(57)【要約】      （修正有）【課題】遮光構造による回折効率の劣化を最小限に抑え、使用波長全域において回折格子の壁面の全反射に起因するフレアの発生を抑制する。【解決手段】３種類以上の材料を積層して境界面に２つ以上の回折格子を形成し、使用波長の整数倍の位相差を付加することで、特定次数の回折光の回折効率を高めた回折光学素子１において、該回折格子の少なくとも１つの回折格子は屈折率が近い２種類の材質の境界に設け、光の光路中に所定の波長の光の透過率を下げた色フィルター１２を配置することを特徴とする。【選択図】図１
2012252168.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
３種類以上の材料を積層して境界面に２つ以上の回折格子を形成し、使用波長の整数倍の位相差を付加することで、特定次数の回折光の回折効率を高めた回折光学素子において、
該回折格子の少なくとも１つの回折格子は屈折率が近い２種類の材質の境界に設け、該２種類の材料は使用波長範囲のある波長において等しい屈折率を有し、回折光学素子に入射または射出する光の光路中に所定の波長の光の透過率を下げた色フィルターを配置したことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記回折格子を形成した境界面に対して垂直でかつ回折格子の頂線に垂直な面における断面において、該回折格子は格子頂点と谷部との間の面で光の位相が飛んでいる格子壁面と格子の稜線部分を有し、格子の間隔をピッチＰとした時、該色フィルターは、の回折格子を形成した境界面に対して垂直方向から見た時に回折格子の格子壁面延長線に対して±1/10P以内に配置した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】
前記回折光学素子は撮像光学系の絞りより前側に配置し、回折格子を形成した境界面に対して垂直でかつ回折格子の頂線に垂直な面における断面形状において、光線入射方向を正としてＸ軸としたとき、光線入射側から第1の材料と第2の材料の境界に形成した回折格子を第1の回折格子、第2の材料と第3の材料の境界に形成した回折格子を第2の回折格子とし、第１の回折格子と第2の回折格子の稜線は上記の断面において同じ符号の傾きを有した回折光学素子であり、使用波長において長波長側の光の透過率を下げた色フィルターを配置した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】
前記回折光学素子は撮像光学系の絞りより前側に配置し、回折格子を形成した境界面に対して垂直でかつ回折格子の頂線に垂直な面における断面形状において、光線入射方向を正としてＸ軸としたとき、光線入射側から第1の材料と第2の材料の境界に形成した回折格子を第1の回折格子、第2の材料と第3の材料の境界に形成した回折格子を第2の回折格子とし、第１の回折格子と第2の回折格子の稜線は上記の断面において異なる符号の傾きを有した回折光学素子であり、使用波長において短波長側の光の透過率を下げた色フィルターを配置した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５】
前記色フィルターは染料または顔料をベースとしたカラーレジストを ガラス上に塗布して硬化させることに作製した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６】
前記色フィルターは染料または顔料をベースとしたカラーレジストを樹脂上に塗布して硬化させることに作製した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７】
前記色フィルターは誘電体膜により構成した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８】
前記色フィルターは真空蒸着、ホトリソグラフィ工程、染料または顔料タイプのインクを格子付近に塗布 することにより製造したことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系に用いられる回折光学素子であり、複数波長に対応可能な回折光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学系の色収差を減じる方法として光学系の１部に回折作用を有する回折光学素子を設ける方法が知られている（非特許文献１）。
【０００３】
また、回折光学素子の形状としてはベースの形状に光路差関数で定義される位相項を付加した形状となっている。まず、ベースの形状としてはレンズの表面の形状であり、球面形状や非球面形状、平面形状であったりする。また、回折レンズ構造による光路長の付加量は、光軸からの高さｈ、ｎ次(偶数次)の光路差関数係数Cn、波長λを用いて、
φ(ｈ)＝(C1ｈ2＋C2ｈ4＋C3ｈ6＋…)×2π/λ
により定義される光路差関数φ(ｈ)により表す。一例として曲率がRのレンズ表面に上記の光路差関数φ（ｈ）にて格子形状を付加する場合、光軸方向の位置をX、hを中心から数えた輪帯番号、ｄを格子厚とした時
【０００４】
【数１】
2012252168.tif 000003
【０００５】
