(57)【要約】【課題】波長依存性および偏光依存性を低減して所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子を提供する。【解決手段】回折光学素子１は、第１の格子面（２１ａ）および第１の格子壁面（２１ｂ）を備えた第１の回折格子（２１）と、第２の格子面（３１ａ）および第２の格子壁面（３１ｂ）を備えた第２の回折格子（３１）と、第１の格子壁面と第２の格子壁面との間に設けられ、第１の格子壁面および第２の格子壁面の両方と接する薄膜（１１）とを有し、使用波長帯域における波長λに関する薄膜の消衰係数は、０．０００５以下であり、波長λに関し、薄膜、第１の回折格子、および、第２の回折格子の材料のそれぞれの屈折率、薄膜と第１の回折格子との比屈折率差、および、第１の格子壁面と第２の格子壁面との間における薄膜の幅は、所定の条件を満たす。【選択図】図２
2016218436.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の格子面および第１の格子壁面を備えた第１の回折格子と、
第２の格子面および第２の格子壁面を備えた第２の回折格子と、
前記第１の格子壁面と前記第２の格子壁面との間に設けられ、該第１の格子壁面および該第２の格子壁面の両方と接する薄膜と、を有し、
使用波長帯域における波長λに関する前記薄膜の消衰係数は、０．０００５以下であり、
前記波長λに関し、前記薄膜、前記第１の回折格子、および、前記第２の回折格子の材料の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３、該薄膜と該第１の回折格子との比屈折率差をΔ、および、前記第１の格子壁面と前記第２の格子壁面との間における該薄膜の幅をＷ、とするとき、
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３
０．００５＜Δ＜０．０４５
０．５≦Ｗ／ＷＣ≦２．０
（ただし、Δ、ＷＣは、
2016218436.tif 000023
により定義される）
を満たすことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記第１の回折格子および前記第２の回折格子のそれぞれの格子高さをｄ、前記薄膜の内部を伝搬する伝搬光の等価屈折率をｎｅｑとするとき、
０≦（ｎｅｑ−ｎ２）×ｄ／λ＜０．３
（ただし、等価屈折率ｎｅｑは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の等価屈折率をそれぞれｎｅｑ，ＴＥ、ｎｅｑ，ＴＭ、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の伝搬定数をそれぞれβＴＥ、βＴＭとするとき、
2016218436.tif 000024
により定義され、
前記薄膜の幅Ｗが
2016218436.tif 000025
により定義される範囲において、
前記ＴＥ偏光および前記ＴＭ偏光の伝搬定数をβＴＥ、βＴＭは、    
2016218436.tif 000026
を満たす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】
前記使用波長帯域における第１の波長に関する前記比屈折率差は、第１の波長よりも長い第２の波長に関する該比屈折率差よりも小さい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】
０．０１＜Δ／λ＜０．０８  
を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記使用波長帯域は、可視波長帯域であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記薄膜の材料のアッべ数は、前記第２の回折格子の材料のアッべ数よりも大きいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
１．６４＜ｎ１＜１．７５
を満たすことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１の回折格子および該第２の回折格子の材料のアッべ数をそれぞれνｄ２、νｄ３、設計次数をｍとするとき、
νｄ２＞３５
νｄ３＜２５
０．９６０≦（ｎ２−ｎ３）×ｄ／（ｍ×λ）≦１．０４０
を満たすことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第１の回折格子および前記第２の回折格子のそれぞれの格子高さは、１５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
前記回折光学素子の設計次数は、＋１次または−１次であることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
前記薄膜は、前記第１の格子壁面と前記第２の格子壁面との間から前記第１の格子面と前記第２の格子面との間まで連続して設けられていることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
前記薄膜は、前記使用波長帯域における前記波長を有する光に対して透明であることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１３】
絞りと、
請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の回折光学素子と、を有することを特徴とする光学系。
【請求項１４】
前記絞りは、前記回折光学素子に光が入射する入射側とは反対の出射側に配置されていることを特徴とする請求項１３に記載の光学系。
【請求項１５】
請求項１３または１４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、不要光の発生を低減する回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子において、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と格子高さを適切に設定することで広い波長帯域で高い回折効率を得ることが知られている。この格子面と格子壁面を備えた回折光学素子に光束が入射すると、スカラー回折理論で計算される理想的な回折光学素子であっても、格子壁面の影響により、不要光（フレア）が発生する。
【０００３】
特許文献１には、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｗａｖｅ  Ａｎａｌｙｓｉｓ）を利用し、格子壁面部に光導波路を設けて設計入射角度での入射光束の設計次数の回折効率を向上させる回折光学素子が開示されている。特許文献２には、格子壁面部に薄膜を設け、設計入射角度での入射光束の設計次数の回折効率を向上させ、設計次数±１次の回折効率を低減させ、斜入射角度（画面外光入射角度）での入射光束が結像面に到達する不要光を低減する回折光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０９９５５０号パンフレット
【特許文献２】特開２０１４−１７０１０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１の回折光学素子は、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させているが、斜入射角度で入射する光束により結像面に到達する不要光を低減させることは困難である。特許文献２の回折光学素子は、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させ、設計次数±１次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度で入射する光束により結像面に到達する不要光を低減させることが可能である。しかし、特許文献２の回折光学素子は、波長依存性および偏光依存性が高いため、所望の波長特性および偏光特性を有するように構成することは困難である。
【０００６】
そこで本発明は、波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子、光学系、および、光学機器を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての回折光学素子は、第１の格子面および第１の格子壁面を備えた第１の回折格子と、第２の格子面および第２の格子壁面を備えた第２の回折格子と、前記第１の格子壁面と前記第２の格子壁面との間に設けられ、該第１の格子壁面および該第２の格子壁面の両方と接する薄膜とを有し、使用波長帯域における波長λに関する前記薄膜の消衰係数は、０．０００５以下であり、前記波長λに関し、前記薄膜、前記第１の回折格子、および、前記第２の回折格子の材料のそれぞれの屈折率、該薄膜と該第１の回折格子との比屈折率差、および、前記第１の格子壁面と前記第２の格子壁面との間における該薄膜の幅は、所定の条件を満たす。
