(57)【要約】  本発明の回折光学素子は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子２を有する基体１と、第２樹脂を含む第２光学材料からなり、回折格子２を覆うように基体１に設けられた光学調整層３とを備え、第１光学材料の屈折率は第２光学材料の屈折率より小さく、第１光学材料の屈折率の波長分散性は第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、第１樹脂および第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。
2010032347.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、
第２樹脂を含む第２光学材料からなり、前記回折格子を覆うように前記基体に設けられた光学調整層と
を備え、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である回折光学素子。
【請求項２】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第２光学材料はさらに無機粒子を含み、前記無機粒子が前記第２樹脂中に分散している請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを主成分として含む請求項３に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記無機粒子の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第２樹脂の溶解度パラメータが前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きい請求項1から５のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第２樹脂はＯＨ基を有する請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１樹脂はポリカーボネートである請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第２樹脂はエネルギー線硬化型樹脂である請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体を用意する工程と、
前記回折格子を覆うように前記基体上に第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を配置する工程と、
前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２光学材料からなる光学調整層を形成する工程と
を包含し、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の原料の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である、回折光学素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１１に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第２光学材料の原料は、さらに溶媒および無機粒子を含んでおり、
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、
前記第２光学材料の原料を配置する工程の後、前記光学調整層を形成する工程の前に前記第２光学材料の原料から前記溶媒を除去する工程をさらに包含し、
前記光学調整層を形成する工程は、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２樹脂中に前記無機粒子が分散した前記第２樹脂を生成する請求項１１に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１３に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１４に記載の回折光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折光学素子に関し、異なる樹脂をそれぞれ含む２つ以上の部材によって構成される回折光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子は、ガラスや樹脂等の光学材料からなる基体に光を回折させる回折格子が設けられた構造を備える。回折光学素子は、撮像装置や光学記録装置を含む種々の光学的機器の光学系に用いられており、例えば、特定次数の回折光を１点に集めるように設計されたレンズや、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等が知られている。【０００３】
回折光学素子は、光学系をコンパクトにできるという特長を有する。また、屈折とは逆に長波長の光ほど大きく回折することから、回折光学素子と屈折を利用する通常の光学素子とを組み合わせることにより、光学系の色収差や像面湾曲を改善することも可能である。【０００４】
しかし、回折効率は理論的に光の波長に依存することから、特定の波長の光における回折効率が最適となるように回折光学素子を設計すると、その他の波長の光では回折効率が低下するという課題が生じる。例えば、カメラ用レンズ等白色光を利用する光学系に回折光学素子を用いる場合、この回折効率の波長依存性によって、色むらや不要次数光によるフレアが生じ、回折光学素子だけで適切な光学特性を有する光学系を構成するのは困難である。【０００５】
このような課題に対して、特許文献１は、回折光学素子における回折効率の波長依存性を低減するために、光学材料からなる基体の表面に回折格子を設け、基体と異なる光学材料からなる光学調整層で回折格子を覆った位相差型の回折光学素子を提案している。この構造によれば、光学特性が所定の条件を満たすように２つの光学材料を選択することによって、設計した回折次数での回折効率を波長によらず高くすることができる。【０００６】
具体的には、回折光学素子を透過する光の波長をλとし、２種類の光学材料の波長λにおける屈折率をｎ１（λ）およびｎ２（λ）とし、回折格子の深さをｄとした場合、λ、ｄ、ｎ１（λ）およびｎ２（λ）が下記式（１）を満たすことにより、波長λの光に対する回折効率が１００％となる。
【数１】
2010032347.tif 000003
【０００７】
したがって、回折効率の波長依存性を低減するためには、使用する光の波長帯域内においてｄがほぼ一定となるような波長依存性を持つ屈折率ｎ１（λ）の光学材料と屈折率ｎ２（λ）の光学材料とを組み合わせればよい。一般的には、屈折率が高く、波長分散の低い材料と屈折率が低く波長分散の高い材料とが組み合わされる。特許文献１は、基体となる第１光学材料としてガラスまたは樹脂を用い、第２光学材料として紫外線硬化樹脂を用いることを開示している。【０００８】
特許文献２は、同様の構造を有する位相差型の回折光学素子において、第１光学材料としてガラスを用い、第２光学材料として、粘度が５０００ｍＰａ・ｓ以下のエネルギー線硬化型樹脂を用いることを開示している。このような光学材料を用いることにより、回折効率の波長依存性を低減して、色むらや不要次数光によるフレア発生等を有効に防止できると開示している。【０００９】
しかし、基体となる第１光学材料としてガラスを用いる場合、樹脂と比較して微細加工が難しいため、回折格子のピッチを狭くし、回折性能を向上させることは容易ではない。このため、光学素子の小型化を図りながら光学性能を高めることが困難である。また、ガラスの成形温度は樹脂より高温であるため、ガラスを成型するための金型の耐久性が樹脂を成形するための金型に比べて低く、生産性にも課題がある。【００１０】
一方、基体となる第１光学材料として樹脂を用いる場合、回折格子の加工性および成形性の点でガラスより優れる。しかし、ガラスと比べて種々の値の屈折率を実現することが難しく、第１光学材料と第２光学材料との屈折率差が小さくなるため、式（１）から明らかなように、回折格子の深さｄは大きくなる。【００１１】
その結果、基体自体の加工性は優れるものの、回折格子を形成するための金型を深く加工したり、溝の先端を鋭利な形状に成形したりする必要があり、金型の加工が困難になる。また、回折格子が深くなるほど、基体および金型の少なくとも一方の加工上の制約から回折格子のピッチを大きくする必要がある。このため回折格子の数を増やすことができず、回折光学素子の設計上の制約が大きくなる。【００１２】
このような課題を解決するため、本願の出願人は、特許文献３において、光学調整層として、マトリクス樹脂中に平均粒径１ｎｍ〜１００ｎｍの無機粒子を含んだコンポジット材料を用いることを提案している。このコンポジット材料は、分散させる無機粒子の材料や無機粒子の添加量によって屈折率およびアッベ数を制御でき、従来の樹脂にはない屈折率およびアッベ数を得ることができる。したがって、コンポジット材料を光学調整層に用いることにより、基体である第１の光学材料として樹脂を用いた場合の回折格子の設計自由度を高くして、成形性を向上させ、かつ優れた回折効率の波長特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−２６８１１６号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９２０８号公報
【特許文献３】国際公開第０７／０２６５９７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本願発明者は、特許文献１から３に開示された位相差型の回折光学素子において、基体および光学調整層を樹脂材料によって構成する場合、樹脂材料の種類によっては、基体と光学調整層とが接する部分において、基体が膨潤したり溶解したりしてしまい、回折格子の形状が設計値からずれるという問題があることを見出した。回折格子の形状が設計値からずれると、設計次数と異なる次数の回折光（以下「不要回折光」と呼ぶ）や迷光が発生し、回折効率が低下する。また、本願発明者によれば、回折格子形状が顕著に膨潤していない場合でも、不要回折光が発生することが分かった。【００１５】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、良好な光学特性を有する回折光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の回折光学素子は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、第２樹脂を含む第２光学材料からなり、前記回折格子を覆うように前記基体に設けられた光学調整層とを備え、前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記第２光学材料はさらに無機粒子を含み、前記無機粒子が前記第２樹脂中に分散している。【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを主成分として含む。【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記無機粒子の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記第２樹脂の溶解度パラメータは前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きい。【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記第２樹脂はＯＨ基を有する。【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂はポリカーボネートである。【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記第２樹脂はエネルギー線硬化型樹脂である。【００２５】
本発明の回折光学素子の製造方法は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体を用意する工程と、前記回折格子を覆うように前記基体上に第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を配置する工程と、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２光学材料からなる光学調整層を形成する工程とを包含し、前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、前記第１樹脂および前記第２樹脂の原料の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる。【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記第２光学材料の原料は、さらに溶媒および無機粒子を含んでおり、前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、前記第２光学材料の原料を配置する工程の後、前記光学調整層を形成する工程の前に前記第２光学材料の原料から前記溶媒を除去する工程をさらに包含し、前記光学調整層を形成する工程は、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２樹脂中に前記無機粒子が分散した前記第２樹脂を生成する。【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、回折格子が設けられた基体および光学調整層がそれぞれ樹脂を含む光学材料からなり、かつ、２つの樹脂の溶解度パラメータの差が、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。このため、基体の樹脂と光学調整層の樹脂との相互作用を抑制することができ、回折格子の変形の抑制および基体の屈折率変化による不要回折光や迷光の発生を抑制し、良好な光学特性を有する回折光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術の回折光学素子において、回折格子が変形した状態を模式的に示す図である。
【図２】従来技術の回折光学素子において、基体と光学調整層の界面に屈折率が変化した層が形成される状態を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、基体と光学調整層の界面に屈折率が変化した層が形成される従来技術の回折光学素子において、光学調整層の材料と不要回折光との関係を説明する図である。
【図４】基体と光学調整層の界面に屈折率が変化した層が形成される光学素子における光の屈折を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明による回折光学素子の第１の実施形態における断面図および上面図である。
【図６】本発明による回折光学素子の第２の実施形態における断面図である。
【図７】（ａ）から（ｆ）は、それぞれ本発明による回折光学素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図８】（ａ）から（ｄ）は、それぞれ本発明による回折光学素子の他の製造方法を説明する工程断面図である。
【図９】本発明による回折光学素子の実施例による、基体および樹脂の溶解度パラメータの差と１次回折効率との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明による回折光学素子の実施例による、基体および樹脂の溶解度パラメータの差と、基体の光学調整層が接する部分における屈折率との関係を示すグラフである。
【図１１】粒子の実効粒径の定義を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本願発明者は、従来の回折光学素子において、基体および光学調整層の両方に樹脂を含む材料を用いることによって生じる基体の膨潤を詳細に検討した。以下、検討結果を説明する。
【００３４】
図１に示す従来の回折光学素子１１１は、表面に回折格子２が設けられた基体１０１と、回折格子２を覆うように設けられた光学調整層１０３とを備えている。光学調整層１０３と基体１０１とが樹脂を含む光学材料によって形成されており、２つの光学材料の相互作用が強い場合、基体１０１と光学調整層１０３とが接する部分において、基体１０１が膨潤したり溶解したりすることによって、図１に示すように回折格子２の形状が崩れてしまう。回折格子２の形状が崩れると、所望の次数の回折光が十分な強度で得られなかったり、不要な回折光が生じたりする。
【００３５】
本願発明者は、回折格子２の形状に変化を生じていなくても、回折光学素子１１１に不要回折光が発生する場合があることを見出した。図２に示すように従来の回折光学素子１１２において、基体１０１の表面に設けられた回折格子２の形状が大きく変化しなくても、光学調整層１０３に含まれる樹脂が基体１０１の表面から浸透すると、樹脂の浸透した部分の基体１０１の屈折率が変化してしまい、図２に示すように、基体１０１と光学調整層１０３との界面に、屈折率が異なる層１０１ａ（以下「屈折率変化層」と呼ぶ）が形成されたことを確認した。この屈折率変化層１０１ａは光学顕微鏡によって確認が可能であり、屈折率変化層１０１ａの厚さは約５００ｎｍ〜５０００ｎｍであった。
【００３６】
このように、目視や光学顕微鏡による観察によって、回折格子２の形状変化や屈折率変化層１０１ａの生成が確認できた場合には、回折光学素子１１２は設計通りの光学特性を示さないことが分かる。
【００３７】
また、本願発明者は、屈折率変化層が光学顕微鏡によって観察できないにもかかわらず、回折光学素子に不要回折光が発生し、１次回折効率が低下するという現象を見出した。この現象について詳細に検討するため、屈折率変化層が光学顕微鏡によって観察できないのに１次回折効率が低下した回折光学素子を分析した。分析には、屈折率を高精度に測定できるプリズムカプラー（メトリコン社製、ＭＯＤＥＬ２０１０）を用いて、光学調整層と接している部分の基体の屈折率を測定した。
【００３８】
その結果、光学調整層が樹脂から構成される系については、光学調整層と接している部分の基体の屈折率が、接していない部分よりも０．０１程度上昇していることが分かった。一方、光学調整層がコンポジット材料から構成される系については、光学調整層が接している部分の基体の屈折率は、接していない部分よりも０．０１程度低下していることが分かった。つまり、光学顕微鏡では観察できないレベルで基体に光学調整層の材料が浸透し、微少な屈折率変化を引き起こしていることがわかった。このような屈折率が変化した層の厚さは、光学顕微鏡で確認できないため、正確な厚さはわからないが、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度であると推定される。
【００３９】
この結果をもとに、基体１０１の屈折率変化により光学素子の不要回折光が発生するメカニズムを、図３を参照しながら具体的に説明する。
【００４０】
まず、図３（ａ）のように、基体１０１（屈折率Ｎ１）と光学調整層１０３（屈折率Ｎ２）にそれぞれ異なる樹脂を用いて１次回折光を利用する回折光学素子１１３を考える。本願発明者の検討によれば、光学調整層１０３を構成する樹脂が基体１０１へ浸透することにより、光学顕微鏡では確認できないが、樹脂が浸透することによって屈折率がわずかに変化した微小屈折率変化層１０１ｂが生成すると推定される。基体１０１および光学調整層１０３の屈折率がＮ１＜Ｎ２の関係を満たしている場合、生成する微小屈折率変化層１０１ｂの屈折率Ｎ３は、Ｎ１＜Ｎ３＜Ｎ２の関係を満たす。
【００４１】
屈折率Ｎ１およびＮ２が使用する波長帯域内において式（１）を満たすように設計されている場合、界面に形成された微小屈折率変化層１０１ｂにより、回折格子を構成する段差の光学的距離の差つまり位相差が設計値より小さくなり、式（１）を満たさなくなる。この結果、使用する波長帯域内の光Ｂを入射させた場合の回折光学素子１１３の回折効率、つまり、１次回折光Ｂ1の出射効率が設計値より低くなる。この時、不要回折光として主に０次回折光Ｂ0が発生する。０次回折光Ｂ0は、１次回折光Ｂ1よりも焦点距離が長い。
【００４２】
一方、光学調整層として特許文献３に開示されるようなコンポジット材料を用いる場合も、コンポジット材料に含まれるマトリクス樹脂が基体へ浸透することにより、上述したような問題が生じる。図３（ｂ）に示すように、基体１０１と、マトリクス樹脂１０３に無機粒子４を分散させることによって構成された光学調整層１０３’とを用い、１次回折光を利用する回折光学素子１１４を考える。基体１０１および光学調整層１０３’の屈折率をそれぞれＮ１およびＮ２とし、マトリクス樹脂１０３の屈折率をＮ４とする。この場合、上述したように、光学調整層１０３’のマトリクス樹脂１０３のみが基体１０１へ浸透することにより、光学顕微鏡では確認できないが、樹脂が浸透したことによって屈折率がわずかに変化した微小屈折率変化層１０１ｃが生成すると推定される。
【００４３】
基体１０１、光学調整層１０３’およびマトリクス樹脂１０３の屈折率が、Ｎ１＜Ｎ２かつＮ４＜Ｎ１の関係を満たしている場合、生成する微小屈折率変化層１０１ｃの屈折率Ｎ３は、Ｎ１＞Ｎ３＜Ｎ２の関係を満たす。ナノメートルオーダの無機粒子４は基体１０１へ移動することはできず、基体１０１よりも屈折率の小さいマトリクス樹脂１０３が浸透することによって、微小屈折率変化層１０１ｃが生成するからである。
【００４４】
上述の場合と同様、屈折率Ｎ１およびＮ２が使用する波長帯域内において式（１）を満たすように設計されている場合、界面に形成された微小屈折率変化層１０１ｃにより、回折格子を構成する段差の光学的距離の差、つまり位相差が設計値より大きくなり、式（１）を満たさなくなる。この結果、使用する波長帯域内の光Ｂを入射させた場合の回折光学素子１１３の回折効率、つまり、１次回折光Ｂ1の出射効率が設計値より低くなる。この時、不要回折光として主に２次回折光Ｂ2が発生する。２次回折光Ｂ2は、１次回折光Ｂ1よりも焦点距離が短い。
【００４５】
通常の屈折現象のみを利用した光学系においては、図４に示すように、基体１０１と光学調整層１０３との間に微小屈折率変化層１０１ｃが生成したとしても、微小屈折率変化層１０１と基体１０１との屈折率の差が０．０１程度であれば、基体１０１から進入した光Ｃが、基体１０１と微小屈折率変化層１０１ｃとの界面で屈折する角度は小さい。また、微小屈折率変化層１０１ｃが薄ければ、屈折した角度で光Ｃが進む距離も短い。このため、微小屈折率変化層１０１ｃが生成した場合でも、光学調整層１０３へ入射する光Ｃの入射角度および入射位置は、微小屈折率変化層１０１ｃが生成しない場合とほとんど変わらず、光学性能への影響は無視し得るほど小さい。つまり、光学顕微鏡によって観察できない程度の微小屈折率変化層１０１ｃが生成してもその影響は無視し得る。
【００４６】
しかし、上述したように、回折光学素子の場合、光学顕微鏡によって観察できない程度の微小屈折率変化層であっても、回折の条件（１）を満たさなくなるため、微小屈折率変化層の生成は不要回折光の発生に直結する。この結果、設計次数における回折効率が大きく低下することになる。
【００４７】
特に、生産性の観点から光学調整層として紫外線硬化樹脂や熱硬化性樹脂を含む材料を使用する場合、光学調整層を形成する工程において、未硬化状態の樹脂、すなわちモノマーやオリゴマーが基体と接触する。モノマーやオリゴマーは硬化後の樹脂と比較して分子量が小さいことから、基体１０１への反応性や浸透性が硬化後の樹脂と比較して大きくなる。つまり、上述した回折格子の変形や、屈折率変化層および微小屈折率変化層の生成に伴う回折効率の低下が発生しやすい。
【００４８】
また、光学調整層にコンポジット材料を用いる場合、無機粒子をマトリクス樹脂中に均一に分散させたり、光学調整層を形成する工程における光学調整層の粘度を調整したりするため、光学調整層を形成する原料中に溶媒を添加することがある。このような溶媒は、光学調整層中の樹脂材料と同様、基体への溶解、および、基体への浸透による屈折率変化を引き起こし、上述した問題の原因となる。