で表される形状とすることで、回折作用を付加した回折レンズを作成することが可能である。即ち上記の式においては最初の2項はベース形状を示しており、第3項は光路差関数で位相項を付加した形状を示している。また、第2項については輪帯番号が変わる部分でｘの位置が不連続となっており、これにより格子形状が生じる。
【０００６】
回折光学素子を光学系中に用いるときには使用波長域全域において設計次数の光線の回折効率が十分高いことが必要になる。
【０００７】
回折効率が低いと、即ち設計次数以外の回折次数をもった光線が多く存在すると、これらの光線は、設計次数の光線とは別な所に結像するためフレア光となる。
【０００８】
図１８、図１９は従来の回折光学素子の説明図である。図１８において、１９２は回折格子の輪帯であり、格子と格子のピッチを変えることで光学的なパワーを与えることが出来る。また、図１９は第1の回折格子２０５と第2の回折格子２０６を空気を挟んで配置しており、この構成を取る事により広い波長域に対して高い回折効率を得る事が可能となっている。
【０００９】
図２０は積層型回折格子の説明図である２１１は第1の回折格子、２１２は第2の回折格子、２１３は空気層である。第1の回折格子と第2回折格子は分散の異なる材質からなり、本実施例の回折格子においては、第1の回折格子２１１に紫外線硬化樹脂１（nd=1.635,νd=23.0）、第2の回折格子２１２に紫外線硬化樹脂２(nd=1.524,νd=50.8)を用い、第1の回折格子２１１の格子厚ｄ１は7.8μｍ、第2の回折格子２１２の格子厚ｄ２は10.7μｍ、2つの格子間の空気層の厚みｄ３は1.0μｍである。又、格子ピッチは140μｍ、設計次数は１次である。
【００１０】
このタイプの回折光学素子において、９８％以上の高い回折効率は可視の波長域全域にて確保するためには、低屈折率高分散材料についてΘgFを通常の材料より小さな値（リニア異常分散性）とする必要がある（特許文献１）。
【００１１】
図１２は更に図２１の回折格子の空気層２１３を無くした密着タイプの回折光学素子を４００ｍｍの望遠レンズに適用した場合の説明図である、図において、１２１は回折光学素子、１２２は絞り、１２３はCCD等の像面、１２４は最大画角の光束、１２５は撮像光学系の光軸、１２６は有効画角の外側からの太陽光等の平行光の一部、１２７は回折光学素子１に入射する画面外20度の平行光束を示している。
【００１２】
400mmの望遠レンズのように第1郡のレンズが正のパワーを有するレンズの場合には、回折光学素子はできるだけ物点側で使用した方が倍率色収差の補正に効果があり、出来るだけ物点側に素子を配置することが望ましい。本実施例においては、正の屈折力の第1群レンズ、負の屈折率の第2群レンズ、正の屈折率の第3群レンズにて構成されており、この系において最も倍率色収差の補正に効果があるのは第1レンズに使用することである。
【００１３】
回折光学素子としては、正のパワーを有している位相を付加するように格子中央から外側かけて格子ピッチを狭くした回折格子とすることで光学系として色収差を改善している。
【００１４】
図１２において回折光学素子は第1レンズと第2レンズの間に設けている。このため逆光シーンの撮影において、画面外20度付近の角度から入射する太陽光等の光束はレンズフードや光軸鏡筒で全ての光束を遮光することはできない。したがって、光束の一部の光は回折光学素子に入射する。画面外20度付近の光をレンズフードで全て遮光しようとすると非常に長いレンズフードが必要となる。この非常に長いレンズフードは撮像光学系の重量の増大や、操作性、収納性といった点で問題となり、現実的にはこのような長いレンズフードを製品に同梱することは考えにくい。
【００１５】
図１３は本発明の回折光学素子の説明図である。図において１３１は光軸、１３２は第１レンズ、１３３は第２レンズ、１３４は第１の低屈折率高分散の材料、１３５は高屈折率低分散の材料である。このように低屈折率高分散材料と高屈折率低分散材料を組み合わせるのは広い波長域で高い回折効率を得るためである。
【００１６】
また、１３６は光軸より上側の回折格子の輪帯の格子壁面に入射する有効画面外の光線、１３７は光軸より下側の回折格子の輪帯の格子壁面に入射する有効画面外の光線を示している。光線１３６と光線１３７は平行光束の一部を示しているが、光線が上から入射して回折光学素子の上側に当たる場合と光線が上から入射して光軸１３１を超えて下側の回折光学素子に入射する光では光線が格子壁面に入射して反射する状況が異なっている。
【００１７】
図１４は本発明の回折格子の格子付近の説明図である。図において１４１は低屈折率高分散の第1の材料、１４２は高屈折率低分散の第2の材料、１４３は画像を形成する光線の有効画角内の最大角度と最小角度の平均角度を示した補助線、14５は有効画角の外から回折格子壁面に入射する光線を示している。
【００１８】
回折光学素子の壁面はできるだけ有効画角内の光を壁面で蹴らないように回折光学素子の格子に入射する光束の平均角度だけ傾けるように構成する。有効画角内の光線の平均角度に対して回折効率を最も高くするためには、この平均角度と一致させた方向に回折格子の壁面を傾けた方が良い。
【００１９】
図１４における格子壁面の方向は回折格子への入射光の有効画角内の最大角度と最小角度の平均値である補助線３３の方向に平行にしている。この時、回折光学素子に入射した光線３５は低屈折率材料を通過した後、高屈折率材料に入射し、図に示したように低い角度で回折格子に入射した時は格子壁面において全反射する。