【０００８】
本発明の他の側面としての光学系は、絞りと、前記回折光学素子とを有する。
【０００９】
本発明の他の側面としての光学機器は、前記光学系を有する。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子、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】
【００１２】
【図１】本実施形態における回折光学素子の概略図である。
【図２】本実施形態における回折光学素子の拡大断面図である。
【図３】本実施形態における回折光学部の拡大断面図である。
【図４】本実施形態における回折光学素子を有する光学系の概略図である。
【図５】実施例１における回折光学部の拡大断面図である。
【図６】実施例１において、図４の光学系に関する設計入射角度（撮影光入射角度）の不要光の影響の説明図である。
【図７】実施例１における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図８】比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図９】実施例１において、図４の光学系に関する斜入射角度（画面外光入射角度）の不要光の影響の説明図である。
【図１０】実施例１における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図１１】比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図１２】実施例１における回折光学素子の画面外入射−１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図１３】比較例としての回折光学素子の画面外入射−１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図１４】実施例２における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図１５】実施例２における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図１６】実施例３における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図１７】実施例３における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図１８】比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【図１９】比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図２０】比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【図２１】比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図２２】比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長５５０ｎｍの回折効率のグラフである。
【図２３】実施例１〜３における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【図２４】実施例４における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図２５】実施例４における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図２６】実施例５における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図２７】実施例５における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図２８】本実施形態における変形例としての回折光学部の拡大断面図である。
【図２９】実施例６における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図３０】比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光の回折効率のグラフである。
【図３１】実施例６における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図３２】比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。
【図３３】実施例６における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
まず、本実施形態における回折光学素子について説明する。図１は、本実施形態における回折光学素子（ＤＯＥ）の概略図（正面図および側面図）である。回折光学素子１は、可視波長体全域の使用波長領域で特定の一つの次数（特定次数または設計次数）の回折光の回折効率を高めるように構成されている。回折光学素子１は、透明な一対の基板レンズ２、３、および、基板レンズ２、３の間に配置された回折格子部１０を有する。基板レンズ２、３のぞれぞれは、平板またはレンズ作用を奏する形状を有する。本実施形態において、基板レンズ２、３のそれぞれの両面は曲面である。回折格子部１０は、光軸Ｏを中心とした同心円状の回折格子形状を有し、レンズ作用を有する。
【００１５】
図２は、図１中の線Ａ−Ａ’を切断して拡大した回折光学素子１の拡大断面図である。格子形状を分かりやすくするために、図２は格子深さ方向にデフォルメされた図となっている。また、格子数も実際よりは少なく描かれている。以降に説明する断面図についても同様である。図３は、図２の回折光学部１０の拡大断面図である。図２および図３において、入射光束ａは、回折光学素子１の設計入射角度である入射角度０度で入射する光束である。入射光束ｂは、斜入射角度（画面外光入射角度）で下向きに入射する光束である。入射光束ｃは、斜入射角度（画面外光入射角度）で上向きに入射する光束である。
【００１６】
図２および図３に示されるように、回折格子部１０は、回折格子２１（第１の回折格子）、回折格子３１（第２の回折格子）、および、薄膜１１を有する。回折格子２１および回折格子３１は、光軸方向（光軸Ｏに沿った方向）において互いに密着して形成されている。薄膜１１は、回折格子２１の格子壁面２１ｂ（第１の格子壁面）と回折格子３１の格子壁面３１ｂ（第２の格子壁面）との間に設けられ、格子壁面２１ｂ、３１ｂの両方に接している。
【００１７】
また薄膜１１は、使用波長帯域（例えば可視波長帯域）における波長λ（任意の波長）を有する光に対して透明である。具体的には、薄膜１１の使用波長帯域の光（波長λ）に関する消衰係数が０．０００５以下であれば、薄膜１１は実質的に透明であるといえる。薄膜１１の消衰係数が０．０００５を上回ると、薄膜１１が吸収特性を持ってしまう。また、回折光学素子に光が斜入射した場合、各回折格子の消衰係数と薄膜１１の消衰係数との差に起因して、各回折格子と薄膜１１との界面で反射光が発生してしまう。よって、薄膜１１の消衰係数は、０．０００５以下であることが好ましい。より好ましくは、薄膜１１の使用波長帯域の光に関する消衰係数は、０．０００３以下である。
【００１８】
なお、回折格子２１は、基板レンズ２と一体または別体のいずれであってもよい。同様に回折格子３１は、基板レンズ３と一体または別体のいずれであってもよい。なお本実施形態において、回折格子２１、３１は光軸方向において互いに密着しているが、回折格子２１、３１の間に介在する薄膜１１は、後述するように両者の境界面の全域にわたって設けられている場合もある。このため、回折格子２１、３１は、光軸方向に積層されていればよい。
【００１９】
回折格子２１は、格子面２１ａ（第１の格子面）と格子壁面２１ｂ（第１の格子壁面）とから構成される同心円状のブレーズ構造を有する。同様に、回折格子３１は、格子面３１ａ（第２の格子面）と格子壁面３１ｂ（第２の格子壁面）とから構成される同心円状のブレーズ構造を有する。回折格子２１、３１はそれぞれ、光軸Ｏから離れる（外周部に近づく）に従い、格子ピッチを徐々に変化させてレンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を実現している。格子面２１ａ、３１ａは、互いに隙間なく接しており、回折格子２１、３１は、全体で１つの回折格子部１０として作用する。また、回折格子２１、３１をそれぞれブレーズ構造にすることにより、回折光学素子１に入射した入射光は、回折格子部１０で回折せずに透過する０次回折方向に対し、特定の回折次数（図２および図３中では＋１次）の方向に集中して回折する。
