(57)【要約】【課題】壁面に導波路層を設けた回折光学素子において、高屈折率層と格子層との界面における剥離を抑制し、該剥離による光学特性の低下を防止する。【解決手段】一方の表面に段差を有する第１の樹脂層２と、該第１の樹脂層２に密着して一体化された第２の樹脂層３とを有し、第１の樹脂層２の壁面２ｂと、第２の樹脂層３の壁面３ｂとの間に、第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３よりも屈折率の高い高屈折率層５を有する回折光学素子において、高屈折率層５を、壁面２ｂとこれに隣接する斜面２ａとの境界から、該斜面２ａの一部にまで連続して延設して形成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の表面が、複数の段差を有する複数の壁面と、前記壁面によって区画される複数の斜面と、を有する第１の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の、前記一方の表面側に配置され、前記第１の樹脂層側の表面が、前記第１の樹脂層の前記段差に対応する段差を有する第２の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の壁面と前記第２の樹脂層の壁面との間に、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層よりも屈折率が高い高屈折率層を有する回折光学素子であって、
前記高屈折率層は、前記壁面から前記斜面の一部にまで設けられていることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
厚さ方向断面において、前記第１の樹脂層の格子山部において、前記斜面に占める前記高屈折率層の長さが０．１μｍ以上であり、前記第１の樹脂層の格子谷部において、前記斜面に占める前記高屈折率層の長さより前記壁面に設けられた前記高屈折率層の厚さを除いた長さが０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第１の樹脂層の格子山部における前記斜面に占める前記高屈折率層の長さより、前記第１の樹脂層の格子谷部における前記斜面に占める前記高屈折率層の長さより前記壁面に設けられた前記高屈折率層の厚さを除いた長さが長いことを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
厚さ方向断面において、前記斜面に占める前記高屈折率層の長さより前記壁面に形成された前記高屈折率層の厚さを除いた長さの合計が、前記斜面の長さの合計の５％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記段差は、同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１の樹脂層の他方の表面側に第１のベース基板を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第２の樹脂層の前記第１の樹脂層とは反対側の表面側に第２のベース基板を有していることを特徴とする請求項６に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記高屈折率層が、無機材料からなることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記無機材料が、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｌａ2Ｏ3のうちの一種或いは二種以上の混合物であることを特徴とする請求項８に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回折光学素子を、色収差を補正するためのレンズとして用いることを特徴とする光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、カメラやビデオカメラ、顕微鏡、内視鏡等の光学機器に使用される回折光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子の一つであるレリーフ型回折格子は、同心円状の複数の段差（レリーフパターン）を有しており、係る段差を形成する複数の壁面と、該壁面によって区画される複数の斜面とからなる。斜面は、光学素子として作用するいわゆる光学有効面であり、入射光を所望の位置に結像させる領域である。一方、壁面は光学素子としては作用しない領域である。壁面に入射した光は、該壁面で反射や屈折することにより、所望の結像位置からずれた位置に到達し、その結果、画像上にはフレアと呼ばれる現象が現れ、画質を大きく低下させてしまう。