(57)【要約】      （修正有）【課題】設計次数の回折光における回折効率の波長特性を均一にする。【解決手段】ブレーズ構造を有する第１の回折格子１と第２の回折格子２を密着することによって形成される回折光学素子１０において、第１、第２の回折格子１、２の少なくとも一つは面法線方向に屈折率分布を有する材料から構成され、可視波長帯域内の任意の波長λに対して、以下の式を満たす。ΔΦ１（λ）＝１−｛ｎ２２（λ）−ｎ１１（λ）｝ｄ／ｍλ、ΔΦ２（λ）＝１−｛ｎ２１（λ）−ｎ１２（λ）｝ｄ／ｍλ、ΔΦ１（λ）×ΔΦ２（λ）＜０。但し、ｎ１１（λ）、ｎ１２（λ）は第１の回折格子のベース部１１、頂点部１２の前記波長λの光に対する屈折率、ｎ２１（λ）、ｎ２２（λ）は前記第２の回折格子のベース部２１、頂点部２２の前記波長λの光に対する屈折率、ｄは前記第１、第２の回折格子の格子高さの絶対値、ｍは設計次数である。【選択図】図２
2013125259.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれ鋸歯形状を有する複数の格子が格子周期方向に並ぶブレーズ構造を有する第１の回折格子と第２の回折格子を密着することによって形成される回折光学素子であって、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の少なくとも一つは前記格子周期方向に垂直な面法線方向に屈折率分布を有する材料から構成され、可視波長帯域内の任意の波長λに対して、以下の式を満たすことを特徴とする回折光学素子。
ΔΦ１（λ）＝１−｛ｎ２２（λ）−ｎ１１（λ）｝ｄ／ｍλ
ΔΦ２（λ）＝１−｛ｎ２１（λ）−ｎ１２（λ）｝ｄ／ｍλ
ΔΦ１（λ）×ΔΦ２（λ）＜０
ただし、ｎ１１（λ）、ｎ１２（λ）はそれぞれ前記第１の回折格子の前記鋸歯形状のベース部、前記第１の回折格子の前記鋸歯形状の頂点部の前記波長λの光に対する屈折率、ｎ２１（λ）、ｎ２２（λ）はそれぞれ前記第２の回折格子の前記鋸歯形状のベース部、前記第２の回折格子の前記鋸歯形状の頂点部の前記波長λの光に対する屈折率、ｄは前記第１、第２の回折格子の格子高さの絶対値、ｍは設計次数である。
【請求項２】
前記屈折率分布は前記面法線方向に単調に増加または単調に減少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】
ΔΦ１（λ）×ΔΦ２（λ）は前記波長λが短波長になるほど小さくな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】
ΔΦ１（λ）＋ΔΦ２（λ）が０となる波長が前記可視波長帯域内に一つ以上あることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
ΔΦ１（λ）＋ΔΦ２（λ）が前記波長λに対して、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
｜ΔΦ１（λ）＋ΔΦ２（λ）｜＜０．０３
【請求項６】
ΔΦ１（λ）＋ΔΦ２（λ）が前記可視波長帯域内の１／２以上の帯域において、前記波長λが短波長になるほど大きくなるまたは小さくなることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記波長λに対して、以下の式を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
０．９８＜｛ｎ１ａｖ（λ）−ｎ２ａｖ（λ）｝ｄ／ｍλ＜１．０２
ただし、ｎ１ａｖ（λ）、ｎ２ａｖ（λ）はそれぞれ次式に示す平均屈折率である。
ｎ１ａｖ（λ）＝｛ｎ１１（λ）＋ｎ１２（λ）｝／２
ｎ２ａｖ（λ）＝｛ｎ２１（λ）＋ｎ２２（λ）｝／２           
【請求項８】
前記屈折率分布のｄ線の屈折率差の最大が０．００２以上で０．０１５以下であることを特徴とする請求項１乃至７のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記屈折率分布を有する前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の少なくとも一つは微粒子を分散させた樹脂を含むことを特徴とする請求項１乃至８のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記微粒子の分散比率が前記面法線方向で異なっていることを特徴とする請求項９に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記微粒子はＩＴＯ微粒子であることを特徴とする請求項９または１０に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
前記屈折率分布が体積比率で０．５％以上で５％以下であることを特徴とする請求項９乃至１１のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１３】
前記屈折率分布は前記ベース部よりも前記頂点部のほうが大きいことを特徴とする請求項１乃至１２のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１４】
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の一方は前記ベース部よりも前記頂点部の方が大きい前記屈折率分布を有し、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の他方は屈折率が一定であるか前記ベース部よりも前記頂点部の方が小さい前記屈折率分布を有し、
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の一方の前記屈折率分布の最大屈折率差の絶対値は、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の他方の最大屈折率の絶対値よりも大きいことを特徴とする請求項１３に記載の回折光学素子。
【請求項１５】
前記第１の回折格子と前記第２の回折格子がともに前記ベース部よりも前記頂点部の方が大きい屈折率分布を有する材料から構成されていることを特徴とする請求項１３に記載の回折光学素子。
