(57)【要約】【課題】設計次数の回折効率の劣化を抑制しつつ、格子垂直面から発生した光、及び多重反射光の像面（評価面）に到達する光量が抑制された回折光学素子を得ること。【解決手段】複数の回折格子を積層した回折格子であり、単位周期構造内において、各層の回折格子における位相変化が不整合である領域が少なくとも単位周期の３割以上の領域を占め、かつ回折格子全体としての位相変化は概整合していることを特徴とする回折光学素子。【選択図】図２
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【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格子であり、単位周期構造内において、各層の回折格子における位相変化が不整合である領域が少なくとも単位周期の３割以上の領域を占め、かつ回折格子全体としての位相変化は概整合していることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
該回折格子の最小周期単位において、光線入射側の層から順に、屈折率を、Ｎ１、Ｎ２、・・・、Ｎ（ｉ＋１）、光線入射側の回折格子から順に格子厚をｄ１、ｄ２、・・・、ｄ（ｉ）としたとき、
０．８５＜｜（Σ（Ｎ（ｉ＋１）−Ｎ（ｉ））×ｄ（ｉ））／λ｜＜１．１５
であることを特徴とする請求項１に記載の回折格子。
ここで、ｄ（ｉ）は、光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が増加するとき正の値を取り、
光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が減少するとき負の値を取るものとする。
【請求項３】
ｄ線における屈折率差ΔＮが、以下の条件式を満たす材料の組合せが少なくとも一つ以上あることを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
ΔＮ＜０．１
【請求項４】
屈折光学素子と、請求項１から３のいず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光学系。
【請求項５】
前記光学系は、固体撮像素子に像を形成することを特徴とする請求項４に記載の光学系。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する固体撮像素子とを備え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、回折光学素子およびこれを有する光学系に関し、ビデオカメラやデジタルカメラ、そしてテレビカメラ等の光学機器に用いる光学系に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
光学系（レンズ系）の色収差を減じる方法として、互いに異なった硝材の組み合わせによる方法が知られている。この他、光学系の一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。
【０００３】
回折光学素子には、色収差の補正の他、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ことが知られている。
【０００４】
ここで、屈折においては、１本の光線は屈折後も１本の光線であるのに対し、回折においては、各次数に光が分かれてしまう。そこで、レンズ系として回折光学素子を用いる場合には、使用波長領域の光束が１つの特定次数（以後設計次数とも言う）に集中するように格子構造を決定する必要がある。
【０００５】
そこで、一般的に回折レンズとして用いられる回折光学素子は、図１１のように格子面３４と、格子垂直面２５から構成されるブレーズ構造の回折光学素子が用いられる。このような、ブレーズ構造の回折光学素子は、特定の回折次数と、特定の波長に対して、高い効率で光を回折できる。
【０００６】
図１２は特許文献１に開示されている回折光学素子の要部断面図である。特許文献１にて開示されている回折光学素子は、回折格子をそれぞれ含む素子部２０２，２０３を空気層２１０を介して互いに近接させた構造（以下、「積層型ＤＯＥ」という）２０１より成っている。
【０００７】
各回折格子を構成する材料の屈折率、分散特性（アッベ数νｄ）および各層の格子部の格子厚等を最適化することにより、図１３に示すように、設計次数において可視領域全域にわたって高い回折効率を得ている。
【０００８】
しかしながらその一方で、格子垂直面２５に入射した光束は、格子垂直面で反射、屈折など格子面３４と異なる振る舞いをするため、回折レンズとしては、不要な光となり好ましくない。
【０００９】
筆者は、積層型ＤＯＥにおいて、厳密波動計算のうち厳密結合波解析（以下、ＲＣＷＡ：Regorous Coupled Wave Analysis）を用いて回折光学素子の計算を行った。その結果、積層型ＤＯＥにおいては、格子垂直面から発生した不要光が像面に到達しにくく、フレアとなりにくいことを見出した。
【００１０】
