(57)【要約】【課題】高い回折効率が得られる回折光学素子、およびそれを有する光学系を提供すること。【解決手段】本発明は、第１の回折格子材料より成る第１の回折格子と第２の回折格子材料より成る第２の回折格子が互いの格子境界面が密着され、第２の回折格子材料より成る第３の回折格子と第３の回折格子材料より成る第４の回折格子が互いの格子境界面が密着されている、第１、第２、第３の回折格子を有する回折光学素子であり、前記回折光学素子の分散をνＤＯ、部分分散比を θＤＯとするとき、適切な条件を満足すること。 【選択図】  図２
2019200264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の回折格子材料より成る第１の回折格子と第２の回折格子材料より成る第２の回折格子が互いの格子境界面が密着され、第２の回折格子材料より成る第３の回折格子と第３の回折格子材料より成る第４の回折格子が互いの格子境界面が密着されている、第１、第２、第３の回折格子を有する回折光学素子であり、前記回折光学素子の分散をνＤＯ、部分分散比を θＤＯとするとき、
−３０．００＜［[｛ｎ１（１０）−ｎ２（１０）｝＊ｄ１−｛ｎ３（１０）−ｎ２（１０）｝＊ｄ２］ ／［［｛ｎ１（８）−ｎ２（８）｝−｛ｎ１（１２）−ｎ２（１２）｝］＊ｄ１−［｛ｎ３（８）−ｎ２（８）｝-｛ｎ３（１２）−ｎ２（１２）｝］＊ｄ２]＋２．５］＊［［［｛ｎ１（１２）−ｎ２（１２）｝−｛ｎ１（１３）−ｎ２（１３）｝］＊ｄ１−［｛ｎ３（１２）−ｎ２（１２）｝−｛ｎ３（１３）−ｎ２（１３）｝］＊ｄ２]／[［｛ｎ１（８）−ｎ２（８）｝−｛ｎ１（１２）−ｎ２（１２）｝］＊ｄ１−［｛ｎ３（８）−ｎ２（８）｝−｛ｎ３（１２）−ｎ２（１２）｝＊ｄ２]−０．２５］＜０．６０ 
となる条件を満足することを特徴とする回折光学素子。 
ただし、ｎ１（８）、ｎ２（８）、ｎ３（８）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長８μｍにおける屈折率 
ｎ１（１０）、ｎ２（１０）、ｎ３（１０）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１０μｍにおける屈折率 
ｎ１（１２）、ｎ２（１２）、ｎ３（１２）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１２μｍにおける屈折率 
ｎ１（１３）、ｎ２（１３）、ｎ３（１３）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１３μｍにおける屈折率 
λ８、λ１０、λ１２、λ１３はそれぞれ波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１３μｍ 
前記３つの回折格子材料の屈折率の関係はｎ１（１０）＞ｎ３（１０）＞ｎ２（１０）
【請求項２】
前記第２の回折格子材料の波長１０μｍにおける屈折率が１．０１以下であ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、第３の回折格子材料のうちアッベ数ν１０が高い材料をν１０（Ｈ）、低い材料をν１０（Ｌ）とし、ν１０（Ｈ）の回折格子材料の波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける屈折率をそれぞれｎ（ν１０（Ｈ））（８）、ｎ（ν１０（Ｈ））（１０）、ｎ（ν１０（Ｈ））（１２）としたとき、ν１０（Ｌ）の範囲が、
｛ｎ（ν１０（Ｈ））（１０） −２.００＊ｍ｝／｛ｎ（ν１０（Ｈ））（８） −ｎ（ν１０（Ｈ））（１２） ）＋０．８０＊ｍ｝＜ν１０（Ｌ）＜ ｛ｎ（ν１０（Ｈ））（１０）−０．０５＊ｍ｝／｛ｎ（ν１０（Ｈ））（８）−ｎ（ν１０（Ｈ））（１２） ＋０．０２＊ｍ｝ 
となる条件を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の回折光学素子。
ただし、ｍは前記回折格子の設計次数 
【請求項４】
波長１２μｍと１３μｍ間の部分分散比θ１２，１３を、θ１２，１３＝（ｎ１２−ｎ１３）／（ｎ８−ｎ１２）とするとき、前記回折光学素子を構成する第１および第３の回折格子材料のθ１２，１３の差であるΔθ１２，１３の絶対値が、 
０．０１０≦|Δθ１２，１３| ≦１．２００ 
となる条件を満足することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回折光学素子。 
ただし、ｎ１３は、波長１３μｍに対する屈折率 
【請求項５】