【００２０】
図１５において、10度付近に飽和しているピークを有しているが、これが1次の回折光の発生位置である。また、−10度付近に光量ピークがあるがこれが格子壁面の全反射光により発生しているフレアである。このピークを中心に回折によるフレアが発生していることが分かる。また、図１５のグラフにおいて像面に光が到達する角度は0度±１度〜±２度付近のフレアであり、-10度付近の全反射ピークは像面に到達していない。また、全反射光からの回折光は0度付近まで裾を引いた形状となっている。したがって、図２において回折光学素子の上側に入射した光２６はフレアを発生させ画像を劣化させる。
【００２１】
図１６は回折光学素子の下側に入射した光線が壁面に入射した時の状況を示した説明図である。図において６１は低屈折率高分散の第1の材料、６２は高屈折率低分散の第2の材料、６３は画像を形成する光線の有効画角内の最大角度と最小角度の平均角度を示した補助線、６５は有効画角の外から回折格子壁面に入射する光線を示している。図１６に示したように低屈折率の第1の材料を通過した光線は高屈率の第2の材料との境界において、フレネル反射及び透過することで２つの光線に分離する。可視域の光に対して回折効率を高めた密着タイプの回折光学素子においては、第1の材料と第2の材料との屈折率差は０．１以下となるのが普通であり、従って殆どの光については透過光となる。例えば壁面の法線方向に対して80度で回折格子の壁面に入射した場合に約９４％は透過光であり、６％が反射光である。実際にCCD面に到達するフレア光は反射光の方向に進むフレアであり、また、この反射光自体ではなく、この透過光の周辺に発生する回折光である。従って光軸を横切って素子の下側に入射した光によるフレアの発生は非常に少なく画像の劣化に対しては問題を発生させないレベルである。
【００２２】
図１７はこの時の様子を素子への入射角度が10°の場合について、横軸に回折角度、縦軸に全光量を１００％とした時の光量としたグラフにしたものである。また、計算に使用した回折格子は1次の回折効率が最も高くなるように最適化した格子として計算している。グラフの横軸の角度は素子の面法線に対する角度であり図１６に示したように＋側を取る。
【００２３】
図１７において、-10度付近に飽和しているピークを有しているが、これが1次の回折光の発生位置である。また、＋10度付近に光量ピークがあるがこれが格子壁面のフレネル反射光により発生しているフレアである。このピークを中心に回折によるフレアが発生しているが、いずれにしてもフレアの量としては微弱な光である。また、図１７のグラフにおいて像面に光が到達する角度は0度±１度〜±２度付近の光であり、フレアの量としては微弱で画像を劣化させるレベルではない。このフレア発生の特性は厳密な電磁場解析を行うことで判明したが、従来のスカラー計算においてはこのような現象を捉えることができない。
【００２４】
上記のフレアの発生の状況より、以下のような対策が提案されている。
【００２５】
図１８に示したように第1の回折格子１４１の格子壁面１４５と第2の回折格子１４２の格子壁面１４６はほぼ入射光線１４５の第1の格子の樹脂内の光線方向に平行にした時に回折効率はベストとなる。この観点から、回折格子の壁面の角度を設定することで、有効画角内の光束に対して最適化した提案がなされている（特許文献2,3）。しかしながらこの手法については有効画面内の光の回折効率を高め、有効画面内の光に対する格子壁面の抑制には有効であるが、画面外に太陽光があるような逆光シーンの実写においては問題があった。
【００２６】
つまり、この素子を撮像光学系に使用する場合には光線入射角度が壁面の角度からずれた場合には、壁面により反射され像面に到達した場合にはフレアーとして画像に影響を及ぼす。
【００２７】
この対策として、壁面の角度をより鈍角方向に傾けることで、反射フレアーを像面に到達させないようにするといった特許も提案されている（特許文献4）。
【００２８】
また、回折光学素子の格子壁面付近に遮光手段を設けるといった内容の特許も提案されている（特許文献5）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２９】
【特許文献１】特開２００４−７８１６６号公報
【特許文献２】特開２００３−２９４９２４号公報
【特許文献３】特開１０−１８６１１８号公報
【特許文献４】特開２００５−２９２５７１号公報
【特許文献５】特開２００６−１６２８２２号公報
【非特許文献】
【００３０】
【非特許文献１】SPIE Vol.1354                   International Lens Design Conference (1990)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００３１】
しかしながら,特許文献４の対策である壁面の角度をより鈍角方向に傾けること手法については、像面に到達するフレア光の到達の有無は光学系の構成にもより、この手法は適用できる光学系が限られる。
【００３２】