【００４９】
本願発明者はこのような問題を解決するため、基体および光学調整層を構成する樹脂の溶解度パラメータに着目し、溶解度パラメータの差が所定の値以上であれば、上述した回折格子の変形や、屈折率変化層および微小屈折率変化層の生成に伴う回折効率の低下を確実に防止することができることを見出した。これにより、特に、光学顕微鏡によっても確認ができない微小屈折率変化層の形成を確実に防止することができ、設計どおりの光学性能を有する回折光学素子を実現することができることが分かった。以下、本発明による回折光学素子の実施形態を具体的に説明する。
【００５０】
（第１の実施形態）
図５（ａ）および（ｂ）は、本発明による回折光学素子の第１の実施形態を示す断面図および上面図である。図５（ａ）および（ｂ）に示す回折光学素子２１は、基体１と光学調整層３とを備える。
【００５１】
基体１は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子２を有する。本実施形態では、第１光学材料は第１樹脂のみを含んでいる。回折格子２の断面形状、配置、ピッチおよび深さは、基体１および光学調整層３の光学特性および回折光学素子２１に求められる光学特性に基づいて決定される。例えば、回折光学素子２１にレンズ作用を持たせる場合には、鋸歯状の断面形状を有するリング状の回折格子を、ピッチがレンズの中心から周辺に向かって小さくなるように連続的に変化させながら同心円状に配置する。この場合の回折格子は、レンズ作用を有する断面形状、配置およびピッチとなっていればよく、図５（ａ）に示すように、回折格子２を曲面上に形成してもよいし、平面上に形成してもよい。特に、回折格子の溝を通る包絡面がレンズ作用を有する非球面となるように回折格子２を形成すると、屈折作用と回折作用の最適な組み合わせにより色収差や像面湾曲等をバランスよく改善し、高い撮像性能を有するレンズを得ることが可能となる。なお、回折格子２の深さは、式（１）を用いて決定することができる。
【００５２】
なお、図５（ａ）および（ｂ）に示す回折光学素子２１の基体１は、１つの面に回折格子２を有しているが、基体１の両面に回折格子２を設けてもよい。また、図５（ａ）に示すように、基体１は凸面と平面とを有し、凸面に回折格子２が設けられている。基体１の対向する２つの主面の形状はこの組み合わせに限られず、他の形状の組み合わせであってもよい。具体的には、基体１の対向する２つの主面が、両凸面、凸面と凹面、両凹面、凹面と平面、両平面であってもよい。この場合、回折格子２は１つの面のみに形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。また、両面に回折格子が形成される場合、両面の回折格子の形状、配置、ピッチ、回折格子深さは、回折光学素子に要求される性能を満たすものであれば一致していなくてもよい。
【００５３】
光学調整層３は、第２樹脂を含む第２光学材料からなり、回折格子２を覆うように基体１の表面に設けられている。本実施形態では、第２光学材料は第２樹脂のみを含んでいる。光学調整層３は、基体１による回折効率の波長依存性を低減する目的で設けられる。
【００５４】
回折格子２の溝を通る包絡面がレンズ作用を有する非球面となるように回折格子２を形成した基体１に対して光学調整層３を設置する場合は、光学調整層３の表面を、対応する非球面形状に一致させることにより、屈折作用と回折作用が融合され、色収差および像面湾曲を低減させてレンズ特性を向上させることができる。
【００５５】
基体１による回折効率の波長依存性を低減するためには、基体１を構成する第１光学材料の波長λにおける屈折率をｎ１（λ）とし、光学調整層３を構成する第２光学材料の波長λにおける屈折率をｎ２（λ）とした場合、所望の範囲の波長λに対して、式（１）をほぼ満たす第１光学材料および第２光学材料を選択する必要がある。例えば、第１光学材料における屈折率の波長依存性と逆の傾向を示す屈折率の波長依存性を有する材料を第２の光学材料として選択すればよい。より具体的には、回折光学素子２１を使用する光の波長範囲において、第１光学材料の屈折率は第２光学材料の屈折率より小さく、かつ、第１光学材料の屈折率の波長分散性は第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きい。つまり、第２光学材料は第１光学材料よりも低屈折率高分散材料である必要がある。
【００５６】
屈折率の波長分散性は、例えば、アッベ数によって表わされる。アッベ数が大きいほど屈折率の波長分散性は小さい。したがって、第１光学材料の屈折率は第２光学材料の屈折率より小さく、かつ、第１光学材料のアッベ数は第２光学材料のアッベ数よりも小さいことが必要である。
【００５７】
こうした光学的特性に加え、第１光学材料に含まれる第１樹脂と第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であることが必要である。これにより、回折光学素子２１において、基体１と光学調整層３の相互作用を防止することができ、基体１の屈折率変化による不要回折光や迷光の発生がなく、良好な光学特性を有し、かつ量産性の高い回折光学素子を得ることができる。
【００５８】
溶解度パラメータは、正則溶液理論における物質の凝集エネルギー密度の平方根であり、モル体積Ｖと１モルあたりの凝集エネルギーΔＥを用いて、以下の式により定義される。
δ＝（ΔＥ／Ｖ）1/2
【００５９】
溶解度パラメータは物質の分子間力の指標であり、溶解度パラメータが近い物質ほど親和性が高いと考えられる。溶解度パラメータには、様々な導出方法が存在するが、例えばＦｅｄｏｒｓらによる分子構造式から計算する方法により求めた値等を用いることができる。本願明細書で用いる溶解度パラメータはこの分子構造式から計算する方法により求めた値である。溶解度パラメータを高める構造としては、ＯＨ基（ヒドロキシ基）、アミド結合等高極性の官能基が挙げられる。一方、溶解度パラメータを低める構造としては、フッ素原子、炭化水素基、シロキサン結合等が挙げられる。
【００６０】
本願発明者は、基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2より小さい場合、以下の（１）から（３）のいずれかの現象が発生し、これによって回折光学素子の設計次数における回折効率が低下することを確認した。
（１）光学調整層３に含まれる第２樹脂が基体１の第１樹脂を浸食し、基体１の膨潤や溶解による回折格子２の変形が発生する。
（２）回折格子２の変形は観察されないが、屈折率変化層の発生が観察される。
（３）回折格子２の変形および屈折率変化層の光学的観察はできないが、微小屈折率変化層が生成することにより、光学特性評価において不要回折光の発生が確認される。
【００６１】
また、基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上である場合、これらの現象は見られず、回折光学素子の設計次数における回折効率も低下しないことが確認できた。
【００６２】
基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であれば、差が大きいほど、基体１が光学調整層３から影響を受けにくく、回折格子２の変形や屈折率変化層または微小屈折率変化層の生成が生じにくくなる。しかし、第１樹脂の溶解度パラメータと、第２樹脂の溶解度パラメータの差が極端に大きいと、基体１と光学調整層３との親和性が悪く密着性が低下する可能性がある。この結果、生産歩留まりが低下したり、使用時に光学調整層３が剥離したりする可能性がある。
【００６３】
以上のことから、基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差は、光学調整層３の剥離を防止するために、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下の範囲内であることが好ましい。さらに生産性の観点から歩留まりを確保するためには、第１樹脂の溶解度パラメータと第２樹脂の溶解度パラメータとの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下の範囲内であることが特に好ましい。
【００６４】
第１樹脂としては、一般に光学素子の基体として使用される透光性の樹脂材料の中から、回折光学素子２１の設計次数における回折効率の波長依存性を低減可能な屈折率特性と波長分散性を有する樹脂を選択する。基体１の材料として樹脂を使用することにより、成型加工が容易で生産性が高く、かつ最終的に得られる回折光学素子２１の小型化、軽量化を図ることが可能となる。例えば、第１樹脂として、ポリカーボネート系樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、脂環式アクリル樹脂等のアクリル系樹脂、脂環式オレフィン樹脂等を選択することが、透光性が優れているという点で好ましい。これらの樹脂に対し、成形性や機械特性等を向上させる目的で他の樹脂と共重合させたり、他の樹脂とのアロイ化を行ったり、他の樹脂をブレンドしてもよい。このように第１樹脂は単一の樹脂のみを含んでいてもよいし、２以上の樹脂を含んでいてもよい。この場合、第１樹脂の溶解度パラメータは、２以上の樹脂の混合比率に基づいて計算される。
【００６５】
第１光学材料は第１樹脂以外に、屈折率等の光学特性や、熱膨張性等の力学特性を調整するための無機粒子や、特定の波長領域の電磁波を吸収する染料や顔料等の添加剤を含んでいてもよい。これらの無機粒子や添加剤は第１光学材料を構成する主要な構成要素ではない。また、基体１中のこれらの無機粒子は有機化合物ではないため、この中に第２樹脂が浸透することはない。添加剤は有機化合物を含む場合もあるが、添加剤の添加量は数重量％程度であるため、添加剤中の有機化合物に第２樹脂が浸透しても第１光学材料全体の光学特性にはほとんど影響しない。したがって、上述した（１）から（３）の現象の発生に影響を与えないため、溶解度パラメータの算出にあたって、第１樹脂以外に加えられる無機粒子や添加剤は考慮しなくてもよい。
【００６６】
光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂は、溶解度パラメータが基体１と０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上離れている限り、特に制限はない。例えば、ポリメタクリル酸メチル、アクリレート、メタクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート等の（メタ）アクリル樹脂；エポキシ樹脂；オキセタン樹脂；エン−チオール樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートおよびポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂；ポリスチレン等のポリスチレン樹脂；ポリプロピレン等のオレフィン樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミドやポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂；ポリビニルアルコール；ブチラール樹脂；酢酸ビニル樹脂；脂環式ポリオレフィン樹脂等を用いることができる。また、これらの樹脂（高分子）の混合体や共重合体を用いてもよいし、これらの樹脂を変性したものを用いてもよい。第１樹脂と同様、第２樹脂が２以上の樹脂を含む場合には、第２樹脂の溶解度パラメータは、２以上の樹脂の混合比率に基づいて計算される。
【００６７】
これらの中でも特に、光学調整層３を形成するプロセスが簡易となることから、エネルギー線硬化型の樹脂、具体的には、熱硬化性樹脂または光または紫外線などのエネルギー線硬化性樹脂を第２樹脂として用いることが好ましい。より具体的には、アクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、エポキシ樹脂、オキセタン樹脂、エン−チオール樹脂等を第２樹脂として用いることが好ましい。
【００６８】
熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂は、原料となるモノマーまたはオリゴマーに熱やエネルギー線を供給することにより、モノマーまたはオリゴマーが重合し、架橋構造を有する樹脂として得られる。第２樹脂としてこれらの樹脂を用いる場合、光学調整層３の形成工程において、比較的低分子量であるモノマーまたはオリゴマーと基体１が直接接触する工程が生じる。低分子量成分は、高分子量成分と比較して樹脂への浸透性が高くなるが、本願発明者の詳細な実験に基づけば、重合前の第２樹脂、つまりモノマーあるいはオリゴマーの溶解度パラメータと第１樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であれば、第２樹脂となるモノマーあるいはオリゴマーの第１樹脂への浸透を防止することができることがわかった。なお、第２樹脂となるモノマーあるいはオリゴマーの溶解度パラメータと、重合または硬化後の第２樹脂の溶解度パラメータはほぼ等しい。
【００６９】
熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂は、極性を有する反応性官能基を持つ分子構造上、第１樹脂の溶解度パラメータよりも０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上で小さい溶解度パラメータを有することが困難である。したがって、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を第２樹脂として使用する場合、第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上で大きい溶解度パラメータを有する第２樹脂を使用することが特に好ましい。
【００７０】
溶解度パラメータを高める構造は前述のようにＯＨ基、アミド結合等がある。その中でもＯＨ基を有する樹脂は合成が容易で、アミド結合等の極性結合を有する樹脂と比較して加水分解等を受けにくく安定性が高い。したがって、第２樹脂としてＯＨ基が存在する樹脂を使用することがさらに好ましい。一方、溶解度パラメータを下げるには、極性の小さい脂環式構造の樹脂を用いたり、フッ素原子やシロキサン構造を有する樹脂を用いるとよい。
【００７１】
なお、回折光学素子２１は、光学調整層３の表面にさらに反射防止層を備えていてもよい。反射防止層は、光学調整層３より屈折率が低い材料の膜からなる単層構造、あるいは光学調整層３より屈折率が低い材料の膜と高い材料の膜による多層構造がある。反射防止層に使用される材料としては、例えば、樹脂、樹脂と無機粒子とのコンポジット材料、あるいは真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ法等にて形成された無機薄膜等が挙げられる。反射防止層としてのコンポジット材料に使用される無機粒子としては、屈折率の低いシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等が挙げられる。
【００７２】
また、回折光学素子２１は、光学調整層３の表面にナノ構造の反射防止形状を有していてもよい。ナノ構造の反射防止形状は、例えば型による転写工法（ナノインプリント）によって容易に形成することができる。
【００７３】
さらに、回折光学素子２１は、光学調整層３または反射防止層の表面に、耐摩擦性、熱膨張性等の力学特性を調整する作用を有する表面層を別途備えていてもよい。
【００７４】
このように本実施形態の回折光学素子２１によれば、基体を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂および光学調整層を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、基体１と光学調整層３との界面における相互作用が低減される。この結果、光学調整層３の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。
【００７５】
（第２の実施形態）
図６は、本発明による回折光学素子の第２の実施形態を示す断面図である。図６に示すように回折光学素子２２は、基体１と光学調整層３’とを備える。
【００７６】
基体１は、第１の実施形態と同様、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子２を有する。回折格子２は第１の実施形態と同様の構造を備える。
【００７７】
光学調整層３’を構成している第２光学材料は、第２樹脂３と無機粒子４とを含む。第２樹脂３および無機粒子４は、第２樹脂３をマトリクスとして無機粒子４が分散されたコンポジット材料を構成している。第１樹脂および第２樹脂３の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上である。
【００７８】
第２樹脂３をマトリクスとして無機粒子４が分散されたコンポジット材料を用いることにより、第２光学材料の屈折率およびアッベ数を調整することが可能となり、適切な屈折率およびアッベ数を有する第２光学材料を光学調整層３’に用いることにより、回折光学素子を使用する波長帯域における回折効率を改善することができる。
【００７９】
また、屈折率の高い無機粒子４を第２樹脂３に分散させることにより、樹脂単体では達成し得ない高い屈折率を第２光学材料は有することができる。このため、第１光学材料と第２光学材料との屈折率差を拡大することができ、式（１）から明らかなように、回折格子２の深さを低減することが可能となる。この結果、基体１を成形により作製する場合、回折格子２の転写性が改善する。また、回折格子２の段差を浅くできるため、段差の間隔を狭くしても転写が容易となる。したがって、回折格子２の狭ピッチ化による回折性能の向上を図ることができる。さらに、第２樹脂にも様々な物性を有する材料を使用することが可能となり、光学以外の特性と両立させることもより容易となる。
【００８０】
光学調整層３’中の成分が基体１に浸透する際、基体１に含まれる樹脂のうち、非晶性の部分、すなわち高分子鎖が不規則に絡み合う部分における分子鎖のすき間から、光学調整層３’中の成分が侵入すると考えられる。この際、光学調整層３’中の成分が基体１に対して親和性の高いものであれば、その浸透に伴って、絡み合っていた基体１中の第１樹脂の分子鎖間に作用していた分子間力が低下し、結果として基体１中の第１樹脂の分子鎖のすき間が拡大され、さらに光学調整層３’中の成分の浸透が進行するものと推定できる。
【００８１】
基体１中の第１樹脂の分子鎖に生じているすき間の大きさは、基体１に含まれる第１樹脂の分子構造や分子量、分子の配向性、加工時に生じるひずみ等に応じて決まると考えられる。一般的な樹脂材料については、分子鎖のファンデルワールス体積と分子鎖が実質的に占める固有体積の比率であるパッキング係数がおよそ０．６８であることが実験的に示されている。このことから、第１樹脂の分子鎖のすき間の平均的な大きさは、分子鎖が線状構造であれば、分子鎖の直径の０．１８倍（＝１−（０．６８）1/2）程度、球状構造であれば直径の０．１２倍（＝１−（０．６８）1/3）程度になるものと、簡易的に推定することができる。
【００８２】
例えば線状構造を取るビスフェノールＡ系ポリカーボネート樹脂であれば、分子鎖の直径は約０．６ｎｍであるから、分子鎖のすき間の平均的な大きさは約０．１ｎｍとなる。ただし実際には高次構造等の影響により、すき間の大きさは幅広い分布を有しており、光学調整層３中の成分の浸透が可能となるようなすき間も形成されているものと考えられる。
【００８３】
コンポジット材料中に分散される無機粒子４は、後述するとおり実効粒径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。したがって、基体１中の第１樹脂の分子鎖のすき間に対して十分に大きい。このため、無機粒子４が基体１に含まれる第１樹脂中に浸透する可能性は極めて低い。この点から、光学調整層３’としてコンポジット材料を使用する場合、マトリクス樹脂である第２樹脂が基体１を構成する樹脂つまり、第１樹脂に浸透しない構成を実現すればよい。
【００８４】
具体的には、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３’を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2より小さい場合、第２樹脂が基体１の第１樹脂へ浸透し、第２樹脂と第１樹脂の親和性が高い場合は基体１を溶解したりする現象が発生し、得られる回折光学素子の設計次数における回折効率が低下する。したがって、第１の実施形態で詳細に説明したように、第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータと、第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下の範囲内にあることがより好ましい。
【００８５】
マトリクス樹脂として機能する第２樹脂には、第１の実施形態において説明した第２樹脂を好適に用いることができる。これらのうちから、無機粒子４の分散性や光学調整層３に要求される物性や耐環境性、製造工程における取扱いの容易性等を満たす材料を選定すればよい。特に、第１の実施形態において説明したように、熱硬化性樹脂またはエネルギー線硬化性樹脂を第２樹脂として用いることが好ましい。特に、第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上高い溶解度パラメータを有するものを使用することが好ましく、ＯＨ基を有するものを使用することがさらに好ましい。
【００８６】
基体１に第１樹脂を含む第１光学材料を用い、光学調整層３’を構成する第２光学材料として、第２樹脂３および無機粒子４を含むコンポジット材料を用いる場合、一般に無機粒子４は樹脂より高屈折率であることが多い。このため、第２光学材料は、第１光学材料よりも高屈折率低波長分散性であることが、無機粒子４として選択し得る材料が多くなるため好ましい。言い換えれば、第１光学材料は第２光学材料よりも低屈折率高分散性であることが好ましい。
【００８７】
コンポジット材料である第２光学材料の屈折率は、マトリクス樹脂である第２樹脂および無機粒子４の屈折率から、例えば下記式（２）にて表されるマックスウェル−ガーネット理論により推定できる。
【００８８】
式（２）において、ｎCOMλはある特定波長λにおける第２光学材料の平均屈折率であり、ｎpλ、ｎmλはそれぞれこの波長λにおける無機粒子および第２樹脂の屈折率である。Ｐは、第２光学材料全体に対する無機粒子の体積比である。式（２）において、波長λとしてフラウンホーファーのＤ線（５８９．２ｎｍ）Ｆ線（４８６．１ｎｍ）Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をそれぞれ推定することにより、さらにコンポジット材料のアッベ数を推定することも可能である。逆にこの理論に基づく推定から、第２樹脂３と無機粒子４との混合比を決めてもよい。
【数２】
2010032347.tif 000004
【００８９】
なお、式（２）において、無機粒子４が光を吸収する場合や無機粒子４が金属を含む場合には、式（２）の屈折率を複素屈折率として計算する。なお、式（２）はｎpλ≧ｎmλの場合に成立する式であり、ｎpλ＜ｎmλの場合は以下の式（３）を用いて屈折率を推定する。
【数３】
2010032347.tif 000005
【００９０】
上述したように、光学調整層３’としてコンポジット材料からなる第２光学材料を用いる場合、第２光学材料は第１光学材料よりも高い屈折率を有し、かつ、第１光学材料よりも低い波長分散性を有することが必要である。このため、第２樹脂に分散させる無機粒子４も、低波長分散性、すなわち高アッベ数の材料を主成分とすることが好ましい。特に第１樹脂としてポリカーボネート系樹脂を使用する場合、無機粒子４としてはアッベ数が３０以上の材料を主成分とすることが好ましい。例えば、酸化ジルコニウム（アッベ数：３５）、酸化イットリウム（アッベ数：３４）、酸化ランタン（アッベ数：３５）、酸化ハフニウム（アッベ数３２）、酸化スカンジウム（アッベ数：２７）、アルミナ（アッベ数：７６）およびシリカ（アッベ数：６８）からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸化物を主成分とすることが特に好ましい。また、これらの複合酸化物を用いてもよい。回折光学素子２２が用いられる光の波長帯域において、式（１）を満たす限り、さらにこれらの無機粒子に加えて、例えば酸化チタンや酸化亜鉛等に代表される高屈折率を示す無機粒子等を共存させてもよい。
