(57)【要約】      （修正有）【課題】屈折率分布が発生している回折光学素子において、回折効率の劣化を低減すること。【解決手段】第１材料から成り第１屈折率分布を有する第１回折格子部と、前記第１材料とは異なる第２材料から成る第２回折格子部と、を含む第１回折格子層と、第３材料から成り前記第１屈折率分布とは異なる第２屈折率分布を有する第３回折格子部と、前記第３材料とは異なる第４材料から成る第４回折格子部と、を含む第２回折格子層と、を備える回折光学素子であって、以下の条件式を満足することを特徴とする。2015197645.tif 000024【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１材料から成り第１屈折率分布を有する第１回折格子部と、前記第１材料とは異なる第２材料から成る第２回折格子部と、を含む第１回折格子層と、
第３材料から成り前記第１屈折率分布とは異なる第２屈折率分布を有する第３回折格子部と、前記第３材料とは異なる第４材料から成る第４回折格子部と、を含む第２回折格子層と、
を備える回折光学素子であって、
可視波長域における波長をλ、
前記可視波長域における設計波長をλ０、
前記第１回折格子部の前記波長λにおける中間屈折率をｎ１ＧＩＡ（λ）、
前記第２回折格子部の前記波長λにおける屈折率をｎ２（λ）、
前記第３回折格子部の前記波長λにおける中間屈折率をｎ３ＧＩＡ（λ）、
前記第４回折格子部の前記波長λにおける屈折率をｎ４（λ）、
前記第１回折格子層の前記設計波長λ０、ｍ１次における格子厚をｄ１ｍ１、
前記第２回折格子層の前記設計波長λ０、ｍ２次における格子厚をｄ２ｍ２、
ｍ＝ｍ１＋ｍ２を満足する前記回折光学素子全体での設計回折次数（ｍ：整数）をｍ、
(（（ｎ２（λ）−ｎ１ＧＩＡ（λ））＊ｄ１ｍ１＋（ｎ４（λ）−ｎ３ＧＩＡ（λ））＊ｄ２ｍ２）／（ｍ＊λ）)を満足する関数をφ(λ)、
（ｎ３ＧＩＡ（λ）−ｎ１ＧＩＡ（λ））＊（（ｄ１ｍ１＋ｄ２ｍ２）／２）／λを満足する関数をＮＧＬ（λ）、
（ｎ２（λ）＋ｎ４（λ））／２−（ｎ１ＧＩＡ（λ）＋ｎ３ＧＩＡ（λ））／２を満足する関数をＮＰＧＡ（λ）、
フランホーファ線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線における波長をλｇ、λＦ、λｄ、λＣ、
とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする回折光学素子。
【数１】
2015197645.tif 000020
【請求項２】
前記ｎ１ＧＩＡ（λ）は、前記第１回折格子部の波長λにおける屈折率の最大値をｎ１ｇｉ＿ｍａｘ（λ）、前記第１回折格子部の波長λにおける屈折率の最小値をｎ１ｇｉ＿ｍｉｎ（λ）、としたとき、（ｎ１ｇｉ＿ｍａｘ（λ）＋ｎ１ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））／２を満足し、
前記ｎ３ＧＩＡ（λ）は、前記第３回折格子部の波長λにおける屈折率の最大値をｎ３ｇｉ＿ｍａｘ（λ）、前記第３回折格子部の波長λにおける屈折率の最小値をｎ３ｇｉ＿ｍｉｎ（λ）、としたとき、（ｎ３ｇｉ＿ｍａｘ（λ）＋ｎ３ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））／２を満足する、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】
（（ｎ１ｇｉ＿ｍａｘ（λ）−ｎ１ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））＊ｄ１ｍ１）／（（ｎ３ｇｉ＿ｍａｘ（λ）−ｎ３ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））＊ｄ２ｍ２）を満足する関数をＮ１３ＧＤ（λ）、としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
【数２】
2015197645.tif 000021
【請求項４】
前記第１材料の（ｎ１ＧＩＡ（λｄ）−１）／（ｎ１ＧＩＡ（λＦ）−ｎ１ＧＩＡ（λＣ））を満足するアッベ数をν１ＧＩＡｄ、
前記第１材料の（ｎ１ＧＩＡ（λｇ）−ｎ１ＧＩＡ（λＦ））／（ｎ１ＧＩＡ（λＦ）−ｎ１ＧＩＡ（λＣ））を満足する部分分散比をθ１ＧＩＡｇＦ、
θ１ＧＩＡｇＦ−（−１．６６５×１０−７×ν１ＧＩＡｄ３＋５．２１３×１０−５×ν１ＧＩＡｄ２−５．６５６×１０−３×ν１ＧＩＡｄ＋０．７２７８）で表される異常部分分散比をΔθ１ＧＩＡｇＦ、
前記第３材料の（ｎ３ＧＩＡ（λｄ）−１）／（ｎ３ＧＩＡ（λＦ）−ｎ３ＧＩＡ（λＣ））を満足するアッベ数をν３ＧＩＡｄ、
前記第３材料の（ｎ３ＧＩＡ（λｇ）−ｎ３ＧＩＡ（λＦ））／（ｎ３ＧＩＡ（λＦ）−ｎ３ＧＩＡ（λＣ）)を満足する部分分散比をθ３ＧＩＡｇＦ、
θ３ＧＩＡｇＦ−（−１．６６５×１０−７×ν３ＧＩＡｄ３＋５．２１３×１０−５×ν３ＧＩＡｄ２−５．６５６×１０−３×ν３ＧＩＡｄ＋０．７２７８）で表される異常部分分散比をΔθ３ＧＩＡｇＦ、
としたとき、以下の条件式を満足することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【数３】
2015197645.tif 000022
【請求項５】
前記第１回折格子層と前記第２回折格子層を接合する接合部をさらに有し、
前記回折光学素子の格子厚方向における前記接合部の厚さをｄｇとしたとき、以下の条件式を満足していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【数４】
2015197645.tif 000023
【請求項６】
前記第１回折格子部および前記第３回折格子部の屈折率分布は、前記回折光学素子の格子厚方向において、単調増加または単調減少していることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第１材料および前記第３材料は、Ｔｉ、Ｎｒ、Ｃｒおよびその酸化物、およびＩＴＯのうち少なくとも１つの無機微粒子を含んだ樹脂材料であることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１回折格子層と前記第２回折格子層を接合する接合部をさらに有し、
前記第２材料、前記第４材料および前記接合部を構成する材料は、Ａｌ、Ｚｒ、Ｙおよびその酸化物のうち少なくとも１つの無機微粒子を含んだ樹脂材料であることを特徴とする請求項１ないし７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第１回折格子層と前記第２回折格子層を接合する接合部をさらに有し、
前記第２材料、前記第４材料および前記接合部を構成する材料は、同じ材料で構成されていることを特徴とする請求項１ないし８のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記第１回折格子層の格子ピッチと前記第２回折格子層の格子ピッチが等ピッチであることを特徴とする請求項１ないし９のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記第１回折格子部および前記第３回折格子部は、前記第１材料および前記第３材料を、基板と回折格子形状を有した型とを用いて紫外線硬化して成形され、
前記第１回折格子層および前記第２回折格子層は、前記第１回折格子部の上に前記第２材料を、前記第３回折格子部の上に前記第４材料を、各々滴下し、前記型とは異なる型で押印成形することで成形されることを特徴とする請求項１ないし１０のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
前記第１回折格子層と前記第２回折格子層は、前記第２回折格子部と前記第４回折格子部とが近づくように配置されることを特徴とする請求項１ないし１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１３】
前記第１回折格子層は、前記第１回折格子部と前記第２回折格子部とを密着させて成り、
