JP2014170109A - 回折光学素子、光学系および光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】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）で入射し結像面に到達する不要光を低減する回折光学素子、光学系および光学機器を提供する。
【解決手段】回折光学素子で、格子面および格子壁面を備えた回折格子と、前記格子壁面に配置され、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜と、を有し、前記薄膜のｄ線での屈折率をｎｆｄ、前記回折格子の材料のｄ線での屈折率をｎｇｄ、前記薄膜の膜厚をｗｆ、前記ｄ線の波長をλｄとするとき、以下の式を満たすことを特徴とする。
０．０５ ＜ ｎｆｄ−ｎｇｄ ＜ ０．５
０．０１ ＜（ｎｆｄ−ｎｇｄ）*ｗｆ／λｄ ＜ ０．０５
【選択図】図１

Description

本発明は、回折光学素子、光学系および光学機器に関する。

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。

特許文献１は、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用し、設計次数の回折効率を向上した回折光学素子について開示している。特許文献２は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子において、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回折光学素子について開示している。

特開２００９−２１７１３９号公報 特開２０１１−２５７６８９号公報

特許文献１の回折光学素子は、２つの回折格子を構成する材料の屈折率およびアッべ数の関係を規定することで設計次数の回折効率を向上させている。しかしながら、格子壁面付近の素子構造を制御して、回折格子の材料を変更せずに回折効率を向上させることは開示されていない。

また、特許文献２の回折光学素子は、斜入射角度で入射する光束によって射出し、結像面に到達する不要光を低減しているが、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ることは開示されていない。

本発明の目的は、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、かつ斜入射角度（画面外光入射角度）で入射し結像面に到達する不要光を低減する回折光学素子、光学系および光学機器を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明に係る回折光学素子は、格子面および格子壁面を備えた回折格子と、前記格子壁面に配置され、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜と、を有し、前記薄膜のｄ線での屈折率をｎｆｄ、前記回折格子の材料のｄ線での屈折率をｎｇｄ、前記薄膜の膜厚をｗｆ、前記ｄ線の波長をλｄとするとき、以下の式を満たすことを特徴とする。

０．０５ ＜ ｎｆｄ−ｎｇｄ ＜ ０．５
０．０１ ＜（ｎｆｄ−ｎｇｄ）*ｗｆ／λｄ ＜ ０．０５

本発明によれば、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）で入射し結像面に到達する不要光を低減できる。

（ａ）は本発明の実施形態に係る回折光学素子の平面図及び側面図、（ｂ）は回折格子部の部分拡大斜視図、（ｃ）は回折格子部の部分拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子を有する光学系および光学機器の詳細図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子を有する光学系の部分拡大断面図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子を有する光学系において、設計入射角度（撮影光入射角度）の不要光の影響を説明するための模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施例１の回折光学素子の設計入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、比較例の回折光学素子の設計入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 本発明の実施形態に係る回折光学素子を有する光学系において、斜入射角度（画面外光入射角度）の不要光の影響を説明するための模式図である。 （ａ）、（ｂ）は、実施例１の回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、比較例の回折光学素子の画面外入射＋１０度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、実施例１の回折光学素子の画面外入射−１０度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、比較例の回折光学素子の画面外入射−１０度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、実施例２の回折光学素子の設計入射角度および画面外入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、実施例３の回折光学素子の設計入射角度および画面外入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、実施例４の回折光学素子の設計入射角度および画面外入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、実施例５の回折光学素子の設計入射角度および画面外入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、実施例６の回折光学素子の設計入射角度および画面外入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 （ａ）、（ｂ）は、比較例の回折光学素子の設計入射角度および画面外入射角度光束に対する回折効率のグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る回折格子部の部分拡大斜視図である。 本発明の第３の実施形態に係る回折格子部の部分拡大斜視図である。

《第１の実施形態》
（光学系および光学機器）
図２は、本発明の実施形態に係る回折光学素子ＤＯＥ１を用いた光学系および光学機器を示す。即ち、光学系として第２面に回折面が設けられた望遠タイプの撮影光学系が撮像装置（カメラなど）に適用されている。図２において、３０は撮影レンズで、内部に絞り４０とＤＯＥ１を有する。絞り４０はＤＯＥ１よりも後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等の光電変換素子が配置されている。回折格子部１０に入射する光束の入射角の分布の重心（図形の重心と同じ）は包絡面の回折格子の中心での面法線に対し、回折格子部１０の中心よりに分布するように設定されている。