そのため、係るフレアを抑制するための方法が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、壁面に、格子を形成している樹脂層よりも屈折率が高い材料からなる導波路層を形成することで回折効率を向上させた構成が開示されている。係る構成の回折光学素子に入射した光は、壁面での反射や屈折を起こすことなく導波路層内に入射し、該導波路内で全反射を繰り返しながら壁面に平行な方向に進んで導波路層先端から出力される。よって、原理上、フレアを低減することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開第２０１１／９９５５０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】
【０００４】
特許文献１に開示された構成では、フレアを低減することは可能であるが、係る構成を密着二層型の回折格子に適用した場合には、導波路層を設けたことによる以下のような問題が発生する。
密着二層型の回折格子では、レリーフパターンが形成された格子界面を介して、第１の格子層と第２の格子層とを、密着させて一体化している。よって、係るレリーフパターンの壁面に上記導波路層を形成した場合には、係る壁面においては、第１の格子層と導波路層と第２の格子層と、の３種類の材料が互いに接した状態となる。透過型の回折格子の場合、第１の格子層及び第２の格子層はガラスや光学樹脂で構成されているが、少なくとも一方は光学樹脂が使用されている場合が多い。一方、導波路層には、第１の格子層や第２の格子層よりも高い屈折率が要求されている点、及び薄い膜厚で均一に形成する点から、無機材料が用いられる。
よって、密着二層型の回折格子に特許文献１の導波路層を設けた場合には、壁面において、有機材料と無機材料とが混在していることになる。有機材料と無機材料とでは、線膨張係数が大きく異なり、例えば、光学材料として一般的に使用されるアクリル樹脂では５×１０-5／℃であるのに対して、アルミナなどの無機材料では７×１０-6／℃と、一桁低い値となる。
密着二層型の回折格子を製造する際、一般的には、第１の格子層をレプリカ法などで成形し、その後、導波路層を壁面に形成してから、最後に第２の格子層を第１の格子層と密着する形で成形する手順を踏むと考えられる。第２の格子層は、第１の格子層に密着させた状態で樹脂を硬化させて形成するが、一般的な樹脂であれば硬化前後で５乃至１０％程度の体積変化を生じる。そのため、双方の材料の粘弾性特性にもよるが、第２の格子層の樹脂の硬化反応は、既に成形されている第１の格子層へも影響を及ぼすことになる。つまり、第２の格子層の成形時に第１の格子層が変形することになるが、壁面は形状的に応力が生じ易いため、該壁面において変形が大きくなり、格子層と導波路層との界面で剥離が生じ、格子層と導波路層との間に空気層が発生してしまう。格子層と導波路層との界面に空気層が存在すると、格子層と導波路層との界面での屈折率が設計値とは異なる値となってしまう。そのため、導波路層内に入射した光が導波路層内で全反射を行わずに、途中で格子層側に抜けてしまい、設計通りに導波路層端部から出力せず、フレアの低減効果が得られなくなってしまうおそれがある。
また、格子層と導波路層との界面で剥離が生じる現象は、高温や低温、高温高湿といった環境によっても引き起こされやすい。よって、初期には光学性能を満足していても、経時的に変化してしまうおそれもある。
本発明の課題は、壁面に導波路層を設けた密着二層型の回折光学素子において、導波路層と格子層との界面における剥離を抑制し、フレアの発生を初期から長期にわたって低減することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の第一は、一方の表面が、複数の段差を有する複数の壁面と、前記壁面によって区画される複数の斜面と、を有する第１の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の、前記一方の表面側に配置され、前記第１の樹脂層側の表面が、前記第１の樹脂層の前記段差に対応する段差を有する第２の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の壁面と前記第２の樹脂層の壁面との間に、前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層よりも屈折率が高い高屈折率層を有する回折光学素子であって、
前記高屈折率層は、前記壁面から前記斜面の一部にまで設けられていることを特徴とする。
