JP5132284B2 - 回折光学素子およびそれを有する光学系並びに光学機器 - Google Patents

Description

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、可視波長域において高い回折効率が得られ、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。

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（非特許文献１、特許文献１）。

この回折光学素子には、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。

回折光学素子を有する光学系において、使用波長領域における光束が特定の１つの次数（以下、「特定次数」又は「設計次数」ともいう）の回折光に集中している場合は、それ以外の回折次数の回折光強度は低いものとなる。ある次数の回折光の強度が０の場合はその次数の回折光は存在しない。

設計次数以外の次数の回折光が存在し、それがある程度の強度を有する場合は、設計次数の光とは別な所に結像（集光）するため、光学系に用いたときは、これらの光はフレア光となる。

従って、回折光学素子を用いて光学系の収差を低減するためには、使用波長領域全域において設計次数の回折光の回折効率が十分高くなるようにすることが必要となる。このため回折光学素子を用いる光学系では設計次数での回折効率および設計次数以外の回折光についても十分考慮することが必要となる。

図１５は、基板３０２とこの基板３０２上に形成された１つの回折格子３０１とからなる従来の回折光学素子（以下、「単層型ＤＯＥ」と言う）の要部断面図である。図１６は、この単層型ＤＯＥをある面に形成した場合の特定次数に対する回折効率の特性の説明図である。

図１６において、横軸は入射光の波長を、縦軸は回折効率を示している。回折効率の値は、全透過光束の光量に対する各次数での回折光の光量の割合であり、格子境界面での反射光などは説明が複雑になるので考慮していない値になっている。

図１６に示すように、図１５に示した単層型ＤＯＥは、１次の回折次数（図中に太い実線で示す）において使用波長領域で最も回折効率が高くなるように設計されている。即ち、設計次数は１次である。

この設計次数で回折効率はある波長で最も高くなり（以下、この波長を「設計波長」という）、それ以外の波長では徐々に低くなる。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、光学系に用いたときはフレア光となる。

図１６には、この他の次数として設計次数１次の近傍の次数（設計次数１±１次の０次回折光と２次回折光）の回折効率も併せて併記している。

従来、このときのフレア光の影響を低減する構成が知られている（特許文献２〜９）。

図１７は特許文献２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２に開示されている回折光学素子は、３種類の異なる格子材料３０６〜３０８と２種類の異なる格子厚ｄ１，ｄ２より成る格子部とを最適に選び、複数の回折格子を等しいピッチ分布で密着配置している。

このような構成をとることによって、図１８に示すように、設計次数において可視域全域にわたって高い回折効率を得ている。

図１９は特許文献３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３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。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２０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。

特許文献４、特許文献５にて開示されている回折光学素子は、回折格子を構成する材料中にＩＴＯ微粒子等を用いて材料の屈折率や分散を適切に設定している。これによって、高い回折効率を確保しつつ、種々の撮影(投影)条件においてもフレアの少ない回折光学素子を実現している。

一般にＩＴＯ微粒子を用いた材料は高い回折効率を得るのが容易となる。しかし、特許文献６に開示されているように、ＩＴＯ微粒子はＩＴＯ自身の有する着色のため透過率が低下する傾向がある。又、微粒子の多次凝集によって分散性を確保することが困難になり、光散乱が増大する傾向がある。

特許文献６では回折格子を構成する光学材料を適切に設定して高い回折効率を確保しつつ、高い透過率が得られる回折光学素子を得ている。

ＩＴＯ微粒子等の透明性が低く光散乱が生じやすい材料を用いて回折光学素子を製造する際には、例えば回折格子の格子部とベース部とから成る光学層の厚さを薄くすれば透過率や光散乱を改善することができる。

しかしながら光学層の厚さを薄くしていくと、光学層の肉厚比が大きくなり、成形時における歪やひび、剥離等の形状不安定性が大きくなり、所望の光学形状が得られなくなってくる。さらには、製造後の環境変化に対する安定性も悪くなる傾向となる。

これに対して特許文献７、特許文献８では型に接していない自由表面に形状変化を集中させて成形時の安定性を向上させ、良好なる回折光学素子が得られる成形法を提案している。

また、特許文献９では光学層と基板との間に光学層とは異なる材料からなる中間層を用いて成形時及び成形後の形状安定性が優れた回折光学素子が得られる成形方法を提案している。
ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０） 特開平４−２１３４２１号公報 特開平９−１２７３２２号公報 特開２０００−９８１１８号公報 特開２００１−７４９０１号公報 特開２００４−７８１６６公報 特開２００６−２２０６８９公報 特開２００５−１３１９公報 特開２００６−２２０８１６公報 特開２００６−２３５００７公報

一般に回折格子を基板上に形成するとき製作上、回折格子と基板との間に格子部と同一材料より成る格子ベースを設け、格子ベース部の厚さを厚くして格子部の肉厚比を小さくして成形時における歪、ヒケ等が生ずるのを防止する方法がとられている。

前述したように、回折光学素子の回折格子の材料にＩＴＯ微粒子を用いると高い回折効率が容易に得られ、又分散を適切に設定するのが容易となる。

しかしながらＩＴＯ微粒子は吸収が大きく、又光散乱も大きい。

このため、ＩＴＯ微粒子等の光吸収や光散乱の大きい材料を用いて回折格子を製作するときは透明性向上や光散乱減少のために格子ベース部の厚さをなるべく薄くすることが必要となる。しかしながら、格子ベース部の厚さを薄くすると肉厚比が大きくなり、成形時及び成形後の形状安定性が悪くなる。

