(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所望の回折効果を生じるレリーフパターンが形成された第１の光学素子要素と、
前記第１の光学素子要素の前記レリーフパターンが形成された面上に接合された第２の光学素子要素と、
前記第２の光学素子要素の前記第１の光学素子要素と接合した面と対向する面上に接合された第３の光学素子要素とを有して構成され、
前記第１と第２の光学素子要素は、相対的に高屈折率低分散な材料と低屈折率高分散な材料から構成され、
前記第１の光学素子要素の前記レリーフパターンが形成された面と対向する面上に接合された第４の光学素子要素を有し、
前記第１及び第２の光学素子要素を構成する光学材料は、紫外線硬化樹脂であり、
前記第３及び第４の光学素子要素を構成する光学材料は、少なくとも一方が紫外線を透過する材料であり、
前記レリーフパターンの最小ピッチをＰとし、本回折光学素子の焦点距離をｆとしたとき、次式
０．００００１＜Ｐ／ｆ＜０．０３
を満足することを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記レリーフパターンを通過した光束の回折後の波面の最も位相が進んだ部分と最も位相が遅れた部分の光軸方向での光学的長さの差をＬとし、前記レリーフパターンの射出側に位置する第１又は第２の光学素子要素の一方の厚さをｄｘとしたとき、次式
Ｌ＜ｄｘ
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】
前記第１の光学素子要素の光軸上の厚さをｄ３とし、前記第２の光学素子要素の光軸上の厚さをｄ４とし、前記第１，第２，第３及び第４の光学素子要素の光軸上の厚さの和をｄとしたとき、次式
（ｄ３＋ｄ４）／ｄ＜０．５
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。
【請求項４】
前記第３の光学素子要素の焦点距離をｆ１とし、前記第４の光学素子要素の焦点距離をｆ２とし、前記レリーフパターンの屈折力の逆数（焦点距離）をｆｄとしたとき、次式
１．０＜ｆｄ／（ｆ１・ｆ２）１／２＜２０．０
を満足することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記第１の光学素子要素のｄ線での屈折率をｎｄ３とし、前記第２の光学素子要素のｄ線での屈折率をｎｄ４とし、前記第１の光学素子要素のｄ線でのアッベ数をνｄ３とし、前記第２の光学素子要素のｄ線でのアッベ数をνｄ４としたとき、次式
０．０３＜｜｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝／（ｎｄ３−ｎｄ４）｜＜３．０
を満足することを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第３の光学素子要素の光学材料の屈折率は、
前記第１の光学素子要素の光学材料の屈折率よりも、前記第２の光学素子要素の光学材料に近い屈折率を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第３及び前記第４の光学素子要素を構成する光学材料は、樹脂であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第３又は前記第４の光学素子要素は、どちらも同じ樹脂材料からなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第３および前記第４の光学素子要素は、外界との界面となる面に正の屈折力を有した曲面形状を有する屈折レンズであることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
最も物体側の面及び最も像側の面はそれぞれ所定の曲率を有し、
これら以外の面は光軸に対して直角な平面を有し、
前記レリーフパターンは光軸に対して直角な平面状に形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
虚像を形成する接眼光学系において、請求項１〜１０に記載の回折光学素子を具備した接眼光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子に関し、特に、小型軽量且つ高性能である観察光学系や撮影光学系に用いる回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、観察者の頭部（顔面を含む）に装着して使用する画像表示装置や、携帯電話に搭載する小型カメラ等に用いる光学系では、その用途より、より小型で軽量な構成であることが求められている。また、高画質への要求により撮像素子の高画素化が進み、レンズの性能への要求も厳しくなってきている。このような要求を達成するひとつの手段として、回折光学素子を用いることが知られている。
もともと回折格子は、微小間隔（約１ｍｍ）当たり、数百本程度の細い等間隔のスリット状もしくは溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、光が入射されると、スリットや溝のピッチ（間隔）と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせる性質を有している。このような回折格子は分光器などに用いられており、本発明は、このような回折格子と同等の作用を有する光学素子を、観察光学系や撮影光学系に応用しようというものである。
このような回折光学素子においては、近年、複層型と呼ばれる回折光学素子が提案されている。このタイプの回折光学素子は、鋸歯状に形成されたレリーフパターンを持つ複数の回折素子要素を積み重ねてなるものであり、所望の広波長域（例えば、可視光領域）のほぼ全域で高い回折効率を保つことができる、すなわち波長特性が良好であるという特徴を有している。一般に、複層型の回折光学素子として、例えば、互いに異なる材料である２種類の回折素子要素から構成されて同一のレリーフパターンで密着している、いわゆる密着複層型の回折光学素子が知られている（例えば、特開平９−１２７３２１号公報を参照）。
その製造方法は、レリーフパターンが形成されたガラス基板の上面に、ディスペンサを使用して、紫外線硬化樹脂を滴下する。そして、第３の金型とガラス基板で、この紫外線硬化樹脂層を挟んだ後、ガラス基板を通して紫外線硬化樹脂層に紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂を硬化させる。そして、第３の金型から剥離すると、ガラス基板と紫外線硬化樹脂層とからなり、その境界面にレリーフパターンが形成された回折光学素子が完成する。
しかしながら、金型はその表面はフラットであるにも係らず、この表面に接していた紫外線硬化樹脂層の表面に、微小な凹凸が形成される場合があった。このような凹凸が紫外線硬化樹脂層の表面に発生すると、回折光学素子の光学特性に影響を与えるという問題があった。
【発明の開示】
【０００３】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、製造が容易で量産性に優れ、且つ、光学特性に良好な回折光学素子を提供することを目的とする。
本発明の回折光学素子は、所望の回折効果を生じるレリーフパターンが形成された第１の光学素子要素と、前記第１の光学素子要素の前記レリーフパターンが形成された面上に接合された第２の光学素子要素と、前記第２の光学素子要素の前記第１の光学素子要素と接合した面と対向する面上に接合された第３の光学素子要素とを有して構成され、前記第１と第２の光学素子要素は、相対的に高屈折率低分散な材料と低屈折率高分散な材料から構成され、前記第１の光学素子要素の前記レリーフパターンが形成された面と対向する面上に接合された第４の光学素子要素を有し、前記第１及び第２の光学素子要素を構成する光学材料は、紫外線硬化樹脂であり、前記第３及び第４の光学素子要素を構成する光学材料は、少なくとも一方が紫外線を透過する材料であり、前記レリーフパターンの最小ピッチをＰとし、本回折光学素子の焦点距離をｆとしたとき、式
０．００００１＜Ｐ／ｆ＜０．０３
を満足して構成される。
なお、本発明は、前記レリーフパターンを通過した光束の回折後の波面の最も位相が進んだ部分と最も位相が遅れた部分の光軸方向での光学的長さの差をＬとし、前記レリーフパターンの射出側に位置する第１又は第２の光学素子要素の一方の厚さをｄｘとしたとき、式
