回折光学素子、光学系、及び、光学機器
【課題】像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供する。
【解決手段】本発明は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、前記レンズの光軸を中心として同心円状に所定の格子ピッチで形成された第１の格子面及び第１の格子壁面を複数備えた第１の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された第２の格子面及び第２の格子壁面を複数備えた第２の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された複数の遮光部材とを有する。前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域に配置された各々の前記遮光部材の幅ｗＨと、前記低屈折率領域に配置された該遮光部材の幅ｗＬは、適切の関係に設定される。
【解決手段】本発明は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、前記レンズの光軸を中心として同心円状に所定の格子ピッチで形成された第１の格子面及び第１の格子壁面を複数備えた第１の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された第２の格子面及び第２の格子壁面を複数備えた第２の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された複数の遮光部材とを有する。前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域に配置された各々の前記遮光部材の幅ｗＨと、前記低屈折率領域に配置された該遮光部材の幅ｗＬは、適切の関係に設定される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不要光の発生を抑制するように構成された回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子において、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の格子壁面に入射する光束は、格子壁面で反射や屈折することにより、不要光（フレア）が発生する。そこで、特許文献１、２には、格子壁面で発生する不要光を抑制するように構成された回折光学素子が開示されている。特許文献１に開示された回折光学素子では、回折格子よりも入射側又は射出側に吸収膜又は反射膜等の遮光部が設けられている。この遮光部により、格子壁面に入射する光束又は格子壁面から射出する光束を遮光し、格子壁面で発生する不要光を抑制している。特許文献２に開示された回折光学素子では、格子面上に光吸収部が設けられ、格子壁面に入射する光束が格子壁面からフレネル反射して射出する光束を吸収することで、格子壁面で発生する不要光を抑制している。また、格子面上に光吸収部を設けることで、製造コストの低減を図っている。特許文献３は、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用した回折効率の計算について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４８９０６号公報
【特許文献２】特開２００６−１６２８２２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１７１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２に開示された回折光学素子を撮影レンズ等の光学系に適用した場合、撮影光の光束とは異なる斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束により高屈折率媒質と低屈折率媒質の界面で発生する全反射に起因する不要光が発生する。この不要光の一部は結像面に到達し、像性能を劣化させるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての回折光学素子は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、前記レンズの光軸を中心として同心円状に所定の格子ピッチで形成された第１の格子面及び第１の格子壁面を複数備えた第１の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された第２の格子面及び第２の格子壁面を複数備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記第１の格子壁面と接するように設けられた第２の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された複数の遮光部材とを有する。前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、互いに異なる屈折率を有して高屈折率領域及び低屈折率領域を構成し、前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域に配置された各々の前記遮光部材の幅ｗＨと、前記低屈折率領域に配置された該遮光部材の幅ｗＬは、適切な関係に設定される。
【０００７】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施例における回折光学素子の要部概略図である。
【図２】回折光学素子を有する光学系における不要光を示す概念図である。
【図３】実施例１における回折光学素子の拡大断面図である。
【図４】実施例１における回折格子部の拡大断面図である。
【図５】実施例１における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図６】実施例１における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図７】実施例１における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図８】実施例１における他の形態の回折光学素子の拡大断面図である。
【図９】実施例２における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１０】実施例２における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図１１】実施例２における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図１２】実施例３における回折格子部の拡大断面図である。
【図１３】実施例３における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１４】実施例４における回折格子部の拡大断面図である。
【図１５】実施例４における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１６】実施例５における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１７】実施例６における回折格子部の拡大断面図である。
【図１８】実施例６における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１９】実施例６における回折格子部の拡大断面図である。
【図２０】実施例７における撮影光学系の概略断面図である。
【図２１】比較例１における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図２２】比較例における回折光学素子の設計入射光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２３】比較例１における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図２４】比較例における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２５】比較例１における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図２６】比較例における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２７】比較例における回折光学素子の構造と画面外入射光束との関係を示す模式図である。
【図２８】比較例２における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１１】
まず、本発明の実施例１における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子は、光学系のレンズに適して用いられる。図１は、回折光学素子１の概略図（正面図及び側面図）である。回折光学素子１は、平板又はレンズより構成される基板２、３に挟まれた回折格子部１０を備えて構成される。本実施例では、回折格子部１０が設けられる基板２、３の面は、曲面となっている。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であり、レンズ作用を有する。
【００１２】
図３は、図１のＡ−Ａ’面を切断して拡大した回折光学素子１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、図３は格子深さ方向にデフォルメされた図となっている。また、格子数も実際よりは少なく描かれている。以降に説明する断面図についても同様である。図３に示されるように、回折光学素子１の回折格子部１０は、第１の回折格子１１、第２の回折格子１２、及び、遮光部材２０を備えて構成される。第１の回折格子１１は、レンズの光軸Ｏを中心として同心円状に所定の格子ピッチＰで形成された格子面１１ａ（第１の格子面）と格子壁面１１ｂ（第１の格子壁面）とを複数備える。第２の回折格子１２は、光軸Ｏを中心として同心円状に格子ピッチＰで形成された格子面１２ａ（第２の格子面）と格子壁面１２ｂ（第２の格子壁面）とを備える。第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、互いに異なる屈折率（ｎ１１、ｎ２２）を有して高屈折率領域及び低屈折率領域を構成する。第１の回折格子１１の格子面１１ａは、第２の回折格子１２の格子面１２ａと接している（密着している）。同様に、第１の回折格子１１の格子壁面１１ｂは、第２の回折格子１２の格子壁面１２ｂと接している。
【００１３】
遮光部材２０は、光軸Ｏを中心として同心円状に格子ピッチＰで複数形成されている。また遮光部材２０は、第１の回折格子１１の内部に配置され、膜形状構造を有する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、後述のように、遮光部材２０は他の形状を有してもよく、また、第２の回折格子１２の内部や、これらの回折格子の境界等、他の位置に配置されていてもよい。遮光部材２０は、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２との境界で発生する全反射光を低減させる。
【００１４】
図１及び図３に示されるように、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、それぞれ格子面１１ａ、１２ａと格子壁面１１ｂ、１２ｂから構成される同心円状のブレーズ構造の回折格子である。そして、光軸Ｏから円の外周に近づくに従って格子ピッチを徐々に変化させることにより、レンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を有するように構成されている。また、格子面１１ａ、１２ａ及び格子壁面１１ｂ、１２ｂは互いに隙間なく接しており、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、全体で１つの回折格子部１０として作用する。また、回折格子部１０をブレーズ構造にすることで、回折光学素子１に入射した光（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、特定の回折次数（本実施例では＋１次）方向に集中して回折する。
【００１５】
また、本実施例の回折光学素子１の使用波長領域は可視域である。このため、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、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２を構成する材料及び格子高さｄが選択される。すなわち、複数の回折格子（第１の回折格子１１、第２の回折格子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ｄが決定される。このように回折格子の材料及び形状を適切に設定することにより、使用波長全域で高い回折効率が得られる。
【００１６】
第１の回折格子１１の内部（第１の格子面１１ａ、第２の格子面１２ａ、第１の格子壁面１１ｂ、及び、第２の格子壁面１２ｂよりも入射側）には、遮光部材２０が設けられている。遮光部材２０の材料や形状を適切に設定することにより、斜入射（画面外入射）光束によって発生する不要光を抑制することが可能となる。なお、遮光部材２０は第１の回折格子１１の内部（入射側）に設けられているが、本実施例はこれに限定されるものではない。遮光部材２０は、入射側の他の領域、又は、射出側に設けてもよい。例えば、第２の回折格子１２の内部、基板２又は基板３の上、基板２又は基板３の内部、第１の回折格子１１又は第２の回折格子１２の上に形成することもできる。
【００１７】
続いて、本実施例における回折光学素子１の構成、及び、不要光について説明する。図４（ａ）は、本実施例における回折格子部１０の断面拡大図である。図４（ａ）では、格子数は実際より少なく描かれ、理解容易のため、ｍ格子及びｍ’格子に対する遮光部材のみ示される。図４（ｂ）は、回折格子部１０を更に拡大した断面図である。第１の回折格子１１の材料として、フッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．４８１、νｄ＝２０．７、θｇＦ＝０．４０４、ｎ５５０＝１．４８３）が用いられる。第２の回折格子１２の材料として、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５３９、ｎ５５０＝１．５２４）が用いられる。本実施例において、各回折格子の格子高さｄは１３．５１μｍであり、設計次数は＋１次である。
【００１８】
遮光部材２０は、各回折格子の格子面（第１の格子面１１ａ、第２の格子面１２ａ）、及び、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）よりも入射側（図中の左側）の格子壁面付近に設けられている。また遮光部材２０は、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２の格子壁面毎に複数設けられている。各々の遮光部材２０は、光軸Ｏを含むレンズの断面において、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）及び格子壁面の延長線Ｅによって二つの領域に分けられる。一つの領域は、格子壁面の位置を基準とした場合における高屈折率領域（第２の回折格子１２）であり、他の一つの領域は、格子壁面の位置を基準とした場合における低屈折率領域（第１の回折格子１１）である。本実施例では、高屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨは、低屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＬよりも大きい。なお曲面状の回折格子部１０における幅ｗＨ、ｗＬの方向は、図４（ｂ）において、格子壁面及び格子壁面の延長線Ｅと直交する方向（曲面の接線方向）と定義される。
【００１９】
このような構成によれば、図中の下向きの斜入射角度（画面外入射角度）で入射する光束（図４（ｂ）のｂ、図４（ａ）のＢ）が格子壁面で全反射することにより生じるフレアを抑制することができる。また、幅ｗＬが幅ｗＨよりも小さいため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。本実施例の遮光部材２０において、幅ｗＨは２．０μｍ、幅ｗＬは０．５μｍ、遮光部材２０の厚さｄ１は０．２μｍ、遮光部材２０と各回折格子（第１の回折格子１１、第２の回折格子１２）との距離ｄ２は１．０μｍである。また、遮光部材２０は金属材料からなり、具体的にはＡｌ（ｎ５５０＝０．９５８、ｋ５５０＝６．６９）から構成されている。
【００２０】
図５は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度（図４（ｂ）のａ）、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおける厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）計算結果である。図５（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。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について示した結果である。回折角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている。図５（ａ）において、設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．８８％（回折角＋０．２１度）である。残りの光は不要光となり、図５（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは入射側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。一方、遮光部材２０によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次（およそ±２５次、回折角±５度）の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。本実施例で想定している格子ピッチは、一つの基準として１００μｍである。図１に示されるように、光軸に近い輪帯ほど格子ピッチは大きくなり、格子壁面及び遮光部材による悪影響が小さくなる。このため、設計次数の回折効率は高く、不要光の回折効率は低くなる。
