(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工していることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、該回折光学素子は複数の領域を有し、これらの複数の領域のうち少なくとも一部の領域に於いて、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工していることを特徴とする回折光学素子。
【請求項３】
少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、該回折光学素子は複数の領域を有し、これらの複数の領域内において、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工しており、各領域における面取りの大きさ、又は面取りの形状が異なっていることを特徴とする回折光学素子。
【請求項４】
少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、該回折光学素子は複数の領域を有し、これらの複数の領域内において、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工しており、各領域における面取りの大きさ、及び面取りの形状が異なっていることを特徴とする回折光学素子。
【請求項５】
前記面取りの形状は平面であり、前記面取りの平面を前記基板面に投影したときの格子面の配列方向の長さをａとするとき、
０．５μｍ＜ａ＜２μｍ
であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の回折光学素子。
【請求項６】
前記面取りの形状は、それを前記格子面の配列方向と前記基板の垂線とのなす平面に投影したとき曲面であり、前記面取りの曲面を前記格子面の配列方向と前記基板の垂線とのなす平面に投影したときの曲率半径をｒとするとき、
０．５μｍ＜ｒ＜２μｍ
であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項の回折光学素子。
【請求項７】
前記使用波長域が、可視光域であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項の回折光学素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項記載の回折光学素子を有することを特徴とする光学系。
【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のうち特に複数の波長、あるいは所定の帯域の光が特定次数（設計次数）に集中するような格子構造を有した回折光学素子及びそれを用いた光学系に関するものである。
【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、分数の異なる２つの材質の硝材（レンズ）を組み合わせる方法がある。
【０００３】
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１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ＳＰＩＥ Vol.1354 International Lens Design Conference（１９９０）等の文献や特開平４−２１３４２１号公報、特開平６−３２４２６２号公報、ＵＳＰ第５０４４７０６号等により開示されている。
【０００４】
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現象を利用したものである。
【０００５】
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も持たせることができ収差の低減に大きな効果がある。
【０００６】
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。
【０００７】
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。特定の次数に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。また、設計次数以外の回折次数をもった光線が存在する場合は、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】
従って回折光学素子を利用した光学系においては、設計次数での回折効率の分光分布及び設計次数以外の光線の振る舞いについても十分考慮する事が重要である。
【０００９】
図９に示すような基板２に１つの層より成る回折格子３を設けた回折光学素子１を光学系中のある面に形成した場合の特定の回折次数に対する回折効率の特性を図１０に示す。この図１０で、横軸は波長をあらわし、縦軸は回折効率を表している。この回折光学素子は、１次の回折次数（図中実線）において、使用波長領域でもっとも回折効率が高くなるように設計されている。
【００１０】
即ち設計次数は１次となる。さらに、設計次数近傍の回折次数（１次±１次の０次光と２次光）の回折効率も併せ並記しておく。
【００１１】
図１０に示されるように、設計次数では回折効率はある波長（５４０ｎｍ）で最も高くなり（以下「設計波長」と言う。）それ以外の波長では序々に低くなる。この設計次数での回折効率の低下分は、他の次数の回折光となり、フレアとなる。また、回折光学格子を複数枚使用した場合には特に、設計波長以外の波長での回折効率の低下は透過率の低下にもつながる。
【００１２】
この回折効率の低下を減少できる構成を本出願人は、特願平９−２１７１０３号で提案している。同図１１は、同公報で提案している回折光学素子１の要部断面図である。図１１に示す回折光学素子１は基板２上に２層４、５に重ね合わされた積層断面形状をもつ。そして２層４、５を構成する材質の屈折率、分散特性及び各格子厚を最適化することにより、高い回折効率を得ている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
