面と前記第２の格子壁面との稜線を複数連ねた面の面法線に対する重心入射光線の入射角と、前記面法線に対する前記第２の格子壁面の角度は、所定の条件を満足する。
【０００８】
本発明の他の側面としての光学機器は、前記光学系と、該光学系を保持する保持部材とを有する。
【０００９】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、結像面の中心部から周辺部の全域にわたって、到達する不要光を低減させることが可能な光学系および光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】各実施例における回折光学素子の概略図である。
【図２】各実施例における回折光学素子の拡大断面図である。
【図３】各実施例における回折光学部の拡大断面図である。
【図４】各実施例における回折光学素子を有する光学系の概略図である。
【図５】実施例１における回折光学部の拡大断面図である。
【図６】各実施例における光学系の設計入射角度の説明図である。
【図７】実施例１における回折光学素子の設計入射角度の光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【図８】各実施例における光学系の斜入射角度の不要光の影響の説明図である。
【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設計入射角度の光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【図１１】実施例２における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する回折効率のグラフである。
【図１２】実施例３における回折光学素子の設計入射角度の光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【図１３】実施例３における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する回折効率のグラフである。
【図１４】各実施例における変形例としての回折光学部の拡大断面図である。
【図１５】実施例４における撮像装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
まず、本実施形態における回折光学素子について説明する。図１は、本実施形態における回折光学素子（ＤＯＥ）１の概略図（正面図および側面図）である。回折光学素子１は、可視波長体全域の使用波長領域で特定の一つの次数（特定次数または設計次数）の回折光の回折効率を高めるように構成されている。回折光学素子１は、透明な一対の基板レンズ２、３、および、基板レンズ２、３の間に配置された回折格子部１０を有する。基板レンズ２、３のぞれぞれは、平板またはレンズ作用を奏する形状を有する。本実施形態において、基板レンズ２、３のそれぞれの両面は曲面である。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を有し、レンズ作用を有する。
【００１４】
図２は、図１中の線Ａ−Ａ’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２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は、図２の回折光学部１０の拡大断面図である。図２および図３において、入射光束ａは、回折光学素子１の設計入射角度である入射角度０度で入射する光束である。入射光束ｂは、設計入射角度（撮影光入射角度）に対する斜入射角度（画面外光入射角度）で下向きに入射する光束である。ここで、回折光学素子１の設計入射角度は、本実施形態の光学系に対して、回折格子部１０を通過する全像高、全有効光線の入射角度の分布から求められる平均の入射角を有する光線（重心入射光線）の入射角度であると定義される。
【００１５】
図２および図３に示されるように、回折格子部１０は、回折格子（第１の回折格子）２１、回折格子（第２の回折格子）３１、および、薄膜１１を有する。回折格子２１および回折格子３１は、光軸方向（光軸Ｏに沿った方向）において互いに密着して形成されている。薄膜１１は、回折格子２１の格子壁面（第１の格子壁面）２１ｂと回折格子３１の格子壁面（第２の格子壁面）３１ｂとの間に設けられ、格子壁面２１ｂ、３１ｂの両方に接している。すなわち、格子壁面２１ｂおよび格子壁面３１ｂは、薄膜１１を介して互いに密着している。また薄膜１１は、使用波長帯域（例えば可視波長帯域）の光に対して透明である。本実施形態において、回折格子２１は、基板レンズ２と一体または別体のいずれであってもよい。同様に、回折格子３１は、基板レンズ３と一体または別体のいずれであってもよい。なお本実施形態において、回折格子２１、３１は光軸方向において互いに密着しているが、回折格子２１、３１の間に介在する薄膜１１は、後述するように両者の境界面の全域にわたって設けられている場合もある。このため回折格子２１、３１は、光軸方向に積層されていればよい。
