JP6873602B2 - Diffractive optical elements, optical systems, and optical equipment - Google Patents
Diffractive optical elements, optical systems, and optical equipment Download PDFInfo
- Publication number
- JP6873602B2 JP6873602B2 JP2016084952A JP2016084952A JP6873602B2 JP 6873602 B2 JP6873602 B2 JP 6873602B2 JP 2016084952 A JP2016084952 A JP 2016084952A JP 2016084952 A JP2016084952 A JP 2016084952A JP 6873602 B2 JP6873602 B2 JP 6873602B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- optical element
- diffractive optical
- thin film
- diffraction
- wavelength
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
Images
Landscapes
- Lenses (AREA)
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Description
本発明は、不要光の発生を低減する回折光学素子に関する。 The present invention relates to a diffractive optical element that reduces the generation of unnecessary light.
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に光束が入射すると、スカラー回折理論で計算される理想的な回折光学素子であっても、格子壁面の影響により、不要光(フレア)が発生する。 In the diffraction optical element used for the lens of the optical system, it is possible to obtain high diffraction efficiency in a wide wavelength band by arranging two diffraction gratings in close contact with each other and appropriately setting the material and lattice height constituting each diffraction grating. Are known. When a luminous flux is incident on a diffractive optical element having a lattice surface and a lattice wall surface, unnecessary light (flare) is generated due to the influence of the lattice wall surface even in an ideal diffractive optical element calculated by scalar diffraction theory. ..
特許文献1には、厳密結合波解析(RCWA:Regorous Coupled Wave Analysis)を利用し、格子壁面部に光導波路を設けて設計入射角度での入射光束の設計次数の回折効率を向上させる回折光学素子が開示されている。特許文献2には、格子壁面部に薄膜を設け、設計入射角度での入射光束の設計次数の回折効率を向上させ、設計次数±1次の回折効率を低減させ、斜入射角度(画面外光入射角度)での入射光束が結像面に到達する不要光を低減する回折光学素子が開示されている。
特許文献1の回折光学素子は、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させているが、斜入射角度で入射する光束により結像面に到達する不要光を低減させることは困難である。特許文献2の回折光学素子は、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させ、設計次数±1次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度で入射する光束により結像面に到達する不要光を低減させることが可能である。しかし、特許文献2の回折光学素子は、波長依存性および偏光依存性が高いため、所望の波長特性および偏光特性を有するように構成することは困難である。
The diffractive optical element of
そこで本発明は、波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子、光学系、および、光学機器を提供する。 Therefore, the present invention provides diffractive optical elements, optical systems, and optical devices that reduce wavelength dependence and polarization dependence and have desired wavelength characteristics and polarization characteristics.
本発明の一側面としての回折光学素子は、第1の格子面及び第1の格子壁面を備えた第1の回折格子と、第2の格子面及び第2の格子壁面を備えた第2の回折格子と、前記第1及び第2の格子壁面の両方と接する薄膜とを有し、使用波長帯域における波長λ(μm)に対する前記薄膜の消衰係数は0.0005以下であり、前記薄膜、前記第1の回折格子、及び、前記第2の回折格子の夫々の材料の前記波長λに対する屈折率をn1、n2、及びn3、前記薄膜の幅をWとし、
とするとき、
n1>n2>n3
0.005<Δ<0.045
0.5≦W/WC≦2.0
なる条件式を満たし、前記薄膜の材料のアッべ数は、前記第2の回折格子の材料のアッべ数よりも大きい。
The diffraction optical element as one aspect of the present invention includes a first diffraction grating having a first grating surface and a first lattice wall surface, and a second diffraction grating having a second lattice surface and a second lattice wall surface. It has a diffraction grating and a thin film in contact with both the first and second lattice wall surfaces, and the extinction coefficient of the thin film with respect to the wavelength λ (μm) in the wavelength band used is 0.0005 or less. The refractive index of each material of the first diffraction grating and the second diffraction grating with respect to the wavelength λ is n 1 , n 2 , and n 3 , and the width of the thin film is W.
When
n 1 > n 2 > n 3
0.005 <Δ <0.045
0.5 ≦ W / W C ≦ 2.0
The conditional expression is satisfied, and the number of materials of the thin film is larger than the number of materials of the second diffraction grating.
本発明の他の側面としての光学系は、前記回折光学素子と、絞りとを有する。 Optical system as another aspect of the present invention includes a pre-Symbol diffractive optical element, and a diaphragm.
本発明の他の側面としての光学機器は、前記光学系と、撮像素子とを有する。 An optical device as another aspect of the present invention includes the optical system and an image pickup device .
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施形態において説明される。 Other objects and features of the present invention will be described in the following embodiments.
本発明によれば、波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子、光学系、および、光学機器を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a diffractive optical element, an optical system, and an optical device having desired wavelength characteristics and polarization characteristics by reducing wavelength dependence and polarization dependence.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
まず、本実施形態における回折光学素子について説明する。図1は、本実施形態における回折光学素子(DOE)の概略図(正面図および側面図)である。回折光学素子1は、可視波長体全域の使用波長領域で特定の一つの次数(特定次数または設計次数)の回折光の回折効率を高めるように構成されている。回折光学素子1は、透明な一対の基板レンズ2、3、および、基板レンズ2、3の間に配置された回折格子部10を有する。基板レンズ2、3のぞれぞれは、平板またはレンズ作用を奏する形状を有する。本実施形態において、基板レンズ2、3のそれぞれの両面は曲面である。回折格子部10は、光軸Oを中心とした同心円状の回折格子形状を有し、レンズ作用を有する。
First, the diffractive optical element in this embodiment will be described. FIG. 1 is a schematic view (front view and side view) of the diffractive optical element (DOE) in the present embodiment. The diffractive
図2は、図1中の線A−A’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2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は、図2の回折光学部10の拡大断面図である。図2および図3において、入射光束aは、回折光学素子1の設計入射角度である入射角度0度で入射する光束である。入射光束bは、斜入射角度(画面外光入射角度)で下向きに入射する光束である。入射光束cは、斜入射角度(画面外光入射角度)で上向きに入射する光束である。
FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the diffraction
図2および図3に示されるように、回折格子部10は、回折格子21(第1の回折格子)、回折格子31(第2の回折格子)、および、薄膜11を有する。回折格子21および回折格子31は、光軸方向(光軸Oに沿った方向)において互いに密着して形成されている。薄膜11は、回折格子21の格子壁面21b(第1の格子壁面)と回折格子31の格子壁面31b(第2の格子壁面)との間に設けられ、格子壁面21b、31bの両方に接している。
As shown in FIGS. 2 and 3, the diffraction
また薄膜11は、使用波長帯域(例えば可視波長帯域)における波長λ(任意の波長)を有する光に対して透明である。具体的には、薄膜11の使用波長帯域の光(波長λ)に関する消衰係数が0.0005以下であれば、薄膜11は実質的に透明であるといえる。薄膜11の消衰係数が0.0005を上回ると、薄膜11が吸収特性を持ってしまう。また、回折光学素子に光が斜入射した場合、各回折格子の消衰係数と薄膜11の消衰係数との差に起因して、各回折格子と薄膜11との界面で反射光が発生してしまう。よって、薄膜11の消衰係数は、0.0005以下であることが好ましい。より好ましくは、薄膜11の使用波長帯域の光に関する消衰係数は、0.0003以下である。
Further, the
なお、回折格子21は、基板レンズ2と一体または別体のいずれであってもよい。同様に回折格子31は、基板レンズ3と一体または別体のいずれであってもよい。なお本実施形態において、回折格子21、31は光軸方向において互いに密着しているが、回折格子21、31の間に介在する薄膜11は、後述するように両者の境界面の全域にわたって設けられている場合もある。このため、回折格子21、31は、光軸方向に積層されていればよい。
The
回折格子21は、格子面21a(第1の格子面)と格子壁面21b(第1の格子壁面)とから構成される同心円状のブレーズ構造を有する。同様に、回折格子31は、格子面31a(第2の格子面)と格子壁面31b(第2の格子壁面)とから構成される同心円状のブレーズ構造を有する。回折格子21、31はそれぞれ、光軸Oから離れる(外周部に近づく)に従い、格子ピッチを徐々に変化させてレンズ作用(光の収斂作用や発散作用)を実現している。格子面21a、31aは、互いに隙間なく接しており、回折格子21、31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21、31をそれぞれブレーズ構造にすることにより、回折光学素子1に入射した入射光は、回折格子部10で回折せずに透過する0次回折方向に対し、特定の回折次数(図2および図3中では+1次)の方向に集中して回折する。
The
本実施形態の回折光学素子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、スカラー回折理論に従い、回折格子21、31を構成する材料および格子高さが選択される。すなわち、複数の回折格子(回折格子21、31)を通過する光の最大光路長差(回折部の山と谷の光学光路長差の最大値)が使用波長域内で、その波長の整数倍付近となるように、各回折格子の材料及び格子高さが決定される。このように、回折格子21、31の材料およ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。
The wavelength region used for the diffractive
一般に、回折格子の格子高さは、格子周期方向に垂直な方向(面法線方向)の格子先端と格子溝の高さで定義される。また、格子壁面が面法線方向からシフトしているときや格子先端が変形しているときなどの場合、格子高さは、格子面の延長線と面法線との交点との距離で定義される。なお本実施形態において、回折格子の材料や格子高さは限定されるものではない。 Generally, the lattice height of a diffraction grating is defined by the height of the lattice tip and the lattice groove in the direction perpendicular to the lattice periodic direction (plane normal direction). In addition, when the lattice wall surface is shifted from the surface normal direction or when the lattice tip is deformed, the lattice height is defined by the distance between the extension line of the lattice surface and the intersection of the surface normal lines. Will be done. In this embodiment, the material and height of the diffraction grating are not limited.