このような光学系に、回折光学素子を適用すれば、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。

なお、本実施形態では前玉のレンズの貼り合せ面にＤＯＥ１を設けたが、これに限定するものではなく、レンズ表面に設けても良いし、撮影レンズ内に複数、回折光学素子を使用しても良い。ＤＯＥ１が適用可能な光学系は、図２に示す撮影光学系に限定されず、ビデオカメラの撮影レンズ、イメージスキャナーや、複写機のリーダーレンズなど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、光学式ファインダーであっても良い。また、ＤＯＥ１を含む光学系が適用可能な装置も撮像装置に限定されず、広く光学機器であれば良い。

（回折光学素子）
図１（ａ）は、本実施形態に係る回折光学素子（ＤＯＥ）１の平面図と側面図である。ＤＯＥ１は、可視波長帯域内の使用波長領域で特定の一つの次数（以下、「特定次数」または「設計次数」ともいう）の回折光の回折効率を高めるように構成されている。ＤＯＥ１は透明な一対の基板２および３と、その間に配置された回折格子部１０と、を有する。各基板２および３は、平板又はレンズ作用を奏する形状を有するが、本実施形態では、基板２の上下面と基板３の上下面はそれぞれ曲面を有する。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、レンズ作用を奏する。

即ち、第１の回折格子である回折格子１１およびその出射側の第２の回折格子である回折格子１２は、光軸Ｏから外周部にいくに従って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。第１の格子面１１ａ、第２の格子面１２ａおよび第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂは互いに隙間なく接しており、回折格子１１、１２は、全体で１つのＤＯＥ１０として作用する。

図１（ｂ）は、回折格子部１０の部分拡大斜視図である。図１（ｃ）は図２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、格子深さ方向にかなりデフォルメされ、格子数も実際よりは少なく描かれている。図１（ｂ）および図１（ｃ）において、入射光束ａは、ＤＯＥ１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。

図１、図２において、回折格子部１０は、回折格子（第１の回折格子）１１と回折格子（第２の回折格子）１２とが光軸方向に密着接合することによって形成され、回折格子１１および１２の格子壁面には使用波長帯域で透明な薄膜２０が設けられている。ここで、回折格子部１０を、回折格子（第１の回折格子）１１と回折格子（第２の回折格子）１２のいずれか一方だけで形成することもできる。なお、回折格子１１は基板２と一体であっても良いし、別体であっても良い。同様に、回折格子１２は基板３と一体であっても良いし、別体であっても良い。

なお、本実施形態では、回折格子１１と１２が光軸方向において密着しているが、介在する薄膜２０は後述する図１８に示すように両者の境界面の全域に亘って設けられている場合もあるので、回折格子１１と１２が光軸方向に積層されていれば足りる。

（ブレーズ構造）
回折格子１１は、格子面１１ａと格子壁面１１ｂから構成される同心円状のブレーズ構造を有し、回折格子１２は、格子面１２ａと格子壁面１２ｂから構成される同心円状のブレーズ構造を有する。ブレーズ構造にすることで、ＤＯＥ１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、設計上の回折次数（図では+１次）方向に集中して回折する。

（可視領域全体での高回折効率）
本実施形態のＤＯＥ１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、スカラー回折理論に従って、回折格子１１及び１２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（回折格子１１，１２）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。

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等の場合は、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、回折格子材料や格子高さは限定されない。

本実施形態では、回折格子１１と１２は互いに異なる材料により形成され、回折格子１１は低屈折率分散材料から構成され、回折格子１２はそれ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ている。以下の式を満足することによって、９９％以上の高い回折効率を得ることができる。
νｄ１＜２５
νｄ２＞３５
０．９４０≦（ｎ１２×ｄ１−ｎ１１×ｄ２）／（ｍ×λ）≦１．０６０
ただし、波長λにおける回折格子１１および回折格子１２を構成する材料の屈折率をそれぞれｎ１１、ｎ１２、アッべ数をνｄ１、νｄ２および格子高さをｄ１、ｄ２、設計次数をｍとする。