【００１６】
回折格子２１は、格子面（第１の格子面）２１ａと格子壁面（第１の格子壁面）２１ｂとをそれぞれ複数備えて構成される同心円状のブレーズ構造を有する。同様に、回折格子３１は、格子面（第２の格子面）３１ａと格子壁面（第２の格子壁面）３１ｂとをそれぞれ複数備えて構成される同心円状のブレーズ構造を有する。格子面２１ａ、３１ａおよび格子壁面２１ｂ、３１ｂにより格子部が構成される。回折格子２１、３１はそれぞれ、光軸Ｏから離れる（外周部に近づく）に従い、格子ピッチを徐々に変化させてレンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を実現している。格子面２１ａ、３１ａは、互いに隙間なく接しており、回折格子２１、３１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２１、３１をそれぞれブレーズ構造にすることにより、回折光学素子１に入射した入射光は、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（図２および図３中では＋１次）の方向に集中して回折する。
【００１７】
本実施形態の回折光学素子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、スカラー回折理論に従い、回折格子２１、３１を構成する材料および格子高さが選択される。すなわち、複数の回折格子（回折格子２１、３１）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が決定される。このように、回折格子２１、３１の材料およ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。
【００１８】
一般に、回折格子の格子高さｄ（格子部の高さ）は、図３に示されるように、格子周期方向に垂直な方向（格子部の稜線を連ねた面５１の面法線ＮＬの方向）の格子面２１ａの延長線と面法線ＮＬとの交点Ｐと、面５１と面法線ＮＬとの交点Ｏとの距離で定義される。なお本実施形態において、回折格子の材料や格子高さｄは限定されるものではない。
【００１９】
本実施形態において、回折格子２１、３１は互いに異なる材料により形成される。例えば、回折格子３１は低屈折率分散材料から構成され、回折格子２１は回折格子３１よりも高い屈折率を有する高屈折率分散材料から構成される。本実施形態において、以下の式（１）〜（３）を満足することにより、高い回折効率を得ることができる。
【００２０】
νｄ２＞３５  …  （１）
νｄ３＜２５  …  （２）
０．９４０≦（ｎ２ｃｏｓθｉ−ｎ３ｃｏｓθｉ’）×ｄ／（ｍ×λ）≦１．０６０  …  （３）
式（１）〜（３）において、ｎ２、ｎ３はそれぞれ、波長λにおける回折格子２１、３１を構成する材料の屈折率であり、νｄ２、νｄ３は回折格子２１、３１を構成する材料のアッベ数である。ｄは、回折格子２１、３１のそれぞれの格子高さ、ｍは設計次数である。θｉは、設計入射角度であり、光学系における回折格子部１０を通過する全像高、全有効光線の入射角度の分布から求められる平均の入射角を有する光線の入射角度に相当する。θｉ’は、設計射出角度である。設計射出角度θｉ’は、以下の式（４）により定義される。式（４）において、λは波長、ｐは格子ピッチである。
【００２１】
θｉ’＝ｓｉｎ−１｛（ｎ２ｃｏｓθｉ−ｍ×λ／ｐ）／ｎ３｝  …  （４）
なお、本実施形態における可視波長域は、主に、波長４００ｎｍ以上かつ７００ｎｍ以下の帯域である。
【００２２】
また、可視波長域全域で高い回折効率を得るには、高屈折率低分散材料（回折格子２１）のアッべ数を３５よりも大きくし、低屈折率高分散材料（回折格子３１）のアッべ数を２５よりも小さくすることが好ましい。また、部分分散比θｇＦが通常の材料よりも小さい値（リニア異常分散性）を有する材料を用いることが好ましい。このリニア分散特性を得るため、ＩＴＯ微粒子を微粒子分散させてベース樹脂材料に混ぜる方法を用いることができる。ＩＴＯは、他の無機酸化物と異なり、電子遷移による屈折率の変化に加え、錫によるドーピングや酸素の空孔によりフリーキャリアが発生し屈折率が変化する。この電子遷移とフリーキャリアの影響により非常に強いリニア分散特性を有する。従って、ＩＴＯと同様にフリーキャリアの影響があるＳｎＯ２およびＡＴＯ（アンチモンをドーピングしたＳｎＯ２）なども使用することができる。
【００２３】
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。格子高さｄは、１５μｍ以下に設定されることが好ましい。これにより、斜入射光が入射した際の回折効率の低下を小さくすることができる。
【００２４】