前記第２回折格子層は、前記第３回折格子部と前記第４回折格子部とを密着させて成ることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１４】
請求項１ないし１３のいずれか１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系。
【請求項１５】
請求項１４に記載の光学系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、回折光学素子に関し、例えば銀塩写真用カメラ、ビデオカメラ、デジタルスチルカメラ等の光学機器に好適である。
【背景技術】
【０００２】
従来、レンズ系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設けることで、レンズ系の色収差を減じる方法が知られている。回折光学素子としては、複数の回折格子を積層配置すると共に、各回折格子を構成する材料や各回折格子の格子厚を適切に設定することで、所望の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率を実現した積層ＤＯＥが知られている。
【０００３】
特許文献１及び２では、積層ＤＯＥにおいて、波長に対する屈折率の変化がほぼ一定である材料を用いることによって、可視波長域全域でより高い回折効率を実現する提案がなされている。特許文献１及び２の回折光学素子では、ＩＴＯ等をはじめとした波長に対する屈折率の変化がより直線的な微粒子を、アクリル系若しくはフッ素系等の樹脂材料に、所望の材料特性が得られるように微粒子混合した材料を用いている。また、他の材料についても、微粒子分散材料との組合せで、適切な格子厚下で、可視波長域全域で高い回折効率が得られるような樹脂材料若しくはＺｒＯ２等の微粒子をアクリル系等の樹脂材料に微粒子混合した材料を用いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−０７８１６６号公報
【特許文献２】特開２００８−２４１７３４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及び２にあるように、ＩＴＯをはじめとした微粒子混合樹脂材料を、回折格子形状を有した型によって紫外線硬化させ成形する際、樹脂材料の硬化反応状態が場所によって異なるという現象が生じていた。これはＩＴＯ系微粒子混合樹脂材料の硬化速度の差によるもので、回折格子を形成する樹脂内で硬化している箇所と硬化していない箇所とで密度差が生じ、特に回折格子の格子厚方向において屈折率分布が発生していた。それに伴い、可視波長域全域で所望の高い回折効率が得られなくなるという課題があった。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を鑑み、屈折率分布が発生している回折光学素子において、回折効率の劣化を低減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての回折光学素子は、第１材料から成り第１屈折率分布を有する第１回折格子部と、前記第１材料とは異なる第２材料から成る第２回折格子部と、を含む第１回折格子層と、第３材料から成り前記第１屈折率分布とは異なる第２屈折率分布を有する第３回折格子部と、前記第３材料とは異なる第４材料から成る第４回折格子部と、を含む第２回折格子層と、を備える回折光学素子であって、可視波長域における波長をλ、前記可視波長域における設計波長をλ０、前記第１回折格子部の前記波長λにおける中間屈折率をｎ１ＧＩＡ（λ）、前記第２回折格子部の前記波長λにおける屈折率をｎ２（λ）、前記第３回折格子部の前記波長λにおける中間屈折率をｎ３ＧＩＡ（λ）、前記第４回折格子部の前記波長λにおける屈折率をｎ４（λ）、前記第１回折格子層の前記設計波長λ０、ｍ１次における格子厚をｄ１ｍ１、前記第２回折格子層の前記設計波長λ０、ｍ２次における格子厚をｄ２ｍ２、ｍ＝ｍ１＋ｍ２を満足する前記回折光学素子全体での設計回折次数（ｍ：整数）をｍ、(（（ｎ２（λ）−ｎ１ＧＩＡ（λ））＊ｄ１ｍ１＋（ｎ４（λ）−ｎ３ＧＩＡ（λ））＊ｄ２ｍ２）／（ｍ＊λ）)を満足する関数をφ(λ)、（ｎ３ＧＩＡ（λ）−ｎ１ＧＩＡ（λ））＊（（ｄ１ｍ１＋ｄ２ｍ２）／２）／λを満足する関数をＮＧＬ（λ）、（ｎ２（λ）＋ｎ４（λ））／２−（ｎ１ＧＩＡ（λ）＋ｎ３ＧＩＡ（λ））／２を満足する関数をＮＰＧＡ（λ）、フランホーファ線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線における波長をλｇ、λＦ、λｄ、λＣ、とするとき、以下の条件式を満足することを特徴とする。
【０００８】
【数１】
2015197645.tif 000002
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、屈折率分布が発生している回折光学素子において、回折効率の劣化を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の全実施例に共通した回折光学素子の素子断面簡略図である。
【図２】図２（ａ）は、本発明の実施例１における回折光学素子の設計次数（１次光）回折効率の波長依存特性図である。図２（ｂ）は、本発明の実施例１における回折光学素子の設計次数−１次（０次光）回折効率の波長依存特性図である。図２（ｃ）は、本発明の実施例１における回折光学素子の設計次数＋１次（２次光）回折効率の波長依存特性図である。
【図３】図３（ａ）は、本発明の実施例１における回折光学素子を構成する１つの回折格子内のｄ線での屈折率分布を表す模式鳥瞰図である。図３（ｂ）は、本発明の実施例１における回折光学素子を構成する１つの回折格子内の格子ピッチ中間位置でのｄ線の屈折率分布を表す２次元断面図である。
【図４】図４（ａ）は、本発明の実施例２における回折光学素子を構成する１つの回折格子内のｄ線での屈折率分布を表す模式鳥瞰図である。図４（ｂ）は、本発明の実施例２における回折光学素子を構成する１つの回折格子内の格子ピッチ中間位置でのｄ線の屈折率分布を表す２次元断面図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明の実施例３における回折光学素子を構成する１つの回折格子内のｄ線での屈折率分布を表す模式鳥瞰図である。図５（ｂ）は、本発明の実施例３における回折光学素子を構成する１つの回折格子内の格子ピッチ中間位置でのｄ線の屈折率分布を表す２次元断面図である。
【図６】図６（ａ）は、本発明の実施例２における回折光学素子の設計次数（１次光）回折効率の波長依存特性図である。図６（ｂ）は、本発明の実施例２における回折光学素子の設計次数−１次（０次光）回折効率の波長依存特性図である。図６（ｃ）は、本発明の実施例２における回折光学素子の設計次数＋１次（２次光）回折効率の波長依存特性図である。
【図７】図７（ａ）は、本発明の実施例３における回折光学素子の設計次数（１次光）回折効率の波長依存特性図である。図７（ｂ）は、本発明の実施例３における回折光学素子の設計次数−１次（０次光）回折効率の波長依存特性図である。図７（ｃ）は、本発明の実施例３における回折光学素子の設計次数＋１次（２次光）回折効率の波長依存特性図である。
【図８】本発明の全実施例に共通の回折光学素子の製造方法を示す図である。
【図９】本発明の各実施例に用いるＩＴＯ系微粒子混合材料の材料特性（θgF vs νd）を示す図である。
【図１０】従来比較例１における回折光学素子の素子断面簡略図（密着２層ＤＯＥ、屈折率分布無し）である。
【図１１】従来比較例２における回折光学素子の素子断面簡略図（密着２層ＤＯＥ、屈折率分布有り）である。
【図１２】図１２（ａ）は、従来比較例１における回折光学素子を構成する１つの回折格子内のｄ線での屈折率分布を表す模式鳥瞰図である。図１２（ｂ）は、従来比較例１における回折光学素子を構成する１つの回折格子内の格子ピッチ中間位置でのｄ線の屈折率分布を表す２次元断面図である。