本実施形態において、回折格子21、31は互いに異なる材料により形成される。例えば、回折格子31は低屈折率分散材料から構成され、回折格子21は回折格子31よりも高い屈折率を有する高屈折率分散材料から構成される。本実施形態において、以下の式(1)〜(3)を満足することにより、高い回折効率を得ることができる。
In this embodiment, the
νd2>35 … (1)
νd3<25 … (2)
0.960≦(n2−n3)×d/(m×λ)≦1.040 … (3)
式(1)〜(3)において、波長λにおける回折格子21、31を構成する材料の屈折率をそれぞれn2、n3、アッべ数をνd2、νd3とする。また、回折格子21、31のそれぞれの格子高さをd、設計次数をmとする。なお、本実施形態における可視波長域は、主に、波長0.400μm以上かつ0.700μm以下の帯域である。
νd2> 35 ... (1)
νd3 <25 ... (2)
0.960 ≤ (n 2- n 3 ) x d / (m x λ) ≤ 1.040 ... (3)
In the formula (1) to (3), the refractive index of the material respectively n 2, n 3 constituting the
また、可視波長域全域で高い回折効率を得るには、高屈折率低分散材料(回折格子21)のアッべ数を35よりも大きくし、低屈折率高分散材料(回折格子31)のアッべ数を25よりも小さくすることが好ましい。また、部分分散比θgFが通常の材料よりも小さい値(リニア異常分散性)を有する材料を用いることが好ましい。このリニア分散特性を得るため、ITO微粒子を微粒子分散させてベース樹脂材料に混ぜる方法を用いることができる。ITOは、他の無機酸化物と異なり、電子遷移による屈折率の変化に加え、錫によるドーピングや酸素の空孔によりフリーキャリアが発生し屈折率が変化する。この電子遷移とフリーキャリアの影響により非常に強いリニア分散特性を有する。従って、ITOと同様にフリーキャリアの影響があるSnO2およびATO(アンチモンをドーピングしたSnO2)なども使用することができる。 Further, in order to obtain high diffraction efficiency in the entire visible wavelength region, the number of abbreviations of the high refractive index low dispersion material (diffraction grating 21) is made larger than 35, and the number of the low refractive index high dispersion material (diffraction grating 31) is increased. It is preferable that the total number is smaller than 25. Further, it is preferable to use a material having a partial dispersion ratio θgF smaller than that of a normal material (linear anomalous dispersibility). In order to obtain this linear dispersion characteristic, a method of dispersing ITO fine particles in fine particles and mixing them with the base resin material can be used. Unlike other inorganic oxides, ITO changes its refractive index due to free carriers generated by doping with tin and vacancies of oxygen, in addition to changes in the refractive index due to electronic transitions. Due to the influence of electronic transitions and free carriers, it has a very strong linear dispersion characteristic. Therefore, SnO2 and ATO (Antimony-doped SnO2), which are affected by free carriers as well as ITO, can also be used.
また、微粒子を分散させた樹脂材料は、紫外線硬化樹脂であって、アクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系のいずれかの有機樹脂を含むが、特に限定されるものではない。微粒子材料の平均粒子径は、回折光学素子への入射光の波長(使用波長又は設計波長)の1/4以下であることが好ましい。これよりも粒子径が大きくなると、微粒子材料を樹脂材料に混合した際に、レイリー散乱が大きくなる可能性が生じる。格子高さdは、15μm以下に設定されることが好ましい。これにより、斜入射光が入射した際の回折効率の低下を小さくすることができる。 The resin material in which the fine particles are dispersed is an ultraviolet curable resin and includes, but is not limited to, an acrylic-based, fluorine-based, vinyl-based, or epoxy-based organic resin. The average particle size of the fine particle material is preferably 1/4 or less of the wavelength (wavelength used or design wavelength) of the incident light on the diffractive optical element. If the particle size is larger than this, Rayleigh scattering may increase when the fine particle material is mixed with the resin material. The lattice height d is preferably set to 15 μm or less. As a result, it is possible to reduce the decrease in diffraction efficiency when obliquely incident light is incident.
薄膜11は、格子壁面に沿って略均一な厚さを有し、回折格子21、31の境界面の少なくとも一部に配置されている。本実施形態において、薄膜11は、格子壁面21b、31bに設けられている。薄膜11を設けることにより、格子壁面付近に入射する光束が薄膜11の内部に閉じ込められ、光導波路となる。
The
本実施形態の回折光学素子1において、使用波長帯域の波長λに関し、薄膜11、回折格子21、および、回折格子31の材料の屈折率をそれぞれn1、n2、n3とする。また、薄膜11と回折格子21との比屈折率差をΔとする。このとき、以下の式(4)、(5)を満たすことにより、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上させ、設計次数±1次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度で入射する光束による不要光のうち結像面に到達する不要光を低減させることができる。更に、式(4)、(5)を満たすことにより、回折光学素子1における波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有するように構成することが可能となる。
In the diffraction
n1>n2>n3 … (4)
0.005<Δ<0.045 … (5)
式(5)において、比屈折率差Δは、以下の式(6)により求められる。
n 1 > n 2 > n 3 ... (4)
0.005 <Δ <0.045 ... (5)
In the formula (5), the specific refractive index difference Δ is obtained by the following formula (6).
また、式(5)は、以下の式(5a)を満たすことが好ましい。 Further, it is preferable that the formula (5) satisfies the following formula (5a).
0.007<Δ<0.042 … (5a)
式(5)または式(5a)の下限を満足することにより、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができる。また、式(5)または式(5a)の上限を満足することにより、偏光依存性を低減することができる。
0.007 <Δ <0.042 ... (5a)
By satisfying the lower limit of the formula (5) or the formula (5a), it is possible to reduce the unnecessary light that reaches the image plane among the unnecessary light due to the luminous flux incident at the oblique incident angle. Further, the polarization dependence can be reduced by satisfying the upper limit of the formula (5) or the formula (5a).
また、薄膜11、および、回折格子21、31を構成する材料は、非対称3層平板導波路であるため、導波モードが以下の固有値方程式を満たすことが知られている。式(7)、(8)はそれぞれ、TE偏光およびTM偏光に関する。
Further, since the materials constituting the
式(7)、(8)において、k0は以下の式(9)のように定義される値である。 In equations (7) and (8), k 0 is a value defined as in equation (9) below.
また、非対称3層平板導波路の単一モードが発生するカットオフ幅に関し、TE偏光のカットオフ幅WC,TEは以下の式(10)、TM偏光のカットオフ幅WC,TMは式(11)のように表される。 Further, regarding the cutoff width in which the single mode of the asymmetric three-layer flat plate waveguide occurs, the cutoff widths WC and TE of TE polarized light are expressed by the following equations (10), and the cutoff widths WC and TM of TM polarized light are expressed by equations. It is expressed as (11).
式(10)、(11)において、κc、δcは、以下の式(12)のように定義される値である。 In equations (10) and (11), κ c and δ c are values defined as in equation (12) below.
本実施形態において、薄膜11の幅W(膜幅)と以下の式(14)のTE偏光とTM偏光の単一モードが発生するカットオフ幅の平均Wcが以下の式(13)を満足することにより、回折光学素子1は所望の効果を奏することができる。すなわち回折光学素子1は、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上し、設計次数±1次の回折効率を低減させ、斜入射角度で入射する光束による不要光のうち結像面に到達する不要光を低減させることができる。更に回折光学素子1は、波長依存性および偏光依存性を低減し、所望の波長特性および偏光特性を有することが可能となる。ここで薄膜11の幅Wは、格子壁面21bと格子壁面31bとの間における薄膜11の幅(格子壁面21bと格子壁面31bとの間の距離)である。
In the present embodiment, the width W (film width) of the
0.5≦W/Wc≦2.0 … (13) 0.5 ≤ W / Wc ≤ 2.0 ... (13)
本実施形態において、式(13)は、以下の式(13a)を満たすことが好ましい。 In the present embodiment, the formula (13) preferably satisfies the following formula (13a).
0.75≦W/Wc≦1.75 … (13a)
また、非対称3層平板導波路の単一モード条件となる1次モードが発生するカットオフ幅に関し、TE偏光のカットオフ幅WTE0は以下の式(15)、TM偏光のカットオフ幅WTM0は以下の式(16)のように表される。
0.75 ≤ W / Wc ≤ 1.75 ... (13a)
Further, regarding the cutoff width at which the primary mode, which is the single mode condition of the asymmetric three-layer flat plate waveguide, occurs, the cutoff width W TE0 of TE polarized light is expressed by the following equation (15), the cutoff width W TM0 of TM polarized light. Is expressed as the following equation (16).