回折格子の材料にＩＴＯ等の光吸収の多い材料を用いると、高い回折効率や分散を適切に設定することが容易となるが、光吸収が多く、又光散乱も多くなってくる。この結果、光学系の一部に用いることが難しくなる。

一方、形状安定性のためには、基板と回折格子との間に中間層を設けるのが良い。しかしながら、基板上に複数の層を２種類以上の材料を用いて成形する場合、材料の屈折率差や、界面の状態が回折効率に大きな影響を与える。このとき接する２つの材料の屈折率差が大きい場合には材料界面での散乱も大きくなる。さらに界面が平坦な面でない場合は波面の乱れが生じ、回折効率が劣化する原因となる。

このため、２種類以上の材料を用いて基板上に中間層や回折格子などを形成するとき、成形時における各層の界面の変化について十分に注意しないと高い回折効率が得られない場合がある。

本発明は、高い回折効率が得られ、しかも透過率が良く、成形時及び成形後の形状安定性に優れた回折光学素子及びこの回折光学素子を用いた光学系並びに光学機器を提供することを目的とする。

本発明の回折光学素子は、基板上に中間層を介してベース部、回折格子が形成されている回折光学素子であって、前記ベース部と前記回折格子は同じ材料より成り、前記回折格子と前記中間層の材料のｄ線における消光係数を各々Ｋａ、Ｋｂとするとき、
３．０×１０^−４ ＜ Ｋａ ＜ １．０×１０^−３
Ｋｂ ＜ ３．０×１０^−４
なる条件を満たすことを特徴としている。

本発明によれば、高い回折効率が得られ、しかも透過率が良く、成形時及び成形後の形状安定性に優れた回折光学素子及びこの回折光学素子を用いた光学系並びに光学機器が得られる。

次に本発明の回折光学素子及びそれを用いた光学系について説明する。

本発明の回折光学素子は、レンズや透明な平板より成る基板上に中間層を介して順に、ベース部、回折格子が形成された素子部を少なくとも１つ有する。

ここでベース部と回折格子は同じ材料より成っている。

そして回折格子と中間層に互いに異なる値の消光係数の材料を用いている。

図１（ａ）は、本発明の実施例１の回折光学素子（Diffractive Optical Elements ＤＯＥ)）の正面図である。図１（ｂ）は実施例１の回折光学素子の側面図である。図２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た断面概略図である。

但し、図２は回折格子の格子部を格子深さ方向にかなりデフォルメして示している。

図１、図２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とが回折光学面８ａ、９ａを挟んで互いに密着するように重ね合わせて構成されている。

第１の素子部２は、レンズや平板等の第１の透明基板（基板）４と、格子ベース部（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２ａを有している。更に、その基板４と格子ベース部６の間に設けられた中間層（材料層）１１を有している。

尚、格子ベース部６、第１の回折格子８、そして中間層１１は各々別材料でも良いし、又は同一材料であっても良い。

第２の素子部３は、レンズや基板等の第２の透明基板（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（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３ａとを有している。

第１の回折格子８の格子部８ｂの格子面８ａと、第２の回折格子９の格子部９ｂの格子面９ａとは密着接合されている。

第１、第２の回折格子８、９は回折光学部（回折光学面）を構成している。

これら第１，第２の素子部２，３全体で１つの回折光学素子１として作用する。

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部の格子ピッチが変化することで、レンズ作用を有する。

本実施例において、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（波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ）である。第１および第２の回折格子８，９の格子部８ｂ、９ｂ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に選択されている。

次に、本実施例の回折光学素子１の回折光学部の回折効率について説明する。

図１５に示す１つの回折格子３０１を基板３０２に形成した通常の単層型ＤＯＥ（回折光学素子）において、設計波長がλ０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。

光束が回折格子３０１のベース面３０１ａ（図２においては点線で示す面）に対して垂直に入射する場合について説明する。

このとき、回折格子の３０１の格子部３０１ｂ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れば良い。これを式で表わすと、
（ｎ_０−１）ｄ＝ｍλ０ ・・・（ａ）
となる。

ここで、ｎ０は波長λ０の光に対する格子部３０１ｂの材料の屈折率である。また、ｄは格子部３０１ｂの格子厚、ｍは回折次数である。

（ａ）式は波長の項を含むため、同一次数では設計波長でしか等号は成り立たず、設
計波長以外の波長では回折効率は最大値から低下してしまう。

また、任意の波長λでの回折効率η（λ）は、
η（λ）＝ｓｉｎｃ２〔π｛Ｍ−（ｎ１（λ）−１）ｄ／λ｝〕 ・・・（５）
で表すことができる。

（５）式において、Ｍは評価すべき回折光の次数、ｎ１（λ）は波長λの光に対する
格子部の材料の屈折率である。また、ｓｉｎｃ２（ｘ）は、＝｛ｓｉｎ（ｘ）／ｘ｝２
で表わされる関数である。