【図１３】図１３（ａ）は、従来比較例２における回折光学素子を構成する１つの回折格子内のｄ線での屈折率分布を表す模式鳥瞰図である。図１３（ｂ）は、従来比較例２における回折光学素子を構成する１つの回折格子内の格子ピッチ中間位置でのｄ線の屈折率分布を表す２次元断面図である。
【図１４】従来比較例１の光学光路長差φ（λ）、φ（λ）/λの波長依存特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の好ましい実施形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、回折作用を有する回折光学素子に関するものである。回折光学素子は、光学系中の屈折面と回折面とでは、ある基準波長の光線に対する分散による偏向方向が逆に発現するという物理現象を利用したものである。また回折光学素子は、その周期的構造の周期を適宜変化させることで、非球面レンズ的な効果を持たせることができるので、色収差以外の諸収差の低減にも効果がある。一般的に、回折光学素子は格子面と格子壁面から構成されるブレーズ構造より成る。このようなブレーズ構造の回折光学素子は、特定の一つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」とも言う）の回折光と特定の波長に対して高い効率で光を回折させることができる。この特定次数の回折効率を、可視波長域全域で十分高く得るため、以下の回折光学素子構成が知られている。例えば、２つの回折格子を密着配置すると共に、各回折格子を構成する材料や回折格子の格子厚を適切に設定する、いわゆる「密着２層ＤＯＥ」と呼ばれる回折光学素子がある。密着２層ＤＯＥによれば、所望の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率を実現することができる。また、複数の回折格子を積層配置すると共に、各回折格子を構成する材料や各回折格子の格子厚を適切に設定する、いわゆる「積層ＤＯＥ」と呼ばれる回折光学素子がある。積層ＤＯＥによれば、所望の次数の回折光に対し、広い波長帯域で高い回折効率を実現することができる。なお、回折効率は全入射光束の光量に対する各回折次数光の光量の割合で表される。
【００１２】
以下では、まず本発明の実施形態を説明する前に、従来の回折光学素子の構成と課題となる内容について従来比較例として説明する。
【００１３】
従来比較例１として、図１０に示した密着２層ＤＯＥについて説明する。図１０より、密着２層ＤＯＥは、基板１４上に第１紫外線硬化樹脂からなる第１回折格子部１６を形成した第１回折格子層１２を有している。また、もう１つの基板１５上に第１紫外線硬化樹脂とは異なる第２紫外線硬化樹脂からなる第２回折格子部１７を形成した第２回折格子層１３を有している。そして、それら第１回折格子層１２および第２回折格子層１３を同じ格子厚ｄで密着させた構成をしている。これら２つの回折格子を合わせて、１つの回折光学素子１１としての働きをなしている。格子の向きは、第１回折格子部１６では、上から下に向かうに連れ格子厚が単調増加する構成を有している。一方、第２回折格子部１７では、第１回折格子部１６とは逆に、上から下に向かうに連れ格子厚が単調減少する構成を有している。また、図１０に示したように入射光を左側から入れると、右斜め下方向に進むのが１次光であり、直進するのが０次光である。具体的な素子構成としては、第１回折格子部１６の材料は、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料（（ｎｄ１,νｄ１）＝（１．６１９,４４．３））である。また、第２回折格子部１７の材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料((ｎｄ２，νｄ２)＝（１．５６７,１９．４）)である。また図１０中の各回折格子部１６、１７の同一の格子厚ｄ＝１１．２２μｍであり、回折効率計算時の格子ピッチＰ＝１００μｍである。
【００１４】
図２に、図１０に示す密着２層ＤＯＥにおける設計次数である１次回折光及び設計次数±１次である０次回折光、２次回折光の回折効率の波長依存特性を一点鎖線で示している。図２において、横軸に波長（ｎｍ）、縦軸に回折効率（％）を示しており、図１０の回折光学素子１に垂直入射（０度入射）させた時の結果を表している。尚、回折効率の計算には、格子壁面付近の光線の振舞いも計算可能な厳密結合波解析（以下ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を用いている。図２で分かるように、設計次数光(１次回折光)の回折効率は使用波長全域で約９８．３％以上のかなり高い回折効率で、不要回折次数光（０、２次回折光）の回折効率も使用波長全域で約０．２８％以下とかなり抑制されている。
【００１５】
ここで、可視波長域全域で高い回折効率を実現できている理由について簡単に説明する。
【００１６】
まず、図１０の回折光学素子１１における回折効率の原理について説明する。
【００１７】
図１０のような２層以上の積層構造を持つ回折光学素子でも、基本的には単層ＤＯＥと同様であり、全層を通して１つの回折光学素子として作用させるためには、以下のようにする。各層を構成する材料の境界に形成された回折格子の山と谷とでの光学光路長差を求め、この光学光路長差を全回折格子に渡って加算したものが、波長の整数倍になるように格子形状等の寸法を決定する。従って、図１０に示した回折光学素子１１において、設計波長がλ０の場合に、ｍ次回折光の回折効率が最大になる条件は下記のようになる。
【００１８】
【数２】
2015197645.tif 000003
【００１９】
ここで、ｎ０１は第１回折格子部１６を形成する材料の波長λ０の光に対する屈折率であり、ｎ０２は第２回折格子部１７を形成する材料の波長λ０の光に対する屈折率である。また、ｄは回折格子部１６（＝１７）の共通の格子厚である。図１０に示す構成において、設計波長λ０以外の波長λでの回折効率η（λ）は下記の式で表すことができる。
【００２０】
【数３】
2015197645.tif 000004
【００２１】
ここで、ｍは回折次数、ｎ１（λ）は第１回折格子部１６を形成する材料の波長λでの屈折率、ｎ２（λ）は第２回折格子部１７を形成する材料の波長λでの屈折率、ｄは第１及び第２回折格子部１６、１７の共通の格子厚である。また、ｓｉｎｃ２（ｘ）＝（ｓｉｎ（ｘ）／ｘ)＾２で表される関数である。
【００２２】
次に、高い回折効率を得るための条件について説明する。
【００２３】
可視波長全域に渡って高い回折効率を得るためには、（ｂ）式で表される値η（λ）が全ての使用波長に対して、１に近づけばよい。言い換えれば、設計次数ｍでの回折効率を高めるには、上記（ｂ）式中のφ（λ）／λがｍに近づけばよいことになる。例えば、設計次数ｍを１次とした際、φ（λ）／λが１に近づけばよいわけである。更に、格子形状から得られる光学光路長差φ（λ）は、上記関係から波長λに比例して線形に変化していく、すなわち（ｃ）式の右辺の項が線形性を有することが必要となってくる。この関係について、従来比較例１（アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子混合した材料とアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料から成る、屈折率分布がなく一様な密着２層ＤＯＥ）で示した結果が、図１４である。図１４にて、縦軸は各回折格子部１６、１７における光学光路長差φ（λ）及びφ（λ）／λであり、横軸が波長を表している。また図１４中において、φ（λ）は実線で、φ（λ）／λは点線で表している。図１４より、φ（λ）は波長に対してほぼ線形に変化し、φ（λ）／λの値は可視波長域全域でほぼ１になっていることが分かる。この特性は、ＩＴＯ微粒子混合材料が有する波長に対する分散特性が極めて線形的であることに起因している。従って、従来比較例１は可視波長域全域で高い回折効率を実現している。
【００２４】