しかし、図１２に示すような積層型ＤＯＥの場合、図７に示すような多重反射光が像面に到達し、フレアとなる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０００−９８１１８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従来の構成では、格子垂直面に入射した光が像面（評価面）に到達することを十分に抑制するものではない。また、多重反射光によるフレアが考慮された回折格子ではない。
【００１３】
そこで、本発明では、設計次数の回折効率の劣化を抑えつつ、格子垂直面に入射した後に像面（評価面）に到達する光の光量、及び多重反射により像面（評価面）に到達する光の光量が抑制された回折光学素子の達成を目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記の目的を達成するために、本発明の回折光学素子は、複数の回折格子を積層した回折格子であり、単位周期構造内において、各層の回折格子における位相変化が不整合である領域が少なくとも単位周期の３割以上の領域を占め、かつ回折格子全体としての位相変化は概整合していることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、設計次数の回折効率が高く、かつ格子垂直面や多重反射による不要光が像面に到達することを抑制された回折光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態である回折光学素子の正面図および側面図。
【図２】本発明の第１実施形態を示す回折光学素子の部分断面図。
【図３】本発明の第１実施形態の回折格子の垂直面に光が入射する様子を示す図。
【図４】比較例２の回折格子の垂直面に光が入射する様子を示す図。
【図５】比較例３の回折光学素子の部分断面図。
【図６】本発明の第２実施形態を示す回折光学素子の部分断面図。
【図７】多重反射光の振る舞いを示す図。
【図８】本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。
【図９】本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。
【図１０】本発明の撮像装置の要部概略図。
【図１１】従来の回折光学素子。
【図１２】従来の回折光学素子。
【図１３】従来の回折光学素子における回折効率。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
（第１実施形態）
図１の（ａ）は、本発明の第１実施形態である回折光学素子の正面図であり、（ｂ）は上記回折光学素子の側面図である。また、図２には、図１の回折光学素子を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。但し、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。
【００１８】
これらの図に示すように、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とが中間層１０を挟んで互いに近接するように重ね合わせた構成となっている。そして、これら第１，第２の素子部２，３および中間層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。
【００１９】
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、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。また、第１の回折格子８と第２の回折格子９はほぼ等しい格子ピッチ分布を持っている。
【００２０】
また、図２に示すように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、この第１の透明基板４上に設けられた格子ベース部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格子形成層とを有している。
【００２１】
また、第１の回折格子８における中間層１０との境界部には格子面８ａ、８ｂが形成されており、格子面８ａと８ｂは位相変調作用が異なる構成となっている。
【００２２】
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いる。
【００２３】
さらに、第２の回折格子９における中間層１０との境界部には格子面９ａ、９ｂが形成されており、格子面９ａと９ｂは位相変調作用が異なる構成となっている。
【００２４】
なお、中間層１０は、両回折格子８，９の格子面８ｂ，９ｂ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。
【００２５】
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を構成する材料および格子厚さは、可視領域全体で０°入射の際の回折光の回折効率を高くするように選択している。
【００２６】
図２に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８、及び第２の回折格子９に、アクリル系樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５６７、νｄ＝４７．０、θｇＦ＝０．５６９）を用いた。
【００２７】