【００９１】
無機粒子４の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。実効粒径が１００ｎｍ以下であることにより、レイリー散乱による損失を低減させ、光学調整層３’の透明性を高くすることができる。また、実効粒径を１ｎｍ以上とすることにより、量子効果による発光等の影響を抑制することができる。第２光学材料は、必要に応じて、無機粒子の分散性を改善する分散剤や、重合開始剤、レベリング剤等の添加剤をさらに含んでいてもよい。
【００９２】
ここで実効粒径について図１１を参照しながら説明する。図１１において、横軸は無機粒子の粒径を表し、左側の縦軸は横軸の粒径に対する無機粒子の頻度を示す。また、右側の縦軸は粒径の累積頻度を表している。実効粒径とは、無機粒子全体のうち、その粒径頻度分布において、累積頻度が５０％となる粒径を中心粒径（メジアン径：ｄ５０）とし、その中心粒径を中心として累積頻度が５０％の範囲Ａにある粒径範囲Ｂのことを指す。したがって、無機粒子４のこのように定義される実効粒径の範囲が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。実効粒径の値を精度よく求めるためには、例えば、２００個以上の無機粒子を測定することが好ましい。
【００９３】
光学調整層３’としてコンポジット材料からなる第２光学材料を用いた場合、回折格子２の段差を浅くすることができ、回折格子２を覆うように形成すべき光学調整層３’も薄くすることができる。これにより、無機粒子４による光学調整層３’内のレイリー散乱が減少し、光学的損失のより少ない回折光学素子２２が実現できる。光学調整層３’を構成する第２光学材料としてコンポジット材料を用いる場合、回折格子２の深さｄ（段差）を２０μｍ以下とし、光学調整層３’の厚さを、最も厚い部分において回折格子２の深さｄ以上２００μｍ以下とすることが好ましく、深さｄ以上１００μｍ以下とすることが特に好ましい。
【００９４】
なお、光学調整層３’として高屈折率低波長分散性のコンポジット材料からなる第２光学材料を用いる場合、基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂は低屈折率高波長分散性を備えている必要がある。このため、第１樹脂は、光学樹脂の中でも比較的アッベ数が低いポリカーボネート系樹脂、特に芳香族ポリカーボネート系樹脂を使用することが好ましい。第２光学材料との間で式（１）を満たす範囲において、ポリカーボネート系樹脂と他の樹脂と共重合させたり、他の樹脂とのアロイ化を行ったり、他の樹脂をブレンドしたものを第１光学材料として用いてもよい。また、第１光学材料は添加剤を含んでいてもよい。
【００９５】
なお、回折光学素子２２は、光学調整層３’の表面にさらに反射防止層を備えていてもよい。反射防止層は、光学調整層３’より屈折率が低い材料の膜からなる単層構造、あるいは光学調整層３’より屈折率が低い材料の膜と高い材料の膜による多層構造がある。反射防止層に使用される材料としては、例えば、樹脂、樹脂と無機粒子とのコンポジット材料、あるいは真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ法等にて形成された無機薄膜等が挙げられる。反射防止層としてのコンポジット材料に使用される無機粒子としては、屈折率の低いシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等が挙げられる。
【００９６】
また、回折光学素子２２は、光学調整層３’の表面にナノ構造の反射防止形状を有していてもよい。ナノ構造の反射防止形状は、例えば型による転写工法（ナノインプリント）によって容易に形成することができる。
【００９７】
さらに、回折光学素子２２は、光学調整層３’または反射防止層の表面に、耐摩擦性、熱膨張性等の力学特性を調整する作用を有する表面層を別途備えていてもよい。
【００９８】
このように本実施形態の回折光学素子２２によれば、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂および光学調整層を構成する第２光学材料であるコンポジット材料のマトリクス樹脂である第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、基体１と光学調整層３との界面における相互作用が低減される。この結果、光学調整層３の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。特に、第２光学材料としてコンポジット材料を使用することにより、回折格子の段差を浅くすることができるため、回折格子２を有する基体１の加工が容易になるとともに回折格子のピッチを狭くすることが可能となるため、回折性能の向上を図ることが可能となる。
【００９９】
（第３の実施形態）
以下、本発明による回折光学素子の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態では、図７（ａ）から（ｆ）および図８（ａ）から（ｄ）を参照しながら、第１の実施形態の回折光学素子２１を製造する方法を説明する。
【０１００】
まず図７（ａ）に示すように、表面に回折格子２を形成した基体１を用意する。例えば、射出成形やプレス成形等に代表されるように、回折格子形状を形成した型に、第１光学材料を軟化または溶融させた状態で供給し成形を行う方法、回折格子形状を形成した型に第１光学材料の原料であるモノマーやオリゴマー等を注型し、加熱および／またはエネルギー線照射により原料を重合する方法、あるいは、あらかじめ成形した基体１の表面に切削、研磨等により回折格子２を成形する方法等によって、回折格子２を形成した基体１を作製することができる。これら以外の方法によって回折格子２を形成した基体１を作製してもよい。
【０１０１】
次に、溶解度パラメータが基体１と０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上離れている第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を用意し、基体１の回折格子２上に配置する。第２光学材料は第１光学材料よりも高い屈折率および低い分散性を有する。第２光学材料として、第１の実施形態や第２の実施形態で説明した熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を使用する場合には、以下、原料を硬化させるまで、第２光学材料のモノマーまたはオリゴマーが基体１と接触することとなる。このため、第２樹脂の原料であるこうしたモノマーあるいはオリゴマーの硬化前あるいは重合前の溶解度パラメータが、基体１の第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータと０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上離れているモノマーあるいはオリゴマーを用いることによって基体１への浸透を抑制し、回折格子２の膨潤や溶解、あるいは屈折率変化層の形成による特性低下を防ぐことが好ましい。
【０１０２】
光学調整層３の原料を基体１の回折格子１上に配置する方法は、粘度等の材料特性、ならびに回折光学素子に要求される光学的特性から決定される光学調整層３の形状精度に応じて、公知のコーティング層形成プロセスから適宜選択される。図７（ａ）から（ｆ）においては、具体的な一例として、パッド印刷を用いた光学調整層３の原料１３の転写配置について示している。しかし、ディスペンサー等の注液ノズルを用いた塗布、ディップコート等の浸漬塗布、スプレーコート、インクジェット法等の噴射塗布、スピンコーティング等の回転による塗布、スクリーン印刷等スキージングによる塗布等を用いてもよい。またこれらのプロセスを適宜組み合わせてもよい。この点は、以下の実施例においても同様である。
【０１０３】
パッド印刷を用いて光学調整層３の原料を基体１の回折格子１上に配置する工程は次のとおりである。まず、パッド印刷の版１１上のパターン１２に配置された光学調整層の原料１３にパッド１４を押し付ける。次に図７（ｂ）に示すように、パッド１４を上方に持ち上げ、光学調整層の原料１３をパッド１４に転写する。
【０１０４】
次に、図７（ｃ）に示すようにパッド１４を基体１の上に移動させた後、図７（ｄ）に示すように基体１に押し付けて光学調整層の原料１３を基体１に転写した後、図７（ｅ）のようにパッド１４を引き上げる。
【０１０５】
その後、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を第２光学材料の第２樹脂に用いる場合には、原料１３に含まれる第２樹脂の原料を硬化させる。第２樹脂の原料を硬化させる方法は、使用する樹脂の種類に応じて、熱硬化やエネルギー線照射等の工程を用いることができる。硬化工程に使用するエネルギー線としては、例えば、紫外線、可視光線、赤外線、電子線等が挙げられる。紫外線硬化を実施する場合には、原料１３にあらかじめ光重合開始剤を添加しておいてもよい。電子線硬化を実施する場合には重合開始剤は通常必要ない。第２樹脂の原料を硬化させることにより、原料１３全体が硬化し、これにより図７（ｆ）に示すように、回折格子２を有する基体１の表面に光学調整層３が設けられた回折光学素子２１が完成する。
【０１０６】
なお、光学調整層３に要求される形状精度、特に回折格子２と反対側の面の形状を高い精度で成形する必要がある場合は、硬化工程において、型を使用し、光学調整層３の形状をより高い成形精度で制御してもよい。例えば図８（ａ）に示すように、回折格子２が形成された基体１を用意し、図８（ｂ）に示すように、ディスペンサー６から、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂の原料１３を基体１上に滴下する。続いて、図８（ｃ）に示すように、原料１３に型８を押し当て、原料１３を覆うように型８を基体１上に配置する。型８の材料は、要求される形状精度や耐久性に応じて適宜選択することができる。例えば、鉄やアルミニウム、これらの合金、真鍮等の金属を用いることができる。必要に応じて、ニッケルめっき等の表面処理を行った金属を使用してもよい。また、石英やガラス、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂等の樹脂も型８の材料として使用することが可能である。
【０１０７】
型８を使用して光学調整層３の形状を成形する場合、光学調整層３の原料１３を型８の内側に配置した後、基体１に押圧してもよい。しかし、硬化前の原料１３が低粘度であることから、回折格子２を表面に形成した基体１に回り込みやすく、気泡の噛み込み等が抑えられ、かつ硬化後の光学調整層３と基体１との密着性も高くなるため、原料１３を基体１上に直接配置する方がより好ましい。
【０１０８】
型８を使用して光学調整層３の形状を規制する場合、硬化工程後に離型を行うのが一般的である。しかし、硬化前の状態で原料１３が変形しないのであれば、先に離型を行ってから原料１３に含まれる第２樹脂の原料を硬化させてもよい。エネルギー線照射による硬化後に離型を行う場合、原料１３が型８で規制された状態で原料１３に含まれる第２樹脂の原料にエネルギー線が照射される。型８として金属などの不透明な材料を使用する場合には、図８（ｃ）に示すように、基体１の原料１３を配置した面と反対の面からエネルギー線を照射する。一方、型８としてエネルギー線に対して透明な材料、例えばエネルギー線として紫外線を使用し、石英等によって型８を構成する場合には、基体１の原料１３を配置した面側から型８を介して、原料１３に含まれる第２樹脂の原料にエネルギー線を照射することによって第２樹脂を硬化させることが可能である。第２樹脂の原料を硬化させることにより、原料１３全体が硬化する。その後、型８を硬化させた原料１３から取り外すことにより、図８（ｄ）に示すように、基体１の表面に光学調整層３が形成された回折光学素子２１が完成する。
【０１０９】
このように本実施形態の回折光学素子の製造方法によれば、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂と光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の原料の溶解度パラメータとの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、回折光学素子の製造途中における基体１と第２樹脂の原料との界面における相互作用が低減され、第２樹脂の原料が基体１へ浸透することが抑制される。このため、回折光学素子の製造途中において、基体１の表面に形成された回折格子２の形状が変形したり、基体１の表面に屈折率の異なる層が生成したりするのが防止される。また、重合や硬化によって第２樹脂の原料から形成される光学調整層３の溶解度パラメータと基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータとの差も０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上になるため、完成した回折光学素子における光学調整層３の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。
【０１１０】
（第４の実施形態）
以下、本発明による回折光学素子の製造方法の他の実施形態を説明する。本実施形態では、図７（ａ）から（ｆ）および図８（ａ）から（ｄ）を参照しながら、第２の実施形態の回折光学素子２２を製造する方法を説明する。本実施形態は、第２光学材料として、コンポジット材料を用いる場合の製造方法を説明する。
【０１１１】
第２の実施形態で説明したように、コンポジット材料を用いて光学調整層を形成する場合、光学調整層を構成している第２光学材料は第２樹脂と無機粒子とを含んでいる。光学調整層を形成する前に、第２光学材料は溶媒を含んでいてもよい。溶媒は、第２樹脂中あるいは第２樹脂の原料中に無機粒子を均一に分散させたり、第２樹脂あるいは第２樹脂の原料の粘度を調整し、気泡を含まない光学調整層３を形成するために用いられる。
【０１１２】
第２光学材料に含まれる溶媒は後述の乾燥工程により除去される。このため、基体１と溶媒との接触時間は第２樹脂の原料よりも短く、溶媒と第１樹脂との相互作用は第２樹脂の原料よりも小さいと考えられる。しかし、基体１への異物の浸透を抑制し、回折格子の変形や屈折率変化層の生成を防止するという観点から、溶媒についても、第２樹脂の原料であるモノマーまたはオリゴマーと同様、基体１の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上離れた溶解度パラメータを有する溶媒を使用することが好ましい。また、回折光学素子２２の製造工程における溶媒を含んだ第２樹脂層の原料と第１樹脂からなる基体１との密着性を高め、生産性を確保するために、溶媒と第１樹脂との溶解度パラメータの差は、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であることが好ましく、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であることがより好ましい。このような溶解度パラメータを有する溶媒の中から、無機粒子の分散性、マトリクス樹脂の溶解性、製造工程における取扱い性（粘度調整性、基体への濡れ性、乾燥の容易性（沸点、蒸気圧）等）等、必要とされる特性を満たすものを選定すればよい。
【０１１３】
特に、マトリクス樹脂となる第２樹脂として、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を使用する場合、上述したように、第２樹脂の溶解度パラメータは基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂の溶解度パラメータより大きい。したがって、第２樹脂の溶解性を確保するため、溶媒も第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上高い溶解度パラメータを有していることが好ましい。例えば、基体１の第１樹脂としてビスフェノールＡ系ポリカーボネート（ＳＰ値：９．８）を使用する場合、メタノール（ＳＰ値：１４．５）、エタノール（ＳＰ値：１２．７）、２−プロパノール（ＳＰ値：１１．５）、１−プロパノール（ＳＰ値：１１．９）、１−ブタノール（ＳＰ値：１１．４）等に代表されるアルコール系溶媒、エチレングリコール（ＳＰ値：１４．６）、メチルセロソルブ（ＳＰ値：１１．４）等に代表されるグリコール系溶媒、水（ＳＰ値：２３．４）等の溶媒を使用することができる。これらの溶媒は入手や取扱いも比較的容易であり、その点でも好ましい。
【０１１４】
第２の実施形態で説明したように第２光学材料中の無機粒子は基体１に浸透する可能性が極めて低い。このことから、光学調整層を構成する第２光学材料としてコンポジット材料を使用することにより、第２樹脂の原料であるモノマーまたはオリゴマーや、溶媒等の低分子量成分が、製造工程中において基体１と接触する機会は相対的に減少する。この結果、第２光学材料に含まれる低分子量成分の基体１へ浸透するのがさらに抑制される。
【０１１５】
次に回折光学素子２２（第２の実施形態）の製造方法を説明する。
【０１１６】
第３の実施形態と同様、まず図７（ａ）に示すように、表面に回折格子２を形成した基体１を作製する。次に、図７（ｂ）から（ｅ）に示すように光学調整層３’となる第２光学材料の原料１３を、基体１上に配置する。ここまでは、第３の実施形態の製造方法と同じ工程である。
【０１１７】
続いて、原料１３中の溶媒を除去するために原料１３を乾燥させる。溶媒の除去は、加熱乾燥、減圧乾燥等の方法を用いることができる。乾燥温度、圧力、時間等については、使用する原料１３の組成（溶媒の種類、第２樹脂の極性、原料１２中の溶媒含有量等）により、適宜調整する必要がある。溶媒が残存していると、光学調整層３’の屈折率が変動する要因となるため、屈折率の変動が生じない程度まで実質上完全に溶媒を除去する必要がある。
【０１１８】
溶媒を除去した後、第３の実施形態で説明したように原料１３に含まれる第２樹脂の原料を硬化させる。硬化方法は、第３の実施形態と同様、熱やエネルギー線照射によって行うことができる。第２樹脂の原料を硬化させることにより、原料１３全体が硬化する。これにより図７（ｆ）に示すように、回折格子２を有する基体１の表面にコンポジット材料からなる光学調整層３’が設けられた回折光学素子２２が完成する。
【０１１９】
第３の実施形態と同様、光学調整層３’に要求される形状精度、特に回折格子２と反対側の面の形状を高い精度で成形する必要がある場合は、硬化工程において、型を使用し、光学調整層３’の形状をより高い成形精度で制御してもよい。この場合には図８（ａ）から（ｄ）を参照して第３の実施形態で説明したように、光学調整層３’の原料１３を基体１上に配置し、溶媒を除去後、型８を原料１３に押し当てて原料１３を所望の形状に成形してもよい。
【０１２０】
なお、型８を使用して光学調整層３’の形状を成形する場合は、光学調整層３’の原料１３を型８に配置し、原料１３から溶媒を除去した後、基体１に原料１３を押圧してもよい。しかし、第３の実施形態で説明したように、光学調整層３’の原料１３を基体１上に配置する方がより好ましい。これにより、図８（ｄ）に示すように、基体１の表面に光学調整層３’が形成された回折光学素子２２が完成する。
【０１２１】
このように本実施形態の回折光学素子の製造方法によれば、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂と、光学調整層３’を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の原料１３および原料１３に含まれる溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、回折光学素子の製造途中における基体１と第２樹脂の原料との界面における相互作用が低減され、第２樹脂の原料や溶媒が基体１へ浸透することが抑制される。このため、回折光学素子の製造途中において、基体１の表面に形成された回折格子２の形状が変形したり、基体１の表面に屈折率の異なる層が生成したりするのが防止される。また、重合や硬化によって第２樹脂の原料から形成される光学調整層３の溶解度パラメータと基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータとの差も０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上になるため、完成した回折光学素子における光学調整層３’の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。特に、第２光学材料としてコンポジット材料を使用することにより、回折格子の段差を浅くすることができるため、回折格子２を有する基体１の加工が容易になるとともに回折格子のピッチを狭くすることが可能となるため、回折性能の向上を図ることが可能となる。
【実施例】
【０１２２】
以下に、本発明による回折光学素子を作製し、特性を評価した結果を具体的に説明する。【０１２３】
（実施例１）
図５に示す構造を備えた回折光学素子２１を次の方法により作製した。回折光学素子２１はレンズ作用を有し、１次回折光を利用するように設計されている。この点は以下の実施例についても同様である。【０１２４】
まず基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂として、ビスフェノールＡ系ポリカーボネート樹脂（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８、ＳＰ値９．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を射出成形することにより、回折格子の根元の包絡面が非球面形状であり、深さ３９μｍの輪帯状回折格子２を片面に有する基体１を作製した。レンズ部の有効半径は０．８２８ｍｍであり、輪帯数は２９本であり、最小輪帯ピッチは１４μmであり、回折面の近軸Ｒ（曲率半径）は−１．０１４４ｍｍである。【０１２５】
次に光学調整層３を構成する第２光学材料の第２樹脂となるエポキシアクリレート樹脂Ｃ（ｄ線屈折率１．６００、アッベ数３３、ＳＰ値１１．２[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を、パッド印刷機（ミシマ（株）製ＳＰＡＣＥ  ＰＡＤシステム）を使用して基体１の輪帯状回折格子２上の全面に塗布した。その後、紫外線を照射（照度１２０ｍＷ／ｃｍ2、積算光量４０００ｍＪ／ｃｍ2）してアクリレート樹脂Ｃを硬化させ、光学調整層３を形成した。【０１２６】
以上の工程によって作製した回折光学素子２１の回折効率を測定した。白色光源からの光線を回折光学素子２１に透過させ、各回折次数に対応する集光点における最大輝度を、超精密３次元測定装置（三鷹光器（株）製）を用いて測定し、以下の式（４）に示す計算によって１次回折効率を算出した。なお、以下の実施例ならびに比較例において、３次回折光以上の高次の回折光は検出されなかった。
【数４】
2010032347.tif 000006
【０１２７】
本実施例の回折光学素子２１の１次回折効率は、全波長において８７％以上であった。なお、一般的な用途である場合、１次回折効率が８５％以上であれば、回折光学素子は十分に実用的である。【０１２８】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体１と光学調整層３の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定するために、基体１と同じ材料の平板上に、光学調整層と同材料、同条件で厚さ３０μmの膜を形成し、基体と膜が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１２９】