しかし、この高い回折効率を実現するためには、以下の条件を満足することが前提である。すなわち、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料とアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料から成る密着２層ＤＯＥでも、回折光学素子を構成する２つの回折格子内で、屈折率が一様に分布していることが前提である。その様子を模式的に図に示したのが、図１２である。図１２（ａ）は、図１０の第１回折格子部１６と第２回折格子部１７から成る回折光学素子において、１つの格子ピッチを抜き取り、図１０の入射下側（図中左下）から出射上側（図中右上）をみた際の屈折率分布の鳥瞰イメージ図を表している。図１２（ａ）において、横方向（図中中心から左上方向）が規格化された格子ピッチ、奥行き方向（図中中心から右上方向）が規格化された格子厚、高さ方向がｄ線における屈折率を表している。図１０と図１２（ａ）から、図１２（ａ）中の手前の三角柱は第１回折格子部１６を構成するアクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料のｄ線の屈折率分布を表している。一方、第２回折格子部１７を構成するアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料のｄ線の屈折率分布は、手前の三角柱に対応した三角柱になっているが、図１２（ａ）中では隠れて確認することができない。
【００２５】
図１２（ａ）において、横方向の規格化された格子ピッチ０．５の位置で、奥行き方向の規格化された格子厚方向に平行に切り取った２次元断面図が図１２（ｂ）である。図１２（ｂ）で、縦軸がｄ線における屈折率を、横軸が規格化された格子厚を表している。図１２（ｂ）より、横軸の規格化された格子厚０．０〜０．５までは第１回折格子部１６のアクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料のｄ線の屈折率を表している。また、横軸の規格化された格子厚０．５〜１．０までは第２回折格子部１７のアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料のｄ線の屈折率を表している。また、規格化格子厚０．５付近の２つの回折格子の屈折率の段差部が回折面に相当する。図１２より、第１回折格子部１６のＺｒＯ２微粒子混合樹脂材料及び第２回折格子部１７のＩＴＯ微粒子混合樹脂材料のｄ線の屈折率はともに、格子厚方向に一定に同じ値であることが分かる。具体的には、ｄ線の屈折率は、ＺｒＯ２微粒子混合樹脂材料：１．６１９であり、ＩＴＯ微粒子混合樹脂材料：１．５６７である。このことは、各回折格子を形成する各材料が、回折格子内でｄ線において屈折率分布が無いことを意味している。この関係は他の規格化格子ピッチの値においても、また他の可視波長域の屈折率においても同様に成り立っているとする。このような条件下ではじめて、前述及び図２の一点鎖線の回折効率の波長依存特性の結果のように、可視波長域全域で高い回折効率を実現することができる。
【００２６】
しかし、最近までのモノ作りを含めた本発明者達の鋭意検討により、ＩＴＯ系微粒子混合樹脂材料を光硬化させる場合、その硬化速度の差によって、樹脂に屈折率分布が生じ易いことが分かってきている。これは、硬化中の未硬化樹脂の流動により、樹脂の密度に差が生じることに起因しており、特にＩＴＯ系の微粒子が混合した樹脂の場合により顕著に発生する。その理由は、硬化中の未硬化樹脂の流動に伴い、微粒子も流動し微粒子の含有率に差が生じる為であり、硬化の早い部分の微粒子の含有率は低く、硬化の遅い部分の微粒子含有率は高くなる。また、この現象はＩＴＯ系微粒子を混合する樹脂材料の特性にも大いに関係しており、アクリル系樹脂の場合でも発生するが、フッ素系樹脂の場合により顕著に発生することが分かってきている。これは、フッ素系樹脂が他の光硬化性樹脂材料よりも粘度が低く流動性が高いためと考えられている。
【００２７】
この様子を模式的に示した従来比較例２が、図１１と図１３である。図１１は図１０に、図１３（ａ）は図１２（ａ）に、図１３（ｂ）は図１２（ｂ）に各々対応しており、示している内容（図中の番号や記号、座標系の取り方等）は同じである。このとき、前述の通り、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料から第２回折格子部１７ａに屈折率分布が生じる訳であるが、その分布の生じ方は回折格子部１７ａの成形方法や条件に依存している。一般的な光（紫外線）硬化方法を前提として考えると、格子厚方向に屈折率分布が発生する。その時の屈折率分布の具合を、図１３に示した。図１３より、第１回折格子部１６のＺｒＯ２微粒子混合樹脂材料のｄ線の屈折率は、格子厚方向に一定に同じ値１．６１９である。一方、第２回折格子部１７ａのＩＴＯ微粒子混合樹脂材料のｄ線の屈折率は、格子厚方向に連続変化（規格化格子厚０．５（回折面）から１．０に向かって順に１．５６６０から１．５６４５）している。この屈折率分布の値の範囲は、実際の検討を通して得られた予想値であるが、成形方法や条件によって変わるため、他の範囲の値であっても良い。また屈折率分布が連続変化する過程は、規格化格子厚０．５（回折面）から１．０に向かって、図１３（ｂ）では屈折率が大から小に変化しているが、逆の小から大に変化しても良い。
【００２８】
このように、屈折率分布を有したＩＴＯ系微粒子混合材料から成る密着２層ＤＯＥの回折効率の波長依存特性を、図２中に二点鎖線で示した。尚計算条件は、屈折率分布を有さない材料から成る密着２層ＤＯＥの場合と同じ条件である。図２の結果から分かるように、波長にもよるが、屈折率分布を有さない材料から成る密着２層ＤＯＥの回折効率（一点鎖線）よりも、１次回折光で約０．５％、０次回折光で約０．１５％、２次回折光で約０．２％悪化していることが分かる。この計算結果は、格子ピッチＰ＝１００μｍ、０度入射での結果であるので、回折格子に対して角度をつけて入射させた状態で計算を行うと、各次数の回折効率が更に劣化することが容易に想像つく。不図示であるが、例えば、回折格子に対し５度傾けて入射させると、１次回折光は約１．０％、０次回折光は約０．２３％、２次回折光は約０．３８％悪化することが、別途Ｓｉｍで確認されている。この計算結果は、回折面への入射角度に幅を有する光学系、例えば撮影レンズ中の所定のレンズ面に、屈折率分布を有した材料から成る密着２層ＤＯＥを用いると、不要回折次数光の割合が増え、それがフレア光となって結像性能を劣化させることを意味している。
【００２９】
そこで、本発明は、屈折率分布を有したＩＴＯ系微粒子混合材料から成る密着２層ＤＯＥの回折効率劣化を低減すべく考案された回折光学素子の形態に関する提案である。
【００３０】
本発明に係る素子構成は図１に示した通りであり、全実施例に共通した構成になっている。図１から分かるように、簡単な素子構成としては、従来の密着２層ＤＯＥを格子厚方向に対向積層した素子構成（密着４層ＤＯＥ）とみることができる。詳細にみると、基板４上に第１屈折率分布を有したＩＴＯ系微粒子混合材料から成る第１回折格子部６を形成している。一方、別の基板５上に第１屈折率分布とは異なる第２屈折率分布を有したＩＴＯ系微粒子混合材料から成る第３回折格子部９を形成している。そして、第１回折格子部６上にＺｒＯ２系微粒子混合材料から成る第２回折格子部７を、第３回折格子部９上にＺｒＯ２系微粒子混合材料から成る第４回折格子部８を各々密着接合させている。このように、本発明の回折光学素子は、図１に示されるように、光入射側から順に、第１回折格子部６、第２回折格子部７、第４回折格子部８、第３回折格子部９が配置される。また、本発明の回折光学素子は、第１回折格子部６と第２回折格子部７とを密着させて成る第１回折格子層２を含んでいる。また、第３回折格子部９と第４回折格子部８とを密着させて成る第２回折格子層３を含んでいる。このとき、第１回折格子層２と第２回折格子層３は、第２回折格子部７と第４回折格子部８とが近づくよう（後述する素子接合部１０を介して隣接するよう）に配置される。
【００３１】