【００２１】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図４（ｂ）のｂ、図４（ａ）のＢ）を想定する。図６は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。入射角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている。図６（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図６（ｂ）は、図６（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示した結果である。回折角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている。図６（ａ）において、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、回折効率は９６．５７％（回折次数＋１、回折角＋９．９４度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図６（ｂ）に示されるように、特定の角度方向のピークはなく、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、入射側の遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２、１５に示されるように、光学系に回折光学素子１を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２１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６の回折角＋０．２１度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４５（回折角＋０．３８度）の回折効率が０．０００７４％、回折次数−４６（回折角＋０．１７度）の回折効率が０．００１０％であり、回折効率は大幅に減少する。
【００２２】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図４（ｂ）のｃ、図４（ａ）のＢ’）を想定する。図７は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。入射角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている（図４（ａ）のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図７（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図７（ｂ）は、図７（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示した結果である。回折角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている（図４（ａ）のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図７（ａ）において、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、回折効率は９３．１５％（回折次数＋１、回折角−９．５２度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図７（ｂ）に示されるように、特定の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−１６度方向にピークを有する。この略−１６度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度の光束の透過光の射出方向−１６．６度に略等しい。遮光部材を設けていない場合と比べると、回折効率が若干低減する。これは、入射側の遮光部材の幅ｗＬの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面に到達する前に遮光されるためである。図２、１５に示されるように、光学系に回折光学素子１を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２１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の回折角＋０．２１度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４８（回折角＋０．２４度）の回折効率が０．００５０％、回折次数＋４７（回折角＋０．０８度）の回折効率が０．００５０％である。
【００２３】
以上のように、本実施例の回折光学素子１を適用した光学系に画面外光束が入射した場合、遮光部材２０を設けることにより、不要光を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、像性能の劣化を抑制することが可能となる。また、高屈折率領域側（第２の回折格子１２側）の幅ｗＨよりも低屈折率領域側（第１の回折格子１１側）の幅ｗＬを小さくすることにより、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に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高く、不要光の回折効率は低くなる。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。
【００２４】
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度を想定する。
【００２５】
また本実施例では、図２、図４（ａ）に示されるように、不要光のピークが絞り４０で遮光される（図２のＢｍ−及びＢ’ｍ−）が、これに限定されるものではない。不要光のピークをレンズ鏡筒に導いて遮光し、又は、後側のレンズにより像面に到達しない角度に反射させること等によっても不要光の抑制が可能である。また、遮光部材は格子壁面による全反射する光束を遮光することが目的のため、図４（ｂ）に示されるように、矩形構造に限定されるものではない。矩形構造以外の遮光部材の場合には、幅ｗＨ及び幅ｗＬは、一周期の格子断面の遮光部材を格子壁面の延長線によって分け、その周期の回折格子の面法線方向の延長線と遮光部材の最大距離とする。また、本実施例では設計次数を＋１次にしているが、設計次数を＋１次以外にしてもよい。また、回折光学素子１の輪帯毎に遮光部材２０の幅や形状を変えることによって、輪帯毎に制御することも可能である。この結果、結像面に到達する不要光を効果的に抑制することができる。
【００２６】
本実施例において、遮光部材２０の製造方法は特に限定されるものではない。例えば、第２の回折格子１２を製造し、第１の回折格子１１の格子部とベース部（図４（ｂ）のｄ２の部分）までを製造する。その後、遮光部材２０を選択的に形成する。具体的には、遮光部材２０を構成する材料を真空蒸着手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を用いてパターニングし、エッチング手法等で選択的に形成する。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や、インクジェットプロセスを用いて格子壁面部のみに直接形成する方法等を用いることもできる。その後、第１の回折格子１１と同じ材料を再び形成することで、回折光学素子１を製造することができる。この際、第１の回折格子１１と同じ材料を用いる必要はなく、異なる材料を用いてもよい。また、第２の回折格子１２を製造し、第１の回折格子１１の格子部とベース部及び遮光部材２０を、別の型を用いて同時に成形することができる。その後、遮光部材２０を構成する材料を前述の手法等で選択的に形成した後、第１の回折格子１１と同じ材料を再び形成することで回折光学素子を製造する。この際、第１の回折格子１１と同じ材料を用いる必要はなく、異なる材料を用いてもよい。また、前述の手法等を用いて遮光部材２０を形成した後に、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２を製造することもできる。また遮光部材２０は、例えば、入射側の（図３に示される）基板２の上に直接形成されてもよい。
【００２７】
上述の説明では、第１の回折格子１１の屈折率ｎ１１と第２の回折格子１２の屈折率ｎ２２との関係がｎ１１＜ｎ２２であるとしているが、本実施例はこれに限定されるものではない。屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２である場合にも適用可能である。以下、この場合について説明する。図８は、第１の回折格子１１の屈折率ｎ１１と第２の回折格子１２の屈折率ｎ２２との関係がｎ１１＞ｎ２２の場合における回折光学素子１の拡大断面図である。図８において、ｍ格子の格子壁面１ｂに入射する画面外入射角度１０度の光束の成分は、高屈折率材料側（第１の回折格子１１側）から低屈折率材料側（第２の回折格子１２側）に臨界角７６．７度以上の＋８０度で入射するため全反射が生じる。このため、格子壁面１ｂで全反射射出方向を中心として不要光が広がって伝播する。一方、ｍ’格子の格子壁面１ｂ’に入射する画面外入射角度１０度の光束の成分は、格子面で＋１次光に回折した後、低屈折率材料側から高屈折率材料界面側に入射する。このとき、格子壁面１ｂ’で透過光射出方向と反射光射出方向を中心として不要光が広がって伝播するが、透過光射出方向の不要光が大きい。このように、格子壁面による不要光に関しては、各回折格子の屈折率の関係がｎ１１＜ｎ２２、又は、ｎ１１＞ｎ２２のいずれでも適用可能である。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明の実施例２における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子において、各回折格子の材料及び格子高さが実施例１とは異なる。遮光部材の構造等のその他の構成は実施例１と同様であるため、これらの説明を省略する。本実施例において、第１の回折格子１１の材料としては、フッ素アクリル系紫外線樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５０４、νｄ＝１６．３、θｇＦ＝０．３９０、ｎ５５０＝１．５１１）が用いられる。また、第２の回折格子１２の材料としては、アクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５６７、νｄ＝４７．０、θｇＦ＝０．５６９、ｎ５５０＝１．５７０）が用いられる。格子高さｄは９．２９μｍであり、設計次数は＋１次である。
【００２９】
図９は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図９（ａ）において、設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．１６％（回折角＋０．２０度）である。残りの光は不要光となり、図９（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、入射側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。一方、遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。
【００３０】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１０は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図１０（ａ）において、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、回折効率は９７．６６％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）であり、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１０（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、入射側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１０の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６では０．００３５％、回折次数−４７では０．００３８％であり、遮光部材がない場合に比べて減少する。
【００３１】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１１は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図１１（ａ）において、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、回折効率は９４．８６％で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１１（ｂ）に示されるよう、複数のピークとなって伝播する。これは、入射側に配置された遮光部材２０の幅ｗＬの部分により、格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１１の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００６５％、回折次数＋４８の回折効率は０．００６３％である。
【００３２】
以上のように、本実施例の回折光学素子によれば、光学系の結像面に到達する不要光を低減させ、像性能の劣化を抑制することができる。また、高屈折率領域側の幅ｗＨよりも低屈折率領域側の幅ｗＬを小さくすることにより、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することができる。
【００３３】
本実施例では、回折光学素子の材料として樹脂材料に微粒子を分散させて構成された材料を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、樹脂材料等の有機材料、ガラス材料、光学結晶材料、セラミックス材料等を用いてもよい。また、微粒子を分散させる微粒子材料としては、酸化物、金属、セラミックス、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子材料が用いられ、微粒子材料に限定されるものではない。また、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。また、微粒子材料を混合する樹脂材料としては、例えば、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が用いられる。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明の実施例３における回折光学素子について説明する。本実施例は、遮光部材を射出側に配置している点で、入射側に配置した実施例１、２とは異なる。図１２（ａ）は、本実施例の回折格子部の拡大断面図である。図１２（ｂ）は、回折格子部をさらに拡大した断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、及び、設計次数は、実施例２と同様である。
【００３５】
また実施例１及び２と同様に、本実施例では、高屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨは、低屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＬよりも大きい。このような遮光部材２０によって、下向きの斜入射角度（画面外入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図１２（ｂ）のｂ、図１２（ａ）のＢ）が格子壁面で全反射することにより生じるフレアを抑制することができる。また、幅ｗＬが幅ｗＨよりも小さいため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。遮光部材２０に関する幅ｗＨ、ｗＬ、厚さｄ１、距離ｄ２及び材料はそれぞれ、実施例１及び２と同様である。
【００３６】
図１３（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．０６％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材を設けない場合よりも低くなる。残りの光は不要光となり、図１３（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面から射出した後に遮光部材に遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ここで想定している格子ピッチは、一つの基準として１００μｍである。図１に示されるように、光軸に近い輪帯ほど格子ピッチは大きくなり、格子壁面及び遮光部材による悪影響が小さくなるため、設計次数の回折効率は高く、不要光の回折効率は低くなる。
【００３７】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１３（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．３２％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋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。残りの光は不要光となり、図１３（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面によって全反射して射出した後、遮光部材２０に遮光されたためである。図２及び図１２（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６では０．００３７％、回折次数−４７では０．００３３％であり、遮光部材がない場合より減少する。