式(15)、(16)において、a’は以下の式(17)で定義される値である。 In equations (15) and (16), a'is a value defined by the following equation (17).
また、導波モードが感じる屈折率である等価屈折率に関し、TE偏光の等価屈折率neq,TEおよびTM偏光の等価屈折率neq,TMは、以下の式(18)、(19)のようにそれぞれ表される。 Also relates to the equivalent refractive index is the refractive index of the guided mode feel, TE polarization equivalent refractive index n eq, TE and TM polarization equivalent refractive index n eq, TM has the following formula (18), (19) Each is represented as.
式(18)、(19)において、βTE、βTMは、TE偏光およびTM偏光のそれぞれの伝搬定数である。 In equations (18) and (19), β TE and β TM are propagation constants of TE-polarized light and TM-polarized light, respectively.
非対称3層平板導波路の導波路幅は、TE偏光に関しては式(10)、TM偏光に関しては式(11)の単一モードのカットオフ幅未満の場合、放射モードになるため、式(7)、(8)は解を持たない。一方、単一モードのカットオフ幅以上の場合、導波モードが発生するため、式(7)、(8)は解を持つ。また、TE偏光に関しては式(15)、TM偏光に関しては式(16)の1次モードのカットオフ幅未満の場合、単一モード条件となるため、式(7)、(8)は一つのみ解を持つことが知られている。この条件において、式(18)、(19)の等価屈折率は、TE偏光およびTM偏光のそれぞれに関して一つずつ求めることができる。これ条件は、薄膜11の幅W(膜厚)が以下の式(20)を満たす場合に成立する。
When the waveguide width of the asymmetric three-layer flat plate waveguide is less than the cutoff width of the single mode of the equation (10) for TE polarization and the equation (11) for TM polarization, it becomes the radiation mode, so that the equation (7) ) And (8) have no solution. On the other hand, when the cutoff width of the single mode is larger than that, the waveguide mode is generated, so that the equations (7) and (8) have solutions. Further, when the cutoff width of the primary mode of the equation (15) is smaller than that of the equation (15) for TE polarization and the cutoff width of the primary mode of the equation (16) is for TM polarization, a single mode condition is obtained. It is known to have only a solution. Under this condition, the equivalent refractive index of the formulas (18) and (19) can be obtained one by one for each of TE-polarized light and TM-polarized light. This condition is satisfied when the width W (film thickness) of the
より厳密には、常にWTE0<WTM0が成り立つため、TE偏光、TM偏光がともに一つの解を持つには、以下の式(21)を満たす必要がある。 Strictly speaking, since W TE0 <W TM0 always holds, it is necessary to satisfy the following equation (21) in order for both TE polarized light and TM polarized light to have one solution.
W<WTE0 … (21)
非対称3層平板導波路の導波モードが感じる式(18)、(19)のTE偏光とTM偏光の等価屈折率の平均(薄膜11の内部を伝搬する伝搬光の等価屈折率neq)は、以下の式(23)のように表される。本実施形態において、等価屈折率neqと高屈折率材料である回折格子21の屈折率n2との位相差は、以下の式(22)を満足するように小さい。
W <W TE0 ... (21)
Guided mode feels formula asymmetric 3-layer plate waveguide (18), TE polarized light and TM (equivalent refractive index n eq of the propagation light propagating inside of the thin film 11) average polarization equivalent refractive index of the (19) , Is expressed as the following equation (23). In the present embodiment, the phase difference between the refractive index n 2 of the equivalent refractive index n eq and
0≦(neq−n2)×d/λ<0.3 … (22) 0 ≦ (n eq −n 2 ) × d / λ <0.3… (22)
この結果、薄膜11が設けられていない場合には不要光となっていた光を光導波路内に閉じ込め、導波モードと回折格子の位相整合させることができ、設計次数の回折効率を向上させることが可能となる。また、設計次数の回折効率を向上と同時に設計次数±1次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度(画面外光入射角度)で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減することができる。
As a result, the light that would have been unnecessary light when the
本実施形態において、式(22)は、以下の式(22a)を満たすことが好ましい。 In the present embodiment, the formula (22) preferably satisfies the following formula (22a).
0≦(neq−n2)×d/λ<0.2 … (22a)
このとき、式(22)の位相差がN×λ(Nは1以上の整数)でも位相整合条件となるが、この条件では波長依存性が大きく、可視波長全域で満足することが困難のため、好ましくない。 本実施形態において、比屈折率差Δは、使用波長帯域における長波長側よりも短波長側が小さい(使用波長帯域における第1の波長(λ1)に関する比屈折率差は、第1の波長よりも長い第2の波長(λ2>λ1)に関する比屈折率差よりも小さい)。これにより、波長依存性をより効果的に低減することができる。また、比屈折率差Δおよび使用波長の波長λが以下の式(24)を満たすことにより、波長依存性を低減することができる。
0 ≦ (n eq −n 2 ) × d / λ <0.2… (22a)
At this time, even if the phase difference in the equation (22) is N × λ (N is an integer of 1 or more), the phase matching condition is satisfied, but under this condition, the wavelength dependence is large and it is difficult to satisfy the entire visible wavelength range. , Not preferable. In the present embodiment, the specific refractive index difference Δ is smaller on the short wavelength side than on the long wavelength side in the used wavelength band (the specific refractive index difference with respect to the first wavelength (λ1) in the used wavelength band is larger than the first wavelength. Less than the differential index difference for the long second wavelength (λ2> λ1)). Thereby, the wavelength dependence can be reduced more effectively. Further, the wavelength dependence can be reduced by satisfying the following equation (24) for the specific refractive index difference Δ and the wavelength λ of the wavelength used.
0.01<Δ/λ<0.08 … (24)
また本実施形態において、薄膜11の材料のアッべ数を、回折格子31(第2の回折格子)の材料のアッべ数よりも大きくすることにより、波長依存性を低減することができる。
0.01 <Δ / λ <0.08… (24)
Further, in the present embodiment, the wavelength dependence can be reduced by increasing the number of materials of the
以上の関係を満たす薄膜11の材料および膜幅Wを適切に設定することにより、本実施形態の効果を得ることができる。
The effect of this embodiment can be obtained by appropriately setting the material of the
また、薄膜11の屈折率n1は、以下の式(25)を満たすことが好ましい。
Further, the refractive index n 1 of the
1.64<n1<1.75 … (25)
式(25)を満足することにより、以下の実施例1〜6で説明するように、波長依存性および偏光依存性を低減した回折光学素子を構成する薄膜、および回折格子の材料の選択性を広げることができる。式(25)の下限を満たさないと、薄膜の屈折率と回折格子の屈折率がともに小さくなる。この場合、薄膜材料の選択性が限られ、または薄膜材料コストが上がってしまう。さらに、薄膜に合わせて可視波長帯域全域で高い回折格子を得る材料の選択性も狭くなる。
1.64 <n 1 <1.75 ... (25)
By satisfying the formula (25), as described in Examples 1 to 6 below, the selectivity of the material of the thin film and the diffraction grating constituting the diffractive optical element with reduced wavelength dependence and polarization dependence can be determined. Can be expanded. If the lower limit of the formula (25) is not satisfied, both the refractive index of the thin film and the refractive index of the diffraction grating become small. In this case, the selectivity of the thin film material is limited, or the cost of the thin film material increases. Further, the selectivity of the material for obtaining a high diffraction grating in the entire visible wavelength band according to the thin film is narrowed.
式(25)の上限を満たさないと、波長特性を低減することが難しくなる。また、薄膜の屈折率と回折格子の屈折率がともに大きくなる。この場合、可視波長帯域全域で高い回折格子を得る材料の選択性も狭くなってしまう。より好ましくは、以下の式(26)を満たす。 If the upper limit of the formula (25) is not satisfied, it becomes difficult to reduce the wavelength characteristics. In addition, both the refractive index of the thin film and the refractive index of the diffraction grating increase. In this case, the selectivity of the material for obtaining a high diffraction grating in the entire visible wavelength band is also narrowed. More preferably, the following formula (26) is satisfied.
