JPH09325203A

JPH09325203A - 回折光学素子

Info

Publication number: JPH09325203A
Application number: JP13864696A
Authority: JP
Inventors: Tetsuya Ishii; 哲也石井
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1996-05-31
Filing date: 1996-05-31
Publication date: 1997-12-16
Anticipated expiration: 2016-05-31
Also published as: JP3618465B2

Abstract

(57)【要約】【課題】容易に製造でき、しかも回折効率の波長依存
を低減して、フレアやゴースト等の発生を有効に防止で
きる回折光学素子を提供する。【解決手段】密接または近接して順次に積層した第
１、第２、第３および第４の領域(11,12,13,14) と、第
１および第２の領域(11,12) の境界面に形成した第１の
レリーフパターン(21)と、第３および第４の領域(13,1
4) の境界面に形成した第２のレリーフパターン(22)と
を有し、第１、第２、第３および第４の領域(11,12,13,
14) は、使用する光の波長で実質的に透明な少なくとも
３種類の材料で、かつ第１の領域11と第２の領域12、お
よび第３の領域13と第４の領域14とが、それぞれ互いに
異なる材料をもって構成され、第１および第２のレリー
フパターン(21,22) は、実質的に等しいピッチ分布で、
互いに異なる溝深さを有し、それらの対応する部位が近
接して配置されていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、複数の波長、あ
るいは帯域光で使用する回折光学素子に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】回折光学素子、例えば、レンズ作用を有
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ない特長
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、収差を
効果的に補正することができる。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。屈折レンズでの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、屈折素子との組み合わせによっ
て、色収差を効果的に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、光
学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Bina
ry Optics Technology; The Theory and Design of Mul
ti-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swans
on, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, A
ugust 1989.に詳しく記述されている。

【０００４】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、回折効率が波長に依存するために、以下のような原
理的な問題がある。例えば、光学系に適用する回折光学
素子は、レンズ素子として利用する場合が多いが、この
ような用途においては、複数の回折光（複数の焦点）が
存在するのは、一般に好ましくない。そこで、従来の回
折光学素子（具体的には回折レンズ）においては、一般
に、図２０に示すように、使用する波長で透明な基材１
に、断面を鋸歯波状とした（ブレーズ化した）レリーフ
パターン２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２０に示すように、断面
を鋸歯波状に加工すると、その溝深さによってエネルギ
ーを集中できる波長、すなわち回折効率が最大になる波
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、レーザーのような、単色光を
利用する光学系の場合には問題にならないが、カメラの
ように白色光を利用する光学系では、特定の波長の光で
回折効率を最適化すると、その他の波長で回折効率が低
下してしまうという問題がある。

【０００６】図２１は、図２０に示した断面形状を有す
る回折光学素子において、基材１としてＢＫ７を用い、
レリーフパターン２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次回折効率と波長との関係を示したものである。
図２１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、最適化した波長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くなる。
このような回折効率の低下は、単に分光透過率が低下す
るといった問題にとどまらず、溝深さが最適化されてい
ない波長において、不要次数の回折光が発生することに
なる。このため、かかる回折光学素子を、帯域光を用い
る光学系、例えば、白色光で用いる撮像光学系に適用し
た場合には、フレアーやゴーストが生じて、光学系の性
能を低下させることになる。

【０００７】ここで、図２０に示した断面が鋸歯波状の
レリーフパターンは、図２２に示すような位相シフト関
数φ（ｘ）で表すことができる。このφ（ｘ）は、レリ
ーフパターンの波面変調作用を特長づける関数で、その
形状は、レリーフパターンの断面形状に対応した周期関
数となる。この位相シフト関数φ（ｘ）で表されるレリ
ーフパターンのｍ次回折効率η_mは、その振れ幅（以
後、位相振幅と呼ぶことにする）ａを用いれば、

【数３】で与えられる。

【０００８】（１）式において、位相振幅ａは、空気の
屈折率を１、レリーフパターンを形成した基材の屈折率
をｎ、溝深さをｄ、および使用する光の波長をλとし
て、

【数４】で定義される量である。ここで、波長λ₀で、ｍ₀次回
折効率が１００％となるように最適化した溝深さｄ
₀は、

【数５】となるので、このときの位相振幅ａは、

【数６】となる。

【０００９】（４）式は、ある定まった溝深さｄ₀に対
して、位相振幅ａが波長に依存することを意味し、この
位相振幅ａの波長依存によって、（１）式から明らかな
ように、回折効率の波長依存が引き起こされる。例え
ば、図２１に示した回折効率の波長依存も、このような
現象の結果である。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本出願人は、上述した
ような回折効率の波長依存性の仕組みを詳細に検討し、
回折効率の波長依存性を低減した新しいタイプのレリー
フ型回折光学素子を既に提案している（特願平７−２２
０７５４号）。ここで提案している回折光学素子は、図
２３に示すように、高屈折率低分散の光学材料１０ａ
と、低屈折率高分散の光学材料１０ｂとの異なる２種類
の光学材料を組み合わせ、その異なる２種類の光学材料
１０ａ、１０ｂの境界面にレリーフパターン２０を形成
したものである。

【００１１】ここで、レリーフパターン２０の断面形状
を、図２３に示すように鋸歯波状として、その溝深さ
を、波長λ₀でｍ₀次回折効率が１００％となるように
最適化した場合の位相振幅ａ（λ）は、

【数７】で与えられる。ただし、ｎ₁(λ) は、高屈折率低分散の
光学材料１０ａの屈折率を示し、ｎ₂(λ) は、低屈折率
高分散の光学材料１０ｂの屈折率を示す。

【００１２】（５）式において、２種類の光学材料の屈
折率ｎ₁，ｎ₂が、使用する波長帯域にわたって、例え
ば、図２４に示すように、ｎ₁(λ) ＞ｎ₂(λ) であると
すると、分子に現われる屈折率差は波長λの増加に伴っ
て増加し、分母のλの変化分を打ち消すようになる。し
たがって、位相振幅の波長変化は、（４）式で表される
場合と比較して小さく抑えられるので、結果として、回
折効率の波長変化を小さく抑えることができる。

【００１３】しかしながら、現実に存在する光学材料の
屈折率と分散（屈折率の波長分散）との関係は、おおよ
そ、屈折率が大きくなるほど分散も大きくなる傾向を示
すため、十分な効果を有する光学材料の組み合わせを見
い出すのは容易ではない。例えば、可視帯域光で使用す
る光学材料には、豊富な種類があるが、基本的には屈折
率の増加に伴って分散も増加する。また、可視帯域光で
使用する光学材料の多くは、いわゆる光学ガラスである
が、２種類の光学材料としてそれぞれ光学ガラスを選ん
だ場合には、加工性が悪いことから、その境界面に微細
なレリーフパターンを形成するのは容易ではない。さら
に、製造の容易さを考慮して、２種類の光学材料の少な
くとも一方を、加工の容易なプラスチック光学材料とす
ることもできるが、プラスチック光学材料は種類が少な
いため、十分な効果を有する光学材料の組み合わせは大
きく制限される。特に、プラスチック光学材料どうしの
組み合わせでは、回折効率の波長依存性を改善するのは
容易ではない。