Ｌ＜ｄｘ
を満足して構成されることが好ましい。
また、本発明は、前記第１の光学素子要素の光軸上の厚さをｄ３とし、前記第２の光学素子要素の光軸上の厚さをｄ４とし、前記第１，第２，第３及び第４の光学素子要素の光軸上の厚さの和をｄとしたとき、式
（ｄ３＋ｄ４）／ｄ＜０．５
を満足して構成されることが好ましい。
また、本発明は、前記第３の光学素子要素の焦点距離をｆ１とし、前記第４の光学素子要素の焦点距離をｆ２とし、前記レリーフパターンの屈折力の逆数（焦点距離）をｆｄとしたとき、式
１．０＜ｆｄ／（ｆ１・ｆ２）１／２＜２０．０
を満足することが好ましい。
また、本発明は、前記第１の光学素子要素のｄ線での屈折率をｎｄ３とし、前記第２の光学素子要素のｄ線での屈折率をｎｄ４とし、前記第１の光学素子要素のｄ線でのアッベ数をνｄ３とし、前記第２の光学素子要素のｄ線でのアッベ数をνｄ４としたとき、次式
０．０３＜｜｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝／（ｎｄ３−ｎｄ４）｜＜３．０
を満足することが好ましい。
また、本発明は、前記第３の光学素子要素の光学材料の屈折率は、前記第１の光学素子要素の光学材料の屈折率よりも、前記第２の光学素子要素の光学材料に近い屈折率を有することが好ましい。
また、本発明は、前記第３及び前記第４の光学素子要素を構成する光学材料は、樹脂であることが好ましい。
また、本発明は、前記第３又は前記第４の光学素子要素は、どちらも同じ樹脂材料からなることが好ましい。
また、本発明は、前記第３および前記第４の光学素子要素は、外界との界面となる面に正の屈折力を有した曲面形状を有する屈折レンズであることが好ましい。
また、本発明は、物体側の面及び最も像側の面はそれぞれ所定の曲率を有し、これら以外の面は光軸に対して直角な平面を有し、前記レリーフパターンは光軸に対して直角な平面状に形成されていることが好ましい。
さらに、本発明の接眼光学系は、虚像を形成する接眼光学系であり、上述の回折光学素子を具備して構成される。
本発明によれば、小型軽量且つ高性能な観察光学系や撮影光学系に用いるのに好適な、特に色収差補正や結像性能が良好で、製造加工が容易で生産コストを抑制できる回折光学素子を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
図１は、複層型回折光学素子の模式断面図であり、図１（ａ）は非密着複層型の回折光学素子の模式断面図、図１（ｂ）は密着複層型の回折光学素子の模式断面図である。
図２は、本発明に係る回折光学素子の模式断面図である。
図３は、本発明に係る回折光学素子の製造手順を（ａ）から（ｈ）の順で示す図である。
図４は、本発明に係る回折光学素子を用いた第１実施例の光学系の断面図である。
図５は、第１実施例における回折光学素子の各波長に対する回折効率を示す図である。
図６は、第１実施例の光学系の諸収差図である。
図７は、本発明に係る回折光学素子を用いた第２実施例の光学系の断面図である。
図８は、第２実施例における回折光学素子の各波長に対する回折効率を示す図である。
図９は、第２実施例の光学系の諸収差図である。
図１０は、本発明に係る回折光学素子を用いた第３実施例の光学系の断面図である。
図１１は、第３実施例における回折光学素子の各波長に対する回折効率を示す図である。
図１２は、第３実施例の光学系の諸収差図である。
図１３は、回折光学素子を用いたヘッドマウントディスプレイの概略構成図である。
図１４は、図１３のヘッドマウントディスプレイの表示部に具備された光学部品の概略配置図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
従来より、例えば光ディスク用のピックアップ用レンズなど、屈折光学系や反射光学系では達し得ない高性能化・小型化などを目指し、光学系に回折光学面を組み込む試みが種々行われてきた。
ここで、回折光学面及び回折光学素子について説明する。一般に、光線を曲げる方法として、屈折，反射及び回折の３種類が知られている。回折光学面とは、このような光の回折作用を行う光学面である。また、回折光学素子とは、このような回折光学面を備えた光学素子であり、従来より知られた回折格子やフレネルゾーンプレートなどがある。このような回折光学素子は、屈折や反射とは異なる振る舞いを示すことが知られており、その具体例としては、負分散を有することが挙げられる。この性質は、色収差補正に極めて有効であり、高価な特殊低分散ガラスでしか達し得ない（通常のガラスでは達し得ない）良好な色収差補正が可能となる。なお、このような回折光学素子の性質に関しては、「『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修平成９年第１版発行」に詳しい。なお、実施例に示す回折光学面のデータは、超高屈折率法で示してあり、同じく『回折光学素子入門』応用物理学会日本光学会監修平成９年第１版発行」に詳しい。
このように回折光学面は、ガラスや通常のレンズとは逆の波長特性、すなわち長波長ほど屈折力が大きくなるという性質を有している。したがって、光学系にこのような回折光学面を導入することにより、色収差を極めて良好に補正することができる。すなわち、色収差のみを他の諸収差とは独立して補正することができる。具体的には、観察光学系や撮影光学系などに用いる際に、小型化に伴うレンズ数の低減などに起因して発生する収差のうち、色収差を回折光学面で重点的に補正して、他の収差を回折光学面以外の面で重点的にそれぞれ補正することができるため、全体の構成の小型化・軽量化に貢献することが可能である。
しかしながら、単層の回折光学素子は、設計波長からずれた波長域の光によりフレアが発生し、画質・結像性能を損ねてしまう問題があり、その使用はレーザー光源などの単一波長や、狭い波長域での使用に限られていた。そこで、近年、複層型（ないしは積層型）と呼ばれる回折光学素子が提案されている。このタイプの回折光学素子は、上記したように、鋸歯状に形成されたレリーフパターンを持ち、異なる屈折率及び分散を有した複数の回折素子要素を分離あるいは密着させた形で積層させてなるものであり、所望の広波長域（例えば、可視光領域）のほぼ全域で高い回折効率が保たれる、すなわち、波長特性が良好であるという特徴を有している。
ここで、複層型の回折光学素子の構造について説明すると、一般に、図１（ａ）に示すように、第１の材質からなる第１の光学素子要素２１０と、これとは屈折率や分散値が異なる第２の材質からなる第２の光学素子要素２２０とから構成され、それぞれ光学素子要素２１０，２２０の対向し合う面は図のように鋸歯状のレリーフパターンが形成されている。そして、特定の２波長に対して色消し条件を満足させるように、第１の光学素子要素２１０の溝の高さｄ１を所定の値に決定し、第２の回折素子要素２２０の溝の高さｄ２を別の所定の値に決定する。これにより、特定の２波長に対しては回折効率が１．０となり、その他の波長に対してもかなり高い回折効率を得ることができるようになる。なお、回折効率とは、透過型の回折光学素子において、該回折光学素子に入射する光の強度Ｉ０と、一次回折光の強度Ｉ１との割合η（＝Ｉ１／Ｉ０）を指している。
上記の分離複層型の回折光学素子において、これを構成する第１の光学素子要素２１０と第２の光学素子要素２２０とでは、それぞれ回折格子溝の高さｄ１，ｄ２が相異なるため複数の金型が必要であるとともに、これら金型を用いて第１，第２の光学素子要素２１０，２２０を同じ手順で別々に製造し、さらに精度良く位置合わせをしなければならず、生産に非常に手間がかかってしまう。
そこで、第１の光学素子要素２１０の溝の高さｄ１と第２の回折素子要素２２０の溝の高さｄ２を一致させた、密着型の複層型回折光学素子が提案されている（図１（ｂ）参照）。この密着型の回折光学素子は、分離型に比べて、回折格子の高さの誤差感度（公差）が緩くなったり、格子面の面粗さの誤差感度（公差）が緩くなったりするなど、製造し易くなるメリットがあり、生産性に優れて量産性が高い。このため、光学製品のコストダウンに好都合である利点を有している。