一方中間層１０には、フッ素系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５０４、νｄ＝１６．３、θｇＦ＝０．３９０）、を用いた。
【００２８】
また、回折格子８の格子厚ｄ１、及び回折格子９の格子厚ｄ２は共に９．２９μｍ、回折ピッチＰは２００μｍ、格子面８ａと８ｂのピッチ、Ｐａ、Ｐｂはそれぞれ１００μｍである。またエッジ間距離Ｄは１．５μｍである。
【００２９】
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、透過光の振る舞いについて述べる。
【００３０】
本実施例においては、光学系全体の光路長差φは、第１の回折格子の屈折率をＮ１、中間層の屈折率をＮ２、第２の回折格子の屈折率をＮ２とすると、垂直入射の場合、
φ＝（Ｎ１−Ｎ２）ｄ１−（Ｎ２−Ｎ３）ｄ２・・・（１）
で与えられ、φが波長の整数倍となることで、高い回折効率を得ることができる。
【００３１】
ここで、ｄ１、ｄ２の符号は、図中上から下に格子厚が増える場合に正の値を取るものとする。
【００３２】
回折格子８ａ、９ａを通る光束においては、ｄ１＝０、ｄ２＝９．２９μｍであるので、光路長差φａは、０．５８５である。回折格子８ｂ、９ｂを通る光束においては、ｄ１＝９．２９μｍ、ｄ２＝０μｍであるので、光路長差φｂはφａと同じく０．５８５となる。
【００３３】
つまり、ピッチＰａの領域とピッチＰｂの領域では位相が整合していることが分かる。そのため、回折光学素子１全体として高い回折効率を得ることができる。
【００３４】
次に、本実施例の回折格子において垂直面に光が入射した時の不要光の振る舞いについて述べる。図３に示すように、本実施例の回折格子に−１０°の角度を持った光束が入射した場合、及び比較例として、図４に示すような従来の構成の回折光学素子に−１０°の角度を持った光が入射した時について、ＲＣＷＡを用いて出射光の光量を計算した。
【００３５】
図４に示す比較例１の構成において、第１の回折格子８を成す材料は、実施例１における第１の回折格子８の材料と同一であり、比較例１の第２の回折格子９を成す材料は、実施例１における中間層１０の材料と同一である。比較例１の格子厚ｄ１は１８．５７μｍである。
【００３６】
実施例１と比較例１は、共に位相変調作用はほぼ同一であり、共に高い回折効率を有する構成である。なお、実施例１と比較例１の構成の回折光学素子は、出射角０°付近の光が像面に到達する光学系中に配置している。
【００３７】
ＲＣＷＡの計算結果の出射角度０°付近（像面に到達する不要光）の回折効率を比べてみると、比較例１においては、０．００１４％、実施例１においては、０．０００５％と、大幅に改善していることが分かる。
【００３８】
これは、本実施例のような積層型ＤＯＥとすることで、第１の回折格子の垂直面に入射した光が、第２の回折格子の格子面や垂直面によって散乱され、低減されるためである。
【００３９】
次に多重反射による不要光の振る舞いについて述べる。比較例２として、図５に示すような構成の回折格子を考える。比較例２は、本実施例１と材料構成は同一であり、回折面８、９が連続的となっている構成である。比較例２のような構成においても、格子垂直面に入射した光が像面に到達することを抑制する効果はあるが、このような積層型ＤＯＥでは、多重反射による不要光が発生しやすい。
【００４０】
そこで、本実施例のように領域によって回折格子８と回折格子９の格子厚を変更することで、透過光の光路長は変えずに多重反射による光のみを分散することができる。
【００４１】
実施例１の２つの領域Ｐａ、及びＰｂにおいて、０°、＋１０°、−１０°入射で光が入射した場合、及び比較例２においての、透過光と多重反射光の出射角を幾何トレースによって計算した結果を表１に示す。
【００４２】
【表１】
2012159725.tif 000003
【００４３】
表１から分かるように、実施例１において、透過光出射角度では、領域ＰａとＰｂにおいては出射角度はさほど変わらないことからも位相が整合している事が分かる。また、実施例１の多重反射光の出射角度は領域ＰａとＰｂにおいて異なっており、多重反射光が分散されている事が分かる。
【００４４】
それに対し比較例２は全領域で多重反射光が同一の出射角度となるので、多重反射光の強度が強めあい、不要光として好ましくない事が分かる。
【００４５】
ＲＣＷＡ計算によって、−１０°入射における多重反射光の強度を計算すると、本実施例１においては、０．０００５％、比較例２においては０．０００７％となっており、本実施例において、多重反射光が軽減されていることが分かる。
【００４６】
なお、本発明は高回折効率を持つ回折格子を目的としている。そのためには、該回折格子の最小周期単位において、光線入射側の層から順に、屈折率を、Ｎ１、Ｎ２、・・・、Ｎ（ｉ＋１）、光線入射側の回折格子から順に格子厚をｄ１、ｄ２、・・・、ｄ（ｉ）としたとき、
０．８５＜｜（Σ（Ｎ（ｉ＋１）−Ｎ（ｉ））×ｄ（ｉ））／λ｜＜１．１５・・・（２）
なる条件を満たすと、高回折効率を持った回折格子を得ることができる。
【００４７】
ここで、ｄ（ｉ）は、光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が増加するとき正の値を取り、光軸から遠ざかるにつれて、格子厚が減少するとき負の値を取るものとする。また、本実施形態においては、第１の回折格子と第２の回折格子を同じ材料とした。