なお、硬化前の第２樹脂の溶解度パラメータは、Ｆｅｄｏｒｓらによる分子構造式から計算する方法により求めた。硬化後の第２樹脂の溶解度パラメータも計算したところ、硬化前の第２樹脂の溶解度パラメータとほぼ等しいことが分かった。以下の実施例、比較例でも同様にして、硬化前の第２樹脂の溶解度パラメータを計算した。【０１３０】
（実施例２）
本発明の実施例として、図６に示す構造を備えた回折光学素子２２を次の方法により作製した。基体１は実施例１と同様、第１樹脂としてビスフェノールＡ系ポリカーボネート樹脂（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８、ＳＰ値９．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を射出成形することにより、回折格子の根元の包絡面が非球面形状であり、深さ１５μｍの輪帯状回折格子２を片面に有する基体１を作製した。レンズ部の有効半径は０．８２８ｍｍであり、輪帯数は２９本であり、最小輪帯はピッチ１４μmであり、回折面の近軸Ｒ（曲率半径）は−１．０１４４ｍｍである。【０１３１】
次に光学調整層３’の原料となる第２光学材料を次のように調製した。第２樹脂として脂環式アクリレート樹脂Ｂ（ｄ線屈折率１．５３１、アッベ数５２、ＳＰ値９．０[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用い、これに酸化ジルコニウム（一次粒径３〜１０ｎｍ、光散乱法による実効粒径２０ｎｍ、シラン系表面処理剤含有）のＰＧＭＥ（プロピレングリコールモノメチルエーテル、ＳＰ値１０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）分散液を、分散媒であるＰＧＭＥを除いた全固形分中における酸化ジルコニウムの重量比が５６重量％となるように分散し、混合した。なお、この第２光学材料の乾燥・硬化後の光学特性は、ｄ線における屈折率が１．６２３であり、アッベ数４３であり、波長４００〜７００ｎｍにおける光線の透過率が９０％以上（膜厚３０μｍ）である。【０１３２】
この第２光学材料を、基体１上にディスペンサーを用いて０．４μＬ滴下し、真空乾燥機にて乾燥（２５℃、真空乾燥機の内圧１３００Ｐａ、３時間）させた後、金型（ステンレス系合金表面にニッケルめっき膜形成）に設置し、基体１の裏面（コンポジット材料を滴下した面と反対の面）から、紫外線（照度１２０ｍＷ／ｃｍ2、積算光量４０００ｍＪ／ｃｍ2）を照射することによって第２樹脂を硬化させた。その後、金型から離型し光学調整層３’として形成した。なお、光学調整層３’の表面形状は、回折格子２の根元の包絡面形状に沿った非球面形状と一致するように形成した。また光学調整層３’の厚さは、最も厚い部分（すなわち回折光学素子の最深部に対応する部分）において、３０μｍとなるように形成した。【０１３３】
本実施例の回折光学素子２２の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９２％以上であった。【０１３４】
さらに、本実施例の回折光学素子２２を光軸が通る断面にて切断し、基体１と光学調整層３’の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子２の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体１と光学調整層３’が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１３５】
（実施例３）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として、ＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａ（ｄ線屈折率１．５２９、アッベ数５０、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）と、実施例２と同じ脂環式アクリレート樹脂Ｂとを重量比４：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１１．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるように調整した混合樹脂を用いた点、および、溶媒として１−プロパノール（ＮＰＡ、ＳＰ値１１．９[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１３６】
本実施例の回折光学素子２２の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、８５％以上であった。【０１３７】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１３８】
（実施例４）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａのみを用いた点、および溶媒として、１−プロパノール（ＮＰＡ、ＳＰ値１１．９[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１３９】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９３％であった。【０１４０】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１４１】
（実施例５）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと、溶解度パラメータの異なるエポキシアクリレート樹脂Ｄ（ｄ線屈折率１．５６９、アッベ数３５、ＳＰ値１２．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）とを重量比４：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１１．６[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点、および、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１４２】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９１％以上であった。【０１４３】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１４４】
（実施例６）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと、溶解度パラメータの異なるエポキシアクリレート樹脂Ｄ（ｄ線屈折率１．５６９、アッベ数３５、ＳＰ値１２．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）とを重量比３：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１１．７[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点、および、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１４５】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９１％以上であった。【０１４６】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１４７】
（実施例７）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例５に使用したエポキシアクリレート樹脂Ｄ（ｄ線屈折率１．５６９、アッベ数３５、ＳＰ値１２．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）のみを用い、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１４８】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、８８％以上であった。【０１４９】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。【０１５０】
また、本実施例では、基材と光学調整層とのＳＰ値の差が２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2と比較的大きな値となっているが、実施例１〜６と同様、歩留まりの低下や使用時に光学調整層が剥離したりする問題は発生しなかった。【０１５１】
（比較例１）
比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層を構成する樹脂として、実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと脂環式アクリレート樹脂Ｂとを重量比１：３の割合で混合して、樹脂全体の溶解度パラメータを９．６[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点、および、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１５２】
本比較例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、７１％であった。なお、この回折光学素子においては、超精密３次元測定装置による輝度測定時において０次光、１次光、２次光の集光点以外の領域にも輝度が観測された。また、輝度測定に使用した白色光の透過光量は、実施例１から６と比較して３倍必要であった。これは回折光学素子として光学的損失が大きいことを示している。【０１５３】
さらに、本比較例の回折光学素子を、光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、図２に示す屈折率変化層１０１ａとみられる変色した層が観察された。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５７２であり、光学調整層が接していない場合のｄ線屈折率（１．５８５）と比較して、０．０１３低下していた。つまり、光学調整層の原料が浸透し、屈折率低下を引き起こしていることで回折効率が低くなっていると考えられる。【０１５４】
（比較例２）
比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層を構成する樹脂として、実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと、実施例２に使用した脂環式アクリレート樹脂Ｂとを重量比１：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１０．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点が実施例２と異なっている。【０１５５】
本比較例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、８０％以上であった。なお、この回折光学素子においては、超精密３次元測定装置による輝度測定時において０次光、１次光、２次光の集光点以外のところにも輝度が存在していた。また、輝度測定に使用した白色光の透過光量は、実施例１から６と比較して１．５倍必要であった。これは回折光学素子として光学的損失が大きいことを示している。【０１５６】
さらに、本比較例の回折光学素子を、光軸を通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、図２に示すような、屈折率変化層は見られなかった。しかし、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５７５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と比較して、０．０１低下していた。つまり、回折格子の断面からは観察できないレベルで光学調整層の原料が浸透し、微少な屈折率低下を引き起こしていることで回折効率が低くなっていると考えられる。【０１５７】
（比較例３）
本発明の実施例に対する比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層を構成する樹脂として、ＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａのみを用い、溶媒として２−プロパノールを用い、無機粒子を混合していない点が実施例２と異なっている。【０１５８】
本比較例の回折光学素子を、光軸を通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察した結果、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。【０１５９】
しかしながら、光学調整層として必要な屈折率には到達していないため、１次回折効率は２５％であった。【０１６０】
（比較例４）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層に添加する溶媒として、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ、ＳＰ値９．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。【０１６１】
本比較例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用により、図１に示すように、回折格子の変形が観察された。回折格子の変形が顕著であったため、回折光が集光せず、回折効率については測定できなかった。【０１６２】
（比較例５）
本発明の実施例に対する比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子の作製を試みた。ただし、光学調整層の原料を基体上ではなく型に滴下し、原料の乾燥後、基体に型はめ、紫外線を照射してアクリレート樹脂を硬化させ、回折光学素子を作製しようとした点で実施例２と異なっている。【０１６３】
本比較例においては、離型時に型に光学調整層となるべきコンポジット材料が残ってしまい、基体上に所望の形状の光学調整層を形成することはできなかった。【０１６４】
（結果の考察）
以下の表１に実施例１〜６および比較例１〜５において、光学調整層に用いた樹脂および溶媒と、これらの溶解度パラメータおよび基体を構成する樹脂との溶解度パラメータの差とを示す。また、作製した回折光学素子における基材への浸食を観察した結果、および、算出した１次回折効率を示す。【０１６５】
【表１】
2010032347.tif 000007
【０１６６】
表１に示すように、実施例の回折光学素子における基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータの差は０．８以上であり、これにより、基材への樹脂の浸食が発生せず、高い回折効率が得られていることが分かる。【０１６７】
これに対し、比較例１、２から分かるように、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータの差が０．８より小さい場合、基体への樹脂の浸食による屈折率変化層あるいは微小屈折率変化層の生成が見られ、これにより、１次回折効率が低下している。【０１６８】
また、比較例４から分かるように、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータの差は０．８以上であっても、光学調整層の原料に基体に含まれる樹脂の溶解度パラメータとの差は０．８より小さい溶媒が含まれている場合、溶媒が基体へ浸透することによって回折格子の変形が生じる。【０１６９】
図９は、実施例１〜７および比較例１、２における、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差と１次回折効率との関係を示している。図９より、基体と光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８以上である場合に１次回折効率が８５％以上得られることがわかる。ここで、１次回折効率は（式４）に基づいて計算したものである。上述したように比較例１、２については、０次、１次、２次回折光の集光位置に集光しない成分も多く、評価を行う際の透過光量は実施例１から７と比較して１．５倍〜３倍の光量が必要であったことから、実際の回折効率は７１％および８０％よりもはるかに低いと考えられる。【０１７０】
図１０は、実施例１〜７および比較例１、２における、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差と基体の屈折率との関係を示している。図１０より、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８以上であれば、基体の屈折率がほぼ一定であることがわかる。これは、溶解度パラメータの差が０．８以上であれば、基体への樹脂の浸透が発生しないことによって、屈折率が低下していないからであると考えられる。【０１７１】
以上のように、本実施例による回折光学素子によれば、素子を構成する材料間の相互作用が抑制できるため、基体の回折格子の変形や基体の屈折率変化による不要回折光や迷光の発生がなく、良好な光学特性を有しかつ量産性の高い回折光学素子を得ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明の回折光学素子は、種々の光学系に好適に用いることが可能であり、例えばカメラのレンズ、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１７３】
１、１０１  基体
２  回折格子
３、３’、１０３、１０３’  光学調整層
４  無機粒子
６  ディスペンサー
８  型
１１  印刷版
１２  印刷パターン
１３  光学調整層の原料
１４  パッド
２１、２２、１１１、１１２、１１３、１１４  回折光学素子
【図１】
2010032347.tif 000008
【図２】
2010032347.tif 000009
【図３】
2010032347.tif 000010
【図４】
2010032347.tif 000011
【図５】
2010032347.tif 000012
【図６】
2010032347.tif 000013
【図７】
2010032347.tif 000014
【図８】
2010032347.tif 000015
【図９】
2010032347.tif 000016
【図１０】
2010032347.tif 000017
【図１１】
2010032347.tif 000018
【手続補正書】
【提出日】平成21年11月18日(2009.11.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は回折光学素子に関し、異なる樹脂をそれぞれ含む２つ以上の部材によって構成される回折光学素子およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子は、ガラスや樹脂等の光学材料からなる基体に光を回折させる回折格子が設けられた構造を備える。回折光学素子は、撮像装置や光学記録装置を含む種々の光学的機器の光学系に用いられており、例えば、特定次数の回折光を１点に集めるように設計されたレンズや、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等が知られている。
【０００３】
回折光学素子は、光学系をコンパクトにできるという特長を有する。また、屈折とは逆に長波長の光ほど大きく回折することから、回折光学素子と屈折を利用する通常の光学素子とを組み合わせることにより、光学系の色収差や像面湾曲を改善することも可能である。
【０００４】
しかし、回折効率は理論的に光の波長に依存することから、特定の波長の光における回折効率が最適となるように回折光学素子を設計すると、その他の波長の光では回折効率が低下するという課題が生じる。例えば、カメラ用レンズ等白色光を利用する光学系に回折光学素子を用いる場合、この回折効率の波長依存性によって、色むらや不要次数光によるフレアが生じ、回折光学素子だけで適切な光学特性を有する光学系を構成するのは困難である。
【０００５】
このような課題に対して、特許文献１は、回折光学素子における回折効率の波長依存性を低減するために、光学材料からなる基体の表面に回折格子を設け、基体と異なる光学材料からなる光学調整層で回折格子を覆った位相差型の回折光学素子を提案している。この構造によれば、光学特性が所定の条件を満たすように２つの光学材料を選択することによって、設計した回折次数での回折効率を波長によらず高くすることができる。
【０００６】
具体的には、回折光学素子を透過する光の波長をλとし、２種類の光学材料の波長λにおける屈折率をｎ１（λ）およびｎ２（λ）とし、回折格子の深さをｄとした場合、λ、ｄ、ｎ１（λ）およびｎ２（λ）が下記式（１）を満たすことにより、波長λの光に対する回折効率が１００％となる。
【数１】
2010032347.tif 000019
【０００７】
したがって、回折効率の波長依存性を低減するためには、使用する光の波長帯域内においてｄがほぼ一定となるような波長依存性を持つ屈折率ｎ１（λ）の光学材料と屈折率ｎ２（λ）の光学材料とを組み合わせればよい。一般的には、屈折率が高く、波長分散の低い材料と屈折率が低く波長分散の高い材料とが組み合わされる。特許文献１は、基体となる第１光学材料としてガラスまたは樹脂を用い、第２光学材料として紫外線硬化樹脂を用いることを開示している。
【０００８】
特許文献２は、同様の構造を有する位相差型の回折光学素子において、第１光学材料としてガラスを用い、第２光学材料として、粘度が５０００ｍＰａ・ｓ以下のエネルギー線硬化型樹脂を用いることを開示している。このような光学材料を用いることにより、回折効率の波長依存性を低減して、色むらや不要次数光によるフレア発生等を有効に防止できると開示している。
【０００９】
しかし、基体となる第１光学材料としてガラスを用いる場合、樹脂と比較して微細加工が難しいため、回折格子のピッチを狭くし、回折性能を向上させることは容易ではない。このため、光学素子の小型化を図りながら光学性能を高めることが困難である。また、ガラスの成形温度は樹脂より高温であるため、ガラスを成型するための金型の耐久性が樹脂を成形するための金型に比べて低く、生産性にも課題がある。
【００１０】
一方、基体となる第１光学材料として樹脂を用いる場合、回折格子の加工性および成形性の点でガラスより優れる。しかし、ガラスと比べて種々の値の屈折率を実現することが難しく、第１光学材料と第２光学材料との屈折率差が小さくなるため、式（１）から明らかなように、回折格子の深さｄは大きくなる。
【００１１】
その結果、基体自体の加工性は優れるものの、回折格子を形成するための金型を深く加工したり、溝の先端を鋭利な形状に成形したりする必要があり、金型の加工が困難になる。また、回折格子が深くなるほど、基体および金型の少なくとも一方の加工上の制約から回折格子のピッチを大きくする必要がある。このため回折格子の数を増やすことができず、回折光学素子の設計上の制約が大きくなる。
【００１２】
このような課題を解決するため、本願の出願人は、特許文献３において、光学調整層として、マトリクス樹脂中に平均粒径１ｎｍ〜１００ｎｍの無機粒子を含んだコンポジット材料を用いることを提案している。このコンポジット材料は、分散させる無機粒子の材料や無機粒子の添加量によって屈折率およびアッベ数を制御でき、従来の樹脂にはない屈折率およびアッベ数を得ることができる。したがって、コンポジット材料を光学調整層に用いることにより、基体である第１の光学材料として樹脂を用いた場合の回折格子の設計自由度を高くして、成形性を向上させ、かつ優れた回折効率の波長特性を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開平１０−２６８１１６号公報
