(57)【要約】本発明は、複数の光学的機能を同時に実現できると共に、小型で生産性にも優れた回折光学素子およびその製造方法、並びに光学装置を提供することを目的とする。そのために、回折光学素子１０は、複数の層１１〜１３からなり、各々の層が光学材料にて構成された複層部材１０ａを備える。複層部材の隣り合う層（１１，１２）（１２，１３）同士は、互いに密着され、かつ、光学材料の屈折率が互いに異なる。複層部材の内部には、隣り合う層同士の密着した境界面１０ｂ，１０ｃが含まれる。この境界面と複層部材の表面とを含めた３つ以上の面のうち、少なくとも２つの面には、各々、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターン１４，１５が形成され、異なる面に形成された凹凸パターン同士は、複層部材の層方向に関する形状または寸法が互いに異なる。
2003079061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の層からなり、各々の層が光学材料にて構成された複層部材を備え、
前記複層部材の隣り合う層同士は、互いに密着され、かつ、光学材料の屈折率が互いに異なり、
前記複層部材の内部には、前記隣り合う層同士の密着した境界面が１つ以上含まれ、
前記１つ以上の境界面と前記複層部材の表面とを含めた３つ以上の面のうち、少なくとも２つの面には、各々、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、
異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、前記複層部材の層方向に関する形状または寸法が互いに異なる
ことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
３つ以上の層からなり、各々の層が光学材料にて構成された複層部材を備え、
前記複層部材の隣り合う層同士は、互いに密着され、かつ、光学材料の屈折率が互いに異なり、
前記複層部材の内部には、前記隣り合う層同士の密着した境界面が２つ以上含まれ、
前記２つ以上の境界面のうち少なくとも２つには、各々、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、
異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、前記複層部材の層方向に関する形状または寸法が互いに異なる
ことを特徴とする回折光学素子。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載の回折光学素子において、
前記複層部材は、樹脂製の光学材料にて構成された樹脂層を２つ以上含み、
前記２つ以上の樹脂層のうち少なくとも２つは、隣り合う位置で、互いに密着され、
前記凹凸パターンのうち少なくとも１つは、前記隣り合う位置で密着された樹脂層同士の境界面に形成される
ことを特徴とする回折光学素子。
【請求項４】
隣り合う２つの層の各々に、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、前記凹凸パターン同士の形状または寸法が層方向に関して互いに異なる回折光学素子の製造方法であって、
所定の光学材料にて構成された層の表面に、第１の凹凸パターンを形成する第１工程と、
前記第１の凹凸パターンの上に、前記光学材料とは屈折率の異なる樹脂製の光学材料にて構成された樹脂層を形成し、該樹脂層の表面に、第２の凹凸パターンを形成する第２工程とを備え、
前記第２工程は、前記第１の凹凸パターンの上に前記樹脂製の光学材料の未硬化物を塗布する第１補助工程と、前記未硬化物に対して前記第２の凹凸パターンの反転形状の型を密着させる第２補助工程と、前記型を密着させた状態で前記未硬化物を硬化させる第３補助工程とを含む
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【請求項５】
請求項４に記載した回折光学素子の製造方法において、
前記第３補助工程では、光照射によって前記未硬化物を硬化させる
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【請求項６】
請求項１から請求項３の何れか１項に記載の回折光学素子を備えた光学装置において、
前記回折光学素子は、当該光学装置の予め定めた光路中に設置され、かつ、該光路に対して前記凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置される
ことを特徴とする光学装置。
【請求項７】
請求項６に記載の光学装置において、
当該光学装置は、レーザ光を使用する装置であり、
前記回折光学素子は、各々の層が前記レーザ光の波長域で透明な光学材料にて構成され、かつ、前記レーザ光の光路に対して前記形成面が交差する向きで設置される