前記回折光学素子を構成する２つの回折格子材料の波長１０μｍに対する吸収係数α［ｃｍ−１］がそれぞれ、２６．６６以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記回折光学素子を構成する回折格子材料の少なくとも１つが、有機材料を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記有機材料は、微粒子材料を混合したものであ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】
前記有機材行は、高密度ポリエチレンであることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記回折光学素子は波長８μｍ〜１４μｍの波長帯を使用することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回折光学素子を少なくとも１つ有することを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子およびそれを有する光学系に関し、特に遠赤外線領域において使用される回折光学素子および、それを有する光学系に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年ナイトビジョンやセキュリティ用途を中心に８μｍ〜１４μｍの波長帯（遠赤外線領域）を使用する遠赤外線光学系の需要の増加に伴い、遠赤外線光学系のローコスト化および小型化が求められている。特許文献１および特許文献２は前記波長帯を使用する光学系であり、特許文献１は屈折光学素子にゲルマニウムを３枚用いた結像光学系が開示されている。また、特許文献２は屈折光学素子に２枚の高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）と２枚のシリコンを用いた４枚から構成される遠赤外線光学系が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０―３９２４３号公報
【特許文献２】特開２０１２―１４１５２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１では、屈折光学素子に３枚のゲルマニウムを用いることで諸収差を補正していたが、ゲルマニウムの材料コスト、加工コストが高く、光学系が高価になるという課題がある。特許文献２では、屈折光学素子に安価な樹脂材料であるＨＤＰＥを使用している。ＨＤＰＥに限らず、高価なゲルマニウムの代替材料として使用される、安価な材料は、分散が大きいので色収差補正を行う必要がある。光学系の色収差補正の方法として、屈折光学素子の材料の組み合わせにより補正する方法と光学素子の表面に回折作用を有する回折光学素子を設けて補正する方法がある。
【０００５】
しかしながら、遠赤外線光学系で使用される屈折光学素子の材料が限られていることと、ローコスト化および小型化のため、回折光学素子を設けて色収差補正を行うことが一般的である。遠赤外線光学系で使用される回折光学素子を有する屈折光学系において、使用波長領域（８μｍ〜１４μｍ）の特定の１つの波長（設計波長）以外の波長においては、特定の１つの次数（設計次数）以外の次数の回折光も存在する。そのため、設計次数の回折効率が低く、太陽などの高温物体である高輝度光源からの光が回折光学素子に入射すると、設計次数以外の次数（不要次数）の不要回折光によるフレアが生じてしまい、像性能が低下してしまうといった課題がある。
【０００６】
そこで、本発明は上記課題を解決し、高い回折効率が得られる回折光学素子、およびそれを有する光学系を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明は、第１の回折格子材料より成る第１の回折格子と第２の回折格子材料より成る第２の回折格子が互いの格子境界面が密着され、第２の回折格子材料より成る第３の回折格子と第３の回折格子材料より成る第４の回折格子が互いの格子境界面が密着されている、第１、第２、第３の回折格子を有する回折光学素子であり、前記回折光学素子の分散をνＤＯ、部分分散比を θＤＯとするとき、
−３０．００＜［[｛ｎ１（１０）−ｎ２（１０）｝＊ｄ１−｛ｎ３（１０）−ｎ２（１０）｝＊ｄ２］ ／［［｛ｎ１（８）−ｎ２（８）｝−｛ｎ１（１２）−ｎ２（１２）｝］＊ｄ１−［｛ｎ３（８）−ｎ２（８）｝-｛ｎ３（１２）−ｎ２（１２）｝］＊ｄ２]＋２．５］＊［［［｛ｎ１（１２）−ｎ２（１２）｝−｛ｎ１（１３）−ｎ２（１３）｝］＊ｄ１−［｛ｎ３（１２）−ｎ２（１２）｝−｛ｎ３（１３）−ｎ２（１３）｝］＊ｄ２]／[［｛ｎ１（８）−ｎ２（８）｝−｛ｎ１（１２）−ｎ２（１２）｝］＊ｄ１−［｛ｎ３（８）−ｎ２（８）｝−｛ｎ３（１２）−ｎ２（１２）｝＊ｄ２]−０．２５］＜０．６０ 
となる条件を満足することを特徴とする回折光学素子。 
ただし、ｎ１（８）、ｎ２（８）、ｎ３（８）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長８μｍにおける屈折率 
