(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の回折格子を積層した回折光学素子において、
前記複数の回折格子は、それぞれ複数の格子面を有しており、
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の格子面は、光の入射方向に離間しており、
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子は、分散の異なる材質からなり、
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子は、一方の回折格子の光の入射方向に他方の回折格子の格子面に最も近い格子面の格子最上部と他方の回折格子の光の入射方向に一方の回折格子の格子面に最も近い格子面の格子最下部の間隔をＤ（μｍ）としたとき
２０μｍ＜Ｄ＜３５μｍ
を満足することを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の格子面は、光の入射方向に空気層を介して離間してい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】
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の格子面は、光の入射方向に屈折率ｎ＞１を満たす光学材料を介して接合してい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４】
前記一方の回折格子は、射出成形したプラスチック製より成り、前記他方の回折格子は、紫外線硬化樹脂より成ることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
請求項１乃至４の何れか一項に記載の回折光学素子を有することを特徴とする撮影光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子及びそれを用いた光学系に関し、例えばデバイス製造用の露光装置、照明装置、写真用カメラ、双眼鏡、プロジェクター、望遠鏡、顕微鏡、複写機等の各種の光学系に好適なものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、光学系の色収差を補正する方法の１つとして分散の異なる２つの材質の硝材（レンズ）を組み合わせる方法がある。この硝材の組み合わせにより色収差を減じる方法に対して、レンズ面やあるいは光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を用いて色収差を減じる方法がSPIEVol.1354 International Lens Design Conference （１９９０）等の文献や特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２公報、ＵＳＰ第５０４４７０６号等により開示されている。これ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色収差の出方が逆方向になるという物理的現象を利用したものである。
【０００３】
さらに、このような回折光学素子は、その回折格子の周期的構造の周期を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収差の低減に大きな効果がある。
【０００４】
ここで、光線の屈折作用において比較すると、レンズ面では１本の光線は屈折後も１本の光線であるのに対し、回折格子では１本の光線が回折されると各次数に光が分かれてしまう。
【０００５】
そこで、レンズ系として回折光学素子を使う場合には、使用波長域の光束が特定次数（設計次数）に集中するように格子構造を決定する必要がある。特定次数の光が集中している場合では、それ以外の回折光の光線の強度は低いものとなり、強度が０の場合にはその回折光は存在しないものとなる。そのため、前記特長を有するためには、特定次数の光線の回折光が十分高いことが必要となる。また、特定次数以外の回折次数を持った光線が存在し、その光線が特定次数の光線とは別のところに入射すると、その光線はフレア光（有害光）となる。
【０００６】
従って、回折光学素子を利用した光学系においては、以上のような問題点を解決しなければならなかった。この間題点を解決する手法として図６に示すような基板ガラス１０１上に第１の回折格子１０３、第２の回折格子１０２を重ね合わせた積層断面形状を持つ積層タイプの回折光学素子や図７に示すような基板ガラス１０６、１０７上に第１の回折格子１０４、第２の回折格子１０５を個別に形成し、各格子ピッチが対応するように空気層を介して重ね合わせる積層タイプの回折光学素子が提案されている。
【０００７】
また、これらの回折格子１０４，１０５の格子厚ｄl、ｄ2は材質の屈折率ｎ01、ｎ02と基準波長λ0によって次式の関係式によって決定される。
【０００８】
（ｎ0l−１）ｄl−（ｎ02−１）ｄ2＝ｍλ0  ・・・・（１）
この関係式は基準波長λ0におけるｍ次光の回折光の回折効率を最もよくするための式であり、この関係を満たすように屈折率ｎ01、ｎ02と格子厚ｄ1、ｄ2は決定される。
【０００９】
回折光学素子の製造方法として射出成形や加圧成形等がある。
【００１０】
このうち射出成形や加圧成形を利用して積層型の回折光学素子を製造する方法が特開平１１-３４４６１１号公報で提案されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
積層型の回折光学素子においては１つの回折格子の格子形状と他の回折格子の格子形状とを適切に設定する必要がある。例えば２つの回折格子の格子面間隔が広すぎると一方の格子面で回折した所定次数の回折光が対面する他方の格子面に入射しなくなり、又、格子面間隔が狭くなり過ぎると製造の際に一方の格子面が他方の格子面と抵触して格子面が破損するので、高い回折効率を得るのが難しくなり、光学系の一部に用いたとき色収差の補正効果が不十分となってくる。