以上のことを踏まえ、本発明の実施形態は、図２に示すようにいわゆる密着複層型の回折光学素子であり、第３と第４の光学素子要素１１，１２の間に、互いに異なる屈折率からなりレリーフパターンを介して接合した第１と第２の光学素子要素１３，１４を、挟んで接合して構成される。なお、本発明はこのようなものに限らず、例えば、第２の光学素子要素１４及び第４の光学素子要素１２が一体形成されたものであり、第２の光学素子要素１４のレリーフパターン２０の上に第１の光学素子要素１３を接合し、第１の光学素子要素１３の上に第３の光学素子要素１１を接合したものであってもよい。さらに、接合部には、各光学素子要素とは異なる材料で形成された層を介在させてもよい。
このように、本発明は、密着複層型とすることで、ほぼ全波長に対して適用することができるようになり、広帯域の白色光を利用する写真カメラの撮像レンズや可視域で使用する接眼レンズ等に容易に用いることができる。また、第３と第４の光学素子要素１１，１２の間に、第１と第２の光学素子要素１３，１４を挟んで密着接合することにより、第１と第２の光学素子要素１３，１４の接合面に形成されたレリーフパターン２０を外部環境から保護することができる。
また、本発明の実施形態における回折光学素子１０は、上記のように一体化したソリッドレンズの構造とすると堅牢性が増して光学性能の劣化が少なく、また、本回折光学素子１０を組み込み時の偏芯や変形を軽減させることができるので好ましい。また、このように一枚のレンズとして扱うことができるコンパクトな構成であるため、本回折光学素子１０を導入する光学系の小型化に貢献できる。
そして、従来の光学素子では第１の光学素子要素１３の上に第２の光学素子要素１４を形成する際に、第２の光学素子要素１４のレリーフパターン形成面と反対側の面に生じる凹凸パターンが生じていたが、この影響を排除することが可能となる。なぜなら、従来の光学素子では第２の光学素子要素１４の凹凸パターン形成面が、外気（外界）との界面となっていたが、本実施形態における第２の光学素子１４は他の光学素子要素と密着接合されている。言い換えると、他の光学素子要素の面にならって第２の光学素子要素１４のレリーフパターンと反対側の面が密着して形成されるので、従来の光学素子で生じていた凹凸パターンの発生を抑えることができ、光学的な影響を排除することができる。
なお、第２の光学素子要素１４に微小な凹凸が形成される理由については、本発明者らは以下のように推測している。すなわち、光学素子要素にレリーフパターンを形成する際に、硬化時に微細な硬化ムラなどが発生し、そのムラにより内部応力が一定にならず強度分布が生じて、その表面に凹凸を生じる。ムラが発生する原因は幾つも考えられるが、その一つして、第２の光学素子要素１４を形成する際に、紫外線硬化樹脂を用いた場合には、硬化時に照射する紫外線がレリーフパターンにより回折や散乱されることで、照射分布が変化してしまい、それにより硬化時に硬化ムラが発生することが原因であると考えられる。
さらに、本回折光学素子１０を一枚のレンズとしてみなしたとき、このレンズは凸パワーで正分散であるが、第１と第２の光学素子要素１３，１４からなる回折格子は凸パワーで負分散であるため、基準線に関する収差の発生総量を抑えることができる。
なお、第３と第４の光学素子要素１１，１２は、それぞれ正負どちらの屈折力であっても構わない。設計要件に照らして、仕様達成、収差補正に都合良く構成すればよい。例えば、本回折光学素子１０全体で正の屈折力として用いる場合は、第３の光学素子要素１１と第４の光学素子要素１２の両方を正屈折力とし、回折面を正屈折力とすれば負分散を有するので、光学素子全体では良好な色消しを達成することができる。逆に、本回折光学素子全体で負屈折力として用いる場合は、第３の光学素子要素１１と第４の光学素子要素１２の両方を負屈折力とし、回折面を負屈折力とすれば正分散を有するので、光学素子全体で良好な色消しを達成することができる。
この場合、第３および第４の光学素子要素１１，１２における第１と第２の光学素子要素１３，１４からなる回折格子との接合面は光軸に直角な平面状であり、それぞれの外側の面、すなわち、外界（外気）との界面となる面が曲面状に形成されて所定の屈折力を得る構成となる。
なお、第３と第４の光学素子要素１１，１２にどちらも同じ方向の屈折力を与えると、屈折面一面当たりに生ずる色収差量を減らすことができる。それ故、レリーフパターン形成面で生ずる回折作用で相殺すべき色収差量を容易に小さくすることが可能となり、光学素子全体で発生する色収差量を小さくすることもできる。
本発明の実施形態では、第１と第２の光学素子要素１３，１４の光軸上の厚さは、第３と第４の光学素子要素１１，１２の光軸上の厚さよりいずれも小さいことが好ましい。これは、光学素子全体の厚さを減少させ、コンパクト・軽量を実現させるために重要である。より具体的には、第１と第２の光学素子要素１３，１４の光軸上の厚さは、第３と第４の光学素子要素１１，１２の光軸上の厚さのうち薄い方の１／３以下であることが好ましく、さらには後述の条件式（２）を満足することが好ましい。しかしながら、第１と第２の光学素子要素１３，１４の光軸上の厚さは、薄過ぎると光が干渉する前に次の光学素子要素に入射してしまうため、所望の効果が得られない。それゆえ、第１の光学素子要素１３と第２の光学素子要素１４の界面に形成されたレリーフパターンを通過した光束の回折後の波面の最も位相が進んだ部分と、最も位相が遅れた部分の光軸方向の光学的長さを厚くすることが好ましく、接眼光学系に本回折光学素子を使用するならば、設計通りの回折光を得るためには５０μｍ以上あることが好ましい。
また、本発明の実施形態では、第１と第２の光学素子要素１３，１４は、相対的に高屈折率低分散、低屈折率高分散の光学材料からなることが必要である。但し、どちらが物体側であってもよい。これは、本回折光学素子１０を密着複層型と構成する上で必須条件であり、条件式（５）を満足するとより好ましい。
ここで、本発明の実施形態における回折光学素子１０の製造手順について、一例を挙げ、図３を用いて説明する。これにはまず、所定のレリーフパターン２０が形成されている金型３０と、射出成形により一方の面が所定の曲率を有し、他方の面が光軸に対して直角な平面に形成された第３と第４の光学素子要素１１，１２（いずれも樹脂製）と、未硬化状態の第１と第２の光学素子要素を構成する材料１３´，１４´（いずれも紫外線硬化樹脂）を用意する。なお、第１と第２の光学素子要素を構成する材料１３´，１４´は、相対的に高屈折率低分散、低屈折率高分散である。また、第１，第２，第３及び第４の光学素子要素１３，１４，１１及び１２に用いる材料としては、後述の実施例に示すものが用いられることが好ましい。
まず、第３の光学素子要素１１において、第１の光学素子要素を構成する材料１３´を滴下する面に、予めＳｉＯ２若しくはＡｌ２Ｏ３のうち少なくとも１種類の薄膜を設け、シランカップリング処理する。また、第４の光学素子要素１２において、第２の光学素子要素１４と接する面に、上記と同様に、予めＳｉＯ２若しくはＡｌ２Ｏ３のうち少なくとも１種類の薄膜を設け、シランカップリング処理する。なお、必要に応じて、第１と第２の光学素子要素１３，１４の界面にも同様の処理を行ってもよい。
次に、このような第３の光学素子要素１１の平面上に、第１の光学素子要素を構成する材料１３´を滴下する（図３（ａ）参照）。そして、滴下した第１の光学素子要素を構成する材料１３´にレリーフパターン２０が形成された金型３０を押し当てる（図３（ｂ）参照）。続いて、第３の光学素子要素１１側から紫外線ＵＶを照射することで、第１の光学素子要素を構成する材料１３´を硬化させる（図３（ｃ）参照）。そして、硬化させた第１の光学素子要素を構成する材料１３´から金型３０を取り外す（図３（ｄ））。これにより、金型３０に形成されていたレリーフパターン２０の形状が、第１の光学素子要素を構成する材料１３´に硬化しながら転写され、第１の光学素子要素１３が形成される。
続いて、上記のようにして作製された第１の光学素子要素１３のレリーフパターン２０が形成された面上に、液状の第２の光学素子要素を構成する材料１４´を適量滴下する（図３（ｅ）参照）。そして、この滴下された第２の光学素子要素を構成する材料１４´においてレリーフパターン２０が形成される面とは反対側の面に、第２の光学素子要素を構成する材料１４´が所定の厚さ及び径になるように、第４の光学素子要素１２の平面側を押し当てる（図３（ｆ）参照）。さらに、紫外線ＵＶを照射することで、第２の光学素子要素を構成する材料１４´を硬化させる（図３（ｇ）参照）。これにより、第３と第４の光学素子要素１１，１２の間に、レリーフパターン２０を介して密着した第１と第２の光学素子要素１３，１４を、挟んで密着接合された本発明の回折光学素子が完成する（図３（ｈ）参照）。