また、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、高屈折率低分散材料のアッべ数を３５より大きく、低屈折率高分散材料のアッべ数を２５より小さくすることが好ましい。さらに、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が好ましい。このリニア分散特性を得るために、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及びＡＴＯ（アンチモンをドーピングしたＳｎＯ２）等も使用することができる。

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。

（薄膜）
回折格子１１と１２の境界面の少なくとも一部に、薄膜２０が略均一な厚さで設けられる。本実施形態では、第１の回折格子の格子壁面と第２の回折格子の格子壁面の間に格子壁面に沿って設けられている。積層型の回折格子部を備える本実施形態では、薄膜を第１回折格子あるいは第２回折格子の格子壁面に沿って設けるが、第２の回折格子のみで回折格子部を構成する場合は、第２の回折格子の格子壁面に沿って設ける。

本発明は、格子壁面の高屈折率薄膜によって高屈折率薄膜内部に一部の光束が閉じ込められ、全反射による多重反射を介して光導波路のように伝播し、射出された後に薄膜内を透過しない光束と干渉することを利用している。この光導波路の条件を最適化すると回折格子から射出した光が設計回折次数の回折光に結合する条件となり、この結果、設計次数の回折効率が向上し、設計次数±１次の回折効率を低減することを見出した。鋭意検討した結果、好ましい条件として、式（１）、（２）を得た。

０．０５ ＜ ｎｆｄ−ｎｇｄ ＜ ０．５、 （１）
０．０１ ＜（ｎｆｄ−ｎｇｄ）*ｗｆ／λｄ ＜ ０．０５ （２）
ただし、ｎｆｄは薄膜のｄ線での屈折率、ｎｇｄは回折格子（第１の回折格子がなく、第２の回折格子だけで構成される場合）の材料のｄ線での屈折率、ｗｆは薄膜の膜厚、λｄはｄ線の波長である。

ここで、回折格子部が、第１の回折格子と、第２の回折格子とで構成される場合は、以下の通りとなる。即ち、図１乃至図３に示す積層型の回折光学素子において、第１、第２の回折格子の材料のｄ線での屈折率をｎｄ１、ｎｄ２、薄膜のｄ線での屈折率をｎｆｄ、薄膜の膜厚をｗｆ、ｄ線の波長をλｄとするとき、以下の式を満たすようにする。

ｎｄ１ ＜ ｎｄ２ （３）
０．０５ ＜ ｎｆｄ−ｎｄ２ ＜ ０．５ （４）
０．０１ ＜（ｎｆｄ−ｎｄ２）*ｗｆ／λｄ ＜ ０．０５ （５）
ここでは、回折格子１１を構成する材料のｄ線に対する屈折率ｎｄ１よりもｎｄ２の方が大きい例について説明している。逆にｎｄ２＜ｎｄ１の場合には、回折格子の格子形状の向きも逆になり、格子壁面による不要光の影響は同様となる。

また、回折格子の材料のｄ線での消衰係数をｋｇｄ、薄膜のｄ線での消衰係数をｋｆｄとするとき、以下の式を満たすことが好ましい。この式を満足しないと薄膜で反射が発生してしまうため、上述した効果を得ることが困難になる。

０ ≦ ｋｆｄ−ｋｇｄ ＜ ０．５ （６）
なお、薄膜２０の製造方法は特に限定されない。例えば、回折格子１２を製造し、その後、薄膜２０を選択的に形成する。具体的には、薄膜を構成する材料を真空蒸着等の物理蒸着手法やスピンコート法等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等によるによるパターニングしてエッチング手法等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等で形成する方法等を用いることができる。

また、薄膜２０は、後述するように両者の境界面の全域に亘って設けられている場合もあるので、その場合は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１１を形成することで回折光学素子を製造することができる。また、回折光学素子の輪帯毎に薄膜の幅または形状を変えることによって輪帯毎に制御して形成しても良い。

以下、添付図面を参照して、具体的な実施例を説明する。

（実施例１）
本実施例では、回折格子１１は、ＩＴＯ微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５６３１、νｄ＝１８．４、θｇＦ＝０．４２２、ｎ５５０＝１．５６９８）から構成されている。回折格子１２は、ＺｒＯ_２微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６１９６、νｄ＝４３．６、θｇＦ＝０．５６９、ｎ５５０＝１．６２２７）から構成されている。