本実施例のように、２層以上の回折格子を積層した積層構造を持つ回折光学素子でも、基本的な取扱は同様である。

全層を通して１つの回折光学素子として作用させるためには、各層の回折格子を構成する格子部の材料（空気等も含む）と格子高さより格子部の山と谷とでの光学光路長差を求める。そしてこの光学光路長差を全回折格子にわたって加え合わせたものが波長の整数倍になるように各格子部の格子形状その他の寸法（格子高さ）を決定する。

従って、図１に示した回折光学素子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、
±（ｎ_０１−ｎ_０２）ｄ１＝ｍλ０ …（６）
となる。

ここで、（６）式において、ｎ_０１は第１の素子部２の第１の回折格子８を形成する格子部８ｂの材料の波長λ０の光に対する屈折率である。ｎ_０２は第２の素子部３の第２の回折格子９を形成する格子部９ｂの材料の波長λ_０の光に対する屈折率である。

また、ｄ_１は格子部８ｂ、格子部９ｂの格子厚である。

図２において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。

上記（６）式での加減の符号は、図中上から下に格子部の格子厚が増加する格子形状を持つ回折格子の場合（図２では回折格子９）、負となる。

本実施例において、回折格子８と中間層１１の材料のｄ線における消光係数を各々Ｋａ、Ｋｂとする。このとき回折格子８（ベース部６）と中間層１１を前述した如く
３．０×１０^−４ ＜ Ｋａ ＜ １．０×１０^−３ ‥‥‥（１ａ）
Ｋｂ ＜ ３．０×１０^−４ ‥‥‥（１ｂ）
なる条件を満たす材料より構成している。

回折格子８の材料は微粒子材料を樹脂材料に混合したものである。微粒子材料が、ＩＴＯである。又、樹脂材料は、紫外線硬化樹脂である。

図２の回折光学素子１において、第１の回折格子８の格子部８ｂとベース部６に、フッ素樹脂サイトップ（旭硝子製Ｎｄ＝１．３４、νｄ＝９４）をベース材として、ＩＴＯ微粒子を体積比率で１７％混合した材料（Ｎｄ＝１．４３２、νｄ＝１６．８）を用いた。

また、第１の回折格子８のベース部６の厚さｄａを３μｍとした。

さらに、第１の回折格子８と基板４の間の中間層（材料層）１１に大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂（Ｎｄ＝１．５２２、νｄ＝５１．３）からなる材料を１０μｍの厚さにて設けた。

一方、第２の回折格子９の格子部９ｂには、ポリメタクリル酸メチル（以下ＰＭＭＡと記述、Ｎｄ＝１．４９２、νｄ＝５７．４）を用いた。第１、第２の回折格子８、９の格子部８ｂ、９ｂの格子厚を共に１０．０５μｍとした。

このとき、本実施例の構成において、光路長差（位相差）が生じるのは回折格子８と回折格子９の間においてであり、回折格子８のベース部６、及び中間層１１は回折効率には寄与しない。

図３は、実施例１の回折光学素子１の設計次数である１次での回折効率特性を示している。これらの特性図からも分かるように、回折光学素子１では図２０に示す従来の積層型の回折光学素子の特性に比べて設計次数の回折効率が改善されている。

実施例１の回折光学素子の回折効率は可視領域全域で９９％以上得られており、これに伴い不要次数のフレア光が発生しにくくなっている。

次に、本実施例の回折光学素子１の透過特性について説明する。

実施例１に用いているＩＴＯ（Indium Tin Oxide）は、通常のガラス材料や樹脂材料では得られない光学特性を持っており、回折格子８の格子部８ｂの材料として用いることで、上述のように高い回折効率を得ている。

さらに、ＩＴＯを直径がナノメートルオーダーの微粒子とし、この微粒子を格子形状が形成しやすい樹脂材料に混在させることで、製造が容易な回折格子を実現し得る。

このとき、混在した微粒子によって光が散乱しないように、使用する微粒子の大きさ（平均粒子径）は、使用波長（例えば５９０ｎｍ）の１／２０以下であるようにしている。

しかしながら、ＩＴＯは着色性を持っているため、ＩＴＯの混合量を増やしたり、中間層１１（材料層）の厚さを厚くしたりしていくと光学系の透明性が低下してくる。

ただし、ＩＴＯの混合量を減らしていくと所望の光学特性を得るのが難しくなり、特に高い回折効率を得るのが困難となる。

また、ベース部６の厚さを薄くしていくと格子部における肉厚比が大きくなり、成形時における歪、ヒケ、剥離等が起きやすくなる。そのため、一般的にはベース部６の厚さを１０μｍ以上とすることが望ましい。

実施例１の回折光学素子１の回折格子８の格子部８ｂに使用したＩＴＯ微粒子分散材料の、ｄ線における消光係数は８．４７×１０^−４である。ベース部６のベース厚さを１０μｍとすると、回折光学素子全系での透過率は７５％と低くなってしまう。

そこで、実施例１ではＩＴＯ微粒子分散材料からなるベース部（材料層）６のベース厚さを３μｍと薄くするとともに、ＩＴＯ微粒子分散材料からなるベース部（材料層）６と基板４の間に、透過率の高い中間層１１を十分な厚さ１０μｍで成形した。中間層１１に使用した材料の、ｄ線における消光係数は７．３５×１０^−６である。