本実施形態において、回折格子３１の格子面３１ａと格子壁面３１ｂとの交線（稜線）を複数連ねた面５１の面法線をＮＬとする。このとき、面法線ＮＬに対する格子壁面３１ｂの角度φｉ（ｄｅｇ）と面法線ＮＬに対する設計入射角度θｉ（ｄｅｇ）との関係は、以下の式（５）を満足する。
【００２５】
０．０＜θｉ−φｉ＜７．０  …  （５）
式（５）式の下限を満足することにより、結像面（撮像素子）の中心部から周辺部の全域にわたって、到達する不要光を低減させることができる。また、式（５）の下限においてイコール（＝）を含まないことは、格子壁面３１ｂの角度φｉが設計入射角度θｉよりも小さく、格子壁面３１ｂによるケラレが発生するため、設計入射角度θｉにおける回折効率が低減することを意味する。一方、式（５）の上限を満足しない場合、設計入射角度における回折効率の低下が画像に影響するため、好ましくない。式（５）を満足することにより、設計入射角度θｉにおける回折効率の低減を影響ない程度に抑制し、結像面の中心部から周辺部の全域にわたって、到達する不要光を低減させることができる。
【００２６】
好ましくは、式（５）は、以下の式（５ａ）を満足する。
【００２７】
０．０＜θｉ−φｉ＜５．０  …  （５ａ）
式（５ａ）を満足することにより、設計入射角度θｉの光の回折効率の低減量をより小さくすることができる。なお、格子面２１ａと格子壁面２１ｂとの関係についても、式（５）を満足することが好ましい。
【００２８】
本実施形態において、斜入射角度で入射する光束による不要光の回折効率が、不要光が像面に到達する回折次数の範囲内で極小にすることにより、結像面の中心部から周辺部の全域に到達する不要光を低減することができる。これにより、格子ピッチを１００μｍに規格化した場合の不要光の回折効率は、不要光が像面に到達する回折次数の範囲内で０．０１０％以下になる。
【００２９】
なお本実施形態において、結像面に到達する次数は光学系に応じて異なるため、格子壁面の角度φｉを適宜変更してもよい。また、光学系に応じて基板レンズの曲率半径や格子ピッチは異なるため、格子壁面の角度φｉを輪帯ごとに変更してもよい。また、格子壁面の角度φｉは０よりも大きいことが好ましい。また、図３に示される格子面３１ａと格子壁面３１ｂとがなす角度ψｉは、９０度以上であることが好ましい。同様に、格子面２１ａと格子壁面２１ｂとがなす角度も９０度以上であることが好ましい。これらの条件を満足することにより、型の加工、型による格子成形等による製造が容易になる。なお、図３はデフォルメされているため、角度ψｉは９０度よりも小さくなっているが、例えば、格子ピッチが１００μｍ、格子高さが１０．７２μｍ、格子壁面の角度θｉが１３度の場合、角度ψｉは９６．９度になる。
【００３０】
薄膜１１は、格子壁面に沿って略均一な厚さを有し、回折格子２１、３１の境界面の少なくとも一部に配置されている。本実施形態において、薄膜１１は、格子壁面２１ｂ、３１ｂに設けられている。薄膜１１を設けることにより、格子壁面付近に入射する光束が薄膜１１の内部に閉じ込められ、光導波路となる。
【００３１】
本実施形態の回折光学素子１において、使用波長帯域の任意の波長λに関し、薄膜１１、回折格子２１、および、回折格子３１の材料の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とする。このとき、以下の式（６）を満たすことにより、本実施形態の効果を得ることができる。
【００３２】
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３  …  （６）
本実施形態において、薄膜１１の製造方法は特に限定されるものではない。例えば、回折格子３１を製造し、その後、薄膜１１を選択的に形成することができる。具体的には、薄膜１１を構成する材料を真空蒸着などの物理蒸着手法やスピンコート法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でパターニングしてエッチング手法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で形成する方法などを用いることができる。また、薄膜１１は、後述するように両者の境界面の全域にわたって設けられてもよい。この場合、薄膜１１を格子壁面部のみに選択的に形成する必要はない。その後、回折格子２１を形成することにより、回折光学素子１を製造することができる。また、回折光学素子１の輪帯ごとに薄膜１１の幅または形状を変更（制御）してもよい。
【００３３】
図１４は、本実施形態における変形例としての回折光学部１０ａの拡大断面図である。図１４に示されるように、薄膜１１を格子壁面のみではなく、回折格子２１、３１の境界面の全域に設けてもよい。すなわち薄膜１１は、格子壁面２１ｂと格子壁面３１ｂとの間から格子面２１ａと格子面３１ａとの間まで連続して設けられている。この場合、格子壁面部は前述の関係を満たし、かつ格子面部は反射防止機能を有していればよい。また、格子面の薄膜の屈折率、膜幅が格子壁面と異なっていてもよい。境界面の全域に薄膜を形成するため、容易かつ安価に回折光学素子を製造することができる。例えば、回折格子２１を製造した後、格子面から格子壁面全域に薄膜を真空蒸着などの物理蒸着手法やスピンコート法により形成し、その後、回折格子３１を形成すればよい。ただし本実施形態は、これに限定されるものではない。更に、境界面の全域に薄膜を設けることにより、回折格子２１、３１の互いの密着性を向上させることもできる。格子面と格子壁面の屈折率、膜厚が異なってもよいため、製造方法に応じて格子面の反射防止機能と格子壁面のフレア低減機能を任意に設計することができる。