【００２０】
本実施形態の回折光学素子１の使用波長領域は、可視域である。このため、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、スカラー回折理論に従い、回折格子２１、３１を構成する材料および格子高さが選択される。すなわち、複数の回折格子（回折格子２１、３１）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に、各回折格子の材料及び格子高さが決定される。このように、回折格子２１、３１の材料および形状を適切に設定することにより、使用波長全域で高い回折効率が得られる。
【００２１】
一般に、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。また、格子壁面が面法線方向からシフトしているときや格子先端が変形しているときなどの場合、格子高さは、格子面の延長線と面法線との交点との距離で定義される。なお本実施形態において、回折格子の材料や格子高さは限定されるものではない。
【００２２】
本実施形態において、回折格子２１、３１は互いに異なる材料により形成される。例えば、回折格子３１は低屈折率分散材料から構成され、回折格子２１は回折格子３１よりも高い屈折率を有する高屈折率分散材料から構成される。本実施形態において、以下の式（１）〜（３）を満足することにより、高い回折効率を得ることができる。
【００２３】
νｄ２＞３５  …  （１）
νｄ３＜２５  …  （２）
０．９６０≦（ｎ２−ｎ３）×ｄ／（ｍ×λ）≦１．０４０  …  （３）
式（１）〜（３）において、波長λにおける回折格子２１、３１を構成する材料の屈折率をそれぞれｎ２、ｎ３、アッべ数をνｄ２、νｄ３とする。また、回折格子２１、３１のそれぞれの格子高さをｄ、設計次数をｍとする。なお、本実施形態における可視波長域は、主に、波長４００ｎｍ以上かつ７００ｎｍ以下の帯域である。
【００２４】
また、可視波長域全域で高い回折効率を得るには、高屈折率低分散材料（回折格子２１）のアッべ数を３５よりも大きくし、低屈折率高分散材料（回折格子３１）のアッべ数を２５よりも小さくすることが好ましい。また、部分分散比θｇＦが通常の材料よりも小さい値（リニア異常分散性）を有する材料を用いることが好ましい。このリニア分散特性を得るため、ＩＴＯ微粒子を微粒子分散させてベース樹脂材料に混ぜる方法を用いることができる。ＩＴＯは、他の無機酸化物と異なり、電子遷移による屈折率の変化に加え、錫によるドーピングや酸素の空孔によりフリーキャリアが発生し屈折率が変化する。この電子遷移とフリーキャリアの影響により非常に強いリニア分散特性を有する。従って、ＩＴＯと同様にフリーキャリアの影響があるＳｎＯ２およびＡＴＯ（アンチモンをドーピングしたＳｎＯ２）なども使用することができる。
【００２５】
また、微粒子を分散させた樹脂材料は、紫外線硬化樹脂であって、アクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系のいずれかの有機樹脂を含むが、特に限定されるものではない。微粒子材料の平均粒子径は、回折光学素子への入射光の波長（使用波長又は設計波長）の１／４以下であることが好ましい。これよりも粒子径が大きくなると、微粒子材料を樹脂材料に混合した際に、レイリー散乱が大きくなる可能性が生じる。格子高さｄは、１５μｍ以下に設定されることが好ましい。これにより、斜入射光が入射した際の回折効率の低下を小さくすることができる。
【００２６】
薄膜１１は、格子壁面に沿って略均一な厚さを有し、回折格子２１、３１の境界面の少なくとも一部に配置されている。本実施形態において、薄膜１１は、格子壁面２１ｂ、３１ｂに設けられている。薄膜１１を設けることにより、格子壁面付近に入射する光束が薄膜１１の内部に閉じ込められ、光導波路となる。
【００２７】
本実施形態の回折光学素子１において、使用波長帯域の波長λに関し、薄膜１１、回折格子２１、および、回折格子３１の材料の屈折率をそれぞれｎ１、ｎ２、ｎ３とする。また、薄膜１１と回折格子２１との比屈折率差をΔとする。このとき、以下の式（４）、（５）を満たすことにより、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させ、設計次数±１次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度で入射する光束による不要光のうち結像面に到達する不要光を低減させることができる。更に、式（４）、（５）を満たすことにより、回折光学素子１における波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有するように構成することが可能となる。
【００２８】
ｎ１＞ｎ２＞ｎ３  …  （４）
０．００５＜Δ＜０．０４５  …  （５）
式（５）において、比屈折率差Δは、以下の式（６）により求められる。
【００２９】
【数１】
2016218436.tif 000003
【００３０】
また、式（５）は、以下の式（５ａ）を満たすことが好ましい。
【００３１】
０．００７＜Δ＜０．０４２  …  （５ａ）
式（５）または式（５ａ）の下限を満足することにより、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができる。また、式（５）または式（５ａ）の上限を満足することにより、偏光依存性を低減することができる。
【００３２】
また、薄膜１１、および、回折格子２１、３１を構成する材料は、非対称３層平板導波路であるため、導波モードが以下の固有値方程式を満たすことが知られている。式（７）、（８）はそれぞれ、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光に関する。
【００３３】
【数２】
2016218436.tif 000004
【００３４】
【数３】
2016218436.tif 000005
【００３５】
式（７）、（８）において、ｋ０は以下の式（９）のように定義される値である。
【００３６】
【数４】
2016218436.tif 000006
【００３７】
また、非対称３層平板導波路の単一モードが発生するカットオフ幅に関し、ＴＥ偏光のカットオフ幅ＷＣ，ＴＥは以下の式（１０）、ＴＭ偏光のカットオフ幅ＷＣ，ＴＭは式（１１）のように表される。
【００３８】
【数５】
2016218436.tif 000007
【００３９】
【数６】
2016218436.tif 000008
【００４０】
式（１０）、（１１）において、κｃ、δｃは、以下の式（１２）のように定義される値である。
【００４１】
【数７】
2016218436.tif 000009
【００４２】
本実施形態において、薄膜１１の幅Ｗ（膜幅）と以下の式（１４）のＴＥ偏光とＴＭ偏光の単一モードが発生するカットオフ幅の平均Ｗｃが以下の式（１３）を満足することにより、回折光学素子１は所望の効果を奏することができる。すなわち回折光学素子１は、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上し、設計次数±１次の回折効率を低減させ、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち結像面に到達する不要光を低減させることができる。更に回折光学素子１は、波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有することが可能となる。ここで薄膜１１の幅Ｗは、格子壁面２１ｂと格子壁面３１ｂとの間における薄膜１１の幅（格子壁面２１ｂと格子壁面３１ｂとの間の距離）である。
【００４３】
０．５≦Ｗ／Ｗｃ≦２．０        …  （１３）
【００４４】
【数８】
2016218436.tif 000010
【００４５】
本実施形態において、式（１３）は、以下の式（１３ａ）を満たすことが好ましい。
【００４６】
０．７５≦Ｗ／Ｗｃ≦１．７５  …  （１３ａ）
また、非対称３層平板導波路の単一モード条件となる１次モードが発生するカットオフ幅に関し、ＴＥ偏光のカットオフ幅ＷＴＥ０は以下の式（１５）、ＴＭ偏光のカットオフ幅ＷＴＭ０は以下の式（１６）のように表される。
【００４７】
【数９】
2016218436.tif 000011
【００４８】
式（１５）、（１６）において、ａ’は以下の式（１７）で定義される値である。
【００４９】
【数１０】