【００３８】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１３（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．４５％（回折次数＋１、回折角−９．４２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１３（ｃ）に示されるように、特定の角度方向の複数のピークとなって伝播する。これは、遮光部材２０の幅ｗＬの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図１２（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９では０．００１２％、回折次数＋４８では０．００１０％であり、遮光部材がない場合よりも減少する。
本実施例の構成によれば、像性能の低下を抑制することが可能である。また、高屈折率領域側の幅ｗＨよりも低屈折率領域側の幅ｗＬを小さくすることにより、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することができる。
【実施例４】
【００３９】
次に、本発明の実施例４における回折光学素子について説明する。本実施例では、遮光部材の幅ｗＬが実質的に０である点で、実施例３とは異なる。図１４（ａ）は、本実施例における回折格子部の拡大断面図である。図１４（ｂ）は、回折格子部をさらに拡大した断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、設計次数、及び、遮光部材が射出側に配置されている点は、実施例３と同様である。
【００４０】
本実施例では、遮光部材２０の幅ｗＬが実質的に０となっている。すなわち遮光部材２０は、光軸Ｏを含むレンズの断面において、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）及び格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、格子壁面の位置を基準とした場合に高屈折率領域側にのみ配置されている。このような遮光部材２０によって、斜入射角度（画面外入射角度）の下向きに入射する光束（図１４（ｂ）のｂ、図１４（ａ）のＢ）が格子壁面で発生する全反射光によるフレアを抑制することができる。さらに、幅ｗＬが実質的に０のため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。遮光部材２０の材料、幅ｗＨ、厚さｄ１、及び、遮光部材２０と各回折格子との間の距離ｄ２は、実施例３と同様である。
【００４１】
図１５（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度（図１４（ｂ）のａ）、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．４４％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材がない場合より低いが、幅ｗＬの部分が存在する実施例１乃至３の場合と比較すると高い。残りの光は不要光となり、図１５（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面から射出した後に遮光部材に遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次（およそ±２５次、回折角±５度）の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ただし、幅ｗＬの部分が存在する実施例１乃至３の場合と比較すると、比較的低次光の回折効率は低く、設計次数である＋１次回折光の回折効率が上がっている。
【００４２】
次に、回折光学素子の設計入射角度より斜入射角度（画面外光入射角度）の下向きに入射する光束を想定する。図１５（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．３９％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１５（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面によって全反射して射出した後に遮光部材に遮光されたためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６では０．００２５％、回折次数−４７では０．００２１％であり、遮光部材がない場合より減少する。
【００４３】
次に、回折光学素子の設計入射角度より斜入射角度（画面外光入射角度）の上向きに入射する光束を想定する。図１５（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９５．９４％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１５（ｃ）に示されるように、特定の角度方向の複数のピークを有して伝播する。これは、遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面から射出した後に遮光されたためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００４９％、回折次数＋４８の回折効率は０．００５０％である。
【００４４】
本実施例の構成によれば、光学系の結像面に到達する不要光を小さくすることができるため、像性能の劣化を抑制することが可能である。本実施例のように、遮光部材の低屈折率領域側の幅ｗＬを実質的に０とすることで、設計次数の回折効率の低減をさらに低減することができる。
【実施例５】
【００４５】
次に、本発明の実施例５における回折光学素子について説明する。本実施例は、射出側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨが実施例４と異なる点以外は、実施例４と同様の構成である。本実施例において、遮光部材２０の幅ｗＨは１．０μｍである。
【００４６】
図１６（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．８８％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材を設けていない場合より低くなるが、幅ｗＬのある実施例１乃至３の場合より高い。残りの光は不要光となり、図１６（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは射出側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面から射出した後に遮光部材により遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ただし、実施例１乃至４と比較すると、比較的低次光の回折効率は低く、設計次数である＋１次回折光の回折効率が上がっている。
【００４７】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１６（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．９０％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１６（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面によって全反射して射出した後に遮光部材に遮光されたためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１６（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６の回折効率は０．０００４６％、回折次数−４７の回折効率は０．０００６４％である。不要光のリップルの谷部が０度方向になっているため、遮光部材を設けていない場合よりも回折効率は減少する。
【００４８】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１６（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．６４％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１６（ｃ）に示されるように、特定の角度方向のピークを有して伝播する。これは、射出側の遮光部材の幅ｗＨの部分によって、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面から射出した後に遮光されていないためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００２９％、回折次数＋４８の回折効率は０．００３０％である。
【００４９】
本実施例の回折光学素子を適用した光学系によれば、結像面に到達する不要光を小さくすることができるため、像性能の劣化を抑制することが可能となる。
【実施例６】
【００５０】
次に、本発明の実施例６における回折光学素子について説明する。本実施例では、遮光部材２０が回折格子の格子面上に設けられている点で、実施例１乃至５とは異なる。すなわち、本実施例の遮光部材２０は、第１の格子面１１ａ及び第１の格子壁面１１ｂに接するように、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２との境界に配置されている。
【００５１】
図１７（ａ）は、本実施例における回折光学素子の拡大断面図である。図１７（ｂ）は、回折格子をさらに拡大した断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、及び、設計次数は、実施例２乃至５と同様である。遮光部材２０は、高屈折率領域側（第２の回折格子１２側）、すなわち第２の回折格子１２の先端（格子面と格子壁面との接触領域）に設けられている。このような遮光部材２０によって、斜入射角度（画面外入射角度）の下向きに入射する光束（図１７（ｂ）のｂ、図１７（ａ）のＢ）が格子壁面で発生する全反射光によるフレアを抑制することができる。さらに、実施例４及び５と同様に、幅ｗＬが実質的に０のため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。本実施例において、遮光部材２０の幅ｗＨは２．０μｍである。
【００５２】
図１８（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．３９％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材を設けていない場合より低いがが、幅ｗＬのある実施例１乃至３の場合と比較すると高い。残りの光は不要光となり、図１８（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材２０により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面から射出した後に遮光部材に遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ただし、実施例１乃至３と比較すると低次光の回折効率は低く、設計次数である＋１次回折光の回折効率が上がっている。
【００５３】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１８（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９８．４６％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１８（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、遮光部材２０の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図１７（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１８（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６の回折効率は０．０００６５％、回折次数−４７の回折効率は０．０００７８％である。遮光部材を設けていない場合よりも大幅に減少する。
【００５４】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１８（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９４．７８％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１８（ｃ）に示されるように、特定の角度方向のピークとなって伝播する。これは、遮光部材の幅ｗＨの部分によって、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が遮光されていないためである。図２及び図１７（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１８（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００２１％、回折次数＋４８の回折効率は０．００１９％である。
【００５５】
本実施例のように、全反射に起因するフレアを遮光することができれば、遮光部材の位置は限定されるものではなく、遮光部材を格子面上に設けてもよい。本実施例の回折光学素子を適用した光学系によれば、結像面に到達する不要光を小さくすることができるため、像性能の劣化を抑制することが可能となる。
【００５６】
本実施例のように、遮光部材を格子面上に設けることによって、製造がより簡易なものとなる。遮光部材２０の製造方法については特に限定されないが、一例として、第１の回折格子１１を製造した後、遮光部材２０を選択的に形成する。具体的には、遮光部材２０の材料を真空蒸着手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で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や、インクジェットプロセスを用いて格子壁面部のみに直接形成する方法等を用いてもよい。その後、第２の回折格子１２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。このように、実施例１乃至５と比較して、より簡易に製造することができ、低コスト、低エネルギーで製造することが可能である。
【００５７】
本実施例では、第１の回折格子１１の屈折率ｎ１１と第２の回折格子１２の屈折率ｎ２２との関係はｎ１１＜ｎ２２となっている。このため、遮光部材２０は入射側に設けられている。一方、これらの屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２となる場合には、遮光部材２０は射出側に設けられる。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２であるときの回折格子部の拡大断面図である。不要光の影響の大きい図１９（ａ）のｍ格子に対して、斜入射角度（画面外光入射角度）の下向きに入射する光束（図１９（ｂ）のｂ、図１９（ａ）のＢ）となり、格子壁面によって全反射して射出した後に不要光が遮光部材で遮光される。このように、遮光部材２０が格子面に設けられる構成においても、遮光部材２０は入射側、射出側のいずれにも適用可能である。
【００５８】
次に、上述の実施例１乃至６について、表１を用いて説明する。表１は、実施例１乃至６の回折光学素子に用いられる第１の回折格子の材料、ｄ線での屈折率ｎｄ１、アッベ数ｖｄ１、部分分散比θｇＦ１、及び、波長５５０ｎｍの屈折率ｎ１＿５５０を示す。また、第２の回折格子の材料、ｄ線での屈折率ｎｄ２、アッベ数ｖｄ２、波長５５０ｎｍの屈折率ｎ２＿５５０を示す。また、格子高さｄ、遮光部材の位置、遮光部材の材料、高屈折率領域側の幅ｗＨ、低屈折率領域側の幅ｗＬ、遮光部材の厚さｄ１、遮光部材と回折格子との距離ｄ２を示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
実施例１乃至６に示されるように、像性能への影響の大きい不要光を抑制するために、格子壁面及び格子壁面の延長線によって分けられる領域のうち、高屈折率領域側の幅ｗＨと低屈折率領域側の幅ｗＬは、以下の式（１）を満たすことが好ましい。
【００６１】
ｗＨ＞ｗＬ≧０ … （１）
式（１）を満たさない場合、設計次数の回折効率の減少を抑制して不要光を抑制させることが困難となる。
【００６２】
また、遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）が大きくなると、位相の不整合領域が拡大し、設計次数の回折効率が低下する。その結果、像性能が無視できないほど劣化するおそれがある。このため、設計入射角度における遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）は以下の式（２）を満たすことが好ましい。
【００６３】
０＜（ｗＨ＋ｗＬ）／Ｐ＜０．０５ … （２）
式（２）において、Ｐは格子ピッチである。上記各実施例では、格子ピッチＰを１００μｍとした回折格子について説明したが、設計次数の回折効率に関しては、遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）と格子ピッチＰの関係は線形関係を有する。遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）と格子ピッチＰの回折格子の設計次数の回折効率と遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）×２と格子ピッチＰ×２の回折格子の設計次数の回折効率はほぼ同じである。例えば、実施例１に示した格子ピッチ１００μｍ、遮光部材の幅の和２．５μｍの回折格子と格子ピッチ２００μｍ、遮光部材の幅の和５．０μｍの回折格子の設計次数の回折効率はほぼ同じである。このため、格子ピッチＰと遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）の式（２）が得られる。さらに像性能に影響ない回折光学素子を得るには、以下の式（３）を満たすことがより好ましい。
【００６４】
０＜（ｗＨ＋ｗＬ）／Ｐ＜０．０３ … （３）