【請求項１６】
前記設計次数は＋１次または−１次であることを特徴とする請求項１乃至１５のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１７】
前記回折光学素子は格子ピッチが８０μｍ以上で１０ｍｍ以下あることを特徴とする請求項１乃至１６のうちいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１８】
請求項１乃至１７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１９】
請求項１８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、光学系および光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）と特定の波長に対して高い効率で光を回折することができる。特許文献１は、特定次数の回折効率を可視波長帯域全域で十分高く得るために、２つの回折格子を密着配置し、各回折格子を構成する材料に低屈折率高分散材料と高屈折率低分散材料を用い、回折格子の高さを適切に設定した構成を開示している。なお、以下、このような回折光学素子を「密着２層ＤＯＥ」という。特許文献２は、可視波長域全域で９９％以上の高い回折効率を得るために部分分散比θｇＦが通常の材料より小さな値（リニア異常分散性）を有する材料を用いることを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特登録３７１７５５５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】
【０００４】
しかしながら、回折作用しない壁面部の振る舞いによって、設計次数の回折光における回折効率の波長特性が長波長側のほうが低くなり、青波長よりも赤波長帯域の回折効率が低く、設計次数以外の不要回折光も赤波長のほうが目立ち易くなる。また、設計次数の回折光のカラーバランスをとるために反射防止膜や画像処理等を用いて赤波長帯域を相対的に上げると、不要光である赤波長がさらに強調され、目立ってしまう。
【０００５】
本発明は、設計次数の回折光における回折効率の波長特性のばらつきを低減することが可能な回折光学素子、光学系および光学機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の回折光学素子は、それぞれ鋸歯形状を有する複数の格子が格子周期方向に並ぶブレーズ構造を有する第１の回折格子と第２の回折格子を密着することによって形成される回折光学素子であって、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の少なくとも一つは前記格子周期方向に垂直な面法線方向に屈折率分布を有する材料から構成され、可視波長帯域内の任意の波長λに対して、以下の式を満たすことを特徴とする。
【０００７】
ΔΦ１（λ）＝１−｛ｎ２２（λ）−ｎ１１（λ）｝ｄ／ｍλ
ΔΦ２（λ）＝１−｛ｎ２１（λ）−ｎ１２（λ）｝ｄ／ｍλ
ΔΦ１（λ）×ΔΦ２（λ）＜０
但し、ｎ１１（λ）、ｎ１２（λ）は前記第１の回折格子の前記鋸歯形状のベース部、前記第１の回折格子の前記鋸歯形状の頂点部の前記波長λの光に対する屈折率、ｎ２１（λ）、ｎ２２（λ）はそれぞれ前記第２の回折格子の前記鋸歯形状のベース部、前記第２の回折格子の前記鋸歯形状の頂点部の前記波長λの光に対する屈折率、ｄは前記第１、第２の回折格子の格子高さの絶対値、ｍは設計次数である。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、設計次数の回折光における回折効率の波長特性のばらつきを低減することが可能な回折光学素子、光学系および光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】回折光学素子の平面図及び側面図である。（実施例１〜８）
【図２】図１のＡ−Ａ’線に沿った回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例１、２）
【図３】図２に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例１）
【図４】図２に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例２）
【図５】本発明の回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例３）
【図６】図５に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例３）
【図７】本発明の回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例４）
【図８】図７に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例４）
【図９】本発明の回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例５）
【図１０】図９に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例５）
【図１１】本発明の回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例６）
【図１２】図１１に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例６）
【図１３】本発明の回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例７）
【図１４】図１３に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例７）
【図１５】本発明の回折光学素子の部分拡大断面図である。（実施例８）
【図１６】図１３に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。（実施例８）