【００３４】
図４は、本実施形態における回折光学素子１を有する光学系１００の概略図である。図４の光学系１００は、カメラなどの撮像装置に適用可能な、回折光学素子１を備えた望遠タイプの撮影光学系であり、第２面に回折面が設けられている。図４の光学系１００は、その内部に絞り４０および回折光学素子１を有する。絞り４０は、回折光学素子１に光が入射する入射側とは反対の出射側、すなわち回折光学素子１よりも後側（像面側）に配置されている。４１は、結像面であるフィルムまたはＣＣＤやＣＭＯＳなどの光電変換素子（撮像素子）である。
【００３５】
このような光学系１００に本実施形態の回折光学素子１を適用すれば、撮影光の不要光が低減され、かつ画面外から光束が入射した場合の、結像面に到達する不要光が低減されているため、フレアが少ない撮影レンズが得られる。図４では、前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子１を設けているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。回折光学素子１は、光学系の内部に配置してもよく、または、レンズ表面に設けてもよい。また、撮影レンズ内に複数の回折光学素子１を設けてもよい。なお、回折光学素子１が適用可能な光学系は、図４に示される撮影光学系に限定されるものではない。本実施形態の光学系は、ビデオカメラの撮影レンズ、イメージスキャナや複写機のリーダーレンズなどの広波長域で使用される結像光学系、双眼鏡や望遠鏡などの観察光学系、または、光学式ファインダにも適用可能である。また、回折光学素子１を含む光学系が適用可能な装置も撮像装置に限定されるものではなく、広く光学機器に適用可能である。以下、本実施形態の回折光学素子１の具体例について、実施例１〜３において説明する。
【実施例１】
【００３６】
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。本実施例において、本実施例において、回折格子２１は、ＩＴＯ微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５６６０、νｄ＝１９．０、θｇＦ＝０．４１８、ｎ５５０＝１．５７２４）から構成されている。回折格子３１は、ＺｒＯ２微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６１９９、νｄ＝４３．２、θｇＦ＝０．５６４、ｎ５５０＝１．６２３０）から構成されている。なお、回折格子２１、３１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。図３において、入射光束ａは、面法線に対して設計入射角度θｉである１５度で入射する光束であり、格子高さｄは１０．７２μｍ、設計次数は＋１次である。薄膜１１は、Ａｌ２Ｏ３の薄膜から構成され、格子壁面２１ｂ、３１ｂに垂直な方向の厚さまたは幅Ｗは３５０ｎｍである。格子壁面２１ｂ、３１ｂの面法線に対する角度φｉは１３度である。
【００３７】
図５は、本実施例における回折光学部の拡大断面図である。図６は、本実施例において、図４の光学系に関する設計入射角度（撮影光入射角度）の不要光の影響の説明図である。図５および図６において、光軸Ｏに対して入射する撮影光束Ａ、Ａ’は、基板レンズ２を通過した後、それぞれ光軸Ｏから上方向に数えてｍ番目、下方向に数えてｍ番目の回折格子であるｍ格子とｍ’格子にそれぞれ入射する。撮影光束Ａ、Ａ’のｍ格子、ｍ’格子に対しての入射角度は、重心入射光線（設計入射光線）方向である。図６において、撮影光束Ａのｍ格子により射出する＋１次回折光はＡｍ１、撮影光束Ａ’のｍ’格子により射出する＋１次回折光はＡ’ｍ１として示されている。設計次数である＋１次回折光Ａｍ１、Ａ’ｍ１は結像面４１に結像される。
【００３８】
図７は、図２に示される設計入射角度（撮影光入射角度）である入射光束ａと図５および図６の入射光束Ａを想定して、設計入射角度θｉが１５度、格子ピッチｐが１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果の＋１次回折光の回折効率を示すグラフである。ここで、ＲＣＷＡ計算とは、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）を行うための計算である。設計入射角度θｉは、面法線に対して図３の下向きを正の方向、射出角度である回折角は面法線に対して下向きを正の方向としている。薄膜１１を有しない回折光学素子１を用いた場合、および、薄膜１１を有しているが格子壁面の面法線に対する角度φ１が設計入射角度光線と同じ１５度の場合について、図７に相当する比較例としてのグラフである。本実施例は格子壁面の角度が入射光線の角度より小さくなっている分回折効率が低下しているが、薄膜を設けていない場合より高いため、回折効率の低下による影響は少ない。