【００１２】
本発明は、高い回折効率が得られる回折光学素子及びそれを用いた光学系の提供を目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明の回折光学素子は、複数の回折格子を積層した回折光学素子において、
前記複数の回折格子は、それぞれ複数の格子面を有しており、
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の格子面は、光の入射方向に離間しており、
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子は、分散の異なる材質からなり、
前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子は、一方の回折格子の光の入射方向に他方の回折格子の格子面に最も近い格子面の格子最上部と他方の回折格子の光の入射方向に一方の回折格子の格子面に最も近い格子面の格子最下部の間隔をＤ（μｍ）としたとき
２０μｍ＜Ｄ＜３５μｍ
を満足することを特徴としている。
【００１４】
請求項２の発明は請求項１の発明において、前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の格子面は、光の入射方向に空気層を介して離間していることを特徴としている。
【００１５】
請求項３の発明は請求項１の発明において、前記複数の回折格子のうち光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の格子面は、光の入射方向に屈折率ｎ＞１を満たす光学材料を介して接合していることを特徴としている。
【００１６】
請求項４の発明は請求項１乃至３のいずれか一項の発明において、前記一方の回折格子は、射出成形したプラスチック製より成り、前記他方の回折格子は、紫外線硬化樹脂より成ることを特徴としている。
【００１７】
請求項５の発明の撮影光学系は、請求項１乃至４の何れか一項に記載の回折光学素子を有することを特徴としている。
【００２６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施例］
図１は本発明の積層型の回折光学素子ＢＯの実施形態１の要部断面図である。
同図は回折格子が、その深さ方向にデフォルメされた図になっている。
【００２７】
図１においてＢＯは回折光学素子であり、射出成形によって成形された第１の回折格子１と、格子ピッチは同じであるが第１の回折格子１の媒質と異なる分散を持つ媒質によって形成された第２の回折格子２とを空気層ａｉｒ又は光学材料（屈折率ｎ＞１）を介して対向配置（離間）している。同図は空気層ａｉｒの場合を示している。ｄ1、ｄ2は、第１、第２の回折格子１、２の格子厚さであり、互いに異なっている。本実施形態では図１に示すように基板と回折格子を射出成形により一体にして第１の回折格子１を成形している。これにより、製作を容易にしている。又、第２の回折格子２は基板６上に紫外線硬化樹脂で回折格子５を形成し、射出成形で製作された回折格子１と互いに格子面が向かい合うように対向配置している。ここで基板６は平行平板又は曲面を有するものであっても良い。
【００２８】
又、この射出成形により成形された回折格子１が光入射側の第１面もしくは最終面の回折格子面を形成するように回折光学素子を構成している。これにより射出成形した回折格子を積層タイプの回折光学素子のベースとすることを可能としている。回折格子２を成形するための媒質としては、回折格子１と分散の異なる媒質を材料としている。これによって、可視波長全域で高い回折効率を得ている。
【００２９】
例えば、図１では回折格子１の媒質として射出成形可能なプラスチック光学材料（プラスチック製）である商品名ＸＥＯＮＥＸ（日本ゼオン（株））、回折格子２の媒質は、積層という観点と分散を異なるようにするため、回折格子１よりも分散の高い媒質として、紫外線硬化樹脂である商品名ＵＶ１０００（三菱化学（株））を用いている。このため、本実施形態ではそれぞれの回折格子１、２の媒質の屈折率と波長の関係からそれぞれの格子厚はｄ1=８．２μｍ、ｄ2＝５．９μｍとなっている。
【００３０】
本実施形態では、図１から明らかのように光の入射方向に空気層ａｉｒに最も近い一方の回折格子１の格子面の格子最上部と空気層ａｉｒに最も近い他方の回折格子５の格子面の格子最下部の間隔Ｄ（μｍ）が
１０μｍ＜Ｄ＜４０μｍ    ・・・（１）
を満足するようにしている。
【００３１】
これによって隣接する２つの回折格子の製作を容易にしつつ、高い回折効率を有しかつ色収差補正を良好に行うことができる回折光学素子を得ている。条件式（１）の下限値（１０μｍ）を超えると製作するときに２つの格子面が接触しやすくなってくるので良くない。又、上限値（４０μｍ）を超えると回折面で回折した光が対応する回折面から外れてしまうため、回折効率が低下してくるので良くない。
【００３２】
尚、本発明においてさらに好ましくは条件式（１）の数値範囲を
２０μｍ＜Ｄ＜３５μｍ    ・・・（１ａ）
程度とするのが良い。
【００３３】
上限値（３５μｍ）と下限値（２０μｍ）の持つ技術的意味は条件式（１）と同様である。
【００３４】
本実施形態ではＤ＝３０μｍとなっている。
【００３５】
図２は本発明の回折光学素子の実施形態２の要部断面図である。図２において１は第１の回折格子であり、図１の実施形態１と同様の形状、材質より成っている。７は第２の回折格子であり、第１の回折格子１上に形成している。
【００３６】
第２の回折格子７は第１の回折格子１と格子ピッチは同じであるが材質が異なっている。例えば紫外線硬化樹脂より成っている。図２において格子面７ａａは格子面７ａを第１の回折格子１の格子面１ａ側にピッチが同一であることを示すために平行移動させたときの状態を模式的に示している。
【００３７】
