JP2010096999A - 回折光学素子、回折光学部材及び光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折光学素子において１次回折光以外にフレア・ゴーストの原因となる高次回折光を選択的かつ効率的に抑止することを、簡便かつ低コストで実現できない。
【解決手段】回折面（１１１）と端面（１１２）とが連続する鋸歯状になった回折光学素子（１１）において、端面（１１２）の形状を曲面とする。これにより、不要な高次回折光・フレア・ゴーストを減じた回折光学部材（２０）が提供できる。特に、不要な高次回折光に対しては特定の回折角度を持つ次数を選択的に抑止できる回折光学部材（２０）が提供できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、回折光学素子、回折光学部材及び光学系に関する。回折光学素子は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）に集中するような鋸歯構造を有し、回折光学部材はその回折光学素子より構成され、光学系に用いられる。

従来、回折光学素子は、微細な周期構造によって透過光・反射光を回折させ、入射光の分光や分岐・結合などの操作を行う素子である。また、回折光学部材は、回折光学素子の周期構造を種々の形状に変調することで、集光・発散・結像などの作用を実現することができる。

特許文献１に開示された回折光学素子は、回折光学素子のエッジ部に入射する光または当該エッジ部から射出する光を遮光する遮光手段を有する。また、特許文献１では断面を鋸歯状に加工したブレーズド型回折光学素子において、光学性能を悪化させるフレア光の量を減少させることができる回折光学素子が開示された。

特許文献２に開示された回折光学素子は、高い回折効率が広範囲の波長域において得られ、且つフレアが少ない回折光学素子及びそれを有する光学系を得るために、回折光学素子のエッジ部に階段形状の段部を設けた。これにより、光学系に組み込んだ際にも、高い回折効率を維持することができ、フレアなどを有効に抑えることのできる光学系を提供することができる。
特開２００２−４８９０６号公報 特開２００２−７１９２５号公報

特許文献１及び特許文献２の技術を実現しようとする場合には、数μｍから数百μｍで形成された回折光学素子の端面にのみ適当な遮光層を形成するか、あるいは微細な段差形状を作成する必要がある。このため、極めて高度な微細加工技術が必要となり、製造コストの上昇を招くおそれがあった。

また、Ｃｒなどの金属薄膜で遮光層を形成した場合、透過光を減じることができる。しかし、反射光を低減することは難しく、不要な回折光・フレア・ゴーストを増強する逆効果になる場合もある。
さらに、特許文献１及び特許文献２では、フレア・ゴーストの低減が可能であっても、高次回折光の強度分布を意図的に制御することは不可能であった。例えば、結像光学系においては、光学系の開口数ＮＡを上回る角度の光線は、絞りやレンズ開口で遮光されて通過できないので、ＮＡ内の不要な回折光のみが像面でのフレア・ゴースト等になる。このため、ＮＡ内に含まれる相対的に小さな回折光の除去が必要となる。即ち、１次回折光以外の回折光を一律除去するよりも、影響の大きな回折角度の光を選択的に抑止できることが望ましい。

しかしながら、従来の技術では回折光学素子において１次回折光以外にフレア・ゴーストの原因となる高次回折光を選択的かつ効率的に抑止することを、簡便かつ低コストで実現することができない。

本発明は上記の課題を鑑みて成されたもので、回折光学素子の端面に曲率を持たせることで、端面から反射・透過光を発散させ、不要な高次回折光・フレア・ゴーストを減じた回折光学部材を提供するものである。

第１観点における回折光学素子は、回折面と端面とが連続する鋸歯状の回折光学素子であって、端面の断面形状が曲線である。
このような構成であれば、端面から反射・透過光を発散させ、不要な高次回折光・フレア・ゴーストを減じた回折光学素子を提供することができる。