【００４８】
本発明において、高い回折効率を持ち、かつ多重反射光を抑制した回折格子を得る為には、少なくとも２つの格子材料の屈折率が近い方が好ましい。これは、回折格子の屈折率が近ければ近い程、格子面の形状自由度が増し、多重反射光を分散しやすくなるためである。
【００４９】
例えば、本実施例１の第１の回折格子と第２の回折格子の屈折率差が大きくなると、領域Ｐａと領域Ｐｂの格子面形状を変化させた時の回折効率の劣化が大きくなっていく。特に可視域全域で高回折効率を得ることが困難となっていく。
【００５０】
そのため、積層型ＤＯＥの材料のうち、ｄ線における屈折率差ΔＮが以下の条件式を満たす材料の組合せが少なくとも一つ以上あることが望ましい。
【００５１】
ΔＮ＜０．１・・・（３）
さらに望ましくは、以下の範囲とすることが望ましい。
【００５２】
ΔＮ＜０．０５・・・（３ｂ）
（第２実施形態）
図１の（ａ）は、本発明の第２実施形態である回折光学素子の正面図であり、（ｂ）は上記回折光学素子の側面図である。また、図６には、図１の回折光学素子を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。但し、図６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。
【００５３】
これらの図に示すように、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とが空気層１０を挟んで互いに近接するように重ね合わせた構成となっている。そして、これら第１，第２の素子部２，３および空気層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。
【００５４】
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、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。また、第１の回折格子８と第２の回折格子９はほぼ等しい格子ピッチ分布を持っている。
【００５５】
また、図６に示すように、第１の素子部２は、第１の透明基板４と、この第１の透明基板４上に設けられた格子ベース部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格子形成層とを有している。
【００５６】
また、第１の回折格子８における空気層１０との境界部には格子面８ａ、８ｂが形成されており、格子面８ａと８ｂは位相変調作用が異なる構成となっている。
【００５７】
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いる。
【００５８】
さらに、第２の回折格子９における空気層１０との境界部には格子面９ａ、９ｂが形成されており、格子面９ａと９ｂは位相変調作用が異なる構成となっている。
【００５９】
なお、空気層１０は、両回折格子８，９の格子面８ｂ，９ｂ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。
【００６０】
図６に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８には、アクリル系樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５６９、νｄ＝２２．７、θｇＦ＝０．４３５）を用いた。
【００６１】
一方第２の回折格子９には、アクリル系樹脂（ｎｄ＝１．５２４、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５７６）、を用いた。
【００６２】
また、回折格子８の領域Ｐａの格子厚ｄ１ａは６．８６μｍ、領域Ｐｂの格子厚ｄ１ｂは５．９４μｍであり、回折格子９の領域Ｐａの格子厚ｄ２ａは７．００μｍ、領域Ｐｂの格子厚ｄ２ｂは８．００μｍである。回折ピッチＰは１００μｍ、格子面８ａと８ｂのピッチ、Ｐａ、Ｐｂはそれぞれ５０μｍである。またエッジ間距離Ｄは１．５μｍである。
【００６３】
実施例１と同様に、本実施例２において、透過光と多重反射光の出射角を幾何トレースによって計算した結果を表２に示す。
【００６４】
なお、比較例３として、本実施例２と同様の構成で、ｄ１ａ＝ｄ１ｂ＝６．４μｍ、ｄ２ａ＝ｄ２ｂ＝７．５μｍとなる構成の結果を示す。
【００６５】
【表２】
2012159725.tif 000004
【００６６】
表２から分かるように、実施例２において、透過光出射角度では、領域ＰａとＰｂにおいては出射角度はさほど変わらないことからも位相が整合している事が分かる。
【００６７】
また、実施例２の多重反射光の出射角度は領域ＰａとＰｂにおいて異なっており、多重反射光が分散されている事が分かる。
【００６８】
それに対し比較例３は全領域で多重反射光が同一の出射角度となるので、多重反射光の強度が強めあい、不要光として好ましくない事が分かる。
【００６９】
ＲＣＷＡ計算によって、０°入射における多重反射光の強度を計算すると、本実施例２においては、０．１１６％、比較例２においては０．０９５％となっており、本実施例において、多重反射光が軽減されていることが分かる。