また、特許文献5の回折光学素子の格子壁面付近に遮光手段を設ける方法については、壁面付近に遮光部材を設けると本来結像に使用される次数の回折光を遮り、回折効率が低下してしまう。この結果、高輝度光源のまわりに不要フレアが発生するといった問題があった。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本発明は上記課題に対して、材料を積層して境界面に２つ以上の回折格子を形成し、使用波長の整数倍の位相差を付加することで、特定次数の回折光の回折効率を高めた回折光学素子において、該回折格子の少なくとも１つの回折格子は屈折率が近い２種類の材質の境界に設け、該２種類の材料は使用波長範囲のある波長において等しい屈折率を有し、回折光学素子に入射または射出する光の光路中に所定の波長の光の透過率を下げた色 フィルターを配置する。
【発明の効果】
【００３４】
本発明によれば、遮光構造による回折効率の劣化を最小限に抑え、使用波長全域において回折格子の壁面の全反射に起因するフレアの発生を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明の第１の実施例の回折光学素子の断面説明図
【図２】本発明の第１の実施例の回折光学素子の正面説明図
【図３】本発明の第１の実施例の１次光の回折効率のグラフ
【図４】本発明の第１の実施例の回折光学素子の材料の屈折率のグラフ
【図５】第１の実施例の波長450nmにおける不要回折光の回折効率
【図６】第１の実施例の波長550nmにおける不要回折光の回折効率
【図７】第１の実施例の色フィルターを使用しない場合の波長650nmにおける不要回折光の回折効率
【図８】本発明の第１の実施例の色フィルターの透過率特性
【図９】本発明の第１の実施例の色フィルター使用時の波長650nmにおける不要回折光の回折効率
【図１０】本発明の第２の実施例の回折光学素子の断面説明図
【図１１】本発明の第２の実施例の１次光の回折効率のグラフ
【図１２】撮像光学系の前玉に回折光学素子を配置したときのフレア入射状況説明図
【図１３】回折光学素子への直接光入射時のフレア説明図
【図１４】回折光学素子の壁面付近の全反射フレア説明図
【図１５】回折光学素子の全反射フレアによる不要回折光の回折効率
【図１６】回折光学素子の壁面付近のフレネル反射フレアの説明図
【図１７】回折光学素子のフレネル反射フレアによる不要回折光の説明図
【図１８】従来の回折光学素子の上面図
【図１９】従来の回折光学素子の断面図
【図２０】従来の回折光学素子の拡大図
【図２１】従来の密着タイプの回折光学素子の説明図
【図２２】撮像光学装置の説明図
【発明を実施するための形態】
【００３６】
［第1実施例］
図１は、本発明の第１実施例の回折光学素子の断面図であり、図２は上記回折光学素子の正面図である。
【００３７】
図１に示したように、回折光学素子１は、第１の素子部２と第２の素子部３とを、それぞれの素子部に形成された第１の回折格子８と第２の回折格子９とが第３の材料層１０を挟んで互いに密着するように重ね合わせた構成となっている。
【００３８】
また、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、格子ベース部６およびこの格子ベース部６に一体形成された第１の回折格子８からなる第１格子形成層からなる。第１の回折格子８における、第３の材料層１０との境界部には格子面８ａが形成されている。
【００３９】
一方、第２の素子部３も第１の素子部２と同様に、第２の透明基板５と、この第２の透明基板５上に設けられた格子ベース部７およびこの格子ベース部７に一体形成された第２の回折格子９からなる第２格子形成層とを有しており、第２の回折格子９における第３の材料層１０との境界部には格子面９ａが形成されている。
【００４０】
なお、第３の材料層１０は、両回折格子８，９の格子面８ａ，９ａと格子側面とがなすエッジ間において厚さがＤとなるように設定されている。
【００４１】
これら第１，第２の素子部２，３、及び第３の材料層１０の全体で１つの回折光学素子として作用するものである。この時、回折光学素子の壁面に入射する光を１１に示し、色フィルターを１２で示した。
【００４２】
第１および第２の回折格子８，９は同心円状の格子形状からなり、図２に示したように径方向における格子ピッチが変化することで、レンズ作用を有する。
【００４３】
本実施形態において、回折光学素子１に入射させる光の波長領域、すなわち使用波長領域は可視領域であり、第１および第２の回折格子８，９、及び第３の材料層１０を構成する材料および格子厚さは、可視領域全体で１次の回折光の回折効率を高くするよう選択される。
【００４４】
次に、本実施形態の回折光学素子１を構成する材料の選択と、回折効率の関係について説明する。
【００４５】
従来の構成である、図２１に示すような、２種類の異なる材料からなる回折格子を密着配置したＤＯＥにおいて、ある波長λの場合に、ある次数の回折光の回折効率が最大となる条件を考える。
【００４６】
光束が回折格子のベース面（図３に点線で示す面）に対して垂直に入射する場合は、回折格子の山と谷の光学光路長差（つまりは、山と谷のそれぞれを通過する光線間における光路長差）が光束の波長の整数倍になることであり、これを式で表わすと、
（ｎ２−ｎ１）ｄ０＝ｍ×λ      ・・・（５）
となる。
【００４７】