【特許文献２】特開２００１−２４９２０８号公報
【特許文献３】国際公開第０７／０２６５９７号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本願発明者は、特許文献１から３に開示された位相差型の回折光学素子において、基体および光学調整層を樹脂材料によって構成する場合、樹脂材料の種類によっては、基体と光学調整層とが接する部分において、基体が膨潤したり溶解したりしてしまい、回折格子の形状が設計値からずれるという問題があることを見出した。回折格子の形状が設計値からずれると、設計次数と異なる次数の回折光（以下「不要回折光」と呼ぶ）や迷光が発生し、回折効率が低下する。また、本願発明者によれば、回折格子形状が顕著に膨潤していない場合でも、不要回折光が発生することが分かった。
【００１５】
本発明は、このような従来技術の課題を解決し、良好な光学特性を有する回折光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明の回折光学素子は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、第２樹脂を含む第２光学材料からなり、前記回折格子を覆うように前記基体に設けられた光学調整層とを備え、前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。
【００１７】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。
【００１８】
ある好ましい実施形態において、前記第２光学材料はさらに無機粒子を含み、前記無機粒子が前記第２樹脂中に分散している。
【００１９】
ある好ましい実施形態において、前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを主成分として含む。
【００２０】
ある好ましい実施形態において、前記無機粒子の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２１】
ある好ましい実施形態において、前記第２樹脂の溶解度パラメータは前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きい。
【００２２】
ある好ましい実施形態において、前記第２樹脂はＯＨ基を有する。
【００２３】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂はポリカーボネートである。
【００２４】
ある好ましい実施形態において、前記第２樹脂はエネルギー線硬化型樹脂である。
【００２５】
本発明の回折光学素子の製造方法は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体を用意する工程と、前記回折格子を覆うように前記基体上に第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を配置する工程と、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２光学材料からなる光学調整層を形成する工程とを包含し、前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、前記第１樹脂および前記第２樹脂の原料の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。
【００２６】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。
【００２７】
ある好ましい実施形態において、前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる。
【００２８】
ある好ましい実施形態において、前記第２光学材料の原料は、さらに溶媒および無機粒子を含んでおり、前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、前記第２光学材料の原料を配置する工程の後、前記光学調整層を形成する工程の前に前記第２光学材料の原料から前記溶媒を除去する工程をさらに包含し、前記光学調整層を形成する工程は、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２樹脂中に前記無機粒子が分散した前記第２樹脂を生成する。
【００２９】
ある好ましい実施形態において、前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。
【００３０】
ある好ましい実施形態において、前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、回折格子が設けられた基体および光学調整層がそれぞれ樹脂を含む光学材料からなり、かつ、２つの樹脂の溶解度パラメータの差が、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である。このため、基体の樹脂と光学調整層の樹脂との相互作用を抑制することができ、回折格子の変形の抑制および基体の屈折率変化による不要回折光や迷光の発生を抑制し、良好な光学特性を有する回折光学素子を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】従来技術の回折光学素子において、回折格子が変形した状態を模式的に示す図である。
【図２】従来技術の回折光学素子において、基体と光学調整層の界面に屈折率が変化した層が形成される状態を模式的に示す図である。
【図３】（ａ）および（ｂ）は、基体と光学調整層の界面に屈折率が変化した層が形成される従来技術の回折光学素子において、光学調整層の材料と不要回折光との関係を説明する図である。
【図４】基体と光学調整層の界面に屈折率が変化した層が形成される光学素子における光の屈折を模式的に示す図である。
【図５】（ａ）および（ｂ）は、本発明による回折光学素子の第１の実施形態における断面図および上面図である。
【図６】本発明による回折光学素子の第２の実施形態における断面図である。
【図７】（ａ）から（ｆ）は、それぞれ本発明による回折光学素子の製造方法を説明する工程断面図である。
【図８】（ａ）から（ｄ）は、それぞれ本発明による回折光学素子の他の製造方法を説明する工程断面図である。
【図９】本発明による回折光学素子の実施例による、基体および樹脂の溶解度パラメータの差と１次回折効率との関係を示すグラフである。
【図１０】本発明による回折光学素子の実施例による、基体および樹脂の溶解度パラメータの差と、基体の光学調整層が接する部分における屈折率との関係を示すグラフである。
【図１１】粒子の実効粒径の定義を説明するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
本願発明者は、従来の回折光学素子において、基体および光学調整層の両方に樹脂を含む材料を用いることによって生じる基体の膨潤を詳細に検討した。以下、検討結果を説明する。
【００３４】
図１に示す従来の回折光学素子１１１は、表面に回折格子２が設けられた基体１０１と、回折格子２を覆うように設けられた光学調整層１０３とを備えている。光学調整層１０３と基体１０１とが樹脂を含む光学材料によって形成されており、２つの光学材料の相互作用が強い場合、基体１０１と光学調整層１０３とが接する部分において、基体１０１が膨潤したり溶解したりすることによって、図１に示すように回折格子２の形状が崩れてしまう。回折格子２の形状が崩れると、所望の次数の回折光が十分な強度で得られなかったり、不要な回折光が生じたりする。
【００３５】
本願発明者は、回折格子２の形状に変化を生じていなくても、回折光学素子１１１に不要回折光が発生する場合があることを見出した。図２に示すように従来の回折光学素子１１２において、基体１０１の表面に設けられた回折格子２の形状が大きく変化しなくても、光学調整層１０３に含まれる樹脂が基体１０１の表面から浸透すると、樹脂の浸透した部分の基体１０１の屈折率が変化してしまい、図２に示すように、基体１０１と光学調整層１０３との界面に、屈折率が異なる層１０１ａ（以下「屈折率変化層」と呼ぶ）が形成されたことを確認した。この屈折率変化層１０１ａは光学顕微鏡によって確認が可能であり、屈折率変化層１０１ａの厚さは約５００ｎｍ〜５０００ｎｍであった。
【００３６】
このように、目視や光学顕微鏡による観察によって、回折格子２の形状変化や屈折率変化層１０１ａの生成が確認できた場合には、回折光学素子１１２は設計通りの光学特性を示さないことが分かる。
【００３７】
また、本願発明者は、屈折率変化層が光学顕微鏡によって観察できないにもかかわらず、回折光学素子に不要回折光が発生し、１次回折効率が低下するという現象を見出した。この現象について詳細に検討するため、屈折率変化層が光学顕微鏡によって観察できないのに１次回折効率が低下した回折光学素子を分析した。分析には、屈折率を高精度に測定できるプリズムカプラー（メトリコン社製、ＭＯＤＥＬ２０１０）を用いて、光学調整層と接している部分の基体の屈折率を測定した。
【００３８】
その結果、光学調整層が樹脂から構成される系については、光学調整層と接している部分の基体の屈折率が、接していない部分よりも０．０１程度上昇していることが分かった。一方、光学調整層がコンポジット材料から構成される系については、光学調整層が接している部分の基体の屈折率は、接していない部分よりも０．０１程度低下していることが分かった。つまり、光学顕微鏡では観察できないレベルで基体に光学調整層の材料が浸透し、微少な屈折率変化を引き起こしていることがわかった。このような屈折率が変化した層の厚さは、光学顕微鏡で確認できないため、正確な厚さはわからないが、５０ｎｍ〜５００ｎｍ程度であると推定される。
【００３９】
この結果をもとに、基体１０１の屈折率変化により光学素子の不要回折光が発生するメカニズムを、図３を参照しながら具体的に説明する。
【００４０】
まず、図３（ａ）のように、基体１０１（屈折率Ｎ１）と光学調整層１０３（屈折率Ｎ２）にそれぞれ異なる樹脂を用いて１次回折光を利用する回折光学素子１１３を考える。本願発明者の検討によれば、光学調整層１０３を構成する樹脂が基体１０１へ浸透することにより、光学顕微鏡では確認できないが、樹脂が浸透することによって屈折率がわずかに変化した微小屈折率変化層１０１ｂが生成すると推定される。基体１０１および光学調整層１０３の屈折率がＮ１＜Ｎ２の関係を満たしている場合、生成する微小屈折率変化層１０１ｂの屈折率Ｎ３は、Ｎ１＜Ｎ３＜Ｎ２の関係を満たす。
【００４１】
屈折率Ｎ１およびＮ２が使用する波長帯域内において式（１）を満たすように設計されている場合、界面に形成された微小屈折率変化層１０１ｂにより、回折格子を構成する段差の光学的距離の差つまり位相差が設計値より小さくなり、式（１）を満たさなくなる。この結果、使用する波長帯域内の光Ｂを入射させた場合の回折光学素子１１３の回折効率、つまり、１次回折光Ｂ1の出射効率が設計値より低くなる。この時、不要回折光として主に０次回折光Ｂ0が発生する。０次回折光Ｂ0は、１次回折光Ｂ1よりも焦点距離が長い。
【００４２】
一方、光学調整層として特許文献３に開示されるようなコンポジット材料を用いる場合も、コンポジット材料に含まれるマトリクス樹脂が基体へ浸透することにより、上述したような問題が生じる。図３（ｂ）に示すように、基体１０１と、マトリクス樹脂１０３に無機粒子４を分散させることによって構成された光学調整層１０３’とを用い、１次回折光を利用する回折光学素子１１４を考える。基体１０１および光学調整層１０３’の屈折率をそれぞれＮ１およびＮ２とし、マトリクス樹脂１０３の屈折率をＮ４とする。この場合、上述したように、光学調整層１０３’のマトリクス樹脂１０３のみが基体１０１へ浸透することにより、光学顕微鏡では確認できないが、樹脂が浸透したことによって屈折率がわずかに変化した微小屈折率変化層１０１ｃが生成すると推定される。
【００４３】
基体１０１、光学調整層１０３’およびマトリクス樹脂１０３の屈折率が、Ｎ１＜Ｎ２かつＮ４＜Ｎ１の関係を満たしている場合、生成する微小屈折率変化層１０１ｃの屈折率Ｎ３は、Ｎ１＞Ｎ３＜Ｎ２の関係を満たす。ナノメートルオーダの無機粒子４は基体１０１へ移動することはできず、基体１０１よりも屈折率の小さいマトリクス樹脂１０３が浸透することによって、微小屈折率変化層１０１ｃが生成するからである。
【００４４】
上述の場合と同様、屈折率Ｎ１およびＮ２が使用する波長帯域内において式（１）を満たすように設計されている場合、界面に形成された微小屈折率変化層１０１ｃにより、回折格子を構成する段差の光学的距離の差、つまり位相差が設計値より大きくなり、式（１）を満たさなくなる。この結果、使用する波長帯域内の光Ｂを入射させた場合の回折光学素子１１３の回折効率、つまり、１次回折光Ｂ1の出射効率が設計値より低くなる。この時、不要回折光として主に２次回折光Ｂ2が発生する。２次回折光Ｂ2は、１次回折光Ｂ1よりも焦点距離が短い。
【００４５】
通常の屈折現象のみを利用した光学系においては、図４に示すように、基体１０１と光学調整層１０３との間に微小屈折率変化層１０１ｃが生成したとしても、微小屈折率変化層１０１と基体１０１との屈折率の差が０．０１程度であれば、基体１０１から進入した光Ｃが、基体１０１と微小屈折率変化層１０１ｃとの界面で屈折する角度は小さい。また、微小屈折率変化層１０１ｃが薄ければ、屈折した角度で光Ｃが進む距離も短い。このため、微小屈折率変化層１０１ｃが生成した場合でも、光学調整層１０３へ入射する光Ｃの入射角度および入射位置は、微小屈折率変化層１０１ｃが生成しない場合とほとんど変わらず、光学性能への影響は無視し得るほど小さい。つまり、光学顕微鏡によって観察できない程度の微小屈折率変化層１０１ｃが生成してもその影響は無視し得る。
【００４６】
しかし、上述したように、回折光学素子の場合、光学顕微鏡によって観察できない程度の微小屈折率変化層であっても、回折の条件（１）を満たさなくなるため、微小屈折率変化層の生成は不要回折光の発生に直結する。この結果、設計次数における回折効率が大きく低下することになる。
【００４７】
特に、生産性の観点から光学調整層として紫外線硬化樹脂や熱硬化性樹脂を含む材料を使用する場合、光学調整層を形成する工程において、未硬化状態の樹脂、すなわちモノマーやオリゴマーが基体と接触する。モノマーやオリゴマーは硬化後の樹脂と比較して分子量が小さいことから、基体１０１への反応性や浸透性が硬化後の樹脂と比較して大きくなる。つまり、上述した回折格子の変形や、屈折率変化層および微小屈折率変化層の生成に伴う回折効率の低下が発生しやすい。
【００４８】
また、光学調整層にコンポジット材料を用いる場合、無機粒子をマトリクス樹脂中に均一に分散させたり、光学調整層を形成する工程における光学調整層の粘度を調整したりするため、光学調整層を形成する原料中に溶媒を添加することがある。このような溶媒は、光学調整層中の樹脂材料と同様、基体への溶解、および、基体への浸透による屈折率変化を引き起こし、上述した問題の原因となる。
【００４９】
本願発明者はこのような問題を解決するため、基体および光学調整層を構成する樹脂の溶解度パラメータに着目し、溶解度パラメータの差が所定の値以上であれば、上述した回折格子の変形や、屈折率変化層および微小屈折率変化層の生成に伴う回折効率の低下を確実に防止することができることを見出した。これにより、特に、光学顕微鏡によっても確認ができない微小屈折率変化層の形成を確実に防止することができ、設計どおりの光学性能を有する回折光学素子を実現することができることが分かった。以下、本発明による回折光学素子の実施形態を具体的に説明する。
【００５０】
（第１の実施形態）
図５（ａ）および（ｂ）は、本発明による回折光学素子の第１の実施形態を示す断面図および上面図である。図５（ａ）および（ｂ）に示す回折光学素子２１は、基体１と光学調整層３とを備える。
【００５１】
基体１は、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子２を有する。本実施形態では、第１光学材料は第１樹脂のみを含んでいる。回折格子２の断面形状、配置、ピッチおよび深さは、基体１および光学調整層３の光学特性および回折光学素子２１に求められる光学特性に基づいて決定される。例えば、回折光学素子２１にレンズ作用を持たせる場合には、鋸歯状の断面形状を有するリング状の回折格子を、ピッチがレンズの中心から周辺に向かって小さくなるように連続的に変化させながら同心円状に配置する。この場合の回折格子は、レンズ作用を有する断面形状、配置およびピッチとなっていればよく、図５（ａ）に示すように、回折格子２を曲面上に形成してもよいし、平面上に形成してもよい。特に、回折格子の溝を通る包絡面がレンズ作用を有する非球面となるように回折格子２を形成すると、屈折作用と回折作用の最適な組み合わせにより色収差や像面湾曲等をバランスよく改善し、高い撮像性能を有するレンズを得ることが可能となる。なお、回折格子２の深さは、式（１）を用いて決定することができる。
【００５２】
なお、図５（ａ）および（ｂ）に示す回折光学素子２１の基体１は、１つの面に回折格子２を有しているが、基体１の両面に回折格子２を設けてもよい。また、図５（ａ）に示すように、基体１は凸面と平面とを有し、凸面に回折格子２が設けられている。基体１の対向する２つの主面の形状はこの組み合わせに限られず、他の形状の組み合わせであってもよい。具体的には、基体１の対向する２つの主面が、両凸面、凸面と凹面、両凹面、凹面と平面、両平面であってもよい。この場合、回折格子２は１つの面のみに形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。また、両面に回折格子が形成される場合、両面の回折格子の形状、配置、ピッチ、回折格子深さは、回折光学素子に要求される性能を満たすものであれば一致していなくてもよい。
【００５３】
光学調整層３は、第２樹脂を含む第２光学材料からなり、回折格子２を覆うように基体１の表面に設けられている。本実施形態では、第２光学材料は第２樹脂のみを含んでいる。光学調整層３は、基体１による回折効率の波長依存性を低減する目的で設けられる。
【００５４】
回折格子２の溝を通る包絡面がレンズ作用を有する非球面となるように回折格子２を形成した基体１に対して光学調整層３を設置する場合は、光学調整層３の表面を、対応する非球面形状に一致させることにより、屈折作用と回折作用が融合され、色収差および像面湾曲を低減させてレンズ特性を向上させることができる。
【００５５】
基体１による回折効率の波長依存性を低減するためには、基体１を構成する第１光学材料の波長λにおける屈折率をｎ１（λ）とし、光学調整層３を構成する第２光学材料の波長λにおける屈折率をｎ２（λ）とした場合、所望の範囲の波長λに対して、式（１）をほぼ満たす第１光学材料および第２光学材料を選択する必要がある。例えば、第１光学材料における屈折率の波長依存性と逆の傾向を示す屈折率の波長依存性を有する材料を第２の光学材料として選択すればよい。より具体的には、回折光学素子２１を使用する光の波長範囲において、第１光学材料の屈折率は第２光学材料の屈折率より小さく、かつ、第１光学材料の屈折率の波長分散性は第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きい。つまり、第２光学材料は第１光学材料よりも低屈折率高分散材料である必要がある。
【００５６】
屈折率の波長分散性は、例えば、アッベ数によって表わされる。アッベ数が大きいほど屈折率の波長分散性は小さい。したがって、第１光学材料の屈折率は第２光学材料の屈折率より小さく、かつ、第１光学材料のアッベ数は第２光学材料のアッベ数よりも小さいことが必要である。
【００５７】
こうした光学的特性に加え、第１光学材料に含まれる第１樹脂と第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であることが必要である。これにより、回折光学素子２１において、基体１と光学調整層３の相互作用を防止することができ、基体１の屈折率変化による不要回折光や迷光の発生がなく、良好な光学特性を有し、かつ量産性の高い回折光学素子を得ることができる。
【００５８】
溶解度パラメータは、正則溶液理論における物質の凝集エネルギー密度の平方根であり、モル体積Ｖと１モルあたりの凝集エネルギーΔＥを用いて、以下の式により定義される。
δ＝（ΔＥ／Ｖ）1/2
【００５９】
溶解度パラメータは物質の分子間力の指標であり、溶解度パラメータが近い物質ほど親和性が高いと考えられる。溶解度パラメータには、様々な導出方法が存在するが、例えばＦｅｄｏｒｓらによる分子構造式から計算する方法により求めた値等を用いることができる。本願明細書で用いる溶解度パラメータはこの分子構造式から計算する方法により求めた値である。溶解度パラメータを高める構造としては、ＯＨ基（ヒドロキシ基）、アミド結合等高極性の官能基が挙げられる。一方、溶解度パラメータを低める構造としては、フッ素原子、炭化水素基、シロキサン結合等が挙げられる。
【００６０】
本願発明者は、基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2より小さい場合、以下の（１）から（３）のいずれかの現象が発生し、これによって回折光学素子の設計次数における回折効率が低下することを確認した。
（１）光学調整層３に含まれる第２樹脂が基体１の第１樹脂を浸食し、基体１の膨潤や溶解による回折格子２の変形が発生する。
（２）回折格子２の変形は観察されないが、屈折率変化層の発生が観察される。
（３）回折格子２の変形および屈折率変化層の光学的観察はできないが、微小屈折率変化層が生成することにより、光学特性評価において不要回折光の発生が確認される。
【００６１】
また、基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上である場合、これらの現象は見られず、回折光学素子の設計次数における回折効率も低下しないことが確認できた。
【００６２】
基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であれば、差が大きいほど、基体１が光学調整層３から影響を受けにくく、回折格子２の変形や屈折率変化層または微小屈折率変化層の生成が生じにくくなる。しかし、第１樹脂の溶解度パラメータと、第２樹脂の溶解度パラメータの差が極端に大きいと、基体１と光学調整層３との親和性が悪く密着性が低下する可能性がある。この結果、生産歩留まりが低下したり、使用時に光学調整層３が剥離したりする可能性がある。
【００６３】
以上のことから、基体１を構成する第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差は、光学調整層３の剥離を防止するために、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下の範囲内であることが好ましい。さらに生産性の観点から歩留まりを確保するためには、第１樹脂の溶解度パラメータと第２樹脂の溶解度パラメータとの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下の範囲内であることが特に好ましい。
【００６４】
第１樹脂としては、一般に光学素子の基体として使用される透光性の樹脂材料の中から、回折光学素子２１の設計次数における回折効率の波長依存性を低減可能な屈折率特性と波長分散性を有する樹脂を選択する。基体１の材料として樹脂を使用することにより、成型加工が容易で生産性が高く、かつ最終的に得られる回折光学素子２１の小型化、軽量化を図ることが可能となる。例えば、第１樹脂として、ポリカーボネート系樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、脂環式アクリル樹脂等のアクリル系樹脂、脂環式オレフィン樹脂等を選択することが、透光性が優れているという点で好ましい。これらの樹脂に対し、成形性や機械特性等を向上させる目的で他の樹脂と共重合させたり、他の樹脂とのアロイ化を行ったり、他の樹脂をブレンドしてもよい。このように第１樹脂は単一の樹脂のみを含んでいてもよいし、２以上の樹脂を含んでいてもよい。この場合、第１樹脂の溶解度パラメータは、２以上の樹脂の混合比率に基づいて計算される。