図１１に示す回折光学素子において各層の回折格子の材料として加工性のよい光学ガラスやプラスチック、紫外線硬化樹脂等を用いた場合、従来の１層の場合ほど屈折率差、即ち光学光路長差を大きくとることが難しく、格子厚はかなり厚い構成になってくる。例えば２層構造の回折光学素子１で第１層４の材料に屈折率ｎｄ＝１．５２５、アッベ数νｄ＝４７．８の紫外線硬化樹脂、第２層５の材料に屈折率ｎｄ＝１．６３５、アッベ数νｄ＝２３．０の紫外線硬化樹脂を用いたとする。この組み合わせで格子厚を最適な厚みとしたときの回折効率を図１２に示す。１次回折光の回折効率が可視域全域で、高い回折効率を維持していることがわかる。但しこの場合、第１の回折格子４の格子厚ｄ１は１２．７０μｍ、第２の回折格子５の格子厚ｄ２は９．５５μｍとなり、通常の１層の回折格子の格子厚が１μｍ程度であることを考えると、かなり深い格子形状になっている。また実際に製造する場合、図１１において、第２層５は、格子ピッチ毎に分離されており、成形などで製作するには形状の転写、離型が難しくなる。従って実用的な構成は図１３に示すように、それぞれの回折格子４、５を個別に形成し、各格子ピッチが対応するように、近接して重ね合わせる構成とするのが好ましい。
【００１４】
つぎにこれらの格子形状を切削により製造するには製造されたものを直接回折光学素子として用いてもよいし、製造されたものを型にして成形により回折光学素子を複製してもよい。この場合、積層構造の回折光学素子の格子厚が厚いため、回折格子のエッジ部は従来の１層構造の回折光学素子に比べて、鋭角になっている。直接切削により回折光学素子を作成する場合には、材料がプラスチック等の場合、切削時にエッジ部先端が欠けてくる場合がある。また、型による成形の場合も、エッジ部が鋭角なため、エッジ先端が鈍る等の現象が生じてくる。
【００１５】
ここで、図１３のような回折光学素子の構成で、エッジ先端が鈍った場合の影響について述べる。上述した材料構成で且つ格子エッジの先端部が第１の回折格子４、第２の回折格子５とも図１４に示すように０．５μｍだけ欠けた構成を考える。この時の回折効率を図１５に示す。計算を実行した際の格子ピッチは７０μｍである。この図から回折効率が可視域ほぼ全域で３．５％程度劣化していることがわかる。この低下による光はフレア光となり、カメラ等の撮像光学系に適用する場合は、問題となる。
【００１６】
本発明は、基板上に２層又はそれ以上の多層を積層した回折光学素子の各層を適切に構成することにより高い回折効率を有するとともに容易に製造でき、しかも高い回折効率が維持でき、フレア等を有効に抑制でき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。
【００１７】
【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、少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工していることを特徴としている。
【００１８】
請求項２の発明の回折光学素子は、少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、該回折光学素子は複数の領域を有し、これらの複数の領域のうち少なくとも一部の領域に於いて、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工していることを特徴としている。
【００１９】
請求項３の発明の回折光学素子は、少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、該回折光学素子は複数の領域を有し、これらの複数の領域内において、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工しており、各領域における面取りの大きさ、又は面取りの形状が異なっていることを特徴としている。
【００２０】
請求項４の発明の回折光学素子は、少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の回折格子を有し、該複数の回折格子を基板上に積層して、使用波長領域全域で特定次数の回折効率が高くなるようにした回折光学素子に於いて、該回折光学素子は複数の領域を有し、これらの複数の領域内において、
第１の回折格子の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する第２の回折格子の溝部の一部を面取り加工しており、各領域における面取りの大きさ、及び面取りの形状が異なっていることを特徴としている。
【００２１】
請求項５の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記面取りの形状は平面であり、前記面取りの平面を前記基板面に投影したときの格子面の配列方向の長さをａとするとき、
０．５μｍ＜ａ＜２μｍ
であることを特徴としている。
【００２２】
請求項６の発明は請求項１乃至４のいずれか１項の発明において、前記面取りの形状は、それを前記格子面の配列方向と前記基板の垂線とのなす平面に投影したとき曲面であり、前記面取りの曲面を前記格子面の配列方向と前記基板の垂線とのなす平面に投影したときの曲率半径をｒとするとき、
０．５μｍ＜ｒ＜２μｍ
であることを特徴としている。
【００２３】
請求項７の発明は請求項１乃至６のいずれか１項の発明において、前記使用波長域が、可視光域であることを特徴としている。
【００２４】
請求項８の発明の光学系は、請求項１乃至７のいずれか１項記載の回折光学素子を有することを特徴としている。
【００２９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の回折光学素子の実施形態１の正面図である。同図において回折光学素子１は基板２の表面に複数の層（回折格子）より成る多層部３が作成された構成となっている。図２は図１の回折光学素子１を図中Ａ−Ａ’断面で切断した断面形状の一部である。図２は格子面（回折格子面）６，７の深さ方向にかなりデフォルメされた図となっている。