このような製造方法では、密着複層型の回折光学素子の製造方法でありながら、全工程でレリーフパターンを形成する工程は、第３の光学素子要素１３にレリーフパターン２０を形成するのみであり、予め形成しておかなければならない金型３０の一つだけでよい。これにより、本発明の回折光学素子１０は、製造工程が簡単であるとともに低コストで、作製することができる。
本発明の実施形態では、第３又は第４の光学素子要素１１，１２を構成する光学材料のうち、少なくとも一方の光学材料は、第１及び第２の光学素子要素１３，１４のうち先に形成される光学素子要素の光学材料よりも、後に形成される光学素子要素の光学材料に近い屈折率を有することが好ましい。具体的には、上記手順に基づき本発明の回折光学素子１０が製造されている場合、すなわち、第３の光学素子要素１１の上に、まず第１の光学素子要素を構成する材料１３´を滴下・硬化させ、その後に第２の光学素子要素を構成する材料１４´を滴下・硬化させるように構成されている場合は、第２の光学素子要素１４の屈折率は、第４の光学素子要素１２の屈折率に近いことが望ましい。
このような構成により、従来、紫外線硬化樹脂からなる密着複層型の回折光学素子の製造時に、レリーフパターンが形成されない面に形成されることがある微小な凹凸の発生による光学的影響を排除し、さらに良好な光学性能を確保することができる。
なお、第３と第４の光学素子要素１１，１２を構成する光学材料は樹脂であり、第１と第２の光学素子要素１３，１４を構成する光学材料は互いに異なる屈折率を有する紫外線硬化樹脂であることが好ましい。このように、全ての光学素子要素を樹脂製とすることにより、本回折光学素子１０の小型化・軽量化を実現することができる。また、第１と第２の光学素子要素１３，１４を紫外線硬化樹脂とすることで、工数が削減でき、製造し易くなって量産性を高め、コストダウンにも繋がる。さらに、第３と第４の光学素子要素１１，１２は射出成形できる樹脂であると、より生産効率を上げることができる。
また、第３又は第４の光学素子要素１１，１２は、どちらも同じ樹脂材料から構成されることが好ましい。その結果、材料費のコスト削減に貢献できる。
ここで、第３と第４の光学素子要素１１，１２を構成する材料として、具体的には、アクリル系、ポリカーボネート系、オレフィン系、アクリル・スチレン共重合系、ポリエステル系などが好適である。
本発明の実施形態では、図４で示すように、回折光学素子１０を接眼光学系として構成する。この接眼光学系は、図中１に位置する像からの光を使用者の瞳Ｈに入射させ、像を拡大して見せるものである。なお、この光学系は無限遠に虚像を形成する光学系であるが、本発明はこれだけに限られない。この回折光学素子１０を接眼光学系に用いることで、次の利点をもたらす。最初に挙げられる点は、接眼光学系の光学素子の枚数を減らせるため、小型軽量化が達成できる。大きな表示素子を持つことができない携帯用ディスプレイに有効であり、表示素子の映像を接眼光学系で拡大しつつも色収差が良好に補正された状態で、使用者の網膜上に映像を結像させることができる。それゆえ、使用者に臨場感を与えつつも、軽量化により、使用者に装着時に与える不快感を低減するという効果を併せ持つ。更に、その軽量化により表示素子の支持構造自体を強固にする必要性が薄れるため、ウエアラブルディスプレイ装置を構成する各部品の軽量化も達成できる。
また、従来、屈折系の光学素子と回折系の光学素子の光軸合わせは、正確に行わないと色ずれが発生してしまう。特に回折光学素子の分散は屈折光学素子よりも通常は大きいので、色ずれを顕著にしてしまう場合がある。しかしながら、屈折レンズの間に回折光学素子部分を有した回折光学素子１１では、予め屈折光学素子と回折光学素子の光軸合わせが製造段階で行われるので、接眼光学系として組み込む際には、厳密なアラインメントを不要にすることができる。それゆえ、接眼光学系を構成する鏡筒の構造を簡単にすることができ、安く製造することができ且つ接眼光学系をより軽くすることが可能となる。
また、回折光学素子部分と屈折レンズを一体化しているので、従来のように回折光学素子と屈折レンズとを別々に設けた光学系と比較して、空気を界面とする面が少なくなる。それゆえ、反射損失が少なくまたフレア光の低減を発揮する。また、この接眼光学系では、フレア光の低減により、クリアーな拡大像を使用者に提供することができる。
更に、フレア光を発生しやすいレリーフパターン２０がこの接眼光学系では、ほぼ射出瞳位置に位置するので、フレア光の発生により使用者が映像を見えにくくなることを抑えることができる。
なお、最も物体側の面２１および最も像側の面２２はそれぞれ所定の曲率を有し、これら以外の面は光軸に対して直角な平面を有し、レリーフパターン２０は光軸に対して直角な平面状に形成されていることが好ましい。なお、これらの面はいずれも外界（外気）との界面となる面に該当する。
上記のような構成の本発明の回折光学素子１０において、レリーフパターン２０を通過した光束の回折後の波面の最も位相が進んだ部分と最も位相が遅れた部分の光軸方向での光学的長さの差をＬとし、レリーフパターン２０の射出側に位置する第１又は第２の光学素子要素１３，１４の一方の厚さをｄｘとしたとき、次式（１）を満足することが好ましい。
Ｌ＜ｄｘ      …（１）
条件式（１）は、本発明の回折光学素子１０において、レリーフパターン２０を通過した光束の回折後の波面において、最も位相が進んだ部分の光と、最も位相が遅れた部分の光とが、同一射出側に射出されるまで、射出側の媒体が一定の屈折率を有するように構成するための条件を規定するものであり、この式（１）を満足することで所定の回折光を確保することができるようになっている。
なお、後述の実施例では、レリーフパターンが回転対称となっており、レリーフパターン２０を通過した光束の回折後の波面の最も位相が進んだ部分と最も位相が遅れた部分の光軸方向での光学的長さの差Ｌを、次式（１）´のように設定している（なお、瞳孔最大値として７（ｍｍ）、設計波長の最大値（本実施形態ではＣ線の波長）として６５６．２７（ｎｍ）を用いている）。
Ｌ＝瞳孔最大値／（格子の最小ピッチＰ×射出側の屈折率）×１／２×設計波長の最大値…（１）´
また、本発明の回折光学素子１０は、第１の光学素子要素１３の光軸上の厚さをｄ３とし、第２の光学素子要素１４の光軸上の厚さをｄ４とし、第３，第４，第１及び第２の光学素子要素１１，１２，１３，１４の光軸上の厚さの和をｄとしたとき、次式（２）を満足することが好ましい。
（ｄ３＋ｄ４）／ｄ＜０．５      …（２）
条件式（２）は、レンズ群全体の厚さｄと、第１，第２の光学素子要素１３，１４の光軸上の厚さｄ３，ｄ４に関しての適切な比を規定している。条件式（２）の上限値を上回ると、第１，第２の光学素子要素１３，１４の光軸上の厚さｄ３，ｄ４が厚くなり過ぎてしまい、レリーフパターン２０が成形しにくくなる不都合が生じやすくなり、成形時間も大きくなって不都合である。また、樹脂による吸収が大となって、光学系の透過率が落ちてしまう不都合がある。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限を０．２とすることが好ましい。
また、本発明の回折光学素子１０は、レリーフパターン２０の最小ピッチをＰとし、本回折光学素子１０の焦点距離をｆとしたとき、次式（３）を満足することが好ましい。
０．００００１＜Ｐ／ｆ＜０．０３      …（３）
条件式（３）は、レンズ群全体の焦点距離ｆと最小ピッチＰの適切な比を規定している。条件式（３）の上限値を上回ると、最小ピッチＰが小さくなり過ぎてしまい、回折角が大きくなって回折面の色分散が大きくなり、色収差補正に効果的ではあるが、その反面加工がし辛くなってさらに回折効率の低下を招き、不要なフレア光による画質を損ねる不都合が発生する。一方、条件式（３）の下限値を下回ると、最小ピッチＰが大きくなり過ぎてしまい、十分な色消しが達成できず、画質が低下する不都合が発生しやすくなる。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限を０．０１とすることが好ましい。また、下限を０．００２とすることが好ましい。
また、本発明の回折光学素子１０は、第３と第４の光学素子要素１１，１２は正の屈折力を有し、第３の光学素子要素１１の焦点距離をｆ１とし、第４の光学素子要素１２の焦点距離をｆ２とし、レリーフパターン２０の屈折力の逆数（焦点距離）をｆｄとしたとき、次式（４）を満足することが好ましい。