【図１７】図１に示す回折光学素子を有する光学系の断面図である。（実施例１〜８）
【図１８】比較例１の回折光学素子の部分断面図である。
【図１９】図１８に示す回折光学素子の回折効率のグラフである。
【図２０】比較例２の回折光学素子の回折効率のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
図１は本実施形態のＤＯＥ１０の正面図及び側面図である。平板又はレンズより成る基板レンズ２０、３０の面に回折光学素子（ＤＯＥ）１０が形成されている。本実施例では、ＤＯＥ１０が形成されている基板レンズ２０、３０の面は曲面となっている。ＤＯＥ１０は光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状からなり、レンズ作用を有している。
【００１１】
図１７は、デジタルスチルカメラの撮影レンズ（撮影光学系）１０１の断面図であり、撮影レンズ１０１は絞り４０とＤＯＥ１０を有している。４１は結像面で、フィルムまたはＣＣＤ等の光電変換素子が配置されている。ＤＯＥ１０は撮影レンズ１０１の色収差を補正する。ＤＯＥ１０は、後述するように、波長特性が良好で高い回折効率を有するので、高性能な撮影レンズが得られる。
【００１２】
図１７では前玉のレンズの貼り合せ面にＤＯＥ１０が設けられているが、これに限定されるものではなく、別の個所に設けたり、撮影レンズ内に複数ＤＯＥ１０を使用したりしてもよい。
【００１３】
また、光学機器と光学系はデジタルスチルカメラの撮影レンズに限定されず、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、デジタル複写機のリーダーレンズなど広波長域で使用される光学機器に適用可能である。
【００１４】
以下に、ＤＯＥ１０の実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１５】
図２（ａ）は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例１のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。図２（ａ）は、格子形状を分かりやすくするために、格子高さ（深さ）方向にかなりデフォルメされ、基板レンズ２０、３０のＤＯＥ１０が形成される面を平面としている。
【００１６】
ＤＯＥ１０は、第１の回折格子１と第２の回折格子２が密着配置（積層）した密着ＤＯＥの構成となっている。第１、第２の回折格子１、２は同心円状のブレーズ構造の格子形状からなり、格子ピッチを中心（光軸）から周辺へ向かって徐々に変化させることでレンズ作用（収斂作用又は発散作用）を得ている。そして、各回折格子１、２は、全層を通して一つのＤＯＥ１０として作用している。また、ブレーズ構造にすることで、ＤＯＥ１０に入射した入射光は特定の回折次数（図では＋１次）方向に集中して回折する。ブレーズ構造は鋸歯形状を有する複数の格子が格子周期方向（図１では光軸から周辺に向かう方向）に並ぶ構造を有する。
【００１７】
また、ＤＯＥ１０の使用波長領域は可視域であるため、可視領域全体で設計次数の回折光の回折効率が高くなるように、第１の回折格子１及び第２の回折格子２を構成する材料及び格子高さを選択している。即ち、複数の回折格子（第１、第２の回折格子１，２）を通過する光の最大光路長差（回折部の山と谷の光学光路長差の最大値）が使用波長域内で、その波長の整数倍付近となるよう、各回折格子の材料及び格子高さが定められている。このように回折格子の材料、形状を適切に設定することによって、使用波長全域で高い回折効率が得られる。なお、一般的に、回折格子の格子高さは、格子周期方向に垂直な方向（面法線方向）の格子先端と格子溝の高さで定義される。
【００１８】
まず、従来のスカラー回折理論を用いた回折効率について図１８を用いて説明する。図１８は、図２（ａ）に対応した比較例としてのＤＯＥ５０の部分拡大断面図であり、ＤＯＥ５０は、第１の回折格子５１と第２の回折格子５２からなる密着ＤＯＥである。
【００１９】
図１８の左下のグラフの横軸は第１の回折格子５１のベース面（破線）の面法線方向におけるベース部６１から頂点部６２の位置、縦軸は第１の回折格子５１の位置に対して第１の回折格子５１を構成する材料の屈折率である。図１８の右下のグラフの横軸は第２の回折格子５２のベース面（破線）の面法線方向におけるベース部６１から頂点部６２の位置、縦軸は第２の回折格子５２の位置に対して第２の回折格子５２を構成する材料の屈折率である。スカラー回折理論において、回折格子を構成する材料は均一屈折率であることを想定している。
【００２０】
ＤＯＥ５０は２つの回折格子の格子面を密着した構成のため、回折格子のベース面に対する垂直入射、波長λで、回折次数ｍの回折光の回折効率が最大となる条件式は以下となる。                                
【００２１】
（ｎ２−ｎ１）ｄ＝ｍλ           （１）
（１）式で、ｎ１は第１の回折格子５１を形成する材料の波長λでの屈折率、ｎ２は第２の回折格子５２を形成する材料の波長λでの屈折率、ｄは第１の回折格子５１および第２の回折格子５２の格子高さ、ｍは回折次数である。ｄの符号は図１８中のように０次回折光から下向きに回折する光線を正の回折次数とした場合、図中下から上に回折格子の格子高さが増加する場合は負、減少する場合は正とする。
【００２２】
図１８の構成において、波長λでの回折効率η（λ）は以下となる。
【００２３】
η（λ）＝ｓｉｎｃ２［π｛ｍ−（ｎ２−ｎ１）ｄ／λ｝］       （２）
第１の回折格子５１に低屈折率高分散材料、第２の回折格子５２に高屈折率低分散材料を用いることによって密着２層ＤＯＥにおいて広い波長帯域で高い回折効率を得ることができる。さらに、可視域全域で９９％以上の回折効率を得るためには低屈折率高分散材料に部分分散比θｇＦが通常の材料より小さいリニア分散特性を有する材料を用いることが知られている。このリニア分散特性を得るために、ＩＴＯ微粒子をベース樹脂材料に分散させる方法が知られている。
【００２４】