第２観点における回折光学部材は、第１屈折率の材質からなり第１回折面と第１端面とが連続する鋸歯状の第１回折光学素子と、第２屈折率の材質からなり第２回折面と第２端面とが連続する鋸歯状の第２回折光学素子とを備える。そして、第１回折面と第２回折面とが密接し、且つ第１端面と前記第２端面とが密接し、第１端面及び前記第２端面の断面形状は曲線である。
この構成により、１次回折光以外の高次回折光を一律除去しないで影響の大きな回折角度の光を選択的に抑止する回折光学部材が得られる。

本発明は、回折光学素子より構成された回折光学部材を用いた光学系において、不要な高次回折光・フレア・ゴーストを減じた回折光学素子が提供できる。特に、光学系において、不要な高次回折光に対しては特定の回折角度を持つ次数を選択的に抑止できる回折光学素子が提供できる。また、従来の製造方法に比べて、特別な製造装置や技術を必要とせず、特別なコストをかけずに実現できるものである。

＜第一回折光学素子１１又は第二回折光学素子１２について＞
以下、第一回折光学素子１１又は第二回折光学素子１２について、図面を参照しながら説明する。

図１は、第一回折光学素子１１及び第二回折光学素子１２より構成された回折光学部材２０の断面図である。ここで、図１（ａ）は第一回折光学素子１１と第二回折光学素子１２とが組み合わせる前の状態を示す図である。図１（ｂ）は、第一回折光学素子１１と第二回折光学素子１２とが組み合わせた後の状態を示す図である。

図１（ａ）に示されたように、第一回折光学素子１１の一面は断面形状が直線である回折面１１１と断面形状が凹状の曲線である端面１１２とが一つ一つに連結されて断面が連続的な鋸歯状となり、他の一面１００は平面である。また、第二回折光学素子１２の一面は断面形状が直線である回折面１２１と断面形状が凸状の曲線である端面１２２とが一つ一つに連結されて断面が連続的な鋸歯状となり、他の一面１００は平面である。

また、図１（ｂ）に示されたように、第一回折光学素子１１及び第二回折光学素子１２は、第１回折面１１１と第２回折面１２１とが密接し、且つ第１端面１１２と前記第２端面１２２とが密接するように密着される。以下は、矢印Ｂに示された部分に対して説明する。ここで、第一回折光学素子１１及び第二回折光学素子１２が密着されたので、以下の符号は第一回折光学素子１１、回折面１１１及び端面１１２を使用する。

図２は、図１（ｂ）の点線で囲った部分Ｂに対する第一回折光学素子１１の端面１１２の断面形状を説明するための図である。ここで、ｎ１は第一回折光学素子１１の屈折率であり、ｎ２は第二回折光学素子１２の屈折率である。また、端面１１２の断面形状を円弧にするためには、端面１１２の第一頂点Ａ及び第二頂点Ｏを連結した線分ＯＡの垂直二等分線上に曲率中心を持つ円弧を採用すれば良い。この時、曲率半径をＲ、中心の座標をＣ（ｘｃ，ｙｃ）とすると円弧の数式１は以下となる。
…（１）

この円弧が、端面１１２の第一頂点Ａ（−Δｄ，ｈ）及び第二頂点Ｏ（０，０）を通るので、ｘ_ｃ，ｙ_ｃについて解いて以下の数式２が導かれる。
…（２）

数式２は、線分ＯＡの垂直二等分線の式であり、円弧の中心はこの垂直二等分線の上に存在する。ここで、半径が最小の円弧１２０は線分ＯＡの中心に曲率中心を持ち、半径はＯＡ／２となる。これ以上の半径の円弧は、線分ＯＡに対称に二つ存在でき、中心が線分ＯＡの左側にある場合は端面１１２が右に向かって凸状となり、中心が線分ＯＡの右側にある場合は端面１１２が左に向かって凸状となる。

しかしながら、第一頂点Ａでの円弧（端面１２０）の接線ＡＫが回折面１１１より上にある場合には、端面１１２が回折面１１１に干渉されて点Ｄで交差する。この時、円弧ＡＤが回折面１１１の上へ突出した形状となり、第一回折光学素子１１の本来の形状を損なうので有効でない。

