JPH08304741A - 回折光学素子を含む光学系 - Google Patents

回折光学素子を含む光学系

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JPH08304741A
JPH08304741A JP7110608A JP11060895A JPH08304741A JP H08304741 A JPH08304741 A JP H08304741A JP 7110608 A JP7110608 A JP 7110608A JP 11060895 A JP11060895 A JP 11060895A JP H08304741 A JPH08304741 A JP H08304741A
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Tetsuya Ishii
哲也 石井
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の波長、あるいは帯域光を用いる場合の
回折効率の波長依存に伴う光学系の性能低下を低減し
て、不要次数光によるフレアーやゴーストの発生を防止
した回折光学素子を含む光学系を提供する。 【構成】 少なくとも回折光学素子７２を有し、所定の
波長幅を持つ光による物体の像を形成する光学系７０に
おいて、回折光学素子７２の射出側に、所定の次数の回
折光を選択的に透過し、その次数以外の回折光を減衰さ
せる回折光選択素子３０を設けて、不要次数光を低減す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】この発明は、複数の波長で使用す
る回折光学素子を含む光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】集光作用を有するように構成した回折光
学素子（回折レンズ）は、以下に示すように、従来から
ある屈折レンズには無い特長を有することが知られてい
る。 非球面波を容易に生成することができるので、収差
補正上効果的である。 実質的に厚みを持たないので、設計の自由度が高
く、コンパクトな光学系を実現することができる。 屈折レンズでいうアッベ数に相当する量が、回折レ
ンズでは負の値となるので、屈折素子と組み合わせるこ
とにより、効果的に色収差を補正することができる。
【０００３】このような回折レンズの特長を利用して、
光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Bi
nary Optics Technology;The Theory and Design of Mu
lti-Level Diffractive Optical Element,Gary J.Swans
on,Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory,Aug
ust 1989. に詳しく記述されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】上述したように、回折
光学素子には、従来の屈折素子にはない多くの有用な特
長があるが、他方では、その回折効率が波長に依存する
ために、レンズ素子として用いる場合には、複数の回折
光（複数の焦点）が存在し、好ましくない。そこで、回
折レンズにおいては、一般に、図８に示すように、使用
する波長で透明な基材１０に、断面形状を鋸歯波状とし
た、すなわちブレーズ化したレリーフパターン２０を形
成して、特定次数の回折光にエネルギーを集中させるよ
うにしている。
【０００５】しかしながら、図８に示すように、断面形
状を鋸歯波状に加工すると、その溝深さによってエネル
ギーを最大限に集中できる波長が異なるため、波長幅を
有する帯域光のエネルギーを特定次数の回折光に集中さ
せることができなくなる。このような現象は、例えば、
レーザのような単色光源を用いる場合には問題とならな
いが、カメラのように白色光を利用する光学系において
は、特定の波長の光で回折効率を最適化すると、その他
の波長での回折効率が低下してしまうという問題があ
る。
【０００６】図９は、図８に示した断面形状を有する回
折光学素子において、基材１０としてＢＫ７を用い、レ