なお、第１の回折格子１１、第２の回折格子１２のｎｄは、ｄ線に対する夫々の屈折率、νｄはｄ線に対するアッベ数、θｇＦはｇ線とＦ線に対する部分分散比、ｎ５５０は波長５５０ｎｍに対する屈折率である。

図１（ｂ）に示す格子壁面の格子高さｄは１０．４０μｍ、設計次数は＋１次である。薄膜２０は、ｄ線に対する屈折率ｎｄ＝１．８０、および消衰係数ｋｄ＝０．０で構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の膜厚ｗｆは８０ｎｍである。

図３は図１（ｂ）の部分拡大断面図、図４は設計入射角度（撮影光入射角度）における不要光の影響を説明するための模式図である。図３及び図４において、光軸Ｏに対して入射する撮影光束ＡとＡ’は、基板２を通過後、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’格子に入射する。図４で、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、格子壁面方向は重心光線方向と等しい。

図４において、撮影光束Ａのｍ格子により射出する＋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’格子により射出する＋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。これに対して設計次数−１次である０次回折光Ａｍ０、Ａ’ｍ０は結像面４１の像側に結像し、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。

即ち、設計入射角度（撮影光入射角度）における不要光は、設計次数±１次の回折光の回折効率が最も影響が大きいことになる。図５は、図１（ｃ）に示す設計入射角度（撮影光入射角度）である入射光束ａと、図３および図４の入射光束Ａを想定して、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。

図５（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率に関し、横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図５（ｂ）は、図５（ａ）の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を表示した結果である。なお、回折角は図１（ｃ）の下向きを正の方向としている。

図６は、薄膜２０を有しない以外は図１と同様の構成を有するＤＯＥを使用した場合の、図５に相当する比較例としてのグラフである。図５（ａ）より、設計次数である＋１次回折光の回折効率は９９．４３％（回折角＋０．１９度）であり、図６（ａ）に示す薄膜を設けていない回折格子の場合の＋１次回折光の回折効率９８．７１％（回折角＋０．１９度）より大きく向上している。

また、図５（ｂ）より、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は夫々０．００１２６％、０．００１２０％であり、図６（ｂ）に示す薄膜を設けていない回折格子の場合の０次回折光および＋２次回折光の回折効率より、大幅に低減している。因みに図６（ｂ）に示す値は夫々０．００８４１％、０．００７７４％である。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はあるが、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、本実施形態における効果は大きい。

図７は、斜入射角度（画面外入射角度）における不要光の影響を説明するための模式図である。図３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、重心光線方向に対して角度ωｉ、ωｉ’である。図８は、図１（ｃ）に示す画面外入射光束ｂと、図３および図７に示す入射光束Ｂを想定して入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。入射角は図１（ｃ）の下向きを正の方向としている。

図８（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率に関し、横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図８（ｂ）は、図８（ａ）の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。回折角は図１（ｃ）の下向きを正の方向としている。図８（ａ）に示すように、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、この＋１次回折光は結像面に到達しないため影響は小さい。

残りの不要光は、図８（ｂ）に示すように、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９は、薄膜２０を有しない以外は図１（ｃ）と同様の構成を有するＤＯＥを使用した場合の、図８に相当する比較例としてのグラフである。

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７のＢｍ）。回折光学素子の後段の光学系によって、画面外入射光の不要光が像面に到達する回折次数、回折角度が異なる（図７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ことになる。

図８（ｂ）に示す−１０度方向の不要光ピーク角度は図９（ｂ）とほぼ同じだが、不要光の広がりは図８（ｂ）と図９（ｂ）では異なる。図８の回折角＋０．１９度付近の回折効率はＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４８次（回折角＋０．３０度）の回折効率が０．００６６１％、回折次数−４９次（回折角＋０．１１度）の回折効率が０．００６３３％である。一方、薄膜を有しない比較例では、回折次数−４８次（回折角＋０．３０度）の回折効率が０．０１５６％、回折次数−４９次（回折角＋０．１１度）の回折効率が０．０１５５％であるため、本実施例では不要光の影響が大幅に減少していることになる。

本実施例においては、不要光は、格子壁面付近に入射する光束ｂの一部が薄膜２０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。