その際、第１回折格子部６と第２回折格子部７は、可視波長域内の任意の設計波長λ０、ｍ１次での格子厚ｄ１ｍ１、第３回折格子部９と第４回折格子部８は設計波長λ０、ｍ２次での格子厚ｄ２ｍ２で密着接合されている。第１回折格子部６と第２回折格子部７から成る第１回折格子層２と第３回折格子部９と第４回折格子部８から成る第２回折格子層３は、厚さｄｇの素子接合部１０を介して密着接合されている。尚、第２回折格子部７と第４回折格子部８、及び素子接合部１０を構成する材料は、全て同じ材料であっても良いし、所望の回折効率を達成できる材料特性なら異なっていても構わない。以上、これら４つの回折格子部を合わせて、１つの回折光学素子１としての働きをなしている。格子の向きは、第１回折格子部６及び第３回折格子部９は、上から下に向かうに連れ格子厚が単調減少する構成である。一方、第２回折格子部７及び第４回折格子部８は、第１回折格子部６及び第３回折格子部９とは逆に、上から下に向かうに連れ格子厚が単調増加する構成である。また、図１に示したように入射光を左側から入れると、右斜め下方向に進むのが１次光であり、直進するのが０次光である。また第１回折格子層２の格子ピッチＰと第２回折格子層３の格子ピッチ（図中不図示）は等ピッチである。ここで、等ピッチとは、製造誤差のずれなどを含む略等ピッチとみなせる概念である。
【００３２】
具体的な素子構成として、実施例１を例に挙げると、第２回折格子部７と第４回折格子部８及び素子接合部１０を構成する材料は、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料（（ｎｄ,νｄ）＝（１．６１９,４４．３））である。一方、屈折率分布（第１屈折率分布）を有する第１回折格子部６を構成する材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料で、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５６６０〜１．５６４５，１９．４１〜１９．３６））と材料特性に幅がある。同様に、屈折率分布（第２屈折率分布）を有する第３回折格子部９を構成する材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料で、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５６７０〜１．５６８５，１９．４５〜１９．５０））である。また、図１中の各密着回折格子層２、３の格子厚ｄ１ｍ１＝５．６１μｍ、ｄ２ｍ２＝５．６１μｍであり、素子接合部１０の厚さｄｇ＝１μｍ、回折効率計算時の格子ピッチＰ＝１００μｍである。
【００３３】
このように、本発明の回折光学素子１は、図１に示すように、第１回折格子層２と、第２回折格子層３と、該第１回折格子層２と該第２回折格子層３を接合する素子接合部１０を有する。第１回折格子層２は、第１材料（ＩＴＯ系微粒子混合材料）により形成され第１屈折率分布を有する第１回折格子部６と、該第１材料とは異なる第２材料（ＺｒＯ２系微粒子混合材料）により形成される第２回折格子部７と、を有する。第２回折格子層３は、第３材料（ＩＴＯ系微粒子混合材料）により形成され第１屈折率分布とは異なる第２屈折率分布を有する第３回折格子部９と、該第３材料とは異なる第４材料（ＺｒＯ２系微粒子混合材料）により形成される第４回折格子部８と、を有する。なお、本発明の回折光学素子は、例えば、レンズの表面やレンズ系の一部に適用され、少なくとも１つのレンズを有する光学系に設けられる。該光学系は、カメラ（撮像装置）、交換レンズ、双眼鏡、プロジェクターなどの光学機器に適用可能である。
【００３４】
本発明の実施例１の各回折格子内の屈折率分布を、図３に示した。図３の見方は、前述の図１２（ａ）、１３（ａ）及び図１２（ｂ）、１３（ｂ）と同様である。図３（ａ）にて、図中手前の小さな略三角柱は第１回折格子部６を構成するアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料のｄ線における屈折率分布を表しており、格子厚が厚くなるに連れて徐々に屈折率が高くなっていくのが分かる。次に略三角柱の格子厚方向に面した大きな三角柱は、第２回折格子部７と第４回折格子部８及び素子接合部１０を構成するアクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した同一の材料のｄ線における屈折率分布を表している。図３（ａ）より、この部分の屈折率は一様で分布がないことが分かる。最後に、第３回折格子部９を構成する三角柱は、図３（ａ）中では隠れて確認することができない。
【００３５】
図３（ｂ）の規格化格子ピッチ０．５における規格化格子厚方向の２次元断面プロファイルより、規格化格子厚０．０〜０．２２くらいまでは、第１回折格子部６のアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子混合した材料のｄ線の屈折率が表されている。その値は１．５６４５から１．５６６０と単調増加している。続いて規格化格子厚０．２３〜０．７７くらいまでは、第２回折格子部７と第４回折格子部８及び素子接合部１０を構成するアクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料のｄ線の屈折率が表されており、その値は１．６１９で一定である。残りの規格化格子厚０．７８〜１．００までは、第３回折格子部９のアクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子混合した材料のｄ線の屈折率が表されており、その値は１．５６７０から１．５６５３と単調減少している。このような屈折率分布の特性が、異なる格子ピッチ位置及び可視波長域での異なる波長でも同様に成り立っている。
【００３６】
前述の素子構成にした本発明、ここでは本実施例１の回折効率の波長依存特性を図２中に実線で示した。図２を見れば分かるように、１次回折光、０次回折光、２次回折光ともに、屈折率分布を有さない理想の材料構成から成る密着２層ＤＯＥの回折効率と同等以上に、回折効率が可視波長域全域で改善していることが分かる。このように回折効率が改善する理由としては、以下の理由が挙げられる。ここで、第１回折格子部６を構成する材料が第１屈折率分布を有することで発生する第１回折格子層２における光路長ずれを第１の光路長ずれとする。また、第３回折格子部９を構成する材料が第１屈折率分布とは異なる第２屈折率分布を有することで発生する第２回折格子層３における光路長ずれを第２の光路長ずれとする。このとき、第１回折格子層２における第１の光路長ずれを、第２回折格子層３における第２の光路長ずれでキャンセルしているからである。
【００３７】
次に、各条件式について説明する。
【００３８】
まず、本発明の回折光学素子は、前述と図１より、複数の回折格子を格子ピッチ方向に並べた回折格子部を格子厚方向に４層積層した構成であり、少なくとも３つの異なる材料から成っている。内２つの回折格子部（第１回折格子部６及び第３回折格子部９）を構成する材料の屈折率は、格子厚方向に連続変化する屈折率分布を有しており、その材料特性を次のように定義する。
【００３９】
格子厚方向に屈折率分布を有している第１回折格子部において、波長λにおける屈折率の最大値をｎ１ｇｉ＿ｍａｘ（λ）とし、波長λにおける屈折率の最小値をｎ１ｇｉ＿ｍｉｎ（λ）とする。このとき、ｎ１ＧＩＡ（λ）＝（ｎ１ｇｉ＿ｍａｘ（λ）＋ｎ１ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））／２を満足する関数を第１回折格子部の中間屈折率とする。同様の定義で、第３回折格子部の中間屈折率をｎ３ＧＩＡ（λ）とする。次に残りの２つの回折格子部（第２回折格子部７及び第４回折格子部８）は、格子厚方向に一様の屈折率で分布を有さないので、その構成する材料の波長λにおける屈折率をｎ２（λ）、ｎ４（λ）とする。その際、屈折率分布を有した材料から成る各回折格子部と残りの材料から成る各回折格子部が互いに密着接合し、その接合面に回折面を設けているのは、前述した通りである。
【００４０】