リーフパターン２０を、波長λ＝５１０ｎｍにおいて１
次回折効率が１００％となるような溝深さで形成した場
合の１次回折効率の波長依存特性を示すものである。図
９から明らかなように、一般に可視波長領域と見なせる
λ＝４００ｎｍからλ＝７００ｎｍにおいて、回折効率
は、最適化された波長λ＝５１０ｎｍから離れるに従っ
て減少し、特に、短波長領域での低下が著しいことがわ
かる。
【０００７】さらに、この種の問題は、単に分光透過率
か低下するといった問題にとどまらない。すなわち、溝
深さが最適化されていない波長においては、所望の次数
の回折効率が１００％にならないだけでなく、例えば、
図１０に示すように、不要次数の回折光を生成すること
になる。
【０００８】図１０は、図９に示した１次回折効率の波
長依存特性を有するブレーズ化された回折光学素子につ
いて、１次回折光の前後の０次光および２次光の不要次
数光を示し、図１１は、それらの不要次数光の回折効率
の波長依存特性を示す。図１１から明らかなように、１
次回折効率が低下すると、最適化波長よりも短波長側で
は２次回折効率が増加し、また、最適化波長よりも長波
長側では０次回折効率が増加する。特に、短波長領域で
の２次回折光の増加が著しい。
【０００９】このように不要次数光が発生すると、帯域
光を用いる光学系、例えば、白色光を用いる結像光学系
では、フレアーやゴーストが生じて光学系の性能が低下
するという問題がある。
【００１０】この発明は、上述した従来の問題点に着目
してなされたもので、複数の波長、あるいは帯域光を用
いる場合の回折効率の波長依存に伴う光学系の性能低下
を低減して、不要次数光によるフレアーやゴーストの発
生を有効に防止し得るよう適切に構成した回折光学素子
を含む光学系を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、この発明は、少なくとも回折光学素子を有し、所定
の波長幅を持つ光による物体の像を形成する光学系にお
いて、前記回折光学素子の射出側に、所定の次数の回折
光を選択的に透過し、その次数以外の回折光を減衰させ
る回折光選択素子を設けたことを特徴とするものであ
る。
【００１２】前記回折光選択素子は、所定の大きさの開
口数より大きな開口数を持つ光束を制限するＮＡ制限部
材をもって構成するのが、所定の立体角よりも外側から
入射する光を遮光して、選択的に不要次数光を低減する
点で好ましい。
【００１３】前記回折光学素子を含む光学系は、さらに
屈折光学素子を有し、かつ前記回折光学素子はブレーズ
化された回折レンズからなり、該回折光学素子と前記屈
折光学素子との屈折力の符号を同じとするのが、２次の
回折光を効果的に遮る点で好ましい。
【００１４】
【作用】図１０から明らかなように、不要次数光による
問題は、所望の回折光と不要次数光との回折角の違いに
よって引き起こされる。具体的には、結像光学系に含ま
れる回折レンズに複数の回折光が発生すると、一般に、
それぞれの回折光に対応した複数の像が生成され、これ
がスポットフレアあるいはゴーストといった問題を引き
起こすことになる。したがって、このような問題を解決
するには、所望の回折光と不要次数光との回折角の違い
に着目して、不要次数光を効率良く遮光するのが効果的
である。
【００１５】以上の点を考慮して、この発明では、回折
光学素子の射出側に、所定の次数の回折光を選択的に透
過し、その次数以外の回折光を減衰させる回折光選択素
子、例えば、所定の大きさの開口数より大きな開口数を
持つ光束を制限するＮＡ制限部材を設ける。
【００１６】図１は、ＮＡ制限部材の作用を説明するた
めの図である。ＮＡ制限部材３０は、特定の入射角の範
囲を外れる光線を吸収する遮光層３１と、特定の入射角
の範囲の光線を選択的に透過する透過層３２とを交互に
積層して構成し、これにより所望の回折光束４０を選択
的に透過させて像面に集束して目的とする物体の像を形
成するようにする。ここで、ＮＡ制限部材３０の入射Ｎ
Ａは、例えば、所望の回折光束４０の射出側ＮＡとほぼ
等しくする。このようにすれば、ＮＡ制限部材３０に入
射する所望の回折光束４０は、ほぼ完全に透過層３２を
通過して光束４１として出射されるので、この光束４１
により像面に目的とする物体の像を形成することが可能
となる。
【００１７】これに対して不要次数の回折光束は、一般