ここで、ｎ１と、ｎ２はそれぞれ、第１の回折格子、第２の回折格子の材料の波長λ０の光に対する屈折率で、ｎ１＜ｎ２とする。また、ｄ０（＞０）は格子厚、ｍは回折次数である。
【００４８】
図２１中の０次回折光から下向きに回折する光の回折次数を正の回折次数、０次回折光から上向きに回折する光の回折次数を負の回折次数とすると、上記（５）式での格子厚の符号は、図中上から下に格子厚が増加する格子形状を持つ回折格子の場合、正となる。
【００４９】
また、任意の波長λでの回折効率η（λ）は、
η（λ）＝ｓｉｎｃ＾２〔π｛Ｍ−（ｎ２（λ）−ｎ１（λ））ｄ／λ｝〕    ・・・（６）
で表すことができる。
【００５０】
上記（６）式において、Ｍは評価すべき回折光の次数、ｎ１（λ）、ｎ２（λ）は波長λの光に対する各回折格子の材料の屈折率である。また、ｓｉｎｃ＾２（ｘ）は、｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝＾２で表わされる関数である。
【００５１】
上記（５）式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、（５）式をなるべく満たすような材料を用いる必要がある。
【００５２】
たとえば、可視域の広い波長範囲で高い回折効率を得るためには、ｄ線だけでなく、Ｆ線やＣ線等の波長においても、（５）式を満たす必要がある。
【００５３】
すなわち、ｄ線の波長において高い回折効率を得ることができる格子厚をｄ０としたとき、
（ｎ２ｄ−ｎ１ｄ）ｄ０＝ｍ×λｄ      ・・・（７ａ）
（ｎ２Ｆ−ｎ１Ｆ）ｄ０＝ｍ×λＦ      ・・・（７ｂ）
（ｎ２Ｃ−ｎ１Ｃ）ｄ０＝ｍ×λＣ      ・・・（７ｃ）
の条件をなるべく満たす材料の組合せを用いる必要がある。
【００５４】
ここで、ｎ１ｄ、ｎ１Ｆ、ｎ１Ｃはそれぞれ第１格子の材料の、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線の波長における屈折率で、ｎ２ｄ、ｎ２Ｆ、ｎ２Ｃはそれぞれ第２格子の材料の、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線の波長における屈折率である。
【００５５】
設計回折次数ｍを１とし、（７ｂ）式から（７ｃ）式を辺々引いて整理すると、
（ｎ２Ｆ−ｎ２Ｃ）−（ｎ１Ｆ−ｎ１Ｃ）＝（λＦ−λＣ）／ｄ０  ・・・（７ｄ）
となる。
【００５６】
ここで、（７ｄ）のｄ０に、（７ａ）式を変形して代入し、整理すると、
（ｎ２Ｆ−ｎ２Ｃ）−（ｎ１Ｆ−ｎ１Ｃ）
＝（λＦ−λＣ）／λｄ×（ｎ２ｄ−ｎ１ｄ）    ・・・（７ｅ）
となる。
【００５７】
さらに整理すると、
（ｎ２ｄ−ｎ１ｄ）／｛（ｎ２Ｆ−ｎ２Ｃ）−（ｎ１Ｆ−ｎ１Ｃ）｝
＝λｄ／（λＦ−λＣ）  ＝  −３．４５        ・・・（７ｆ）
となる。
【００５８】
Δｎ＝（ｎ２ｄ−ｎ１ｄ）                            ・・・（７ｇ）
ΔｎＦＣ＝｛（ｎ２Ｆ−ｎ２Ｃ）−（ｎ１Ｆ−ｎ１Ｃ）｝  ・・・（７ｈ）
とすると、（７ｆ）式は、
Δｎ／ΔｎＦＣ＝−３．４５  ・・・（７ｉ）
となり、２つの材料の屈折率差と、分散の差が一定の値をとることが分かる。
【００５９】
さらに、（７ｉ）式の値が負であることから、回折格子を形成する材料は、高屈折率低分散材料と、低屈折率高分散材料の組合せとなることも分かる。
【００６０】
（７ａ）式より、格子厚ｄ０を低くし、かつ広い波長範囲で高い回折効率を得るためには、屈折率差を大きくする必要があることが分かり、かつ同時に、（７ｉ）式より、分散の差も大きくとらなければならないことが分かる。
【００６１】
ここで、回折格子の格子厚を、ｄ０よりも低い格子厚ｄ１とする場合を考える。
【００６２】
その際には２つの材料の分散の差も大きくとらなければいけないが、仮に分散の差を小さく設定した場合を考える。
【００６３】
前述したように、分散の差が小さい材料の組合せを用いることで、材料の選択が容易となる。
【００６４】
特に回折光学素子の格子厚を数μｍ程度まで低くする場合、２つ材料の分散の差は非常に大きくなり、現状の材料では困難を極める場合もあるため、分散の差を小さくすることで、材料選択の自由度が大幅に増え、好ましい。
【００６５】
ｄ線の波長において（７ａ）式を満たす材料の組合せを用いた時、各波長における光路長差の式は、
（ｎ２ｄ−ｎ１ｄ）ｄ１＝ｍ×λｄ            ・・・（７ａａ）
（ｎ２Ｆ−ｎ１Ｆ）ｄ１＝ｍ×λＦ＋αＦ      ・・・（７ｂｂ）
（ｎ２Ｃ−ｎ１Ｃ）ｄ１＝ｍ×λＣ−αＣ      ・・・（７ｃｃ）
となり、Ｆ線及びＣ線の波長において回折効率の劣化を生じてしまう。
【００６６】
ここで、αＦ、αＣは、それぞれＦ線及びＣ線における光路長差のずれ分である。
【００６７】
そこで、第２の材料組合せを用いた回折格子を、さらに設けた場合について考える。
【００６８】
第３、第４の材料の、ｄ線、Ｆ線、Ｃ線の波長における屈折率を、それぞれｎ３ｄ、ｎ３Ｆ、ｎ３Ｃ、ｎ４ｄ、ｎ４Ｆ、ｎ４Ｃとし、格子厚ｄ２（＞０）となる回折格子を用いるとすると、各波長において、光路長差を満足するための条件式は、それぞれ、
（ｎ２ｄ−ｎ１ｄ）ｄ１＋（ｎ４ｄ−ｎ３ｄ）ｄ２＝ｍ×λｄ    ・・・（８ａ）
（ｎ２Ｆ−ｎ１Ｆ）ｄ１＋（ｎ４Ｆ−ｎ３Ｆ）ｄ２＝ｍ×λＦ    ・・・（８ｂ）