実施例１乃至６で説明したように、遮光部材の幅ｗＨが特に重要である。幅ｗＨが小さくなると、不要光の抑制効果も小さくなる。不要光の十分な抑制効果を得るには、以下の式（４）を満たることが好ましい。
【００６５】
０＜λ０＜ｗＨ … （４）
式（４）において、λ０は使用波長帯域における最小の波長である。上記各実施例では、回折光学素子の使用波長帯域は可視域であるため、λ０は４００ｎｍになる。不要光を低減させるための遮光部材の効果をより高めるには、以下の式（５）を満たすことがより好ましい。
【００６６】
０＜２×λ０＜ｗＨ … （５）
本実施例における遮光部材は、特に、設計次数の回折効率の減少を抑制するための式（２）、及び、不要光を抑制するために必要な式（４）の両方を満たすように構成されることが好ましい。幅ｗＬは、特に全反射による不要光抑制に対して鈍感である。このため、幅ｗＬは実質的に０であるほうが設計次数の回折効率の低減量を抑制するには好ましい。一方、製造時の製造バラツキが発生するため、幅ｗＬに関しては重視せずに幅ｗＨを重視して設計、製造すればよい。これにより、製造方法の選択肢が広がり、低コスト、低エネルギーで製造できるため、製造上の優位となる。
【００６７】
また、実施例１乃至６の遮光部材は、金属材料であるＡｌを用いて形成されている、これに限定されるものではなく、不要光を吸収するための吸収材料を用いることができる。吸収材料としては、例えば、樹脂にブラックカーボン等の炭素系微粒子や金属酸化物、金属硫化物、金属炭酸塩等の金属化合物微粒子や顔料、染料等を分散させた材料が用いられる。また、微細構造により同等の効果がある構造やカーボンナノチューブ等によっても実現可能である。また、各回折格子の屈折率、消衰係数に合わせて材料を構成したほうがより好ましい。このため、遮光部材の厚さｄ１は、遮光部材を構成する材料によって異なる。実施例１乃至６ように、金属材料で構成された遮光部材は、数１００ｎｍ程度の厚さで十分機能するが、他の吸収材料を用いた場合には、金属材料と比較して遮光部材を厚くする必要がある。
【００６８】
遮光部材と回折格子との距離ｄ２は、不要光を遮光することができればよいため、特に限定されるものではない。ただし、距離ｄ２が大きくなるにつれて遮光部材の幅も大きくなるため、設計次数の回折効率の減少を抑制するための式（２）又は式（３）を満たす程度に設定されることが好ましい。実施例１乃至６では、回折光学素子として密着２層ＤＯＥとしているが、これに限定されるものではなく、さらに回折格子を積層した積層ＤＯＥにも適用可能である。また、遮光部材を中心領域から周辺領域で変化させて最適な回折光学素子を構成することができる。また、全ての輪帯に遮光部材を設ける必要はなく、輪帯の一部に設けてもよい。この際、最小格子ピッチを含む一部に反射部材を設けることが有効である。これは、格子ピッチが小さい回折格子は不要光の回折効率が大きく、回折光学素子全体で発生する不要光の寄与が大きいためである。
【００６９】
上記各実施例では格子壁面部に遮光部材を設けていることに着目しているが、設計次数を＋１次以外の次数にする、格子壁面部に反射手段を設ける、格子壁面角度をシフトさせる、格子壁面形状を階段状にさせる等、不要光の制御手段とを組み合わせることもできる。
（比較例１）
以下、実施例１に対する比較例としての回折光学素子について説明する。比較例１としての回折光学素子は、回折格子の材料および格子高さは実施例1と同様で、格子壁面部に不要光抑制手段が設けられていない場合である。
【００７０】
図２１は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図２１（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。図２１（ｂ）は図２１（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２１（ａ）から設計次数である＋１次回折光に回折効率が集中していることがわかるが、回折効率は９８．４９％で１００％になっていない。残りの光は不要光であり、図２１（ｂ）の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している。この現象については図２２に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ａ’が格子壁面において高屈折率材料側に反射しているように回り込んでいると考えられる。この設計入射角度（撮影光入射角度）において日中の太陽等の高輝度光源を直接撮影することは稀であるため、この不要光はほとんど影響せず、結果としては問題とはならない。
【００７１】
次に、回折光学素子の設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２３に示す。図２３（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。図２３（ｂ）は図２３（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２３（ａ）に示されるように、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、回折効率は９５．６２％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図２３（ｂ）のように、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にして伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。格子壁面に対しては、高屈折率材料側から低屈折率材料側に臨界角７６．７度以上の＋８０．６度で入射するため、全反射が発生している。また、この不要光は、略−１０度方向のピークから高角度範囲に広がっている。これは図２４に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｂ’が格子壁面において全反射して−１０度方向に伝播し、さらに全反射射出方向中心に不要光が広がって伝播していると考えられる。
【００７２】
光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２４（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４５（回折角＋０．３８度）の回折効率が０．０２１％、回折次数−４６（回折角＋０．１７度）の回折効率が０．０２１％である。
【００７３】
次に、回折光学素子の設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２５に示す。図２５（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。図２５（ｂ）は図２５（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２５（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中し、回折効率は９５．４８％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。残りの不要光は、図２５（ｂ）に示されるように、特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播している。この不要光は、略−１５度方向、略＋１０度方向にも小さなピークを有し、この伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度光束の透過光の射出方向−１６．６度と反射光の射出方向＋９．５度に略等しい。また、格子壁面に対しては、低屈折率材料側から高屈折率材料側に＋８０度で入射するため、透過光の透過率は９４％、反射光の反射光は６％であり、略−１５度方向のピークが大きく、略＋１０度方向のピークが小さいことと対応している。また、この不要光は、ピークから高角度範囲に広がっている。これは図２６に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｃ’が格子壁面において透過光と反射光に別れて伝播し、さらに各ピークを中心に広がって伝播していると考えられる。
光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２５（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４８（回折角＋０．２４度）の回折効率が０．００１５％、回折次数＋４７（回折角＋０．０３度）の回折効率が０．００１５％である。
【００７４】
以上のように、比較例１としての回折光学素子を適用した光学系において、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、図２、図２７に示すｍ格子による回折角０度付近に射出する不要光が大きく、ｍ’格子による回折角０度付近に射出する不要光が小さい。このため、像性能の低下に対してはｍ格子の寄与が大きいことになる。実際に回折光学素子及び光学系を作成して実写したところ、像面に不要光が到達し、像性能の低下が確認できた。
【００７５】
従来の手法では、格子壁面に入射する光束を幾何光学現象として扱っているが、その場合は格子壁面に入射する光はスネルの法則に従って特定の方向にのみ射出し伝播することになる。図２、図２７のように光学系に回折光学素子を適用し、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、ｍ格子では全反射のみ、ｍ’格子では９４％の透過光および６％の反射光が発生する。しかし、その場合はいずれも絞り４０で遮光されるため結像面４１へ到達しない。以上のように、従来の手法では不要光の抑制に対しては不十分であり、抑制すべき不要光が十分考慮されていなかった。
（比較例２）
以下、実施例２乃至６に対する比較例としての回折光学素子について説明する。比較例２としての回折光学素子は、回折格子の材料および格子高さは実施例２〜６と同様で、格子壁面部に不要光抑制手段が設けられていない場合である。
【００７６】
図２８（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。比較例１と同様、設計次数である＋１次回折光に回折効率が集中しており、回折効率は９８．７６％で１００％になっていない。しかし、この設計入射角度（撮影光入射角度）において日中の太陽等の高輝度光源を直接撮影することは稀であるため、この不要光はほとんど影響せず、結果としては問題とはならない。
【００７７】
次に、回折光学素子の設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２８（ｂ）に示す。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、回折効率は９７．１５％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、比較例１と同様に、略−１０度方向にピークを有する。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にして伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。格子壁面に対しては、高屈折率材料側から低屈折率材料側に臨界角７４．２度以上の＋８０．６度で入射するため、全反射が発生している。また、この不要光は、略−１０度方向のピークから高角度範囲に広がっている。光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２８（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６（回折角＋０．３４度）の回折効率が０．０１４％、回折次数−４７（回折角＋０．１４度）の回折効率が０．０１４％である。
【００７８】
次に、回折光学素子の設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２８（ｃ）に示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中し、回折効率は９７．００％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。残りの不要光は、比較例１と同様、略−１７度方向、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度光束の透過光の射出方向−１８．６度と反射光の射出方向＋９．５度に略等しい。これは図２６に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｃ’が格子壁面において透過光と反射光に別れて伝播し、さらに各ピークを中心に広がって伝播していると考えられる。光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２８（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９（回折角＋０．２６度）の回折効率が０．００２２％、回折次数＋４８（回折角＋０．０６度）の回折効率が０．００２２％である。
【００７９】
以上のように、比較例２としての回折光学素子を適用した光学系において、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、図２、図２７に示すｍ格子による回折角０度付近に射出する不要光が大きく、ｍ’格子による回折角０度付近に射出する不要光が小さい。このため、像性能の低下に対してはｍ格子の寄与が大きいことになる。実際に回折光学素子及び光学系を作成して実写したところ、像面に不要光が到達し、像性能の低下が確認できた。
【実施例７】
【００８０】
次に、本発明の実施例７について説明する。図２０は、撮影光学系（光学系）の概略断面図である。図２０において、１０１は撮影レンズで、前述した各実施例の回折光学素子１、回折光学素子１の後側に配置された絞り４０、及び、屈折光学部４２を備える。４１は結像面であるフィルムまたはＣＣＤ等の結像面である。特に、回折光学素子１の各回折格子部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）が包絡面の回折格子の中心での面法線に対し、回折格子部の中心よりに分布するようにしている。このような光学系に本実施例の回折光学素子を適用すれば、格子壁面に光束が入射した場合でも、不要光の発生が大幅に改善されているため、フレアが少なく解像力も高い高性能な撮影レンズが得られる。また各実施例の回折光学素子は簡便に製造可能であるため、量産性に優れた安価な光学系を提供できる。
【００８１】
図２０では、前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子１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く、また、撮影レンズ内に複数の回折光学素子を用いてもよい。また本実施例では、光学機器としてのカメラの撮影レンズの場合を示したが、これに限定するものではない。本実施例の光学系は、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、デジタル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（光学機器）にも適用可能である。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１：回折光学素子
２、３：基板
１０：回折格子部
１１：第１の回折格子
１２：第２の回折格子
１１ａ、１２ａ、１ａ：格子面
１１ｂ、１２ｂ、１ｂ：格子壁面
２０、５０：遮光部材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、不要光の発生を抑制するように構成された回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子において、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の格子壁面に入射する光束は、格子壁面で反射や屈折することにより、不要光（フレア）が発生する。そこで、特許文献１、２には、格子壁面で発生する不要光を抑制するように構成された回折光学素子が開示されている。特許文献１に開示された回折光学素子では、回折格子よりも入射側又は射出側に吸収膜又は反射膜等の遮光部が設けられている。この遮光部により、格子壁面に入射する光束又は格子壁面から射出する光束を遮光し、格子壁面で発生する不要光を抑制している。特許文献２に開示された回折光学素子では、格子面上に光吸収部が設けられ、格子壁面に入射する光束が格子壁面からフレネル反射して射出する光束を吸収することで、格子壁面で発生する不要光を抑制している。また、格子面上に光吸収部を設けることで、製造コストの低減を図っている。特許文献３は、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）を使用した回折効率の計算について開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−４８９０６号公報
【特許文献２】特開２００６−１６２８２２号公報
【特許文献３】特開２００９−２１７１３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１、２に開示された回折光学素子を撮影レンズ等の光学系に適用した場合、撮影光の光束とは異なる斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束により高屈折率媒質と低屈折率媒質の界面で発生する全反射に起因する不要光が発生する。この不要光の一部は結像面に到達し、像性能を劣化させるおそれがある。
【０００５】