【００１４】この発明は、上述した問題点に着目してな
されたもので、容易に製造でき、しかも回折効率の波長
依存を低減して、フレアやゴースト等の発生を有効に防
止できるよう適切に構成した回折光学素子を提供するこ
とを目的とする。

【００１５】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、第１の発明にかかる回折光学素子は、密接または近
接して順次に積層した第１、第２、第３および第４の領
域と、前記第１および第２の領域の境界面に形成した第
１のレリーフパターンと、前記第３および第４の領域の
境界面に形成した第２のレリーフパターンとを有し、前
記第１、第２、第３および第４の領域は、使用する光の
波長で実質的に透明な少なくとも３種類の材料で、かつ
前記第１の領域と第２の領域、および前記第３の領域と
第４の領域とが、それぞれ互いに異なる材料をもって構
成され、前記第１および第２のレリーフパターンは、実
質的に等しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有
し、それらの対応する部位が近接して配置されているこ
とを特徴とするものである。

【００１６】さらに、第２の発明にかかる回折光学素子
は、密接または近接して順次に積層した第１、第２、第
３および第４の領域と、前記第１および第２の領域の境
界面に形成した第１のレリーフパターンと、前記第３お
よび第４の領域の境界面に形成した第２のレリーフパタ
ーンとを有し、前記第１の領域は、使用する光を反射す
る材料をもって構成され、前記第２、第３および第４の
領域は、使用する光の波長で実質的に透明な少なくとも
２種類の材料で、かつ前記第３の領域と第４の領域と
が、互いに異なる材料をもって構成され、前記第１およ
び第２のレリーフパターンは、実質的に等しいピッチ分
布で、互いに異なる溝深さを有し、それらの対応する部
位が近接して配置されていることを特徴とするものであ
る。

【００１７】さらに、第３の発明にかかる回折光学素子
は、密接または近接して順次に積層した第１、第２、第
３および第４の領域と、前記第１および第２の領域の境
界面に形成した第１のレリーフパターンと、前記第３お
よび第４の領域の境界面に形成した第２のレリーフパタ
ーンとを有し、前記第１、第２、第３および第４の領域
は、使用する光の波長で実質的に透明な少なくとも３種
類の材料で、かつ前記第１の領域と第２の領域、および
前記第３の領域と第４の領域とが、それぞれ互いに異な
る材料をもって構成され、前記第１および第２のレリー
フパターンは、実質的に等しいピッチ分布で、対応する
部位が近接して配置され、かつ、前記第１、第２、第３
および第４の領域をそれぞれ構成する材料の屈折率を、
ｎ₁(λ) 、ｎ₂(λ) 、ｎ₃(λ) およびｎ₄(λ) とし、前
記第１および第２のレリーフパターンのそれぞれの溝深
さを、ｄ₁ およびｄ ₂、それらの比を、α＝ｄ₂/ｄ₁ と
して、

【数８】ΔＮ（λ）＝｛ｎ₁(λ) −ｎ₂(λ) ｝＋α｛ｎ
₃(λ) −ｎ₄(λ) ｝ただし、λ：光の波長とするとき、

【数９】｜ΔＮ（λ₂ ）｜＞｜ΔＮ（λ₁）｜＞０；λ₂ ＞λ₁ ただし、λ₁：使用する光の波長域の短波長端の波長 λ₂ ：使用する光の波長域の長波長端の波長を満たすことを特徴とするものである。

【００１８】

【発明の実施の形態】図１は、第１の発明にかかる回折
光学素子の概念図で、断面の一部を模式的に示したもの
である。この回折光学素子は、順次に積層した第１の領
域１１、第２の領域１２、第３の領域１３および第４の
領域１４と、第１の領域１１および第２の領域１２の境
界面に形成した第１のレリーフパターン２１と、第３の
領域１３および第４の領域１４の境界面に形成した第２
のレリーフパターン２２とを有する。第１，第２，第３
および第４の領域１１，１２，１３および１４は、使用
する光の波長で実質的に透明な少なくとも３種類の材料
で、かつ第１の領域１１と第２の領域１２、および第３
の領域１３と第４の領域１４とが、それぞれ互いに異な
る材料をもって構成する。ここでは、第１の領域１１の
屈折率をｎ₁(λ)、第２の領域１２の屈折率をｎ₂(λ)
、第３の領域１３の屈折率をｎ₃(λ) 、第４の領域１
４の屈折率をｎ₄(λ) とする。

【００１９】また、第１および第２のレリーフパターン
２１および２２は、等しいピッチ分布を有する、例えば
断面鋸歯波状に形成して、対応する部位を対向させる。
ここでは、第１のレリーフパターン２１の溝深さを
ｄ₁、第２のレリーフパターン２２の溝深さをｄ₂とす
る。また、第２，第３の領域１２，１３の境界面と、第
１のレリーフパターン２１の頂部との間隔をｄ₃、第
２，第３の領域１２，１３の境界面と、第２のレリーフ
パターン２２の底部との間隔をｄ₄とする。

【００２０】図１に示す構成において、回折光学素子に
入射した光は、第１，第２のレリーフパターン２１，２
２によってそれぞれ位相変調を受けることになる。この
場合、第１のレリーフパターン２１の位相振幅ａ₁(λ)
は、

【数１０】となり、第２のレリーフパターン２２の位相振幅ａ
₂(λ) は、

【数１１】となる。

【００２１】ここで、第１，第２のレリーフパターン２
１，２２よりなる構造を一体と考えて、回折光学素子に
入射した光が実質的に同時に変調されるとすると、その
位相シフト作用を特長づける位相振幅ａ（λ）は、

【数１２】のように表すことができる。

【００２２】さらに、このときの溝深さを、波長λ₀に
おいてｍ₀次回折効率が１００％となるように最適化す
れば、ａ（λ₀）＝ｍ₀なる条件から、

【数１３】となる。ただし、αは、以下のように、第１のレリーフ
パターン２１の溝深さｄ ₁と、第２のレリーフパターン
２２の溝深さｄ₂との比で定義される量である。

【数１４】

【００２３】このように、第１の発明にかかる回折光学
素子の位相振幅ａ（λ）は、（８）式で示すように、第
１のレリーフパターン２１の位相振幅ａ₁(λ) と、第２
のレリーフパターン２２の位相振幅ａ₂(λ) との和で与
えられるが、その波長依存特性は、（１０）式で定義し
たパラメータαに依存している。ここで、パラメータα
は、（９）式が示すように、特定波長λ₀における回折
効率の最適化とは無関係に、任意に決めることができる
パラメータである。

【００２４】また、図１に示す構成によれば、第１〜第
４の領域１１〜１４は、使用する光の波長で実質的に透
明な少なくとも３種類の材料で、かつ第１の領域１１と
第２の領域１２、および第３の領域１３と第４の領域１
４とが、それぞれ互いに異なる材料をもって構成されて
おり、屈折率差Δｎ₁(λ) およびΔｎ₂(λ) が、異なる
波長依存性を示すことになるので、パラメータαの設定
を変えることにより、（９）式の位相振幅ａ（λ）を、
種々の異なった波長依存性を有するようにすることがで
きる。