に所望の回折光束とは異なるＮＡおよび異なる入射角を
有するので、ＮＡ制限部材３０に入射した不要次数の回
折光束は、遮光層３１で吸収され、その一部しか通過す
ることができなくなる。例えば、図１において、所望の
回折光束４０の射出側ＮＡより大きなＮＡを有する不要
次数の回折光束５０は、ＮＡ制限部材３０の遮光層３１
によって周辺部５２が蹴られるため、ＮＡ制限部材３０
を通過するのはその一部の光束５１となる。
【００１８】このように、この発明では、ＮＡ制限部材
３０により、特定の立体角よりも外側から入射する光が
遮られ、選択的に不要次数光が低減されるので、スポッ
トフレアやゴーストの発生を有効に防止することが可能
となる。なお、図１に示したＮＡ制限部材３０のような
構造を有する光学素子は、通常、ルーバーと呼ばれてい
る（以後、このような構造の素子をルーバーと呼ぶこと
にする）が、ＮＡを制限する部材としては、その他にも
ファイバープレートや視野選択ガラス等が知られてい
る。
【００１９】ところで、最適化波長（所望次数の回折効
率が最大となる波長）を、使用する波長帯域の中間付近
に設定すると、所望次数の両側に不要次数光が現れる。
例えば、図１１に示したように、中心波長５１０ｎｍで
１次回折効率が１００％となるような溝構造を有する回
折レンズ（ブレーズ化した回折レンズ）の場合には、周
辺の波長領域において０次回折光か、または２次回折光
が不要次数光として増加する。
【００２０】このように、所望次数の両側に現れる回折
光（不要次数光）は、その回折効率と波長との関係にお
いて同等ではなく、図１１に示したように凸凹、例え
ば、所望次数が１次である場合には、短波長側で２次光
が急激に増加する性質をもつ。このような性質は、実際
に製作した回折レンズの最適波長の微妙なずれ等によっ
て、特に短波長領域で急速に不要次数光が増加すること
を意味する。つまり、上述した０次光および２次光のど
ちらか一方をより効率よく低減するとすれば、短波長側
で大きな強度を有する２次光を低減する方が、光学系の
性能低下を低減する上では望ましい。
【００２１】この発明では、例えば、上述したように、
ＮＡ制限部材３０の位置で特定の立体角より外側から入
射する光を遮るというものであるから、２次の回折光を
効果的に遮るためには、２次回折光が１次回折光より大
きく曲げられるように光学系全体を構成すればよい。
【００２２】ここで、回折レンズ単独の作用について注
目すると、２次回折光は１次回折光の２倍のパワーを付
与されているから、回折レンズを単体で使用する場合に
は、常に上記要請が満足されることになる。これに対
し、回折レンズを屈折系と組み合わせて使用する場合に
は、回折レンズと屈折系のパワーとの和を考える必要が
ある。つまり、光学系全体で２次回折光のパワーを、１
次回折光のパワーより大きくして、上記要請を満たすに
は、回折レンズのパワーと屈折系のパワーとが打ち消し
合わないようにすればよい。すなわち、屈折系のパワー
（屈折力）と回折レンズのパワー（屈折力）とを同符号
として、２次の回折光を効果的に遮ることが、光学系の
性能を安定させる上で好都合である。
【００２３】
【実施例】図２は、この発明の第１実施例を示すもので
ある。この実施例は、撮像装置の要部の構成を示すもの
で、回折レンズを含む結像光学系７０の結像位置に撮像
素子６０を配置し、さらにこの撮像素子６０に実質的に
接して、回折光選択素子として機能するルーバー３０を
配置したものである。結像光学系７０は、正の屈折力を
有する屈折レンズ７１と、正の屈折力を有する回折レン
ズ７２とを有し、回折レンズ７２は、使用する波長帯域
の中間付近の波長で、１次回折効率が最大となるように
ブレーズ化されている。このような屈折レンズ７１と回
折レンズ７２との組み合わせは、上述したように、屈折
レンズ７１でいうアッベ数に相当する量が、回折レンズ
７２では負の値となるので、色収差を補正する上で、実
用的である。
【００２４】図３は、図２に示すルーバー３０の構成を
示すものである。このルーバー３０は、遮光層３１と透
過層３２とがなす周期構造を、光軸からの距離に応じて
違えてある。具体的には、遮光層３１と光軸とのなく角
度が、その領域を透過する主光線が光軸となす角度と概
ね一致した構造を有する。すなわち、光軸近傍の領域Ａ
においては、遮光層３１が光軸と概ね平行な構造を有