2016218436.tif 000012
【００５０】
また、導波モードが感じる屈折率である等価屈折率に関し、ＴＥ偏光の等価屈折率ｎｅｑ，ＴＥおよびＴＭ偏光の等価屈折率ｎｅｑ，ＴＭは、以下の式（１８）、（１９）のようにそれぞれ表される。
【００５１】
【数１１】
2016218436.tif 000013
【００５２】
【数１２】
2016218436.tif 000014
【００５３】
式（１８）、（１９）において、βＴＥ、βＴＭは、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光のそれぞれの伝搬定数である。
【００５４】
非対称３層平板導波路の導波路幅は、ＴＥ偏光に関しては式（１０）、ＴＭ偏光に関しては式（１１）の単一モードのカットオフ幅未満の場合、放射モードになるため、式（７）、（８）は解を持たない。一方、単一モードのカットオフ幅以上の場合、導波モードが発生するため、式（７）、（８）は解を持つ。また、ＴＥ偏光に関しては式（１５）、ＴＭ偏光に関しては式（１６）の１次モードのカットオフ幅未満の場合、単一モード条件となるため、式（７）、（８）は一つのみ解を持つことが知られている。この条件において、式（１８）、（１９）の等価屈折率は、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光のそれぞれに関して一つずつ求めることができる。これ条件は、薄膜１１の幅Ｗ（膜厚）が以下の式（２０）を満たす場合に成立する。
【００５５】
【数１３】
2016218436.tif 000015
【００５６】
より厳密には、常にＷＴＥ0＜ＷＴＭ0が成り立つため、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光がともに一つの解を持つには、以下の式（２１）を満たす必要がある。
【００５７】
Ｗ＜ＷＴＥ0  …  （２１）
非対称３層平板導波路の導波モードが感じる式（１８）、（１９）のＴＥ偏光とＴＭ偏光の等価屈折率の平均（薄膜１１の内部を伝搬する伝搬光の等価屈折率ｎｅｑ）は、以下の式（２３）のように表される。本実施形態において、等価屈折率ｎｅｑと高屈折率材料である回折格子２１の屈折率ｎ２との位相差は、以下の式（２２）を満足するように小さい。
【００５８】
０≦（ｎｅｑ−ｎ２）×ｄ／λ＜０．３  …  （２２）
【００５９】
【数１４】
2016218436.tif 000016
【００６０】
この結果、薄膜１１が設けられていない場合には不要光となっていた光を光導波路内に閉じ込め、導波モードと回折格子の位相整合させることができ、設計次数の回折効率を向上させることが可能となる。また、設計次数の回折効率を向上と同時に設計次数±１次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減することができる。
【００６１】
本実施形態において、式（２２）は、以下の式（２２ａ）を満たすことが好ましい。
【００６２】
０≦（ｎｅｑ−ｎ２）×ｄ／λ＜０．２  …  （２２ａ）
このとき、式（２２）の位相差がＮ×λ（Ｎは１以上の整数）でも位相整合条件となるが、この条件では波長依存性が大きく、可視波長全域で満足することが困難のため、好ましくない。  本実施形態において、比屈折率差Δは、使用波長帯域における長波長側よりも短波長側が小さい（使用波長帯域における第１の波長（λ１）に関する比屈折率差は、第１の波長よりも長い第２の波長（λ２＞λ１）に関する比屈折率差よりも小さい）。これにより、波長依存性をより効果的に低減することができる。また、比屈折率差Δおよび使用波長の波長λが以下の式（２４）を満たすことにより、波長依存性を低減することができる。
【００６３】
０．０１＜Δ／λ＜０．０８  …  （２４）
また本実施形態において、薄膜１１の材料のアッべ数を、回折格子３１（第２の回折格子）の材料のアッべ数よりも大きくすることにより、波長依存性を低減することができる。
【００６４】
以上の関係を満たす薄膜１１の材料および膜幅Ｗを適切に設定することにより、本実施形態の効果を得ることができる。
【００６５】
また、薄膜１１の屈折率ｎ１は、以下の式（２５）を満たすことが好ましい。
【００６６】
１．６４＜ｎ１＜１．７５  …  （２５）
式（２５）を満足することにより、以下の実施例１〜６で説明するように、波長依存性および偏光依存性を低減した回折光学素子を構成する薄膜、および回折格子の材料の選択性を広げることができる。式（２５）の下限を満たさないと、薄膜の屈折率と回折格子の屈折率がともに小さくなる。この場合、薄膜材料の選択性が限られ、または薄膜材料コストが上がってしまう。さらに、薄膜に合わせて可視波長帯域全域で高い回折格子を得る材料の選択性も狭くなる。
【００６７】
式（２５）の上限を満たさないと、波長特性を低減することが難しくなる。また、薄膜の屈折率と回折格子の屈折率がともに大きくなる。この場合、可視波長帯域全域で高い回折格子を得る材料の選択性も狭くなってしまう。より好ましくは、以下の式（２６）を満たす。
【００６８】
１．６５＜ｎ１＜１．７０  …  （２６）
なお、薄膜１１の材料は特に限定されるものではない。薄膜１１の材料としては、例えば、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ2、Ｌａ２Ｏ３、Ｙ２Ｏ３、ＨｆＯ2、Ｔａ２Ｏ5、Ｎｂ２Ｏ5、ＴｉＯ2、ＳｉＯ2などの酸化物、ＬａＦ3、ＮｄＦ3、ＣｅＦ3、ＭｇＦ2などのフッ化物を採用することができる。また、薄膜１１の材料として、ＺｎＳ，ＣｄＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅなどの化合物や、上記材料の混合物や化合物などを採用することもできる。また、薄膜１１の材料として、アクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系などの有機樹脂や、それらの有機樹脂に微粒子を分散させた材料を採用してもよい。
【００６９】
同様に、薄膜１１の製造方法に関しても特に限定されるものではない。例えば、回折格子３１を製造し、その後、薄膜１１を選択的に形成することができる。具体的には、薄膜１１を構成する材料を真空蒸着などの物理蒸着手法やスピンコート法で薄膜形状に成膜した後、リソグラフィー手法やナノインプリント法でパターニングしてエッチング手法で選択的に形成する手法を用いることができる。また、マスクパターンを用いて選択的に蒸着手法で形成する方法などを用いることができる。また、薄膜１１は、後述するように両者の境界面の全域にわたって設けられてもよい。この場合、薄膜１１を格子壁面部のみに選択的に形成する必要はない。その後、回折格子２１を形成することにより、回折光学素子１を製造することができる。また、回折光学素子１の輪帯ごとに薄膜１１の幅または形状を変更（制御）してもよい。
【００７０】
図２８は、本実施形態における変形例としての回折光学部１０ａの拡大断面図である。図２８に示されるように、薄膜１１を格子壁面のみではなく、回折格子２１、３１の境界面の全域に設けてもよい。すなわち薄膜１１は、格子壁面２１ｂと格子壁面３１ｂとの間から格子面２１ａと格子面３１ａとの間まで連続して設けられている。この場合、格子壁面部は前述の関係を満たし、かつ格子面部は反射防止機能を有していればよい。また、格子面の薄膜の屈折率、膜幅が格子壁面と異なっていてもよい。境界面の全域に薄膜を形成するため、容易かつ安価に回折光学素子を製造することができる。例えば、回折格子２１を製造した後、格子面から格子壁面全域に薄膜を真空蒸着などの物理蒸着手法やスピンコート法により形成し、その後、回折格子３１を形成すればよい。ただし本実施形態は、これに限定されるものではない。更に、境界全域に薄膜を設けることにより、回折格子２１、３１の互いの密着性を向上させることもできる。格子面と格子壁面の屈折率、膜厚が異なってもよいため、製造方法に応じて格子面の反射防止機能と格子壁面のフレア低減機能を任意に設計することができる。
【００７１】
なお本実施形態では、回折格子２１を構成する材料の屈折率ｎ２よりも回折格子３１を構成する材料の屈折率ｎ３のほうが小さい場合（ｎ２＞ｎ３）を例として説明している。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。ｎ３＞ｎ２の場合には、回折格子の格子形状の向きが逆になるのみであるため、格子壁面による不要光の影響は同様となる。
【００７２】
図４は、本実施形態における回折光学素子１を有する光学系の概略図である。図４の光学系は、カメラなどの撮像装置に適用可能な、回折光学素子１を備えた望遠タイプの撮影光学系であり、第２面に回折面が設けられている。図４の光学系は、その内部に絞り４０および回折光学素子１を有する。絞り４０は、回折光学素子１に光が入射する入射側とは反対の出射側、すなわち回折光学素子１よりも後側（像面側）に配置されている。４１は、結像面であるフィルムまたはＣＣＤやＣＭＯＳなどの光電変換素子（撮像素子）である。