ｎ１（１０）、ｎ２（１０）、ｎ３（１０）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１０μｍにおける屈折率 
ｎ１（１２）、ｎ２（１２）、ｎ３（１２）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１２μｍにおける屈折率 
ｎ１（１３）、ｎ２（１３）、ｎ３（１３）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１３μｍにおける屈折率 
λ８、λ１０、λ１２、λ１３はそれぞれ波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍ、１３μｍ 
前記３つの回折格子材料の屈折率の関係はｎ１（１０）＞ｎ３（１０）＞ｎ２（１０）
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、安価でありながら高い回折効率が得られる回折光学素子、およびそれを有する光学系を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】回折光学素子の要部概略図
【図２】回折光学素子の素子構造の断面模式図
【図３】実施例１の回折光学素子の回折効率
【図４】実施例２の回折光学素子の回折効率
【図５】実施例３の回折光学素子の回折効率
【図６】実施例４の回折光学素子の回折効率
【図７】実施例５の回折光学素子の回折効率
【図８】実施例６の撮像光学系
【図９】ＺｎＳの屈折率の波長依存性
【図１０】光路長差の波長依存性
【図１１】比較例１の回折光学素子の回折効率
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００１１】
本発明は、それぞれ互いに異なる回折格子材料より成る第１、第２、第３の回折格子２、３、４が密着された回折光学素子である。図１（ａ）は、本発明の実施例１である回折光学素子の正面図であり、図１（ｂ）は上記回折光学素子の側面図である。図２には、図１の回折格子をＡ−Ａ’線で切断したときの断面形状の一部を拡大して示している。ただし、図２は格子深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。回折光学素子１は第１、第２、第３の格子ベース部５、６、７より成る平板または屈折光学素子の面に第１、第２、第３、第４の回折格子部８、９、１０、１１が設けられている。
【００１２】
前記回折格子部８、９、１０、１１は光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状からなり集光作用を有している。図１、図２において、回折光学素子１は、第１の回折格子２と第２の回折格子３、第２の回折格子３と第３の回折格子４の格子面が各々密着した構成となっている。格子部８、９、１０、１１は所定の格子ピッチで配置されている。第１、第２、第３の回折格子２、３、４は同心円状のブレーズ構造の格子形状からなり、格子部８、９、１０、１１の格子ピッチを中心（光軸）から周辺へ向かって徐々に変化させることでレンズ作用（収斂作用又は発散作用）を得ている。
【００１３】
そして、各回折格子２、３、４は、全層を通して一つの回折光学素子として作用している。また、ブレーズ構造にすることで、回折光学素子１に入射した入射光は、回折格子部８、９、１０、１１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（図では＋１次）方向に集中して回折する。
【００１４】
また、本発明の回折光学素子の使用波長領域は遠赤外線領域（８μｍ〜１４μｍ）である。このため、遠赤外線領域の全域で設計次数の回折光の回折効率が高くなるように、第１、第２、第３の回折格子２、３、４を構成する回折格子材料及び格子高さを選択している。すなわち、複数の回折格子（回折格子２、３、４）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）が使用波長領域内で、その波長の整数倍付近となるよう、各回折格子材料及び格子高さが定められている。このように回折格子の材料、形状を適切に設定することによって、使用波長全域で高い回折効率が得られる。
【００１５】
なお、一般的に、回折格子の格子高さは、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。
【００１６】
次に、回折光学素子１の回折効率について説明する。
【００１７】
遠赤外線領域で使用される材料のアッベ数ν１０は、波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける屈折率をそれぞれｎ８、ｎ１０、ｎ１２とすると、