し、光軸から離れた領域Ｂでは、遮光層３１がその領域
を通過する主光線と概ね平行となるように、光軸に対し
て傾いた構造を有する。
【００２５】この実施例によれば、回折レンズ７２の後
ろ側にルーバー３０を配置しているので、回折レンズ７
２で発生した不要次数光はルーバー３０で低減される。
したがって、スポットフレアやゴーストの発生を有効に
防止することができる。また、結像光学系７０において
は、屈折レンズ７１と回折レンズ７２がともに正の屈折
力を有するので、不要次数光の中でも波長の短い成分を
効果的に低減することができる。したがって、例えば、
製造誤差によって回折レンズ７２の溝深さが変動して
も、その影響を比較的小さく抑えることができるので、
安定した映像を得ることができる。
【００２６】さらに、ルーバー３０は、遮光層３１の方
向が、その領域を透過する主光線方向と概ね一致し、か
つ撮像素子６０に実質的に接して結像面近傍に配置され
ているので、像高によって光線と光軸とのなす角の範囲
が変化しても、各像高（各像点）ごとの光束を分離で
き、それらの光束ごとに最適なフィルター効果が得られ
る。したがって、所望次数の光束を効率よく透過させつ
つ、不要次数光を効果的に低減することができる。
【００２７】図４は、この発明の第２実施例を示すもの
である。この実施例は、撮像装置の要部の構成を示すも
ので、回折レンズを含む結像光学系７０は、回折レンズ
の作用により色収差等を良好に補正するよう構成すると
共に、像側の主光線が全て光軸と平行となる像側テレセ
ントリックに構成する。この結像光学系７０の像側に
は、光ファイバーの束ねた構造を有するファイバープレ
ート３３を、その入射側端面を結像光学系７０の像面に
一致させて配置すると共に、このファイバープレート３
３の射出側端面に接して撮像素子６０を配置する。
【００２８】この実施例では、結像光学系７０を像側テ
レセントリックに構成したので、所望次数の回折光と光
軸とのなす角の範囲がおおむね像高に依存しなくなる。
したがって、回折光選択素子の入射側ＮＡは全面一様で
良いので、ファイバープレート３３として、一般に市販
されているものを好適に使用でき、これにより不要次数
光を効果的に低減することができる。
【００２９】なお、この実施例のように、結像光学系７
０を像側テレセントリックに構成すれば、所望次数の回
折光と光軸とのなす角の範囲が、光学系の最終面から像
面の間の任意の位置においてほぼ一定となるので、この
範囲に回折光選択素子を配置して不要次数光を低減する
こともできる。ただし、このように回折光選択素子を像
面位置近傍以外に配置する場合には、例えば、ルーバー
のように波面を保存する素子を用いる。
【００３０】また、図４に示すように、ファイバープレ
ート３３を、その入射側端面を結像光学系７０の像面に
一致させて配置する場合には、ファイバープレート３３
の射出側端面は、実質的に焦点板として機能するので、
撮像素子６０を取り除き、ファイバープレート３３の後
ろ側に接眼レンズを配置して、実像ファインダー光学系
として利用することもできる。
【００３１】図５は、この発明の第３実施例を示すもの
である。この実施例は、液晶プロジェクターを示すもの
で、回折レンズを含む投影光学系９０は、回折レンズの
作用により色収差等を良好に補正するよう構成すると共
に、液晶ディスプレイ６１に表示された画像をスクリー
ン８０に投影するよう構成する。液晶ディスプレ６１
は、光源７５、コンデンサレンズ７４および減衰フィル
タ７３を有する照明系７６により照明する。ここで、減
衰フィルタ７３は、短波長領域において相対的に高い透
過率を有するように構成する。また、スクリーン８０
は、光拡散手段８１と、その投影光学系９０側の面に実
質的に接するルーバー３０とをもって構成する。なお、
投影光学系９０が内包する回折レンズ（図示せず）は、
正の屈折力を有し、かつ、使用する波長帯域（可視波長
帯域）の中心より長波長側で、回折効率が最大となるよ
うに最適化する。
【００３２】この実施例によれば、回折レンズを含む投
影光学系９０の後ろ側にルーバー３０を配置したので、
回折レンズで発生した不要次数光をルーバー３０で有効
に低減することができ、したがってスポットフレアやゴ
ーストの発生を有効に防止することができる。また、ル
ーバー３０の後方に光拡散手段８１を配置したので、Ｎ