特許文献１〜２に開示されている回折光学素子はいずれもスカラー回折理論を用いて回折効率を計算し、設計評価を行っている。スカラー回折理論は回折格子のピッチが波長と比べて十分大きい場合に精度高く計算できることが知られているが、回折格子の壁面部５４の振る舞いについては考慮されていない。
【００２５】
次に、厳密電磁場計算を用いた回折効率について説明する。回折光学素子の壁面部も考慮して計算できる手法として厳密電磁場計算が挙げられる。我々は厳密電磁場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回折効率の評価を行った。
【００２６】
従来の回折格子はスカラー回折理論に従った均一材料を用いているが、本実施例の回折光学素子は回折格子がベース面の面法線方向に屈折率分布を有する材料から構成されている。本実施例は、図２（ａ）に示すように、第１の回折格子１が面法線方向に屈折率分布を有する材料を用いている。
【００２７】
図２（ａ）の左下のグラフの横軸は第１の回折格子１のベース面（破線）の面法線方向におけるベース部１１から頂点部１２の位置、縦軸は第１の回折格子１を構成する材料の屈折率である。図２（ａ）の右下のグラフは回折格子２について、回折格子１と同様のグラフである。
【００２８】
第１の回折格子１はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂で構成され、屈折率分布を有している。ベース部１１の屈折率ｎ１１はＩＴＯ微粒子が１３．９５％混合された屈折率に相当し、頂点部１２の屈折率ｎ１２はＩＴＯ微粒子が１６．０５％混合された屈折率に相当する。そして、ベース部１１から頂点部１２に対して線形に（または単調に）増加する屈折率分布を形成している。このように、ＩＴＯ微粒子の分散比率は面法線方向で１３．９５％と１６．０５％と異なっている。
【００２９】
第２の回折格子２はアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を均一に６％混合された紫外線硬化樹脂で構成されている。
【００３０】
表１に第１、第２の回折格子１、２のそれぞれのベース部の屈折率、頂点部の屈折率の数値を示す。格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは１００μｍである。
【００３１】
【表１】
2013125259.tif 000003
【００３２】
屈折率分布を有する密着２層ＤＯＥ構成の回折光学素子の屈折率関係について、以下の式でΔΦ１およびΔΦ２で定義する。
【００３３】
ΔΦ１（λ）＝１−｛ｎ２２（λ）−ｎ１１（λ）｝ｄ／ｍλ
ΔΦ２（λ）＝１−｛ｎ２１（λ）−ｎ１２（λ）｝ｄ／ｍλ            （３）
図２（ｂ）に示すように、（３）式のΔΦ１は第１の回折格子のベース部と第２の回折格子の頂点部による位相変化（図２（ｂ）の光線Ｌ１）、ΔΦ２は第１の回折格子の頂点部と第２の回折格子のベース部による位相変化（図２（ｂ）の光線Ｌ２）に相当する。また、ΔΦ１およびΔΦ２が０となる場合がスカラー回折理論で設計次数の回折効率が１００％となる条件で、正の場合は位相が進み、負の場合は位相が遅れることに相当する。
【００３４】
回折格子の構成する材料に屈折率分布がある場合はΔΦ１とΔΦ２が異なり、位相ズレが発生するため、回折効率が悪化することになる。しかしながら、ΔΦ１とΔΦ２の位相変化を相殺する（例えばΔΦ１を正、ΔΦ２を負）ことによって、屈折率分布を有する密着２層ＤＯＥの設計次数の回折光の回折効率を高くすることができる。
【００３５】
図３は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフである。
【００３６】
図３（ａ）は、設計次数である＋１次回折光の回折効率の波長特性を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）である。可視波長帯域である４３０〜６８０ｎｍに対して、壁面部の振る舞いを考慮した回折効率がほぼ均一になっている。
【００３７】
図３（ｂ）は、波長４５０ｎｍ（黒丸）、５５０ｎｍ（黒四角）、６５０ｎｍ（黒三角）の−３次から＋５次の低次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。０次および＋２次の回折光が６５０ｎｍと比較して４５０ｎｍのほうが大きくなっている。
【００３８】
図３（ｃ）は、波長４５０ｎｍ（実線）、５５０ｎｍ（破線）、６５０ｎｍ（点線）の高次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。
【００３９】
図３（ｃ）より−６０次〜−４０次付近の不要回折光のピークは４５０ｎｍと比較して６５０ｎｍのほうが大きい。これは壁面部に垂直入射でも発生する回折現象で、波長に応じてほぼ同じ割合で変化している。この高次光と低次光の不要光をバランスさせることによって、設計次数の回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。
【００４０】
この短波長側の低次の回折光については比較的目立たないため問題はない。また、最近の光学機器のデジタル化や大型プリントに要求される撮影光学系の高画質化に伴うレンズ枚数の増加によって、短波長側の吸収が大きくなる傾向にあるため、短波長側の低次の回折光はより問題のない傾向にある。
【００４１】
実施例１の（３）式のΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、次式で定義するΦavの各数値を表２に示す。
【００４２】
Φａｖ（λ）＝｛ｎ１ａｖ（λ）−ｎ２ａｖ（λ）｝ｄ／ｍλ     （４）
ただし、  ｎ１ａｖ（λ）、ｎ２ａｖ（λ）はそれぞれ第１、第２の回折格子１、２の材料のベース部、頂点部の波長λにおける平均屈折率であり、次式で定義する。
【００４３】
ｎ１ａｖ（λ）＝｛ｎ１１（λ）＋ｎ１２（λ）｝／２           （５）
ｎ２ａｖ（λ）＝｛ｎ２１（λ）＋ｎ２２（λ）｝／２           （６）
【００４４】
【表２】
2013125259.tif 000004
【００４５】
回折格子の少なくとも１つの回折格子が面法線方向に屈折率分布を有する材料で構成され、屈折率が可視波長帯域内の任意の波長λに対して、以下の式を満たすことによって、回折効率の波長特性がほぼ均一になることを見出した。