【００１８】
【数１】
2019200264.tif 000003
と定義する。
【００１９】
３つの回折格子が積層した回折光学素子において、波長λで、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、格子部の山と谷の光学光路長差（つまり山の頂点と谷底のそれぞれを通過する光線間の光路長の差）を全回折格子に亘って加え合わせたものが波長の整数倍になるように決定することであることが知られている。したがって、前記回折光学素子において、回折格子の基板面に対する垂直入射、波長λで、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件式は、
【００２０】
【数２】
2019200264.tif 000004
を満たせば良い。すなわち、使用波長領域の全ての波長λに対して、式（２ａ）の左辺を右辺で割った値を光路長差φとすると、
【００２１】
【数３】
2019200264.tif 000005
となり、光路長差φが1のとき回折効率が最大となることが知られている。ここで、ｎ１（λ）、ｎ２（λ）、ｎ３（λ）は、波長λにおける第１、第２、第３の回折格子材料の屈折率であり、ｄ１は第１および第２の回折格子部の、ｄ２は第３および第４の回折格子部の格子高さである。第１、第２の回折格子部は互いの格子境界面が密着されているため格子高さが等しく、第３、第４の回折格子部の格子高さも互いの格子境界面が密着されているため格子高さが等しい。
【００２２】
式（２ａ）は波長の項を含むため、広い波長域で高い回折効率を得るためには、回折光学素子が使用される各波長における屈折率が式（２ａ）をなるべく満たすような回折格子材料を用いる必要がある。例えば、遠赤外線領域の広い波長範囲で高い回折効率を得るためには、波長１０μｍだけでなく、波長８μｍや１２μｍ等の波長においても式（２ａ）を満たす必要がある。
【００２３】
すなわち、波長１０μｍにおいて高い回折効率を得ることができる格子高さをｄ１、ｄ２としたとき、
【００２４】
【数４】
2019200264.tif 000006
の条件をなるべく満たす回折格子材料の組み合わせを用いる必要がある。ここで、ｎ１（１０）、ｎ２（１０）、ｎ３（１０）、ｎ１（８）、ｎ２（８）、ｎ３（８）、ｎ１（１２）、ｎ２（１２）、ｎ３（１２）は、それぞれ第１、第２、第３の回折格子材料の波長１０μｍ、８μｍ、１２μｍにおける屈折率ある。
【００２５】
設計次数ｍを＋１次とし、式（３ｂ）から式（３ｃ）を辺々引いて整理すると、
【００２６】
【数５】
2019200264.tif 000007
となる。次に、式（３ａ）を式（３ｄ）で割ると、
【００２７】
【数６】
2019200264.tif 000008
となり、式（３ｅ）を満たすことで波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける回折効率を最大限向上することができる。このとき、式（３ｅ）の右辺は、前記回折光学素子の遠赤外線領域におけるアッベ数に相当する値となる。
【００２８】
したがって、式（３ｅ）の値をλ１０／（λ８−λ１２）に近づけることで少なくとも遠赤外線領域の代表波長として８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける回折効率を最大に近づけることができる。しかしながら、回折光学素子は式（３ｅ）からわかる通り、分散が線形変化であるが、遠赤外線領域で使用される素子材料は、長波長側で屈折率が大きく下がる材料が多い。一例として図９に遠赤外線領域で素子材料として一般的に使用されるＺｎＳの屈折率の波長依存性を示す。その様な材料を組み合わせるため、実際には前記回折光学素子の分散は線形変化になりづらく、前述の前記回折光学素子の分散だけでは、長波長側の回折効率が大きく劣化してしまう。そこで本発明は、遠赤外線領域における回折効率をより向上するためには、より波長の大きな帯域（１２〜１３μｍ）における特性も考慮することで、使用波長全域において高い回折効率を得られることを見出した。そこで、より波長の大きな帯域における特性を考慮するためには、波長１３μｍにおいても式（２ａ）を満たす必要がある。
【００２９】
【数７】
2019200264.tif 000009
ここで、ｎ１（１３）、ｎ２（１３）、ｎ３（１３）は第１、第２、第３の回折格子材料の波長１３μｍにおける屈折率である。
【００３０】
設計次数ｍを＋１次とし、式（３ｃ）と式（４）の差を、式（３ａ）と式（３ｃ）の差で割ることで、式（５）を得ることができる。
【００３１】
【数８】
2019200264.tif 000010