【００２５】したがって、第１の発明によれば、第１，
第２のレリーフパターンの溝深さの比、すなわちパラメ
ータαを最適に設定することにより、特定波長λ₀にお
ける回折効率を最適に保ったまま、それとは独立に回折
効率の波長依存だけを好適に制御するたとができる。な
お、一般に、二つのレリーフパターンの溝深さを互いに
相違させれば、すなわち、α≠１とすれば、回折効率の
波長依存を最適に設定することができるが、この発明に
よれば、第１〜第４の領域を構成する材料を適切に組み
合わせることにより、α＝１で、回折効率の波長依存を
最適に設定することも可能である。

【００２６】図２は、第２の発明にかかる回折光学素子
の概念図を示すものである。この回折光学素子は、順次
に積層した第１の領域１５、第２の領域１６、第３の領
域１７および第４の領域１８と、第１の領域１５および
第２の領域１６の境界面に形成した第１のレリーフパタ
ーン２３と、第３の領域１７および第４の領域１８の境
界面に形成した第２のレリーフパターン２４とを有す
る。第１の領域１５は、使用する光を反射する材料をも
って構成し、第２，第３および第４の領域１６，１７お
よび１８は、使用する光の波長で実質的に透明な少なく
とも２種類の材料で、かつ第３の領域１７と第４の領域
１８とが、互いに異なる材料をもって構成する。

【００２７】ここでは、第２の領域１６の屈折率をｎ
₂(λ) 、第３の領域１７の屈折率をｎ ₃(λ) 、第４の領
域１８の屈折率をｎ₄(λ) とする。また、第１，第２の
レリーフパターン２３，２４は、等しいピッチ分布を有
し、かつ対応する部位が対向するように、図１の場合と
同様に、断面鋸歯波状に形成する。ここでは、図１の場
合と同様に、第１のレリーフパターン２１の溝深さをｄ
₁、第２のレリーフパターン２２の溝深さをｄ₂とす
る。また、第２，第３の領域１２，１３の境界面と、第
１のレリーフパターン２１の頂部との間隔をｄ₃、第
２，第３の領域１２，１３の境界面と、第２のレリーフ
パターン２２の底部との間隔をｄ₄とする。

【００２８】図２に示す構成において、第４の領域１８
側から回折光学素子に入射した光は、第２，第１のレリ
ーフパターン２４，２３によってそれぞれ位相変調を受
けることになる。ここで、第１のレリーフパターン２３
は、反射材料で構成された第１の領域１５に面している
ので、素子に入射した光は、この第１のレリーフパター
ン２３で反射される。したがって、かかる構成の回折光
学素子は、全体として反射型回折格子として機能する。

【００２９】ここで、図１の場合と同様に、第１，第２
のレリーフパターン２３，２４よりなる構造を一体と考
え、回折光学素子に入射した光が実質的に同時に変調さ
れるとすると、波長λ₀においてｍ₀次回折効率が１０
０％となるように、レリーフパターン２３，２４の溝深
さを設定した場合の位相振幅は、

【数１５】のように表すことができる。この（１１）式は、図１に
示す構成の位相振幅を表す（９）式に相当するもので、
パラメータαも、第１のレリーフパターン２３の溝深さ
ｄ₁と、第２のレリーフパターン２４の溝深さｄ₂ とに
より、（１０）式で定義されるものである。

【００３０】上記（１１）式は、図１に示す構成の位相
振幅を表す（９）式において、光が侵入しない第１の領
域１５の屈折率を０とおいたものと一致する。すなわ
ち、図２に示す構成の反射型回折格子の場合も、その位
相振幅は、図１に示す構成の場合と同様に、任意のパラ
メータαを含む形式で表現される。したがって、図２に
示す構成の回折光学素子においても、任意のパラメータ
αを最適に設定することにより、図１に示す構成の回折
光学素子の場合と同様に、特定波長λ₀における回折効
率を最適に保ったまま、それとは独立に回折効率の波長
依存だけを好適に制御することができる。

【００３１】上記第１の発明において、回折効率の波長
依存をより小さくするためには、（８）式、もしくは
（９）式で示された位相振幅ａ（λ）の波長依存をより
小さくする必要がある。例えば、（９）式において、位
相振幅ａ（λ）の波長依存を決めるのは、分子にある２
つの屈折率差の項、Δｎ₁(λ) およびαΔｎ₂(λ) と、
分母にあるλである。したがって、この波長依存をより
小さくするためには、２つの屈折率差の項の和の絶対値
ΔＮ（λ）を、

【数１６】 ΔＮ（λ）＝｜Δｎ₁(λ) ＋αΔｎ₂(λ) ｜（１２）としたとき、第３の発明におけるように、ΔＮ（λ）が
波長λの増加に伴って増加するように、材料の組み合わ
せと、溝深さの比とを最適に設定するのが効果的であ
る。

【００３２】このようにすれば、（９）式の分子および
分母の波長依存の効果は、互いに相殺し合うので、回折
効率の波長依存をより低減した回折光学素子を実現する
ことができる。なお、（９）式は、第１の発明の構成に
対して定義した式であるが、ｎ₁(λ) ＝０、とすること
により、（１１）式が得られるので、上記（１２）式に
関する説明は、第２の発明に対しても同様に成り立つ。

【００３３】ところで、実在する光学材料を組み合わせ
た場合の屈折率差Δｎ（λ）は、その絶対値が波長λの
増加に伴って減少する場合が多い。すなわち、所望の特
性とは逆の波長依存性を生じることが多い。これは、実
在する光学材料が、高屈折率高分散から低屈折率低分散
の方向に多く分布しているためである。このような場合
には、上述した第１発明および第２の発明において、２
つの屈折率差の項が互いに打ち消し合うように、溝深さ
比αの代数符号を設定することが、所望の特性とは逆の
波長依存性が打ち消される点で効果的である。これによ
り、材料選択の容易さの点で好適な、高屈折率高分散材
料と低屈折率低分散材料とを組み合わせた場合でも、所
望の特性とは逆の波長依存性が打ち消されるので、回折
効率の波長依存性をより低減することができる。

【００３４】ここで、溝深さ比αの代数符号の違いは、
レリーフパターンの凹凸の反転に対応する。すなわち、
（１０）式で示したαの定義において、αが正となるの
は、図３で示すように、第１，第２のレリーフパターン
の山と山（谷と谷）とが対応している場合、つまり、２
つのレリーフパターンの凹凸が対応している場合であ
る。これとは反対に、αが負となるのは、図８で示すよ
うに、第１，第２のレリーフパターンの山と谷（谷と
山）とが対応している場合、つまり、２つのレリーフパ
ターンの凹凸が反転して対応している場合である。

【００３５】なお、第１〜３の各発明において、第２の
領域と第３の領域との境界には、レリーフパターンが形
成されていないので、これら２つの領域を同じ材料をも
って構成することもできる。このようにすれば、構造が
単純になるので、製造上有利となる。

【００３６】また、第１〜３の各発明において、第４の
領域は、該領域の接する環境の雰囲気とすることもでき
る。例えば、通常の使用状態において、環境は空気なの
で、第４の領域を空気で構成することもできる。この場
合には、組み合わせる透明材料との屈折率差を大きくす
ることができるので、必要なレリーフパターンの溝深さ
を浅くすることができ、これにより高性能な回折光学素
子を実現することができる。