その構成としては、ｎ１ＧＩＡ（λ）から成る第１回折格子部６とｎ２（λ）から成る第２回折格子部７が互いの回折面で、設計波長λ０、ｍ１次における格子厚ｄ１ｍ１で密着接合され、第１回折格子層２を形成している。同様の構成で、ｎ３ＧＩＡ（λ）から成る第３回折格子部９とｎ４（λ）から成る第４回折格子部８が、設計波長λ０、ｍ２次における格子厚ｄ２ｍ２で密着接合され、第２回折格子層３を形成している。そして、素子接合部１０が第２回折格子部７と第４回折格子部８を結合することで、第１回折格子層２及び第２回折格子層３が素子接合部１０を介して密着接合され、１つの回折光学素子１としての機能を果たしている。
【００４１】
以上のような素子構成を有した回折光学素子が、フランホーファ線のｇ線、Ｆ線、ｄ線、Ｃ線における波長をλｇ、λＦ、λｄ、λＣとした際、まずは下記の条件式（１）を満足する。
【００４２】
λを可視波長域における任意の波長とする。ｍをｍ＝ｍ１＋ｍ２を満足する回折光学素子全体での設計回折次数（ｍ：整数）とする。φ(λ)をφ(λ)＝（（（ｎ２（λ）−ｎ１ＧＩＡ（λ））＊ｄ１ｍ１＋（ｎ４（λ）−ｎ３ＧＩＡ（λ））＊ｄ２ｍ２）／（ｍ＊λ))を満足する関数とする。そのとき、条件式（１）は下記の通りである。
【００４３】
【数４】
2015197645.tif 000005
【００４４】
条件式（１）は、可視波長域全域で設計次数ｍ次の回折次数光が、高い回折効率を得るための、回折光学素子全体における光路長差を規定する条件式である。条件式（１）の範囲外にあると、設計次数ｍ次の回折次数光が、可視波長全域で所望の高い回折効率を得られなくなり、設計次数以外の本来不要な回折次数光の割合が増えることになる。この不要な回折次数光が増えると、本発明の回折光学素子を例えば撮影レンズに用いた場合、フレアとなって結像性能を悪化させることになるので、好ましくない。更に下記の範囲にあることが、フレアを低減し設計次数の回折効率を高めることができるので、好ましい。
【００４５】
【数５】
2015197645.tif 000006
【００４６】
次に、条件式（１）を満足した上で、下記の条件式（２）を満足することが、本発明の回折光学素子の、特に屈折率分布を有する材料から成る回折格子部を、所望の条件で得るために必要となる。ＮＧＬ（λ）をＮＧＬ（λ）＝（ｎ３ＧＩＡ（λ）−ｎ１ＧＩＡ（λ））＊（（ｄ１ｍ１＋ｄ２ｍ２）／２）／λを満足する関数とした際、条件式（２）は下記の通りである。
【００４７】
【数６】
2015197645.tif 000007
【００４８】
条件式（２）は、屈折率分布を有する材料から成る第１、第３回折格子部の、可視波長域における光路長の関係を、各回折格子部の中間屈折率を用いて規定した条件式である。条件式（２）の上限値を超えると、第１回折格子部を有した第１回折格子層と第３回折格子部を有した第２回折格子層の光路長差が大きくなり過ぎる。それに伴い、第１回折格子層で生じた光路長ずれを、第２回折格子層で生じる光路長ずれでキャンセルしきれなくなり、設計次数ｍ次の回折効率が可視波長域で悪化するので、好ましくない。一方、条件式（２）の下限値を超えると、第１回折格子部を有した第１回折格子層と第３回折格子部を有した第２回折格子層の光路長差が小さくなり過ぎる。それに伴い、第１回折格子層で生じた光路長ずれを、第２回折格子層で生じる光路長ずれで更に強めてしまう方向にあるので、設計次数ｍ次の回折効率が可視波長域で更に悪化するので、好ましくない。更に下記の範囲にあることが、第１回折格子層で生じた光路長ずれを、第２回折格子層で生じる光路長ずれでキャンセルさせる観点から、好ましい。
【００４９】
【数７】
2015197645.tif 000008
【００５０】
次に、条件式（１）、（２）を満足した上で、下記の条件式（３）を満足することが、本発明の回折光学素子を１つの回折光学素子として成り立たせる上で必要となる。ＮＰＧＡ（λ）をＮＰＧＡ（λ）＝（ｎ２（λ）＋ｎ４（λ））／２−（ｎ１ＧＩＡ（λ）＋ｎ３ＧＩＡ（λ））／２を満足する関数とした際、条件式（３）は下記の通りである。  
【００５１】
【数８】
2015197645.tif 000009
【００５２】
条件式（３）は、本発明の回折光学素子を第１から第４回折格子部から成る密着型回折光学素子として成り立たせる為の、各回折格子部の可視波長域における屈折率の関係を規定する条件式である。条件式（３）の上限値を超えると、屈折率分布を有した材料から成る第１、第３回折格子部と残りの第２、第４回折格子部の屈折率差が大きくなり過ぎ、可視波長域内で設計次数ｍ次光が所望の高い回折効率が得られなくなるので、好ましくない。一方、条件式（３）の下限値を超えると、第１、第３回折格子部と残りの第２、第４回折格子部の屈折率差が小さくなり過ぎてしまう。したがって、可視波長域内で所望の回折効率が得るためには、各格子厚を厚くしなければならなく、それに伴う回折効率の斜入射劣化の観点から、好ましくない。更に下記の範囲にあることが、回折光学素子全体の性能を向上させる上で好ましい。
【００５３】
【数９】
2015197645.tif 000010
【００５４】
本発明によれば、所望の屈折率分布を有したＩＴＯをはじめとした微粒子混合材料から成る２つの密着回折格子層を、適切な条件で格子厚方向に積層した素子構成にしている。そうすることで、従来課題になっていた屈折率分布による回折効率劣化を低減することができる。
【００５５】
次に、条件式（１）から（３）を満足した上で、本発明の回折光学素子の回折効率を可視波長域で更に高くするためには、屈折率分布を有した材料から成る第１回折格子部と第３回折格子部が、下記の条件式（４）を満足することが必要である。Ｎ１３ＧＤ（λ）をＮ１３ＧＤ（λ）＝（（ｎ１ｇｉ＿ｍａｘ（λ）−ｎ１ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））＊ｄ１ｍ１)／（（ｎ３ｇｉ＿ｍａｘ（λ）−ｎ３ｇｉ＿ｍｉｎ（λ））＊ｄ２ｍ２）を満足する関数とした際、条件式（４）は下記の通りである。
【００５６】
【数１０】
2015197645.tif 000011
【００５７】
条件式（４）は、屈折率分布を有した材料から成る第１回折格子部と第３回折格子部の可視波長域内の屈折率分布のバラツキ具合の割合を規定する条件式である。条件式（４）の上限値を超えると、第１回折格子部の屈折率分布のバラツキ具合が第３回折格子部の屈折率分布のバラツキ具合よりも大きくなり過ぎる。それに伴い、第１回折格子部を有した第１回折格子層における光路長ずれを、第３回折格子部を有した第２回折格子層における光路長ずれでキャンセルしきれなくなるので、好ましくない。一方、条件式（４）の下限値を超えると、第３回折格子部の屈折率分布のバラツキ具合が第１回折格子部の屈折率分布のバラツキ具合よりも大きくなり過ぎる。それに伴い、第３回折格子部を有した第２回折格子層における光路長ずれでのキャンセル補正量が、第１回折格子部を有した第１回折格子層における光路長ずれに対して過剰になり過ぎるので、好ましくない。更に下記の範囲にあることが、第１回折格子部と第３回折格子部での光路長ずれのキャンセル関係上好ましい。
【００５８】
【数１１】
2015197645.tif 000012
【００５９】
尚、第１回折格子部及び第３回折格子部の屈折率分布の状態は、条件式（２）、（４）を満足しながら、回折光学素子の格子厚方向において、光入射側から射出側に向けて単調増加若しくは単調減少していることが望ましい。
【００６０】
次に、第１回折格子部及び第３回折格子部を構成する材料は、下記の条件式（５）から（９）を満足することが必要である。ここで、ν１ＧＩＡｄをν１ＧＩＡｄ＝（ｎ１ＧＩＡ（λｄ）−１）／（ｎ１ＧＩＡ（λＦ）−ｎ１ＧＩＡ（λＣ））を満足するアッベ数とする。また、ν３ＧＩＡｄをν３ＧＩＡｄ＝（ｎ３ＧＩＡ（λｄ）−１）／（ｎ３ＧＩＡ（λＦ）−ｎ３ＧＩＡ（λＣ））を満足するアッベ数とする。他のパラメータとしては、θ１ＧＩＡｇＦを第１回折格子部を形成する材料でθ１ＧＩＡｇＦ=（ｎ１ＧＩＡ（λｇ）−ｎ１ＧＩＡ（λＦ））／（ｎ１ＧＩＡ（λＦ）−ｎ１ＧＩＡ（λＣ））を満足する部分分散比とする。また、Δθ１ＧＩＡｇＦを下式で表される異常部分分散比とする。すなわち、Δθ１ＧＩＡｇＦ＝θ１ＧＩＡｇＦ−（−１．６６５×１０−７×ν１ＧＩＡｄ３＋５．２１３×１０−５×ν１ＧＩＡｄ２−５．６５６×１０−３×ν１ＧＩＡｄ＋０．７２７８）とする。同様に、θ３ＧＩＡｇＦは第３回折格子部を形成する材料でθ３ＧＩＡｇＦ=（ｎ３ＧＩＡ（λｇ）−ｎ３ＧＩＡ（λＦ））／（ｎ３ＧＩＡ（λＦ）−ｎ３ＧＩＡ（λＣ））を満足する部分分散比とする。また、Δθ３ＧＩＡｇＦを下式で表される異常部分分散比とする。すなわち、Δθ３ＧＩＡｇＦ＝θ３ＧＩＡｇＦ−（−１．６６５×１０−７×ν３ＧＩＡｄ３＋５．２１３×１０−５×ν３ＧＩＡｄ２−５．６５６×１０−３×ν３ＧＩＡｄ＋０．７２７８）とする。