1.65<n1<1.70 … (26)
なお、薄膜11の材料は特に限定されるものではない。薄膜11の材料としては、例えば、Al2O3、ZrO2、La2O3、Y2O3、HfO2、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、SiO2などの酸化物、LaF3、NdF3、CeF3、MgF2などのフッ化物を採用することができる。また、薄膜11の材料として、ZnS,CdS,ZnSe,ZnTeなどの化合物や、上記材料の混合物や化合物などを採用することもできる。また、薄膜11の材料として、アクリル系、フッ素系、ビニル系、エポキシ系などの有機樹脂や、それらの有機樹脂に微粒子を分散させた材料を採用してもよい。
1.65 <n 1 <1.70 ... (26)
The material of the
同様に、薄膜11の製造方法に関しても特に限定されるものではない。例えば、回折格子31を製造し、その後、薄膜11を選択的に形成することができる。具体的には、薄膜11を構成する材料を真空蒸着などの物理蒸着手法やスピンコート法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でパターニングしてエッチング手法で選択的に形成する手法を用いることができる。また、マスクパターンを用いて選択的に蒸着手法で形成する方法などを用いることができる。また、薄膜11は、後述するように両者の境界面の全域にわたって設けられてもよい。この場合、薄膜11を格子壁面部のみに選択的に形成する必要はない。その後、回折格子21を形成することにより、回折光学素子1を製造することができる。また、回折光学素子1の輪帯ごとに薄膜11の幅または形状を変更(制御)してもよい。
Similarly, the method for producing the
図28は、本実施形態における変形例としての回折光学部10aの拡大断面図である。図28に示されるように、薄膜11を格子壁面のみではなく、回折格子21、31の境界面の全域に設けてもよい。すなわち薄膜11は、格子壁面21bと格子壁面31bとの間から格子面21aと格子面31aとの間まで連続して設けられている。この場合、格子壁面部は前述の関係を満たし、かつ格子面部は反射防止機能を有していればよい。また、格子面の薄膜の屈折率、膜幅が格子壁面と異なっていてもよい。境界面の全域に薄膜を形成するため、容易かつ安価に回折光学素子を製造することができる。例えば、回折格子21を製造した後、格子面から格子壁面全域に薄膜を真空蒸着などの物理蒸着手法やスピンコート法により形成し、その後、回折格子31を形成すればよい。ただし本実施形態は、これに限定されるものではない。更に、境界全域に薄膜を設けることにより、回折格子21、31の互いの密着性を向上させることもできる。格子面と格子壁面の屈折率、膜厚が異なってもよいため、製造方法に応じて格子面の反射防止機能と格子壁面のフレア低減機能を任意に設計することができる。
FIG. 28 is an enlarged cross-sectional view of the diffraction
なお本実施形態では、回折格子21を構成する材料の屈折率n2よりも回折格子31を構成する材料の屈折率n3のほうが小さい場合(n2>n3)を例として説明している。ただし、本実施形態はこれに限定されるものではない。n3>n2の場合には、回折格子の格子形状の向きが逆になるのみであるため、格子壁面による不要光の影響は同様となる。
In this embodiment, the case where the refractive index n 3 of the material constituting the
図4は、本実施形態における回折光学素子1を有する光学系の概略図である。図4の光学系は、カメラなどの撮像装置に適用可能な、回折光学素子1を備えた望遠タイプの撮影光学系であり、第2面に回折面が設けられている。図4の光学系は、その内部に絞り40および回折光学素子1を有する。絞り40は、回折光学素子1に光が入射する入射側とは反対の出射側、すなわち回折光学素子1よりも後側(像面側)に配置されている。41は、結像面であるフィルムまたはCCDやCMOSなどの光電変換素子(撮像素子)である。
FIG. 4 is a schematic view of an optical system having a diffractive
このような光学系に本実施形態の回折光学素子1を適用すれば、撮影光の不要光が低減され、かつ画面外から光束が入射した場合の、結像面に到達する不要光が低減されているため、フレアが少ない撮影レンズが得られる。図4では、前玉のレンズの貼り合せ面に回折光学素子1を設けているが、本実施形態はこれに限定されるものではない。回折光学素子1は、光学系の内部に配置してもよく、または、レンズ表面に設けてもよい。また、撮影レンズ内に複数の回折光学素子1を設けてもよい。なお、回折光学素子1が適用可能な光学系は、図4に示される撮影光学系に限定されるものではない。本実施形態の光学系は、ビデオカメラの撮影レンズ、イメージスキャナや複写機のリーダーレンズなどの広波長域で使用される結像光学系、双眼鏡や望遠鏡などの観察光学系、または、光学式ファインダにも適用可能である。また、回折光学素子1を含む光学系が適用可能な装置も撮像装置に限定されるものではなく、広く光学機器に適用可能である。以下、本実施形態の回折光学素子1の具体例について、実施例1〜6において説明する。
When the diffractive
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。本実施例において、回折格子21はZrO2微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂、回折格子31はITO微粒子を混合させたアクリル系紫外線硬化樹脂からそれぞれ構成されている。格子高さdは10.79μm、設計次数は+1次である。薄膜11は、Al2O3の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Wは0.360μmである。また、薄膜11の波長0.400μmから0.700μmの帯域における消衰係数は、0.0003以下である。具体的には、薄膜11の消衰係数は、波長0.400μmの光に対して最大となり、その値は0.0002である。
First, the diffractive optical element according to the first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, the
表1は、本実施例における回折光学素子の波長λ(μm)ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。n1、n2、n3は、それぞれ、波長λごとの薄膜11を構成する材料の屈折率、回折格子21を構成する材料の屈折率、および、回折格子31を構成する材料の屈折率である。d(μm)は格子高さ、W(μm)は薄膜11の膜幅、Δは式(6)で表される比屈折率差、a’は式(17)で表される値である。WC,TE(μm)、WC,TE(μm)はそれぞれ、式(10)、(11)で表されるTE偏光のカットオフ幅およびTM偏光のカットオフ幅である。WC(μm)は、式(14)で表されるTE偏光のカットオフ幅とTM偏光のカットオフ幅との平均である。W/WCは、式(13)で表される値である。neq,TE、neq,TMはそれぞれ、式(18)、(19)で表されるTE偏光の等価屈折率およびTM偏光の等価屈折率である。neqは、式(23)で表されるTE偏光の等価屈折率とTM偏光の等価屈折率との平均としての等価屈折率である。(neq−n2)d/λは、式(22)で表される、平均の等価屈折率neqと回折格子21の高屈折率材料の屈折率n2との位相差である。
Table 1 shows each parameter and the numerical value of each formula for each wavelength λ (μm ) of the diffractive optical element in this embodiment. n 1 , n 2 , and n 3 are the refractive indexes of the materials constituting the
図5は、本実施例における回折光学部の拡大断面図である。図6は、本実施例において、図4の光学系に関する設計入射角度(撮影光入射角度)の不要光の影響の説明図である。図5および図6において、光軸Oに対して入射する撮影光束A、A’は、基板レンズ2を通過した後、それぞれ光軸Oから上方向に数えてm番目、下方向に数えてm番目の回折格子であるm格子とm’格子にそれぞれ入射する。撮影光束A、A’のm格子、m’格子に対しての入射角度は、重心光線方向である。また、格子壁面1b、1b’の方向は、重心光線方向と等しい。
FIG. 5 is an enlarged cross-sectional view of the diffraction optical unit in this embodiment. FIG. 6 is an explanatory diagram of the influence of unnecessary light on the design incident angle (shooting light incident angle) with respect to the optical system of FIG. 4 in this embodiment. In FIGS. 5 and 6, the photographing luminous fluxes A and A'incident on the optical axis O are the m-th and m-th, respectively, counting upward from the optical axis O after passing through the
図6において、撮影光束Aのm格子から射出する+1次回折光はAm1、0次回折光はAm0、+2次回折光はAm2、撮影光束A’のm’格子から射出する+1次回折光はA’m1、0次回折光はA’m0、+2次回折光はA’m2として示されている。設計次数である+1次回折光Am1、A’m1は、結像面41に結像される。一方、設計次数−1次である0次回折光Am0、A’m0は、結像面41の像側に結像する。設計次数+1次である+2次回折光Am2、A’m2は、結像面41の物体側に結像する。結像面でのスポットサイズが設計次数から離れるほどぼけるため、不要光が目立ちにくくなる。すなわち、設計入射角度(撮影光入射角度)における不要光に関し、設計次数±1次の回折光の回折効率が最も大きく影響を受ける。
In FIG. 6, the + 1st-order refracted light emitted from the m-lattice of the photographing luminous flux A is Am1, the 0th-order diffracted light is Am0, the + 2nd-order diffracted light is Am2, and the + 1st-order diffracted light emitted from the m'lattice of the photographing luminous flux A'is A'm1. The 0th-order diffracted light is shown as A'm0, and the + 2nd-order diffracted light is shown as A'm2. The + 1st-order diffracted light Am1 and A'm1, which are design orders, are imaged on the
図7は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次回折光、0次回折光、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図7は、図3に示される設計入射角度(撮影光入射角度)である入射光束aと図5および図6の入射光束Aを想定して、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。図7(a)〜(c)はそれぞれ、設計次数である+1次回折光、0次回折光、+2次回折光のTE偏光およびTM偏光の回折効率を示している。回折角は、図3の下向きを正の方向としている。 FIG. 7 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light, the 0th-order diffracted light, and the + 2nd-order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in this embodiment. That is, FIG. 7 is an RCWA calculation at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm, assuming the incident luminous flux a which is the design incident angle (photographed light incident angle) shown in FIG. 3 and the incident luminous flux A of FIGS. 5 and 6. The result is shown. 7 (a) to 7 (c) show the diffraction efficiencies of TE-polarized light and TM-polarized light of the + 1st-order diffracted light, the 0th-order diffracted light, and the + 2nd-order diffracted light, which are the design orders, respectively. As for the diffraction angle, the downward direction in FIG. 3 is the positive direction.