本実施例において、中間層の厚さをＤｂ（μｍ）とする。このとき、
１０（μｍ）≦ Ｄｂ ‥‥‥（４）
なる条件を満たすのが良い。

その結果、回折光学素子１全系としての透過率は８５％を超え、光学系として使用容易な回折光学素子を得ることができた。

また、回折格子８の格子部８ｂとベース部６の厚さの合計が１３μｍとなり、成形時の形状安定性に優れ、製造が容易な回折光学素子を得ることが出来た。

本実施例において、回折格子８の格子部８ｂの最大の格子厚をＤ（μｍ）とする。ベース部６と格子部８ｂの最大の格子厚との合計をＤａ（μｍ）とする。このとき
（Ｄａ−Ｄ） ＜ ８（μｍ） ‥‥‥（３）
なる条件を満たすようにしている。

また、回折格子８に用いられる材料の消光係数Ｋａは、使用する光の代表波長（例えばｄ線）において、前述の条件式（１ａ）なる条件を満たすようにしている。

さらに、中間層１１の材料は透明性が高い材料を用いることが望ましい。少なくとも回折格子８の格子部８ｂに用いる材料よりも高い透明性を持った材料であることが望ましい。

例えば中間層１１に用いられる材料の消光係数Ｋｂは前述の条件式（１ｂ）を満足するのが良い。

尚、消光係数Ｋｂは小さい方が良いが具体的には、
１．０×１０^−８ ＜Ｋｂ
程度であれば良い。

ここで消光係数Ｋとは、材料の内部吸収の程度を表わすものである。厚さｄ（μｍ）の材料に波長λ（μｍ）の光が入射するときに、入射する光の光量をＩ_０、出射する光の光量をIとする。このとき、

なる式を満たすものとする。

消光係数Ｋａが（１ａ）式の下限値を下回ると、材料の透明性が上がるため、中間層１１を回折格子８側のベース層６と同一材料にて一体成形するほうが製作上も有利になってくる。

消光係数Ｋａが（１ａ）式の上限値を超えると、回折格子自体における透過率の減少が多くなり、ベース層６の厚さを薄くしても回折光学素子全系としての透過率を高く維持することが困難となる。

消光係数Ｋｂが（１ｂ）式の上限を超えると中間層１１を厚くしたことによって吸収が多くなってくるので良くない。

また、実施例１では、透明性の低い材料としてＩＴＯを用いたが、本実施例の回折光学素子に用いることのできる材料としては、これに限るものではない。

以上のように、本実施例によれば、回折格子の格子部にＩＴＯ等の微粒子材料を用いて高い回折効率を得つつ、成形時の歪、ヒケ等の発生を防止しつつ、高い透過率の回折光学素子が得られる。

図４は本発明の実施例２の回折光学素子の要部断面図である。図４は実施例１と同様、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。

本実施例では回折格子の格子部は鋸歯形状より成る。中間層とベース部との界面には該回折格子の格子周期と同周期であって、中間層と同じ材料より成り、鋸歯形状の周期構造（周期形状）が形成されている。

このとき周期構造の格子部は、回折格子８の格子部８ｂと格子部の高さの増減方向が同じ方向にとなるように配向している。

図４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とが回折光学面８ａ、９ａを挟んで互いに密着するように重ね合わせて構成している。

第１の素子部２は、レンズや平板等の第１の透明基板（基板）４と、格子ベース部（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２ａを有している。更に、その基板４と回折格子８の間に設けられた中間層（材料）１１を有している。

さらに、中間層１１と格子ベース部６との界面に、製造において回折格子８の格子部８ａの鋸歯形状と同周期からなる鋸歯形状の周期形状（周期構造）１２が生じている。

一方、第２の素子部３は第１の素子部２と同様に、レンズや平板等の第２の透明基板（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３ａとを有している。

さらに第１の回折格子８の格子面８ａと、第２の回折格子９の格子面９ａとが密着接合されている。

これら第１，第２の素子部２，３および中間層１１の全体で１つの回折光学素子として作用する。

図４に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８、第２の回折格子９及び中間層に用いている材料は実施例１と同一である。

図４に示した、中間層１１と格子ベース部６との界面に生じている周期構造１２の最大高さは０．５μｍである。

第１の素子２のベース部６の厚さを３μｍ、中間層１１の暑さを１０μｍ、回折格子８、９の格子厚を、共に１０．８５μｍとした。

図５（ａ）は、この回折光学素子１の設計次数である１次での回折効率特性を示している。図５（ａ）の特性図からも分かるように、回折光学素子１では実施例１と同様に可視領域全域で高い回折効率が得られる。

なお、実施例２においては、中間層１１とベース部６との界面に製造時に鋸歯形の周期形状１２が生じており、この界面において位相差が生まれる。そのため、所望の回折効率からの劣化が生じてしまう。

この周期形状１２は回折格子８の成形時における、硬化収縮などが原因で生じる場合がある。特に回折格子８のベース部６の厚さを薄くしていくと、材料の肉厚比が大きくなり、周期形状１２の高さが高くなる傾向にある。尚、このときの周期形状１２が生じない場合もある。

実施例２において周期形状１２の高さｄｘは０．５μｍであった。このとき回折格子８の格子部８ｂの格子厚を実施例１のまま１０．０５μｍにした場合の回折効率特性を、比較例２として図５（ｂ）に示す。