本実施形態において図２から明らかのように射出成形された一方の回折格子１の格子面１ａの格子最上部と向かい合わせて格子面７ａを形成している他方の回折格子７の格子最下部との距離（間隔）をＤとすると、この距離Ｄは１０μｍよりも大きく４０μｍよりも小さい幅を持っている。Ｄ＜１０μｍであると回折格子７を成形するための型が回折格子１にぶつかる可能性が高くなってしまい、Ｄ＞４０μｍを超えてしまうと回折光学素子自身がかなり厚みを持ってしまうため所望の性能より悪化してしまう。本実施形態ではＤ＝３０μｍとなっている。
【００３８】
図３は本発明の回折光学素子の実施形態３の要部断面図である。図３において４は第１の回折格子であり、図１の実施形態１と同様に射出成形より形成している。８は第２の回折格子であり、第１の回折格子４上に形成している。
【００３９】
第２の回折格子８は第１の回折格子４と格子ピッチは同じであるが材質が異なっている。例えば紫外線硬化樹脂より成っている。図３において格子面８ａａは格子面８ａを第１の回折格子４の格子面４ａ側にピッチが同一であることを示すために平行移動させたときの状態を模式的に示している。
【００４０】
本実施形態において射出成形された回折格子４の格子最上部と向かい合わせて格子面を形成している回折格子８の最下部との距離をＤとすると、この距離Ｄは１０μｍよりも大きく４０μｍよりも小さい幅を持っている。Ｄ＜１０μｍであると回折格子８を成形するための型が回折格子４にぶつかる可能性が高くなってしまい、Ｄ＞４０μｍを超えてしまうと回折光学素子自身がかなり厚みを持ってしまうため所望の性能より悪化してしまう。本実施形態ではＤ＝３０μｍとなっている。又ｄ3＝１９．５μｍ、ｄ4＝１６．１μｍとなっている。
【００４１】
図４は本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施形態１の概略図であり、カメラ等の撮影光学系の断面を示している。同図中、５１は撮影レンズで、内部に絞り５２と回折光学素子ＢＯを持っている。５３は結像面であるフィルムまたはＣＣＤである。
【００４２】
積層構造の回折光学素子を用いることで、回折効率の波長依存性は大幅に改善されているので、フレアが少なく低周波数での解像力も高い高性能な撮影レンズを達成している。又、本発明の回折光学素子は、簡単な製法で作成することができるので、撮影レンズとしては量産性に優れた安価なレンズを提供することができる。
【００４３】
図４では絞り５２近傍の平板ガラス面に回折光学素子ＢＯを設けたが、これに限定するものではなく、レンズ曲面表面に回折光学素子を設けても良いし、撮影レンズ内に複数、回折光学素子を使用しても良い。
【００４４】
また、本実施形態では、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、事務機のイメージスキャナーや、デジタル複写機のリーダーレンズ、半導体デバイス製造用の露光装置等に使用しても同様の効果が得られる。
【００４５】
図５は本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施形態２の概略図であり、双眼鏡等観察光学系の断面を示したものである。同図中、６１は対物レンズ、６２は像を成立させるための像反転プリズム、６３は接眼レンズ、６４は評価面（瞳面）である。
【００４６】
図中ＢＯは回折光学素子である。回折光学素子ＢＯは対物レンズ６１の結像面６５での色収差等を補正する目的で形成されている。
【００４７】
積層構造の回折光学素子を用いることで、回折効率の波長依存性は大幅に改善されているので、フレアが少なく低周波数での解像力も高い高性能な対物レンズを達成している。また、本発明の回折光学素子は、簡単な製法で作成できるので、観察光学系としては量産性に優れた安価な光学系を提供できる。
【００４８】
本実施形態では、対物レンズ郡６１に回折光学素子ＢＯを形成した場合を示したが、これに限定するものではなく、プリズム表面や接眼レンズ６３内の位置であっても同様の効果が得られる。結像面６５より物体側に設けると対物レンズ６１のみでの色収差低減効果があるため、肉眼の観察系の場合少なくとも対物レンズ６１側に設けることが望ましい。
【００４９】
また、本実施形態では、双眼鏡の場合を示したが、これに限定するものではなく地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等であっても良く、またレンズシャッターカメラやビデオカメラ等の光学式のファインダーであっても同様の効果が得られる。
【００５０】
【発明の効果】
本発明によれば積層型の回折光学素子において光の入射方向に沿って隣接する２つの回折格子の間隔を適切に設定することにより高い回折効率が得られる回折光学素子及びそれを用いた光学系を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の回折光学素子の実施形態１の要部断面図
【図２】本発明の回折光学素子の実施形態２の要部断面図
【図３】本発明の回折光学素子の実施形態３の要部断面図
【図４】本発明の回折光学素子を用いた光学系の概略図
【図５】本発明の回折光学素子を用いた光学系の概略図
【図６】従来の積層タイプの回折光学素子の説明図
【図７】従来の積層タイプの回折光学素子の説明図
【符号の説明】
１、４  射出成形によって成形された回折格子
５、７、８  紫外線硬化樹脂によって成形された回折格子
６  基板
１０１、１０６、１０７  基板
１０２、１０３、１０４  紫外線硬化樹脂によって成形された回折格子
ｄ１〜ｄ４  回折格子格子厚
Ｄ  回折格子最上部最下部間距離
５１  屈折レンズ
５２  絞り
５３  結像面
６５  １次結像面
６４  評価面（アイポイント）
６１  対物レンズ
６２  プリズム
６３  接眼レンズ
【図１】
0004590082.tif 000002
【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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