【００６５】
第１光学材料は第１樹脂以外に、屈折率等の光学特性や、熱膨張性等の力学特性を調整するための無機粒子や、特定の波長領域の電磁波を吸収する染料や顔料等の添加剤を含んでいてもよい。これらの無機粒子や添加剤は第１光学材料を構成する主要な構成要素ではない。また、基体１中のこれらの無機粒子は有機化合物ではないため、この中に第２樹脂が浸透することはない。添加剤は有機化合物を含む場合もあるが、添加剤の添加量は数重量％程度であるため、添加剤中の有機化合物に第２樹脂が浸透しても第１光学材料全体の光学特性にはほとんど影響しない。したがって、上述した（１）から（３）の現象の発生に影響を与えないため、溶解度パラメータの算出にあたって、第１樹脂以外に加えられる無機粒子や添加剤は考慮しなくてもよい。
【００６６】
光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂は、溶解度パラメータが基体１と０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上離れている限り、特に制限はない。例えば、ポリメタクリル酸メチル、アクリレート、メタクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート等の（メタ）アクリル樹脂；エポキシ樹脂；オキセタン樹脂；エン−チオール樹脂；ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレートおよびポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂；ポリスチレン等のポリスチレン樹脂；ポリプロピレン等のオレフィン樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミドやポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂；ポリビニルアルコール；ブチラール樹脂；酢酸ビニル樹脂；脂環式ポリオレフィン樹脂等を用いることができる。また、これらの樹脂（高分子）の混合体や共重合体を用いてもよいし、これらの樹脂を変性したものを用いてもよい。第１樹脂と同様、第２樹脂が２以上の樹脂を含む場合には、第２樹脂の溶解度パラメータは、２以上の樹脂の混合比率に基づいて計算される。
【００６７】
これらの中でも特に、光学調整層３を形成するプロセスが簡易となることから、エネルギー線硬化型の樹脂、具体的には、熱硬化性樹脂または光または紫外線などのエネルギー線硬化性樹脂を第２樹脂として用いることが好ましい。より具体的には、アクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、エポキシ樹脂、オキセタン樹脂、エン−チオール樹脂等を第２樹脂として用いることが好ましい。
【００６８】
熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂は、原料となるモノマーまたはオリゴマーに熱やエネルギー線を供給することにより、モノマーまたはオリゴマーが重合し、架橋構造を有する樹脂として得られる。第２樹脂としてこれらの樹脂を用いる場合、光学調整層３の形成工程において、比較的低分子量であるモノマーまたはオリゴマーと基体１が直接接触する工程が生じる。低分子量成分は、高分子量成分と比較して樹脂への浸透性が高くなるが、本願発明者の詳細な実験に基づけば、重合前の第２樹脂、つまりモノマーあるいはオリゴマーの溶解度パラメータと第１樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であれば、第２樹脂となるモノマーあるいはオリゴマーの第１樹脂への浸透を防止することができることがわかった。なお、第２樹脂となるモノマーあるいはオリゴマーの溶解度パラメータと、重合または硬化後の第２樹脂の溶解度パラメータはほぼ等しい。
【００６９】
熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂は、極性を有する反応性官能基を持つ分子構造上、第１樹脂の溶解度パラメータよりも０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上で小さい溶解度パラメータを有することが困難である。したがって、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を第２樹脂として使用する場合、第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上で大きい溶解度パラメータを有する第２樹脂を使用することが特に好ましい。
【００７０】
溶解度パラメータを高める構造は前述のようにＯＨ基、アミド結合等がある。その中でもＯＨ基を有する樹脂は合成が容易で、アミド結合等の極性結合を有する樹脂と比較して加水分解等を受けにくく安定性が高い。したがって、第２樹脂としてＯＨ基が存在する樹脂を使用することがさらに好ましい。一方、溶解度パラメータを下げるには、極性の小さい脂環式構造の樹脂を用いたり、フッ素原子やシロキサン構造を有する樹脂を用いるとよい。
【００７１】
なお、回折光学素子２１は、光学調整層３の表面にさらに反射防止層を備えていてもよい。反射防止層は、光学調整層３より屈折率が低い材料の膜からなる単層構造、あるいは光学調整層３より屈折率が低い材料の膜と高い材料の膜による多層構造がある。反射防止層に使用される材料としては、例えば、樹脂、樹脂と無機粒子とのコンポジット材料、あるいは真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ法等にて形成された無機薄膜等が挙げられる。反射防止層としてのコンポジット材料に使用される無機粒子としては、屈折率の低いシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等が挙げられる。
【００７２】
また、回折光学素子２１は、光学調整層３の表面にナノ構造の反射防止形状を有していてもよい。ナノ構造の反射防止形状は、例えば型による転写工法（ナノインプリント）によって容易に形成することができる。
【００７３】
さらに、回折光学素子２１は、光学調整層３または反射防止層の表面に、耐摩擦性、熱膨張性等の力学特性を調整する作用を有する表面層を別途備えていてもよい。
【００７４】
このように本実施形態の回折光学素子２１によれば、基体を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂および光学調整層を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、基体１と光学調整層３との界面における相互作用が低減される。この結果、光学調整層３の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。
【００７５】
（第２の実施形態）
図６は、本発明による回折光学素子の第２の実施形態を示す断面図である。図６に示すように回折光学素子２２は、基体１と光学調整層３’とを備える。
【００７６】
基体１は、第１の実施形態と同様、第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子２を有する。回折格子２は第１の実施形態と同様の構造を備える。
【００７７】
光学調整層３’を構成している第２光学材料は、第２樹脂３と無機粒子４とを含む。第２樹脂３および無機粒子４は、第２樹脂３をマトリクスとして無機粒子４が分散されたコンポジット材料を構成している。第１樹脂および第２樹脂３の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上である。
【００７８】
第２樹脂３をマトリクスとして無機粒子４が分散されたコンポジット材料を用いることにより、第２光学材料の屈折率およびアッベ数を調整することが可能となり、適切な屈折率およびアッベ数を有する第２光学材料を光学調整層３’に用いることにより、回折光学素子を使用する波長帯域における回折効率を改善することができる。
【００７９】
また、屈折率の高い無機粒子４を第２樹脂３に分散させることにより、樹脂単体では達成し得ない高い屈折率を第２光学材料は有することができる。このため、第１光学材料と第２光学材料との屈折率差を拡大することができ、式（１）から明らかなように、回折格子２の深さを低減することが可能となる。この結果、基体１を成形により作製する場合、回折格子２の転写性が改善する。また、回折格子２の段差を浅くできるため、段差の間隔を狭くしても転写が容易となる。したがって、回折格子２の狭ピッチ化による回折性能の向上を図ることができる。さらに、第２樹脂にも様々な物性を有する材料を使用することが可能となり、光学以外の特性と両立させることもより容易となる。
【００８０】
光学調整層３’中の成分が基体１に浸透する際、基体１に含まれる樹脂のうち、非晶性の部分、すなわち高分子鎖が不規則に絡み合う部分における分子鎖のすき間から、光学調整層３’中の成分が侵入すると考えられる。この際、光学調整層３’中の成分が基体１に対して親和性の高いものであれば、その浸透に伴って、絡み合っていた基体１中の第１樹脂の分子鎖間に作用していた分子間力が低下し、結果として基体１中の第１樹脂の分子鎖のすき間が拡大され、さらに光学調整層３’中の成分の浸透が進行するものと推定できる。
【００８１】
基体１中の第１樹脂の分子鎖に生じているすき間の大きさは、基体１に含まれる第１樹脂の分子構造や分子量、分子の配向性、加工時に生じるひずみ等に応じて決まると考えられる。一般的な樹脂材料については、分子鎖のファンデルワールス体積と分子鎖が実質的に占める固有体積の比率であるパッキング係数がおよそ０．６８であることが実験的に示されている。このことから、第１樹脂の分子鎖のすき間の平均的な大きさは、分子鎖が線状構造であれば、分子鎖の直径の０．１８倍（＝１−（０．６８）1/2）程度、球状構造であれば直径の０．１２倍（＝１−（０．６８）1/3）程度になるものと、簡易的に推定することができる。
【００８２】
例えば線状構造を取るビスフェノールＡ系ポリカーボネート樹脂であれば、分子鎖の直径は約０．６ｎｍであるから、分子鎖のすき間の平均的な大きさは約０．１ｎｍとなる。ただし実際には高次構造等の影響により、すき間の大きさは幅広い分布を有しており、光学調整層３中の成分の浸透が可能となるようなすき間も形成されているものと考えられる。
【００８３】
コンポジット材料中に分散される無機粒子４は、後述するとおり実効粒径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。したがって、基体１中の第１樹脂の分子鎖のすき間に対して十分に大きい。このため、無機粒子４が基体１に含まれる第１樹脂中に浸透する可能性は極めて低い。この点から、光学調整層３’としてコンポジット材料を使用する場合、マトリクス樹脂である第２樹脂が基体１を構成する樹脂つまり、第１樹脂に浸透しない構成を実現すればよい。
【００８４】
具体的には、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータと、光学調整層３’を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2より小さい場合、第２樹脂が基体１の第１樹脂へ浸透し、第２樹脂と第１樹脂の親和性が高い場合は基体１を溶解したりする現象が発生し、得られる回折光学素子の設計次数における回折効率が低下する。したがって、第１の実施形態で詳細に説明したように、第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータと、第２光学材料に含まれる第２樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下の範囲内にあることがより好ましい。
【００８５】
マトリクス樹脂として機能する第２樹脂には、第１の実施形態において説明した第２樹脂を好適に用いることができる。これらのうちから、無機粒子４の分散性や光学調整層３に要求される物性や耐環境性、製造工程における取扱いの容易性等を満たす材料を選定すればよい。特に、第１の実施形態において説明したように、熱硬化性樹脂またはエネルギー線硬化性樹脂を第２樹脂として用いることが好ましい。特に、第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上高い溶解度パラメータを有するものを使用することが好ましく、ＯＨ基を有するものを使用することがさらに好ましい。
【００８６】
基体１に第１樹脂を含む第１光学材料を用い、光学調整層３’を構成する第２光学材料として、第２樹脂３および無機粒子４を含むコンポジット材料を用いる場合、一般に無機粒子４は樹脂より高屈折率であることが多い。このため、第２光学材料は、第１光学材料よりも高屈折率低波長分散性であることが、無機粒子４として選択し得る材料が多くなるため好ましい。言い換えれば、第１光学材料は第２光学材料よりも低屈折率高分散性であることが好ましい。
【００８７】
コンポジット材料である第２光学材料の屈折率は、マトリクス樹脂である第２樹脂および無機粒子４の屈折率から、例えば下記式（２）にて表されるマックスウェル−ガーネット理論により推定できる。
【００８８】
式（２）において、ｎCOMλはある特定波長λにおける第２光学材料の平均屈折率であり、ｎpλ、ｎmλはそれぞれこの波長λにおける無機粒子および第２樹脂の屈折率である。Ｐは、第２光学材料全体に対する無機粒子の体積比である。式（２）において、波長λとしてフラウンホーファーのＤ線（５８９．２ｎｍ）Ｆ線（４８６．１ｎｍ）Ｃ線（６５６．３ｎｍ）における屈折率をそれぞれ推定することにより、さらにコンポジット材料のアッベ数を推定することも可能である。逆にこの理論に基づく推定から、第２樹脂３と無機粒子４との混合比を決めてもよい。
【数２】
2010032347.tif 000020
【００８９】
なお、式（２）において、無機粒子４が光を吸収する場合や無機粒子４が金属を含む場合には、式（２）の屈折率を複素屈折率として計算する。なお、式（２）はｎpλ≧ｎmλの場合に成立する式であり、ｎpλ＜ｎmλの場合は以下の式（３）を用いて屈折率を推定する。
【数３】
2010032347.tif 000021
【００９０】
上述したように、光学調整層３’としてコンポジット材料からなる第２光学材料を用いる場合、第２光学材料は第１光学材料よりも高い屈折率を有し、かつ、第１光学材料よりも低い波長分散性を有することが必要である。このため、第２樹脂に分散させる無機粒子４も、低波長分散性、すなわち高アッベ数の材料を主成分とすることが好ましい。特に第１樹脂としてポリカーボネート系樹脂を使用する場合、無機粒子４としてはアッベ数が３０以上の材料を主成分とすることが好ましい。例えば、酸化ジルコニウム（アッベ数：３５）、酸化イットリウム（アッベ数：３４）、酸化ランタン（アッベ数：３５）、酸化ハフニウム（アッベ数３２）、酸化スカンジウム（アッベ数：２７）、アルミナ（アッベ数：７６）およびシリカ（アッベ数：６８）からなる群より選ばれる少なくとも１つの酸化物を主成分とすることが特に好ましい。また、これらの複合酸化物を用いてもよい。回折光学素子２２が用いられる光の波長帯域において、式（１）を満たす限り、さらにこれらの無機粒子に加えて、例えば酸化チタンや酸化亜鉛等に代表される高屈折率を示す無機粒子等を共存させてもよい。
【００９１】
無機粒子４の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下であることが好ましい。実効粒径が１００ｎｍ以下であることにより、レイリー散乱による損失を低減させ、光学調整層３’の透明性を高くすることができる。また、実効粒径を１ｎｍ以上とすることにより、量子効果による発光等の影響を抑制することができる。第２光学材料は、必要に応じて、無機粒子の分散性を改善する分散剤や、重合開始剤、レベリング剤等の添加剤をさらに含んでいてもよい。
【００９２】
ここで実効粒径について図１１を参照しながら説明する。図１１において、横軸は無機粒子の粒径を表し、左側の縦軸は横軸の粒径に対する無機粒子の頻度を示す。また、右側の縦軸は粒径の累積頻度を表している。実効粒径とは、無機粒子全体のうち、その粒径頻度分布において、累積頻度が５０％となる粒径を中心粒径（メジアン径：ｄ５０）とし、その中心粒径を中心として累積頻度が５０％の範囲Ａにある粒径範囲Ｂのことを指す。したがって、無機粒子４のこのように定義される実効粒径の範囲が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲内であることが好ましい。実効粒径の値を精度よく求めるためには、例えば、２００個以上の無機粒子を測定することが好ましい。
【００９３】
光学調整層３’としてコンポジット材料からなる第２光学材料を用いた場合、回折格子２の段差を浅くすることができ、回折格子２を覆うように形成すべき光学調整層３’も薄くすることができる。これにより、無機粒子４による光学調整層３’内のレイリー散乱が減少し、光学的損失のより少ない回折光学素子２２が実現できる。光学調整層３’を構成する第２光学材料としてコンポジット材料を用いる場合、回折格子２の深さｄ（段差）を２０μｍ以下とし、光学調整層３’の厚さを、最も厚い部分において回折格子２の深さｄ以上２００μｍ以下とすることが好ましく、深さｄ以上１００μｍ以下とすることが特に好ましい。
【００９４】
なお、光学調整層３’として高屈折率低波長分散性のコンポジット材料からなる第２光学材料を用いる場合、基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂は低屈折率高波長分散性を備えている必要がある。このため、第１樹脂は、光学樹脂の中でも比較的アッベ数が低いポリカーボネート系樹脂、特に芳香族ポリカーボネート系樹脂を使用することが好ましい。第２光学材料との間で式（１）を満たす範囲において、ポリカーボネート系樹脂と他の樹脂と共重合させたり、他の樹脂とのアロイ化を行ったり、他の樹脂をブレンドしたものを第１光学材料として用いてもよい。また、第１光学材料は添加剤を含んでいてもよい。
【００９５】
なお、回折光学素子２２は、光学調整層３’の表面にさらに反射防止層を備えていてもよい。反射防止層は、光学調整層３’より屈折率が低い材料の膜からなる単層構造、あるいは光学調整層３’より屈折率が低い材料の膜と高い材料の膜による多層構造がある。反射防止層に使用される材料としては、例えば、樹脂、樹脂と無機粒子とのコンポジット材料、あるいは真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ法等にて形成された無機薄膜等が挙げられる。反射防止層としてのコンポジット材料に使用される無機粒子としては、屈折率の低いシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等が挙げられる。
【００９６】
また、回折光学素子２２は、光学調整層３’の表面にナノ構造の反射防止形状を有していてもよい。ナノ構造の反射防止形状は、例えば型による転写工法（ナノインプリント）によって容易に形成することができる。
【００９７】
さらに、回折光学素子２２は、光学調整層３’または反射防止層の表面に、耐摩擦性、熱膨張性等の力学特性を調整する作用を有する表面層を別途備えていてもよい。
【００９８】
このように本実施形態の回折光学素子２２によれば、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂および光学調整層を構成する第２光学材料であるコンポジット材料のマトリクス樹脂である第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、基体１と光学調整層３との界面における相互作用が低減される。この結果、光学調整層３の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。特に、第２光学材料としてコンポジット材料を使用することにより、回折格子の段差を浅くすることができるため、回折格子２を有する基体１の加工が容易になるとともに回折格子のピッチを狭くすることが可能となるため、回折性能の向上を図ることが可能となる。
【００９９】
（第３の実施形態）
以下、本発明による回折光学素子の製造方法の実施形態を説明する。本実施形態では、図７（ａ）から（ｆ）および図８（ａ）から（ｄ）を参照しながら、第１の実施形態の回折光学素子２１を製造する方法を説明する。
【０１００】
まず図７（ａ）に示すように、表面に回折格子２を形成した基体１を用意する。例えば、射出成形やプレス成形等に代表されるように、回折格子形状を形成した型に、第１光学材料を軟化または溶融させた状態で供給し成形を行う方法、回折格子形状を形成した型に第１光学材料の原料であるモノマーやオリゴマー等を注型し、加熱および／またはエネルギー線照射により原料を重合する方法、あるいは、あらかじめ成形した基体１の表面に切削、研磨等により回折格子２を成形する方法等によって、回折格子２を形成した基体１を作製することができる。これら以外の方法によって回折格子２を形成した基体１を作製してもよい。
【０１０１】
次に、溶解度パラメータが基体１と０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上離れている第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を用意し、基体１の回折格子２上に配置する。第２光学材料は第１光学材料よりも高い屈折率および低い分散性を有する。第２光学材料として、第１の実施形態や第２の実施形態で説明した熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を使用する場合には、以下、原料を硬化させるまで、第２光学材料のモノマーまたはオリゴマーが基体１と接触することとなる。このため、第２樹脂の原料であるこうしたモノマーあるいはオリゴマーの硬化前あるいは重合前の溶解度パラメータが、基体１の第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータと０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上離れているモノマーあるいはオリゴマーを用いることによって基体１への浸透を抑制し、回折格子２の膨潤や溶解、あるいは屈折率変化層の形成による特性低下を防ぐことが好ましい。
【０１０２】
光学調整層３の原料を基体１の回折格子１上に配置する方法は、粘度等の材料特性、ならびに回折光学素子に要求される光学的特性から決定される光学調整層３の形状精度に応じて、公知のコーティング層形成プロセスから適宜選択される。図７（ａ）から（ｆ）においては、具体的な一例として、パッド印刷を用いた光学調整層３の原料１３の転写配置について示している。しかし、ディスペンサー等の注液ノズルを用いた塗布、ディップコート等の浸漬塗布、スプレーコート、インクジェット法等の噴射塗布、スピンコーティング等の回転による塗布、スクリーン印刷等スキージングによる塗布等を用いてもよい。またこれらのプロセスを適宜組み合わせてもよい。この点は、以下の実施例においても同様である。
【０１０３】
パッド印刷を用いて光学調整層３の原料を基体１の回折格子１上に配置する工程は次のとおりである。まず、パッド印刷の版１１上のパターン１２に配置された光学調整層の原料１３にパッド１４を押し付ける。次に図７（ｂ）に示すように、パッド１４を上方に持ち上げ、光学調整層の原料１３をパッド１４に転写する。
【０１０４】
次に、図７（ｃ）に示すようにパッド１４を基体１の上に移動させた後、図７（ｄ）に示すように基体１に押し付けて光学調整層の原料１３を基体１に転写した後、図７（ｅ）のようにパッド１４を引き上げる。
【０１０５】
その後、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を第２光学材料の第２樹脂に用いる場合には、原料１３に含まれる第２樹脂の原料を硬化させる。第２樹脂の原料を硬化させる方法は、使用する樹脂の種類に応じて、熱硬化やエネルギー線照射等の工程を用いることができる。硬化工程に使用するエネルギー線としては、例えば、紫外線、可視光線、赤外線、電子線等が挙げられる。紫外線硬化を実施する場合には、原料１３にあらかじめ光重合開始剤を添加しておいてもよい。電子線硬化を実施する場合には重合開始剤は通常必要ない。第２樹脂の原料を硬化させることにより、原料１３全体が硬化し、これにより図７（ｆ）に示すように、回折格子２を有する基体１の表面に光学調整層３が設けられた回折光学素子２１が完成する。