また、一般に端面１１２の断面円弧が第一頂点Ａ点及び第二頂点Ｏ点を通り、三角形ＡＳＯ（Ｓは第一頂点ＡからＸ軸への垂直線とＸ軸との交点である。）の範囲を超えて隣の領域に入り込んで端面形状がオーバーハングになる。この状態では、切削加工が困難になったり、金型で第一回折光学素子１１を作成する場合に離型ができなくなったりする。また、端面１１２が回折面１１１に食い込むのでＳｈａｄｏｗ効果が強調されるおそれもある。

このため、図３に示されたように、曲率半径は第一頂点Ａ点での円弧の接線が垂直になる半径を限界半径Ｒｃとして求め、回折光学素子１１の形状の設計上、これを下回る半径に設定する。

この場合、円弧の中心Ｃ（Ｒｃ−Δｄ，ｈ）とおけるので、円弧の方程式は限界半径Ｒｃを用いて以下の数式３に表される。
…（３）

そして、この円弧が第二頂点Ｏ（０，０）を通るので、限界半径Ｒｃは以下の数式４に表される。
…（４）

また、図４（ａ）は第一回折光学素子１１のパラメータ（ｄ＝４５μｍ、ｈ＝２０μｍ）の場合に、図３に示された角度θ_ｔを変化させて限界半径Ｒ_Ｃを求めたグラフである。図４（ａ）に示されたように、θ_ｔ＝５°の時、限界半径Ｒｃが約１１０μｍとなる。

図４（ｂ）は、前述のパラメータで計算した第一回折光学素子１１の回折次数と回折角度を示したグラフである。図４（ｂ）に示されたように、回折角は回折次数の増加に従って大きくなる。また、回折次数が±１０のときに回折角は±５°となり、回折次数が＋２０のときに回折角は＋１０°となる。

図５は、回折光学素子１３の他の一例の部分断面図である。図５に示されたように、回折光学素子１３は前述の回折光学素子１１に比べれば、端面１３２の断面形状が曲線であるが、円弧の替わりに円弧に近似的な直線の連結線を用いたものである。ここで、直線の連結線は任意の多項式・級数で表わされる曲線でも良いし、必要によって右または左に向かう凸状でも良い。

＜回折光学部材２０について＞
再び図１に戻り、図１に示されたような回折光学部材２０について、図面を参照しながら説明する。

回折光学部材２０は、図１に示されたように第一回折光学素子１１及び第二回折光学素子１２より構成される。また、後述の実施例も図１（ｂ）の点線で囲った部分Ｂに対して説明する。

以下、回折光学部材２０の端面１１２の断面形状検討に当たっては、図示しない端面の断面形状が直線となる回折光学素子を用いる回折光学部材（以下、基本回折光学部材と称する）を基準に検討する。

（第一の実施例）
本実施例の回折光学部材２０は、図６に示されたように端面１１２の断面形状が基本回折光学部材より左側に張り出す形状となる。即ち、端面１１２は低い屈折率ｎ２の部分が高い屈折率ｎ１の部分に張り出すようになる。ここで、ｎ_１＝１．５５６７、ｎ_２＝１．５２７３、ブレーズ波長＝５８７ｎｍ、θ_ｔ＝５°、ｄ＝４５μｍ、ｈ＝２０μｍである。

また、円弧の曲率Ｒを５０，８０，１００，２００μｍに変化させ、このときの−３０〜２０次までの回折光の強度を電磁場計算ソフトウエアによって計算する。また、基本回折光学部材の同じ次数の回折光強度との差を調べる。なお、それぞれの条件の回折光強度は＋１次回折光の強度で規格化する。