本発明の第二は、上記本発明の回折光学素子を、色収差を補正するためのレンズとして用いることを特徴とする光学機器である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明においては、壁面に高屈折率層を設けたことにより、導波路効果によって、該壁面に起因するフレアを低減することができる。さらに、本発明においては、高屈折率層を斜面と壁面との境界から斜面内にまで延設していることから、高屈折率層と第１の樹脂層及び第２の樹脂層との界面での剥離を抑制することができる。よって、本発明によれば、製造直後から長期にわたってフレアが低減された回折光学素子が提供され、該回折光学素子を用いて、優れた光学性能を長期にわたって得られる光学機器が得られる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の回折光学素子の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は厚さ方向の断面の全体図、（ｂ）は厚さ方向の断面の部分拡大図、（ｃ）は入射光側から見た平面図である。
【図２】図１の回折光学素子の壁面近傍の拡大図である。
【図３】図１の回折光学素子の製造方法を示す工程図である。
【図４】図１の回折光学素子の製造方法を示す工程図である。
【図５】図１の回折光学素子の製造方法を示す工程図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る光学機器を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明について、適宜図面を参照しながら実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下の説明において特段説明されていない部分や、図面において特段図示されなかった部分に関しては、当該技術分野の周知或いは公知の技術を適用することができる。
【０００９】
図１は、本発明の回折光学素子の一実施形態の構成を模式的に示すであり、図１（ａ）は厚さ方向の断面の全体図であり、図１（ｂ）はその部分拡大図である。また、図１（ｃ）は入射光側から見た平面図である。図１（ａ）及び（ｂ）は、図１（ｃ）のＡ−Ａ’部分で切断した時の回折光学素子の断面を示した図であり、Ａ−Ａ’部分は回折光学素子の中心にある光軸を通る。即ち、厚さ方向断面とは、回折光学素子を上面（入射光側）から見た時の中心を通るように切断した時の、回折光学素子の断面のことである。図１に示すように、本発明の回折光学素子は、第１の樹脂層２と、第２の樹脂層３とを有する密着二層型である。第１の樹脂層（ブレーズド回折格子）２は、一方の表面側に、厚さ方向の断面が鋸歯状となる複数の段差が、光の入射方向から見た場合に同心円状となるように形成されている。また、係る段差は、壁面２ｂによって形成され、第１の樹脂層２の一方の表面は、係る壁面２ｂと、該壁面２ｂによって区画された斜面２ａとを、それぞれ複数備えている。即ち、壁面２ｂと斜面２ａとで、レリーフパターンが形成されている。第２の樹脂層３は、第１の樹脂層２と密着して配置されているため、第１の樹脂層側の表面に、第１の樹脂層２の段差に対応する段差を有している。そして、第１の樹脂層２の壁面２ｂと第２の樹脂層３の壁面３ｂとの間には、高屈折率層５が設けられている。
尚、本例においては、第１の樹脂層２に高屈折率層５を形成し、次いで、第１の樹脂層２及び高屈折率層５に対して密着するように樹脂を硬化させて第２の樹脂層３を形成したものとする。
【００１０】
図１の実施形態では、第１の樹脂層２の他方の表面側に第１のベース基板１が、第２の樹脂層３の第１の樹脂層２とは反対側の表面に第２のベース基板４が、それぞれ設けられている。これらベース基板１，４としては、透明性等、所望の光学特性を満足するものであれば、ガラス材料、光学樹脂材料のいずれでも用いることができるが、特性変動がしにくい（信頼性）という観点からはガラス材料の方が好適である。具体的には、ランタン系の高屈折率低分散ガラスである「Ｓ−ＬＡＨ５５」（（株）オハラ製）や超低分散ガラスである「Ｓ−ＦＰＬ５１」（（株）オハラ製）等が挙げられる。尚、第２のベース基板４はあってもなくても構わない。回折格子として得られる光学性能に大きな差が生じないためである。
【００１１】
第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３は、それぞれ回折格子であり、これらを形成する樹脂材料としては、光学特性、信頼性を満足する光学樹脂材料であれば特に制限は無く、製造が容易であることから、感光性樹脂材料が好ましい。具体的には、アクリレート系樹脂、ポリカーボネート樹脂、などが好適に使用される。この光学樹脂材料には要求される光学性能を達成するために、状況に応じて無機微粒子を内添させることも可能である。無機微粒子は要求される光学特性により選択される。具体的には、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化アンチモン、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アンチモンをドープした酸化スズ（ＡＴＯ）、亜鉛をドープした酸化インジウム（ＩＺＯ）等が挙げられる。