そこで本発明は、像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面としての回折光学素子は、光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、前記レンズの光軸を中心として同心円状に所定の格子ピッチで形成された第１の格子面及び第１の格子壁面を複数備えた第１の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された第２の格子面及び第２の格子壁面を複数備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記第１の格子壁面と接するように設けられた第２の回折格子と、前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された複数の遮光部材とを有する。前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、互いに異なる屈折率を有して高屈折率領域及び低屈折率領域を構成し、前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域に配置された各々の前記遮光部材の幅ｗＨと、前記低屈折率領域に配置された該遮光部材の幅ｗＬは、適切な関係に設定される。
【０００７】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、像性能の劣化を抑制する回折光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本実施例における回折光学素子の要部概略図である。
【図２】回折光学素子を有する光学系における不要光を示す概念図である。
【図３】実施例１における回折光学素子の拡大断面図である。
【図４】実施例１における回折格子部の拡大断面図である。
【図５】実施例１における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図６】実施例１における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図７】実施例１における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図８】実施例１における他の形態の回折光学素子の拡大断面図である。
【図９】実施例２における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１０】実施例２における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図１１】実施例２における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図１２】実施例３における回折格子部の拡大断面図である。
【図１３】実施例３における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１４】実施例４における回折格子部の拡大断面図である。
【図１５】実施例４における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１６】実施例５における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１７】実施例６における回折格子部の拡大断面図である。
【図１８】実施例６における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図１９】実施例６における回折格子部の拡大断面図である。
【図２０】実施例７における撮影光学系の概略断面図である。
【図２１】比較例１における回折光学素子の設計入射光束に対する回折効率のグラフである。
【図２２】比較例における回折光学素子の設計入射光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２３】比較例１における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図２４】比較例における回折光学素子の画面外入射＋１０度の光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２５】比較例１における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する回折効率のグラフである。
【図２６】比較例における回折光学素子の画面外入射−１０度の光束に対する不要光の伝播の様子を示す模式図である。
【図２７】比較例における回折光学素子の構造と画面外入射光束との関係を示す模式図である。
【図２８】比較例２における回折光学素子の入射光束に対する回折効率のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１１】
まず、本発明の実施例１における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子は、光学系のレンズに適して用いられる。図１は、回折光学素子１の概略図（正面図及び側面図）である。回折光学素子１は、平板又はレンズより構成される基板２、３に挟まれた回折格子部１０を備えて構成される。本実施例では、回折格子部１０が設けられる基板２、３の面は、曲面となっている。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であり、レンズ作用を有する。
【００１２】
図３は、図１のＡ−Ａ’面を切断して拡大した回折光学素子１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、図３は格子深さ方向にデフォルメされた図となっている。また、格子数も実際よりは少なく描かれている。以降に説明する断面図についても同様である。図３に示されるように、回折光学素子１の回折格子部１０は、第１の回折格子１１、第２の回折格子１２、及び、遮光部材２０を備えて構成される。第１の回折格子１１は、レンズの光軸Ｏを中心として同心円状に所定の格子ピッチＰで形成された格子面１１ａ（第１の格子面）と格子壁面１１ｂ（第１の格子壁面）とを複数備える。第２の回折格子１２は、光軸Ｏを中心として同心円状に格子ピッチＰで形成された格子面１２ａ（第２の格子面）と格子壁面１２ｂ（第２の格子壁面）とを備える。第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、互いに異なる屈折率（ｎ１１、ｎ２２）を有して高屈折率領域及び低屈折率領域を構成する。第１の回折格子１１の格子面１１ａは、第２の回折格子１２の格子面１２ａと接している（密着している）。同様に、第１の回折格子１１の格子壁面１１ｂは、第２の回折格子１２の格子壁面１２ｂと接している。
【００１３】
遮光部材２０は、光軸Ｏを中心として同心円状に格子ピッチＰで複数形成されている。また遮光部材２０は、第１の回折格子１１の内部に配置され、膜形状構造を有する。ただし、本発明はこれに限定されるものではなく、後述のように、遮光部材２０は他の形状を有してもよく、また、第２の回折格子１２の内部や、これらの回折格子の境界等、他の位置に配置されていてもよい。遮光部材２０は、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２との境界で発生する全反射光を低減させる。
【００１４】
図１及び図３に示されるように、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、それぞれ格子面１１ａ、１２ａと格子壁面１１ｂ、１２ｂから構成される同心円状のブレーズ構造の回折格子である。そして、光軸Ｏから円の外周に近づくに従って格子ピッチを徐々に変化させることにより、レンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を有するように構成されている。また、格子面１１ａ、１２ａ及び格子壁面１１ｂ、１２ｂは互いに隙間なく接しており、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２は、全体で１つの回折格子部１０として作用する。また、回折格子部１０をブレーズ構造にすることで、回折光学素子１に入射した光（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、特定の回折次数（本実施例では＋１次）方向に集中して回折する。
【００１５】
また、本実施例の回折光学素子１の使用波長領域は可視域である。このため、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、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２を構成する材料及び格子高さｄが選択される。すなわち、複数の回折格子（第１の回折格子１１、第２の回折格子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ｄが決定される。このように回折格子の材料及び形状を適切に設定することにより、使用波長全域で高い回折効率が得られる。
【００１６】
第１の回折格子１１の内部（第１の格子面１１ａ、第２の格子面１２ａ、第１の格子壁面１１ｂ、及び、第２の格子壁面１２ｂよりも入射側）には、遮光部材２０が設けられている。遮光部材２０の材料や形状を適切に設定することにより、斜入射（画面外入射）光束によって発生する不要光を抑制することが可能となる。なお、遮光部材２０は第１の回折格子１１の内部（入射側）に設けられているが、本実施例はこれに限定されるものではない。遮光部材２０は、入射側の他の領域、又は、射出側に設けてもよい。例えば、第２の回折格子１２の内部、基板２又は基板３の上、基板２又は基板３の内部、第１の回折格子１１又は第２の回折格子１２の上に形成することもできる。
【００１７】
続いて、本実施例における回折光学素子１の構成、及び、不要光について説明する。図４（ａ）は、本実施例における回折格子部１０の断面拡大図である。図４（ａ）では、格子数は実際より少なく描かれ、理解容易のため、ｍ格子及びｍ’格子に対する遮光部材のみ示される。図４（ｂ）は、回折格子部１０を更に拡大した断面図である。第１の回折格子１１の材料として、フッ素アクリル系紫外線硬化樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．４８１、νｄ＝２０．７、θｇＦ＝０．４０４、ｎ５５０＝１．４８３）が用いられる。第２の回折格子１２の材料として、アクリル系紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５２４、νｄ＝５１．６、θｇＦ＝０．５３９、ｎ５５０＝１．５２４）が用いられる。本実施例において、各回折格子の格子高さｄは１３．５１μｍであり、設計次数は＋１次である。
【００１８】
遮光部材２０は、各回折格子の格子面（第１の格子面１１ａ、第２の格子面１２ａ）、及び、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）よりも入射側（図中の左側）の格子壁面付近に設けられている。また遮光部材２０は、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２の格子壁面毎に複数設けられている。各々の遮光部材２０は、光軸Ｏを含むレンズの断面において、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）及び格子壁面の延長線Ｅによって二つの領域に分けられる。一つの領域は、格子壁面の位置を基準とした場合における高屈折率領域（第２の回折格子１２）であり、他の一つの領域は、格子壁面の位置を基準とした場合における低屈折率領域（第１の回折格子１１）である。本実施例では、高屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨは、低屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＬよりも大きい。なお曲面状の回折格子部１０における幅ｗＨ、ｗＬの方向は、図４（ｂ）において、格子壁面及び格子壁面の延長線Ｅと直交する方向（曲面の接線方向）と定義される。
【００１９】
このような構成によれば、図中の下向きの斜入射角度（画面外入射角度）で入射する光束（図４（ｂ）のｂ、図４（ａ）のＢ）が格子壁面で全反射することにより生じるフレアを抑制することができる。また、幅ｗＬが幅ｗＨよりも小さいため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。本実施例の遮光部材２０において、幅ｗＨは２．０μｍ、幅ｗＬは０．５μｍ、遮光部材２０の厚さｄ１は０．２μｍ、遮光部材２０と各回折格子（第１の回折格子１１、第２の回折格子１２）との距離ｄ２は１．０μｍである。また、遮光部材２０は金属材料からなり、具体的にはＡｌ（ｎ５５０＝０．９５８、ｋ５５０＝６．６９）から構成されている。
【００２０】
図５は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度（図４（ｂ）のａ）、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおける厳密結合波解析（ＲＣＷＡ：Ｒｅｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ）計算結果である。図５（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。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について示した結果である。回折角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている。図５（ａ）において、設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．８８％（回折角＋０．２１度）である。残りの光は不要光となり、図５（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは入射側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。一方、遮光部材２０によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次（およそ±２５次、回折角±５度）の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。本実施例で想定している格子ピッチは、一つの基準として１００μｍである。図１に示されるように、光軸に近い輪帯ほど格子ピッチは大きくなり、格子壁面及び遮光部材による悪影響が小さくなる。このため、設計次数の回折効率は高く、不要光の回折効率は低くなる。
【００２１】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図４（ｂ）のｂ、図４（ａ）のＢ）を想定する。図６は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。入射角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている。図６（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図６（ｂ）は、図６（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示した結果である。回折角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている。図６（ａ）において、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、回折効率は９６．５７％（回折次数＋１、回折角＋９．９４度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図６（ｂ）に示されるように、特定の角度方向のピークはなく、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、入射側の遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２、１５に示されるように、光学系に回折光学素子１を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２１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６の回折角＋０．２１度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４５（回折角＋０．３８度）の回折効率が０．０００７４％、回折次数−４６（回折角＋０．１７度）の回折効率が０．００１０％であり、回折効率は大幅に減少する。
【００２２】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図４（ｂ）のｃ、図４（ａ）のＢ’）を想定する。図７は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。入射角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている（図４（ａ）のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図７（ａ）は、設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。横軸は回折次数、縦軸は回折効率である。図７（ｂ）は、図７（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示した結果である。回折角は、図４（ｂ）の下向きを正の方向としている（図４（ａ）のｍ’格子では上向きが正の方向となる）。図７（ａ）において、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、回折効率は９３．１５％（回折次数＋１、回折角−９．５２度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図７（ｂ）に示されるように、特定の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−１６度方向にピークを有する。この略−１６度方向のピークの伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度の光束の透過光の射出方向−１６．６度に略等しい。遮光部材を設けていない場合と比べると、回折効率が若干低減する。これは、入射側の遮光部材の幅ｗＬの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面に到達する前に遮光されるためである。図２、１５に示されるように、光学系に回折光学素子１を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２１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の回折角＋０．２１度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４８（回折角＋０．２４度）の回折効率が０．００５０％、回折次数＋４７（回折角＋０．０８度）の回折効率が０．００５０％である。