さらに、入射角度θ_１は基本回折光学部材の端面に平行な５°入射を挟んで前後の三つの水準（０°，５°，１０°）とする。

図７は、本実施例における、規格化された回折光強度と基本形状の回折光強度との差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射、（ｂ）は５°入射、（ｃ）は１０°入射の場合である。図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）で＋１次回折光以外の回折光は不要な回折光であり、基本回折光学部材との強度差が負になるほど不要な回折光が減少し、フレア・ゴーストが減る。

図７に示されたように、回折効率差は図７（ａ）の−３０〜−２５の範囲で負になり、図７（ｂ）の−３０〜−１５の範囲で負になり、図７（ｃ）の−２０〜−１０及び１０〜２０の範囲で負になる。従って、この結果から、本実施例においては−３０〜−１０及び＋１０以上の次数の高い回折光の強度が低下する。これに対応する回折光の回折角度は図４（ｂ）の概ね−５°より小さいし、＋５°より大きい範囲である。

また、−１０〜＋１０次の範囲（＋１次を除く）では強度が増大し、これらの回折角度は図４（ｂ）の概ね±５°以内である。

従って、本実施例の構成では主要な＋１次に近い（−１０〜＋１０次）回折光にエネルギーを集中させ、これ以外の回折光を抑止したい場合に有効である。

なお、円弧の半径については図７（ａ）、図７（ｂ）及び図７（ｃ）から判断して、Ｒ＝５０μｍでは効果が多き過ぎ、２００μｍでは効果がはっきりしない。このため、適切な半径は効果の強さを勘案するとともに、前述の限界半径Ｒｃを考慮して適切に決定すれば良い。

ところで、回折光学部材２０を光学系３０に用いた場合、高次回折光によるフレア・ゴーストが像面に現れることがある。この現象は、暗い背景に明るい点を含むようなコントラストの高い被写体で顕著で、明るい点の周りにリングのフレアとなって現れたり、点列状にゴーストとなったりする。

この場合、点の中心に近いフレア・ゴーストは、本来の像点と重なって問題にならず、離れた場所に現れるフレア・ゴーストが特に見苦しく目立つ場合がある。このような場合には本実施例の構成を用いることで、本来の像点から遠い場所に現れる高次の回折光の強度を抑制し、フレア・ゴーストを低減することができる。

（第二の実施例）
図８に示されたように、本実施例は第一の実施例に比べて端面１１２の張り出し方向が逆（即ち、高い屈折率ｎ１の部分が低い屈折率ｎ２部分に張り出す）になっている。その他は第一の実施例と同じである。

図９は、本実施例における、規格化された回折光強度と基本形状との差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射、（ｂ）は５°入射、（ｃ）は１０°入射の場合である。ここで、回折効率差は図９（ａ）の大部分の範囲で負になり、図９（ｂ）の−３０〜−１０の範囲で正、−１０〜０及び０〜２０（＋１次を除く）の範囲で負になり、図９（ｃ）の−３０〜−１５の範囲で正、−１５〜０及び０以上（＋１次を除く）の範囲で負になる。従って、この結果から、本実施例においては−３０〜−１０及び＋２０以上の次数の高い回折光の強度が増加し、−１０〜＋２０次の範囲（＋１次を除く）では強度が低下する。これに対応する回折光の回折角度は図４（ｂ）の概ね−５°及び＋１０°である。

本実施例においては、回折角度の大きい高次回折光の強度は増加するが、低次の回折光を抑止することができる。このような機能は、回折光学部材２０を用いた結像光学系３０において、絞りや開口により高次回折光の遮断と組み合わせて用いると、主要な＋１次回折光以外を極めて効果的に排除でき、回折光学素子固有のフレア・ゴーストを著しく減じることができる。

（第三の実施例）
図８に示されたように、本実施例は第二の実施例に比べてｎ１，ｎ２の屈折率が入替わっている（即ち、ｎ_１＝１．５２７３、ｎ_２＝１．５５６７）。その他はすべて第二の実施例と同じである。