【００３９】
図８は、斜入射角度（画面外光入射角度）の不要光の影響の説明図である。図５において、画面外光束Ｂ，Ｂ’のｍ格子、ｍ’格子に対しての入射角度はそれぞれ、重心光線方向に対して角度ωｉ、ωｉ’である。図９は、図５および図８に示される入射光束Ｂを想定し、画面外光入射角度ωｉが＋１０度、図３に示される画面外光入射光束ｂとして面法線に対する入射角度が＋５度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。入射角度は、図３の下向きを正の方向としている。図９は、薄膜１１を有しない回折光学素子を使用した場合、および薄膜１１を有するが格子壁面の面法線に対する角度φｉが入射角度θｉと同じ１５度の場合をそれぞれ比較して示すグラフである。図９は、回折効率の低い部分を拡大して表示している。図９において、横軸は次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）をそれぞれ示している。
【００４０】
図９において、次数＋１付近の数値が表示範囲を超えているのは、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率であり、回折効率の数値が高いためである。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、＋１次回折光は結像面に到達しないため、その影響は小さい。図９より、不要光は特定次数（特定角度）方向にピークを有する不要光となって伝播する。この不要光の伝播方向は格子壁面に入射する画面外入射角度である＋５度光束の成分は、全反射し、伝播する射出方向と略等しい。
【００４１】
画面外光＋１０度（面法線に対して＋５度）入射の不要光のうち、設計入射角度の＋１次回折光の回折角＋１５．２度付近に射出する不要光は像面に到達する（図８のＢｍ）。また、回折光学素子の後段の光学系によって画面外入射光の不要光が像面に到達する回折次数や回折角度が異なるが、設計入射角度における設計回折次数が伝播する回折角度に略一致する次数よりもプラス次数の回折光が結像面に到達する（図８ではＢｍ〜Ｂｍ+）。この不要光により、像性能の低下を招くことになる。本実施例において、結像面に到達する次数として、図８のＢｍに相当する次数は−５０（回折角＋１５．３度）、図８のＢｍ＋に相当する次数は−１５（回折角＋８．２度）である。
【００４２】
図９に示される不要光ピークの次数は、薄膜ありの場合とない場合で略同一である。しかし、不要光の広がりは互いに異なり、回折角＋１５．３度付近（回折次数−５０次）の回折効率、薄膜なしの場合よりも薄膜ありのほうが低下している。しかしながら、不要光が最も低くなる次数が存在し、その次数から離れるほど不要光の回折効率が上がっていく。薄膜ありの場合、最も効率が低い次数が−４５次付近にあるため、結像面の周辺部に相当する−１５次の回折効率は薄膜ありと比較して低減量がわずかである。
【００４３】
図９より、本実施例のように格子壁面の角度を変化させることにより、不要光（回折効率）が最も低くなる次数をシフトさせていることがわかる。特に、入射角度θｉよりも格子壁面の角度φ１を小さくすることにより、不要光が最も低減する次数をプラス側にシフトさせることができる。好ましくは、斜入射角度で入射する光束による不要光の回折効率は、この不要光が像面に到達する回折次数の範囲内（−５０次〜−１５次）で極小になる。また好ましくは、本実施例において、不要光の回折効率は、不要光が像面に到達する回折次数の範囲内（−５０次〜−１５次）で０．０１０％以下である。より好ましくは、不要光の回折効率は、この範囲内で０．００５％以下である。
【００４４】
また、不要光は、次数の絶対値が設計値から離れるほど結像面においてはボケていくため、同じ回折効率であっても結像面上の不要光強度は小さくなる。このため、結像面到達次数が小さい側の回折効率を小さくしたほうが、結像面に到達する不要光強度は小さくなる。図９において−４０次から−５０次の範囲は、本実施例より従来の薄膜ありの構成の場合のほうが小さくなっている。しかし、−１５次から−４０次の次数の絶対値が小さく、かつ広い次数範囲においては本実施例の構成のほうが小さい。このため、結像面の全域を考慮すると、本実施形態のほうがより不要光が低くなる。
【００４５】