次に、図１０は、図１（ｃ）に示す入射光束ｃを想定して入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。入射角は、図１（ｃ）の下向きを正の方向としている（図３のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図１０（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率に関し、横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図１０（ｂ）は、図１０（ａ）の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。

図１１は、薄膜２０を有しない以外は図１（ｃ）と同様の構成を有するＤＯＥを使用した場合の、図１０に相当する比較例としてのグラフである。図１０（ａ）で、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、この＋１次回折光は像面に到達することはないため影響は小さい。残りの不要光は、図１０（ｂ）の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していることが分かる。図１１（ｂ）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、格子壁面に設けた高屈折率薄膜によって、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２及び図７に示す光学系で、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が、少なくとも像面に到達する（図７のＢ’ｍ）。図１０の回折角＋０．１９度付近の回折効率はＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋５１次（回折角＋０．２８度）の回折効率が０．００５２６％、回折次数＋５０次（回折角＋０．０６５度）の回折効率が０．００５４１％である。一方、比較例の場合（図１１）は、回折次数＋５１次（回折角＋０．２８度）の回折効率が０．００１７４％、回折次数＋５０次（回折角＋０．０６５度）の回折効率が０．００１７７％である。

これより、本実施例では比較例に比べて増加しているが、回折効率の数値が極めて小さく、またｍ格子による影響の方が大きいため、像性能の低下に対しての影響は小さい。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、ここでは格子ピッチ１００μｍとしている。さらに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、図示してはいないが、この不要光の伝播方向については格子ピッチに依存せず、伝播方向は同じであった。このため、ひとつの基準として格子ピッチ１００μｍの回折効率を示している。

また、ここでは画面外光束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）を想定する。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。また、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、ここでは画面外光束の入射角は略＋１０度と想定する。

（実施例２）
本実施例は、実施例１に対して、薄膜の膜厚ｗｆを６０ｎｍとしたものである。図１２（ａ）は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９９．３６％であり、薄膜を設けていない回折格子の場合の＋１次回折光の回折効率９８．７１％より大きく向上している。

また、図１２（ａ）に示す０次回折光および＋２次回折光の回折効率は夫々０．００３０５％、０．００３２１％である。一方、図６（ｂ）の薄膜を設けていない回折格子の場合は、０次回折光および＋２次回折光の回折効率が夫々０．００８４１％、０．００７７４％であり、本実施例では大幅に低減している。

図１２（ｂ）は、＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。回折次数−４８次の回折効率が０．００４３１％、回折次数−４９次の回折効率が０．００４４３％である。一方、薄膜を有しない比較例においては、回折次数−４８次の回折効率が０．０１５６％、回折次数−４９次の回折効率が０．０１５５％であるため、本実施例では不要光の影響が大幅に減少していることになる。

（実施例３）
本実施例は、実施例１に対して、薄膜の屈折率ｎｆを１．７、膜厚ｗｆを１６０ｎｍとしたものである。図１３（ａ）は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９９．４９％であり、薄膜を設けていない回折格子の場合の＋１次回折光の回折効率９８．７１％より大きく向上している。

また、図１３（ａ）で、０次回折光および＋２次回折光の回折効率は夫々０．０００７５９％、０．０００６１３％である。一方、図６（ｂ）の薄膜を設けていない回折格子の場合の０次回折光および＋２次回折光の回折効率は夫々０．００８４１％、０．００７７４％であり、大幅に低減している。

図１３（ｂ）は、＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。回折次数−４８次の回折効率が０．０００５７７％、回折次数−４９次の回折効率が０．０００７６８％である。一方、薄膜を有しない比較例においては、回折次数−４８次の回折効率が０．０１５６％、回折次数−４９次の回折効率が０．０１５５％であるため、本実施例では不要光の影響が大幅に減少していることになる。

（実施例４）
本実施例は、実施例１に対して、薄膜の屈折率ｎｆを２．０、膜厚ｗｆを４０ｎｍとしたものである。図１４（ａ）は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９９．２８％であり、薄膜を設けていない回折格子の場合の＋１次回折光の回折効率９８．７１％より大きく向上している。

また、図１４（ａ）から０次回折光および＋２次回折光の回折効率は夫々０．００２６９％、０．００２６２％である。一方、図６（ｂ）の薄膜を設けていない回折格子の場合の０次回折光および＋２次回折光の回折効率は、夫々０．００８４１％、０．００７７４％であり、大幅に低減している。