図8は、比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次回折光、0次回折光、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図8は、薄膜11を有しない以外、図1と同様の構成を有する回折光学素子(DOE)を用いた場合における、図7に相当する比較例としてのグラフである。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光の+1次回折光の回折効率は向上し、0次回折光および+2次回折光の回折効率は低減する。なお、0次回折光および+2次回折光の回折効率の数値自体は低い数値であるが、高輝度光源、小絞り、長時間露光等の撮影時には不要光として影響してくるため、本実施例の効果は大きい。
FIG. 8 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light, the 0th-order diffracted light, and the + 2nd-order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element as a comparative example. That is, FIG. 8 is a graph as a comparative example corresponding to FIG. 7 when a diffractive optical element (DOE) having the same configuration as that of FIG. 1 is used except that the
図9は、図4の光学系に関する斜入射角度(画面外光入射角度)の不要光の影響の説明図である。図5において、画面外光束B,B’のm格子、m’格子に対しての入射角度はそれぞれ、重心光線方向に対して角度ωi、ωi’である。図10は、回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図10は、図3に示される画面外入射光束bと図5および図9に示される入射光束Bを想定して、入射角度+10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。入射角は、図3の下向きを正の方向としている。 FIG. 9 is an explanatory diagram of the influence of unnecessary light on the oblique incident angle (out-of-screen light incident angle) with respect to the optical system of FIG. In FIG. 5, the angles of incidence of the off-screen luminous fluxes B and B'on the m grid and the m'grid are angles ωi and ωi'with respect to the direction of the center of gravity ray, respectively. FIG. 10 shows the wavelength of the diffractive optical element with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 10 shows the RCWA calculation results at an incident angle of +10 degrees and a grid pitch of 100 μm, assuming the off-screen incident luminous flux b shown in FIG. 3 and the incident luminous flux B shown in FIGS. 5 and 9. As for the incident angle, the downward direction in FIG. 3 is the positive direction.
図10は、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。+10度付近の数値が表示範囲を超えているのは、設計次数である+1次回折光付近での回折効率であるため回折効率の数値が高いためである。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、+1次回折光は結像面に到達しないため、その影響は小さい。図10(a)〜(c)は、波長0.400μm、0.550μm、0.700μmのそれぞれのTE偏光およびTM偏光の結果である。図10に示されるように、不要光は特定角度方向にピークを有する不要光となって伝播する。この不要光は、略−10度方向にピークを有し、この伝播方向は格子壁面に入射する画面外入射角度+10度光束の成分が全反射して伝播する射出方向−10度方向と略等しい。図11は、比較例としての回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。図11は、薄膜11を有しない以外、図3と同様の構成を有する回折光学素子を用いた場合の、図10に相当する比較例としてのグラフを示している。
FIG. 10 is a result of enlarging the portion of the vertical axis having low diffraction efficiency and displaying the high diffraction angle range by changing the horizontal axis from the diffraction order to the diffraction angle. The reason why the numerical value near +10 degrees exceeds the display range is that the numerical value of the diffraction efficiency is high because it is the diffraction efficiency near the + 1st order diffracted light which is the design order. The diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light, which is the design order, is concentrated, but the effect is small because the + 1st-order diffracted light does not reach the image plane. 10 (a) to 10 (c)
画面外光+10度入射の不要光のうち、設計入射角度の+1次回折光の回折角+0.19度付近に射出する不要光が像面に到達することになる(図9のBm)。回折光学素子の後段の光学系により、画面外入射光の不要光が像面に到達する回折次数および回折角度は異なる(図9ではBm〜Bm+)。しかし、いかなる光学系であっても少なくとも設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度に略一致する画面外光による不要光の回折光は像面に到達するため、像性能の低下を招く。図10に示される−10度方向の不要光ピーク角度は、図11と略同一である。しかしが、不要光の広がりは図10と図11とで互いに異なり、図10の回折角+0.19度付近の回折効率は、薄膜を設けていない回折格子と比較して可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光がいずれも低減している。本実施例において、不要光は、格子壁面付近に入射する光束bの一部は、薄膜11の内部に閉じ込められ、光導波路のように伝播し、これらの光束が射出後に干渉する結果、像面に到達する光束が比較例よりも減少していると考えられる。
Of the unnecessary light incident on the screen outside light +10 degrees, the unnecessary light emitted near the diffraction angle +0.19 degrees of the +1st-order diffracted light of the design incident angle reaches the image plane (Bm in FIG. 9). Depending on the optical system in the subsequent stage of the diffractive optical element, the diffraction order and the diffraction angle at which the unnecessary light of the off-screen incident light reaches the image plane differ (Bm to Bm + in FIG. 9). However, in any optical system, the diffracted light of unnecessary light due to the off-screen light that substantially matches the diffraction angle propagated by the design diffraction order at least at the design incident angle reaches the image plane, which causes deterioration of the image performance. The unnecessary light peak angle in the −10 degree direction shown in FIG. 10 is substantially the same as that in FIG. However, the spread of unnecessary light differs between FIGS. 10 and 11, and the diffraction efficiency in the vicinity of the diffraction angle +0.19 degrees in FIG. 10 is higher in the entire visible wavelength band as compared with the diffraction grating without the thin film. Both TE polarization and TM polarization are reduced. In this embodiment, in the unnecessary light, a part of the luminous flux b incident near the lattice wall surface is confined inside the
図12は、本実施例における回折光学素子の画面外入射−10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図12は、図3に示される入射光束cと図5および図9に示す入射光束B’とを想定して、入射角度−10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。入射角は、図3の下向きを正の方向としている(図5のm’格子では上向きが正の方向となる)。図12は、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。−10度付近の数値が表示範囲を超えているのは、設計次数である+1次回折光付近での回折効率の数値が高いためである。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、+1次回折光は結像面に到達しないため、その影響は小さい。図12(a)〜(c)は、波長0.400μm、0.550μm、0.700μmのそれぞれのTE偏光およびTM偏光の結果である。
FIG. 12 shows a wavelength of 0. 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 12 shows the RCWA calculation results at an incident angle of -10 degrees and a lattice pitch of 100 μm, assuming the incident luminous flux c shown in FIG. 3 and the incident luminous flux B'shown in FIGS. 5 and 9. The angle of incidence is positive in the downward direction in FIG. 3 (upward is the positive direction in the m'lattice in FIG. 5). FIG. 12 is a result showing the high diffraction angle range by enlarging the portion of the vertical axis having low diffraction efficiency and changing the horizontal axis from the diffraction order to the diffraction angle. The numerical value near -10 degrees exceeds the display range because the numerical value of the diffraction efficiency near the +1st order diffracted light, which is the design order, is high. The diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light, which is the design order, is concentrated, but the effect is small because the + 1st-order diffracted light does not reach the image plane. 12 (a) to 12 (c)
図13は、比較例としての回折光学素子の画面外入射−10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。図13は、薄膜11を有しない以外、図3と同様の構成を有する回折光学素子を用いた場合の、図12に相当する比較例としてのグラフである。不要光は、図12に示されるように、特定角度方向にピークをもつ不要光となって伝播する。図13と比較すると、+方向の不要光のピークは増加し、−方向の不要光のピークは減少している。これは、格子壁面に設けた薄膜により、低屈折率媒質側から格子壁面に入射した光束の一部が反射することで+方向の不要光が増加し、−方向の透過に起因する不要光が減少していることを意味している。図4および図9に示される光学系において、設計入射角における設計回折次数が伝播する回折角度+0.19度に略一致する画面外光による不要光の回折光は、比較例に比べて増加している。しかし、回折効率の数値が極めて小さく、また、m格子による影響のほうが大きいため、像性能の低下に対しての影響は小さい。
FIG. 13 shows a wavelength of 0. 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. FIG. 13 is a graph as a comparative example corresponding to FIG. 12 when a diffractive optical element having the same configuration as that of FIG. 3 is used except that the
このように、本実施例の回折光学素子を適用した光学系において、不要光の影響が小さいm’格子の不要光の増加を影響ない程度に抑制し、不要光の影響が大きいm格子の不要光を大幅に減少させることができる。この結果、結像面に到達する不要光が小さくなるため、像性能の低下を抑制することができる。なお本実施例では、格子ピッチを100μmとしている。また、格子ピッチの広い輪帯においては、壁面の寄与が小さくなるため、設計次数の回折効率は相対的に高く、不要光の回折効率は相対的に低くなる。また、図示していないが、不要光の伝播方向には格子ピッチに依存せず、伝播方向は同じである。このため、基準の一つとして、格子ピッチ100μmの回折効率を示している。 As described above, in the optical system to which the diffractive optical element of this embodiment is applied, the increase of unnecessary light of the m'lattice, which is less affected by unnecessary light, is suppressed to the extent that it is not affected, and the m lattice, which is greatly affected by unnecessary light, is unnecessary. Light can be significantly reduced. As a result, unnecessary light reaching the image plane is reduced, so that deterioration of image performance can be suppressed. In this embodiment, the lattice pitch is set to 100 μm. Further, in the ring zone having a wide lattice pitch, the contribution of the wall surface is small, so that the diffraction efficiency of the design order is relatively high and the diffraction efficiency of unnecessary light is relatively low. Further, although not shown, the propagation direction of unnecessary light does not depend on the lattice pitch, and the propagation direction is the same. Therefore, as one of the criteria, the diffraction efficiency with a lattice pitch of 100 μm is shown.