図５（ｂ）に示すように、所望の回折効率から大きく劣化した特性となってしまっている。

そこで、本実施例では周期形状１２が生じたときは、それによって生じた位相差を、回折格子８、９で補正するようにしている。

周期形状１２によって生じる位相差は、回折格子８，９で与えている位相差と同様に、式（６）で与えられる。

この位相差を、回折格子８、９の格子部８ｂ、９ｂの格子厚を１０．０５μｍから１０．８５μｍへと変化させることで補正し、図５（ａ）に示すような高い回折効率特性を得ている。

このとき、周期形状１２によって生じる位相差が少ないほど、格子部の格子厚による補正が少なくなる。そのためには、周期形状１２の最大高さｄｘを低くするか、もしくは中間層１１と回折格子８の材料の屈折率を近づける必要がある。

周期形状１２の最大高さｄｘを低くするためには、回折格子の成形条件の設定に制限が生じるため、設計の自由度が低くなる。また、中間層１１の材料の屈折率を回折格子８の格子部８ｂの材料の屈折率に近づけるためには、適切な材料選択が必要であり、設計の自由度が低くなる。

よって、これらの屈折率差と周期形状１２の高さｄｘをバランスよく設定することが必要となる。ここで、任意の周期内での周期形状１２の格子部の最大の格子高さをｄｘ（μｍ）とする。回折格子８と同一材料の格子部８ｂの材料Ａ及び中間層１１の材料Ｂのｄ線の波長λ_ｄ（μｍ）における屈折率を各々Ｎａ、Ｎｂ、又それらの屈折率差をΔＮ_ｄとする。このとき、
ｄｘ｜Ｎａ−Ｎｂ｜λ_ｄ＜０．２
即ち、
｜ｄｘ・ΔＮ_ｄ｜／λ_ｄ ＜ ０．２ ・・・（２）
なる条件としている。これにより回折光学素子１の設計の自由度が増し、かつ安定した成形手法によって、回折光学素子１を作製することができるようにしている。

実施例２の回折光学素子１は、式（２）の左辺値が０．０８となっており、条件式（８）を満たす構成となっている。

このとき、回折格子８，９で生じる位相差と、周期形状１２で生じる位相差を合成するためには、回折格子８と同一材料のベース部６を少なくとも使用波長の１０倍以下にするのが良い。

ベース部６の厚さが厚くなると、回折格子８と周期形状１２で別々の回折現象が起きるため、位相の合成が行われず、回折格子８と周期形状１２でそれぞれ不要次数のフレア光が発生する。これにより、光学系全体で高い回折効率を達成する事が困難となる。

以上のことから、回折格子８と同一材料のベース部６の厚さは少なくとも８μｍ以下であることが望ましい。

さらに、実施例２において、回折格子８の格子部８ｂの材料Ａ及び中間層１１の材料Ｂの屈折率差を以下のように選択すると代表波長だけでなく可視領域全域で所望の回折効率を得ることができる。

０．４ ＜ ｜ΔＮ_g／ΔＮ_ｄ｜ ＜ １．５ ・・・（７ａ）
かつ、
０．６ ＜ ｜ΔＮ_Ｃ／ΔＮ_ｄ｜ ＜ ２．２ ・・・（７ｂ）
ここで、ΔＮ_ｇ、ΔＮ_ｄ、ΔＮ_Ｃはそれぞれ、格子部８（ベース部６）の材料Ａと中間層１１の材料Ｂのｇ線、ｄ線、Ｃ線での屈折率差である。

実施例２における式（７ａ）の値は０．８、式（７ｂ）の値は１．１である。

実施例２では、回折格子８と同一材のベース部６と中間層１１との界面に周期形状１２が生じた場合について述べた。実施例３は回折格子の成形条件によって、この周期形状１２の形状が鋸歯形でなく、くずれた形状となる場合について可視領域全域で高い回折効率を得るものである。

図６は本発明の実施例３の要部断面図である。

図６では、回折格子８と同一材のベース部６と中間層１１の界面に生じている周期構造１２において、領域内での最大高さとなる位置と、同周期構造内における格子面８ａ、９ａの格子頂点がずれている状態の回折光学素子を示している。

上記のように、周期形状１２の周期性が本来の回折格子８、９と異なっている場合は、位相の不一致が生じ、実施例２と同じように位相差の補正が困難となる。

この位相の不一致は、周期構造１２によって生じる位相差が大きくなるほど、また、周期形状１２の最大高さとなる位置と、同周期内における格子面８ａ，９ａの格子頂点との位置ずれ量ΔＰが大きくなるほど顕著になる。

そこで、実施例３の回折光学素子１においては、実施例２と同じ材料構成とし、回折格子８、９の格子部８ｂ、９ｂの格子厚を１０．８５μｍ、周期形状１２の最大高さｄｘを０．５μｍとしている。