【００２３】
以上のように、本実施例の回折光学素子１を適用した光学系に画面外光束が入射した場合、遮光部材２０を設けることにより、不要光を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、像性能の劣化を抑制することが可能となる。また、高屈折率領域側（第２の回折格子１２側）の幅ｗＨよりも低屈折率領域側（第１の回折格子１１側）の幅ｗＬを小さくすることにより、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に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高く、不要光の回折効率は低くなる。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。
【００２４】
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度を想定する。
【００２５】
また本実施例では、図２、図４（ａ）に示されるように、不要光のピークが絞り４０で遮光される（図２のＢｍ−及びＢ’ｍ−）が、これに限定されるものではない。不要光のピークをレンズ鏡筒に導いて遮光し、又は、後側のレンズにより像面に到達しない角度に反射させること等によっても不要光の抑制が可能である。また、遮光部材は格子壁面による全反射する光束を遮光することが目的のため、図４（ｂ）に示されるように、矩形構造に限定されるものではない。矩形構造以外の遮光部材の場合には、幅ｗＨ及び幅ｗＬは、一周期の格子断面の遮光部材を格子壁面の延長線によって分け、その周期の回折格子の面法線方向の延長線と遮光部材の最大距離とする。また、本実施例では設計次数を＋１次にしているが、設計次数を＋１次以外にしてもよい。また、回折光学素子１の輪帯毎に遮光部材２０の幅や形状を変えることによって、輪帯毎に制御することも可能である。この結果、結像面に到達する不要光を効果的に抑制することができる。
【００２６】
本実施例において、遮光部材２０の製造方法は特に限定されるものではない。例えば、第２の回折格子１２を製造し、第１の回折格子１１の格子部とベース部（図４（ｂ）のｄ２の部分）までを製造する。その後、遮光部材２０を選択的に形成する。具体的には、遮光部材２０を構成する材料を真空蒸着手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を用いてパターニングし、エッチング手法等で選択的に形成する。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や、インクジェットプロセスを用いて格子壁面部のみに直接形成する方法等を用いることもできる。その後、第１の回折格子１１と同じ材料を再び形成することで、回折光学素子１を製造することができる。この際、第１の回折格子１１と同じ材料を用いる必要はなく、異なる材料を用いてもよい。また、第２の回折格子１２を製造し、第１の回折格子１１の格子部とベース部及び遮光部材２０を、別の型を用いて同時に成形することができる。その後、遮光部材２０を構成する材料を前述の手法等で選択的に形成した後、第１の回折格子１１と同じ材料を再び形成することで回折光学素子を製造する。この際、第１の回折格子１１と同じ材料を用いる必要はなく、異なる材料を用いてもよい。また、前述の手法等を用いて遮光部材２０を形成した後に、第１の回折格子１１及び第２の回折格子１２を製造することもできる。また遮光部材２０は、例えば、入射側の（図３に示される）基板２の上に直接形成されてもよい。
【００２７】
上述の説明では、第１の回折格子１１の屈折率ｎ１１と第２の回折格子１２の屈折率ｎ２２との関係がｎ１１＜ｎ２２であるとしているが、本実施例はこれに限定されるものではない。屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２である場合にも適用可能である。以下、この場合について説明する。図８は、第１の回折格子１１の屈折率ｎ１１と第２の回折格子１２の屈折率ｎ２２との関係がｎ１１＞ｎ２２の場合における回折光学素子１の拡大断面図である。図８において、ｍ格子の格子壁面１ｂに入射する画面外入射角度１０度の光束の成分は、高屈折率材料側（第１の回折格子１１側）から低屈折率材料側（第２の回折格子１２側）に臨界角７６．７度以上の＋８０度で入射するため全反射が生じる。このため、格子壁面１ｂで全反射射出方向を中心として不要光が広がって伝播する。一方、ｍ’格子の格子壁面１ｂ’に入射する画面外入射角度１０度の光束の成分は、格子面で＋１次光に回折した後、低屈折率材料側から高屈折率材料界面側に入射する。このとき、格子壁面１ｂ’で透過光射出方向と反射光射出方向を中心として不要光が広がって伝播するが、透過光射出方向の不要光が大きい。このように、格子壁面による不要光に関しては、各回折格子の屈折率の関係がｎ１１＜ｎ２２、又は、ｎ１１＞ｎ２２のいずれでも適用可能である。
【実施例２】
【００２８】
次に、本発明の実施例２における回折光学素子について説明する。本実施例の回折光学素子において、各回折格子の材料及び格子高さが実施例１とは異なる。遮光部材の構造等のその他の構成は実施例１と同様であるため、これらの説明を省略する。本実施例において、第１の回折格子１１の材料としては、フッ素アクリル系紫外線樹脂にＩＴＯ微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５０４、νｄ＝１６．３、θｇＦ＝０．３９０、ｎ５５０＝１．５１１）が用いられる。また、第２の回折格子１２の材料としては、アクリル系紫外線硬化樹脂にＺｒＯ２微粒子を混合させた樹脂（ｎｄ＝１．５６７、νｄ＝４７．０、θｇＦ＝０．５６９、ｎ５５０＝１．５７０）が用いられる。格子高さｄは９．２９μｍであり、設計次数は＋１次である。
【００２９】
図９は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図９（ａ）において、設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．１６％（回折角＋０．２０度）である。残りの光は不要光となり、図９（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、入射側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。一方、遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。
【００３０】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１０は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図１０（ａ）において、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、回折効率は９７．６６％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）であり、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１０（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、入射側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１０の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６では０．００３５％、回折次数−４７では０．００３８％であり、遮光部材がない場合に比べて減少する。
【００３１】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１１は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図１１（ａ）において、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、回折効率は９４．８６％で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１１（ｂ）に示されるよう、複数のピークとなって伝播する。これは、入射側に配置された遮光部材２０の幅ｗＬの部分により、格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１１の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００６５％、回折次数＋４８の回折効率は０．００６３％である。
【００３２】
以上のように、本実施例の回折光学素子によれば、光学系の結像面に到達する不要光を低減させ、像性能の劣化を抑制することができる。また、高屈折率領域側の幅ｗＨよりも低屈折率領域側の幅ｗＬを小さくすることにより、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することができる。
【００３３】
本実施例では、回折光学素子の材料として樹脂材料に微粒子を分散させて構成された材料を用いているが、これに限定されるものではない。例えば、樹脂材料等の有機材料、ガラス材料、光学結晶材料、セラミックス材料等を用いてもよい。また、微粒子を分散させる微粒子材料としては、酸化物、金属、セラミックス、複合物、混合物のいずれかの無機微粒子材料が用いられ、微粒子材料に限定されるものではない。また、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。また、微粒子材料を混合する樹脂材料としては、例えば、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が用いられる。
【実施例３】
【００３４】
次に、本発明の実施例３における回折光学素子について説明する。本実施例は、遮光部材を射出側に配置している点で、入射側に配置した実施例１、２とは異なる。図１２（ａ）は、本実施例の回折格子部の拡大断面図である。図１２（ｂ）は、回折格子部をさらに拡大した断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、及び、設計次数は、実施例２と同様である。
【００３５】
また実施例１及び２と同様に、本実施例では、高屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨは、低屈折率領域側に配置された遮光部材２０の幅ｗＬよりも大きい。このような遮光部材２０によって、下向きの斜入射角度（画面外入射角度）で回折光学素子に入射する光束（図１２（ｂ）のｂ、図１２（ａ）のＢ）が格子壁面で全反射することにより生じるフレアを抑制することができる。また、幅ｗＬが幅ｗＨよりも小さいため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。遮光部材２０に関する幅ｗＨ、ｗＬ、厚さｄ１、距離ｄ２及び材料はそれぞれ、実施例１及び２と同様である。
【００３６】
図１３（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．０６％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材を設けない場合よりも低くなる。残りの光は不要光となり、図１３（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面から射出した後に遮光部材に遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ここで想定している格子ピッチは、一つの基準として１００μｍである。図１に示されるように、光軸に近い輪帯ほど格子ピッチは大きくなり、格子壁面及び遮光部材による悪影響が小さくなるため、設計次数の回折効率は高く、不要光の回折効率は低くなる。
【００３７】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１３（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．３２％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋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。残りの光は不要光となり、図１３（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面によって全反射して射出した後、遮光部材２０に遮光されたためである。図２及び図１２（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６では０．００３７％、回折次数−４７では０．００３３％であり、遮光部材がない場合より減少する。
【００３８】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１３（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．４５％（回折次数＋１、回折角−９．４２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１３（ｃ）に示されるように、特定の角度方向の複数のピークとなって伝播する。これは、遮光部材２０の幅ｗＬの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図１２（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９では０．００１２％、回折次数＋４８では０．００１０％であり、遮光部材がない場合よりも減少する。
本実施例の構成によれば、像性能の低下を抑制することが可能である。また、高屈折率領域側の幅ｗＨよりも低屈折率領域側の幅ｗＬを小さくすることにより、設計次数の回折効率の低減を像性能に影響ない程度に抑制することができる。
【実施例４】
【００３９】
次に、本発明の実施例４における回折光学素子について説明する。本実施例では、遮光部材の幅ｗＬが実質的に０である点で、実施例３とは異なる。図１４（ａ）は、本実施例における回折格子部の拡大断面図である。図１４（ｂ）は、回折格子部をさらに拡大した断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、設計次数、及び、遮光部材が射出側に配置されている点は、実施例３と同様である。
【００４０】
本実施例では、遮光部材２０の幅ｗＬが実質的に０となっている。すなわち遮光部材２０は、光軸Ｏを含むレンズの断面において、格子壁面（第１の格子壁面１１ｂ、第２の格子壁面１２ｂ）及び格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、格子壁面の位置を基準とした場合に高屈折率領域側にのみ配置されている。このような遮光部材２０によって、斜入射角度（画面外入射角度）の下向きに入射する光束（図１４（ｂ）のｂ、図１４（ａ）のＢ）が格子壁面で発生する全反射光によるフレアを抑制することができる。さらに、幅ｗＬが実質的に０のため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。遮光部材２０の材料、幅ｗＨ、厚さｄ１、及び、遮光部材２０と各回折格子との間の距離ｄ２は、実施例３と同様である。
【００４１】
図１５（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度（図１４（ｂ）のａ）、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．４４％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材がない場合より低いが、幅ｗＬの部分が存在する実施例１乃至３の場合と比較すると高い。残りの光は不要光となり、図１５（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面から射出した後に遮光部材に遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次（およそ±２５次、回折角±５度）の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ただし、幅ｗＬの部分が存在する実施例１乃至３の場合と比較すると、比較的低次光の回折効率は低く、設計次数である＋１次回折光の回折効率が上がっている。
【００４２】
次に、回折光学素子の設計入射角度より斜入射角度（画面外光入射角度）の下向きに入射する光束を想定する。図１５（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．３９％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１５（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面によって全反射して射出した後に遮光部材に遮光されたためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率は、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６では０．００２５％、回折次数−４７では０．００２１％であり、遮光部材がない場合より減少する。
【００４３】
次に、回折光学素子の設計入射角度より斜入射角度（画面外光入射角度）の上向きに入射する光束を想定する。図１５（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９５．９４％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１５（ｃ）に示されるように、特定の角度方向の複数のピークを有して伝播する。これは、遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面から射出した後に遮光されたためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００４９％、回折次数＋４８の回折効率は０．００５０％である。