【００３７】ところで、回折光学素子は、一般に厚型と
薄型とに分類されるが、波長幅を有する帯域光で、特に
結像光学系に適用する場合は、入射角依存や波長依存が
比較的少ない薄型をとすることが好ましい。ここで、回
折光学素子の厚さを特長づけるパラメータとしては、

【数１７】で与えられるＱ値がよく知られており、一般に、Ｑ＜１
のとき、その回折光学素子は薄型に分類される。ただ
し、（１３）式において、λは波長、Ｔは周期構造のピ
ッチ、Ｄは周期構造の深さ、ｎ₀は周期構造の平均屈折
率である。したがって、この発明に係る回折光学素子に
おいても、Ｑ＜１を満たすように構成することが好まし
い。

【００３８】（１３）式から、回折光学素子の厚さを示
すパラメータＱは、波長λに依存しているが、使用する
波長範囲全般にわたって回折効率の均一性を維持するた
めには、概ね使用する帯域光の中心波長について、薄型
の条件、Ｑ＜１が満たされていればよい。したがって、
この発明に係る回折光学素子においても、使用する帯域
光の中心波長について、Ｑ＜１を満たすように構成する
のが好ましい。例えば、この発明に係る回折光学素子
を、可視帯域光で使用する光学系に適用する場合には、
該中心波長を概ね４８０ｎｍから５５０ｎｍの範囲に設
定することができる。ただし、パラメータＱが波長λに
依存していることを考慮し、全波長範囲で薄型の条件、
Ｑ＜１を満たすことが望ましいのは言うまでもない。

【００３９】さらに、本発明者による検討によれば、Ｑ
＜０．１のときのレリーフ格子は、薄型の性質をより良
く表すことが確認された。したがって、この発明に係る
回折光学素子においても、より好適には、Ｑ＜０．１と
なるように、周期構造を構成するのが望ましい。

【００４０】ここで、図１に示した構成の回折光学素子
における、周期構造の深さＤおよび平均屈折率ｎ₀は、

【数１８】で与えられる。また、図２に示した構成の回折光学素子
における、周期構造の深さＤおよび平均屈折率ｎ₀は、

【数１９】で与えられる。

【００４１】この発明に係る回折光学素子は、使用する
波長範囲が、所定量以上の幅を有する場合に効果が大き
い。ここで、任意の波長λで回折効率を最適化した通常
のレリーフ格子において、回折効率の変化が無視できる
波長変化の幅は、λの±５％程度が目安であるため、こ
の発明に係る回折光学素子は、任意の中心波長λに対し
て、その±５％以上の波長幅の帯域光を使用する場合に
効果的である。

【００４２】以上、この発明を、各領域が密接した場合
を例にとって説明したが、この発明はこれに限らず、上
記の各領域の境界に接着層を設けて、各領域が近接する
ように構成しても同等の効果を奏することができる。

【００４３】また、この発明に係る回折光学素子は、複
数の波長、あるいは帯域光で使用する光学装置全般に適
用することができる。その中でも、特に、結像光学系を
有する光学装置に適用すると効果的である。

【００４４】図１８は、その一適用例を示すもので、こ
の発明に係る回折光学素子を撮像装置、例えば、カメラ
の撮影レンズに適用した場合の概念図である。図１８に
おいて、撮像光学系６０は、屈折レンズ５１と、この発
明による回折レンズ４１とを有し、物体の像を撮像素子
６１上に結像するよう構成されている。ここで、この発
明による回折レンズ４１は、例えば、可視帯域光の全域
において、高い回折効率を得ることができるので、カラ
ー映像を撮影した場合の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。

【００４５】また、図１９は、この発明に係る回折光学
素子の他の適用例を示すもので、観察光学系を含む光学
装置、例えば、カメラのファインダや顕微鏡の接眼レン
ズに適用した場合の概念図である。図１９において、対
物レンズ５３は、物体の拡大実像を形成し、屈折レンズ
５２と、この発明による回折レンズ４２とを有する接眼
光学系６２は、その実像をさらに拡大して観察者の網膜
に投影するよう構成されている。この場合も、図１８に
示した撮像装置の場合と同様の効果を得ることができ
る。

【００４６】

【実施例】図３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、透過型の回折レンズを示すもの
で、第１の領域１０１としてオハラ製の光学ガラスＬａ
Ｌ１４（ｎｄ＝１．６９６８，νｄ＝５５．５）を、第
２の領域１０２および第３の領域１０３として紫外線硬
化樹脂（ｎｄ＝１．５２，νｄ＝５２）を、第４の領域
１０４としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ
＝３０．５）をそれぞれ用い、これらを順次積層する。
すなわち、この実施例では、第２の領域１０２および第
３の領域１０３を同一の光学材料をもって構成する。

【００４７】また、第１の領域１０１と第２の領域１０
２との境界面、および第３の領域１０３と第４の領域１
０４との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１の
レリーフパターン２０１および第２のレリーフパターン
２０２を、第１のレリーフパターン２０１の頂部と第２
のレリーフパターン２０２の底部とが接するようにそれ
ぞれ形成する。

【００４８】第１，第２のレリーフパターン２０１，２
０２は、所定のレンズ作用を持つように各ピッチ配列を
最適化すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ＝
５５０ｎｍで１次回折効率が最大となるようにその溝深
さを最適化する。この実施例では、第１のレリーフパタ
ーン２０１の溝深さｄ₁を、ｄ₁＝７．９０μｍ、第２
のレリーフパターン２０２の溝深さｄ₂を、ｄ₂＝１
３．７４μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメ
ータαを、α≒１．７４とする。また、外側に面する２
つの端面３０１および３０２は、ともに平面として、各
端面上に反射防止コートを施す。

【００４９】図４は、この実施例による回折レンズにお
いて、（６）式で与えられるΔｎ₁と、（７）式で与え
られるΔｎ₂とのそれぞれの波長依存特性を、可視波長
域について示すものである。図４から明らかなように、
ＬａＬ１４（第１の領域１０１）と紫外線硬化樹脂（第
２の領域１０２）との屈折率差Δｎ₁は、ＬａＬ１４の
屈折率のほうが紫外線硬化樹脂の屈折率よりも大きいの
で、可視波長帯域で正となり、また、ＬａＬ１４と紫外
線硬化樹脂とのアッベ数νｄが比較的近いことから、波
長λの増加に伴ってわずかに減少する傾向を示す。これ
に対して、紫外線硬化樹脂（第３の領域１０３）とポリ
カーボネイト（第４の領域１０４）との屈折率差Δｎ₂
は、ポリカーボネイトの屈折率のほうが紫外線硬化樹脂
の屈折率よりも大きいので、可視波長帯域で負となり、
また、波長λの増加に伴って相対的に大きく増加する傾
向を示す。

【００５０】この実施例では、図４のΔｎ₁およびΔｎ
₂の波長依存特性から明らかなように、αΔｎ₂の絶対
値が、Δｎ₁の大きさを超えないような正の値のαを選
んでいるので、（１２）式で定義した屈折率差の項Ｎ
（λ）の波長依存は、波長λの増加に伴って増加するこ
とになる。したがって、（９）式の分母に現れるλは、
この屈折率差の項Ｎ（λ）で良好に相殺され、これによ
り位相振幅の波長依存が低減され、回折効率の波長依存
が低減される。