【０１０６】
なお、光学調整層３に要求される形状精度、特に回折格子２と反対側の面の形状を高い精度で成形する必要がある場合は、硬化工程において、型を使用し、光学調整層３の形状をより高い成形精度で制御してもよい。例えば図８（ａ）に示すように、回折格子２が形成された基体１を用意し、図８（ｂ）に示すように、ディスペンサー６から、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂の原料１３を基体１上に滴下する。続いて、図８（ｃ）に示すように、原料１３に型８を押し当て、原料１３を覆うように型８を基体１上に配置する。型８の材料は、要求される形状精度や耐久性に応じて適宜選択することができる。例えば、鉄やアルミニウム、これらの合金、真鍮等の金属を用いることができる。必要に応じて、ニッケルめっき等の表面処理を行った金属を使用してもよい。また、石英やガラス、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂等の樹脂も型８の材料として使用することが可能である。
【０１０７】
型８を使用して光学調整層３の形状を成形する場合、光学調整層３の原料１３を型８の内側に配置した後、基体１に押圧してもよい。しかし、硬化前の原料１３が低粘度であることから、回折格子２を表面に形成した基体１に回り込みやすく、気泡の噛み込み等が抑えられ、かつ硬化後の光学調整層３と基体１との密着性も高くなるため、原料１３を基体１上に直接配置する方がより好ましい。
【０１０８】
型８を使用して光学調整層３の形状を規制する場合、硬化工程後に離型を行うのが一般的である。しかし、硬化前の状態で原料１３が変形しないのであれば、先に離型を行ってから原料１３に含まれる第２樹脂の原料を硬化させてもよい。エネルギー線照射による硬化後に離型を行う場合、原料１３が型８で規制された状態で原料１３に含まれる第２樹脂の原料にエネルギー線が照射される。型８として金属などの不透明な材料を使用する場合には、図８（ｃ）に示すように、基体１の原料１３を配置した面と反対の面からエネルギー線を照射する。一方、型８としてエネルギー線に対して透明な材料、例えばエネルギー線として紫外線を使用し、石英等によって型８を構成する場合には、基体１の原料１３を配置した面側から型８を介して、原料１３に含まれる第２樹脂の原料にエネルギー線を照射することによって第２樹脂を硬化させることが可能である。第２樹脂の原料を硬化させることにより、原料１３全体が硬化する。その後、型８を硬化させた原料１３から取り外すことにより、図８（ｄ）に示すように、基体１の表面に光学調整層３が形成された回折光学素子２１が完成する。
【０１０９】
このように本実施形態の回折光学素子の製造方法によれば、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂と光学調整層３を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の原料の溶解度パラメータとの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、回折光学素子の製造途中における基体１と第２樹脂の原料との界面における相互作用が低減され、第２樹脂の原料が基体１へ浸透することが抑制される。このため、回折光学素子の製造途中において、基体１の表面に形成された回折格子２の形状が変形したり、基体１の表面に屈折率の異なる層が生成したりするのが防止される。また、重合や硬化によって第２樹脂の原料から形成される光学調整層３の溶解度パラメータと基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータとの差も０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上になるため、完成した回折光学素子における光学調整層３の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。
【０１１０】
（第４の実施形態）
以下、本発明による回折光学素子の製造方法の他の実施形態を説明する。本実施形態では、図７（ａ）から（ｆ）および図８（ａ）から（ｄ）を参照しながら、第２の実施形態の回折光学素子２２を製造する方法を説明する。本実施形態は、第２光学材料として、コンポジット材料を用いる場合の製造方法を説明する。
【０１１１】
第２の実施形態で説明したように、コンポジット材料を用いて光学調整層を形成する場合、光学調整層を構成している第２光学材料は第２樹脂と無機粒子とを含んでいる。光学調整層を形成する前に、第２光学材料は溶媒を含んでいてもよい。溶媒は、第２樹脂中あるいは第２樹脂の原料中に無機粒子を均一に分散させたり、第２樹脂あるいは第２樹脂の原料の粘度を調整し、気泡を含まない光学調整層３を形成するために用いられる。
【０１１２】
第２光学材料に含まれる溶媒は後述の乾燥工程により除去される。このため、基体１と溶媒との接触時間は第２樹脂の原料よりも短く、溶媒と第１樹脂との相互作用は第２樹脂の原料よりも小さいと考えられる。しかし、基体１への異物の浸透を抑制し、回折格子の変形や屈折率変化層の生成を防止するという観点から、溶媒についても、第２樹脂の原料であるモノマーまたはオリゴマーと同様、基体１の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上離れた溶解度パラメータを有する溶媒を使用することが好ましい。また、回折光学素子２２の製造工程における溶媒を含んだ第２樹脂層の原料と第１樹脂からなる基体１との密着性を高め、生産性を確保するために、溶媒と第１樹脂との溶解度パラメータの差は、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であることが好ましく、０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であることがより好ましい。このような溶解度パラメータを有する溶媒の中から、無機粒子の分散性、マトリクス樹脂の溶解性、製造工程における取扱い性（粘度調整性、基体への濡れ性、乾燥の容易性（沸点、蒸気圧）等）等、必要とされる特性を満たすものを選定すればよい。
【０１１３】
特に、マトリクス樹脂となる第２樹脂として、熱硬化性樹脂やエネルギー線硬化性樹脂を使用する場合、上述したように、第２樹脂の溶解度パラメータは基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂の溶解度パラメータより大きい。したがって、第２樹脂の溶解性を確保するため、溶媒も第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上高い溶解度パラメータを有していることが好ましい。例えば、基体１の第１樹脂としてビスフェノールＡ系ポリカーボネート（ＳＰ値：９．８）を使用する場合、メタノール（ＳＰ値：１４．５）、エタノール（ＳＰ値：１２．７）、２−プロパノール（ＳＰ値：１１．５）、１−プロパノール（ＳＰ値：１１．９）、１−ブタノール（ＳＰ値：１１．４）等に代表されるアルコール系溶媒、エチレングリコール（ＳＰ値：１４．６）、メチルセロソルブ（ＳＰ値：１１．４）等に代表されるグリコール系溶媒、水（ＳＰ値：２３．４）等の溶媒を使用することができる。これらの溶媒は入手や取扱いも比較的容易であり、その点でも好ましい。
【０１１４】
第２の実施形態で説明したように第２光学材料中の無機粒子は基体１に浸透する可能性が極めて低い。このことから、光学調整層を構成する第２光学材料としてコンポジット材料を使用することにより、第２樹脂の原料であるモノマーまたはオリゴマーや、溶媒等の低分子量成分が、製造工程中において基体１と接触する機会は相対的に減少する。この結果、第２光学材料に含まれる低分子量成分の基体１へ浸透するのがさらに抑制される。
【０１１５】
次に回折光学素子２２（第２の実施形態）の製造方法を説明する。
【０１１６】
第３の実施形態と同様、まず図７（ａ）に示すように、表面に回折格子２を形成した基体１を作製する。次に、図７（ｂ）から（ｅ）に示すように光学調整層３’となる第２光学材料の原料１３を、基体１上に配置する。ここまでは、第３の実施形態の製造方法と同じ工程である。
【０１１７】
続いて、原料１３中の溶媒を除去するために原料１３を乾燥させる。溶媒の除去は、加熱乾燥、減圧乾燥等の方法を用いることができる。乾燥温度、圧力、時間等については、使用する原料１３の組成（溶媒の種類、第２樹脂の極性、原料１２中の溶媒含有量等）により、適宜調整する必要がある。溶媒が残存していると、光学調整層３’の屈折率が変動する要因となるため、屈折率の変動が生じない程度まで実質上完全に溶媒を除去する必要がある。
【０１１８】
溶媒を除去した後、第３の実施形態で説明したように原料１３に含まれる第２樹脂の原料を硬化させる。硬化方法は、第３の実施形態と同様、熱やエネルギー線照射によって行うことができる。第２樹脂の原料を硬化させることにより、原料１３全体が硬化する。これにより図７（ｆ）に示すように、回折格子２を有する基体１の表面にコンポジット材料からなる光学調整層３’が設けられた回折光学素子２２が完成する。
【０１１９】
第３の実施形態と同様、光学調整層３’に要求される形状精度、特に回折格子２と反対側の面の形状を高い精度で成形する必要がある場合は、硬化工程において、型を使用し、光学調整層３’の形状をより高い成形精度で制御してもよい。この場合には図８（ａ）から（ｄ）を参照して第３の実施形態で説明したように、光学調整層３’の原料１３を基体１上に配置し、溶媒を除去後、型８を原料１３に押し当てて原料１３を所望の形状に成形してもよい。
【０１２０】
なお、型８を使用して光学調整層３’の形状を成形する場合は、光学調整層３’の原料１３を型８に配置し、原料１３から溶媒を除去した後、基体１に原料１３を押圧してもよい。しかし、第３の実施形態で説明したように、光学調整層３’の原料１３を基体１上に配置する方がより好ましい。これにより、図８（ｄ）に示すように、基体１の表面に光学調整層３’が形成された回折光学素子２２が完成する。
【０１２１】
このように本実施形態の回折光学素子の製造方法によれば、基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂と、光学調整層３’を構成する第２光学材料に含まれる第２樹脂の原料１３および原料１３に含まれる溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上であるため、回折光学素子の製造途中における基体１と第２樹脂の原料との界面における相互作用が低減され、第２樹脂の原料や溶媒が基体１へ浸透することが抑制される。このため、回折光学素子の製造途中において、基体１の表面に形成された回折格子２の形状が変形したり、基体１の表面に屈折率の異なる層が生成したりするのが防止される。また、重合や硬化によって第２樹脂の原料から形成される光学調整層３の溶解度パラメータと基体１を構成する第１光学材料に含まれる第１樹脂の溶解度パラメータとの差も０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上になるため、完成した回折光学素子における光学調整層３’の基体１への浸透による回折格子の変形や基体の屈折率の変動が抑制され、所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。特に、第２光学材料としてコンポジット材料を使用することにより、回折格子の段差を浅くすることができるため、回折格子２を有する基体１の加工が容易になるとともに回折格子のピッチを狭くすることが可能となるため、回折性能の向上を図ることが可能となる。
【実施例】
【０１２２】
以下に、本発明による回折光学素子を作製し、特性を評価した結果を具体的に説明する。
【０１２３】
（実施例１）
図５に示す構造を備えた回折光学素子２１を次の方法により作製した。回折光学素子２１はレンズ作用を有し、１次回折光を利用するように設計されている。この点は以下の実施例についても同様である。
【０１２４】
まず基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂として、ビスフェノールＡ系ポリカーボネート樹脂（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８、ＳＰ値９．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を射出成形することにより、回折格子の根元の包絡面が非球面形状であり、深さ３９μｍの輪帯状回折格子２を片面に有する基体１を作製した。レンズ部の有効半径は０．８２８ｍｍであり、輪帯数は２９本であり、最小輪帯ピッチは１４μmであり、回折面の近軸Ｒ（曲率半径）は−１．０１４４ｍｍである。
【０１２５】
次に光学調整層３を構成する第２光学材料の第２樹脂となるエポキシアクリレート樹脂Ｃ（ｄ線屈折率１．６００、アッベ数３３、ＳＰ値１１．２[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を、パッド印刷機（ミシマ（株）製ＳＰＡＣＥ  ＰＡＤシステム）を使用して基体１の輪帯状回折格子２上の全面に塗布した。その後、紫外線を照射（照度１２０ｍＷ／ｃｍ2、積算光量４０００ｍＪ／ｃｍ2）してアクリレート樹脂Ｃを硬化させ、光学調整層３を形成した。
【０１２６】
以上の工程によって作製した回折光学素子２１の回折効率を測定した。白色光源からの光線を回折光学素子２１に透過させ、各回折次数に対応する集光点における最大輝度を、超精密３次元測定装置（三鷹光器（株）製）を用いて測定し、以下の式（４）に示す計算によって１次回折効率を算出した。なお、以下の実施例ならびに比較例において、３次回折光以上の高次の回折光は検出されなかった。
【数４】
2010032347.tif 000022
【０１２７】
本実施例の回折光学素子２１の１次回折効率は、全波長において８７％以上であった。なお、一般的な用途である場合、１次回折効率が８５％以上であれば、回折光学素子は十分に実用的である。
【０１２８】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体１と光学調整層３の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定するために、基体１と同じ材料の平板上に、光学調整層と同材料、同条件で厚さ３０μmの膜を形成し、基体と膜が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１２９】
なお、硬化前の第２樹脂の溶解度パラメータは、Ｆｅｄｏｒｓらによる分子構造式から計算する方法により求めた。硬化後の第２樹脂の溶解度パラメータも計算したところ、硬化前の第２樹脂の溶解度パラメータとほぼ等しいことが分かった。以下の実施例、比較例でも同様にして、硬化前の第２樹脂の溶解度パラメータを計算した。
【０１３０】
（実施例２）
本発明の実施例として、図６に示す構造を備えた回折光学素子２２を次の方法により作製した。基体１は実施例１と同様、第１樹脂としてビスフェノールＡ系ポリカーボネート樹脂（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８、ＳＰ値９．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を射出成形することにより、回折格子の根元の包絡面が非球面形状であり、深さ１５μｍの輪帯状回折格子２を片面に有する基体１を作製した。レンズ部の有効半径は０．８２８ｍｍであり、輪帯数は２９本であり、最小輪帯はピッチ１４μmであり、回折面の近軸Ｒ（曲率半径）は−１．０１４４ｍｍである。
【０１３１】
次に光学調整層３’の原料となる第２光学材料を次のように調製した。第２樹脂として脂環式アクリレート樹脂Ｂ（ｄ線屈折率１．５３１、アッベ数５２、ＳＰ値９．０[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用い、これに酸化ジルコニウム（一次粒径３〜１０ｎｍ、光散乱法による実効粒径２０ｎｍ、シラン系表面処理剤含有）のＰＧＭＥ（プロピレングリコールモノメチルエーテル、ＳＰ値１０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）分散液を、分散媒であるＰＧＭＥを除いた全固形分中における酸化ジルコニウムの重量比が５６重量％となるように分散し、混合した。なお、この第２光学材料の乾燥・硬化後の光学特性は、ｄ線における屈折率が１．６２３であり、アッベ数４３であり、波長４００〜７００ｎｍにおける光線の透過率が９０％以上（膜厚３０μｍ）である。
【０１３２】
この第２光学材料を、基体１上にディスペンサーを用いて０．４μＬ滴下し、真空乾燥機にて乾燥（２５℃、真空乾燥機の内圧１３００Ｐａ、３時間）させた後、金型（ステンレス系合金表面にニッケルめっき膜形成）に設置し、基体１の裏面（コンポジット材料を滴下した面と反対の面）から、紫外線（照度１２０ｍＷ／ｃｍ2、積算光量４０００ｍＪ／ｃｍ2）を照射することによって第２樹脂を硬化させた。その後、金型から離型し光学調整層３’として形成した。なお、光学調整層３’の表面形状は、回折格子２の根元の包絡面形状に沿った非球面形状と一致するように形成した。また光学調整層３’の厚さは、最も厚い部分（すなわち回折光学素子の最深部に対応する部分）において、３０μｍとなるように形成した。
【０１３３】
本実施例の回折光学素子２２の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９２％以上であった。
【０１３４】
さらに、本実施例の回折光学素子２２を光軸が通る断面にて切断し、基体１と光学調整層３’の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子２の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体１と光学調整層３’が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１３５】
（実施例３）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として、ＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａ（ｄ線屈折率１．５２９、アッベ数５０、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）と、実施例２と同じ脂環式アクリレート樹脂Ｂとを重量比４：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１１．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるように調整した混合樹脂を用いた点、および、溶媒として１−プロパノール（ＮＰＡ、ＳＰ値１１．９[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１３６】
本実施例の回折光学素子２２の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、８５％以上であった。
【０１３７】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１３８】
（実施例４）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａのみを用いた点、および溶媒として、１−プロパノール（ＮＰＡ、ＳＰ値１１．９[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１３９】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９３％であった。
【０１４０】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１４１】
（実施例５）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと、溶解度パラメータの異なるエポキシアクリレート樹脂Ｄ（ｄ線屈折率１．５６９、アッベ数３５、ＳＰ値１２．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）とを重量比４：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１１．６[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点、および、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１４２】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９１％以上であった。
【０１４３】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１４４】
（実施例６）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと、溶解度パラメータの異なるエポキシアクリレート樹脂Ｄ（ｄ線屈折率１．５６９、アッベ数３５、ＳＰ値１２．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）とを重量比３：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１１．７[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点、および、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１４５】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、９１％以上であった。
【０１４６】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１４７】
（実施例７）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子２２を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層３’を構成する第２光学材料の第２樹脂として実施例５に使用したエポキシアクリレート樹脂Ｄ（ｄ線屈折率１．５６９、アッベ数３５、ＳＰ値１２．１[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）のみを用い、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１４８】
本実施例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、８８％以上であった。
【０１４９】
さらに、本実施例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５８５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と同じであった。このことから、光学調整層３’の原料が基体１へ浸透していないことが確認できた。
【０１５０】
また、本実施例では、基材と光学調整層とのＳＰ値の差が２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2と比較的大きな値となっているが、実施例１〜６と同様、歩留まりの低下や使用時に光学調整層が剥離したりする問題は発生しなかった。
【０１５１】
（比較例１）