また、図５に示される入射光束Ｂ’を想定して入射光については、ｍ格子による影響のほうが大きいため、像性能の低下に対しての影響は小さい。このように、本実施例の回折光学素子を適用した光学系において、設計入射角度θｉにおける回折効率の低減を影響ない程度に抑制し、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面の中心部から周辺部の全域に到達する不要光を低減させることができる。
【００４６】
また、ここでは画面外光束Ｂ，Ｂ’の入射角度は、画面外＋１０度であると想定される。この入射角度よりも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、この入射角度よりも大きい角度では、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度に想定する。
【実施例２】
【００４７】
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。本実施例において、格子壁面の面法線に対する角度は１２度である。
【００４８】
図１０は、図２に示される設計入射角度（撮影光入射角度）である入射光束ａと図５および図６の入射光束Ａを想定して、設計入射角度θｉが１５度、格子ピッチｐが１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果の＋１次回折光の回折効率を示すグラフである。図１０は、薄膜１１を有しない回折光学素子１を用いた場合、および、薄膜１１を有しているが格子壁面の面法線に対する角度φ１が設計入射角度θ１と同じ１５度の場合における比較例としてのグラフを示している。本実施例は、格子壁面の角度が入射光線の角度より小さくなっている分回折効率が低下しているが、薄膜を設けていない場合より高いため、回折効率の低下による影響は少ない。
【００４９】
図１１は、図５および図８に示される入射光束Ｂを想定して、画面外入射角度ωｉが＋１０度、図３に示す画面外入射光束ｂとして面法線に対する入射角度が＋５度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。図１１は、薄膜１１を有しないＤＯＥを使用した場合、および薄膜１１を有しているが格子壁面の面法線に対する角度が入射光線と同じ１５度の場合を比較して示すグラフである。図１１において、横軸は次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）をそれぞれ示している。画面外光＋１０度（面法線に対して＋５度）入射の不要光のうち、結像面に到達する次数は図８のＢｍに相当する次数は−５０次（回折角＋１５．３度）、図８のＢｍ＋に相当する次数は−１５次（回折角＋８．２度）である。
【００５０】
本実施形態では、実施例１よりも格子壁面の角度φ１と設計入射角度θ１との差が大きいため、不要光が最も低減する次数のプラス側へのシフト量が大きい。不要光は、次数の絶対値が設計値から離れるほど結像面においてはボケていくため、同じ回折効率であっても結像面上の不要光強度は小さくなる。このため、結像面到達次数が小さい側の回折効率を小さくしたほうが、結像面に到達する不要光強度は小さくなる。図１１において、−３５次から−５０次の範囲は、本実施例よりも従来の薄膜ありの場合のほうが小さくなっている。しかし、−１５次から−３５次の次数の絶対値が小さく、かつ広い次数範囲においては本発明のほうが小さい。このため、結像面の全域と考慮した場合、本発明のほうがより不要光が低くなる。
光学系や、基板レンズの曲率半径、格子ピッチ等により結像面に到達する次数に違いがあるが、格子壁面の角度と適宜変更することにより結像面に到達する不要光強度を制御することが可能になる。
【実施例３】
【００５１】
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。本実施例は、格子ピッチが２００μｍである点で、格子ピッチが１００μｍである実施例１と異なる。また本実施例において、格子高さは１０．５６μｍであり、それ以外の回折格子、薄膜を構成する材料、薄膜の厚さ（幅Ｗ）、格子壁面の面法線に対する角度、および、設計次数はそれぞれ、実施例１と同じである。
【００５２】
図１２は、図２に示される設計入射角度（撮影光入射角度）である入射光束ａと図５および図６の入射光束Ａを想定して、設計入射角度θｉが１５度、格子ピッチｐが２００μｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果の＋１次回折光の回折効率を示すグラフである。図１２は、薄膜１１を有しない回折光学素子を用いた場合、および、薄膜１１を有しているが格子壁面の面法線に対する角度φ１が設計入射角度θ１と同じ１５度の場合における比較例としてのグラフを示している。本実施例は、実施例１と比較して壁面の寄与が小さくなるため、設計次数の回折効率の絶対値が高くなっている。なお本実施例は、格子壁面の角度が入射光線の角度より小さくなっている分、回折効率が低下しているが、薄膜を設けていない場合より高いため、回折効率の低下による影響は少ない。
【００５３】