したがって、式（５）の値を（λ１２−λ１３）／（λ８−λ１２）に近づけることで遠赤外線領域における回折効率をより向上することができる。つまり式（３ｅ）の値とλ１０／（λ８−λ１２）の差分が小さく、なおかつ式（５）の値と（λ１２−λ１３）／（λ８−λ１２）の差分が小さいことが好ましい。そのため、これらの差分の積の値が０に近いほど使用波長領域のほぼ全域で良好な回折効率を得ることが可能となる。
【００３２】
しかしながら、遠赤外線光学系で使用される素子材料は限られており、組み合わせの自由度が低く、式（３ｅ）の値とλ１０／（λ８−λ１２）の差分が大きくなってしまう材料の組み合わせが多いため、長波長側で大きな光路長差ずれが発生する。そこで、式（５）の値を適切に選択することで、長波長側で発生した大きな光路長差ずれをキャンセルし、波長１２〜１３μｍの光路長差を補正することが可能となる。
【００３３】
発生した光路長差ずれを補正するには、式（３ｅ）の値とλ１０／（λ８−λ１２）の差分の符号と、式（５）の値と（λ１２−λ１３）／（λ８−λ１２）の差分の符号が反対であれば良い。つまり、式（３ｅ）の値とλ１０／（λ８−λ１２）の差分と式（５）の値と（λ１２−λ１３）／（λ８−λ１２）の差分の積が負であれば良い。
【００３４】
本発明はその積の値が、
【００３５】
【数９】
2019200264.tif 000011
の範囲となるように、３つの異なる回折格子材料を選択することによって、使用波長全域で高い回折効率が得られることを見出した。ここで、２．５は−λ１０／（λ８−λ１２）に等しく、−０．２５は−（λ１２−λ１３）／（λ８−λ１２）に等しい。
【００３６】
図１０に、式（６）を満たさない回折光学素子と、満たす回折光学素子のそれぞれの光路長差φの波長依存性を模式的に示す。図１０より、式（６）を満たしている回折光学素子は長波長側で光路長差の波長依存性が理想的な設計値である光路長差が１に近いため改善されている。
【００３７】
したがって、式（６）を満たすことにより使用波長全域にわたって設計次数の回折効率をより効果的に高くすることが可能となり、高輝度光源が回折光学素子に入射した際に生じるフレアの原因となる不要次数の回折光を抑制するという作用を有する。
【００３８】
また、第２の回折格子材料の波長１０μｍにおける屈折率が１．０１以下であることが望ましい。更に、波長１０μｍにおける屈折率が１．０１以下である材料は、空気や窒素など気体または真空であることが望ましい。３つの回折格子を密着積層した回折光学素子において、中間材料である第２の回折格子材料に空気や窒素等の気体や真空を選択すると、前記回折光学素子の製造が容易となる作用を有する。また、第１、第２、第３の回折格子材料が無機材料と有機材料の組み合わせであると、熱膨張係数に差があるため、回折光学素子の変形や割れが発生する恐れがある。
【００３９】
特に、監視カメラなど屋外で使用されるものは、温度差が大きい環境下で使用される場合があり、回折光学素子の変形や割れが発生する恐れが高い。したがって、第２の回折格子材料を空気や窒素などの気体や真空にすることで、回折光学素子の変形や割れを防止する作用を有する。
【００４０】
第２の回折格子材料が空気であるとき、第３および第４の回折格子部の格子高さであるｄ２をｃ＊ｄ１とすると式（３ａ）は、
【００４１】
【数１０】
2019200264.tif 000012
となる。式（７ａ）を変形すると、
【００４２】
【数１１】
2019200264.tif 000013
となる。同様に式（３ｂ）および（３ｃ）を変形すると、
【００４３】
【数１２】
2019200264.tif 000014
となる。ここで式（７ｂ）、（７ｃ）、（７ｄ）式から、第３の回折格子材料のアッベ数ν１０（ｎ３）は、
【００４４】
【数１３】
2019200264.tif 000015
と表わすことができる。
【００４５】
式（７ｅ）には第３の回折格子材料と第３および第４の回折格子部の格子高さは含まれていない。したがって、第２の回折格子材料が空気などのように屈折率が１．０１以下であるとき、第１の回折格子材料と第１および第２の回折格子部の格子高さが決まると、第３の回折格子材料の分散だけが決まる。
【００４６】
第１、第３の回折格子材料のうちアッベ数ν１０が低い回折格子材料をν１０（Ｌ）としたとき、本発明は式（７ｅ）を基に鋭意検討した結果、ν１０（Ｌ）が、
【００４７】
【数１４】
2019200264.tif 000016
の範囲となるように第１、第３の回折格子材料を選択することによって、使用波長全域で高い回折効率が得られることを見出した。
【００４８】
ここで、ｎ（ν１０（Ｈ））（８）、ｎ（ν１０（Ｈ））（１０）、ｎ（ν１０（Ｈ））（１２）はそれぞれ、第１、第３の回折格子材料のうちアッベ数ν１０が高い回折格子材料の波長８μｍ、１０μｍ、１２μｍにおける屈折率である。
【００４９】