比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層を構成する樹脂として、実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと脂環式アクリレート樹脂Ｂとを重量比１：３の割合で混合して、樹脂全体の溶解度パラメータを９．６[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点、および、溶媒として２−プロパノール（ＩＰＡ、ＳＰ値１１．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１５２】
本比較例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、７１％であった。なお、この回折光学素子においては、超精密３次元測定装置による輝度測定時において０次光、１次光、２次光の集光点以外の領域にも輝度が観測された。また、輝度測定に使用した白色光の透過光量は、実施例１から６と比較して３倍必要であった。これは回折光学素子として光学的損失が大きいことを示している。
【０１５３】
さらに、本比較例の回折光学素子を、光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、図２に示す屈折率変化層１０１ａとみられる変色した層が観察された。また、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５７２であり、光学調整層が接していない場合のｄ線屈折率（１．５８５）と比較して、０．０１３低下していた。つまり、光学調整層の原料が浸透し、屈折率低下を引き起こしていることで回折効率が低くなっていると考えられる。
【０１５４】
（比較例２）
比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層を構成する樹脂として、実施例３に使用したＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａと、実施例２に使用した脂環式アクリレート樹脂Ｂとを重量比１：１の割合で混合し、樹脂全体の溶解度パラメータが１０．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2となるようにした混合樹脂を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１５５】
本比較例の回折光学素子の１次回折効率を実施例１と同様の方法で算出したところ、全波長において、８０％以上であった。なお、この回折光学素子においては、超精密３次元測定装置による輝度測定時において０次光、１次光、２次光の集光点以外のところにも輝度が存在していた。また、輝度測定に使用した白色光の透過光量は、実施例１から６と比較して１．５倍必要であった。これは回折光学素子として光学的損失が大きいことを示している。
【０１５６】
さらに、本比較例の回折光学素子を、光軸を通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、図２に示すような、屈折率変化層は見られなかった。しかし、実施例１と同じ方法で、基体と光学調整層が接する部分の基体の屈折率を測定したところ、ｄ線における屈折率が１．５７５であり、光学調整層が接していない場合のｄ線における屈折率（１．５８５）と比較して、０．０１低下していた。つまり、回折格子の断面からは観察できないレベルで光学調整層の原料が浸透し、微少な屈折率低下を引き起こしていることで回折効率が低くなっていると考えられる。
【０１５７】
（比較例３）
本発明の実施例に対する比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層を構成する樹脂として、ＯＨ基含有アクリレート樹脂Ａのみを用い、溶媒として２−プロパノールを用い、無機粒子を混合していない点が実施例２と異なっている。
【０１５８】
本比較例の回折光学素子を、光軸を通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察した結果、材料の相互作用による回折格子の変化や変質は観察されなかった。
【０１５９】
しかしながら、光学調整層として必要な屈折率には到達していないため、１次回折効率は２５％であった。
【０１６０】
（比較例４）
本発明の実施例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子を、実施例２と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層に添加する溶媒として、メチルイソブチルケトン（ＭＩＢＫ、ＳＰ値９．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2）を用いた点が実施例２と異なっている。
【０１６１】
本比較例の回折光学素子を光軸が通る断面にて切断し、基体と光学調整層の境界部分を光学顕微鏡で観察したところ、材料の相互作用により、図１に示すように、回折格子の変形が観察された。回折格子の変形が顕著であったため、回折光が集光せず、回折効率については測定できなかった。
【０１６２】
（比較例５）
本発明の実施例に対する比較例として、実施例２と同じ構成の回折光学素子の作製を試みた。ただし、光学調整層の原料を基体上ではなく型に滴下し、原料の乾燥後、基体に型はめ、紫外線を照射してアクリレート樹脂を硬化させ、回折光学素子を作製しようとした点で実施例２と異なっている。
【０１６３】
本比較例においては、離型時に型に光学調整層となるべきコンポジット材料が残ってしまい、基体上に所望の形状の光学調整層を形成することはできなかった。
【０１６４】
（結果の考察）
以下の表１に実施例１〜６および比較例１〜５において、光学調整層に用いた樹脂および溶媒と、これらの溶解度パラメータおよび基体を構成する樹脂との溶解度パラメータの差とを示す。また、作製した回折光学素子における基材への浸食を観察した結果、および、算出した１次回折効率を示す。
【０１６５】
【表１】
2010032347.tif 000023
【０１６６】
表１に示すように、実施例の回折光学素子における基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータの差は０．８以上であり、これにより、基材への樹脂の浸食が発生せず、高い回折効率が得られていることが分かる。
【０１６７】
これに対し、比較例１、２から分かるように、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータの差が０．８より小さい場合、基体への樹脂の浸食による屈折率変化層あるいは微小屈折率変化層の生成が見られ、これにより、１次回折効率が低下している。
【０１６８】
また、比較例４から分かるように、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータの差は０．８以上であっても、光学調整層の原料に基体に含まれる樹脂の溶解度パラメータとの差は０．８より小さい溶媒が含まれている場合、溶媒が基体へ浸透することによって回折格子の変形が生じる。
【０１６９】
図９は、実施例１〜７および比較例１、２における、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差と１次回折効率との関係を示している。図９より、基体と光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８以上である場合に１次回折効率が８５％以上得られることがわかる。ここで、１次回折効率は（式４）に基づいて計算したものである。上述したように比較例１、２については、０次、１次、２次回折光の集光位置に集光しない成分も多く、評価を行う際の透過光量は実施例１から７と比較して１．５倍〜３倍の光量が必要であったことから、実際の回折効率は７１％および８０％よりもはるかに低いと考えられる。
【０１７０】
図１０は、実施例１〜７および比較例１、２における、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータ（ＳＰ値）の差と基体の屈折率との関係を示している。図１０より、基体および光学調整層に含まれる樹脂の溶解度パラメータとの差が０．８以上であれば、基体の屈折率がほぼ一定であることがわかる。これは、溶解度パラメータの差が０．８以上であれば、基体への樹脂の浸透が発生しないことによって、屈折率が低下していないからであると考えられる。
【０１７１】
以上のように、本実施例による回折光学素子によれば、素子を構成する材料間の相互作用が抑制できるため、基体の回折格子の変形や基体の屈折率変化による不要回折光や迷光の発生がなく、良好な光学特性を有しかつ量産性の高い回折光学素子を得ることが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【０１７２】
本発明の回折光学素子は、種々の光学系に好適に用いることが可能であり、例えばカメラのレンズ、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等として好適に用いることができる。
【符号の説明】
【０１７３】
１、１０１  基体
２  回折格子
３、３’、１０３、１０３’  光学調整層
４  無機粒子
６  ディスペンサー
８  型
１１  印刷版
１２  印刷パターン
１３  光学調整層の原料
１４  パッド
２１、２２、１１１、１１２、１１３、１１４  回折光学素子
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、
第２樹脂を含む第２光学材料からなり、前記回折格子を覆うように前記基体に設けられた光学調整層と
を備え、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である回折光学素子。
【請求項２】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第２光学材料はさらに無機粒子を含み、前記無機粒子が前記第２樹脂中に分散している請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを主成分として含む請求項３に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記無機粒子の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第２樹脂の溶解度パラメータが前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きい請求項1から５のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第２樹脂はＯＨ基を有する請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１樹脂はポリカーボネートである請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第２樹脂はエネルギー線硬化型樹脂である請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体を用意する工程と、
前記回折格子を覆うように前記基体上に第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を配置する工程と、
前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２光学材料からなる光学調整層を形成する工程と
を包含し、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の原料の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である、回折光学素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１１に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第２光学材料の原料は、さらに溶媒および無機粒子を含んでおり、
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、
前記第２光学材料の原料を配置する工程の後、前記光学調整層を形成する工程の前に前記第２光学材料の原料から前記溶媒を除去する工程をさらに包含し、
前記光学調整層を形成する工程は、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２樹脂中に前記無機粒子が分散した前記第２樹脂を生成する請求項１１に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１４】
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１３に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１５】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１４に記載の回折光学素子の製造方法。
【手続補正３】
【補正対象書類名】図面
【補正対象項目名】全図
【補正方法】変更
【補正の内容】
【図１】
2010032347.tif 000024
【図２】
2010032347.tif 000025
【図３】
2010032347.tif 000026
【図４】
2010032347.tif 000027
【図５】
2010032347.tif 000028
【図６】
2010032347.tif 000029
【図７】
2010032347.tif 000030
【図８】
2010032347.tif 000031
【図９】
2010032347.tif 000032
【図１０】
2010032347.tif 000033
【図１１】
2010032347.tif 000034
【手続補正書】
【提出日】平成22年3月30日(2010.3.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、
第２樹脂を含む第２光学材料からなり、前記回折格子を覆うように前記基体に設けられた光学調整層と
を備え、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、
前記第２樹脂はＯＨ基を有する回折光学素子。
【請求項２】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第２光学材料はさらに無機粒子を含み、前記無機粒子が前記第２樹脂中に分散している請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを主成分として含む請求項３に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記無機粒子の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第２樹脂の溶解度パラメータが前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８[ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きい請求項1から５のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第１樹脂はポリカーボネートである請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第２樹脂はエネルギー線硬化型樹脂である請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項９】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体を用意する工程と、
前記回折格子を覆うように前記基体上に第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を配置する工程と、
前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２光学材料からなる光学調整層を形成する工程と
を包含し、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の原料の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、
前記第２樹脂はＯＨ基を有する、回折光学素子の製造方法。
【請求項１０】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項９に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１１】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第２光学材料の原料は、さらに溶媒および無機粒子を含んでおり、
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差は０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．５[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下であり、
前記第２光学材料の原料を配置する工程の後、前記光学調整層を形成する工程の前に前記第２光学材料の原料から前記溶媒を除去する工程をさらに包含し、
前記光学調整層を形成する工程は、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２樹脂中に前記無機粒子が分散した前記第２樹脂を生成する請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差が０．８[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以上、２．３[ｃａｌ／ｃｍ3]1/2以下である請求項１２に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１４】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１３に記載の回折光学素子の製造方法。
【手続補正書】
【提出日】平成22年6月7日(2010.6.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、
第２樹脂を含む第２光学材料からなり、前記回折格子を覆うように前記基体に設けられた光学調整層と
を備え、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上、２．５［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以下であり、
前記第２樹脂の溶解度パラメータが前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きく、
前記第２樹脂はＯＨ基を有する回折光学素子。
【請求項２】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上、２．３［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以下である請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第２光学材料はさらに無機粒子を含み、前記無機粒子が前記第２樹脂中に分散している請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つを主成分として含む請求項３に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記無機粒子の実効粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である請求項４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１樹脂はポリカーボネートである請求項５に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第２樹脂はエネルギー線硬化型樹脂である請求項５に記載の回折光学素子。
【請求項８】
第１樹脂を含む第１光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体を用意する工程と、
前記回折格子を覆うように前記基体上に第２樹脂の原料を含む第２光学材料の原料を配置する工程と、
前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２光学材料からなる光学調整層を形成する工程と
を包含し、
前記第１光学材料の屈折率は前記第２光学材料の屈折率より小さく、
前記第１光学材料の屈折率の波長分散性は前記第２光学材料の屈折率の波長分散性より大きく、
前記第１樹脂および前記第２樹脂の原料の溶解度パラメータの差が０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上、２．５［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以下であり、
前記第２樹脂の溶解度パラメータが前記第１樹脂の溶解度パラメータより０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上大きく、
前記第２樹脂はＯＨ基を有する、回折光学素子の製造方法。
【請求項９】
前記第１樹脂および前記第２樹脂の溶解度パラメータの差が０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上、２．３［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以下である請求項８に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１０】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項９に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１１】
前記第２光学材料の原料は、さらに溶媒および無機粒子を含んでおり、
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差は０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上、２．５［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以下であり、
前記第２光学材料の原料を配置する工程の後、前記光学調整層を形成する工程の前に前記第２光学材料の原料から前記溶媒を除去する工程をさらに包含し、
前記光学調整層を形成する工程は、前記第２樹脂の原料を硬化させることにより、前記第２樹脂中に前記無機粒子が分散した前記第２樹脂を生成する請求項９に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１２】
前記第１樹脂および前記溶媒の溶解度パラメータの差が０．８［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以上、２．３［ｃａｌ／ｃｍ3］1/2以下である請求項１１に記載の回折光学素子の製造方法。
【請求項１３】
前記光学調整層を形成する工程は、前記光学調整層の外形を規定する型を前記第２光学材料の原料に押し当てながら前記第２樹脂の原料を硬化させる請求項１２に記載の回折光学素子の製造方法。
【国際調査報告】
2010032347.tif 000035
2010032347.tif 000036
2010032347.tif 000037
2010032347.tif 000038