【００４６】
ΔΦ１（λ）×ΔΦ２（λ）＜０   （７）
（７）式を満足することによって、第１の回折格子のベース部と第２の回折格子の頂点部による位相変化と第１の回折格子の頂点部と第２の回折格子のベース部による位相変化を相殺することができ、高い回折効率を得ることができる。（７）式を満足しないと位相変化を相殺することができないため、回折効率が低下するために好ましくない。
【００４７】
（３）式のΔΦ１とΔΦ２の積ΔΦ１×ΔΦ２が短波長ほど小さくなることによって回折効率の波長特性をほぼ均一にすることができる。この関係を満足することによって短波長側の高次光と低次光の不要光をバランスさせることができる。
【００４８】
（３）式のΔΦ１とΔΦ２の和ΔΦ１＋ΔΦ２が０となる波長が可視波長帯域内に少なくとも存在することによって回折効率の波長特性をほぼ均一にすることができる。この関係を満足することによって可視波長全域に対して回折効率の波長特性をほぼ均一にすることができる。
【００４９】
ΔΦ１＋ΔΦ２が可視波長帯域内の任意の波長λに対して、以下の式を満たすことによって波長特性の均一性と高い回折効率を得ることができる。
【００５０】
｜ΔΦ１（λ）＋ΔΦ２（λ）｜＜０．０３              （８）
この関係を満足することによって、第１の回折格子のベース部と第２の回折格子の頂点部による位相変化と第１の回折格子の頂点部と第２の回折格子のベース部による位相変化を相殺し、高い回折効率を得ることができる。
【００５１】
ΔΦ１＋ΔΦ２が可視波長帯域内の１／２以上の帯域において、短波長ほど連続して大きくなるまたは連続して小さくなることによって波長特性の均一性が向上できる。ΔΦ１＋ΔΦ２が０の場合は屈折率分布を相殺でき、スカラー回折理論と同等の回折格子となる。
【００５２】
ΔΦ１＋ΔΦ２が短波長ほど連続して大きくなるまたは連続して小さくなると、短波長ほど低次の不要光が多くなる。高次回折光の不要光は壁面部による回折現象から短波長ほど不要光は小さい。この結果、高次光と低次光の不要光をバランスさせることができるため、設計次数の回折効率の波長特性の均一性を向上させることができる。実施例では連続して小さくなっているが連続して大きくなっていても同様である。
【００５３】
回折光学素子の屈折率分布内の屈折率が可視波長帯域内の任意の波長λに対して、以下の式を満たすことによって高い回折効率を得ることができる。
【００５４】
０．９８＜｛ｎ１ａｖ（λ）−ｎ２ａｖ（λ）｝ｄ／ｍλ＜１．０２      （９）
ただし、ｎ１ａｖ（λ）、ｎ２ａｖ（λ）はそれぞれ第１、第２の回折格子１、２の材料のベース部、頂点部の波長λにおける平均屈折率である。（９）式を満たさないとスカラー回折理論から離れ、屈折率分布を相殺しても高い回折効率を得ることが困難になる。
【００５５】
回折光学素子の屈折率分布のｄ線の屈折率差の最大が０．０１５以下でないと、屈折率分布の量が大きすぎてしまい、波長特性の均一性と高い回折効率を得ることが困難になるため、好ましくない。また、回折光学素子の屈折率分布のｄ線の屈折率差の最大が０．００２以上でないとスカラー回折理論に近づき、本実施例の効果が得られなくなるため、好ましくない。
【００５６】
本実施例はベース樹脂材料に微粒子を混合した材料を用いているが、屈折率を調整するために微粒子の混合比率を変化させて屈折率を調整することができる。また、紫外線で硬化させる製造プロセスを変化させて各回折格子の屈折率を調整してもよい。
【００５７】
特に、屈折率分布については、紫外線照射プロセスを最適化することで制御することができる。照射条件を調整すると、紫外線硬化樹脂成分が硬化していくために微粒子は紫外線照射方向側の反対方向に集まる。この結果、紫外線照射方向に対して微粒子混合比率が変化し、屈折率分布が発生する。具体的には、紫外線照射エネルギーが同じでも、紫外線照射強度を低くして照射時間を増やすことによって紫外線硬化樹脂成分が硬化する時間が長く、硬化時間がかかるため屈折率分布を大きくすることができる。
【００５８】
本実施例の回折光学素子が可視波長域全域で９９％以上の高い回折効率を得るためには、部分分散比θｇＦが通常の材料より小さな値（リニア異常分散性）を有する材料を用いることが好ましく、ＩＴＯ微粒子を分散させた樹脂を用いることが好ましい。
【００５９】
また、屈折率分布を有する微粒子を分散させた樹脂の屈折率の差が体積比率で０．５％以上でないと本実施例の効果が得られなくなり、５％以下でないと屈折率分布の量が大きすぎてしまい、波長特性の均一性と高い回折効率を得ることが困難になる。
【００６０】
本実施例はベース樹脂材料と微粒子を混合した材料を用いているが、屈折率分布があればよいので、回折格子の材料が微粒子を分散せた樹脂に限定されることはない。
【００６１】
回折格子の製造方法は適宜変更されてもよい。また、回折格子の面法線方向の屈折率分布はベース部より頂点部が大きい方が、回折効率の絶対値が大きくなる。
【００６２】
記第１の回折格子１と第２の回折格子２の一方はベース部１１よりも頂点部１２の方が大きい屈折率分布を有し、第１の回折格子１と第２の回折格子２の他方は屈折率が一定であるかベース部１１よりも頂点部１２のほうが小さい前記屈折率分布を有するとする。この時、第１の回折格子１と第２の回折格子２の一方の屈折率分布の最大屈折率差の絶対値は、第１の回折格子１と第２の回折格子２の他方の最大屈折率の絶対値より大きい方が回折効率の絶対値が大きくなるため、より好ましい。これはベース部よりも頂点部が大きい屈折率分布を有する回折格子の影響を大きくすることによって、回折効率の絶対値を上げることができるためである。
【００６３】
第１、第２の回折格子の面法線方向の屈折率分布は、共にベース部よりも頂点部が大きい方が、回折効率の絶対値が大きくなるため、好ましい。回折光学素子の斜入射の回折効率が低下するため、設計次数は＋１次または−１次が好ましい。回折光学素子の格子壁面の回折現象の寄与が大きくなり、設計次数の回折効率が低下するため、格子ピッチは８０μｍ以上であることが好ましい。また、撮影レンズに用いる場合、一般に、ＤＯＥ１０の格子ピッチは１０ｍｍ以下である。
（比較例１）