【００３０】
本実施形態の回折光学素子１の断面格子形状は、基板２上に設けられた第１層（回折格子）４、第２層（回折格子）５の２つの層からなり、第１層４と空気層の境界部に第１の回折格子面６、第２層５と空気層の境界部に第２の回折格子面７を形成している。
【００３１】
更に、各回折格子４、５のエッジ部の対応する頂部と溝部の位置に面取り８−１、８−２が施されている。
【００３２】
即ち、一方の回折格子（第１の回折格子）の格子面のエッジ部の頂部とそれに対向する他方の回折格子（第２の回折格子）の溝部の一部を面取り加工している。
【００３３】
そして全層を通して一つの回折光学素子１として作用することを特徴としている。
【００３４】
ここで、一面に回折格子面（６、７）を持ち、材質の厚さが周期的に変わる層（４，５）を回折格子と言う。
【００３５】
このように本実施形態の回折光学素子は少なくとも２種類の分散の異なる材質からなる複数の層が基板上に重ね合わされた格子構造をもち、使用波長領域全域で特定次数（設計次数）の回折効率を高くし、この時、一方の回折格子４の格子面６のエッジ部の頂部とそれに対応する他方の回折格子５の溝部を面取り８−１、８−２加工を施している。
【００３６】
次に本発明の回折光学素子の回折効率について説明する。
【００３７】
図９に示すような空気中で使用される通常の１層の透過型の回折格子３で、設計波長λ０で回折効率が最大となる条件は、光束が回折格子に対して垂直入射した場合は、回折格子面７の山と谷の光学光路長差ｄ０が波長の整数倍になればよく、
ｄ０＝（ｎ０−１）ｄ＝ｍλ０ ‥‥‥（１）
となる。ここでｎ０は波長λ０での回折格子３の材質の屈折率、ｄは格子厚、ｍは回折次数である。
【００３８】
２つ以上の回折格子、即ち２層以上の構造からなる回折光学素子でも、基本的な考え方は同様で、全層を通して一つの回折格子として作用させるためには、各層の境界に形成された回折格子面の山と谷の光学光路長差を求め、それを全層にわたって加えあわせたものが波長の整数倍になるように決定する。
【００３９】
従って図２に示した本実施例の場合の条件式は
（ｎ０１−１）ｄ１−（ｎ０２−１）ｄ２＝ｍλ０  ‥‥‥（２）
となる。
【００４０】
ここでｎ０１は第１層４の材質の波長λ０での屈折率、ｎ０２は第２層５の材質の波長λ０での屈折率、ｄ１、ｄ２はそれぞれ第１の回折格子（第１層）４と第２の回折格子（第２層）５の格子厚である。ここで回折方向を図２において０次回折光から左寄りに回折するのを正の回折次数とすると、（２）式での各層の加減の符号は、図中左から右に格子厚が減少する格子形状の場合（第１層）４が正となり、逆に左から右に格子厚が増加する格子形状の場合（第２層）５が負となる。また、格子厚は本発明の面取り８を施す前の格子エッジ部が鋭角であるが、理想的な形状の場合の格子厚である。
【００４１】
次に本実施形態の各格子面のエッジ部に施した面取りの効果について説明する。本実施形態の積層型の回折光学素子として図２に示した２層の構造について説明する。ここで材質、格子厚は第１層４に屈折率ｎｄ＝１．５２５、アッベ数νｄ＝４７．８の紫外線硬化樹脂、第２層に屈折率ｎｄ＝１．６３５、アッベ数νｄ＝２３．０の紫外線硬化樹脂を用いている。格子ピッチは７０μｍとし、面取り量０．５μｍの平面の面取りを全エッジ部に対して施す。この時の回折効率を図３に示す。この図３からわかるように回折効率は理想形状の場合に比べると４４０ｎｍ以下の短波長で１％の劣化はあるものの、ほぼ可視域全域で０．３％程度の低下である。従って図３に示した前述の一部のエッジが鈍った場合の低下３．５％に比べると、フレア量も１／１０に抑制され、良好な性能を維持していることがわかる。
【００４２】
尚、本実施形態の面取り形状は、あまり小さいと先端の欠けや転写性は改善されないし、大きすぎると回折効率が劣化しすぎてしまう。従って、面取り量は平面を基板２に投影したときの格子面の配列方向Ｘの長さをａとしたとき
０．５μｍ＜ａ＜２μｍ
とするのが好ましい。
【００４３】
以上述べた説明は、１周期の回折格子形状に限定して説明を行った。しかし、回折格子の回折効率については、回折格子のピッチは基本的には影響しないことが、公知である。
【００４４】
つまり本実施形態は図１に示した１次元の回折格子の他に、図７に示すような回折光学レンズなどあらゆる格子ピッチ形状を有する回折光学素子に応用することができる。
【００４５】
また本実施形態では面取り形状は、平面形状をしていた。しかしながら面取り形状は平面形状に限るものではなく、例えば図５に示すような格子面の配列方向（Ｘ）と基板の垂線（Ｙ方向）とのなす平面（ＸＹ平面）に投影したときの曲面としても良い。即ち、微小曲率半径Ｒがついた形状にしてもよい。この場合も曲面の曲率半径Ｒは前述の平面の面取りと同じく
０．５μｍ＜Ｒ＜２μｍ
とするのが好ましい。
【００４６】
また、実施形態の説明では平板２上に複数の回折格子を設けた回折光学素子について説明したが、回折光学素子をレンズ曲面表面に設けても同様の効果が得られる。
【００４７】
また本実施形態では、回折次数が１次光の場合を示したが、１次光に限定するものではなく、２次光などの異なった回折次数光であっても、合成光学光路長差を所望の回折次数で所望の設計波長となるように設定すれば同様の効果が得られる。
【００４８】
図６は本発明の回折光学素子の実施形態２の要部正面図である。
【００４９】
本実施形態の回折光学素子３は複数のエリア３−１、３−２、３−３に分割され、このうち少なくとも１つのエリアに前述した面取り加工を行っている。この他、本実施形態では各エリアで本発明の特徴であるエッジ部の面取り形状が異なっているようにしいている。具体例を示すと、図のようなレンズ作用を有する回折光学素子の場合には、格子ピッチは中心部から周辺部にいくに従って小さくなっている。それに伴い格子エッジ部の角度も中心部から周辺部にいくに従い、鋭角になっている。そこで外側のエリア３−３の面取り量は大きめにし、中側のエリア３−２はそれよりも小さな面取りとし、中心部のエリア３−１はエッジ角は、かなり鈍角なので面取り量は少なくするか、場合によっては面取りを施さないようにしている。このようにエッジ角に応じて面取り量と面取り形状の一方又は双方を変えることで、回折効率の低下は可能な限り抑えられ、且つ製造も容易な回折光学素子を作成している。