１．０＜ｆｄ／（ｆ１・ｆ２）１／２＜２０．０      …（４）
条件式（４）は、第３と第４の光学素子要素１１，１２の屈折力と、レリーフパターン２０による回折作用の適切なる配分を規定している。条件式（４）の上限値を上回ると、レリーフパターン２０による回折作用が小さくなり過ぎてしまい、短波長の色収差が補正不足となり易く、不都合である。一方、条件式（４）の下限値を下回ると、逆にレリーフパターン２０による回折作用が大きくなり過ぎてしまい、短波長の色収差が補正不足となり易く、不都合である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限を１５．０とすることが好ましい。また、下限を２．０とすることが好ましい。
また、本発明の回折光学素子１０は、第１の光学素子要素１３のｄ線での屈折率をｎｄ３とし、第２の光学素子要素１４のｄ線での屈折率をｎｄ４とし、第１の光学素子要素１３のｄ線でのアッベ数をνｄ３とし、第２の光学素子要素１４のｄ線でのアッベ数をνｄ４としたとき、次式（５）を満足することが好ましい。
０．０３＜｜｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝／（ｎｄ３−ｎｄ４）｜＜３．０      …（５）
理由は以下の通りである。本発明の実施形態における回折光学素子１０において、設計波長をｄ線とし、第１，２の光学素子要素１３，１４のｄ線に対する屈折力をｎｄ３，ｎｄ４とし、格子高さをｈとし、ｄ線の波長をλｄとしたとき、次式（６）を満足すると仮定する。
（ｎｄ３−ｎｄ４）・ｈ＝λｄ      …（６）
上記の式（６）は、ｄ線のブレーズ条件の式であり、このときｄ線の波長λｄに対する回折効率は最大となる。ここで、ｎｄ３，ｎｄ４及びλｄが与えられれば、格子高さｈは一義的に定まり、次式（７）のように表すことができる。
ｈ＝λｄ／（ｎｄ３−ｎｄ４）      …（７）
ところで、本発明の回折光学素子１０が、特に（白色光など）広い波長領域で良好な回折効率を得るために、ｄ線以外の波長においてもブレーズ条件を満足することが望ましい。そこで、ｄ線以外の波長としてＣ線、Ｆ線を選び、第１の光学素子要素１３のＣ線，Ｆ線に対する屈折率をｎＣ３，ｎＦ３、及び、第２の光学素子要素１４のＣ線，Ｆ線に対する屈折率をｎＣ４，ｎＦ４とし、Ｃ線，Ｆ線の波長をλＣ，λＦとしたとき、Ｃ線，Ｆ線のブレーズ条件の式である次式（８），（９）を満足すると仮定する。
（ｎＣ３−ｎＣ４）・ｈ＝λＣ      …（８）
（ｎＦ３−ｎＦ４）・ｈ＝λＦ      …（９）
上記の式（９）から式（８）を辺々引くと、次式（１０）が得られる。
（ｎＦ３−ｎＦ４）・ｈ−（ｎＣ３−ｎＣ４）・ｈ＝λＦ−λＣ
…（１０）
上記の式（１０）を整理すると、次式（１１）が得られる。
（ｎＦ３−ｎＦ４）−（ｎＣ３−ｎＣ４）＝（λＦ−λＣ）／ｈ
…（１１）
ここで、上記の式（１１）から式（７）を用いてｈを消去すると、次式（１２）が得られる。
（ｎＦ３−ｎＦ４）−（ｎＣ３−ｎＣ４）＝（λＦ−λＣ）・（ｎｄ３−ｎｄ４）／λｄ  …（１２）
さらに、上記の式（１２）は整理すると、次式（１３）で表すことができる。
（ｎｄ３−ｎｄ４）／｛（ｎＦ３−ｎＦ４）−（ｎＣ３−ｎＣ４）｝＝λｄ／（λＦ−λＣ）  …（１３）
上記の式（１３）の右辺に、λｄ＝０．５８７６μｍ，λＦ＝０．４８６１μｍ，λＣ＝０．６５６３μｍをそれぞれ代入すると、次式（１４）が得られる。
（ｎｄ３−ｎｄ４）／｛（ｎＦ３−ｎＦ４）−（ｎＣ３−ｎＣ４）｝＝−３．４５３  …（１４）
ここで、アッベ数νｄの定義を用いて、上記の式（１４）を変形すると、次式（１５）のようになる。但し、νｄ３は第１の光学素子要素１３のアッベ数、νｄ４は第２の光学素子要素１４のアッベ数である。
（ｎｄ３−ｎｄ４）／｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝＝−３．４５３  …（１５）
上記の式（１５）の逆数の絶対数が、先述の式（５）となり、その際およそ０．３が理想値となる。式（１５）の右辺は、選択した波長（ここでは、ｄ線，Ｃ線及びＦ線）によって定まる値（回折光学素子のアッベ数そのものである）となり、式（１５）の関係に極力近付けるように、本発明の回折光学素子１０を構成する第１の光学素子要素１３及び第２の光学素子要素１４を選択すればよいことを示している。なお、我々の知見では、０．０３から３．０の範囲内であれば、フレアが十分少なく、広い波長領域特性を有した本発明の回折光学素子１０が得られる。
ゆえに、条件式（５）は、本回折光学素子１０が、密着複層型の構成を取り且つ所定の波長域にわたって十分高い回折効率を得るための条件を規定するものである。条件式（５）の上限値を上回ると、波長域全体にわたる良好な回折効率が得られず、不都合である。下限値を下回る場合も同様である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限を０．５とし、下限を０．１とすることが好ましい。
また、後述する実施例１〜３は、それぞれ条件式（５）で示している数値を満たしている。どれも可視域で十分な回折効率を有した回折光学素子が得られ、条件式（５）の条件を満足する材質を選択することで、回折効率を高くすることができる設計解が得られる本発明の回折光学素子１０の実現が可能となる。
さらには、本回折光学素子１０をより優れた性能・仕様を達成するためには、次式（１６），（１７）を満たすことが好ましい。
例えば、本発明の実施形態における回折光学素子１０を小型ディスプレイ、対物レンズなどで形成した画像を拡大観察する観察光学系に導入する場合、光学系全体の焦点距離をｆ、瞳径をφ、アイレリーフをＲとしたとき、次式（１６）を満足することが好ましい。
０．１＜φ・Ｒ／ｆ２＜２．０    …（１６）
条件式（１６）は、本発明の実施形態における回折光学素子１０を観察光学系に導入する場合、瞳径、アイレリーフ、焦点距離の適切なる関係を示すものである。なお、アイレリーフを十分に取ることは、観察光学系を構成する上で重要である。
条件式（１６）の上限値を上回ると、アイレリーフが長くなり過ぎてしまい、光学系の大型化を招き易くなる不都合が生じる。一方、条件式（１６）の下限値を下回ると、アイレリーフが短くなり過ぎてしまい、観察者が眼鏡を装着した際に扱い難くなるおそれが高く、また瞳径も小さくなってけられやすくなるため、実際の使用上、観察し辛くなる不都合が発生してしまう。なお、瞳の形状は、円形である必要はなく、用途や設計使用に応じて、矩形や楕円であっても構わない。このとき、レンズ形状や絞りの形状を工夫して、瞳の形状を設定しても構わない。なお、効果をさらに発揮するには、上限値を１．０とすることが好ましい。また、下限値を０．１５とすることが好ましい。
ここで、上記の観察光学系の代表的なものとして、眼視光学系が挙げられる。この光学系では使用するスペクトル幅がＦ線〜Ｃ線程度に限られているが、例えば、ＣＣＤのような広いスペクトル幅にわたり、分光感度を有する固体撮像素子の場合は、ｇ線くらいまで良好な性能が求められる。このように、本発明の回折光学素子１０がさらに広いスペクトル幅にわたり優れた性能を発揮するため、第１の光学素子要素１３のｄ線での屈折率をｎｄ３とし、第２の光学素子要素１４のｄ線での屈折率をｎｄ４とし、第１の光学素子要素１３のｇ線でのアッベ数をνｇ３とし、第２の光学素子要素１４のｇ線でのアッベ数をνｇ４としたとき、次式（１７）を満足することが好ましい。
．００１＜｜（ｎｄ４−ｎｄ３）／（νｇ４−νｇ３）｜＜０．０３
…（１７）
条件式（１７）の上限値を上回ると、波長域全体にわたる良好な回折効率が得られず、フレアの発生が大きくなってしまい、良好な画質は得られない不都合が生じる。下限値を下回る場合も同様である。なお、本発明の効果を十分に発揮するには、上限を０．０１とすることが好ましい。また、下限を０．００１５とすることが好ましい。
このような本発明の回折光学素子１０を実際の光学系に導入する際には、以下に述べる条件を満足することがさらに好ましい。
第１と第２の光学素子要素１３，１４において、成形性を良好に保ち、優れた量産性を確保するためには、どちらか一方の光学素子要素を構成する材料の粘度（未硬化物粘度）が、少なくとも４０以上であることが好ましい。この粘度が４０以下であると、成形中に樹脂が流れ易くなり、精密な形状形成が困難となってしまう不都合が生じる。しかしながら、もう一方の光学素子要素を構成する材料の粘度は、逆に少なくとも２０００以上であることが好ましい。