Ａが制限された観察側（投影光学系９０の反対側）で、
十分な視野角を確保することができる。
【００３３】さらに、回折レンズ７２は、正の屈折力を
有し、投影光学系全体でも正の屈折力を有するので、不
要次数光のなかでも波長の短い成分を効果的に低減する
ことができる。したがって、例えば、製造誤差で回折レ
ンズの溝深さが変動しても、その影響を比較的小さく抑
えることができ、安定した映像を提供することができ
る。
【００３４】また、回折効率を最大とする最適化波長
を、長波長側にシフトさせたので、長波長側の不要次数
光を原理的に低く抑えることができ、しかも短波長側の
不要次数光は、ルーバー３０により効果的に低減するこ
とができるので、全体としての不要次数光をさらに低減
することができる。さらにまた、最適化波長を長波長側
にシフトしたことにより、短波長側で相対的に高い透過
率を有する減衰フィルタ７３によって、短波長側の光量
低下を補うことができ、全体としての色バランスを良好
に保つことができる。
【００３５】なお、この実施例では、投影光学系９０が
内包する回折レンズに正の屈折力を持たせるようにした
が、負の屈折力を持たせるよう構成することもできる。
ただし、この場合には、所望次数の回折効率が最大とな
る波長（最適化波長）を、使用する波長帯域の短波長側
にシフトさせることが望ましい。
【００３６】このような構成によれば、短波長側の不要
次数光は原理的に低く抑えられ、また、長波長側の不要
次数光はルーバー３０で効果的に低減されるので、全帯
域光について不要次数光を効果的に低減することができ
る。また、回折効率の波長依存は長波長側で相対的に緩
やかであるから、このように最適化波長を短波長側にシ
フトさせても、所望次数の回折効率が極端に低下するこ
とはない。したがって、所望次数光の波長分布に極端な
アンバランスを生じさせることなく、不要次数光による
フレアー等を効果的に低減することができる。
【００３７】図６は、この発明の第４実施例を示すもの
である。この実施例は、リレー光学系を示すもので、第
１レンズ群９１は物体９２の中間像９３を形成し、第２
レンズ群９４はさらに最終像９５を形成する。第１レン
ズ群９１は、回折レンズ（図示せず）を含み、この回折
レンズの作用によって色収差等を良好に補正するよう構
成する。この実施例では、第１レンズ群９１によって形
成される中間像９３の近傍にルーバー３０を配置する。
【００３８】この実施例において、第１レンズ群９１に
含まれる回折レンズで発生した不要次数光は、中間像９
３が形成される近傍に配置したルーバー３０によって有
効に低減されるので、最終像９５が形成される像面にお
けるフレアー等の発生を有効に防止することができる。
【００３９】図７は、この発明の第５実施例を示すもの
である。この実施例は、顕微鏡光学系を示すもので、対
物レンズ群９６は物体９７の中間像９８を形成し、接眼
レンズ群９９はさらに中間像９８の虚像１００を形成す
る。対物レンズ群９６は、回折レンズ（図示せず）を含
み、この回折レンズの作用によって色収差等を良好に補
正するようにする。この実施例では、対物レンズ群９６
によって形成される中間像９８の近傍にルーバー３０を
配置する。
【００４０】この実施例において、対物レンズ群９６に
含まれる回折レンズで発生した不要次数光は、中間像９
８が形成される近傍に配置したルーバー３０によって有
効に低減されるので、フレアー等の発生を有効に防止す
ることができる。
【００４１】付記 １．少なくとも回折光学素子を有し、所定の波長幅を持
つ光による物体の像を形成する光学系において、前記回
折光学素子の射出側に、所定の次数の回折光を選択的に
透過し、その次数以外の回折光を減衰させる回折光選択
素子を設けたことを特徴とする回折光学素子を含む光学
系。 ２．付記１記載の回折光学素子を含む光学系において、
前記回折光選択素子は、所定の大きさの開口数より大き
な開口数を持つ光束を制限するＮＡ制限部材からなるこ
とを特徴とする回折光学素子を含む光学系。 ３．付記１または２記載の回折光学素子を含む光学系に
おいて、さらに屈折光学素子を有し、かつ前記回折光学
素子はブレーズ化された回折レンズからなり、該回折光
学素子と前記屈折光学素子との屈折力の符号を同じとし
たことを特徴とする回折光学素子を含む光学系。 ４．付記１，２または３記載の回折光学素子を含む光学