さらに、位置ずれ量ΔＰを１０μｍと設定した。その時の回折効率特性を図７に示す。

図７に示すとおり、周期形状１２の鋸歯形状からのくずれによる回折効率の減少が若干見られるものの、可視領域全域で９９％以上の高い回折効率が得られている。

実施例３においては、以下の条件式を満たすことで、周期構造１２の鋸歯形状からの形状がくずれた場合にも回折効率の変化を微小におさえることができる。

｜ｄｘ・ΔＮ_ｄ ・ΔＰ｜／（λ_ｄ ・Ｐ） ＜ ０．０１３ ・・・（８）
ここで、ｄｘは周期構造１２の最大高さ（μｍ）、ΔＮ_ｄは回折格子８の材料Ａ及び中間層１１の材料Ｂの代表波長（ｄ線）λ_ｄ（μｍ）における屈折率差である。ΔＰは周期形状１２の最大高さとなる位置１２ａと、同周期構造内における格子面８ａ（９ａ）の格子頂点８ｃとの格子ピッチ方向の位置ずれ量（間隔）（μｍ）である。

Ｐは回折格子８（９）の格子部８ｂ（９ｂ）のピッチ（μｍ）である。

実施例３における、式（８）の左辺値は０．００５であり、条件式（８）の条件を満たした構成となっている。

実施例１〜３においては、回折光学素子１の素子部の材料として、樹脂材料、及び樹脂材料に微粒子を分散させた材料を用いたが、本発明に係る素子部の材料はこれに限定するものではない。たとえばガラスモールド材料を用いて回折光学素子１を作製してもよい。

実施例４の回折光学素子１の要部断面図は図４の実施形状と同じである。実施例４では素子部の形状は実施例２と同様にして、実施例２の素子部とは異なる材料を用いて所望の光学特性を持つ回折光学素子を得ている。

本実施例は、図４に示した構成の回折光学素子１において、第１の回折格子８の格子部８ｂの材料に、プラスチック材料ポリカーボネイト（以下ＰＣ、Ｎｄ＝１．５８、νｄ＝３０．５、帝人化成）をベース材としている。そしてベース材にＩＴＯ微粒子を体積比率で１３．５％混合した材料（Ｎｄ＝１．６１７、νｄ＝１８．９）を用いた。

また、回折格子８と同一材より成るベース部６の厚さｄａを５μｍとした。

さらに、回折格子８と基板４の間に大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂（Ｎｄ＝１．５２２、νｄ＝５１．３）からなる中間層（材料層）１１を２０μｍの厚さにて設けた。

この時、中間層１１と回折格子８との間には最大高さ０．４μｍの周期形状１２が生じていた。

一方第２の回折格子９の格子部９ｂには、スミタ光学ガラス（株）製ガラスモールド材料ＶＣ８０（Ｎｄ＝１．６９４、νｄ＝５３．１）を用い、回折格子８、９の格子部８ｂ、９ｂの格子厚を共に７．１０μｍとした。このときの回折効率の特性を図８に示す。

図８に示すとおり、可視領域全域で９９％以上の高い回折効率を達成している。

また、実施例４に用いたＩＴＯ微粒子分散材料のｄ線における消光係数は、４．３７×１０^−４であり、中間層１１に使用した材料のｄ線における消光係数は、７．３５×１０^−６である。回折光学素子１の全系の透過率は、９２％であった。

実施例４において、条件式（２）の左辺値は０．０７、式（７ａ）、（７ｂ）の値はそれぞれ１．３と０．９であった。

実施例１〜４の回折光学素子においては、第１の回折格子と第２の回折格子が密着接合されている。本発明の回折光学素子はこれに限定するものではない。実施例５の回折光学素子は、たとえば第１の回折格子と第２の回折格子を空気層を挟んで対向するように配置した構成である。

図９は本発明の実施例５の要部断面図である。

図９において、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て構成している。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１として作用する。

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部８ｂ、９ｂの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の格子部８ｂ、９ｂは等しいか、又はほぼ等しい格子ピッチ分布を持っている。

また、図９に示すように、第１の素子部２は、格子ベース部（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２ａを有している。第１の回折格子８の格子部８ｂにおける空気層１０との境界部には格子面８ａが形成されている。

さらに、レンズや平板等の第１の透明基板（基板）４と、ベース部６との間に透明性のよい材料からなる中間層１１を有している。ベース部６と中間層１１の界面には回折格子８の格子部８ｂとほぼ同周期からなる周期形状１２が生じている。

一方、第２の素子部は第１の素子部２と同様に、レンズや平板等の第２の透明基板（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３ａとを有している。第２の回折格子９の格子部９ｂにおける空気層１０との境界部には格子面９ａが形成されている。

図９に示した回折光学素子１において、第１の回折格子８の格子部８ｂとベース部６を、大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂（Ｎｄ＝１．５２２、νｄ＝５１．３）をベース材としている。そしてベース部材にＩＴＯ微粒子を体積比率で１４％混合させた材料（ｎ_ｄ＝１．５７０，ν_ｄ＝２１．９）を用いている。格子部８ｂの格子厚を１１．１０μｍとした。

このとき、回折格子８の格子部８ｂと同一材より成るベース部６の厚さは２．５μｍに成形した。

また、ベース部６と基板４の間に配置した中間層１１の材料を大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂（Ｎｄ＝１．５２２、νｄ＝５１．３）とし、その厚さを１０μｍの厚さとした。