【００５１】図５は、この実施例による回折レンズと従
来の回折レンズとの位相振幅の波長依存特性を比較して
示すものである。図５において、実線はこの実施例によ
る回折レンズの位相振幅の波長依存特性を示す。また、
破線は従来の回折レンズの位相振幅の波長依存特性を示
したもので、波長λ＝５１０ｎｍで１次回折効率が最大
となるように、ＬａＬ１４の基板にブレーズパターンを
形成した場合のものである。図５から明らかなように、
αの値を最適化することによって、位相振幅の波長依存
が良好に低減されていることがわかる。

【００５２】図６は、図５に示した位相振幅の波長依存
特性に対応する回折効率の波長依存特性を示すもので、
実線および破線は、図５の場合と同じものを表す。図６
から明らかなように、この実施例による回折レンズによ
れば、回折効率の波長依存が従来のものと比較してきわ
めて良好に補正されていることがわかる。

【００５３】このように、この実施例による回折レンズ
によれば、可視帯域光の全域において高い回折効率を得
ることができるので、可視帯域光を用いる場合のフレア
やゴーストの発生を有効に防止できる。したがって、例
えば、カメラのような撮像光学系に好適に適用すること
ができる。

【００５４】なお、図５および図６にみられるように、
この実施例では、１次回折効率が１００％となるように
最適化した波長を、従来例とは違えて設定してある。こ
れは、一般に、最適化波長は、使用する波長範囲におい
て回折効率をバランスさせるように設定するからであ
る。つまり、この実施例の場合と従来例の場合とでは、
回折効率の波長依存がバランスする最適波長が異なるか
らである。例えば、図５においては、従来例の最適化波
長は５１０ｎｍであるが、この実施例では５５０ｎｍで
ある。

【００５５】この実施例においては、回折効率の波長依
存が、使用する波長帯域の短波長側でより効果的に低減
される。したがって、回折効率が最大となるように最適
化する波長は、従来の場合と比較してより長波長側に設
定することが好ましい。具体的には、使用する波長帯域
の中間波長に対し、使用する波長幅の±１０％以内の波
長範囲に最適化波長を設定するのが望ましい。ここで、
使用する波長幅は、例えば、可視帯域光で用いる結像光
学系の場合には、４００ｎｍ〜７００ｎｍとすることが
できる。

【００５６】さらに、この実施例によれば、第２の領域
１０２および第３の領域１０３を紫外線硬化樹脂をもっ
て構成したので、第１，第２のレリーフパターン２０
１，２０２を、それぞれ第１，第４の領域１０１，１０
４に別々に形成し、その後、これらを紫外線硬化樹脂を
介して貼り合わせるという極めて簡単な工程で、回折効
率の波長依存性が低減された回折レンズを製造すること
ができる。したがって、低コストにできるという効果も
ある。

【００５７】なお、かかる効果は、第２の領域１０２お
よび第３の領域１０３を紫外線硬化樹脂をもって構成す
る場合に最も大きいが、より一般的には、第２、第３の
領域１０２、１０３をプラスチック材料をもって構成す
ることにより、同様の効果を得ることができる。

【００５８】また、第１，第２のレリーフパターン２０
１，２０２を貼り合わせるにあたっては、第１，第２の
レリーフパターン２０１，２０２によって発生するモア
レ縞を位置合わせに用いることができる。すなわち、モ
アレ縞が完全に消えるように、第１，第２のレリーフパ
ターン２０１，２０２を位置合わせすることにより、そ
れらの対応する部分を対向させることができる。

【００５９】図７は、第１実施例の変形例を示すもので
ある。この回折レンズは、外側に面する２つの端面３０
３，３０４のうち、一方の端面３０３を正の屈折力を有
する曲面に、他方の端面３０４を負の屈折力を有する曲
面に形成したもので、その他の構成は第１実施例と同様
である。なお、端面３０３，３０４には、それぞれ反射
防止コートを施す。

【００６０】かかる回折レンズによれば、回折作用によ
るパワーと屈折作用によるパワーとの両方のパワーを有
するので、全体として大きなパワーを持ったレンズ素子
を実現することができる。また、回折作用によるパワー
と屈折作用によるパワーとは、波長分散（アッベ数）が
逆符号であるので、その波長分散の打ち消し合いによ
り、色収差が補正されたレンズ素子を実現することがで
きる。特に、図７に示すように、外側に面する端面３０
３，３０４の屈折力の符号を反転させることにより、２
次スペクトルまで補正された色消し単レンズを実現する
ことができる。

【００６１】図８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、透過型の回折レンズを示すもの
で、第１の領域１０５として旭硝子製のフッ素系樹脂サ
イトップ（ｎｄ＝１．３４１４９，νｄ＝９３．８）
を、第２の領域１０６および第３の領域１０７として紫
外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２，νｄ＝５１．８）を、
第４の領域１０８としてポリカーボネイト（ｎｄ＝１．
５８，νｄ＝３０．５）をそれぞれ用い、これらを順次
積層する。また、第１の領域１０５と第２の領域１０６
との境界面、および第３の領域１０７と第４の領域１０
８との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレ
リーフパターン２０３および第２のレリーフパターン２
０４を、第１のレリーフパターン２０３の頂部と第２の
レリーフパターン２０４の底部とが接するようにそれぞ
れ形成する。

【００６２】第１，第２のレリーフパターン２０３，２
０４は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列
を最適化すると共に、各断面を鋸歯波状で、凹凸が互い
に反転した構造として、波長λ＝５５０ｎｍで１次回折
効率が最大となるように、その溝深さを最適化する。し
たがって、第１のレリーフパターン２０３の溝深さｄ ₁
と第２のレリーフパターン２０４の溝深さｄ₂とは、互
いに逆符号の関係にある。この実施例では、第１のレリ
ーフパターン２０３の溝深さｄ₁を、ｄ₁＝−９．２０
μｍ、第２のレリーフパターン２０４の溝深さｄ₂を、
ｄ₂＝１７．８４μｍとして、上記（１０）式で定義し
たパラメータαを、α≒−１．９４とする。また、外側
に面する２つの端面３０５および３０６は、ともに平面
として、各端面上に反射防止コートを施す。

【００６３】図９は、この実施例による回折レンズにお
いて、（６）式で与えられるΔｎ₁と（７）式で与えら
れるΔｎ₂とのそれぞれ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、サイトップ（第１の領域
１０５）と紫外線硬化樹脂（第２の領域１０６）との屈
折率差Δｎ₁、および紫外線硬化樹脂（第３の領域１０
７）とポリカーボネイト（第４の領域１０８）との屈折
率差Δｎ₂は、上述した屈折率の大小関係から、ともに
可視波長帯域で負の値をとる。また、これら２つの材料
の組み合わせは、ともに高屈折率高分散−低屈折率低分
散の関係になるので、Δｎ₁およびΔｎ₂は、ともに波
長の増加に伴って大きさ（絶対値）が減少する。