【００１２】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部分を拡大したものである。図１（ｂ）に示すように、本発明においては、高屈折率層５は、第１の樹脂層２の壁面２ｂと第２の樹脂層３の壁面３ｂとの間に設けられているが、係る高屈折率層５は、それぞれの斜面２ａ、３ａにまで延設されている。より具体的には、第１の樹脂層２に着目して説明すると、壁面２ｂに形成された高屈折率層５は、該壁面２ｂと斜面２ａとの境界から斜面２ａの一部にまで連続して形成されている。本発明では、このように、高屈折率層５が、壁面２ｂのみならず、斜面２ａにまで延設されていることにより、高屈折率層５と第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３との界面における剥離が抑制される。
【００１３】
しかしながら、斜面２ａにまで高屈折率層５を延設すると、斜面２ａの実質的な面積が低減してしまい、本来、回折光学素子に要求されている光学特性が低下してしまうことになる。よって、本発明においては、剥離による光学特性の低下を抑制し得る範囲で、本来の光学特性が大きく低下しないように、高屈折率層５の斜面２ａに占める割合を設定することが望ましい。以下に、具体的に説明する。
【００１４】
図１（ｂ）において、壁面２ｂの頂部を第１の樹脂層２の格子山部２ｃ、壁面２ｂの底部を第１の樹脂層２の格子谷部２ｄと称する。格子山部２ｃ及び格子谷部２ｄはいずれも、斜面２ａと壁面２ｂとの境界である。また、Ｌ２は、回折光学素子の厚さ方向断面において、格子山部２ｃに隣接する斜面２ａに占める高屈折率層５の長さを示しており、Ｌ３は、格子谷部２ｄに隣接する斜面２ａに占める高屈折率層５の長さから厚さＬ４を除いた長さである。尚、以下の説明では、第１の樹脂層２の斜面２ａに占める高屈折率層５の長さについて説明するが、第２の樹脂層３についても、同様である。
【００１５】
上記したように、斜面２ａに占める高屈折率層５の長さＬ２及びＬ３は、回折光学素子として要求される光学性能と、剥離の低減とを同時に達成しうる範囲に調整される。回折光学素子として要求される光学性能の中で最も重要なものは回折効率である。回折効率は、設計回折次数の回折光が入射した光に対してどの程度の割合で所望の位置に出射しているかを示すものであり、斜面２ａに入射した光の全てが有効光線となる設計をしている。設計にもよるが、一般的には斜面２ａには格子界面を構成する二種類の材料のみが存在するのが前提で、異物は効率を低下させる要因となる。斜面２ａに界面を構成する材料よりも高屈折率の材料が存在した場合には、光学屈折系としては、光は設計とは異なる屈折角で進行していくことになり、結果的には所望の位置に光が集光しなくなってしまう。一方、回折光学系としては設計とは異なる屈折率間での回折現象となるので、所望の回折次数が得られなくなる。いずれにしても、本来の設計とは異なる現象が発現されて、回折効率及び画質を低下させることになってしまう。このため、光学性能の観点からは、斜面２ａに占める高屈折率層５の割合は極力少ない方が良い。
【００１６】
一般に、レリーフパターンを有する回折光学素子は、光軸中心から円の外周に近づくに従って格子ピッチを徐々に小さくすることにより、レンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を有するように構成されている。斜面２ａを無効にするものが、ある一定距離で形成されている場合、その影響の大きさは斜面２ａの長さに比例する。斜面２ａが長い、つまり格子ピッチの大きい場合は影響が小さく、逆に斜面２ａが短い、つまり格子ピッチの小さい場合は影響が大きくなる。
【００１７】
上記の高屈折率層５の場合で考えると、一般のレリーフパターンを有する回折光学素子では、光軸中心に近いほど高屈折率層５の影響が小さく、円の外周に近づくに従って高屈折率層５が画質を劣化させる影響は大きくなっていく。このため、高屈折率層５が斜面２ａに占める長さは、理想的にはピッチに比例して変化していることが望ましい。つまり、光軸中心から円の外周に近づくに従って斜面２ａに形成される距離が短くなっていくことが、理想である。
【００１８】
しかしながら、高屈折率層５を壁面２ｂに形成する方法にもよるが、通常想定される方法によれば斜面２ａに形成される長さは略一定になると推定される。その場合には、図１（ｂ）に示した上記Ｌ２が０．１μｍ以上、上記Ｌ３が０．２μｍ以上であることが好ましい。また、Ｌ２が０．１μｍ以上、Ｌ３が０．２μｍ以上で、且つ、Ｌ２＜Ｌ３が好ましい。