【００７３】
このような光学系に本実施形態の回折光学素子１を適用すれば、撮影光の不要光が低減され、かつ画面外から光束が入射した場合の、結像面に到達する不要光が低減されているため、フレアが少ない撮影レンズが得られる。図４では、前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子１を設けているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。回折光学素子１は、光学系の内部に配置してもよく、または、レンズ表面に設けてもよい。また、撮影レンズ内に複数の回折光学素子１を設けてもよい。なお、回折光学素子１が適用可能な光学系は、図４に示される撮影光学系に限定されるものではない。本実施形態の光学系は、ビデオカメラの撮影レンズ、イメージスキャナや複写機のリーダーレンズなどの広波長域で使用される結像光学系、双眼鏡や望遠鏡などの観察光学系、または、光学式ファインダにも適用可能である。また、回折光学素子１を含む光学系が適用可能な装置も撮像装置に限定されるものではなく、広く光学機器に適用可能である。以下、本実施形態の回折光学素子１の具体例について、実施例１〜６において説明する。
【実施例１】
【００７４】
まず、本発明の実施例１における回折光学素子について説明する。本実施例において、回折格子２１はＺｒＯ２微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂、回折格子３１はＩＴＯ微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂からそれぞれ構成されている。格子高さｄは１０．７９μｍ、設計次数は＋１次である。薄膜１１は、Ａｌ２Ｏ３の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Ｗは３６０ｎｍである。また、薄膜１１の波長４００ｎｍから７００ｎｍの帯域における消衰係数は、０．０００３以下である。具体的には、薄膜１１の消衰係数は、波長４００ｎｍの光に対して最大となり、その値は０．０００２である。
【００７５】
表１は、本実施例における回折光学素子の波長λ（ｎｍ）ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。ｎ１、ｎ２、ｎ３は、それぞれ、波長λごとの薄膜１１を構成する材料の屈折率、回折格子２１を構成する材料の屈折率、および、回折格子３１を構成する材料の屈折率である。ｄ（μｍ）は格子高さ、Ｗ（ｎｍ）は薄膜１１の膜幅、Δは式（６）で表される比屈折率差、ａ’は式（１７）で表される値である。ＷＣ，ＴＥ（ｎｍ）、ＷＣ，ＴＥ（ｎｍ）はそれぞれ、式（１０）、（１１）で表されるＴＥ偏光のカットオフ幅およびＴＭ偏光のカットオフ幅である。ＷＣ（ｎｍ）は、式（１４）で表されるＴＥ偏光のカットオフ幅とＴＭ偏光のカットオフ幅との平均である。Ｗ／ＷＣは、式（１３）で表される値である。ｎｅｑ，ＴＥ、ｎｅｑ，ＴＭはそれぞれ、式（１８）、（１９）で表されるＴＥ偏光の等価屈折率およびＴＭ偏光の等価屈折率である。ｎｅｑは、式（２３）で表されるＴＥ偏光の等価屈折率とＴＭ偏光の等価屈折率との平均としての等価屈折率である。（ｎｅｑ−ｎ２）ｄ／λは、式（２２）で表される、平均の等価屈折率ｎｅｑと回折格子２１の高屈折率材料の屈折率ｎ２との位相差である。
【００７６】
【表１】
2016218436.tif 000017
【００７７】
図５は、本実施例における回折光学部の拡大断面図である。図６は、本実施例において、図４の光学系に関する設計入射角度（撮影光入射角度）の不要光の影響の説明図である。図５および図６において、光軸Ｏに対して入射する撮影光束Ａ、Ａ’は、基板レンズ２を通過した後、それぞれ光軸Ｏから上方向に数えてｍ番目、下方向に数えてｍ番目の回折格子であるｍ格子とｍ’格子にそれぞれ入射する。撮影光束Ａ、Ａ’のｍ格子、ｍ’格子に対しての入射角度は、重心光線方向である。また、格子壁面１ｂ、１ｂ’の方向は、重心光線方向と等しい。
【００７８】
図６において、撮影光束Ａのｍ格子から射出する＋１次回折光はＡｍ１、０次回折光はＡｍ０、＋２次回折光はＡｍ２、撮影光束Ａ’のｍ’格子から射出する＋１次回折光はＡ’ｍ１、０次回折光はＡ’ｍ０、＋２次回折光はＡ’ｍ２として示されている。設計次数である＋１次回折光Ａｍ１、Ａ’ｍ１は、結像面４１に結像される。一方、設計次数−１次である０次回折光Ａｍ０、Ａ’ｍ０は、結像面４１の像側に結像する。設計次数＋１次である＋２次回折光Ａｍ２、Ａ’ｍ２は、結像面４１の物体側に結像する。結像面でのスポットサイズが設計次数から離れるほどぼけるため、不要光が目立ちにくくなる。すなわち、設計入射角度（撮影光入射角度）における不要光に関し、設計次数±１次の回折光の回折効率が最も大きく影響を受ける。
【００７９】
図７は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図７は、図３に示される設計入射角度（撮影光入射角度）である入射光束ａと図５および図６の入射光束Ａを想定して、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。図７（ａ）〜（ｃ）はそれぞれ、設計次数である＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光のＴＥ偏光およびＴＭ偏光の回折効率を示している。回折角は、図３の下向きを正の方向としている。
【００８０】
図８は、比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光、０次回折光、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図８は、薄膜１１を有しない以外、図１と同様の構成を有する回折光学素子（ＤＯＥ）を用いた場合における、図７に相当する比較例としてのグラフである。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の＋１次回折光の回折効率は向上し、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は低減する。なお、０次回折光および＋２次回折光の回折効率の数値自体は低い数値であるが、高輝度光源、小絞り、長時間露光等の撮影時には不要光として影響してくるため、本実施例の効果は大きい。
【００８１】
図９は、図４の光学系に関する斜入射角度（画面外光入射角度）の不要光の影響の説明図である。図５において、画面外光束Ｂ，Ｂ’のｍ格子、ｍ’格子に対しての入射角度はそれぞれ、重心光線方向に対して角度ωｉ、ωｉ’である。図１０は、回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図１０は、図３に示される画面外入射光束ｂと図５および図９に示される入射光束Ｂを想定して、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。入射角は、図３の下向きを正の方向としている。
【００８２】
図１０は、縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について表示した結果である。＋１０度付近の数値が表示範囲を超えているのは、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率であるため回折効率の数値が高いためである。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しているが、＋１次回折光は結像面に到達しないため、その影響は小さい。図１０（ａ）〜（ｃ）は、波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍのそれぞれのＴＥ偏光およびＴＭ偏光の結果である。図１０に示されるように、不要光は特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播する。この不要光は、略−１０度方向にピークを有し、この伝播方向は格子壁面に入射する画面外入射角度＋１０度光束の成分が全反射して伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。図１１は、比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。図１１は、薄膜１１を有しない以外、図３と同様の構成を有する回折光学素子を用いた場合の、図１０に相当する比較例としてのグラフを示している。