また、界面にレリーフパターン２０を有して密着接合する第１と第２の光学素子要素１３，１４を、外側から挟み込む第３と第４の光学素子要素１１，１２のうち、耐候性のよい樹脂材料が用いられている方を観察者の眼側に配置することが好ましい。
なお、第３の光学素子要素１１と、第１又は第２の光学素子要素１３，１４を同じ材料で構成できる場合には、一体成形してもよい。また、第４の光学素子要素１２と、第１又は第２の光学素子要素１３，１４のどちらか一方を同じ材料で構成してもよい。このような場合は、部番数が減るため、製造し易くなるメリットが大である。
しかし、第１又は第２の光学素子要素１３，１４を構成する材料は、一方の材料が他方の材料に比べて、高い屈折率を有し、更に低い分散を有していなければならない。このような条件を具備しつつ、更に屈折レンズとしての要求を満たせるような材料を見出すことが困難な場合がある。そのような困難性を伴うような場合は、もちろん図２に示す構成の回折光学素子１０が好ましい。
また、上記のように、本発明の実施形態における回折光学素子１０を構成する材料がいずれも樹脂である場合、小型化・軽量化のため、これら樹脂の比重がいずれも２．０以下であることが好ましい。ガラスに比して樹脂は比重が小さいため、光学系の軽量化に非常に有効である。さらに効果を発揮するには、比重が１．６以下であることが好ましい。
第３と第４の光学素子要素１１，１２は、空気との界面に正屈折力の屈折面を有しており、この屈折面は非球面であることが好ましい。
また、本発明において、レリーフパターン２０が形成された面を通過する光線入射角度は、できるだけ小さい方が好ましい。これは、上記光線入射角度が大きくなると、レリーフパターン２０によるフレアが発生し易くなり、画質を損ねてしまうからである。本発明の場合、レリーフパターン２０が形成された面への全ての光線の入射角度が１５度以下であることが好ましい。
また、第１〜第４の光学素子要素１１〜１４のうち、いずれかの樹脂に色素を混入して、色フィルター効果を持たせることも可能である。例えば、この手法により、赤外線カットフィルタを構成し、小型撮像光学系を構成することもできる。
また、絞りは、光学系中に随意に設置することが可能であるが、不要な光線をカットして、結像に有用な光線のみを通すように構成することが好ましい。例えば、レンズ枠そのものを開口絞りとしたり、レンズから離れた位置にメカ部材で絞りを構成したり、レンズと像面との空間に配置したりすることができる。なお、絞りの形状は、設計使用に応じて円形に限らず、楕円や矩形としてもよい。
本発明の回折光学素子１０を撮影光学系に適用する場合には、該光学素子１０内部又は外部に、光学的ローパスフィルタを組み込んで用いてもよい。
また、本発明の回折光学素子１０を観察光学系に適用する場合には、そのルーペ倍率が２倍以上、２０倍以下であることが好ましい。
なお、本発明の回折光学素子１０を組み込んで得られる複数の構成要素からなる光学系も、本発明の範囲を逸脱するものではない。また、屈折率分布型レンズ、結晶材料レンズなどを組み込んで得られる光学系に関しても同様である。
以下、本発明の各実施例を添付図面に基づいて説明する。各実施例において、回折光学面の位相差は、通常の屈折率と後述する非球面式（１８），（１９）を用いて行う超高屈折率法により計算した。超高屈折率法とは、非球面形状と回折光学面の格子ピッチとの間の一定の等価関係を利用するものであり、本実施例においては回折光学面は超高屈折率法のデータとして、すなわち、後述する非球面式（１８），（１９）及びその係数により示している。なお、本実施例では収差特性の算出対象として、ｄ線（波長５８７．６ｎｍ，屈折率１０００１）、Ｃ線（波長６５６．３ｎｍ，屈折率１１１７０．４２５５）、Ｆ線（波長４８６．１ｎｍ，屈折率８２７４．７３１１）及びｇ線（波長４３５．８ｎｍ，屈折率７４１８，６８５３）を選んでいる。
各実施例において、非球面は、光軸に垂直な方向の高さをｙ、非球面の頂点における接平面から高さｙにおける非球面上の位置までの光軸に沿った距離（サグ量）をＳ（ｙ）、基準球面の曲率半径をｒ、近軸曲率半径をＲ、円錐係数をκ、ｎ次の非球面係数をＣｎとしたとき、以下の条件式（１８），（１９）で表される。
Ｓ（ｙ）＝（ｙ２／ｒ）／｛１＋（１−κ・ｙ２／ｒ２）１／２｝
＋Ｃ２ｙ２＋Ｃ４ｙ４＋Ｃ６ｙ６＋Ｃ８ｙ８＋Ｃ１０ｙ１０
…（１８）
Ｒ−１／｛（１／ｒ）＋２Ｃ２｝      …（１９）
なお、各実施例において、非球面形状に形成されたレンズ面には、表中の面番号の右側に＊印を付している。また、各実施例において、回折光学面の位相差は通常の屈折率と上記非球面式（１８），（１９）とを用いて行う超高屈折率法により計算した。このため、非球面レンズ面及び回折光学面のいずれにも、非球面式（１８），（１９）が用いられるが、非球面レンズ面に用いられる非球面式（１８），（１９）はレンズ面の非球面形状そのものを示し、一方、回折光学面に用いられる非球面式（１８），（１９）は回折光学面の性能の諸元を示す。
また、前述したが、各実施例において条件式（１）は、レリーフパターン２０を通過した光束の回折後の波面の最も位相が進んだ部分と最も位相が遅れた部分の光軸方向での光学的長さの差Ｌを、次式（１）´のように設定されている。なお、レリーフパターン２０は回転対称パターンを想定し、瞳孔最大値として７（ｍｍ）、設計波長の最大値（本実施形態ではＣ線の波長）として６５６．２７（ｎｍ）を用いている。
Ｌ＝瞳孔最大値／（格子の最小ピッチＰ×射出側の屈折率）×１／２×設計波長の最大値…（１）´
第１実施例
以下、本発明の第１実施例について図４〜図６を用いて説明する。図４に示すように、第１実施例における本発明に係る回折光学素子を用いた光学系のレンズ構成は、物体側から順に、瞳Ｈ、回折光学素子ＤＯＥ、フレア絞りＦを備えている。なお、上記図面では、像面を符号１で示している。
そして、ここに配置されている本実施例の回折光学素子ＤＯＥは、物体側から順に、第３の光学素子要素Ｌ１、第１の光学素子要素Ｌ３、第２の光学素子要素Ｌ４、第４の光学素子要素Ｌ２から構成し、最小ピッチＰを０．０１７１ｍｍとし、レリーフパターンの高さｈを２０．０５μｍとした。
なお、本実施例では、第３と第４の光学素子要素Ｌ１，Ｌ２をともに日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒとし、第１の光学素子要素Ｌ３を以下に説明する相対的に低屈折率高分散な紫外線硬化樹脂とし、第２の光学素子要素Ｌ４を以下に説明する相対的に高屈折率低分散な紫外線硬化樹脂とした。
ここで、上記の相対的に低屈折率高分散な紫外線硬化樹脂について説明すると、２，２，３，３，４，４，５，５−オクタフルオロヘキサン１，６−ジアクリルレートと、９，９−ビス［４−（２−アクリロイルオキシエトキシ）フェニル］フルオレンと、イルガキュア１８４を混合し、所定の操作を行って生成された紫外線硬化製組成物である。この樹脂は、２，２，３，３，４，４，５，５オクタフルオロヘキサン１，６ジアクリルレートと、９，９ビス［４（２アクリロイルオキシエトキシ）フェニル］フルオレンとのモル比をｄ線での屈折率が１．５２８となるように作製されている。なお、粘度は１００、比重は１．４となっている。以下、便宜上、低屈樹脂Ｎｏ．１と称する。
次に、相対的に高屈折率低分散な紫外線硬化樹脂について説明すると、トリシクロデカンジメタノールジアクリレートと、ジ（２−メルカプトジエチル）スルフィドとを付加反応させた後に、イルガキュア１８４を添加して得られた紫外線硬化性組成物である。この樹脂は、トリシクロデカンジメタノールジアクリレートと、ジ（２−メルカプトジエチル）スルフィドとのモル比をｄ線での屈折率が１．５５７となるように作製されている。なお、粘度は４８００、比重は１．２となっている。以下、便宜上、高屈樹脂Ｎｏ．１と称する。