ことを特徴とする光学装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光学装置において、
当該光学装置で使用される前記レーザ光の波長域は、１．４μｍ〜１．７μｍの赤外波長域である
ことを特徴とする光学装置。
【発明の詳細な説明】
技術分野
本発明は、光の回折現象を利用して様々な光学的機能を発揮する位相型の回折光学素子およびその製造方法、並びに光学装置に関する。
背景技術
回折光学素子は、光の回折現象を利用して、レンズ機能（集光や発散）、分岐／合波機能、光強度分布変換機能、波長フィルタ機能、分光機能など、様々な光学的機能を発揮する光学素子として知られている。ちなみに、分光機能を持つ回折光学素子はグレーティング、レンズ機能を持つ回折光学素子はゾーンプレートとも呼ばれている。
また、位相型の回折光学素子は、光学材料（例えば光学硝子）の表面に回折格子状の凹凸パターンを形成したものであり、凹凸パターンの形状によって、その光学的機能が決まっている。例えば、ブレーズ格子などのグレーティングの場合（図９）、凹凸パターンは、等間隔の直線状である。ゾーンプレートの場合（図１０）、凹凸パターンは、同心円状である。
回折光学素子を用いて複数の光学的機能を同時に実現するためには、通常、互いに異なる単一の機能の回折光学素子を複数用意し、これら複数の回折光学素子を直列に配置する方法が採用される。この方法によれば、比較的容易に、回折光学素子による複数の光学的機能を同時に実現させることができる。
しかしながら、単一の機能を持つ回折光学素子を直列に複数配置する方法では、これら複数の回折光学素子からなる光学系の組み立て時に、各々の回折光学素子の位置合わせを正確に行わなければならず、生産性が高いとは言えない。さらに、実現したい機能の数が増加すると、必要な回折光学素子の数も増加するため、その分だけ高精度に製造することが困難になり、光学系を小さくすることも難しくなる。
そこで、同時に実現したい複数の光学的機能の各々に対応する凹凸パターンを合成し、光学材料の１つの表面に形成する方法が提案された。この方法は、小型で多機能な回折光学素子を実現しようとするものであるが、合成した後の凹凸パターンは非常に複雑な形状となるため、１つの表面に精度よく加工することは難しい。
例えば、レンズ機能と分光機能を同時に実現しようとした場合、１つの表面に形成しなければならない凹凸パターンは、図９に示す等間隔の線状パターンと図１０に示す同心円状パターンとを合成した形状となる。合成は各々のパターンによる位相変調の和をとることにより行われ、合成した後の凹凸パターンの形状は、図１１に示すように、非常に複雑で対称性も低い。
発明の開示
本発明の目的は、複数の光学的機能を同時に実現できると共に、小型で生産性にも優れた回折光学素子およびその製造方法、並びに光学装置を提供することにある。
本発明の回折光学素子は、複数の層からなり、各々の層が光学材料にて構成された複層部材を備え、前記複層部材の隣り合う層同士は、互いに密着され、かつ、光学材料の屈折率が互いに異なり、前記複層部材の内部には、前記隣り合う層同士の密着した境界面が１つ以上含まれ、前記１つ以上の境界面と前記複層部材の表面とを含めた３つ以上の面のうち、少なくとも２つの面には、各々、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、前記複層部材の層方向に関する形状または寸法が互いに異なるものである。
この回折光学素子では、入射した光が凹凸パターンの形成面（少なくとも２つ）を順に透過しながら複数回の回折作用を受けるため、１つの素子で複数の光学的機能を同時に実現することができる。また、この回折光学素子は、小型で生産性にも優れている。
本発明の他の回折光学素子は、３つ以上の層からなり、各々の層が光学材料にて構成された複層部材を備え、前記複層部材の隣り合う層同士は、互いに密着され、かつ、光学材料の屈折率が互いに異なり、前記複層部材の内部には、前記隣り合う層同士の密着した境界面が２つ以上含まれ、前記２つ以上の境界面のうち少なくとも２つには、各々、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、前記複層部材の層方向に関する形状または寸法が互いに異なるものである。
この回折光学素子では、入射した光が凹凸パターンの形成面（少なくとも２つ）を順に透過しながら複数回の回折作用を受けるため、１つの素子で複数の光学的機能を同時に実現することができる。また、凹凸パターンが複層部材の内部に形成されるため、確実に凹凸パターンを保護することができる。さらに、この回折光学素子は、小型で生産性にも優れている。
好ましくは、本発明の回折光学素子は、前記複層部材が、樹脂製の光学材料にて構成された樹脂層を２つ以上を含み、前記２つ以上の樹脂層のうち少なくとも２つが、隣り合う位置で互いに密着され、前記凹凸パターンのうち少なくとも１つが、前記隣り合う位置で密着された樹脂層同士の境界面に形成されたものである。