【００５０】
図７は本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施形態３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、１０は撮影レンズで、内部に絞り１１と回折光学素子１を持っている。１２は結像面であるフィルムまたはＣＣＤである。
【００５１】
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。
【００５２】
図７では絞り１１近傍の平板ガラス面に回折光学素子１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。
【００５３】
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などに使用しても同様の効果が得られる。
【００５４】
図８は本発明の回折光学素子を用いた光学系の実施形態４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、１３は対物レンズ、１４は像を成立させるための像反転プリズム、１５は接眼レンズ、１６は評価面（瞳面）である。
【００５５】
図中１は回折光学素子である。回折光学素子１は対物レンズ１３の結像面１２での色収差等を補正する目的で形成されている。
【００５６】
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。又、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。
【００５７】
本実施形態では、対物レンズ部１３に回折光学素子１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１５内の位置であっても同様の効果が得られる。結像面１２より物体側に設けると対物レンズ１３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すくなくとも対物レンズ１３がわに設けることが望ましい。
【００５８】
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などであってもよく、またレンズシャッターカメラやビデオカメラなど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。
【００５９】
【発明の効果】
本発明によれば以上のように、基板上に２層又はそれ以上の多層を積層した回折光学素子の各層を適切に構成することにより高い回折効率を有するとともに、容易に製造でき、しかも高い回折効率が維持でき、フレア等を有効に抑制でき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。
【００６０】
この他、本発明によれば各格子部の格子エッジ位置に面取りを施すことで、各回折格子の格子エッジは鈍角にでき、切削加工時等の格子形状の加工性が大幅に改善され、或は成形時のエッジ部の形状転写性も大幅に改善され、格子形状が安定した良好な回折光学素子が得られる。そのため光学系に組み込んだ場合も、高い回折効率が維持でき、フレア等を有効に抑制できる光学系が提供できる。
【００６１】
更に、回折光学素子はエリア毎に格子エッジ部の面取り量を変えることにより、回折効率の低下を最大限に抑制することができ、光学系に使用したとき、フレアが抑制された高い回折効率を維持することができる。
【００６２】
また本発明の回折光学素子を撮影レンズに使用すれば、安価で高精度な撮影レンズを提供することができる。
【００６３】
また本発明の回折光学素子を観察光学系に使用すれば、安価で高精度な観察光学系を提供することができる。
【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の要部正面図
【図２】本発明の回折光学素子の実施形態１の要部断面図
【図３】本発明の回折光学素子の実施形態１の回折効率の説明図
【図４】本発明の回折光学素子の実施形態１の他の形態の説明図
【図５】本発明の回折光学素子の実施形態１の一部分の拡大説明図
【図６】本発明の回折光学素子の実施形態２の要部正面図
【図７】本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の実施形態３の要部断面図
【図８】本発明の回折光学素子を用いた観察系の実施形態４の要部断面図
【図９】従来例の回折格子形状（三角波形状）の説明図
【図１０】従来例の回折効率の説明図
【図１１】積層型回折光学素子の断面形状の説明図
【図１２】積層型回折光学素子の回折効率の説明図
【図１３】積層型回折光学素子の構成例の説明図
【図１４】積層型回折光学素子の製造誤差の模式図
【図１５】積層型回折光学素子で製造誤差が生じた場合の回折効率の説明図
【符号の説明】
１    回折光学素子
２    基板
３    回折格子部
４    第１層（回折格子）
５    第２層（回折格子）
６    回折面
７    格子面
８    格子エッジ面取り部
１０    撮影レンズ
１１    絞り
１２    結像面
１３    対物レンズ
１４    プリズム
１５    接眼レンズ
１６    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】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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