【００４４】
本実施例の構成によれば、光学系の結像面に到達する不要光を小さくすることができるため、像性能の劣化を抑制することが可能である。本実施例のように、遮光部材の低屈折率領域側の幅ｗＬを実質的に０とすることで、設計次数の回折効率の低減をさらに低減することができる。
【実施例５】
【００４５】
次に、本発明の実施例５における回折光学素子について説明する。本実施例は、射出側に配置された遮光部材２０の幅ｗＨが実施例４と異なる点以外は、実施例４と同様の構成である。本実施例において、遮光部材２０の幅ｗＨは１．０μｍである。
【００４６】
図１６（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．８８％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材を設けていない場合より低くなるが、幅ｗＬのある実施例１乃至３の場合より高い。残りの光は不要光となり、図１６（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは射出側の遮光部材により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面から射出した後に遮光部材により遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ただし、実施例１乃至４と比較すると、比較的低次光の回折効率は低く、設計次数である＋１次回折光の回折効率が上がっている。
【００４７】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１６（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．９０％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１６（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面によって全反射して射出した後に遮光部材に遮光されたためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１６（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６の回折効率は０．０００４６％、回折次数−４７の回折効率は０．０００６４％である。不要光のリップルの谷部が０度方向になっているため、遮光部材を設けていない場合よりも回折効率は減少する。
【００４８】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１６（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９６．６４％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１６（ｃ）に示されるように、特定の角度方向のピークを有して伝播する。これは、射出側の遮光部材の幅ｗＨの部分によって、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分のうちの一部が格子壁面から射出した後に遮光されていないためである。図２及び図１４（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１３（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００２９％、回折次数＋４８の回折効率は０．００３０％である。
【００４９】
本実施例の回折光学素子を適用した光学系によれば、結像面に到達する不要光を小さくすることができるため、像性能の劣化を抑制することが可能となる。
【実施例６】
【００５０】
次に、本発明の実施例６における回折光学素子について説明する。本実施例では、遮光部材２０が回折格子の格子面上に設けられている点で、実施例１乃至５とは異なる。すなわち、本実施例の遮光部材２０は、第１の格子面１１ａ及び第１の格子壁面１１ｂに接するように、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２との境界に配置されている。
【００５１】
図１７（ａ）は、本実施例における回折光学素子の拡大断面図である。図１７（ｂ）は、回折格子をさらに拡大した断面図である。各回折格子の材料、格子高さｄ、及び、設計次数は、実施例２乃至５と同様である。遮光部材２０は、高屈折率領域側（第２の回折格子１２側）、すなわち第２の回折格子１２の先端（格子面と格子壁面との接触領域）に設けられている。このような遮光部材２０によって、斜入射角度（画面外入射角度）の下向きに入射する光束（図１７（ｂ）のｂ、図１７（ａ）のＢ）が格子壁面で発生する全反射光によるフレアを抑制することができる。さらに、実施例４及び５と同様に、幅ｗＬが実質的に０のため、設計入射角度による回折効率の低減量も少ない。本実施例において、遮光部材２０の幅ｗＨは２．０μｍである。
【００５２】
図１８（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９７．３９％（回折角＋０．２０度）であり、遮光部材を設けていない場合より低いがが、幅ｗＬのある実施例１乃至３の場合と比較すると高い。残りの光は不要光となり、図１８（ａ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、射出側の遮光部材２０により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分の一部が格子壁面から射出した後に遮光部材に遮光されたためである。一方、この遮光部材によって、本来、各回折格子によって＋１次光に回折される光束の一部も遮光され、位相の不整合が生じる。この結果、比較的低次の次数の回折効率が増加し、設計次数である＋１次回折光の回折効率が下がる。ただし、実施例１乃至３と比較すると低次光の回折効率は低く、設計次数である＋１次回折光の回折効率が上がっている。
【００５３】
次に、設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１８（ｂ）は、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９８．４６％（回折次数＋１、回折角＋９．８２度）で設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１８（ｂ）に示されるように、複数の小さいピークとなって伝播する。これは、遮光部材２０の幅ｗＨの部分により、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が格子壁面に到達する前に遮光されたためである。図２及び図１７（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１８（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６の回折効率は０．０００６５％、回折次数−４７の回折効率は０．０００７８％である。遮光部材を設けていない場合よりも大幅に減少する。
【００５４】
次に、設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で回折光学素子に入射する光束を想定する。図１８（ｃ）は、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。設計次数である＋１次回折光の回折効率は９４．７８％で、設計入射角度である０度から傾いているため低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの光は不要光となり、図１８（ｃ）に示されるように、特定の角度方向のピークとなって伝播する。これは、遮光部材の幅ｗＨの部分によって、入射光束のうちの格子壁面付近に入射する成分が遮光されていないためである。図２及び図１７（ａ）に示されるように、光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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１８（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９の回折効率は０．００２１％、回折次数＋４８の回折効率は０．００１９％である。
【００５５】
本実施例のように、全反射に起因するフレアを遮光することができれば、遮光部材の位置は限定されるものではなく、遮光部材を格子面上に設けてもよい。本実施例の回折光学素子を適用した光学系によれば、結像面に到達する不要光を小さくすることができるため、像性能の劣化を抑制することが可能となる。
【００５６】
本実施例のように、遮光部材を格子面上に設けることによって、製造がより簡易なものとなる。遮光部材２０の製造方法については特に限定されないが、一例として、第１の回折格子１１を製造した後、遮光部材２０を選択的に形成する。具体的には、遮光部材２０の材料を真空蒸着手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で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や、インクジェットプロセスを用いて格子壁面部のみに直接形成する方法等を用いてもよい。その後、第２の回折格子１２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。このように、実施例１乃至５と比較して、より簡易に製造することができ、低コスト、低エネルギーで製造することが可能である。
【００５７】
本実施例では、第１の回折格子１１の屈折率ｎ１１と第２の回折格子１２の屈折率ｎ２２との関係はｎ１１＜ｎ２２となっている。このため、遮光部材２０は入射側に設けられている。一方、これらの屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２となる場合には、遮光部材２０は射出側に設けられる。図１９（ａ）及び図１９（ｂ）は、屈折率の関係がｎ１１＞ｎ２２であるときの回折格子部の拡大断面図である。不要光の影響の大きい図１９（ａ）のｍ格子に対して、斜入射角度（画面外光入射角度）の下向きに入射する光束（図１９（ｂ）のｂ、図１９（ａ）のＢ）となり、格子壁面によって全反射して射出した後に不要光が遮光部材で遮光される。このように、遮光部材２０が格子面に設けられる構成においても、遮光部材２０は入射側、射出側のいずれにも適用可能である。
【００５８】
次に、上述の実施例１乃至６について、表１を用いて説明する。表１は、実施例１乃至６の回折光学素子に用いられる第１の回折格子の材料、ｄ線での屈折率ｎｄ１、アッベ数ｖｄ１、部分分散比θｇＦ１、及び、波長５５０ｎｍの屈折率ｎ１＿５５０を示す。また、第２の回折格子の材料、ｄ線での屈折率ｎｄ２、アッベ数ｖｄ２、波長５５０ｎｍの屈折率ｎ２＿５５０を示す。また、格子高さｄ、遮光部材の位置、遮光部材の材料、高屈折率領域側の幅ｗＨ、低屈折率領域側の幅ｗＬ、遮光部材の厚さｄ１、遮光部材と回折格子との距離ｄ２を示す。
【００５９】
【表１】
【００６０】
実施例１乃至６に示されるように、像性能への影響の大きい不要光を抑制するために、格子壁面及び格子壁面の延長線によって分けられる領域のうち、高屈折率領域側の幅ｗＨと低屈折率領域側の幅ｗＬは、以下の式（１）を満たすことが好ましい。
【００６１】
ｗＨ＞ｗＬ≧０ … （１）
式（１）を満たさない場合、設計次数の回折効率の減少を抑制して不要光を抑制させることが困難となる。
【００６２】
また、遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）が大きくなると、位相の不整合領域が拡大し、設計次数の回折効率が低下する。その結果、像性能が無視できないほど劣化するおそれがある。このため、設計入射角度における遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）は以下の式（２）を満たすことが好ましい。
【００６３】
０＜（ｗＨ＋ｗＬ）／Ｐ＜０．０５ … （２）
式（２）において、Ｐは格子ピッチである。上記各実施例では、格子ピッチＰを１００μｍとした回折格子について説明したが、設計次数の回折効率に関しては、遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）と格子ピッチＰの関係は線形関係を有する。遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）と格子ピッチＰの回折格子の設計次数の回折効率と遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）×２と格子ピッチＰ×２の回折格子の設計次数の回折効率はほぼ同じである。例えば、実施例１に示した格子ピッチ１００μｍ、遮光部材の幅の和２．５μｍの回折格子と格子ピッチ２００μｍ、遮光部材の幅の和５．０μｍの回折格子の設計次数の回折効率はほぼ同じである。このため、格子ピッチＰと遮光部材の幅の和（ｗＨ＋ｗＬ）の式（２）が得られる。さらに像性能に影響ない回折光学素子を得るには、以下の式（３）を満たすことがより好ましい。
【００６４】
０＜（ｗＨ＋ｗＬ）／Ｐ＜０．０３ … （３）
実施例１乃至６で説明したように、遮光部材の幅ｗＨが特に重要である。幅ｗＨが小さくなると、不要光の抑制効果も小さくなる。不要光の十分な抑制効果を得るには、以下の式（４）を満たることが好ましい。
【００６５】
０＜λ０＜ｗＨ … （４）
式（４）において、λ０は使用波長帯域における最小の波長である。上記各実施例では、回折光学素子の使用波長帯域は可視域であるため、λ０は４００ｎｍになる。不要光を低減させるための遮光部材の効果をより高めるには、以下の式（５）を満たすことがより好ましい。
【００６６】
０＜２×λ０＜ｗＨ … （５）
本実施例における遮光部材は、特に、設計次数の回折効率の減少を抑制するための式（２）、及び、不要光を抑制するために必要な式（４）の両方を満たすように構成されることが好ましい。幅ｗＬは、特に全反射による不要光抑制に対して鈍感である。このため、幅ｗＬは実質的に０であるほうが設計次数の回折効率の低減量を抑制するには好ましい。一方、製造時の製造バラツキが発生するため、幅ｗＬに関しては重視せずに幅ｗＨを重視して設計、製造すればよい。これにより、製造方法の選択肢が広がり、低コスト、低エネルギーで製造できるため、製造上の優位となる。
【００６７】
また、実施例１乃至６の遮光部材は、金属材料であるＡｌを用いて形成されている、これに限定されるものではなく、不要光を吸収するための吸収材料を用いることができる。吸収材料としては、例えば、樹脂にブラックカーボン等の炭素系微粒子や金属酸化物、金属硫化物、金属炭酸塩等の金属化合物微粒子や顔料、染料等を分散させた材料が用いられる。また、微細構造により同等の効果がある構造やカーボンナノチューブ等によっても実現可能である。また、各回折格子の屈折率、消衰係数に合わせて材料を構成したほうがより好ましい。このため、遮光部材の厚さｄ１は、遮光部材を構成する材料によって異なる。実施例１乃至６ように、金属材料で構成された遮光部材は、数１００ｎｍ程度の厚さで十分機能するが、他の吸収材料を用いた場合には、金属材料と比較して遮光部材を厚くする必要がある。
【００６８】
遮光部材と回折格子との距離ｄ２は、不要光を遮光することができればよいため、特に限定されるものではない。ただし、距離ｄ２が大きくなるにつれて遮光部材の幅も大きくなるため、設計次数の回折効率の減少を抑制するための式（２）又は式（３）を満たす程度に設定されることが好ましい。実施例１乃至６では、回折光学素子として密着２層ＤＯＥとしているが、これに限定されるものではなく、さらに回折格子を積層した積層ＤＯＥにも適用可能である。また、遮光部材を中心領域から周辺領域で変化させて最適な回折光学素子を構成することができる。また、全ての輪帯に遮光部材を設ける必要はなく、輪帯の一部に設けてもよい。この際、最小格子ピッチを含む一部に反射部材を設けることが有効である。これは、格子ピッチが小さい回折格子は不要光の回折効率が大きく、回折光学素子全体で発生する不要光の寄与が大きいためである。
【００６９】
上記各実施例では格子壁面部に遮光部材を設けていることに着目しているが、設計次数を＋１次以外の次数にする、格子壁面部に反射手段を設ける、格子壁面角度をシフトさせる、格子壁面形状を階段状にさせる等、不要光の制御手段とを組み合わせることもできる。
（比較例１）
以下、実施例１に対する比較例としての回折光学素子について説明する。比較例１としての回折光学素子は、回折格子の材料および格子高さは実施例1と同様で、格子壁面部に不要光抑制手段が設けられていない場合である。
【００７０】
図２１は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。図２１（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。図２１（ｂ）は図２１（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２１（ａ）から設計次数である＋１次回折光に回折効率が集中していることがわかるが、回折効率は９８．４９％で１００％になっていない。残りの光は不要光であり、図２１（ｂ）の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している。この現象については図２２に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ａ’が格子壁面において高屈折率材料側に反射しているように回り込んでいると考えられる。この設計入射角度（撮影光入射角度）において日中の太陽等の高輝度光源を直接撮影することは稀であるため、この不要光はほとんど影響せず、結果としては問題とはならない。
【００７１】