【００６４】この実施例では、αΔｎ₂の大きさ（絶対
値）が、Δｎ₁の大きさ（絶対値）を超えないような負
の値のαを選んで設定してあるので、（１２）式で定義
した屈折率差の項Ｎ（λ）の波長依存は、波長λの増加
に伴って増加するようになる。したがって、（９）式の
分母に現れるλは、この屈折率差の項Ｎ（λ）で良好に
相殺され、これにより位相振幅の波長依存が低減され、
回折効率の波長依存が低減される。

【００６５】図１０は、この実施例による回折レンズ
と、従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比
較して示すものである。図１０において、実線はこの実
施例による回折レンズの場合を、破線はサイトップ製の
基板にブレーズパターンを形成した従来の回折レンズ
（最適化波長λ＝５１０ｎｍ）の場合をそれぞれ示して
いる。図１０から明らかなように、この実施例による回
折レンズによれば、従来のものと比較して回折効率の波
長依存がきわめて良好に補正されていることがわかる。

【００６６】このように、この実施例によれば、可視帯
域光の全域において高い回折効率を得ることができるの
で、可視帯域光で用いた場合にフレアやゴーストの問題
が生じにくく、したがって、例えばカメラのような撮像
光学系に好適に適用することができる。また、第１、第
４の領域１０５，１０８をプラスチック材料をもって構
成したので、第１，第２のレリーフパターン２０３，２
０４を極めて容易に形成することができると共に、特
に、第２の領域１０６および第３の領域１０７を紫外線
硬化樹脂をもって構成しているので、第１，第４の領域
１０５，１０８に形成した第１，第２のレリーフパター
ン２０３，２０４どうしを容易に貼り合わせることがで
き、これにより、回折効率の波長依存が低減された回折
光学素子を容易に製造することができる。

【００６７】図１１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、２重焦点の回折レンズを示す
もので、順次積層した第１〜４の領域１０１〜１０４
は、第１実施例におけると同じ材料をもって構成する。
すなわち、第１の領域１０１をオハラ製の光学ガラスＬ
ａＬ１４（ｎｄ＝１．６９６８，νｄ＝５５．５）で、
第２，第３の領域１０２，１０３を紫外線硬化樹脂（ｎ
ｄ＝１．５２，νｄ＝５２）で、第４の領域１０４をポ
リカーボネイト（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５）で
構成する。また、第１の領域１０１と第２の領域１０２
との境界面、および第３の領域１０３と第４の領域１０
４との境界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレ
リーフパターン２０５および第２のレリーフパターン２
０６を、第１のレリーフパターン２０５の頂部と第２の
レリーフパターン２０６の底部とが接するようにそれぞ
れ形成する。

【００６８】第１，第２のレリーフパターン２０５，２
０６は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列
を最適化すると共に、各断面を凹凸比の等しい矩形状と
して、波長λ＝６００ｎｍで±１次回折効率が最大とな
るように、その溝深さを最適化する。この実施例では、
第１のレリーフパターン２０５の溝深さｄ₁を、ｄ₁＝
４．０２μｍ、第２のレリーフパターン２０６の溝深さ
ｄ₂を、ｄ₂＝７．０３μｍとして、上記（１０）式で
定義したパラメータαを、α≒１．７５とする。また、
外側に面する２つの端面３０７および３０８は、ともに
平面として、各端面上に反射防止コートを施す。

【００６９】この実施例において、±１次回折効率が最
大となるときの、上記（９）式に相当する位相振幅は、

【数２０】で表され、そのときのｍ次回折効率η_mは、

【数２１】で与えられる。上記（１８）式で表される位相振幅は、
（９）式で表される位相振幅に、係数１／２が掛かった
だけであるので、第１実施例の場合と全く同じ作用で、
位相振幅の波長依存を低減することができる。

【００７０】図１２は、この実施例による回折レンズの
±１次回折効率の波長依存特性を示すもので、（１８）
式を（１９）式に適用した結果を示すものである。図１
２において、実線はこの実施例による回折レンズの場合
を、破線はＬａＬ１４の材料基板に矩形位相格子を形成
した従来の回折レンズ（最適化波長λ＝５１０ｎｍ）の
場合を示す。図１２から明らかなように、この実施例に
よれば、従来のものと比較して回折効率の波長依存が良
好に補正されていることがわかる。このように、この実
施例によれば、可視帯域光の全域において、回折効率の
波長依存を低減できるので、可視帯域光で使用する２重
焦点光学系に好適に適用することができる。

【００７１】以上、第１〜３実施例において、第１，第
２のレリーフパターンが断面鋸歯波状の場合と、断面矩
形の場合とについて説明したが、第１，第２のレリーフ
パターンの断面形状は、上記の例に限らず、種々の断面
形状の場合でも、この発明を有効に適用することがで
き、同様の効果を得ることができる。

【００７２】図１３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、透過型の回折レンズを示すも
ので、第１の領域１０９としてアクリル樹脂（ｎｄ＝
１．４９，νｄ＝５７．７）を、第２の領域１１０およ
び第３の領域１１１としてポリカーボネイト（ｎｄ＝
１．５８，νｄ＝３０．５）をそれぞれ用い、これらを
順次積層する。また、第４の領域は、該回折レンズが置
かれる雰囲気、実用上は空気とする。第１の領域１０９
と第２の領域１１０との境界面、および第３の領域１１
１と空気との境界面には、等しいピッチ分布を有する第
１のレリーフパターン２０７、および第２のレリーフパ
ターン２０８を、第１のレリーフパターン２０７の頂部
と第２のレリーフパターン２０８の底部とが接するよう
にそれぞれ形成する。

【００７３】第１，第２のレリーフパターン２０７，２
０８は、集光作用を持つように、各ピッチ配列を最適化
すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ＝５５０
ｎｍで１次回折効率が最大となるように、その溝深さを
最適化する。この実施例では、第１のレリーフパターン
２０７の溝深さｄ₁を、ｄ₁＝１５．１６μｍ、第２の
レリーフパターン２０８の溝深さｄ₂を、ｄ₂＝３．３
４μｍとして、上記（１０）式で定義したパラメータα
を、α≒０．２２とする。

【００７４】この実施例では、第４の領域を、この回折
レンズが置かれる雰囲気、実用上は空気として、その屈
折率を１としているので、上述した実施例の場合と同様
の作用により、回折効率の波長依存を補正することがで
きる。さらに、この実施例では、第４の領域の屈折率が
低いので、第３の領域１１１と第４の領域との屈折率差
Δｎ₂が十分大きな値となり、第２のレリーフパターン
２０８の溝深さｄ₂を比較的浅くすることができる。こ
れにより、回折レンズをより薄型にできるので、レリー
フパターンのピッチをより小さくすることができる。

【００７５】図１４は、この実施例による回折レンズ
と、従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比
較して示すものである。図１４において、実線はこの実
施例による回折レンズの場合を、破線はアクリル基板に
ブレーズパターンを形成した従来の回折レンズ（最適化
波長λ＝５１０ｎｍ）の場合を示している。図１４から
明らかなように、この実施例の場合も、従来のものと比
較して回折効率の波長依存を極めて良好に補正できるこ
とがわかる。