図１３は、図５および図８に示される入射光束Ｂを想定して、画面外入射角度ωｉが＋１０度、図３に示される画面外入射光束ｂとして面法線に対する入射角度が＋５度、格子ピッチ２００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。図１３は、薄膜１１を有しないＤＯＥを使用した場合、および薄膜１１を有しているが格子壁面の面法線に対する角度が入射光線と同じ１５度の場合について、比較例としてのグラフである。図１３において、横軸は次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）をそれぞれ示している。画面外光＋１０度（面法線に対して＋５度）入射の不要光のうち、結像面に到達する次数は図８のＢｍに相当する次数は−１００次（回折角＋１５．４度）、図８のＢｍ＋に相当する次数は−３０次（回折角＋８．２度）である。図１１において、−８０次から−１００次の範囲は、従来の薄膜を含む回折光学素子の場合のほうが小さいが、−３０次から−８０次の次数の絶対値が小さく、かつ広い次数範囲においては本実施例の構成のほうが小さい。このため、結像面の全域を考慮した場合、本実施例のほうがより不要光を低減させることができる。
【００５４】
また、図１３は実施例１と比較して格子ピッチが大きくなり、壁面の寄与が小さくなるため、高次回折効率の絶対値が低くなっている。この割合は同じ射出角度の回折光の格子ピッチの二乗分の一であることを確認している。例えば、格子ピッチ１００μｍの実施例１の図９の比較例（薄膜なし）における−１００次、−５０次の回折効率はそれぞれ０．０３１０％、０．０１５９％である。これに対して、格子ピッチ２００μｍの実施例３の図１２の比較例（薄膜なし）における−２００次、−１００次（格子ピッチが２倍のため、比較する次数も２倍）の回折効率はそれぞれ０．００７７４％、０．００３９７％である。すなわち、実施例１に対して（１００／２００）２＝１／４になっている。この関係は、壁面に膜が設けられた場合でも同じ関係である。逆に、実施例３の格子ピッチを格子ピッチ１００μｍに規格化した場合、高次回折効率は（２００／１００）２＝４倍にすればよいことになる。
【実施例４】
【００５５】
次に、図１５を参照して、本発明の実施例４における光学機器としての撮像装置について説明する。図１５は、本実施例における撮像装置（デジタルカメラ）３００の断面図である。
【００５６】
撮像装置３００は、レンズ鏡筒３０１とカメラ本体３０２とを備えて構成される。レンズ鏡筒３０１は、例えば実施例１〜３のいずれかの光学系１００を有する。またレンズ鏡筒３０１は、光学系１００を保持する保持部材１０１を有する。カメラ本体３０２は、ＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサを備えた撮像素子３０３を有する。撮像素子３０３は、光学系１００の結像面１０３に配置されており、レンズ鏡筒３０１（光学系１００）を介して形成された光学像を光電変換して画像信号を出力する。
【００５７】
なお本実施例において、撮像装置３００は、レンズ鏡筒３０１とカメラ本体３０２とが一体的に構成されたデジタルカメラであるが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、撮像装置は、カメラ本体と、カメラ本体に対して着脱可能に取り付けられるレンズ鏡筒（交換レンズ）とを備えて構成されたカメラシステム（一眼レフカメラシステム）であってもよい。
【００５８】
各実施例によれば、結像面の中心部から周辺部の全域にわたって、到達する不要光を低減させることが可能な光学系および光学機器を提供することができる。
【００５９】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、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】
【００６０】
１  回折光学素子
１１  薄膜
２１  回折格子（第１の回折格子）
３１  回折格子（第２の回折格子）
１００  光学系
【図１】
2019066756.tif 000003
【図２】
2019066756.tif 000004
【図３】
2019066756.tif 000005
【図４】
2019066756.tif 000006
【図５】
2019066756.tif 000007
【図６】
2019066756.tif 000008
【図７】
2019066756.tif 000009
【図８】
2019066756.tif 000010
【図９】
2019066756.tif 000011
【図１０】
2019066756.tif 000012
【図１１】
2019066756.tif 000013
【図１２】
2019066756.tif 000014
【図１３】
2019066756.tif 000015
【図１４】
2019066756.tif 000016
【図１５】
2019066756.tif 000017