系において、像側をテレセントリックに構成したことを
特徴とする回折光学素子を含む光学系。 ５．付記２，３または４記載の回折光学素子を含む光学
系において、前記ＮＡ制限部材を結像位置の近傍に配置
したことを特徴とする回折光学素子を含む光学系。 ６．付記２〜５のいずれか記載の回折光学素子を含む光
学系において、前記ＮＡ制限部材は、光透過部と光遮蔽
部とを交互に配置してなり、該ＮＡ制限部材を透過する
光の波面を保存して開口数を制限するよう構成されてい
ることを特徴とする回折光学素子を含む光学系。 ７．付記６記載の回折光学素子を含む光学系において、
前記ＮＡ制限部材の光透過部は、該ＮＡ制限部材を透過
する主光線にほぼ沿うように傾斜して設けられているこ
とを特徴とする回折光学素子を含む光学系。 ８．付記１〜７のいずれか記載の回折光学素子を含む光
学系において、前記回折光学素子は、所定の次数につい
て回折効率が最大となる波長が、前記所定の波長幅の中
心よりも長波長側に位置するようにブレーズ化されてい
ることを特徴とする回折光学素子を含む光学系。
【００４２】
【発明の効果】この発明によれば、回折光学素子の射出
側に、所定の次数の回折光を選択的に透過し、その次数
以外の回折光を減衰させる回折光選択素子を設けたの
で、白色光のような複数の波長、あるいは帯域光を用い
る場合の回折効率の波長依存に伴う光学系の性能低下を
有効に低減でき、不要次数光によるフレアーやゴースト
の発生を有効に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の原理を説明するための図である。
【図２】この発明の第１実施例の要部の構成を示す図で
ある。
【図３】図２に示すルーバーの詳細図である。
【図４】この発明の第２実施例の要部の構成を示す図で
ある。
【図５】同じく、第３実施例を示す図である。
【図６】同じく、第４実施例を示す図である。
【図７】同じく、第５実施例を示す図である。
【図８】回折光学素子を示す断面図である。
【図９】回折光学素子における１次回折効率の波長依存
特性の一例を示す図である。
【図１０】回折光学素子からの不要次数光の発生状態を
説明するための図である。
【図１１】図９に示した回折光学素子における０次回折
効率と２次回折効率との波長依存特性をそれぞれ示す図
である。
【符号の説明】
３０ ＮＡ制限部材（ルーバー） ３１ 遮光層 ３２ 透過層 ３３ ファイバープレート ４０ 所望の回折光束 ５０ 不要次数の回折光束 ６０ 撮像素子 ６１ 液晶ディスプレイ ７０ 回折レンズを含む結像光学系 ７１ 屈折レンズ ７２ 回折レンズ ７３ 減衰フィルタ ７４ コンデンサレンズ ７５ 光源 ７６ 照明系 ８０ スクリーン ８１ 光拡散手段 ９０ 回折レンズを含む投影光学系 ９１ 第１レンズ群 ９２ 物体 ９３ 中間像 ９４ 第２レンズ群 ９５ 最終像 ９６ 対物レンズ群 ９７ 物体 ９８ 中間像 ９９ 接眼レンズ群 １００ 虚像

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも回折光学素子を有し、所定の
    波長幅を持つ光による物体の像を形成する光学系におい
    て、 前記回折光学素子の射出側に、所定の次数の回折光を選
    択的に透過し、その次数以外の回折光を減衰させる回折
    光選択素子を設けたことを特徴とする回折光学素子を含
    む光学系。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の回折光学素子を含む光学
    系において、前記回折光選択素子は、所定の大きさの開
    口数より大きな開口数を持つ光束を制限するＮＡ制限部
    材からなることを特徴とする回折光学素子を含む光学
    系。
  3. 【請求項３】 請求項１または２記載の回折光学素子を
    含む光学系において、さらに屈折光学素子を有し、かつ
    前記回折光学素子はブレーズ化された回折レンズからな
    り、該回折光学素子と前記屈折光学素子との屈折力の符
    号を同じとしたことを特徴とする回折光学素子を含む光
    学系。
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