本発明の回折光学素子の製造方法は、隣り合う２つの層の各々に、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、前記凹凸パターン同士の形状または寸法が層方向に関して互いに異なる回折光学素子の製造方法であって、所定の光学材料にて構成された層の表面に、第１の凹凸パターンを形成する第１工程と、前記第１の凹凸パターンの上に、前記光学材料とは屈折率の異なる樹脂製の光学材料にて構成された樹脂層を形成し、該樹脂層の表面に、第２の凹凸パターンを形成する第２工程とを備え、前記第２工程は、前記第１の凹凸パターンの上に前記樹脂製の光学材料の未硬化物を塗布する第１補助工程と、前記未硬化物に対して前記第２の凹凸パターンの反転形状の型を密着させる第２補助工程と、前記型を密着させた状態で前記未硬化物を硬化させる第３補助工程とを含むものである。
好ましくは、本発明の回折光学素子の製造方法は、前記第３補助工程で、光照射によって前記未硬化物を硬化させるものである。
本発明の光学装置は、上記の回折光学素子を備え、前記回折光学素子が、当該光学装置の予め定めた光路中に設置され、かつ、該光路に対して前記凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置されるものである。
好ましくは、本発明の光学装置は、レーザ光を使用する装置であり、前記回折光学素子が、各々の層が前記レーザ光の波長域で透明な光学材料にて構成され、かつ、前記レーザ光の光路に対して前記形成面が交差する向きで設置されるものである。
また好ましくは、本発明の光学装置は、当該光学装置で使用される前記レーザ光の波長域を、１．４μｍ〜１．７μｍの赤外波長域としたものである。
発明を実施するための最良の形態
以下、図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
（第１実施形態）
第１実施形態の回折光学素子１０は、図１に示すように、１つの複層部材１０ａによって構成されている。また、この複層部材１０ａは、３つの層１１，１２，１３からなり、層１１は低屈折率の光学材料、層１２は高屈折率の光学材料、層１３は低屈折率の光学材料にて構成されている。つまり、複層部材１０ａの隣り合う層１１，１２同士は互いに屈折率が異なり、隣り合う層１２，１３同士も互いに屈折率が異なっている。
さらに、３つの層１１〜１３を構成する光学材料は、何れも、回折光学素子１０の使用波長域（例えば１．４μｍ〜１，７μｍの赤外波長域）で透明な光学材料である。具体的には、３つの層１１〜１３のうち、層１１の材料は光学硝子、層１２，１３の材料は光学樹脂である。つまり、層１１は硝子層であり、層１２，１３は樹脂層である。
ここで、層１１の材料である光学硝子としては、主成分がＳｉＯ２−ＰｂＯ−Ｒ２Ｏ、ＳｉＯ２−ＰｂＯ−ＢａＯ−Ｒ２Ｏ、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＰｂＯ−ＢａＯ、（ＳｉＯ２）−Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−ＰｂＯ−Ａｌ２Ｏ３、（ＳｉＯ２）−Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−ＰｂＯ−ＲＯ、（ＳｉＯ２）−Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−ＺｎＯ−ＴｉＯ２−ＺｒＯ２、Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−Ｇｄ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３−Ｔａ２Ｏ５、ＳｉＯ２−ＴｉＯ２−ＫＦ、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ２Ｏ−Ｓｂ２Ｏ３、Ｂ２Ｏ３−（Ａｌ２Ｏ３）−ＰｂＯ−ＲＯなどである所謂フリント硝子や、主成分がＳｉＯ２−ＲＯ−Ｒ２Ｏ、ＳｉＯ２−ＢａＯ−Ｒ２Ｏ、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−ＢａＯ、（ＳｉＯ２）−Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−ＲＯ−ＺｒＯ２、（ＳｉＯ２）−Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−ＺｎＯ−Ｎｂ２Ｏ５、Ｂ２Ｏ３−Ｌａ２Ｏ３−Ｇｄ２Ｏ３−Ｙ２Ｏ３、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｒ２Ｏ−ＢａＯ、Ｐ２Ｏ５−（Ａｌ２Ｏ３−Ｂ２Ｏ３）−Ｒ２Ｏ−ＢａＯ、ＳｉＯ２−Ｂ２Ｏ３−Ｋ２Ｏ−ＫＦ、ＳｉＯ２−Ｒ２Ｏ−ＺｎＯなどであるクラウン硝子、石英硝子、蛍石など、様々な硝子材料を用いることができる。