図１４（ｂ）は、＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。回折次数−４８次の回折効率が０．００２６８％、回折次数−４９次の回折効率が０．００２８０％である。一方、薄膜を有しない比較例においては、回折次数−４８次の回折効率が０．０１５６％、回折次数−４９次の回折効率が０．０１５５％であるため、本実施例では不要光の影響が大幅に減少していることになる。

（実施例５）
本実施例は、実施例１に対して、薄膜の屈折率ｎｆを１．８、消衰係数ｋｆを０．０５、膜厚ｗｆを８０ｎｍとしたものである。図１５（ａ）は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９９．３９％であり、薄膜を設けていない回折格子の場合の＋１次回折光の回折効率９８．７１％より大きく向上している。

また、図１５（ａ）から０次回折光および＋２次回折光の回折効率は、夫々０．００４００％、０．００３９４％である。一方、図６（ｂ）の薄膜を設けていない回折格子の場合の０次回折光および＋２次回折光の回折効率は、夫々０．００８４１％、０．００７７４％であり、大幅に低減している。

図１５（ｂ）は、＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。回折次数−４８次の回折効率が０．００１０４％、回折次数−４９次の回折効率が０．０００８７７％である。一方、薄膜を有しない比較例においては、回折次数−４８次の回折効率が０．０１５６％、回折次数−４９次の回折効率が０．０１５５％であるため、本実施例では不要光の影響が大幅に減少していることになる。

（実施例６）
本実施例は、実施例１乃至５と、回折格子を構成する材料が異なった場合である。回折格子１１は、ＩＴＯ微粒子を混合させたチオアクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．６９２５、νｄ＝１２．９、θｇＦ＝０．３９５、ｎ５５０＝１．７０４２）から構成されている。回折格子１２は、Ｋ−ＶＣ８９（Ｋ−ＶＣ８９は株式会社住田光学ガラスの商品名、ｎｄ＝１．８１００、νｄ＝４１．０、θｇＦ＝０．５６７）から構成されている。薄膜の屈折率ｎｆが２．２、幅ｗｆが６０ｎｍである。

図１６（ａ）は、入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算を行った結果を示すグラフである。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９９．５０％であり、薄膜を設けていない回折格子の場合の＋１次回折光の回折効率９９．１４％より大きく向上している。

また、図１６（ａ）から０次回折光および＋２次回折光の回折効率は、夫々０．００１２６％、０．００１２７％である。一方、図１７（ａ）の薄膜を設けていない回折格子の場合の０次回折光および＋２次回折光の回折効率は、夫々０．００３６４％、０．００３４４％であり、大幅に低減している。

図１６（ｂ）は、＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を示すグラフである。回折次数−４８次の回折効率が０．００１７１％、回折次数−４９次の回折効率が０．００１７４％である。一方、図１７（ｂ）に示す薄膜を有しない比較例においては、回折次数−４８次の回折効率が０．００６１２％、回折次数−４９次の回折効率が０．０６１４％である。このため、本実施例では不要光の影響が大幅に減少していることになる。

以下、表１に上記実施例１乃至６の結果をまとめた表を示す。ｎｄ１は回折格子１１のｄ線の屈折率、ｎｄ２は回折格子１２のｄ線の屈折率である。ｎｆは薄膜の屈折率、ｗｆは薄膜の膜幅、である。

《第２の実施形態》
本発明は、上述した第１の実施形態に限定されるものでなく、例えば図１８のように薄膜２１を格子壁面のみではなく、連続して境界面全域に設けても良い。この場合、格子壁面部は上述した式の関係を満たし、かつ格子面部は反射防止機能を有していれば良い。境界面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１２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等の物理蒸着手法やスピンコート法等により形成し、その後、回折格子１１を形成すれば良いが、この方法に限定されない。さらに、界面全域に薄膜を設けることにより回折格子１１と回折格子１２の密着性を上げることもできる。格子面と格子壁面の屈折率、膜厚が異なっても良いため、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。

《第３の実施形態》
また、本発明は、２つの回折格子が光軸方向において密着する第１の実施形態（実施例１乃至６）に限定されるものでなく、図１９のように離間させ、境界面全域に亘って異なる材料が設けられていても良い。この場合、２つの回折格子は異なる格子高さに、２つの薄膜の膜厚を異なる膜厚としても良く、回折格子を構成する材料や薄膜材料の選択性が広げることができる。