本実施例の効果をより明らかにするために比較例１を示す。比較例１はスカラー回折理論に基づいて設計されている。第１の回折格子の材料としてフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を均一に１５％混合させた紫外線硬化樹脂、第２の回折格子の材料はアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を均一に６％混合された紫外線硬化樹脂を用いている。表３に第１の回折格子、第２の回折格子のそれぞれの屈折率の数値を示す。なお、格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは１００μｍである。
【００６４】
【表３】
2013125259.tif 000005
【００６５】
図１９は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフである。
【００６６】
図１９（ａ）は、設計次数＋１次回折光の回折効率の波長特性を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）である。可視波長帯域に対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率が長波長側の方が低く、波長特性が好ましくないことがわかる。
【００６７】
図１９（ｂ）は、波長４５０ｎｍ（黒丸）、５５０ｎｍ（黒四角）、６５０ｎｍ（黒三角）の−３次から＋５次の低次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。低次の回折光は４５０ｎｍ〜６５０ｎｍでほぼ同等である。
【００６８】
図１９（ｃ）は、波長４５０ｎｍ（実線）、５５０ｎｍ（破線）、６５０ｎｍ（点線）の高次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。−６０次〜−４０次付近の不要回折光のピークは実施例１と同様に、４５０ｎｍと比較して６５０ｎｍの方が大きい。低次光はほぼ同等で高次光は長波長のほうが大きいため、設計次数の回折効率が長波長側のほうが低くなっている。
【００６９】
このように、従来のスカラー回折理論に基づいた回折光学素子は格子壁面を考慮すると好ましくないことがわかる。
【実施例２】
【００７０】
実施例２は実施例１と第１の回折格子の屈折率分布および格子ピッチが異なっている。第１の回折格子１はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂で構成され、屈折率分布を有している。ベース部１１の屈折率ｎ１１はＩＴＯ微粒子が１４．２５％混合された屈折率に相当し、頂点部１２の屈折率ｎ１２はＩＴＯ微粒子が１５．７５％混合された屈折率に相当し、ベース部１１から頂点部１２に対して線形増加する屈折率分布を形成している。第２の回折格子２はアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を均一に６％混合された紫外線硬化樹脂で構成されている。
【００７１】
表４に第１、第２の回折格子１、２のそれぞれのベース部の屈折率、頂点部の屈折率の数値を示す。格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは２００μｍである。
【００７２】
【表４】
2013125259.tif 000006
【００７３】
図４は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフである。
【００７４】
図４（ａ）は、設計次数である＋１次回折光の回折効率の波長特性を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）である。可視波長帯域に対して、壁面部の振る舞いを考慮した回折効率がほぼ均一になっていることがわかる。
【００７５】
図４（ｂ）は、波長４５０ｎｍ（黒丸）、５５０ｎｍ（黒四角）、６５０ｎｍ（黒三角）の−３次から＋５次の低次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。０次および＋２次の回折光が６５０ｎｍと比較して４５０ｎｍのほうが大きくなっている。
【００７６】
図４（ｃ）は、波長４５０ｎｍ（実線）、５５０ｎｍ（破線）、６５０ｎｍ（点線）の高次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。
【００７７】
図４（ｃ）より−１２０次〜−８０次付近の不要回折光のピークは４５０ｎｍと比較して６５０ｎｍのほうが大きい。格子ピッチが小さい実施例１および比較例１と比較するとピークの回折効率が低くなっている。これは格子ピッチが大きいことによって格子壁面の回折現象の寄与が全体の格子に対して小さくなっているためである。このように、格子ピッチが異なっても、高次光と低次光の不要光とのバランスをとることによって、設計次数の回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。
【００７８】
このように格子ピッチが異なっていても本発明の効果が得られる。実施例２のΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を表５に示す。
【００７９】
【表５】
2013125259.tif 000007
【００８０】
実施例２においても実施例１で示した関係を満たしている。
（比較例２）
本実施例の効果をより明らかにするために比較例２を示す。比較例２は格子ピッチが実施例２と同じでスカラー回折理論に基づいて設計されている。スカラー回折理論は格子ピッチに依存しない。比較例２の屈折率は比較例１の表３と同じである。なお、格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは２００μｍである。
【００８１】
図２０は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフである。
【００８２】