また本実施例において、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)を想定している。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。一方、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、本実施例では画面外光束の入射角は略+10度を想定している。 Further, in this embodiment, the incident angles of the off-screen luminous fluxes B and B'are assumed to be +10 degrees outside the screen (incident angle ω is +13.16 degrees with respect to the optical axis direction). At an angle smaller than this incident angle, ghosts due to reflection on the lens surface and the image plane surface and scattering due to the inside of the lens and surface minute irregularities are often scattered, so that unnecessary light from the diffractive optical element is relatively inconspicuous. On the other hand, at an angle larger than this incident angle, the influence of unnecessary light of the diffractive optical element is relatively small due to reflection on the front lens surface and shading by the lens barrel. Therefore, the incident light flux outside the screen has the greatest effect on the unnecessary light of the diffractive optical element at around +10 degrees, and in this embodiment, the incident angle of the incident light flux outside the screen is assumed to be approximately +10 degrees.
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、薄膜11の材料は実施例1と同様であり、薄膜11の幅Wは0.450μmである。回折光学素子の他の構成は、実施例1と同様である。表2は、表1と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ(μm)ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
Next, the diffractive optical element according to the second embodiment of the present invention will be described. In the diffractive optical element of this embodiment, the material of the
図14は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次、0次、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図14は、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光の両方に関する+1次回折光の回折効率は向上し、0次回折光および+2次回折光の回折効率は低減している。 FIG. 14 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st, 0th, and + 2nd order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in this embodiment. That is, FIG. 14 shows the RCWA calculation results at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Compared to a diffraction grating without a thin film, the diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light for both TE-polarized light and TM-polarized light is improved, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light and the + 2nd-order diffracted light is reduced in the entire visible wavelength band. There is.
図15は、本実施例における回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図15は、入射角度+10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。TE偏光およびTM偏光の両方に関する回折角+0.19度付近の回折効率は、薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。 FIG. 15 shows the wavelength of the diffractive optical element in this embodiment with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 15 shows the RCWA calculation results at an incident angle of +10 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Diffraction efficiency near +0.19 degrees diffraction angle for both TE-polarized light and TM-polarized light is reduced over the entire visible wavelength band as compared to a diffraction grating without a thin film.
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。本実施例の回折光学素子において、薄膜11の材料は実施例1と同様であり、薄膜11の幅Wは0.300μmである。回折光学素子の他の構成は、実施例1と同様である。表3は、表1と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ(μm)ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
Next, the diffractive optical element according to the third embodiment of the present invention will be described. In the diffractive optical element of this embodiment, the material of the
波長0.600μm以上において、薄膜11の幅Wは、TE偏光の場合には式(10)、TM偏光の場合には式(11)の単一モードのカットオフ幅未満になる。このため、式(7)、(8)は解を持たず、等価屈折率を求めることができない。
図16は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次、0次、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図16は、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光の両方に関する+1次回折光の回折効率は向上し、0次回折光および+2次回折光の回折効率は低減している。 FIG. 16 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st, 0th, and + 2nd order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in this embodiment. That is, FIG. 16 shows the RCWA calculation results at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Compared to a diffraction grating without a thin film, the diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light for both TE-polarized light and TM-polarized light is improved, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light and the + 2nd-order diffracted light is reduced in the entire visible wavelength band. There is.
図17は、本実施例における回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図17は、入射角度+10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。TE偏光およびTM偏光の両方に関する回折角+0.19度付近の回折効率は、薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。 FIG. 17 shows the wavelength of the diffractive optical element in this embodiment with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 17 shows the RCWA calculation results at an incident angle of +10 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Diffraction efficiency near +0.19 degrees diffraction angle for both TE-polarized light and TM-polarized light is reduced over the entire visible wavelength band as compared to a diffraction grating without a thin film.
続いて、本実施例の効果をより明確に示すため、比較例を用いて説明する。図18は、比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次回折光の回折効率のグラフである。図18は、特許文献2に開示された回折光学素子に相当し、式(6)の比屈折率差Δが0.045の場合に薄膜の膜幅を変化させたときの入射角度0度の+1次回折光の回折効率のRCWA計算結果を示している。この回折光学素子は、波長0.550μmにおいて、n1=1.70135、n2=1.62298、n3=1.57243、Δ/λ=0.0818の特性を有する。図18は、格子ピッチ100μm、波長0.400μm、0.550μm、0.700μmのそれぞれの結果を示している。+1次回折光の回折効率が最も高くなる膜幅は、波長および偏光の両方に応じて異なり、波長依存性および偏光依存性が高い。例えば、波長0.700μmのTM偏光のピークの膜幅0.200〜0.220μmは、波長0.400μmのTE偏光では極めて低くなっている。
Subsequently, in order to show the effect of this example more clearly, it will be described with reference to a comparative example. FIG. 18 is a graph of the diffraction efficiency of the +1st order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element as a comparative example. FIG. 18 corresponds to the diffraction optical element disclosed in
図19は、比較例としての回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図19は、式(6)の比屈折率差Δが0.045の場合に、薄膜の膜幅0.120μmのとき(W/Wc=0.99)の入射角度+10度におけるRCWA計算結果を示している。波長0.400μm、0.550μmと比較して、波長0.700μmの回折角+0.19度付近の回折効率および波長依存性が高く、また、TE偏光とTM偏光の偏光依存性も大きい。その結果、フレアの色付きが大きくなる。
FIG. 19 shows a wavelength of 0. 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, in FIG. 19, when the specific refractive index difference Δ of the formula (6) is 0.045, the film width of the thin film is 0. The RCWA calculation result at an incident angle of +10 degrees at 120 μm (W / Wc = 0.99) is shown.
図20は、比較例としての回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次回折光の回折効率のグラフである。図20は、特許文献1に開示された回折光学素子に相当し、式(6)の比屈折率差Δが0.005の場合に薄膜の膜幅を変化させたときの、入射角度0度の+1次回折光の回折効率のRCWA計算結果を示している。この回折光学素子は、波長0.550μmにおいて、n1=1.63116、n2=1.62298、n3=1.57243、Δ/λ=0.0091の特性を有する。図20は、格子ピッチ100μm、波長0.400μm、0.550μm、0.700μmのそれぞれの結果を示している。図18と比較して、偏光依存性が小さくなっている。これは、非対称3層平板導波路の偏光依存性が、式(6)の比屈折率差Δに依存するためである。このため、比屈折率差Δが小さい場合、導波モードの等価屈折率の偏光依存性が小さく、回折光学素子に適用した場合にも偏光依存性が小さくなる。
FIG. 20 is a graph of the diffraction efficiency of the +1st order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element as a comparative example. FIG. 20 corresponds to the diffraction optical element disclosed in
図21は、比較例としての回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図21は、式(6)の比屈折率差Δが0.005の場合に薄膜11の幅が0.700μmのとき(W/Wc=1.09)の入射角度+10度におけるRCWA計算結果を示している。波長0.400μm、0.550μm、0.700μmのいずれの場合でも、回折角+0.19度付近の回折効率は十分小さい値になっていない。
FIG. 21 shows the wavelength of the diffractive optical element as a comparative example with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, in FIG. 21, when the specific refractive index difference Δ of the formula (6) is 0.005, the width of the
図22は、比較例としての回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.550μmの回折効率のグラフである。すなわち図22は、薄膜の膜幅を変化させた場合の、入射角度+10度の波長550nm、TE偏光におけるRCWA計算結果を示している。比屈折率差Δが小さい場合、膜幅を変化させても回折効率が小さい値が得られない。これは、比屈折率差Δが小さいと導波路の閉じ込め係数が小さくなるため、設計回折光である+1次光と−格子壁面で反射し、−10deg方向に伝搬するフレア光とを分離することができなくなるためと考えられる。 FIG. 22 shows a wavelength of 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 550 μm. That is, FIG. 22 shows the RCWA calculation result at an incident angle of +10 degrees, a wavelength of 550 nm, and TE polarized light when the film width of the thin film is changed. When the specific refractive index difference Δ is small, a value having a small diffraction efficiency cannot be obtained even if the film width is changed. This is because when the specific refractive index difference Δ is small, the confinement coefficient of the waveguide becomes small, so the +1st order light, which is the design diffracted light, and the flare light reflected by the-lattice wall surface and propagating in the -10 deg direction are separated. It is thought that this is because it becomes impossible.