（ｎ２Ｃ−ｎ１Ｃ）ｄ１＋（ｎ４Ｃ−ｎ３Ｃ）ｄ２＝ｍ×λＣ    ・・・（８ｃ）
で与えられる。
【００６９】
このとき、Ｆ線、Ｃ線波長における光路長差のずれ分αＦ、αＣ、のみを補正するように、第３、及び第４の材料の屈折率を選択すると、広い波長域で高い回折効率を持つ回折光学素子が得られる。ｄ線、Ｆ線、Ｃ線の波長において、光路長差が所望の値を得られる条件は、（７ａａ）式〜（７ｃｃ）式と、（８ａ）式〜（８ｃ）式の辺々を引くことによって得られ、
（ｎ４ｄ−ｎ３ｄ）＝０              ・・・（９ａ）
（ｎ４Ｆ−ｎ３Ｆ）ｄ２＝−αＦ      ・・・（９ｂ）
（ｎ４Ｃ−ｎ３Ｃ）ｄ２＝αＣ        ・・・（９ｃ）
となる。
【００７０】
このとき、第３の材料と第４の材料の屈折率はｄ線の波長において等しくなっているので、Ｆ線やＣ線の波長においても、その屈折率差は非常に小さい値となる。
【００７１】
そのため、第３の材料と第４の材料からなる回折格子の格子側面に、撮像に寄与しない光が壁面に入射した場合も、不要光による影響が非常に小さいものとなる。
【００７２】
以上のような構成とすることで、屈折率差が大きい第１の材料と第２の材料からなる格子においては、格子厚を低くすることができ、かつ、広い波長域において所望の光路長差を得られる。
【００７３】
よって、広い波長域において高い回折効率を持ち、かつ、格子側面による不要光の発生が抑制されている回折光学素子が得られる。
【００７４】
次に、本実施形態の具体的な構成について説明する。
【００７５】
図１に示した、本実施形態１における回折光学素子１において、設計波長がλ０の場合に、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件は、
（ｎ０３−ｎ０１）ｄ１＋（ｎ０２−ｎ０３）ｄ２＝ｍλ０          ・・・（１０）
となる。
【００７６】
ここで、上記（１０）式において、ｎ０１は第１の素子部２において第１の回折格子８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の素子部３において第２の回折格子９を形成する材料の波長λ０の光に対する屈折率である。ｎ０３は第３の材料層１０を形成する材料の波長λ０の光に対する屈折率である。
【００７７】
また、ｄ１は第１の回折格子８ａ、ｄ２は第２の回折格子９ａの格子厚である。
【００７８】
図１中の０次回折光から下向きに回折する光の回折次数を正の回折次数、０次回折光から上向きに回折する光の回折次数を負の回折次数とすると、上記（１０）式での格子厚ｄ１、及びｄ２の加減の符号は、図中上から下に格子厚が増加する格子形状を持つ回折格子の場合、正となる。
【００７９】
図１に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８に、フッ素系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．４８０、νｄ＝２１．７）を用いた。
【００８０】
また、第２の材料層９には、大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．５６４、νｄ＝２０．８）を用いた。
【００８１】
一方第３の回折格子１０には、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．５６９、νｄ＝４７．９）を用いた。
【００８２】
この時の屈折率の値を波長を横軸に取って示したのが図４である。図において、４１がフッ素系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂の屈折率、４２が大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂の屈折率、４３がアクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂の屈折率を示している。図に示したように樹脂４２と４３はｄ線付近の波長において同一の値をとり、屈折率を示したグラフの線がクロスしている。
【００８３】
また、回折格子８の格子厚ｄ１は６．２μｍ、回折格子９の格子厚ｄ２は１３．７μｍ、第３の材料層１０における、両回折格子８，９の格子側面の間隔Ｄは１．５μｍ、回折ピッチＰは１００μｍである。  
【００８４】
回折格子８、及び回折格子９の格子側面の、格子先端を連ねた包絡面の法線に対する傾きは０°とした。
【００８５】
次に、本実施形態の回折格子に対し、撮像に使用する光束が入射した場合の光の振る舞いについて述べる。
【００８６】
本実施例の回折光学素子においては、撮像に使用される光束が、回折格子の格子先端部を連ねた包絡面の法線に対し±２°の範囲で入射する光学系中に配置されたものと想定している。
【００８７】
格子高さｄ１、及びｄ２は、最大の入射角度＋２°と、最小の入射角度−２°の平均である、０°を重心光線角度として、０°で入射した状態において最適な回折特性を得るように設計している。
【００８８】
さらに、回折格子８、及び回折格子９の格子側面の、格子先端を連ねた包絡面の法線に対する傾きを、格子厚と同様に重心光線角度に合わせるように、０°としている。
【００８９】