図２０（ａ）は、設計次数＋１次回折光の回折効率の波長特性を示すグラフである。横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は回折効率（％）である。可視波長帯域に対して、壁面の振る舞いを考慮した回折効率が長波長側の方が低く、波長特性が好ましくないことがわかる。
【００８３】
図２０（ｂ）は、波長４５０ｎｍ（黒丸）、５５０ｎｍ（黒四角）、６５０ｎｍ（黒三角）の−３次から＋５次の低次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。低次の回折光は４５０ｎｍ〜６５０ｎｍでほぼ同等である。
【００８４】
図２０（ｃ）は、波長４５０ｎｍ（実線）、５５０ｎｍ（破線）、６５０ｎｍ（点線）の高次回折光の回折効率で、回折効率の低い部分を拡大して示すグラフである。横軸は回折次数（ｍ）、縦軸は回折効率（％）である。−１２０次〜−８０次付近の不要回折光のピークは比較例１と同様に、４５０ｎｍと比較して６５０ｎｍの方が大きい。格子ピッチが小さい比較例１と比較するとピークの回折効率が低くなっている。これは格子ピッチが大きいことによって格子壁面の回折現象の寄与が全体の格子に対して小さくなっているためである。格子ピッチが異なっても比較例１と同様に、低次光はほぼ同等で高次光は長波長のほうが大きいため、設計次数の回折効率が長波長側のほうが低くなっている。
【００８５】
このように、格子ピッチが異なっても従来のスカラー回折理論に基づいた回折光学素子は格子壁面を考慮すると好ましくないことがわかる。
【実施例３】
【００８６】
実施例３は、第１の回折格子の屈折率分布の方向が実施例１、２と異なっている。図５は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例３のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。
【００８７】
図５に示すように、本実施例の第１の回折格子１はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂で構成され、屈折率分布を有している。ベース部１１の屈折率ｎ１１はＩＴＯ微粒子が１５．７５％混合された屈折率に相当し、頂点部１２の屈折率ｎ１２はＩＴＯ微粒子が１４．２５％混合された屈折率に相当し、ベース部１１から頂点部１２に対して単調に減少する屈折率分布を形成している。本実施例の第２の回折格子２はアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を均一に６％混合された紫外線硬化樹脂で構成されている。
【００８８】
表６に第１、第２の回折格子１、２のそれぞれのベース部の屈折率、頂点部の屈折率の数値を示す。格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは１００μｍである。
【００８９】
【表６】
2013125259.tif 000008
【００９０】
図６は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフであり、図３、４と対応している。実施例１、２と同様に、高次光と低次光の不要光とのバランスをとることによって設計次数の回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。回折格子の屈折率分布の方向が実施例１、２と逆であっても本発明の効果が得られることがわかる。
【００９１】
実施例３のΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を表７に示す。
【００９２】
【表７】
2013125259.tif 000009
【００９３】
実施例３においても実施例１で示した関係を満たしている。
【実施例４】
【００９４】
実施例４は、第１の回折格子の屈折率分布が線形ではない点で実施例１、２と異なっている。図７は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例４のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。
【００９５】
図７に示すように、本実施例の第１の回折格子１はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂で構成され、屈折率分布を有している。ベース部１１の屈折率ｎ１１はＩＴＯ微粒子が１４．４０％混合された屈折率に相当し、頂点部１２の屈折率ｎ１２はＩＴＯ微粒子が１５．６０％混合された屈折率に相当する。そして、ベース部１１から頂点部１２に対して図７の左下のグラフに示すように、上に凸の形状に増加する屈折率分布を形成している。本実施例の第２の回折格子２はアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を均一に６％混合された紫外線硬化樹脂で構成されている。
【００９６】
表８に第１、第２の回折格子１、２のそれぞれのベース部の屈折率、頂点部の屈折率の数値を示す。なお、格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは１００μｍである。
【００９７】
【表８】
2013125259.tif 000010
【００９８】
図８は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフであり、図３、４と対応している。実施例１〜３と同様に、高次光と低次光の不要光とのバランスをとることによって、設計次数の回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。回折格子の屈折率分布が実施例１〜３ように線形でなくても、本発明の効果が得られることがわかる。
【００９９】
実施例４のΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を表９に示す。
【０１００】
【表９】
2013125259.tif 000011
【０１０１】
実施例４においても実施例１で示した関係を満たしている。
【実施例５】
【０１０２】