【００７６】以上説明した第１〜４実施例では、第２，
第３の領域を同じ材料で構成したが、この発明の第５実
施例では、第２，第３の領域を互いに異なる材料をもっ
て構成する。図１５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、透過型の回折レンズを示すも
ので、第１の領域１１２としてオハラ製光学ガラスＬａ
Ｌ１４（ｎ_d＝１．６９６８，ν_d＝５５．５）を、第
２の領域１１３としてポリカーボネイト（ｎ_d＝１．５
８，ν_d＝３０．５）を、第３の領域１１４として紫外
線硬化樹脂（ｎ_d＝１．５２，ν_d＝５２）をそれぞれ
用い、これらを順次積層する。また、第４の領域は、該
回折レンズがおかれる雰囲気、実用上は空気とする。

【００７７】さらに、第１の領域１１２と第２の領域１
１３との境界面、および第３の領域１１４と空気との境
界面には、等しいピッチ分布を有する第１のレリーフパ
ターン２２１および第２のレリーフパターン２２２を、
第１のレリーフパターン２２１の頂部と第２のレリーフ
パターン２２２の底部とが接するようにそれぞれ形成す
る。これら、第１、第２のレリーフパターン２２１、２
２２は、所定のレンズ作用を持つように、各ピッチ配列
を最適化すると共に、各断面を鋸歯波状として、波長λ
＝５５０ｎｍで１次回折効率が最大となるように、その
溝深さを最適化する。この実施例では、第１のレリーフ
パターン２２１の溝深さｄ₁を、ｄ₁＝−１２．９８μ
ｍ、第２のレリーフパターン２２２の溝深さｄ₂を、ｄ
₂＝１．８２μｍとして、上記（１０）式で定義したパ
ラメータαを、α≒−０．１４とする。

【００７８】この実施例の場合も、第１の領域１１２と
第２の領域１１３との屈折率差Δｎ ₁、および第３の領
域１１４と空気との屈折率差Δｎ₂とが、それぞれ
（６）式および（７）式で与えられるから、その回折効
率の波長依存の低減の作用は、上述した第１〜４実施例
の場合と全く同じである。すなわち、この実施例では、
第１のレリーフパターン２２１と第２のレリーフパター
ン２２２との位相シフト作用が互いに打ち消し合うよう
に、αの代数符号を選んであるので、その絶対値が波長
λの増加に伴って低下するΔｎ₂が、Δｎ₁とは逆符号
である。したがって、屈折率差の項Ｎ（λ）の波長依存
は、全体として波長λの増加に伴って増加する傾向を示
すことになる。これにより、（９）式の分母に現れるλ
は、この屈折率差の項Ｎ（λ）で良好に相殺され、位相
振幅の波長依存が低減され、回折効率の波長依存が低減
される。

【００７９】さらに、この実施例では、第２の領域１１
３および第３の領域１１４をそれぞれ構成する材料が互
いに異なるので、Δｎ₁とΔｎ₂とを独立に設定するこ
とができ、これにより、その組合せとして、より効果的
な組合せを選択することができる。具体的には、第１〜
第４の領域を、第１実施例を構成する材料と空気とで構
成しているので、第１、第２のレリーフパターン２２
１、２２２の溝深さを、それぞれ第１実施例の場合より
も浅くすることができ、より薄型の回折レンズを実現す
ることができる。

【００８０】図１７は、この実施例による回折レンズと
従来の回折レンズとの回折効率の波長依存特性を比較し
て示すものである。図１７において、実線はこの実施例
による回折レンズの場合を、破線はＬａＬ１４基板にブ
レーズパターンを形成した従来の回折レンズ（最適化波
長λ＝５１０ｎｍ）の場合を示している。図１７から明
らかなよう、この実施例の場合も、従来のものと比較し
て回折効率の波長依存を極めて良好に補正できることが
わかる。

【００８１】なお、この発明は、上述した実施例にのみ
限定されるものではなく、幾多の変形または変更が可能
である。例えば、上述した第１〜第５実施例では、２つ
のレリーフパターンの間隔ｄ＝（ｄ₃＋ｄ₄）を０とし
たが、この発明による回折光学素子の位相振幅は、上記
（９）式または（１１）式から明らかなように、基本的
には２つのレリーフパターンの間隔ｄに依存しない。

【００８２】図１６は、図１５に示した第５実施例の変
形例を示すもので、第２の領域１１３と第３の領域１１
４とを接着層１２０を介して積層したものである。図１
６に示すように、第２，第３の領域１１３，１１４の間
に第５の層状領域１２０が存在する場合であっても、位
相振幅の値は上記（９）式または（１１）式で与えられ
る。したがって、その回折効率の波長依存の低減の作用
と効果は、上述した第５実施例の場合とまったく同じで
ある。

【００８３】しかし、２つのレリーフパターンの間隔ｄ
は、回折光学素子の厚さを考慮するときに意味をもつ。
すなわち、回折効率の波長依存を十分に低減するために
は、回折光学素子をできるだけ薄型にすることが好まし
い。すなわち、（１３）式で定義したパラメータＱの値
が、Ｑ＜１を満たすようにｄの値を選択することが好ま
しい。この条件を満たすとき、該回折光学素子は薄型で
あるとみなせ、また、２つのレリーフパターンは実質的
に接しているとみなせる。

【００８４】ここで、図１６に示す構成において、接着
層１２０の厚さをｄ₅、およびその屈折率をｎ₅とすれ
ば、（１４）式および（１５）式に対応した周期構造の
深さＤおよび平均屈折率ｎ₀は、

【数２２】となる。すなわち周期構造の深さＤは、２つのレリーフ
パターンが形成されている領域、およびそ領域に挟まれ
た領域の厚さの単純な和であり、また、平均屈折率ｎ₀
は、それらのにおける屈折率の平均値で与えられる。

【００８５】付記項１．請求項１記載の回折光学素子において、前記第１、第２、第３および第４の領域をそれぞれ構成
する材料の屈折率を、ｎ₁(λ) 、ｎ₂(λ) 、ｎ₃(λ) お
よびｎ₄(λ) とし、前記第１および第２のレリーフパタ
ーンのそれぞれの溝深さを、ｄ₁ およびｄ ₂、それらの
比を、α＝ｄ₂/ｄ₁ として、

【数２３】ΔＮ（λ）＝｛ｎ₁(λ) −ｎ₂(λ) ｝＋α
｛ｎ₃(λ) −ｎ₄(λ) ｝ただし、λ：光の波長とするとき、

【数２４】｜ΔＮ（λ₂ ）｜＞｜ΔＮ（λ₁）｜＞０；λ₂ ＞λ₁ ただし、λ₁：使用する光の波長域の短波長端の波長 λ₂ ：使用する光の波長域の長波長端の波長を満たすことを特徴とする回折光学素子。２．請求項１，２または３記載の回折光学素子におい
て、前記第１のレリーフパターンの位相シフト作用、および
第２のレリーフパターンの位相シフト作用が、代数的に
打ち消し合うように、前記第１のレリーフパターンおよ
び第２のレリーフパターンの溝深さ比αを設定したこと
を特徴とする回折光学素子。ただし、α＝ｄ₂ ／ｄ₁；
ｄ₁，ｄ₂ は、それぞれ第１，第２のレリーフパターン
の溝深さである。３．請求項１，２または３記載の回折光学素子におい
て、前記第２の領域および第３の領域を、同一材料をもって
構成したことを特徴とする回折光学素子。４．請求項１，２または３記載の回折光学素子におい
て、前記第４の領域は、該領域の接する環境の雰囲気である
ことを特徴とする回折光学素子。５．請求項１，２または３記載の回折光学素子におい
て、前記第１のレリーフパターンおよび第２のレリーフパタ
ーンで構成された複合レリーフ構造領域の平均屈折率を
ｎ₀、厚さをＤ、およびレリーフパターンの最小ピッチ
をＴとするとき、