【００１９】
そして、回折光学素子全体で、Ｌ２及びＬ３の合計の、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合が、５％以下であることが好ましい。即ち、高屈折率層５によって阻害された斜面２ａの影響を５％以下にする、つまり設計値に対して９５％以上の回折効率を確保することを意味している。上記割合が５％を超えると、回折効率が低下して回折格子が本来要求されている色収差補正効果も小さくなり、結果的に撮影した画像は全体的にぼやけた感じになり、フレアの抑制効果も小さくなってしまう。
【００２０】
一方で、第１の樹脂層２又は第２の樹脂層３と高屈折率層５との界面での剥離を抑制するためには、斜面２ａに占める高屈折率層５の長さＬ２，Ｌ３が長い方が好ましい。係る剥離は、例えば、温度や湿度といった環境変化による第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３の伸縮、及び、第２の樹脂層３を形成する際の樹脂の硬化収縮による第１の樹脂層２の変形が要因となって発生する。よって、これを抑制するには、第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３の伸縮を低減することが重要である。本発明において、第１の樹脂層２の格子山部２ｃ及び格子谷部２ｄが高屈折率層５で覆われていることで、係る伸縮が制限され、結果として、これら樹脂層２，３と高屈折率層５の界面における剥離を抑制することが可能となる。
【００２１】
図２は、図１の壁面２ｂ、３ｂ近傍を拡大した図であり、図中のαは、厚さ方向断面において、第１の樹脂層２の格子山部２ｃのなす角度、βは第１の樹脂層２の格子谷部２ｄのなす角度を示している。また、ｈ１は、第１の樹脂層２の格子山部２ｃから第２のベース基板４までの距離（格子山部２ｃにおける第２の樹脂層３の厚さ）、ｈ２は第１の樹脂層２の格子谷部２ｄから第２のベース基板４までの距離（格子谷部２ｄにおける第２の樹脂層３の厚さ）である。尚、図２において、高屈折率層５は便宜上、省略した。
【００２２】
本例のように、レリーフパターンが入射した光を所望の位置に結像させる斜面２ａと、光学素子としては作用しない壁面２ｂとで構成されている回折格子の場合、（０＜）α≦１２０°、（２１０＜）β≦２７０°の範囲になることが一般的である。この様な形状の回折格子においては、格子谷部２ｄでは広角での収縮が１点に集中しており、格子山部２ｃに比較して大きな応力が発生する傾向にある。更にｈ１＜ｈ２の関係より、第２の樹脂層３を形成する際の樹脂材料の硬化収縮量の影響は、格子山部２ｃよりも格子谷部２ｄの方が大きくなる。つまり、格子山部２ｃに比較して格子谷部２ｄでは、応力が大きくなる傾向があり、第１の樹脂層２と高屈折率層５との界面での剥離が発生し易くなる。よって、斜面２ａにまで連続的に形成される高屈折率層５は、格子山部２ｃよりも格子谷部２ｄの方を長くすることが好ましく、具体的にはＬ２≧０．１μｍ、Ｌ３≧０．２μｍとすることで、層間での剥離を効果的に抑制し得ることが判った。
【００２３】
高屈折率層５の材料としては、樹脂層２，３を構成する材料にもよるが、これらの樹脂材料よりも高い屈折率を有していることと低い線膨張係数を有していることが重要である。高屈折率層５はその屈折率にもよるが膜厚は最大でも数百ｎｍの薄膜であり、設計からの形状ズレに関しても数十ｎｍレベルである。更に、設計によるが材料屈折率の許容ズレも０．０５以下程度であることを考慮すると、高屈折率層の形成には真空成膜プロセスが想定される。しかしながら、レンズなどの曲面に成膜する場合には、入射する角度によって屈折率が大きく変化してしまい、所望の効果が得られなくなる懸念がある。屈折率の成膜角依存は材料としての特性もあるが、狙い屈折率にも依存する。正対入射で成膜した時は、材料本来が持つ密度、屈折率になるが、入射角度が浅くなるにつれて密度が小さくなり、結果的に屈折率も小さくなる。正対入射時に高い屈折率を有する材料ほど、その変化が大きくなるので、安定的に製造する観点からは正対入射時の屈折率は高くない方が良い。樹脂で形成された回折格子間で導波路の効果を持ち、製造安定性も得られる屈折率範囲としては、正対入射時に１．６以上２．１以下程度までの無機材料が好適に使用される。無機材料として具体的にはＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｌａ2Ｏ3、などのガラス材料成分が挙げられ、更にその二種以上の混合物なども好適に使用される。
【００２４】
ここで、図１に例示した回折光学素子の製造方法の一例について図３乃至図５を用いて説明するが、本発明の回折光学素子は、その性能を満足するものであれば、係る製造方法には限定されない。