実施例５は、第１の回折格子と第２の回折格子がともに屈折率分布を有する実施例である。図９は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例５のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。
【０１０３】
図９に示すように、本実施例の第１の回折格子１はフッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂で構成され、屈折率分布を有している。ベース部１１の屈折率ｎ１１はＩＴＯ微粒子が１４．４０％混合された屈折率に相当し、頂点部１２の屈折率ｎ１２はＩＴＯ微粒子が１５．６０％混合された屈折率に相当し、ベース部１１から頂点部１２に対して線形に増加する屈折率分布を形成している。
【０１０４】
本実施例の第２の回折格子２はアクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂で構成され、屈折率分布を有している。頂点部２２の屈折率ｎ２２はＺｒＯ２微粒子が６．３％混合された屈折率に相当し、ベース部２１の屈折率ｎ２１はＺｒＯ２微粒子が５．７％混合された屈折率に相当し、頂点部２２からベース部２１に対して線形に減少する屈折率分布を形成している。
【０１０５】
表１０に第１、第２の回折格子１、２のそれぞれのベース部の屈折率、頂点部の屈折率の数値を示す。格子高さｄは１１．０２μｍ、設計次数は＋１次、格子ピッチは１００μｍである。
【０１０６】
【表１０】
2013125259.tif 000012
【０１０７】
図１０は、ＲＣＷＡ計算を用いて入射角度０度（ｄｅｇ）における回折効率を評価した結果を示すグラフであり、図３、４と対応している。実施例１〜４と同様に、高次光と低次光の不要光とのバランスをとることによって設計次数の回折効率の波長特性がほぼ均一になっている。実施例１〜４ように片方の回折格子だけでなく、両方の回折格子が屈折率分布を有していても、本発明の効果が得られることがわかる。
【０１０８】
実施例５のΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を表１１に示す。
【０１０９】
【表１１】
2013125259.tif 000013
【０１１０】
実施例５においても実施例１で示した関係を満たしている。
【実施例６】
【０１１１】
実施例６は、第１の回折格子の屈折率分布の方向が実施例５と異なっている。図１１は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例６のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。表１２にそれぞれの屈折率、図１２にＲＣＷＡ計算による評価結果、表１３にΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を示す。
【０１１２】
【表１２】
2013125259.tif 000014
【０１１３】
【表１３】
2013125259.tif 000015
【実施例７】
【０１１４】
実施例７は、第１の回折格子の屈折率分布の方向が実施例５、６と異なっている。図１３は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例７のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。表１４にそれぞれの屈折率、図１４にＲＣＷＡ計算による評価結果、表１５にΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を示す。
【０１１５】
【表１４】
2013125259.tif 000016
【０１１６】
【表１５】
2013125259.tif 000017
【実施例８】
【０１１７】
実施例８は、第１の回折格子の屈折率分布の方向が実施例５〜７と異なっている。図１５は、図１のＡ−Ａ′線に沿った実施例８のＤＯＥ１０の部分拡大断面図である。表１６にそれぞれの屈折率、図１６にＲＣＷＡ計算による評価結果、表１７にΔΦ１およびΔΦ２、ΔΦ１×ΔΦ２、ΔΦ１＋ΔΦ２、Φａｖの各数値を示す。
【０１１８】
【表１６】
2013125259.tif 000018
【０１１９】
【表１７】
2013125259.tif 000019
【０１２０】
このように、第１の回折格子と第２の回折格子の屈折率分布の方向の大小関係の組み合わせがいずれの場合においても、本発明の効果が得られることがわかる。
【０１２１】
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例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【０１２２】
回折光学素子は回折作用を必要とする光学機器に適用することができる。
【符号の説明】
【０１２３】
１…第１の回折格子、２…第２の回折格子、１０…回折光学素子、１１…ベース部、１２…頂点部
【図１】
2013125259.tif 000020
【図２】
2013125259.tif 000021
【図５】
2013125259.tif 000022
【図７】
2013125259.tif 000023
【図９】
2013125259.tif 000024
【図１１】
2013125259.tif 000025
【図１３】
2013125259.tif 000026
【図１５】
2013125259.tif 000027
【図１７】
2013125259.tif 000028
【図１８】
2013125259.tif 000029
【図３】
2013125259.tif 000030
【図４】
2013125259.tif 000031
【図６】
2013125259.tif 000032
【図８】
2013125259.tif 000033
【図１０】
2013125259.tif 000034
【図１２】
2013125259.tif 000035
【図１４】
2013125259.tif 000036
【図１６】
2013125259.tif 000037
【図１９】
2013125259.tif 000038
【図２０】
2013125259.tif 000039