また、第１および第３の回折格子材料のθ１２，１３の差が小さいと補正効果が低いため、第１および第３の回折格子材料のθ１２，１３の差であるΔθ１２、１３の絶対値が、
【００５０】
【数１５】
2019200264.tif 000017
の範囲となることにより、長波長側の光路長差を補正できることを見出した。式（９）の範囲となるように第１および第３の回折格子材料を選択することにより、長波長側で大きくずれた光路長差を効果的に補正する作用を有する。
【００５１】
以上の説明は、第１、第２、第３の回折格子材料の波長１０μｍにおける屈折率ｎ１（１０）、ｎ２（１０）、ｎ３（１０）との関係をｎ１（１０）＞ｎ３（１０）＞ｎ２（１０）として説明している。上記以外の場合は、回折格子の斜面の向きが反対になるのみである。
【００５２】
次に、第１、第２、第３の回折格子材料の波長１０μｍに対する吸収係数α［ｃｍ-1］は２６．６６以下であることが望ましい。吸収係数αが２６．６６を超えると、前記回折光学素子の透過率が低くなってしまうため好ましくない。そのため前記条件を満たすような回折格子材料と選択することで、使用波長領域の光を透過するという作用を有する。
【００５３】
また、第１、第２、第３の回折格子材料の少なくとも１つが、有機材料を有することが望ましい。遠赤外線領域で使用される素子材料は、無機材料が一般的であるが、材料コストが高いという課題がある。また、ゲルマニウムやシリコンなどは加工が研削・研磨となり、加工コストも高い。一方で、有機材料は無機材料と比べると材料コストが安価であり、加工も研削・研磨と比べコストが安い、モールドや射出成型が可能である材料が多い。そこで、３つの回折格子の少なくとも１つの材料を有機材料とすることで、材料および加工コストを安価にする作用を有する。
【００５４】
また、前記有機材料は微粒子材料を混合したものであることが望ましい。遠赤外線領域で使用される素子材料は、その種類が限られており、３つの異なる回折格子材料の選択の自由度が低い。そこで、有機材料に微粒子材料を混合し、所望の特性をもつ回折格子材料とすることで、回折格子材料の選択自由度を上げる作用を有する。
【００５５】
更に、前記有機材料はＨＤＰＥであることが望ましい。遠赤外線領域で使用される有機材料は、透過率が低いが、その中でも透過率が高いものとしてＨＤＰＥが知られている。そこで、前記有機材料にＨＤＰＥを選択することで、比較的高い透過率を確保する作用を有する。
【００５６】
前記回折光学素子は、前述した構成をとることで、遠赤外線領域の設計次数の回折効率を高めることができ、不要次数の回折光を抑制することができるため、本発明は前記波長領域において特に効果的である。
【００５７】
以下に、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
【００５８】
［実施例１］
実施例１の第１の回折格子２を形成する第１の回折格子材料はカルコゲナイド（ｎ１０＝２．５０、ν１０＝１０９．３５、θ１２，１３＝０．３７）である。第２の回折格子３を形成する第２の回折格子材料はＨＤＰＥ（ｎ１０＝１．５１、ν１０＝９１．７４、θ１２，１３＝１．１３）である。第３の回折格子４を形成する第３の回折格子材料はＺｎＳ（ｎ１０＝２．２０、ν１０＝２０．６０、θ１２，１３＝０．５１）である。
【００５９】
３つの回折格子材料のうち、少なくとも１つの回折格子材料が加工にモールドや焼結や射出成型が可能である材料を選択することが好ましい。一般的に遠赤外線領域で使用される素子材料の加工は、研削・研磨であるため、その加工コストが高価となる。
【００６０】
一方、本実施例のようにモールドや焼結、射出成型等の成形が可能な材料を回折格子材料に選択することによって、加工コストが安価になり、更にブレーズ形状を精度高く製造できる。各実施例はこれらの回折格子部の製造方法に限定されない。更に、少なくとも１つの回折格子材料が有機材料とすると好ましい。遠赤外線領域で一般的に使用される素子材料は無機材料であり、可視域で使用されるものと比べ非常に高価である。
【００６１】
そこで、前記回折光学素子を構成する回折格子材料の少なくとも１つを有機材料にすることで、前記回折光学素子の材料コストを安価にすることが可能となる。また、有機材料はモールドや射出成型が可能である材料が多いことから加工コストも安価にすることが可能となる。更により好ましくは、前記有機材料がＨＤＰＥとすることである。有機材料は遠赤外線を透過する材料は少ないが、その中でも比較的遠赤外線の透過率が高いＨＤＰＥを前記有機材料に選択することで、前記回折光学素子の透過率が確保できる。
【００６２】