第１のベース基板１上に第１の樹脂層２をレプリカ法で成形する。具体的には、第１の樹脂材料１１を滴下したベース基板１（図３（ａ））を所望の形状を有する金型１２の上に配置して樹脂材料１１をベース基板１と金型１２の間に充填させる（図３（ｂ））。次いで、紫外線光源１３によってベース基板１を通して第１の樹脂材料１１を硬化させて（図３（ｃ））、所望の形状を有する第１の樹脂層２をベース基板１の上に形成する。ベース基板１と一体化した第１の樹脂層２を金型１２から外し（図４（ｄ））、更に、オーブン中で加熱処理することにより、樹脂を完全に硬化させる。
【００２５】
次に、第１の樹脂層２の壁面に高屈折率層５を形成する。第１の樹脂層２の全面にリフトオフ用のネガ型レジストを塗布し、壁面に水平な方向（レンズ光軸方向）から紫外線を照射した後、炭酸ナトリウム溶液中で現像を行う。壁面では、壁面に水平な方向での膜厚が厚いため、十分な照射量が得られず、また格子谷部では壁面の影響を受けて十分な照射量が得られないため、レジストは現像されてしまう。また、格子山部では十分な照射は得られるが、形状的に現像液の置換効率が高くなるため、他の場所に比べてエッチングレートが大きくなる。よって、紫外線照射量と現像時間を最適化することでレジスト１４の残膜率を調整し、壁面及び格子山部、格子谷部ではレジストが現像されて残存していない状態にする（図４（ｅ））。レジストパターニングが完了した第１の樹脂層２を蒸着装置に入れ、壁面に正対する方向から高屈折率層材料１５を成膜した（図４（ｆ））後、強アルカリ溶液中でレジスト１４を剥離する。これにより、第１の樹脂層２の壁面及び斜面の一部にまで連続的に形成された高屈折率層５が得られる（図５（ｇ））。
【００２６】
最後に、上記の第１の樹脂層２と第２のベース基板４との間に第２の樹脂材料１６を充填し、第２のベース基板４を通して紫外線光源１３より紫外線を照射し（図５（ｈ））、樹脂材料１６を硬化させることで第２の樹脂層３を得ることができる。これにより、密着二層型の回折光学素子が得られる。
本発明の回折光学素子は、種々の光学機器に用いられ、具体的には、静止画像を撮影するカメラや動画を撮影するビデオカメラ、顕微鏡、内視鏡が挙げられる。
【００２７】
図６は、本発明の光学機器の好適な実施形態の一例である一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の光学系の断面図である。レンズ鏡筒３０は筐体３１とその内部に光学系を有する。光学系は、レンズ２１乃至２９及び回折光学素子２０が光軸Ｏに対して垂直に配列されている。ここでレンズ２１側が光学系の入射光側であり、レンズ２９側がカメラとの着脱マウント側である。本発明の回折光学素子２０を光学系の適切な位置に配置させることにより、色収差を低減した小型かつ軽量のレンズ鏡筒を提供することができる。また、図６のように回折光学素子２０をレンズ２１の内側に設けることにより、回折光学素子２０に外光が直接当たることを防止できるため、フレアの発生を抑制することができる。
【実施例】
【００２８】
（実施例１、比較例１）
図１に例示した密着二層型の回折光学素子を、図３乃至図５に示した工程で作製した。凸形状を有する第１のベース基板１と凹形状を有する第２のベース基板４は、いずれもホウ素とシリコンを含有した光学ガラス（（株）オハラ製「Ｓ−ＢＳＬ７」）レンズであり、大きさはベース基板１がφ５８ｍｍ、ベース基板４がφ６１ｍｍのものを準備した。
【００２９】
第１のベース基板１と第２のベース基板４の間には、第１のベース基板１側から第１の樹脂層２、第２の樹脂層３が形成されている。第１の樹脂層２は、不飽和官能基を有するウレタン変性ポリエステルアクリレートとジシクロペンテニルオキシエチルメタクリレートを主成分とする紫外線硬化型アクリル樹脂に酸化インジウム錫微粒子を分散させた紫外線硬化型樹脂で形成した。第２の樹脂層３は、不飽和官能基を有するウレタン変性ポリエステルアクリレートとジシクロペンテニルオキシエチルメタクリレートを主成分とする紫外線硬化型アクリル樹脂に酸化ジルコニア微粒子を分散させて用いた。第１の樹脂層２、第２の樹脂層３の屈折率は、ｄ線基準でそれぞれ１．５７と１．６２であった。第１の樹脂層２の格子高さは１０μｍであり、隣接する格子の間隔は光軸中心から円の外周に近づくに従って３．０ｍｍから０．１ｍｍまで徐々に小さくなっており、壁面の数は全部で８０である。
【００３０】
本実施例の高屈折率層５は、Ａｌ2Ｏ3とＺｒＯ2の混合酸化物であり、ｄ線基準での屈折率が１．７０で、厚さは１７０ｎｍとした。高屈折率層５が斜面２ａに占める長さは、第１の樹脂層２の格子山部２ｃに隣接した面内ではＬ２＝０．２５μｍであり、格子谷部２ｄに隣接した面内ではＬ３＝０．３５μｍであった。この時の、Ｌ２及びＬ３の合計が、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合は０．２８％であった。