図23は、実施例1〜3における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図23は、実施例1〜3の各屈折率、格子高さで薄膜の膜幅を変化させた場合の、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおける波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの+1次回折光の回折効率のRCWA計算結果を示している。図18と比較して、波長依存性および偏光依存性が低減している。また、入射角度+10度の結果は、実施例1〜3の図10、図15、図17に示されるように、図21および図22と比較して、回折角+0.19度付近の回折効率が低い値となっている。このため、斜入射角度による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができ、かつ波長依存性および偏光依存性を低減することが可能である。
FIG. 23 is a graph of the diffraction efficiency of the +1st order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in Examples 1 to 3. That is, FIG. 23 shows the
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。本実施例の回折光学素子は、薄膜11の屈折率n1および幅Wに関し、実施例1〜3の回折光学素子と異なる。本実施例の回折光学素子において、薄膜11はAl2O3とZrO2の混合材料の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Wは0.160μmである。また、薄膜11の波長0.400μmから0.700μmの帯域における消衰係数は、0.0003以下である。具体的には、薄膜11の消衰係数は、波長0.400μmの光に対して最大となり、その値は0.0002である。
回折光学素子の他の構成は、実施例1〜3と同様である。表4は、表1と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ(μm)ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
Next, the diffractive optical element according to the fourth embodiment of the present invention will be described. The diffractive optical element of this embodiment relates to a refractive index n 1 and a width W of the
Other configurations of the diffractive optical element are the same as those of Examples 1 to 3. Similar to Table 1, Table 4 shows each parameter and the numerical value of each formula for each wavelength λ (μm) of the diffractive optical element in this embodiment.
波長0.650μm以上において、薄膜11の幅Wは、TE偏光の場合には式(10)、TM偏光の場合には式(11)の単一モードのカットオフ幅未満になる。このため、式(7)、(8)は解を持たず、等価屈折率を求めることができない。
図24は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次、0次、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図24は、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光の両方に関する+1次回折光の回折効率は向上し、0次回折光および+2次回折光の回折効率は低減している。 FIG. 24 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st, 0th, and + 2nd order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in this embodiment. That is, FIG. 24 shows the RCWA calculation results at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Compared with the conventional diffractive optical element, the diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light for both TE-polarized light and the TM-polarized light is improved, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light and the + 2nd-order diffracted light is reduced in the entire visible wavelength band.
図25は、本実施例における回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図25は、入射角度+10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。TE偏光およびTM偏光の両方に関する回折角+0.19度付近の回折効率は、従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。 FIG. 25 shows the wavelength of the diffractive optical element in this embodiment with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 25 shows the RCWA calculation results at an incident angle of +10 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Diffraction efficiency near +0.19 degrees diffraction angle for both TE-polarized light and TM-polarized light is reduced over the entire visible wavelength band as compared with conventional diffraction optics.
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。本実施例の回折光学素子は、薄膜11の屈折率n1および幅Wに関し、実施例1〜4の回折光学素子と異なる。本実施例の回折光学素子において、薄膜11はAl2O3の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Wは0.400μmである。また、薄膜11の波長0.400μmから0.700μmの帯域における消衰係数は、0.0003以下である。具体的には、薄膜11の消衰係数は、波長0.400μmの光に対して最大となり、その値は0.0002である。回折光学素子の他の構成は、実施例1〜4と同様である。表5は、表1と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ(μm)ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
Next, the diffractive optical element according to the fifth embodiment of the present invention will be described. The diffractive optical element of this embodiment relates to a refractive index n 1 and a width W of the
図26は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次、0次、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図26は、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光の両方に関する+1次回折光の回折効率は向上し、0次回折光および+2次回折光の回折効率は低減している。 FIG. 26 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st, 0th, and + 2nd order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in this embodiment. That is, FIG. 26 shows the RCWA calculation results at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Compared with the conventional diffractive optical element, the diffraction efficiency of the + 1st-order diffracted light for both TE-polarized light and the TM-polarized light is improved, and the diffraction efficiency of the 0th-order diffracted light and the + 2nd-order diffracted light is reduced in the entire visible wavelength band.
図27は、本実施例における回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図27は、入射角度+10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。TE偏光およびTM偏光の両方に関する回折角+0.19度付近の回折効率は、従来の回折光学素子と比較して、可視波長帯域全域において低減している。 FIG. 27 shows the wavelength of the diffractive optical element in this embodiment with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 27 shows the RCWA calculation results at an incident angle of +10 degrees and a lattice pitch of 100 μm. Diffraction efficiency near +0.19 degrees diffraction angle for both TE-polarized light and TM-polarized light is reduced over the entire visible wavelength band as compared with conventional diffraction optics.
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。本実施例の回折光学素子は、回折格子および薄膜の屈折率n1および幅Wに関し、実施例1〜5の回折光学素子と異なる。 Next, the diffractive optical element according to the sixth embodiment of the present invention will be described. The diffractive optical element of this example is different from the diffractive optical element of Examples 1 to 5 in terms of the refractive index n 1 and the width W of the diffraction grating and the thin film.
本実施例の回折光学素子において、回折格子21はZrO2微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂、回折格子31はITO微粒子を混合させた紫外線硬化樹脂からそれぞれ構成されている。材料の屈折率は実施例1〜4の材料より高い材料で構成され、格子高さdは実施例1〜4と同等の10.80μm、設計次数は+1次である。薄膜11はAl2O3とLa2O3の化合物材料の薄膜から構成され、積層面である格子壁面に垂直な方向の厚さまたは幅Wは0.340μmである。実施例1と比較して回折格子の材料の屈折率、薄膜の材料の屈折率がともに高く、且つΔが同等の場合である。また、薄膜11の波長0.400μmから0.700μmの帯域における消衰係数は、0.0003以下である。具体的には、薄膜11の消衰係数は、波長0.400μmの光に対して最大となり、その値は0.0003である。表6は、表1と同様に、本実施例における回折光学素子の波長λ(μm)ごとの各パラメータおよび各式の数値を示している。
In the diffraction optical element of this embodiment, the
波長0.700μmにおいて、薄膜11の幅Wは、TE偏光の場合には式(10)、TM偏光の場合には式(11)の単一モードのカットオフ幅未満になる。このため、式(7)、(8)は解を持たず、等価屈折率を求めることができない。
図29は、本実施例における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次、0次、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図29は、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。図30は、比較例としての薄膜11を有しない以外、図1と同様の構成を有する回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次、0次、+2次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図29に相当する比較例としてのグラフである。薄膜を設けていない回折格子と比較して、可視波長帯域全域において、TE偏光およびTM偏光の両方に関する+1次回折光の回折効率は向上し、0次回折光および+2次回折光の回折効率は低減している。
FIG. 29 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st, 0th, and + 2nd order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in this embodiment. That is, FIG. 29 shows the RCWA calculation results at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm. FIG. 30 is a graph of the diffraction efficiency of the + 1st, 0th, and + 2nd order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element having the same configuration as that of FIG. 1 except that the
図31は、本実施例における回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。すなわち図31は、入射角度+10度、格子ピッチ100μmにおけるRCWA計算結果を示している。図32は、比較例としての薄膜11を有しない以外、図1と同様の構成を有する回折光学素子の画面外入射+10度光束に対する波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの回折効率のグラフである。不要光の広がりは、図31と図32とで互いに異なり、図31のTE偏光およびTM偏光のそれぞれに関する回折角+0.19度付近の回折効率は、図32(薄膜を設けていない回折格子の回折効率)と比較して、可視波長帯域全域において低減している。
FIG. 31 shows the wavelength of the diffractive optical element in this embodiment with respect to the extrascreen incident + 10 degree luminous flux . 400 μm , 0. 550 μm , 0. It is a graph of the diffraction efficiency of 700 μm. That is, FIG. 31 shows the RCWA calculation results at an incident angle of +10 degrees and a lattice pitch of 100 μm. FIG. 32 shows an out-of-screen incident + 10 degree luminous flux of a diffractive optical element having the same configuration as that of FIG. 1 except that the
図33は、実施例6における回折光学素子の設計入射角度光束に対する+1次回折光の回折効率のグラフである。すなわち図33は、実施例6の各屈折率、格子高さで薄膜の膜幅を変化させた場合の、入射角度0度、格子ピッチ100μmにおける波長0.400μm、0.550μm、0.700μmの+1次回折光の回折効率のRCWA計算結果を示している。実施例1〜3で示した図23と同様に、波長依存性および偏光依存性が低減している。
FIG. 33 is a graph of the diffraction efficiency of the +1st order diffracted light with respect to the design incident angle luminous flux of the diffractive optical element in Example 6. That is, FIG. 33 shows a wavelength of 0 at an incident angle of 0 degrees and a lattice pitch of 100 μm when the film width of the thin film is changed according to each refractive index and lattice height of Example 6. 400 μm , 0. 550 μm , 0. The RCWA calculation result of the diffraction efficiency of the + 1st order diffracted light of 700 μm is shown. Similar to FIGS. 23 shown in Examples 1 to 3, the wavelength dependence and the polarization dependence are reduced.
実施例6は比較例との関係も実施例1と同等であることがわかる。実施例6は、実施例1と比較して、回折格子の材料の屈折率、薄膜の材料の屈折率がともに高く、かつ比屈折率差Δが同等である。このため、波長依存性および偏光依存性を低減する回折光学素子は回折格子の屈折率、薄膜の屈折率の絶対値ではなく、比屈折率差Δに依存していることがわかる。 It can be seen that Example 6 has the same relationship with Example 1 as in Example 1. In Example 6, both the refractive index of the material of the diffraction grating and the refractive index of the material of the thin film are higher than those of Example 1, and the specific refractive index difference Δ is the same. Therefore, it can be seen that the diffractive optical element that reduces the wavelength dependence and the polarization dependence depends not on the absolute values of the refractive index of the diffraction grating and the refractive index of the thin film, but on the specific refractive index difference Δ.