本実施例は、第１の回折格子２と第２の回折格子３と第３の回折格子４の格子面が密着して積層された回折光学素子である。前記回折光学素子の製造方法は特に限定されないが、第１、第２、第３の回折格子をそれぞれ製造し、精度良く密着させる方法とすることで製造することができる。また、回折格子材料が有機材料であるとき、有機材料から成る回折格子と密着する回折格子を形成し、有機材料で格子部を埋めて接着することで製造しても良い。しかし、それぞれの回折格子の間に空気層があっても同様の効果が得られるため、３つの回折格子の空気間隔は限定されない。また、本実施例では設計次数を＋１次にしているが、設計次数が＋１次以外であっても同様の効果が得られるため、設計次数も限定されない。
【００６３】
図３に実施例１、図１１に比較例それぞれの回折光学素子の設計次数（＋１次）での回折効率の特性を示す。比較例は、３つの回折格子を積層する構成をとらない、一般的な単層の回折光学素子である。図３と図１０の比較により、実施例１の構成にすることで、回折効率の波長依存性が改善され、使用波長全域（８μｍ〜１４μｍ）において回折効率が９７．７％以上となっており、良好な回折効率が得られている。
【００６４】
［実施例２］
実施例２は、第２の回折格子３を形成する回折格子材料に空気を選択した場合の実施例である。３つの回折格子を密着積層した回折光学素子において、中間材料である第２の回折格子材料に空気を選択すると、前記回折光学素子の製造が容易となる。
【００６５】
実施例２の第１の回折格子２を形成する第１の回折格子材料はＫＣｌ（ｎ１０＝１．４６、ν１０＝３０．６０、θ１２，１３＝０．３５）である。第２の回折格子３を形成する第２の回折格子材料は空気（ｎ１０＝１．００）である。空気の分散は非常に小さいため、分散は考えないものとする。第３の回折格子４を形成する第３の回折格子材料はＺｎＳ（ｎ１０＝２．２０、ν１０＝２０．６０、θ１２，１３＝０．５１）である。
【００６６】
第１の回折格子２と第２の回折格子３と第３の回折格子４の格子面が密着して積層された回折光学素子であり、設計次数は＋１次である。
【００６７】
図４に実施例２の回折光学素子の設計次数（＋１次）での回折効率の特性を示す。設計次数の回折効率は使用波長全域（８μｍ〜１４μｍ）で７８．５％以上となっており、良好な回折効率が得られている。
【００６８】
［実施例３］
実施例３は、第１の回折格子２を形成する回折格子材料に有機材料、第２の回折格子３を形成する回折格子材料に空気、第３の回折格子４を形成する回折格子材料に無機材料を選択した場合の実施例である。有機材料から成る回折格子と、無機材料から成る回折格子が密着して積層していると、熱膨張係数に差があるため、回折光学素子の変形や割れが発生する恐れがある。特に、監視カメラなど屋外で使用されるものは、温度差が大きい環境下で使用される場合があり、回折光学素子の変形や割れが発生する恐れが高い。したがって、第２の回折格子材料を空気や窒素などの気体や真空にすることで、回折光学素子の変形や割れを防止することが可能となる。
【００６９】
第１の回折格子２を形成する第１の回折格子材料はＨＤＰＥ（ｎ１０＝１．５１、ν１０＝９１．７４、θ１２，１３＝１．１３）である。第２の回折格子３を形成する第２の回折格子材料は空気（ｎ１０＝１．００）である。空気の分散は非常に小さいため、分散は考えないものとする。第３の回折格子４を形成する第３の回折格子材料はＮａＣｌ（ｎ１０＝１．５０、ν１０＝１９．２４、θ１２，１３＝０．３４）である。
【００７０】
第１の回折格子２と第２の回折格子３と第３の回折格子４の格子面が密着して積層された回折光学素子であり、設計次数は＋１次である。
【００７１】
有機材料は遠赤外線を透過する材料は少ないが、その中でも比較的遠赤外線の透過率が高いＨＤＰＥを前記有機材料に選択することで、前記回折光学素子の透過率が確保できるため好ましい。
【００７２】
図５に実施例３の回折光学素子の設計次数（＋１次）での回折効率の特性を示す。設計次数の回折効率は使用波長全域（８μｍ〜１４μｍ）で８３．６％以上となっており、良好な回折効率が得られている。
【００７３】
［実施例４］
実施例４は、第１の回折格子２を形成する第１の回折格子材料にＨＤＰＥ、第２の回折格子３を形成する第２の回折格子材料に空気、第３の回折格子４を形成する第３の回折格子材料にＢａＦ２を選択した場合の実施例である。
【００７４】
それぞれの回折格子に使用している回折格子材料の光学特性は、ＨＤＰＥ（ｎ１０＝１．５１、ν１０＝９１．７４、θ１２，１３＝１．１３）、空気（ｎ１０＝１．００）、ＢａＦ２（ｎ１０＝１．４０、ν１０＝７．２９、θ１２，１３＝０．３２）である。ここで、空気の分散は非常に小さいため、分散は考えないものとする。
【００７５】
実施例４では、式（３ｅ）の値とλ１０／（λ８−λ１２）の差分が小さく、なおかつ式（５）の値と（λ１２−λ１３）／（λ８−λ１２）の差分が小さいため、これら差分の積の値が−０．０００７と非常に小さく、０に近い値となっている。そのため、設計次数の回折効率は使用波長全域（８μｍ〜１４μｍ）で９９．４％以上となっており、良好な回折効率が得られている。