【００６１】
条件式（５）から（８）は下記の通りである。
【００６２】
【数１２】
2015197645.tif 000013
【００６３】
条件式（５）、（６）は屈折率分布を有した材料から成る第１回折格子部の中間屈折率について、前述で定義されるアッベ数及びｇ線、Ｆ線の部分分散比の範囲を規定する条件式である。同様に、条件式（７）、（８）は屈折率分布を有した材料から成る第３回折格子部の中間屈折率について、前述で定義されるアッベ数及びｇ線、Ｆ線の部分分散比の範囲を規定する条件式である。この関係を分かり易くするために、図９にその関係図を示す。図９において、横軸はアッベ数νｄ、縦軸はθｇＦを表している。同図中に一般硝子の分布と−１．６６５×１０−７×νｄ３＋５．２１３×１０−５×νｄ２−５．６５６×１０−３×νｄ＋０．７２７８を満足する曲線、第１、第３回折格子部の中間屈折率の各実施例における値を示している。図９中にて、丸印は実施例１の第１回折格子部の材料、三角印は実施例１の第３回折格子部の材料、バツ印は実施例２の第１回折格子部の材料、菱形印は実施例２の第３回折格子部の材料を各々表している。尚実施例３については、実施例１とほぼ同じ位置にある。図９より、本発明の第１、第３回折格子部に用いる材料は、一般の硝子のθｇＦ特性とは異なり、一般の硝子のθｇＦ特性を表している曲線上にはなく、下に離れた位置にあることが分かる。この特性を有することで、特に可視波長域における短波長側の屈折率の波長特性に直線性が得られ、前述の従来の回折光学素子の原理で説明した部分（図１４の解説部分）より、この材料を用いることで、可視波長域全域で高い回折効率が得られる。
【００６４】
条件式（５）から（８）の条件式の範囲を超えると、回折光学素子全体として可視波長全域で高い回折効率を得るための、第１、３回折格子部の材料特性、特に短波長側の屈折率波長特性の直線性が得られなくなるので、好ましくない。更に好ましくは、下記の範囲内にあることである。
【００６５】
【数１３】
2015197645.tif 000014
【００６６】
上記条件式（５）から（８）を満足した上で、下記の条件式（９）を満足することが、回折光学素子全体での回折効率の向上の為、好ましい。
【００６７】
【数１４】
2015197645.tif 000015
【００６８】
条件式（９）は、第１回折格子部と第３回折格子部の中間屈折率における各アッベ数の関係を規定する条件式である。条件式（９）の上限値を超えると、第１回折格子部と第３回折格子部の中間屈折率におけるアッベ数の差が大きくなり過ぎる。それに伴い、第１回折格子部を有する第１回折格子層の光路長ずれに対する第３回折格子部を有する第２回折格子層の光路長ずれの補正量が、特に短波長側で過剰になり過ぎ短波長の回折効率がかえって悪化するので、好ましくない。条件式（９）の下限値を超えると、第１回折格子部と第３回折格子部の中間屈折率におけるアッベ数の差が小さくなり過ぎる。それに伴い、第１回折格子部を有する第１回折格子層の光路長ずれに対し、第３回折格子部を有する第２回折格子層の光路長ずれの補正量が不足し、可視波長域全域で回折効率が悪化するので、好ましくない。更に下記の条件式の範囲内にあれば、可視波長域全域において、第１回折格子層の光路長ずれを第２回折格子層の光路長ずれで、良好にキャンセルできるようになるので、好ましい。
【００６９】
【数１５】
2015197645.tif 000016
【００７０】
尚、第１回折格子部及び第３回折格子部を構成する材料は、前述の通りＩＴＯ微粒子にアクリル系、又はフッ素系樹脂を混合した材料であるとしたが、所望の材料特性が得られればこれらに限るものでない。例えば、他にＴｉ、Ｎｒ、Ｃｒ及びその酸化物のうち少なくとも１つ（複合物、混合物）の無機微粒子をアクリル系、フッ素系等の樹脂に混合した材料であっても良い。
【００７１】
更に、第２回折格子部、第４回折格子部及び素子接合部を構成する材料は、前述ではＺｒＯ２微粒子にアクリル系樹脂を混合した材料であるとしたが、所望の材料特性が得られればこれに限るものでない。例えば、他にＡｌ、Ｙ及びその酸化物のうち少なくとも１つ（複合物、混合物）の無機微粒子をアクリル系樹脂に混合した材料であっても良い。また第２回折格子部と第４回折格子部及び素子接合部を構成する材料は同じ材料で構成されていなくても、本発明が期待する効果が得られれば、異なる材料であっても良い。
【００７２】
次に、第１回折格子層と第２回折格子層を接合する素子接合部について、回折光学素子の格子厚方向への厚さをｄｇとした際、下記の条件式（１０）を満足することが必要である。
【００７３】
【数１６】
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【００７４】
条件式（１０）は、回折光学素子の格子厚方向における素子接合部の厚さと第１、第２回折格子層の格子厚の和の割合を規定する条件式である。条件式（１０）の上限値を超えると、第１、第２回折格子層の格子厚の和に対して素子接合部の厚さが厚くなり過ぎ、回折光学素子全体での回折効率、特に斜入射時の回折効率が劣化するので、好ましくない。一方、条件式（１０）の下限値を超えると、第１、第２回折格子層の格子厚の和に対して素子接合部の厚さが薄くなり過ぎ、本発明の回折光学素子を作製するのが困難になるので、好ましくない。更に下記の範囲にあることが、回折光学素子の性能及び作製上向上するので好ましい。
【００７５】
【数１７】
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【００７６】
最後に、本発明に共通する回折光学素子を製造するための加工工程について説明する。
【００７７】
説明を分かり易くする為に、図８を用いて説明する。まず図８（ａ）において、第１回折格子部６は、第１回折格子部６を構成する第１材料を基板４上に所望の回折格子形状を有した型２０を用いて、光源２１により紫外線硬化して成形する。同様に、図８（ｂ）より、第３回折格子部９は、第３回折格子部９を構成する第３材料を基板５上に所望の回折格子形状を有した型２２を用いて、光源２１により紫外線硬化して成形する。この時、図８（ａ）、（ｂ）は図中基板４、５側から照射しているが、所望の形状が得られればこれに限るものでない。次に図８（ｃ）より、成形された第１回折格子部６上に第２回折格子部７を構成する第２材料を滴下し、型２０とは異なる型２３で押印成形することで、第１回折格子層２を成形する。同様に、図８（ｄ）より、成形された第３回折格子部９上に第４回折格子部８を構成する第４材料を滴下し、型２２とは異なる型２４で押印成形することで、第２回折格子層３を成形する。この時、図８（ｃ）、（ｄ）は図中基板４、５側から照射しているが、前述と同様に所望の形状が得られればこれに限るものでない。図８（ｅ）より、第１回折格子層２と第２回折格子層３の間に、素子接合部１０を構成する材料を滴下し、型２５で押印成形することで、密着接合する。この時、図８（ｅ）に示したように、光源２１より紫外線照射で全体を固めるが、照射する方向は同じ効果が得られれば、図８（ｅ）に示した方向とは限らない。図８（ａ）から（ｅ）の過程を踏むことで、図８（ｆ）のように本発明に係る回折光学素子１を製造することが可能である。
【００７８】
前述に、本発明に係る回折光学素子の製造方法を説明したが、これは一例であり、同じ働きをする回折光学素子が得られれば、これに限るものではない。
【００７９】
前述の説明内容を踏まえて、下記の各実施例について説明する。
【実施例１】