【００３１】
本実施例の回折光学素子をフレア測定用に改造を施した撮像光学系（キヤノン（株）製  ＥＦレンズ鏡筒）に組み込んで、壁面によるフレアの測定を行った。壁面によるフレアの測定は、光軸中心から数えて１０番目の輪帯の格子部分にのみ赤（６３５ｎｍ）、緑（５３２ｎｍ）、青（４７３ｎｍ）のレーザー光線を入射させ、得られる回折光をＣＣＤで捉えて、入射した光に対する不要回折光の割合として算出した。レーザー光線は、昭和オプトロニクス（株）製のレーザー「ＪＵＮＯ−Ｃｏｍｐａｃｔ」を用いて照射した。本実施例の回折光学素子では、＋１次回折光を使用する設計なので、それ以外の回折光は設計想定外の不要光であるが、有効画素内で結像してしまうのは０、＋２次光、−１、＋３次光の位置に現れる回折光であるため、その不要回折光量を測定することとした。具体的には、ＣＣＤセンサーの直前に０、＋２次光、−１、＋３次光のみを透過させるスリットを配することで、ＣＣＤセンサーに入射する光は所望の回折光のみである状態を作った。尚、測定の精度を保証するため、測定は温度が２３±０．５℃、湿度が５０±１０％の環境下で実施し、更に外部の光の影響を無くすために、実験系は遮光幕の中に設定した。測定の結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００２％であった。
【００３２】
また、回折光学素子の回折効率を測定した。具体的には、格子間隔が１００μｍとなる領域に光軸方向から回折光学素子に光を入射させて、回折光の出射側に設計次数の回折光のみを通過させるスリットを配して、分光光度計で回折光量を計測し、回折光量の入射光に対する比率として回折効率とした。分光光度計としては、（株）日立ハイテクノロジーズ製の分光光度計「Ｕ−４０００」を用いた。測定の結果、本実施例における回折効率は９８．７％以上となった。
【００３３】
比較例１として、壁面に高屈折率層５が形成されていないこと以外は、上記と全く同様の回折光学素子を準備し、上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行ったところ、壁面によるフレアは０．０１８％であり、回折効率は９９．０％以上であった。
よって、本実施例では、高屈折率層５の形成により、回折効率の低下を抑えながら、壁面によるフレアを１／９にまで減少させることができた。
【００３４】
本実施例の回折光学素子に対して、耐久試験として熱衝撃試験（−４０℃と４０℃にそれぞれ２０分維持を３０サイクル）を実施した後に上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行った。その結果、壁面によるフレアは０．００２％であり、回折効率は９８．８％以上となり、熱衝撃試験前後での光学特性に変化は認められなかった。また、外観上も特に変化は認められなかった。
回折光学素子の形状は成形段階で干渉計（Ｚｙｇｏ社製  ３次元光学プロファイラ「Ｎｅｗ−Ｖｉｅｗ」）を使用して計測したものであり、高屈折率層５の形状に関しては、熱衝撃試験完了後に切断して断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察、測定した結果である。
【００３５】
（実施例２、比較例２）
第１のベース基板１がφ３４ｍｍ、第２のベース基板４がφ３８ｍｍのものを用い、実施例１と同様にして第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３を形成して密着二層型の回折光学素子を作製した。第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３の屈折率は、ｄ線基準でそれぞれ１．５７と１．６２であった。第１の樹脂層２の格子高さは１０μｍであり、隣接する格子の間隔は光軸中心から円の外周に近づくに従って３．９ｍｍから０．２ｍｍまで徐々に小さくなっており、壁面の数は全部で６５である。
【００３６】
本実施例の高屈折率層５は、Ａｌ2Ｏ3とＬａ2Ｏ3の混合酸化物であり、ｄ線基準での屈折率が１．６８で、厚さは１４０ｎｍとした。高屈折率層５が斜面２ａに占める長さは、第１の樹脂層２の格子山部２ｃに隣接した面内ではＬ２＝６．５μｍであり、格子谷部２ｄに隣接した面内ではＬ３＝９．０μｍであった。この時の、Ｌ２及びＬ３の合計が、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合は４．９７％であった。
実施例１と同様にして、本実施例の回折光学素子を撮像光学系に組み込んで、壁面によるフレアの測定及び回折効率の測定を行った。その結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００３％、回折効率は９５．０％以上となった。