【００８３】
画面外光＋１０度入射の不要光のうち、設計入射角度の＋１次回折光の回折角＋０．１９度付近に射出する不要光が像面に到達することになる（図９のＢｍ）。回折光学素子の後段の光学系により、画面外入射光の不要光が像面に到達する回折次数および回折角度は異なる（図９ではＢｍ〜Ｂｍ＋）。しかし、いかなる光学系であっても少なくとも設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度に略一致する画面外光による不要光の回折光は像面に到達するため、像性能の低下を招く。図１０に示される−１０度方向の不要光ピーク角度は、図１１と略同一である。しかしが、不要光の広がりは図１０と図１１とで互いに異なり、図１０の回折角＋０．１９度付近の回折効率は、薄膜を設けていない回折格子と比較して可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光がいずれも低減している。本実施例において、不要光は、格子壁面付近に入射する光束ｂの一部は、薄膜１１の内部に閉じ込められ、光導波路のように伝播し、これらの光束が射出後に干渉する結果、像面に到達する光束が比較例よりも減少していると考えられる。
【００８４】
図１２は、本実施例における回折光学素子の画面外入射−１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図１２は、図３に示される入射光束ｃと図５および図９に示す入射光束Ｂ’とを想定して、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。入射角は、図３の下向きを正の方向としている（図５のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図１２は、縦軸の回折効率の低い部分を拡大し、横軸を回折次数から回折角にして高回折角度範囲について示した結果である。−１０度付近の数値が表示範囲を超えているのは、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率の数値が高いためである。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中しているが、＋１次回折光は結像面に到達しないため、その影響は小さい。図１２（ａ）〜（ｃ）は、波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍのそれぞれのＴＥ偏光およびＴＭ偏光の結果である。
【００８５】
図１３は、比較例としての回折光学素子の画面外入射−１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。図１３は、薄膜１１を有しない以外、図３と同様の構成を有する回折光学素子を用いた場合の、図１２に相当する比較例としてのグラフである。不要光は、図１２に示されるように、特定角度方向にピークをもつ不要光となって伝播する。図１３と比較すると、＋方向の不要光のピークは増加し、−方向の不要光のピークは減少している。これは、格子壁面に設けた薄膜により、低屈折率媒質側から格子壁面に入射した光束の一部が反射することで＋方向の不要光が増加し、−方向の透過に起因する不要光が減少していることを意味している。図４および図９に示される光学系において、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．１９度に略一致する画面外光による不要光の回折光は、比較例に比べて増加している。しかし、回折効率の数値が極めて小さく、また、ｍ格子による影響のほうが大きいため、像性能の低下に対しての影響は小さい。
【００８６】
このように、本実施例の回折光学素子を適用した光学系において、不要光の影響が小さいｍ’格子の不要光の増加を影響ない程度に抑制し、不要光の影響が大きいｍ格子の不要光を大幅に減少させることができる。この結果、結像面に到達する不要光が小さくなるため、像性能の低下を抑制することができる。なお本実施例では、格子ピッチを１００μｍとしている。また、格子ピッチの広い輪帯においては、壁面の寄与が小さくなるため、設計次数の回折効率は相対的に高く、不要光の回折効率は相対的に低くなる。また、図示していないが、不要光の伝播方向には格子ピッチに依存せず、伝播方向は同じである。このため、基準の一つとして、格子ピッチ１００μｍの回折効率を示している。
【００８７】
また本実施例において、画面外光束Ｂ，Ｂ’の入射角は、画面外＋１０度（光軸方向に対しては入射角ωは＋１３．１６度）を想定している。この入射角度より小さい角度ではレンズ表面や結像面反射によるゴーストやレンズ内部、表面微小凹凸による散乱が多いため、回折光学素子の不要光は比較的目立たない。一方、この入射角度より大きい角度では、前側レンズ面の反射やレンズ鏡筒による遮光により回折光学素子の不要光の影響度は比較的小さい。このため、画面外入射光束は、＋１０度付近が回折光学素子の不要光に対して最も影響が大きく、本実施例では画面外光束の入射角は略＋１０度を想定している。
【実施例２】
【００８８】
次に、本発明の実施例２における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子において、薄膜１１の材料は実施例１と同様であり、薄膜１１の幅Ｗは４５０ｎｍである。回折光学素子の他の構成は、実施例１と同様である。表２は、表１と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ（ｎｍ）ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
【００８９】
【表２】
2016218436.tif 000018
【００９０】
図１４は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図１４は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する＋１次回折光の回折効率は向上し、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は低減している。
【００９１】
図１５は、本実施例における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図１５は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する回折角＋０．１９度付近の回折効率は、薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。
【実施例３】
【００９２】
次に、本発明の実施例３における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子において、薄膜１１の材料は実施例１と同様であり、薄膜１１の幅Ｗは３００ｎｍである。回折光学素子の他の構成は、実施例１と同様である。表３は、表１と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ（ｎｍ）ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
【００９３】
【表３】
2016218436.tif 000019
【００９４】
波長６００ｎｍ以上において、薄膜１１の幅Ｗは、ＴＥ偏光の場合には式（１０）、ＴＭ偏光の場合には式（１１）の単一モードのカットオフ幅未満になる。このため、式（７）、（８）は解を持たず、等価屈折率を求めることができない。
【００９５】
図１６は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図１６は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する＋１次回折光の回折効率は向上し、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は低減している。
【００９６】
図１７は、本実施例における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図１７は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する回折角＋０．１９度付近の回折効率は、薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。
【００９７】