ただし、図23と図33とを比較すると、波長依存性は図23のほうが低いことがわかる。このため、薄膜および回折格子の材料の屈折率より低い組み合せのほうが波長依存性がより低く、より好ましい構成であることがわかる。 However, when FIG. 23 and FIG. 33 are compared, it can be seen that the wavelength dependence is lower in FIG. 23. Therefore, it can be seen that the combination of the thin film and the material of the diffraction grating having a lower refractive index has a lower wavelength dependence and is a more preferable configuration.
各実施例の回折光学素子によれば、設計入射角度で入射する光束の設計次数の回折効率を向上し、設計次数±1次の回折効率を低減させ、かつ斜入射角度(画面外光入射角度)で入射する光束による不要光のうち、結像面に到達する不要光を低減させることができる。更に各実施例によれば、波長依存性および偏光依存性を低減して所望の波長特性および偏光特性を有する回折光学素子、光学系、および、光学機器を提供することができる。 According to the diffractive optical element of each embodiment, the diffraction efficiency of the design order of the luminous flux incident at the design incident angle is improved, the diffraction efficiency of the design order ± 1st order is reduced, and the oblique incident angle (out-of-screen light incident angle). ), Among the unnecessary light due to the incident light beam, the unnecessary light that reaches the imaging surface can be reduced. Further, according to each embodiment, it is possible to provide a diffractive optical element, an optical system, and an optical device having desired wavelength characteristics and polarization characteristics by reducing wavelength dependence and polarization dependence.
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。 Although preferred embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and modifications can be made within the scope of the gist thereof.
1 回折光学素子
11 薄膜
21 回折格子(第1の回折格子)
31 回折格子(第2の回折格子)
1 Diffractive
31 Diffraction grating (second diffraction grating)
Claims (14)
第2の格子面及び第2の格子壁面を備えた第2の回折格子と、
前記第1及び第2の格子壁面の両方と接する薄膜とを有し、
使用波長帯域における波長λ(μm)に対する前記薄膜の消衰係数は0.0005以下であり、
前記薄膜、前記第1の回折格子、及び前記第2の回折格子の夫々の材料の前記波長λに対する屈折率をn1、n2、及びn3、前記薄膜の幅をWとし、
とするとき、
n1>n2>n3
0.005<Δ<0.045
0.5≦W/WC≦2.0
なる条件式を満たし、
前記薄膜の材料のアッべ数は、前記第2の回折格子の材料のアッべ数よりも大きいことを特徴とする回折光学素子。 A first diffraction grating having a first grating surface and a first lattice wall surface,
A second diffraction grating having a second grating surface and a second lattice wall surface,
It has a thin film in contact with both the first and second lattice walls, and has.
The extinction coefficient of the thin film with respect to the wavelength λ (μm ) in the wavelength band used is 0.0005 or less.
The refractive index of each material of the thin film, the first diffraction grating, and the second diffraction grating with respect to the wavelength λ is n 1 , n 2 , and n 3 , and the width of the thin film is W.
When
n 1 > n 2 > n 3
0.005 <Δ <0.045
0.5 ≦ W / W C ≦ 2.0
Satisfy the conditional expression
A diffractive optical element characterized in that the number of materials of the thin film is larger than the number of materials of the second diffraction grating.
により定義される範囲において
なる式を満足し、
とするとき、
0≦(neq−n2)×d/λ<0.3
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1に記載の回折光学素子。 When the lattice heights of the first and second diffraction gratings are d (μm) and the propagation constants of TE polarized light and TM polarized light in the thin film are β TE and β TM , respectively.
In the range defined by
Satisfying the formula
When
0 ≦ (n eq −n 2 ) × d / λ <0.3
The diffractive optical element according to claim 1, wherein the diffractive optical element satisfies the conditional expression.
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至3の何れか一項に記載の回折光学素子。 0.01 <Δ / λ <0.08
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the diffractive optical element satisfies the conditional expression.
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至5の何れか一項に記載の回折光学素子。 1.64 <n 1 <1.75
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 5, wherein the diffractive optical element satisfies the conditional expression.
νd2>35
νd3<25
0.960≦(n2−n3)×d/(m×λ)≦1.040
なる条件式を満たすことを特徴とする請求項1乃至6の何れか一項に記載の回折光学素子。 When the number of materials of the first and second diffraction gratings is νd2 and νd3, respectively, and the design order is m,
νd2> 35
νd3 <25
0.960 ≤ (n 2- n 3 ) x d / (m x λ) ≤ 1.040
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 6, wherein the diffractive optical element satisfies the conditional expression.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US15/149,245 US10133084B2 (en) | 2015-05-15 | 2016-05-09 | Diffractive optical element, optical system, and optical apparatus which reduce generation of unnecessary light |
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2015099964 | 2015-05-15 | ||
| JP2015099964 | 2015-05-15 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2016218436A JP2016218436A (en) | 2016-12-22 |
| JP2016218436A5 JP2016218436A5 (en) | 2019-05-30 |
| JP6873602B2 true JP6873602B2 (en) | 2021-05-19 |
Family
ID=57581153
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2016084952A Active JP6873602B2 (en) | 2015-05-15 | 2016-04-21 | Diffractive optical elements, optical systems, and optical equipment |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP6873602B2 (en) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP7106279B2 (en) * | 2017-02-20 | 2022-07-26 | キヤノン株式会社 | Diffractive optical element and optical equipment |
| US10845516B2 (en) | 2017-02-20 | 2020-11-24 | Canon Kabushiki Kaisha | Diffractive optical element |
| WO2018179164A1 (en) * | 2017-03-29 | 2018-10-04 | キヤノン株式会社 | Diffractive optical element, optical system having same, image pickup device, and lens device |
| JP2019066756A (en) * | 2017-10-04 | 2019-04-25 | キヤノン株式会社 | Optical system and optical apparatus provided with diffractive optical element |
| JP7071085B2 (en) * | 2017-10-12 | 2022-05-18 | キヤノン株式会社 | Diffractive optical element, optical system, and image pickup device |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011099550A1 (en) * | 2010-02-15 | 2011-08-18 | 株式会社ニコン | Optical element and optical system |
| JP2014170109A (en) * | 2013-03-04 | 2014-09-18 | Canon Inc | Diffraction optical element, optical system and optical device |
-
2016
- 2016-04-21 JP JP2016084952A patent/JP6873602B2/en active Active
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2016218436A (en) | 2016-12-22 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5777353B2 (en) | Diffractive optical element, optical system, and optical instrument | |
| US10133084B2 (en) | Diffractive optical element, optical system, and optical apparatus which reduce generation of unnecessary light | |
| JP6873602B2 (en) | Diffractive optical elements, optical systems, and optical equipment | |
| US8681424B2 (en) | Diffractive optical element containing grating surface and grating wall surface, and optical system having the same | |
| JP7071085B2 (en) | Diffractive optical element, optical system, and image pickup device | |
| JP5676929B2 (en) | Diffractive optical element, optical system and optical instrument | |
| KR101058992B1 (en) | Optical elements and optical instruments | |
| JP2014170109A (en) | Diffraction optical element, optical system and optical device | |
| JP5676928B2 (en) | Diffractive optical element, optical system, and optical instrument | |
| US20120087008A1 (en) | Diffractive optical element, optical system, and optical apparatus | |
| JP5676930B2 (en) | Diffractive optical element, optical system and optical instrument | |
| JP5765998B2 (en) | Diffractive optical element, optical system and optical instrument | |
| JP5615065B2 (en) | Diffractive optical element, optical system and optical instrument | |
| JP2019066756A (en) | Optical system and optical apparatus provided with diffractive optical element | |
| JP2011022319A (en) | Diffraction optical element, optical system and optical apparatus | |
| JP5676927B2 (en) | Diffractive optical element, optical system, and optical instrument | |
| JP2002062419A (en) | Diffractive optical element, optical apparatus having the diffractive optical element | |
| JP2013105055A (en) | Diffraction optical element, and optical system using the same | |
| JP6929350B2 (en) | Diffractive optical element and its optical system, image pickup device, lens device | |
| JP2018189863A (en) | Diffractive optical element and optical system using the same | |
| JP2003294925A (en) | Diffractive optical element and optical system using the same | |
| JP2020106562A (en) | Diffractive optical element and optical system having the same | |
| JP2018004914A (en) | Diffraction optical element, optical system with the same, image capturing device, and lens device | |
| JP2012159725A (en) | Diffractive optical element and optical system having the same |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20190417 |
|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20190417 |
|
| A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20200304 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200317 |
|
| A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20200514 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20200709 |
|
| A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20200818 |
|
| A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20201013 |
|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20210323 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20210421 |
|
| R151 | Written notification of patent or utility model registration |
Ref document number: 6873602 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R151 |