下の表１に、第１実施例における各レンズの諸元を示す。表１において面番号１〜８は図４の１〜８と対応する。なお、第１面は瞳面である。また、表１におけるｒはレンズ面の曲率半径（非球面の場合には基準球面の曲率半径）を、ｄはレンズ面の間隔を、ｎｄはｄ線に対する屈折率を、ｎｃはＣ線に対する屈折率を、ｎｆはＦ線に対する屈折率を、ｎｇはｇ線に対する屈折率をそれぞれ示している。なお、前述の条件式（１）〜（７）に対応する値、すなわち条件対応値も以下に示している。ここで、以下の全ての諸元値において掲載されている曲率半径ｒ、面間隔ｄ及びその他の長さの単位は、特記のない場合、一般に「ｍｍ」が使われるが、光学径は比例拡大又は比例縮小しても同等の光学性能が得られるので、単位は「ｍｍ」に限定されることなく、他の適当な単位を用いることもできる。以上の表の説明は、他の実施例における表中においても同様である。
なお、表１において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に＊印を付している。本実施例では、面番号２及び７に相当する面が非球面であり、面番号４に相当する面が回折光学面である。回折光学面は、超高屈折率法で標記されている。ｎｄ＝１０００１などの非常に大きい屈折率値と、非球面係数との組み合わせで回折光学面を表現している。
【表１】
0004817076.tif 000002
0004817076.tif 000003
（条件対応値）
Ｌ  ＝０．０８６
ｄｘ  ＝０．２００００
ｄ３  ＝０．２
ｄ４  ＝０．２
ｄ  ＝６．３４
Ｐ  ＝０．０１７１
ｆ  ＝２６．４３０
ｆｄ  ＝３３４．２４２
ｆ１  ＝５４．８８１
ｆ２  ＝５４．８６８
ｎｄ３＝１．５２７６
ｎｄ４＝１．５５６９
νｄ３＝３４．７１
νｄ４＝５０．１７
φ  ＝１０．０
Ｒ  ＝２１．０
νｇ３＝２１．６２
νｇ４＝３２．１９
（１）Ｌ＝０．０８６  ＜  ｄｘ＝０．２０００
（２）（ｄ３＋ｄ４）／ｄ＝０．０６３０９  ＜  ０．５
（３）０．００００１＜  Ｐ／ｆ＝０．０００６４７                  ＜０．０３
（４）１．０＜  ｆｄ／（ｆ１・ｆ２）１／２＝６．０９１  ＜２０．０
（５）０．０３  ＜｜｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝／（ｎｄ３−ｎｄ４）｜＝０．１３９９  ＜３．０
（６）０．１＜  φ・Ｒ／ｆ２＝０．３０１  ＜２．０
（７）０．００１＜  ｜（Ｎｄ４−Ｎｄ３）／（νｇ４−νｇ３）｜＝０．００２７７  ＜０．０３
このように本実施例では、上記条件式（１）〜（７）が全て満たされていることが分かる。
図５に示す曲線Ａ及びＢは、各々レリーフパターンの高さをｄ線で回折効率が１００％となるように設定した場合であり、曲線Ａは低屈樹脂Ｎｏ．１の表面にレリーフパターンが形成された単層の回折光学素子における回折効率、曲線Ｂは低屈樹脂Ｎｏ．１と高屈樹脂Ｎｏ．１とからなる複層の回折光学素子における回折効率を示している。このような構成である本実施例の回折光学素子は、ｇ線からＣ線までの波長領域で０．９８以上の高い回折効率（光強度）を得ることができた。
図６は、第１実施例における諸収差図である。各収差図は、ｄ線についての結果を示しており（但し、球面収差図及び倍率収差図についてはｇ線、Ｃ線、Ｆ線についての結果も示している）、ＦＮＯはＦナンバーを、Ｙは像高を示している。球面収差図では最大口径に対応するＦナンバーの値を示し、非点収差図及び歪曲収差図では像高の最大値をそれぞれ示し、コマ収差図では各像高の値を示す。また、非点収差図において、実線はサジタル像面を示し、破線はメリディオナル像面を示している。以上、収差図の説明は他の実施例においても同様である。各収差図から明らかであるように、本実施例では諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
第２実施例
以下、本発明の第２実施例について図７〜図９を用いて説明する。図７に示すように、第２実施例における本発明に係る回折光学素子を用いた光学系のレンズ構成は、物体側から順に、瞳Ｈ、回折光学素子ＤＯＥを備えている。なお、上記図面では、像面を符号Ｉで示している。
そして、ここに配置されている本実施例の回折光学素子ＤＯＥは、物体側から順に、第３の光学素子要素Ｌ１、第１の光学素子要素Ｌ３、第２の光学素子要素Ｌ４、第４の光学素子要素Ｌ２から構成し、最小ピッチＰを０．０１７１ｍｍとし、レリーフパターンの高さｈを２２．６９μｍとした。
なお、本実施例では、第３の光学素子要素Ｌ１をアクリル樹脂とし、第４の光学素子要素Ｌ２を日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒとし、第１の光学素子要素Ｌ３を（上記の高屈樹脂Ｎｏ．１とは組成比が異なる）高屈樹脂Ｎｏ．２とし、第２の光学素子要素Ｌ４を上記の低屈樹脂Ｎｏ．１とした。
ここで、高屈樹脂Ｎｏ．２は、トリシクロデカンジメタノールジアクリレートと、ジ（２−メルカプトジエチル）スルフィドとのモル比を、ｄ線での屈折率が１．５５４（第２の光学素子要素Ｌ４と比べて低屈折率）となるように作製されている樹脂である。なお、粘度は２５００、比重は１．２となっている。
下の表２に、第２実施例における各レンズの諸元を示す。表２において面番号１〜７は図７の１〜７と対応する。また、表２において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に＊印を付している。本実施例では、面番号２及び７に相当する面が非球面であり、面番号５に相当する面が回折光学面である。なお、回折光学面は、第１実施例と同様に、超高屈折率法で表記している。
【表２】
0004817076.tif 000004
0004817076.tif 000005
0004817076.tif 000006
（条件対応値）
Ｌ  ＝０．０８８
ｄｘ  ＝０．２０００
ｄ３  ＝０．２
ｄ４  ＝０．２
ｄ  ＝６．３４
Ｐ  ＝０．０１７１
ｆ  ＝２６．４３０
ｆｄ  ＝３３４．２４３
ｆ１  ＝５４．８２９
ｆ２  ＝５４．８６８
ｎｄ３＝１．５５３５
ｎｄ４＝１．５２７６
νｄ３＝５０．４１
νｄ４＝３４．７１
φ  ＝１０．０
Ｒ  ＝２１．０
νｇ３＝３２．４４
νｇ４＝２１．６２
（１）Ｌ＝０．０８８  ＜  ｄｘ＝０．２０００
（２）（ｄ３＋ｄ４）／ｄ＝０．０６３０９  ＜  ０．５
（３）０．００００１＜  Ｐ／ｆ＝０．０００６４７              ＜０．０３
（４）１．０＜  ｆｄ／（ｆ１・ｆ２）１／２＝６．０９４  ＜２０．０
（５）０．０３＜｜｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝／（ｎｄ３−ｎｄ４）｜＝０．５７８２  ＜３．０
（６）０．１＜  φ・Ｒ／ｆ２＝０．３０１  ＜２．０
（７）０．００１＜  ｜（Ｎｄ４−Ｎｄ３）／（νｇ４−νｇ３）｜＝０．００２３９３  ＜０．０３
このように本実施例では、上記条件式（１）〜（７）が全て満たされていることが分かる。
図８に示す曲線Ａ及びＢは、各々レリーフパターンの高さをｄ線で回折効率が１００％となるように設定した場合であり、曲線Ａは高屈樹脂Ｎｏ．２の表面にレリーフパターンが形成された単層の回折光学素子における回折効率、曲線Ｂは高屈樹脂Ｎｏ．２と低屈樹脂Ｎｏ．１とからなる複層の回折光学素子における回折効率を示している。このような構成である本実施例の回折光学素子は、ｇ線からＣ線までの波長領域で０．９７以上の高い回折効率（光強度）を得ることができた。
図９は、第２実施例における諸収差図である。各収差図から明らかであるように、本実施例では諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
第３実施例
以下、本発明の第３実施例について図１０〜図１２を用いて説明する。図１０に示すように、第３実施例における本発明に係る回折光学素子を用いた光学系のレンズ構成は、物体側から順に、瞳Ｈ、回折光学素子ＤＯＥ、フレア絞りＦを備えている。なお、上記図面では、像面を符号Ｉで示している。
そして、ここに配置されている本実施例の回折光学素子ＤＯＥは、物体側から順に、第３の光学素子要素Ｌ１、第１の光学素子要素Ｌ３、第２の光学素子要素Ｌ４、第４の光学素子要素Ｌ２から構成し、最小ピッチＰを０．０１７０ｍｍとし、レリーフパターンの高さｈを２０．０５μｍとした。
なお、本実施例では、第３の光学素子要素Ｌ１を日本ゼオン社製ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒとし、第４の光学素子要素Ｌ２をポリカーボネート材とし、第１の光学素子要素Ｌ３を低屈樹脂Ｎｏ．１とし、第２の光学素子要素Ｌ４を高屈樹脂Ｎｏ．１とした。