【００７６】
図６に実施例４の回折光学素子の設計次数（＋１次）での回折効率の特性を示す。
【００７７】
［実施例５］
実施例５は、第１の回折格子２および第３の回折格子４を形成する回折格子材料に有機材料に微粒子を分散させた材料、第２の回折格子３を形成する回折格子材料に空気を選択した場合の実施例である。遠赤外線領域で使用される素子材料は、その種類が限られており、回折格子材料の自由度が低いが、有機材料に微粒子を分散させ、所望の特性をもつ回折格子材料とすることで、回折格子材料の選択自由度が高くなる。
【００７８】
第１の回折格子２を形成する回折格子材料はＨＤＰＥ（ｎ１０＝１．５１、ν１０＝９１．７４、θ１２，１３＝１．１３）にカルコゲナイド（ｎ１０＝２．５０、ν１０＝１０９．３５、θ１２，１３＝０．３７）を２５．０ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎ１０＝１．８１、ν１０＝９８．４３、θ１２，１３＝０．６９）である。第３の回折格子４を形成する回折格子材料はＨＤＰＥ（ｎ１０＝１．５１、ν１０＝９１．７４、θ１２，１３＝１．１３）にＺｎＳ（ｎ１０＝２．２０、ν１０＝２０．６０、θ１２，１３＝０．５１）を２５．０ｖｏｌ％分散させた微粒子分散材料（ｎ１０＝１．７１、ν１０＝３１．７６、θ１２，１３＝０．６１）である。
【００７９】
微粒子分散材料における微粒子の混合比率（体積比率）の合計は３ｖｏｌ％以上、３０ｖｏｌ％以下が好ましい。混合比率が３ｖｏｌ％未満では屈折率の制御が困難となり、３０ｖｏｌ％を超えると微粒子分散材料の粘度が増加して、モールドによる成形が困難となる。また、微粒子材料の平均粒子径は、回折格子部への入射光の波長（使用波長または設計波長）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、微粒子材料を有機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。第１の回折格子２と第２の回折格子３と第３の回折格子４の格子面が密着して積層された回折光学素子であり、設計次数は＋１次である。
【００８０】
図７に実施例５の回折光学素子の設計次数（＋１次）での回折効率の特性を示す。設計次数の回折効率は使用波長全域（８μｍ〜１４μｍ）で９０．８％以上となっており、良好な回折効率が得られている。
【００８１】
［実施例６］
本発明の実施例６の概略図を図８に示す。図８はカメラ等の撮影光学系の断面を示したものであり、１２は撮影レンズであり、内部に絞り１３と本発明の前述した各実施例の回折光学素子１を有し、１４は撮像面である。回折光学素子１は、レンズ機能を有する素子であり、撮影レンズ１２の色収差を補正している。本発明の回折光学素子を適用すれば、高い回折効率を得ることができ、フレアが少ない高性能な撮影レンズが得られる。図６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、これに限定するものではなく、レンズ表面に設けても良いし、撮影レンズ内に複数回折光学素子を使用しても良い。また、本実施例では、カメラの撮影レンズの場合を示したが、これに限定するものではなく、ビデオカメラの撮影レンズなど遠赤外線領域で使用される結像光学系に使用しても同様の効果が得られる。
【００８２】
各実施例における条件式の値を表１にまとめる。
【００８３】
【表１】
2019200264.tif 000018
以上、説明した各実施例は代表的な例に過ぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々に変形や変更が可能である。
【符号の説明】
【００８４】
１：回折光学素子
２：第１の回折格子
３：第２の回折格子
４：第３の回折格子
５：第１の格子ベース部
６：第２の格子ベース部
７：第３の格子ベース部
８：第１の回折格子部
９：第２の回折格子部
１０：第３の回折格子部
１１：第４の回折格子部
１２：撮影レンズ
１３：絞り
１４：撮像面
【図１】
2019200264.tif 000019
【図２】
2019200264.tif 000020
【図３】
2019200264.tif 000021
【図４】
2019200264.tif 000022
【図５】
2019200264.tif 000023
【図６】
2019200264.tif 000024
【図７】
2019200264.tif 000025
【図８】
2019200264.tif 000026
【図９】
2019200264.tif 000027
【図１０】
2019200264.tif 000028
【図１１】
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