このとき、ベース部６と中間層１１の間には回折格子８の格子部８ｂとほぼ同周期の周期構造１２が生じており、その最大高さは０．７μｍであった。

一方、第２の回折格子９の格子部９ｂとベース部７の材料を、大日本インキ化学工業（株）製の紫外線硬化樹脂（ｎ_ｄ＝１．５２２，ν_ｄ＝５１．３）を用いた。格子部９ｂの、格子厚を１３．１４μｍとした。

このときの回折効率特性を図１０に示す。

図１０に示すとおり、可視領域全域で９９％以上の高い回折効率を達成している。

また、実施例５で用いたＩＴＯ微粒子分散材料のｄ線における消光係数は、５．５１×１０^−４であり、中間層１１に使用した材料のｄ線における消光係数は、７．３５×１０^−６である。回折光学素子１の全系の透過率は、９０％であった。

実施例５において、条件式（２）の左辺値は０．０９、式（７ａ）、（７ｂ）の値はそれぞれ１．２と０．９であった。

以上のように、本発明の各実施例の回折光学素子では、第１の回折格子８側のベース部６と基板４との間にのみ中間層１１をもうけた。本発明の回折光学素子はこれに限るものではなく、たとえば第２の回折格子９のベース部７と基板５との間に又は双方に中間層をもうけても良い。又、複数の回折格子を有するときは、複数の中間層をもうけても同様の効果が得られる。

次に、本発明の回折光学素子を作製する、具体的な製法（製造方法）について述べる。ここでは、図９の実施例５の回折光学素子１の第１の素子部２の製法を例にとって説明する。

図１１は本発明の実施形態５の回折光学素子の第１の素子部２の製造方法の概略図である。

本実施例の製造方法は、次の２つの工程を用いている。

［第１工程］
周期構造の回折面が形成された成型用型５２に第１の光エネルギー硬化型樹脂より成る材料Ａ（５１）をスキージング、または平坦型をもちいて成形することにより界面を平坦化する。そして、成型用型５２に接していない材料Ａの自由表面側に形状変化を集中させて周期構造を形成するようにして硬化する。

［第２工程］
硬化した材料Ａの自由表面側に材料Ａよりも消光係数の小さな光エネルギー硬化型樹脂より成る材料Ｂ（５７）をレプリカ成形法で成形する。

次に本実施例の回折光学素子の製造方法を図１１を用いて順に説明する。

図１１において、５１は回折格子８を形成する、硬化前のエネルギー硬化型の樹脂である。５２は樹脂表面の機能面を形成するための型である。５３は滴下した樹脂５１を平面に均すための、へら状部材であり、不図示の機構により型上を移動する。

５４は紫外線である。５５は紫外線５４の照射により樹脂５１が硬化した第１の樹脂（第１の回折格子８に相当）である。５６は、第１の樹脂５５が硬化したことによって生じた周期形状（周期構造１２に相当）である。５７は第１の樹脂５５上に中間層１１を形成するための、材料Ａよりも消光係数の小さな透明性のよい材質の光エネルギー硬化型の樹脂（第２の樹脂）である。５８はガラス基板（基板４に相当）である。

６１は樹脂５７が硬化した樹脂（中間層１１に相当）である。６２は樹脂（５５、６１）とガラス基板５８が一体化した第１の素子部（第１の素子部２に相当）である。

先ず、型５２の上に液状の光エネルギー硬化型の樹脂５１を所要量滴下する（図１１（ａ））。型５２は表面に所望の回折条件を達成するため微細な鋸歯状の形状が同心円状に形成されている。

この樹脂５１をへら５３を用いて平面に均すが、へら５３は鋸歯状の型５２の頂点より２．５μｍ高くなっている状態で型上を移動する。これにより、ベース部６の樹脂の厚みは２．５μｍに均される（図１１（ｂ））。

平面に均された樹脂５１に紫外線５４を照射することにより、樹脂５１を硬化させる（図１１（ｃ））。このとき樹脂５１と空気層の界面には最大高さ０．７μｍの周期形状５６が生じている。（図１（ｄ））。

この上に第２の樹脂５７を所要量滴下する（図１１（ｃ））。

この上に樹脂５７との接触面が平滑面のガラス基板５８を接液する。ガラス基板５８は鋸歯の頂点より１０μｍ高くなっているに保持される。（図１１（ｆ））。

この状態でガラス基板５８越しに紫外線５４を照射することにより第２の樹脂５７を硬化させ中間層６１を形成する（図１１（ｆ））。

その後、エジェクター等を用いて硬化した樹脂５５、６１を型５２から剥離し、硬化した第１、第２の樹脂５５，６１とガラス基板５８が一体化した第１の素子部６２を得る。

この製法によると、第１の回折格子８（５５）の成形時の硬化収縮によって発生する歪や応力負荷を空気層との界面に集中することができ、成形時の歪や剥離等を少なくすることができる。

また、成形後の第１の回折格子８の内部応力を緩和することもでき、対環境変化にも強い回折光学素子を作製することができる。

さらに、前述した条件式（２）、（７ａ）、（７ｂ）、（８）を満たす材料によって回折光学素子の第１の素子部２をレプリカ成形法で形成する事によって、上記の製造法によっても高い回折効率を持った回折光学素子を作製することができる。

図１２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）光学系のレンズ断面図である。

図１２において、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る。撮影レンズ１０１は内部に開口絞り１０２と各実施例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。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補正している。そして、回折光学素子１は、回折効率特性が大幅に改善されている。