下の表３に、第３実施例における各レンズの諸元を示す。表３において面番号１〜８は図１０の１〜８と対応する。また、表３において、非球面形状に形成されたレンズ面には、面番号の右に＊印を付している。本実施例では、面番号２及び７に相当する面が非球面であり、面番号４に相当する面が回折光学面である。なお、回折光学面は第１実施例と同様に超高屈折率法で表記している。
【表３】
0004817076.tif 000007
0004817076.tif 000008
0004817076.tif 000009
（条件対応値）
Ｌ  ＝０．０８７
ｄｘ  ＝０．２５００
ｄ３  ＝０．２５
ｄ４  ＝０．２５
ｄ  ＝７．８
Ｐ  ＝０．０１７０
ｆ  ＝２８．９８２
ｆｄ  ＝２６１．３８３
ｆ１  ＝６５．５２６
ｆ２  ＝５８．７３９
ｎｄ３＝１．５２７６
ｎｄ４＝１．５５６９
νｄ３＝３４．７１
νｄ４＝５０．１７
φ  ＝８．０
Ｒ  ＝２５．１
νｇ３＝２１．６２
νｇ４＝３２．１９
（１）Ｌ＝０．０８７  ＜  ｄｘ＝０．２５００
（２）（ｄ３＋ｄ４）／ｄ＝０．０６４１０  ＜  ０．５
（３）０．００００１＜  Ｐ／ｆ＝０．０００５８７                  ＜０．０３
（４）１．０＜  ｆｄ／（ｆ１・ｆ２）１／２＝４．２１３  ＜２０．０
（５）０．０３＜  ｜｛（ｎｄ３−１）／νｄ３−（ｎｄ４−１）／νｄ４｝／（ｎｄ３−ｎｄ４）｜＝０．１３９９  ＜３．０
（６）０．１＜  φ・Ｒ／ｆ２＝０．２３８８  ＜２．０
（７）０．００１＜  ｜（Ｎｄ４−Ｎｄ３）／（νｇ４−νｇ３）｜＝０．００２７７２  ＜０．０３
このように本実施例では、上記条件式（１）〜（７）が全て満たされていることが分かる。
図１１に示す曲線Ａ及びＢは、各々レリーフパターンの高さをｄ線で回折効率が１００％となるように設定した場合であり、曲線Ａは低屈樹脂Ｎｏ．１の表面にレリーフパターンが形成された単層の回折光学素子における回折効率、曲線Ｂは低屈樹脂Ｎｏ．１と高屈樹脂Ｎｏ．１とからなる複層の回折光学素子における回折効率を示している。このような構成である本実施例の回折光学素子は、ｇ線からＣ線までの波長領域で０．９８以上の高い回折効率（光強度）を得ることができた。
図１２は、第３実施例における諸収差図である。各収差図から明らかであるように、本実施例では諸収差が良好に補正され、優れた結像性能が確保されていることが分かる。
以上の第１から第３の実施例で示したように、本発明の回折光学素子は、ｇ線からＣ線までの可視域において、優れた結像特性を有し、さらに小型で軽量という特徴を有している。この特徴を活かし、本回折光学素子は、例えば、図１３に示すようなヘッドマウントディスプレイの接眼レンズに用いることができる。
ヘッドマウントディスプレイは、使用者の頭部に装着して該使用者に映像や音声を提供するシステムであり、ヘッドホンタイプの頭部装着部４０と、頭部装着部４０に取り付け可能なディスプレイユニット部５０と、ディスプレイユニット部５０に音声信号や映像信号を供給し、各部材に電力を供給する再生機器部６０とから構成される。
頭部装着部４０は、使用者への装着時に該使用者の左右の耳近傍に位置する一対のスピーカ部４１と、このスピーカ部４１を介して使用者の頭部を挟持する付勢力を与えるアーム部４２と、一対のスピーカ部４１それぞれからアーチ状に延びて使用者の耳に引っ掛けるための耳掛け部材４３とから構成される。スピーカ部４１は、それぞれディスプレイユニット部５０の結合部５１と嵌合可能な形状を有しており、外側に該ディスプレイユニット部５０との電気接点４４が設けられている。なお、スピーカ部４１にディスプレイユニット部５０を取り付けない場合は、ダミーキャップ５５を取り付けることで外観を良好にしている。
次に、ディスプレイユニット部５０は、スピーカ部４１の外側に嵌合可能な結合部５１と、結合部５１に取り付けられて後述のディスプレイアーム５３を収納する空間を具備する収納部５２と、収納部５２への収納・引き出しが可能でありその先端には液晶表示素子や上記実施例の回折光学素子１０などが組み込まれた表示部５４が取り付けられているディスプレイアーム５３とから構成される。また、ディスプレイユニット部５０は、再生機器部６０と接続されており、再生機器部６０から供給される電力及び映像信号を表示部５４に供給し、且つ、音声信号を結合部５１に供給するように配線が組まれている。
結合部５１は、スピーカ部４１の電気接点４４と接続可能な電気接点（図示略）を有しており、この電気接点（図示略）を介してスピーカ部４１に音声信号を供給している。
ディスプレイアーム５３は、上記したように収納部５２に収納可能となっており、本ヘッドマウントディスプレイの装着時には、表示部５４が使用者の眼前に位置するように、ディスプレイアーム５３を収納部５２から繰り出して使用する。また、非装着時には、ディスプレイアーム５３を収納部５２内に収納できるようになっている。
表示部５４は、図１３に示すように、ディスプレイアーム５３による片持ち梁構造で支持している。そのため、表示部５４の小型化及び軽量化が求められる。しかし、その犠牲に画質が劣るようになっては商品価値が落ちるため、表示部５４内には図１４に示すような光学系を具備している。表示部５４内に設けられているこの光学系は、液晶表示素子３０と、液晶表示素子３０の映像の虚像を形成する本回折光学素子１０と、液晶表示素子３０を照明するバックライト３２と、バックライト３２の光を集光して拡散する照明光学素子３１とから構成される。照明光学素子３１は、バックライト３２側が該バックライト３２の光を集光するためのレンズ面となっており、液晶表示素子３０側がスリガラス状又はマイクロレンズアレイ状の拡散面となっており、この構成によって液晶表示素子３０の照明分布を均一化している。なお、レンズ面はフレネルレンズ形状であってもよい。
ここで、本回折光学素子１０は、屈折作用による集光作用と回折作用を併せ持ったもので、屈折作用により生ずる色収差を回折作用で相殺させている。それゆえ、上記のようにヘッドマウントディスプレイの接眼レンズに用いて、フルカラーの映像を投影しても、高品質な映像を使用者に提供することができる。さらに、図１４に示すように、接眼光学系を１つの光学部品で構成できるため、表示部５４の小型化及び軽量化も達成できる。
なお、本実施例は、例えば、高屈樹脂Ｎｏ．１や高屈樹脂Ｎｏ．２とほぼ同じ屈折率からなるポリカーボネート樹脂やアクリル樹脂を用いて、第３の光学素子要素Ｌ１及び第１の光学素子要素Ｌ３を一体成形して、レリーフパターンと該レリーフパターンの形成面は対向する面にレンズ形状を形成し、レリーフパターン形成面に低屈樹脂Ｎｏ．２を塗布し、第４の光学素子要素Ｌ２により低屈折率Ｎｏ．２を挟み込んで、３つの要素からなる回折光学素子を形成しても構わない。
また、本実施例は、回折光学素子１０だけからなる接眼光学系を例示しているが、これだけに限られず、さらに他の光学素子を配置されたものであっても構わない。もちろん軽量化の点では多少劣るが、回折面や屈折面が増える分、一面当たりの屈折力や回折効果を小さくすることができ、それに伴い、光軸合わせの許容公差を大きくすることができる。それゆえ、精密な光学素子支持構造を有した鏡筒を使用しなくとも、良好に色収差が補正された接眼光学系を得ることが可能となる。
以上のような本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲であれば適宜改良可能である。
【図１】
0004817076.tif 000010
【図２】
0004817076.tif 000011
【図３】
0004817076.tif 000012
【図４】
0004817076.tif 000013
【図５】
0004817076.tif 000014
【図６】
0004817076.tif 000015
【図７】
0004817076.tif 000016
【図８】
0004817076.tif 000017
【図９】
0004817076.tif 000018
【図１０】
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【図１１】
0004817076.tif 000020
【図１２】
0004817076.tif 000021
【図１３】
0004817076.tif 000022
【図１４】
0004817076.tif 000023