（変形例）
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。例えば、上述した薄膜は、単層で構成されるものに限らず、多層で構成されるものであっても良い。また、上述した実施例では、格子ピッチを１００μｍとしたが、８０μｍ以上であれば良い。

１０・・回折格子部、１１・・第１の回折格子、１２・・第２の回折格子、１１ａ、１２ａ・・格子面、１１ｂ、１２ｂ・・格子壁面、２０・・薄膜

Claims (14)

1. 格子面および格子壁面を備えた回折格子と、
   前記格子壁面に配置され、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜と、
   を有し、
   前記薄膜のｄ線での屈折率をｎｆｄ、前記回折格子の材料のｄ線での屈折率をｎｇｄ、前記薄膜の膜厚をｗｆ、前記ｄ線の波長をλｄとするとき、以下の式を満たすことを特徴とする回折光学素子。
   ０．０５ ＜ ｎｆｄ−ｎｇｄ ＜ ０．５
   ０．０１ ＜（ｎｆｄ−ｎｇｄ）*ｗｆ／λｄ ＜ ０．０５
2. 前記薄膜の前記ｄ線での消衰係数をｋｆｄ、前記回折格子の材料の前記ｄ線での消衰係数をｋｇｄとするとき、以下の式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。
   ０ ≦ ｋｆｄ−ｋｇｄ ＜０．５
3. 前記薄膜が前記格子壁面から前記格子面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または２に記載の回折光学素子。
4. 前記回折格子による回折の設計次数が、＋１次または−１次である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。
5. 前記回折格子の格子ピッチが、８０μｍ以上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。
6. 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、
   前記第１の回折格子の出射側にあって、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、前記第２の格子壁面の内、少なくとも前記第２の格子壁面に配置され、使用波長帯域の光に対して透明な薄膜と、
   を有し、
   前記第１の回折格子、前記第２の回折格子の材料のｄ線での屈折率を夫々ｎｄ１、ｎｄ２とし、
   前記薄膜の前記ｄ線での屈折率をｎｆｄ、前記薄膜の膜厚をｗｆ、前記ｄ線の波長をλｄとするとき、
   以下の式を満たすことを特徴とする回折光学素子。
   ｎｄ１ ＜ ｎｄ２
   ０．０５ ＜ ｎｆｄ−ｎｄ２＜ ０．５、
   ０．０１ ＜（ｎｆｄ−ｎｄ２）*ｗｆ／λｄ ＜ ０．０５
7. 前記第２の回折格子が前記第１の回折格子と密着接合し、かつ、前記第２の格子壁面が前記薄膜と接し、前記第１の回折格子および前記第２の回折格子が積層されることを特徴とする請求項６に記載の回折光学素子。
8. 前記薄膜の前記ｄ線での消衰係数をｋｆｄ、前記第２の回折格子の材料の前記ｄ線での消衰係数をｋｇｄとするとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項６または７に記載の回折光学素子。
   ０ ≦ ｋｆｄ−ｋｇｄ ＜０．５
9. 前記薄膜が前記第２の格子壁面から前記第２の格子面まで連続して設けられていることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか1項に記載の回折光学素子。
10. 前記第１の回折格子、前記第２の回折格子が離間し、夫々の格子高さをｄ１、ｄ２とし、前記第１の回折格子、前記第２の回折格子の材料のアッべ数を夫々νｄ１、νｄ２とするとき、以下の式を満たすことを特徴とする請求項６乃至９のいずれか1項に記載の回折光学素子。
    νｄ１＜２５
    νｄ２＞３５
    ０．９４０≦（ｎ１２×ｄ１−ｎ１１×ｄ２）／（ｍ×λ）≦１．０６０
    ただしλは可視波長帯域内の任意の波長である。
11. 前記回折格子による回折の設計次数が、＋１次または−１次であることを特徴とする請求項６乃至１０のいずれか１項に記載の回折光学素子。
12. 前記回折格子の格子ピッチが、８０μｍ以上であることを特徴とする請求項６乃至１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
13. 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と、前記回折光学素子の出射側に配置された絞りとを有することを特徴とする光学系。
14. 請求項１３に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。