【００８０】
前述の通り、本発明の全ての実施例で共通の素子構成は、図１に示した通りである。具体的な素子構成としては、図１より、第２回折格子部７と第４回折格子部８及び素子接合部１０を構成する材料は、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料（（ｎｄ，νｄ）＝（１．６１９，４４．３））である。一方、屈折率分布を有する第１回折格子部６を構成する材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料である。そして、図１中第１回折格子部６から第２回折格子部７に向かって、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５６４５〜１．５６６０，１９．３６〜１９．４１））と材料特性に分布を持っている。同様に屈折率分布を有する第３回折格子部９を構成する材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料である。そして、図１中第４回折格子部８から第３回折格子部９に向かって、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５６８５〜１．５６７０，１９．５０〜１９．４５））と材料特性に分布を持っている。その時の各回折格子内のｄ線における屈折率分布は、図３に示した通りである。このような屈折率分布の特性は、不図示ではあるが、異なる格子ピッチ位置及び可視波長域での異なる波長でも同様に成り立っている。また図１中の各回折格子層２、３の格子厚ｄ１ｍ１＝５．６１μｍ、ｄ２ｍ２＝５．６１μｍであり、素子接合部１０の厚さｄｇ＝１μｍ、回折効率計算時の格子ピッチＰ＝１００μｍである。
【００８１】
また本実施例１の素子構成にした場合の回折効率の波長依存特性を、図２中に実線で示した。図２を見れば分かるように、１次回折光、０次回折光、２次回折光ともに屈折率分布を有さない理想の材料構成から成る密着２層ＤＯＥの回折効率と同等以上に改善していることが分かる。このように回折効率が改善する理由としては、第１回折格子部６を構成する材料を有する第１回折格子層２における光路長ずれを、第３回折格子部９を有する第２回折格子層３での光路長ずれでキャンセルしているからである。
【実施例２】
【００８２】
次に、実施例２の具体的な素子構成としては、図１より、第２回折格子部７と第４回折格子部８及び素子接合部１０を構成する材料は、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５５２，４９．１））である。一方、屈折率分布を有する第１回折格子部６を構成する材料は、フッ素系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料である。そして、図１中第１の第１回折格子部６から第２回折格子部７に向かって、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．４９３７〜１．４９４７，１８．６０〜１８．６４））と材料特性に分布を持っている。同様に屈折率分布を有する第３回折格子部９を構成する材料は、フッ素系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料である。そして、図１中第４回折格子部８から第３回折格子部９に向かって、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．４９５７〜１．４９７２，１８．６８〜１８．７３））と材料特性に分布を持っている。その時の各回折格子内のｄ線における屈折率分布は、図４に示した通りであり、実施例１と異なる箇所は、用いている材料の組合せと第１回折格子部及び第３回折格子部ともに、格子厚が厚くなる方向に屈折率が単調増加していることである。このような屈折率分布の特性は、不図示ではあるが、異なる格子ピッチ位置及び可視波長域での異なる波長でも同様に成り立っている。また図１中の各回折格子層２、３の格子厚ｄ１ｍ１＝５．１１μｍ、ｄ２ｍ２＝５．１１μｍであり、素子接合部１０の厚さｄｇ＝０．５μｍ、回折効率計算時の格子ピッチＰ＝１００μｍである。
【００８３】
また本実施例２の素子構成にした場合の回折効率の波長依存特性を、図６中に実線で示した。図６を見れば分かるように、１次回折光、０次回折光、２次回折光ともに屈折率分布を有さない理想の材料構成から成る密着２層ＤＯＥの回折効率と同等以上に改善していることが分かる。
【実施例３】
【００８４】
最後に、実施例３の具体的な素子構成としては、使用する材料については実施例１と基本的に同じであるが、第１回折格子部と第３回折格子部の屈折率分布のさせ方が異なる。図１より、第２回折格子部７と第４回折格子部８及び素子接合部１０を構成する材料は、実施例１と同様に、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合した材料（（ｎｄ，νｄ）＝（１．６１９，４４．３））である。一方、屈折率分布を有する第１回折格子部６を構成する材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料である。そして、図１中第１回折格子部６から第２回折格子部７に向かって、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５６４５〜１．５６５５，１９．３６〜１９．４０））と材料特性に分布を持っている。同様に屈折率分布を有する第３回折格子部９を構成する材料は、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合した材料である。そして、図１中第４回折格子部８から第３回折格子部９に向かって、（（ｎｄ，νｄ）＝（１．５６７５〜１．５６７０，１９．４６〜１９．４５））と材料特性に分布を持っている。その時の各回折格子内のｄ線における屈折率分布は、図５に示した通りであり、屈折率分布を有している領域の割合が、実施例１とは異なる。このような屈折率分布の特性は、不図示ではあるが、異なる格子ピッチ位置及び可視波長域での異なる波長でも同様に成り立っている。また図１中の各回折格子層２、３の格子厚ｄ１ｍ１＝３．６７μｍ、ｄ２ｍ２＝７．３３μｍであり、素子接合部１０の厚さｄｇ＝０．５μｍ、回折効率計算時の格子ピッチＰ＝１００μｍである。
【００８５】
また本実施例３の素子構成にした場合の回折効率の波長依存特性を、図７中に実線で示した。図７を見れば分かるように、１次回折光、０次回折光、２次回折光ともに屈折率分布を有さない理想の材料構成から成る密着２層ＤＯＥの回折効率と同等以上に改善していることが分かる。
【００８６】
下記に、各実施例における各条件式の値を表１に示す。
【００８７】
【表１】
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【００８８】
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形態に限定されず、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】
【００８９】
１：回折光学素子
２：第１回折格子層
３：第２回折格子層
６：第１回折格子部
７：第２回折格子部
８：第４回折格子部
９：第３回折格子部
【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】
2015197645.tif 000029
【図６】
2015197645.tif 000030
【図７】
2015197645.tif 000031
【図８】
2015197645.tif 000032
【図９】
2015197645.tif 000033
【図１０】
2015197645.tif 000034
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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