図１０は、本実施例における、規格化された回折光強度の基本形状からの差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射、（ｂ）は５°入射、（ｃ）は１０°入射の場合である。ここで、回折効率差は図１０（ａ）の−３０〜―１５の範囲で正になり、図１０（ｂ）の−３０〜−１０の範囲で正、−１０〜０及び０〜２０（＋１次を除く）の範囲で負になり、図１０（ｃ）の大部分の範囲で正になる。従って、この結果から、本実施例においては−３０〜−１０及び＋２０以上の次数の高い回折光の強度が増加し、−１０〜＋２０次の範囲（＋１次を除く）では強度が低下する。これに対応する回折光の回折角度は図４（ｂ）の概ね−５°及び＋１０°である。

すなわち、本実施例においても第二の実施例と同様に、主に−１０〜＋２０次の不要な回折光を抑止する目的で使用できる。

（第四の実施例）
図６に示されたように、本実施例は第一の実施例に比べてｎ１，ｎ２の屈折率が入替わっている（即ち、ｎ_１＝１．５２７３、ｎ_２＝１．５５６７）。その他はすべて第一の実施例と同じである。

図１１は、本実施例における、規格化された回折光強度の基本形状からの差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射、（ｂ）は５°入射、（ｃ）は１０°入射の場合である。ここで、回折効率差は図１１（ａ）の−２０〜−１０及び＋１０〜＋２０の範囲で負になり、図１１（ｂ）の−３０〜−１５の範囲で負になり、図１１（ｃ）の−３０〜−２０の範囲で負になる。従って、この結果から、本実施例においては−３０〜−１０及び＋１０以上の次数の高い回折光の強度が低下する。これに対応する回折光の回折角度は図４（ｂ）の概ね−５°より小さいし、＋５°より大きい範囲である。

従って、本実施例の構成では主要な＋１次に近い（−１０〜＋１０次）回折光にエネルギーを集中させ、これ以外を抑止したい場合に有効である。

＜光学系３０について＞
図１２は、前述の回折光学部材２０を用いる光学系３０の要部断面図である。図１２において、２１はレンズ、２２は絞り、２３は結像面である。

本実施形態では、絞り２２近傍に配置した平板ガラス面に回折光学部材２０を設けたが、これに限定するものではなく、レンズ曲面に設けても良いし、レンズ内に複数の回折光学部材２０を設けても良い。

回折光学部材２０を構成する第一回折光学素子１１に前述の回折面１１１と端面１１２とを設けてフレア光を増加（又は低下）させているので、使用波長領域において部分的な回折効率の落ちが少なく、高い解像力を持つ高性能の撮影レンズなどを得られる。

また、本実施形態ではカメラの撮影レンズを一例として示したが、これに限定せず、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナ、デジタル複写機のリーダーレンズなどの結像光学系に使用しても同様の効果が得られる。

以上、本発明の最適な実施例について詳細に説明したが、当業者に明らかなように、本発明はその技術的範囲内において実施例に様々な変更・変形を加えて実施することができる。

なお、以上説明した実施例は回折光学素子、回折光学部材及びそれを有する光学系に入射する光として広帯域の可視光（例えば４００ｎｍ〜７００ｎｍ）を対象としているものである。また、狭帯域の可視光や、狭帯域や広帯域の赤外線や紫外線が入射する回折光学素子、回折光学部材及び光学系も実施できる。さらに、回折光学素子の断面形状としては鋸歯のものに限らず、この鋸歯を階段で近似した形状のものであり、本発明はこのような階段状の断面形状を持つ光学素子（バイナリオプティックス）にも適用できる。また、光学素子としては、透過型のもの、反射型のもの、どちらにも本発明を適用できる。以上説明した種種の形態の光学素子は、カメラ等の撮影装置の各種光学系や、双眼鏡や顕微鏡等の観察装置の各種光学系、液晶プロジェクタやステッパー等の投影装置の各種光学系に使える。