続いて、本実施例の効果をより明確に示すため、比較例を用いて説明する。図１８は、比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。図１８は、特許文献２に開示された回折光学素子に相当し、式（６）の比屈折率差Δが０．０４５の場合に薄膜の膜幅を変化させたときの入射角度０度の＋１次回折光の回折効率のＲＣＷＡ計算結果を示している。この回折光学素子は、波長５５０ｎｍにおいて、ｎ１＝１．７０１３５、ｎ２＝１．６２２９８、ｎ３＝１．５７２４３、Δ／λ＝０．０８１８の特性を有する。図１８は、格子ピッチ１００μｍ、波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍのそれぞれの結果を示している。＋１次回折光の回折効率が最も高くなる膜幅は、波長および偏光の両方に応じて異なり、波長依存性および偏光依存性が高い。例えば、波長７００ｎｍのＴＭ偏光のピークの膜幅２００〜２２０ｎｍは、波長４００ｎｍのＴＥ偏光では極めて低くなっている。
【００９８】
図１９は、比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図１９は、式（６）の比屈折率差Δが０．０４５の場合に、薄膜の膜幅１２０ｎｍのとき（Ｗ／Ｗｃ＝０．９９）の入射角度＋１０度におけるＲＣＷＡ計算結果を示している。波長４００ｎｍ、５５０ｎｍと比較して、波長７００ｎｍの回折角＋０．１９度付近の回折効率および波長依存性が高く、また、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の偏光依存性も大きい。その結果、フレアの色付きが大きくなる。
【００９９】
図２０は、比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。図２０は、特許文献１に開示された回折光学素子に相当し、式（６）の比屈折率差Δが０．００５の場合に薄膜の膜幅を変化させたときの、入射角度０度の＋１次回折光の回折効率のＲＣＷＡ計算結果を示している。この回折光学素子は、波長５５０ｎｍにおいて、ｎ１＝１．６３１１６、ｎ２＝１．６２２９８、ｎ３＝１．５７２４３、Δ／λ＝０．００９１の特性を有する。図２０は、格子ピッチ１００μｍ、波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍのそれぞれの結果を示している。図１８と比較して、偏光依存性が小さくなっている。これは、非対称３層平板導波路の偏光依存性が、式（６）の比屈折率差Δに依存するためである。このため、比屈折率差Δが小さい場合、導波モードの等価屈折率の偏光依存性が小さく、回折光学素子に適用した場合にも偏光依存性が小さくなる。
【０１００】
図２１は、比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図２１は、式（６）の比屈折率差Δが０．００５の場合に薄膜１１の幅が７００ｎｍのとき（Ｗ／Ｗｃ＝１．０９）の入射角度＋１０度におけるＲＣＷＡ計算結果を示している。波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍのいずれの場合でも、回折角＋０．１９度付近の回折効率は十分小さい値になっていない。
【０１０１】
図２２は、比較例としての回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長５５０ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図２２は、薄膜の膜幅を変化させた場合の、入射角度＋１０度の波長５５０ｎｍ、ＴＥ偏光におけるＲＣＷＡ計算結果を示している。比屈折率差Δが小さい場合、膜幅を変化させても回折効率が小さい値が得られない。これは、比屈折率差Δが小さいと導波路の閉じ込め係数が小さくなるため、設計回折光である＋１次光と−格子壁面で反射し、−１０ｄｅｇ方向に伝搬するフレア光とを分離することができなくなるためと考えられる。
【０１０２】
図２３は、実施例１〜３における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図２３は、実施例１〜３の各屈折率、格子高さで薄膜の膜幅を変化させた場合の、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおける波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの＋１次回折光の回折効率のＲＣＷＡ計算結果を示している。図１８と比較して、波長依存性および偏光依存性が低減している。また、入射角度＋１０度の結果は、実施例１〜３の図１０、図１５、図１７に示されるように、図２１および図２２と比較して、回折角＋０．１９度付近の回折効率が低い値となっている。このため、斜入射角度による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができ、かつ波長依存性および偏光依存性を低減することが可能である。
【実施例４】
【０１０３】
次に、本発明の実施例４における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子は、薄膜１１の屈折率ｎ１および幅Ｗに関し、実施例１〜３の回折光学素子と異なる。本実施例の回折光学素子において、薄膜１１はＡｌ２Ｏ３とＺｒＯ２の混合材料の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Ｗは１６０ｎｍである。また、薄膜１１の波長４００ｎｍから７００ｎｍの帯域における消衰係数は、０．０００３以下である。具体的には、薄膜１１の消衰係数は、波長４００ｎｍの光に対して最大となり、その値は０．０００２である。
回折光学素子の他の構成は、実施例１〜３と同様である。表４は、表１と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ（ｎｍ）ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
【０１０４】
【表４】
2016218436.tif 000020
【０１０５】
波長６５０ｎｍ以上において、薄膜１１の幅Ｗは、ＴＥ偏光の場合には式（１０）、ＴＭ偏光の場合には式（１１）の単一モードのカットオフ幅未満になる。このため、式（７）、（８）は解を持たず、等価屈折率を求めることができない。
【０１０６】
図２４は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図２４は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する＋１次回折光の回折効率は向上し、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は低減している。
【０１０７】
図２５は、本実施例における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図２５は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する回折角＋０．１９度付近の回折効率は、従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。
【実施例５】
【０１０８】
次に、本発明の実施例５における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子は、薄膜１１の屈折率ｎ１および幅Ｗに関し、実施例１〜４の回折光学素子と異なる。本実施例の回折光学素子において、薄膜１１はＡｌ２Ｏ３の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Ｗは４００ｎｍである。また、薄膜１１の波長４００ｎｍから７００ｎｍの帯域における消衰係数は、０．０００３以下である。具体的には、薄膜１１の消衰係数は、波長４００ｎｍの光に対して最大となり、その値は０．０００２である。回折光学素子の他の構成は、実施例１〜４と同様である。表５は、表１と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ（ｎｍ）ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
【０１０９】
【表５】
2016218436.tif 000021
【０１１０】
図２６は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図２６は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する＋１次回折光の回折効率は向上し、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は低減している。
【０１１１】