この場合、回折格子を１次の回折角を持って、入射角度±２°からわずかに偏向した出射した光束が像面（評価面）に到達する。すなわち、回折角０°付近を基準として、格子先端部を連ねた包絡面の法線に対し、回折角が約±２°の範囲の光束が撮像面に到達する。
【００９０】
図４は、実施例４の回折光学素子１に、格子先端を連ねた包絡面の法線に対して垂直に光線が入射した時の、設計次数である１次での回折効率特性を示している。
【００９１】
これらの特性図からも分かるように、回折光学素子１では可視域全域において、非常に高い回折効率を得ている。
【００９２】
次に、撮像に使用される光束の入射角度から、ずれた角度を持って光束が入射した場合について述べる。
【００９３】
回折光学素子を光学系中に用いた場合、撮像に使用される光束以外の光が回折光学素子に入射してしまう場合がある。
【００９４】
例えば、回折光学素子に格子先端部を連ねた包絡面の法線に対し＋１０°の光束が入射した場合について考える。
【００９５】
この時、＋１０°で入射した光束の1次回折光は、それぞれ格子先端部を連ねた包絡面の法線に対し約１０°で出射し、像面（評価面）には到達しにくい。
【００９６】
ただし、格子側面からの射出光束は、ある広がり幅を持って射出するため、スネルの法則で計算した光束の出射方向が、像面（評価面）に到達しない構成であっても、実際にはわずかな光が像面（評価面）に到達する。
【００９７】
撮像に使用される光束以外の光の強度が大きい場合には、格子側面を起因とした不要光が問題となる場合がある。
【００９８】
特に、光束が格子側面が成す角度からずれて入射した場合、格子側面に入射する光束の割合が多くなり、格子側面に入射した光が偏向されて、不要光として像面（評価面）に到達する可能性が高くなる。
【００９９】
また、格子側面に光束が入射する際に、高屈折率の材料から低屈折率の材料側へと入射する場合、格子側面の法線方向に対して臨界角以上で入射すると全反射光及びその回折光によりフレアの原因となる不要光が生じる。
【０１００】
図５は＋１０°で波長450nmの光が図１において色フィルターを配置しない状態の回折格子に入射した時の回折効率を縦軸に回折効率、横軸に回折角を取って示したグラフである。同様に図６は550nmの波長の光の場合、図７は650nmの光の波長の場合を示している。また、各グラフにおいて、５１，６１，７１は図２２に示した密着タイプの回折光学素子の回折効率を示し、５２，６２，７２は本発明の密着３層タイプの回折効率を示している。図１の回折格子凹凸タイプで正のパワーを有した回折格子を撮像光学系の絞りより前に配置した場合の回折光学素子の上側に入射した光を示しており、不要光の発生が多い側である。
【０１０１】
図5〜図７に示したように、450nmと550nmの不要光の発生は抑制されて良好であるが、650nmの光に対する不要光は大きく問題である。この発生のメカニズムについて解析を行ったところ、図４に示した屈折率の変化により説明が付くことが判明した。すなわち、図１の光線１１に示したようにフレアの発生の主原因は回折格子９の壁面部分において反射する光が回折して発生しており、低波長側においては図４に示したように４３の屈折率から４２の屈折率の樹脂に入射する界面の反射である。この時、屈折率については低屈折率材料から高屈折率材料への光の入射である。したがって、回折格子の壁面で発生する反射はフレネル反射となり、屈折率が近いために殆どの光は透過光となり像面には到達しない。一方、長波長側の光に対しては、逆に高屈折率材料と低屈折率材料の界面への光の入射であり、入射角度が大きいことから全反射となる。このため強い光が像面に到達する。
【０１０２】
図８は本発明の色フィルターの分光透過率を示したグラフである。図に示したように長波長側の光において透過率が低くなるフィルターとなっている。このフィルターを図１の１２のように壁面による反射を遮光する位置に配置する。
【０１０３】
図９は本発明のフィルターを配置した場合の650nmの光が回折光学素子に入射した時の回折効率を示したグラフである。図に示したように不要光の発生は十分に抑制された状態となる。また、他の波長については透過率がほぼ１００％であるため、大きな変化は無いため、回折光学素子としては課題であった長波長のフレアが改善されたことで、フレアの少なく良好な回折効率を有した回折光学素子となっている。
【０１０４】
すなわち、通常の遮光部材を回折格子の入射または出射側に配置すると遮光部材の幅によっては回折効率が劣化して問題となる。本発明で使用した色フィルターは長波長のみの光を遮光するため、影響が小さく問題とならない。更に回折格子のピッチの1/10以下の幅にしておけば、回折効率の劣化も少なくより望ましい。
【０１０５】
［第2実施例］
図１０は本発明の第2の実施例の説明図である。
【０１０６】
本実施例においては、第１実施例と同様、第１の回折格子８と第２の回折格子９の間に、第３の材料層１０を設けた構成となっている。
【０１０７】
但し、第１の回折格子８の格子面８ａが図中下から上に格子厚が増加する構成であるのに対し、第２の回折格子９の格子面９ａは、図中下から上に格子厚が減少する構成となっている。
【０１０８】
なお、第３の材料層１０は、両回折格子８，９の格子面８ａ，９ａと格子側面とがなすエッジ間において厚さがＤとなるように設定されている。
【０１０９】