このため、本実施例では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している。

なお、本実施例では、開口絞り１０２の近傍に、平板ガラスを基板とした回折光学素子１を設けているが、本実施例はこれに限定するものではない。例えば、回折光学素子１は基板をレンズとし、その凹面又は凸面上に回折格子を設けて構成しても良い。尚、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。

図１３は、本発明の回折光学素子を用いた望遠鏡や双眼鏡等の観察光学系のレンズ断面図である。

図１３において、１０４は対物レンズである。１０５は倒立像を正立させるためのプリズム（像反転手段）である。１０６は接眼レンズである。１０７は評価面（瞳面）である。１は各実施例で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している。

図１３の観察光学系は、回折効率特性が大幅に改善されている。このため、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観察光学系を実現している。

なお、本実施例では、平板ガラスを基板とした回折光学素子１を用いているが、これに限定されない。例えば、回折光学素子１は、基板をレンズとし、その凹面又は凸面上に回折格子を設けて構成してもよい。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。

また、本実施例では、対物レンズ１０４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る。この場合も先に説明したのと同様の効果が得られる。

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１０４のみでの色収差の低減効果がある。このため、肉眼の観察系の場合、少なくとも対物レンズ１０４に回折光学素子を設けることが望ましい。

また、本実施例では、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。

図１４は、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）（光学機器）の要部概略図である。

２０はカメラ本体である。２１は回折光学素子を有する撮影光学系である。２２はカメラ本体２０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。

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である。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ーである。

このように回折光学素子を有する光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像光学系に適用することにより、フレアが少なく、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。

本発明の実施例１である回折光学素子の正面図および側面図。 実施例１の回折光学素子の部分断面図。 実施例１の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例２の回折光学素子の部分断面図。 実施例２の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例３の回折光学素子の部分断面図。 実施例３の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例４の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 実施例５の回折光学素子の部分断面図。 実施例５の回折光学素子の設計次数での回折効率特性図。 本発明の回折光学素子の製造方法。 本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。 本発明の回折光学素子を用いた撮影光学系の構成図。 本発明の撮像装置の要部概略図 従来の単層型回折光学素子の部分断面図。 従来の単層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。 従来の積層型回折光学素子の部分断面図。 従来の積層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。 従来の積層型回折光学素子の部分断面図。 従来の積層型回折光学素子の設計次数での回折効率特性を示すグラフ図。

符号の説明

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 空気層
１１ 中間層
１２ 周期形状
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）

Claims (11)

1. 基板上に中間層を介してベース部、回折格子が形成されている回折光学素子であって、前記ベース部と前記回折格子は同じ材料より成り、前記回折格子と前記中間層の材料のｄ線における消光係数を各々Ｋａ、Ｋｂとするとき、
   ３．０×１０^−４ ＜ Ｋａ ＜ １．０×１０^−３
   Ｋｂ ＜ ３．０×１０^−４
   なる条件を満たすことを特徴とする回折光学素子。
2. 前記回折格子の格子部は鋸歯形状であり、前記中間層と前記ベース部との界面は前記回折格子の格子周期と同じ周期の鋸歯形状であり、前記中間層と前記ベース部との界面の周期構造の任意の格子部の格子高さをｄｘ、前記回折格子と前記中間層の材料のｄ線の波長λ_ｄにおける屈折率差をΔＮ_ｄとするとき、
   ｜ｄｘ・ΔＮ_ｄ｜／λ_ｄ ＜ ０．２
   なる条件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。
3. 前記回折格子と前記中間層の材料のｇ線、ｄ線、Ｃ線での屈折率差をそれぞれ、ΔＮ_ｇ、ΔＮ_ｄ、ΔＮ_Ｃとするとき、
   ０．４ ＜ ｜ΔＮ_g／ΔＮ_ｄ｜ ＜ １．５
   ０．６ ＜ ｜ΔＮ_Ｃ／ΔＮ_ｄ｜ ＜ ２．２
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
4. 前記回折格子の格子ピッチをＰ、前記周期構造の格子部が最大高さとなる位置と同じ周期内における前記回折格子の格子部の格子頂点との格子ピッチ方向の間隔をΔＰとするとき、
   ｜ｄｘ・ΔＮ_ｄ・ΔＰ｜／（λ_ｄ・Ｐ） ＜ ０．０１３
   なる条件を満たすことを特徴とする請求項２又は３に記載の回折光学素子。
5. 前記周期構造の格子部と前記回折格子の格子部は、高さの増減方向が同じであることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
6. 前記回折格子の格子部の最大の格子厚をＤ（μｍ）、前記ベース部の厚さと該格子部の最大の格子厚との合計をＤａ（μｍ）とするとき、
   （Ｄａ−Ｄ） ＜ ８（μｍ）
   なる条件を満たす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。
7. 前記中間層の厚さをＤｂ（μｍ）とするとき、
   １０（μｍ）≦ Ｄｂ
   なる条件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。
8. 前記回折格子の材料は微粒子材料を樹脂材料に混合したものである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。
9. 屈折光学素子と、請求項１から８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。
10. 光電変換素子に像を形成することを特徴とする請求項９に記載の光学系。
11. 請求項９又は１０の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する光電変換素子とを備えることを特徴とする光学機器。