図２７は、本実施例における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図２７は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する回折角＋０．１９度付近の回折効率は、従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。
【実施例６】
【０１１２】
次に、本発明の実施例６における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子は、回折格子および薄膜の屈折率ｎ１および幅Ｗに関し、実施例１〜５の回折光学素子と異なる。
【０１１３】
本実施例の回折光学素子において、回折格子２１はＺｒＯ２微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、回折格子３１はＩＴＯ微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂からそれぞれ構成されている。材料の屈折率は実施例１〜４の材料より高い材料で構成され、格子高さｄは実施例１〜４と同等の１０．８０μｍ、設計次数は＋１次である。薄膜１１はＡｌ２Ｏ３とＬａ２Ｏ３の化合物材料の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Ｗは３４０ｎｍである。実施例１と比較して回折格子の材料の屈折率、薄膜の材料の屈折率がともに高く、且つΔが同等の場合である。また、薄膜１１の波長４００ｎｍから７００ｎｍの帯域における消衰係数は、０．０００３以下である。具体的には、薄膜１１の消衰係数は、波長４００ｎｍの光に対して最大となり、その値は０．０００３である。表６は、表１と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ（ｎｍ）ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
【０１１４】
【表６】
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【０１１５】
波長７００ｎｍにおいて、薄膜１１の幅Ｗは、ＴＥ偏光の場合には式（１０）、ＴＭ偏光の場合には式（１１）の単一モードのカットオフ幅未満になる。このため、式（７）、（８）は解を持たず、等価屈折率を求めることができない。
【０１１６】
図２９は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図２９は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。図３０は、比較例としての薄膜１１を有しない以外、図１と同様の構成を有する回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次、０次、＋２次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図２９に相当する比較例としてのグラフである。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光の両方に関する＋１次回折光の回折効率は向上し、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は低減している。
【０１１７】
図３１は、本実施例における回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。すなわち図３１は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示している。図３２は、比較例としての薄膜１１を有しない以外、図１と同様の構成を有する回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの回折効率のグラフである。不要光の広がりは、図３１と図３２とで互いに異なり、図３１のＴＥ偏光およびＴＭ偏光のそれぞれに関する回折角＋０．１９度付近の回折効率は、図３２（薄膜を設けていない回折格子の回折効率）と比較して、可視波長帯域全域において低減している。
【０１１８】
図３３は、実施例６における回折光学素子の設計入射角度光束に対する＋１次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図３３は、実施例６の各屈折率、格子高さで薄膜の膜幅を変化させた場合の、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍにおける波長４００ｎｍ、５５０ｎｍ、７００ｎｍの＋１次回折光の回折効率のＲＣＷＡ計算結果を示している。実施例１〜３で示した図２３と同様に、波長依存性および偏光依存性が低減している。
【０１１９】
実施例６は比較例との関係も実施例１と同等であることがわかる。実施例６は、実施例１と比較して、回折格子の材料の屈折率、薄膜の材料の屈折率がともに高く、かつ比屈折率差Δが同等である。このため、波長依存性および偏光依存性を低減する回折光学素子は回折格子の屈折率、薄膜の屈折率の絶対値ではなく、比屈折率差Δに依存していることがわかる。
【０１２０】
ただし、図２３と図３３とを比較すると、波長依存性は図２３のほうが低いことがわかる。このため、薄膜および回折格子の材料の屈折率より低い組み合せのほうが波長依存性がより低く、より好ましい構成であることがわかる。
【０１２１】
各実施例の回折光学素子によれば、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上し、設計次数±１次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができる。更に各実施例によれば、波長依存性および偏光依存性を低減して所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子、光学系、および、光学機器を提供することができる。
【０１２２】
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形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【０１２３】
１  回折光学素子
１１  薄膜
２１  回折格子（第１の回折格子）
３１  回折格子（第２の回折格子）
【図１】
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【図６】
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【図９】
2016218436.tif 000029
【図２】
2016218436.tif 000030
【図３】
2016218436.tif 000031
【図４】
2016218436.tif 000032
【図５】
2016218436.tif 000033
【図７】
2016218436.tif 000034
【図８】
2016218436.tif 000035
【図１０】
2016218436.tif 000036
【図１１】
2016218436.tif 000037
【図１２】
2016218436.tif 000038
【図１３】
2016218436.tif 000039
【図１４】
2016218436.tif 000040
【図１５】
2016218436.tif 000041
【図１６】
2016218436.tif 000042
【図１７】
2016218436.tif 000043
【図１８】
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【図１９】
2016218436.tif 000045
【図２０】
2016218436.tif 000046
【図２１】
2016218436.tif 000047
【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
2016218436.tif 000053
【図２８】
2016218436.tif 000054
【図２９】
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【図３０】
2016218436.tif 000056
【図３１】
2016218436.tif 000057
【図３２】
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【図３３】
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