図１０に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８に、フッ素系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．４８０、νｄ＝２１．７）を用いた。
【０１１０】
また、第２の回折格子１０には、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．５６９、νｄ＝４７．９）を用いた。
【０１１１】
一方、第３の材料層９には、大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（Ｎｄ＝１．５６４、νｄ＝２０．８）を用いた。
【０１１２】
また、本実施例においても、第２の回折格子９と第３の材料層の間で、屈折率差が小さく分散の差が大きい材料の組合せを用いているため、第１の回折格子の格子厚を低くすることができる。
【０１１３】
第1実施例と比較すると、第2の材料と第3の格子材料を交換した構成となっている。この構成は広い波長範囲について、回折効率の高い回折光学素子とするためには必須の構成である。このときの回折効率を図１１に示す、広い波長範囲に渡って高い回折効率を確保している。
【０１１４】
この構成においては、第2の材料から第3の材料に入射する境界における反射光が像面に到達する。したがって、短波長側において高屈折率材料から低屈折率材料に光が入射することになり、全反射が発生する。この反射光に対しては短波長がの波長の光を吸収するフィルターが有効であり、本実施例においてはフィルターの透過率特性を短波長側が低くなる構成としている。
【０１１５】
本発明の回折光学素子はフレアが抑制された素子であるため、撮像装置の絞りより前に配置しても良好な性能が確保できる。
【０１１６】
以下に撮像装置について説明する。図２２において２１０は一眼レフカメラ本体、２１１は本発明の撮像装置に用いられる交換レンズである。２１２は交換レンズ２１１を通して得られる被写体像を記録するフィルムや撮像素子等の感光面である。２１３は交換レンズ２１１からの被写体像を観察するファインダー光学系である。２１４は交換レンズ２１１からの光を感光面２１２方向とファインダー光学系２１３方向に切り替えて伝送するための回動するクイックリターンミラーである。
【０１１７】
ファインダーで被写体像を観察する場合は、クイックリターンミラー２１４を介してピント板２１５に結像した被写体像をペンタプリズム２１６で正立像とした後、接眼光学系２１７で拡大して観察する。
【０１１８】
撮影時にはクイックリターンミラー２１４が矢印方向に回動して被写体像は記録手段２１２に結像して記録される。２１８はサブミラー、２１９は焦点検出装置である。
【０１１９】
このように本発明では、前述した撮像光学系を用いることにより、高い光学性能を有した撮像装置を実現している。
【０１２０】
尚、本発明はクイックリターンミラーのないＳＬＲ（Single  Lens  Reflex）カメラにも同様に適用することができる。
【０１２１】
色フィルターの作製方法については種々の方法が考えられる。
【０１２２】
たとえば、色フィルターは染料または顔料をベースとしたカラーレジストを回折光学素子を成形する基盤ガラス上に塗布して硬化させることに作製することが出来る。
【０１２３】
また、色フィルターは染料または顔料をベースとしたカラーレジストを回折格子の格子を形成する樹脂上に塗布して硬化させることによっても作製することが出来る。
【０１２４】
更に色フィルターは誘電体膜により構成し、真空蒸着等の薄膜技術により作製することも可能である。
【０１２５】
また、作製プロセスとしては真空蒸着、ホトリソグラフィ工程、染料または顔料タイプのインクを格子付近に塗布等の手法が考えられる。
【符号の説明】
【０１２６】
１  回折光学素子
２  第１の素子部
３  第２の素子部
【図１】
2012252168.tif 000004
【図２】
2012252168.tif 000005
【図３】
2012252168.tif 000006
【図４】
2012252168.tif 000007
【図５】
2012252168.tif 000008
【図６】
2012252168.tif 000009
【図７】
2012252168.tif 000010
【図８】
2012252168.tif 000011
【図９】
2012252168.tif 000012
【図１０】
2012252168.tif 000013
【図１１】
2012252168.tif 000014
【図１２】
2012252168.tif 000015
【図１３】
2012252168.tif 000016
【図１４】
2012252168.tif 000017
【図１５】
2012252168.tif 000018
【図１６】
2012252168.tif 000019
【図１７】
2012252168.tif 000020
【図１８】
2012252168.tif 000021
【図１９】
2012252168.tif 000022
【図２０】
2012252168.tif 000023
【図２１】
2012252168.tif 000024
【図２２】
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