【００３７】
比較例２として、壁面に高屈折率層５が形成されていないこと以外は、上記と全く同様の回折光学素子を準備し、上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行ったところ、壁面によるフレアは０．０３０％であり、回折効率は９９．０％以上であった。
よって、本実施例では、高屈折率層５の形成により、回折効率の低下を５％以内に抑えながら、壁面によるフレアは１／１０にまで減少させることができた。
【００３８】
本実施例の回折光学素子に対して実施例１と同様の熱衝撃試験を実施した後に、上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行った。その結果、壁面によるフレアは０．００３％であり、回折効率は９５．０％以上となり、熱衝撃試験前後での光学特性に変化は認められなかった。また、外観上も特に変化は認められなかった。
【００３９】
（実施例３）
斜面に占める高屈折率層５の長さを、Ｌ２＝１０μｍ、Ｌ３＝１５μｍとした以外は実施例２と同様にして密着二層型の回折光学素子を作製した。本実施例の回折光学素子において、Ｌ２及びＬ３の合計が、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合は８．０２％であった。
実施例１と同様にして、本実施例の回折光学素子を撮像光学系に組み込んで、壁面によるフレアの測定及び回折効率の測定を行った。その結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００３％、回折効率は９１．８％以上となった。
【００４０】
比較例２（フレア：０．０３０％、回折効率：９９．０％）と比較すると、本実施例の回折光学素子は、高屈折率層５の形成により、壁面によるフレアを１／１０にまで減少させることができた。しかしながら、回折効率は斜面への成膜の影響もあり８％程度減少していた。尚、回折光学素子を使用していないレンズと比較すると、色収差が改善されており、回折光学素子として十分な性能を発揮していることが確認された。
【００４１】
本実施例の回折光学素子に対して実施例１と同様の熱衝撃試験を実施した後に上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行った。その結果、壁面によるフレアは０．００３％であり、回折効率は９１．８％以上となり、熱衝撃試験前後での光学特性に変化は認められなかった。また、外観上も特に変化は認められなかった。
【００４２】
（比較例３）
高屈折率層５を壁面にのみ形成し、斜面に延設していない、即ちＬ２＝Ｌ３＝０とした以外は、実施例１と同様にして密着二層型の回折光学素子を作製した。
実施例１と同様にして、本比較例の回折光学素子を撮像光学系に組み込んで、壁面によるフレアの測定及び回折効率の測定を行った。その結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００２％、回折効率は９９．０％以上となった。
比較例１（フレア：０．０１８％、回折効率：９９．０％）と比較すると、高屈折率層５の形成により、回折効率の低下を抑えながら、壁面によるフレアを１／９にまで減少させることができた。
【００４３】
本比較例の回折光学素子に対して実施例１と同様の熱衝撃試験を実施した後に上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行ったところ、回折効率は９８．９％以上となり、熱衝撃試験前後での変化は認められなかった。一方、壁面によるフレアは０．０１０％となり、フレア抑制の効果が１／２にまで低減してしまった。また、外観確認用のＬＥＤ光源を回折光学素子に照射して外観を確認したところ、耐久前には見られなかった輝線が格子の輪帯に沿って発生しているのが確認された。
【００４４】
熱衝撃試験で光学性能及び外観の変化した回折光学素子を切断して、断面をＳＥＭ観察したところ、壁面で第１の樹脂層２又は第２の樹脂層３と、高屈折率層５との間での剥離が確認された。以下の表１に、上記実施例及び比較例の結果をまとめて示す。
【００４５】
【表１】
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【符号の説明】
【００４６】
１，４：ベース基板、２：第１の樹脂層、２ａ，３ａ：斜面、２ｂ，３ｂ：壁面、３：第２の樹脂層、５：高屈折率層
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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