次に、回折光学素子の設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２３に示す。図２３（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。図２３（ｂ）は図２３（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２３（ａ）に示されるように、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、回折効率は９５．６２％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、図２３（ｂ）のように、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にして伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。格子壁面に対しては、高屈折率材料側から低屈折率材料側に臨界角７６．７度以上の＋８０．６度で入射するため、全反射が発生している。また、この不要光は、略−１０度方向のピークから高角度範囲に広がっている。これは図２４に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｂ’が格子壁面において全反射して−１０度方向に伝播し、さらに全反射射出方向中心に不要光が広がって伝播していると考えられる。
【００７２】
光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２４（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４５（回折角＋０．３８度）の回折効率が０．０２１％、回折次数−４６（回折角＋０．１７度）の回折効率が０．０２１％である。
【００７３】
次に、回折光学素子の設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２５に示す。図２５（ａ）は設計次数である＋１次回折光付近での回折効率である。図２５（ｂ）は図２５（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２５（ａ）に示されるように、設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中し、回折効率は９５．４８％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。残りの不要光は、図２５（ｂ）に示されるように、特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播している。この不要光は、略−１５度方向、略＋１０度方向にも小さなピークを有し、この伝播方向は、格子壁面に入射する画面外入射角度−１０度光束の透過光の射出方向−１６．６度と反射光の射出方向＋９．５度に略等しい。また、格子壁面に対しては、低屈折率材料側から高屈折率材料側に＋８０度で入射するため、透過光の透過率は９４％、反射光の反射光は６％であり、略−１５度方向のピークが大きく、略＋１０度方向のピークが小さいことと対応している。また、この不要光は、ピークから高角度範囲に広がっている。これは図２６に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｃ’が格子壁面において透過光と反射光に別れて伝播し、さらに各ピークを中心に広がって伝播していると考えられる。
光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２５（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４８（回折角＋０．２４度）の回折効率が０．００１５％、回折次数＋４７（回折角＋０．０３度）の回折効率が０．００１５％である。
【００７４】
以上のように、比較例１としての回折光学素子を適用した光学系において、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、図２、図２７に示すｍ格子による回折角０度付近に射出する不要光が大きく、ｍ’格子による回折角０度付近に射出する不要光が小さい。このため、像性能の低下に対してはｍ格子の寄与が大きいことになる。実際に回折光学素子及び光学系を作成して実写したところ、像面に不要光が到達し、像性能の低下が確認できた。
【００７５】
従来の手法では、格子壁面に入射する光束を幾何光学現象として扱っているが、その場合は格子壁面に入射する光はスネルの法則に従って特定の方向にのみ射出し伝播することになる。図２、図２７のように光学系に回折光学素子を適用し、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、ｍ格子では全反射のみ、ｍ’格子では９４％の透過光および６％の反射光が発生する。しかし、その場合はいずれも絞り４０で遮光されるため結像面４１へ到達しない。以上のように、従来の手法では不要光の抑制に対しては不十分であり、抑制すべき不要光が十分考慮されていなかった。
（比較例２）
以下、実施例２乃至６に対する比較例としての回折光学素子について説明する。比較例２としての回折光学素子は、回折格子の材料および格子高さは実施例２〜６と同様で、格子壁面部に不要光抑制手段が設けられていない場合である。
【００７６】
図２８（ａ）は、回折光学素子の設計入射角度である入射角度０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果である。比較例１と同様、設計次数である＋１次回折光に回折効率が集中しており、回折効率は９８．７６％で１００％になっていない。しかし、この設計入射角度（撮影光入射角度）において日中の太陽等の高輝度光源を直接撮影することは稀であるため、この不要光はほとんど影響せず、結果としては問題とはならない。
【００７７】
次に、回折光学素子の設計入射角度より下向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度＋１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２８（ｂ）に示す。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、回折効率は９７．１５％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。この画面外光入射角度の＋１次回折光は像面に到達することはないため、その影響は小さい。残りの不要光は、比較例１と同様に、略−１０度方向にピークを有する。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にして伝播する射出方向−１０度方向と略等しい。格子壁面に対しては、高屈折率材料側から低屈折率材料側に臨界角７４．２度以上の＋８０．６度で入射するため、全反射が発生している。また、この不要光は、略−１０度方向のピークから高角度範囲に広がっている。光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２８（ｂ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数−４６（回折角＋０．３４度）の回折効率が０．０１４％、回折次数−４７（回折角＋０．１４度）の回折効率が０．０１４％である。
【００７８】
次に、回折光学素子の設計入射角度より上向きの斜入射角度（画面外光入射角度）で入射する光束を想定して、入射角度−１０度、格子ピッチ１００μｍ、波長５５０ｎｍにおけるＲＣＷＡ計算結果を図２８（ｃ）に示す。設計次数である＋１次回折光の回折効率が集中し、回折効率は９７．００％で設計入射角度である０度から傾いているため１００％より低下している。残りの不要光は、比較例１と同様、略−１７度方向、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度光束の透過光の射出方向−１８．６度と反射光の射出方向＋９．５度に略等しい。これは図２６に示されるように、入射光束のうち格子壁面付近に入射する成分ｃ’が格子壁面において透過光と反射光に別れて伝播し、さらに各ピークを中心に広がって伝播していると考えられる。光学系に回折光学素子を適用した場合、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度＋０．２０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２８（ｃ）の回折角＋０．２０度付近の回折効率について、ＲＣＷＡ計算結果から、回折次数＋４９（回折角＋０．２６度）の回折効率が０．００２２％、回折次数＋４８（回折角＋０．０６度）の回折効率が０．００２２％である。
【００７９】
以上のように、比較例２としての回折光学素子を適用した光学系において、画面外入射角略１０度の光束が入射した場合、図２、図２７に示すｍ格子による回折角０度付近に射出する不要光が大きく、ｍ’格子による回折角０度付近に射出する不要光が小さい。このため、像性能の低下に対してはｍ格子の寄与が大きいことになる。実際に回折光学素子及び光学系を作成して実写したところ、像面に不要光が到達し、像性能の低下が確認できた。
【実施例７】
【００８０】
次に、本発明の実施例７について説明する。図２０は、撮影光学系（光学系）の概略断面図である。図２０において、１０１は撮影レンズで、前述した各実施例の回折光学素子１、回折光学素子１の後側に配置された絞り４０、及び、屈折光学部４２を備える。４１は結像面であるフィルムまたはＣＣＤ等の結像面である。特に、回折光学素子１の各回折格子部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）が包絡面の回折格子の中心での面法線に対し、回折格子部の中心よりに分布するようにしている。このような光学系に本実施例の回折光学素子を適用すれば、格子壁面に光束が入射した場合でも、不要光の発生が大幅に改善されているため、フレアが少なく解像力も高い高性能な撮影レンズが得られる。また各実施例の回折光学素子は簡便に製造可能であるため、量産性に優れた安価な光学系を提供できる。
【００８１】
図２０では、前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子１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く、また、撮影レンズ内に複数の回折光学素子を用いてもよい。また本実施例では、光学機器としてのカメラの撮影レンズの場合を示したが、これに限定するものではない。本実施例の光学系は、ビデオカメラの撮影レンズ、事務機のイメージスキャナーや、デジタル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（光学機器）にも適用可能である。
【００８２】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００８３】
１：回折光学素子
２、３：基板
１０：回折格子部
１１：第１の回折格子
１２：第２の回折格子
１１ａ、１２ａ、１ａ：格子面
１１ｂ、１２ｂ、１ｂ：格子壁面
２０、５０：遮光部材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、
前記レンズの光軸を中心として同心円状に所定の格子ピッチで形成された第１の格子面及び第１の格子壁面を複数備えた第１の回折格子と、
前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された第２の格子面及び第２の格子壁面を複数備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記第１の格子壁面と接するように設けられた第２の回折格子と、
前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された複数の遮光部材と、を有し、
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、互いに異なる屈折率を有して高屈折率領域及び低屈折率領域を構成し、
前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域に配置された各々の前記遮光部材の幅ｗＨと、前記低屈折率領域に配置された該遮光部材の幅ｗＬは、以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする回折光学素子。
ｗＨ＞ｗＬ≧０ … （１）
０＜（ｗＨ＋ｗＬ）／Ｐ＜０．０５ … （２）
０＜λ０＜ｗＨ … （３）
ただし、Ｐは前記格子ピッチ、λ０は使用波長帯域における最小の波長であり、幅ｗＨ、ｗＨの方向は、前記延長線と直交する方向である。
【請求項２】
前記遮光部材は、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との境界で発生する全反射光を低減させることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記遮光部材は、前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域にのみ配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記遮光部材は、前記第１の回折格子又は前記第２の回折格子の内部に配置されてい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。
【請求項５】
前記遮光部材は、前記第１の格子面及び前記第１の格子壁面に接するように、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との境界に配置されてい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。
【請求項６】
屈折光学部と、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子と、を有することを特徴とする光学系。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子と、
前記回折光学素子の後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。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
【請求項１】
光学系のレンズに用いられる回折光学素子であって、
前記レンズの光軸を中心として同心円状に所定の格子ピッチで形成された第１の格子面及び第１の格子壁面を複数備えた第１の回折格子と、
前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された第２の格子面及び第２の格子壁面を複数備え、該第２の格子面が前記第１の格子面と接し、かつ、該第２の格子壁面が前記第１の格子壁面と接するように設けられた第２の回折格子と、
前記光軸を中心として同心円状に前記所定の格子ピッチで形成された複数の遮光部材と、を有し、
前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子は、互いに異なる屈折率を有して高屈折率領域及び低屈折率領域を構成し、
前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域に配置された各々の前記遮光部材の幅ｗＨと、前記低屈折率領域に配置された該遮光部材の幅ｗＬは、以下の式（１）〜（３）を満たすことを特徴とする回折光学素子。
ｗＨ＞ｗＬ≧０ … （１）
０＜（ｗＨ＋ｗＬ）／Ｐ＜０．０５ … （２）
０＜λ０＜ｗＨ … （３）
ただし、Ｐは前記格子ピッチ、λ０は使用波長帯域における最小の波長であり、幅ｗＨ、ｗＨの方向は、前記延長線と直交する方向である。
【請求項２】
前記遮光部材は、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との境界で発生する全反射光を低減させることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記遮光部材は、前記光軸を含む前記レンズの断面において、前記第１の格子壁面及び該第１の格子壁面の延長線によって分けられた領域のうち、前記第１の格子壁面の位置を基準とした場合に前記高屈折率領域にのみ配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記遮光部材は、前記第１の回折格子又は前記第２の回折格子の内部に配置されてい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。
【請求項５】
前記遮光部材は、前記第１の格子面及び前記第１の格子壁面に接するように、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子との境界に配置されてい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。
【請求項６】
屈折光学部と、
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子と、を有することを特徴とする光学系。
【請求項７】
請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子と、
前記回折光学素子の後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。
【請求項８】
請求項６又は７に記載の光学系を有することを特徴とする光学機器。
【図１】
【図２】
【図２０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２】
【図２０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【公開番号】特開２０１１−２５７６６２（Ｐ２０１１−２５７６６２Ａ）
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１３３５７２（Ｐ２０１０−１３３５７２）
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１２月２２日（２０１１．１２．２２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月１１日（２０１０．６．１１）
【出願人】（０００００１００７）キヤノン株式会社 (59,756)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]