【数２５】を満たすことを特徴とする回折光学素子。ただし、λ₀
は、使用する帯域光の中心波長である。６．請求項１，２または３記載の回折光学素子におい
て、使用する帯域光の短波長端の波長λ₁、長波長端の波長
λ₂が、

【数２６】λ₂−λ₁＞０．０５λ₀ を満たすことを特徴とする回折光学素子。ただし、λ₀
は、

【数２７】で定義した、λ₁とλ₂との中間波長である。７．請求項１〜３、付記項１〜５のいずれか一つに記載
の回折光学素子を有する光学装置。

【００８６】

【発明の効果】この発明によれば、第１，第２の２つの
レリーフパターンの溝深さの比を制御することにより、
すなわち２つのレリーフパターンの溝深さの比を最適に
違えて設定することにより、基板材料等の光学特性とは
独立に、位相振幅の波長依存を制御することができるの
で、回折効率の波長依存性を目的に応じて最適化するこ
とができる。したがって、回折効率の波長依存を低減で
きる材料の組み合わせに制限がなくなるので、例えば、
製造の容易な材料を組み合わせて、効果的に回折効率の
波長依存を低減できると共に、安価にできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明にかかる回折光学素子の概念図であ
る。

【図２】第２の発明にかかる回折光学素子の概念図であ
る。

【図３】この発明の第１実施例を示す断面図である。

【図４】第１実施例の回折レンズにおける順次の領域間
の屈折率差の波長依存特性を示す図である。

【図５】第１実施例による回折レンズと従来の回折レン
ズとの位相振幅の波長依存特性を比較して示す図であ
る。

【図６】図５に示した位相振幅の波長依存特性に対応す
る回折効率の波長依存特性を示す図である。

【図７】第１実施例の変形例を示す断面図である。

【図８】この発明の第２実施例を示す断面図である。

【図９】第２実施例の回折レンズにおける順次の領域間
の屈折率差の波長依存特性を示す図である。

【図１０】第２実施例による回折レンズと従来の回折レ
ンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図であ
る。

【図１１】この発明の第３実施例を示す断面図である。

【図１２】第３実施例の回折レンズにおける±１次回折
効率の波長依存特性を示す図である。

【図１３】この発明の第４実施例を示す断面図である。

【図１４】第４実施例による回折レンズと従来の回折レ
ンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図であ
る。

【図１５】この発明の第５実施例を示す断面図である。

【図１６】第５実施例の変形例を示す断面図である。

【図１７】第５実施例による回折レンズと従来の回折レ
ンズとの回折効率の波長依存特性を比較して示す図であ
る。

【図１８】この発明に係る回折光学素子の一適用例を示
す図である。

【図１９】同じく、他の適用例を示す図である。

【図２０】従来の回折光学素子を示す断面図である。

【図２１】図２０に示す従来の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２２】図２０に示す断面鋸歯波状のレリーフパター
ンの位相シフト関数φ（ｘ）を示す図である。

【図２３】本出願人が先に提案した回折光学素子の基本
構成を示す断面図である。

【図２４】図２３に示す回折光学素子における２種類の
光学材料の屈折率の波長依存特性の一例を示す図であ
る。

【符号の説明】

１１，１５，１０１，１０５，１０９，１１２第１の
領域１２，１６，１０２，１０６，１１０，１１３第２の
領域１３，１７，１０３，１０７，１１１，１１４第３の
領域１４，１８，１０４，１０８第４の領域２１，２３，２０１，２０３，２０５，２０７，２２１
第１のレリーフパターン２２，２４，２０２，２０４，２０６，２０８，２２２
第２のレリーフパターン

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】密接または近接して順次に積層した第
１、第２、第３および第４の領域と、前記第１および第２の領域の境界面に形成した第１のレ
リーフパターンと、前記第３および第４の領域の境界面に形成した第２のレ
リーフパターンとを有し、前記第１、第２、第３および第４の領域は、使用する光
の波長で実質的に透明な少なくとも３種類の材料で、か
つ前記第１の領域と第２の領域、および前記第３の領域
と第４の領域とが、それぞれ互いに異なる材料をもって
構成され、前記第１および第２のレリーフパターンは、実質的に等
しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それら
の対応する部位が近接して配置されていることを特徴と
する回折光学素子。
【請求項２】密接または近接して順次に積層した第
１、第２、第３および第４の領域と、前記第１および第２の領域の境界面に形成した第１のレ
リーフパターンと、前記第３および第４の領域の境界面に形成した第２のレ
リーフパターンとを有し、前記第１の領域は、使用する光を反射する材料をもって
構成され、前記第２、第３および第４の領域は、使用する光の波長
で実質的に透明な少なくとも２種類の材料で、かつ前記
第３の領域と第４の領域とが、互いに異なる材料をもっ
て構成され、前記第１および第２のレリーフパターンは、実質的に等
しいピッチ分布で、互いに異なる溝深さを有し、それら
の対応する部位が近接して配置されていることを特徴と
する回折光学素子。
【請求項３】密接または近接して順次に積層した第
１、第２、第３および第４の領域と、前記第１および第２の領域の境界面に形成した第１のレ
リーフパターンと、前記第３および第４の領域の境界面に形成した第２のレ
リーフパターンとを有し、前記第１、第２、第３および第４の領域は、使用する光
の波長で実質的に透明な少なくとも３種類の材料で、か
つ前記第１の領域と第２の領域、および前記第３の領域
と第４の領域とが、それぞれ互いに異なる材料をもって
構成され、前記第１および第２のレリーフパターンは、実質的に等
しいピッチ分布で、対応する部位が近接して配置され、かつ、前記第１、第２、第３および第４の領域をそれぞ
れ構成する材料の屈折率を、ｎ₁(λ) 、ｎ₂(λ) 、ｎ
₃(λ) およびｎ₄(λ) とし、前記第１および第２のレリーフパターンのそれぞれの溝
深さを、ｄ₁ およびｄ ₂、それらの比を、α＝ｄ₂/ｄ₁
として、【数１】ΔＮ（λ）＝｛ｎ₁(λ) −ｎ₂(λ) ｝＋α｛ｎ
₃(λ) −ｎ₄(λ) ｝ただし、λ：光の波長とするとき、【数２】｜ΔＮ（λ₂ ）｜＞｜ΔＮ（λ₁）｜＞０；λ₂ ＞λ₁ ただし、λ₁：使用する光の波長域の短波長端の波長 λ₂ ：使用する光の波長域の長波長端の波長を満たすことを特徴とする回折光学素子。