【００７０】
なお、本発明においては、単位周期のうち半分の領域の格子形状を変形させた回折格子の構成としたが、本発明はこれに限るものではない。
【００７１】
望ましくは、単位周期のうち３割以上の領域において格子形状を変形させることで、多重反射光を十分分散させることができる。
【００７２】
図８には、本発明の回折光学素子を用いた、カメラ（スチルカメラやビデオカメラ等）の撮影（結像）光学系の構成を示している。
【００７３】
この図中、１０１は大部分が屈折光学素子（例えば通常のレンズ素子）で構成される撮影レンズであり、内部に開口絞り１０２と第１実施形態にて説明した回折光学素子１を有する。１０３は結像面に配置されたフィルム又はＣＣＤ等の撮影媒体である。
【００７４】
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１０１中の屈折光学素子で発生する色収差をそして、回折光学素子１は、上記のように、従来のものに比べて不要光が大幅に抑制されている。これにより、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有した撮影光学系を実現することができる。
【００７５】
なお、本実施形態では、絞り１０２の近傍に配置された平板ガラス面に回折光学素子１を設けているが、本発明はこれに限定するものではなく、回折光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、撮影レンズ１０１内に回折光学素子１を複数個配置してもよい。
【００７６】
図９には、本発明の第４実施形態である双眼鏡の観察光学系の構成を示している。この図中、１０４は対物レンズ、１０５は倒立像を正立させるためのプリズム、１０６は接眼レンズ、１０７は評価面（瞳面）である。１は第１、第２実施形態にて説明した回折光学素子であり、対物レンズ１０４の結像面１０３での色収差等を補正する目的で設けられている。
【００７７】
この観察光学系は、第１実施形態にて説明したように、回折効率特性が従来のものに比べて大幅に改善されているので、フレア光が少なく低周波数での解像力も高く、高い光学性能を有する。
【００７８】
なお、本実施形態では、平板ガラス面に回折光学素子１を設けた場合について説明したが、本発明はこれに限定されず、回折光学素子１をレンズの凹面又は凸面上に設けてもよい。さらに、観察光学系内に回折光学素子１を複数個配置してもよい。
【００７９】
また、本実施形態では、対物レンズ部に回折光学素子１を設けた場合を示したが、これに限らず、プリズム１０５の表面や接眼レンズ１０６内の位置に設けることもでき、この場合も先に説明したのと同様の効果が得られる。
【００８０】
但し、回折光学素子１を結像面１０３より物体側に設けることで対物レンズ部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部に設けることが望ましい。
【００８１】
また、本実施形態では、双眼鏡の観察光学系について説明したが、本発明の回折光学素子は、地上望遠鏡や天体観測用望遠鏡等の観察光学系にも適用することができる。さらにはレンズシャッターカメラやビデオカメラなどの光学式ファインダーにも適用することができ、先に説明したのと同様の効果が得られる。
【００８２】
次に本発明の回折光学素子を有した光学系を撮影光学系としてもちいたデジタルスチルカメラ（撮像装置）の実施例を図１０をもちいて説明する。本発明の光学系によって構成された撮影光学系、２２はカメラ本体に内蔵され、撮影光学系２１によって形成された被写体像を受光するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子（光電変換素子）である。
【００８３】
２３は撮像素子２２によって光電変換された被写体像に対応する情報を記録するメモリ、２４は液晶ディスプレイパネル等によって構成され、固体撮像素子２２上に形成された被写体像を観察するためのファインダである。
【００８４】
このように本発明の光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像素子に適用することにより、フレアの少なく、十分な透明性を持ち、高い光学性能を有する撮像装置を実現している。
【符号の説明】
【００８５】
１  回折光学素子
２  第１の素子部
３  第２の素子部
４  第１の基板
５  第２の基板
６  第１の格子ベース部
７  第２の回折ベース部
８  第１の回折格子
９  第２の回折格子
１０  中間媒質からなる層
２５  格子垂直面
３４  格子面
１０１  撮影レンズ
１０２  絞り
１０３  結像面
１０４  対物レンズ
１０５  プリズム
１０６  接眼レンズ
１０７  評価面（瞳面）
【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】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
2012159725.tif 000013
【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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