回折光学部材の断面図である。そのうち、（ａ）は組み合わせる前の状態を示す図であり、（ｂ）は組み合わせた後の状態を示す図である。 回折光学素子の端面の断面形状を円弧にすることを示す図である。 回折光学素子の端面の限界曲率Ｒｃを示す図である。 （ａ）は回折光学素子の端面傾斜角と限界曲率Ｒｃとの関係を示すグラフであり、（ｂ）は回折次数と回折角度との関係を示すグラフである。 他の一例の回折光学素子の端面を示す図である。 第一及び第四の実施例に係る回折光学部材の説明図である。 第一の実施例に係る回折光学部材の規格化された回折光強度と基本回折光学部材の回折光強度との回折効率差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射する場合、（ｂ）は５°入射する場合、（ｃ）は１０°入射する場合である。 第二及び第三の実施例に係る回折光学部材の説明図である。 第二の実施例に係る回折光学部材の規格化された回折光強度と基本回折光学部材の回折光強度との回折効率差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射する場合、（ｂ）は５°入射する場合、（ｃ）は１０°入射する場合である。 第三の実施例に係る回折光学部材の規格化された回折光強度と基本回折光学部材の回折光強度との回折効率差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射する場合、（ｂ）は５°入射する場合、（ｃ）は１０°入射する場合である。 第四の実施例に係る回折光学部材の規格化された回折光強度と基本回折光学部材の回折光強度との回折効率差を示すグラフである。そのうち、（ａ）は０°入射する場合、（ｂ）は５°入射する場合、（ｃ）は１０°入射する場合である。 本発明の回折光学素子を有する回折光学部材及びその回折光学部材を用いる光学系の概略図。

符号の説明

１１ …… 第一回折光学素子
１２ …… 第二回折光学素子
１１１、１２１ …… 回折面
１１２、１２２、１３２ …… 端面
２０ …… 回折光学部材
３０ …… 光学系
ｈ …… 回折面及び端面より構成されるユニットの高さ
ｄ …… 回折面及び端面より構成されるユニットの長さ
ｎ１、ｎ２ …… 屈折率
θ_ｔ …… 平面端面の断面と垂直線との角度
θ_１ …… 入射角度
Ａ …… 端面の第一頂点
Ｏ …… 端面の第二頂点
Ｒ …… 曲率半径
Ｃ …… 円弧の中心
Ｒ_Ｃ …… 限界半径

Claims (9)

1. 回折面と端面とが連続する鋸歯状の回折光学素子において、
   前記端面の断面形状が曲線であることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記回折面とは反対側の面は平面であり、前記平面側から光が入射することを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記曲面は、前記回折面と前記端面とが交差する第１頂点と、前記平面側で前記端面と次の回折面とが交差する第２頂点との垂直二等分線上に中心があり前記第１頂点及び前記第２頂点を通る円弧であることを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
4. 前記平面から前記第１頂点への垂線より前記端面が入り込まないことを特徴とする請求項３に記載の回折光学素子。
5. 前記曲線は、二次曲線、初等関数又は多項式で表されることを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
6. 第１屈折率の材質からなり第１回折面と第１端面とが連続する鋸歯状の第１回折光学素子と、
   第２屈折率の材質からなり第２回折面と第２端面とが連続する鋸歯状の第２回折光学素子と、を備え、
   前記第１回折面と第２回折面とが密接し、且つ前記第１端面と前記第２端面とが密接し、前記第１端面及び前記第２端面の断面形状は曲線であることを特徴とする回折光学部材。
7. ±１０次の範囲内の回折光の強度を増大することを特徴とする請求項６に記載の回折光学部材。
8. −１０次以下、＋２０次以上の範囲の回折光の強度を増大することを特徴とする請求項６に記載の回折光学部材。
9. 請求項６から請求項８のいずれか一項に記載の回折光学部材を用いることを特徴とする光学系。