層１２，１３の材料である光学樹脂としては、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル、ポリメタクリル酸トリフルオロエチル、ポリメタクリル酸イソブチル、ポリアクリル酸メチル、ジエチレングリコールビスアリルカーボネート、ポリメタクリル酸メチル、ポリα−ブロムアクリル酸メチル、ポリメタクリル酸−２，３−ジブロムプロピル、フタル酸ジアリル、ポリメタクリル酸フェニル、ポリ安息香酸ビニル、ポリメタクリル酸ペンタクロルフェニル、ポリクロルスチレン、ポリビニルナフタレン、ポリビニルカルバゾール、シリコーンポリマーの他に、アクリル系樹脂、ウレタン系樹脂、エポキシ系樹脂、エン−チオール系樹脂、チオウレタン系樹脂などに分類される様々な樹脂材料や、フォトポリマーを用いることができる。
また、回折光学素子１０において、複層部材１０ａの隣り合う層１１，１２同士は互いに密着され、隣り合う層１２，１３同士も互いに密着されている。このため、複層部材１０ａの内部には、２つの境界面である境界面１０ｂと境界面１０ｃとが含まれることになる。
そして、複層部材１０ａ内の２つの境界面１０ｂ，１０ｃには、各々、回折格子状の凹凸パターン１４，１５が形成されている。これらの凹凸パターン１４，１５同士は、複層部材１０ａの層方向に関する形状および寸法が互いに異なる。なお、層方向とは、積層方向に垂直な２方向である。回折格子状の凹凸パターンとは、透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンのことである。
凹凸パターン１４，１５について具体的に説明すると、境界面１０ｂの凹凸パターン１４は、図９の等間隔の線状パターンであり、分光機能を実現する。また、境界面１０ｃの凹凸パターン１５は、図１０の同心円状パターンであり、レンズ機能を実現する。
つまり、第１実施形態の回折光学素子１０では、１つの素子で、レンズ機能と分光機能を同時に実現することができる。このため、回折光学素子１０を透過する光は、図２に示すように、凹凸パターン１５のレンズ機能によって集光され、凹凸パターン１４の分光機能によって０次回折光，１次回折光，２次回折光…に分けられる。０次光は光軸に沿って直進する光である。１次光，２次光…は光軸に対してθ１，θ２…の方向に進む光である。なお、図２では、０次回折光，１次回折光，２次回折光のみを示している。
良好な光学性能を実現するために、各々の格子面間隔Ｄ１は、短いほど良く、１ｍｍ以下、さらには５００μｍ以下であることが望ましい。格子面間隔Ｄ１がこれより大きいと、意図しない方向に光が曲げられるため、フレアが増大する。光学性能上、格子面間隔Ｄ１は、短いほど良いが、製造の容易さを考慮すると、５μｍ以上、さらには１０μｍ程度離れている方が望ましい。なお、格子面間隔Ｄ１は、ある格子（凹凸パターン１４）の頂上とその上に積層した格子（凹凸パターン１５）の谷部との間隔に相当する。
また、凹凸パターン１４の格子高Ｈ１は、隣り合う層１１，１２同士の屈折率差に応じて決定され、凹凸パターン１５の格子高Ｈ２は、隣り合う層１２，１３同士の屈折率差に応じて決定される。格子高Ｈ１，Ｈ２とは、凹凸パターン１４，１５の凹部と凸部との高低差に相当する。
一般的に、同じ光学的機能を持つ回折格子状の凹凸パターンを考える場合、隣り合う層同士の屈折率差と凹凸パターンの格子高とは反比例の関係にある。つまり、屈折率差を大きくすると格子高を低くすることができ、屈折率差が小さくなると格子高を高くする必要がある。
そして、凹凸パターン１４，１５の加工精度を考慮すると、凹凸パターン１４，１５の格子高Ｈ１，Ｈ２は、低い方が好ましい。また、光軸に対して傾いて入射する光線による像への悪影響を低減する点でも、低くすることが好ましい。格子高Ｈ１，Ｈ２を実用的な範囲とする（凹凸パターン１４，１５を精度良く加工する）ためには、隣り合う層（１１，１２）（１２，１３）同士の屈折率差が、０．０１以上あることが望ましい。
また、第１実施形態の回折光学素子１０を製造する手順は、概略、次のようになっている。《１１》層１１の表面に凹凸パターン１４を形成する。《１２》凹凸パターン１４上に層１２を形成し、層１２の表面に凹凸パターン１５を形成する。《１３》凹凸パターン１５上に層１３を形成する。
上記の手順《１１》における凹凸パターン１４の形成は、硝子層（層１１）に対する加工である。その加工方法としては、例えば、次の３つの方法（Ａ）〜（Ｃ）の何れかを使用することができる。
（Ａ）切削加工や研削加工などの機械加工、あるいはプラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ）により硝子層を直接加工し、表面に凹凸パターン１４を形成する。（Ｂ）フォトリソグラフィーにより微細加工したレジスト層を硝子層の上に形成し、その後、イオンエッチングすることによりレジスト層のパターン形状を硝子層に転写して、表面に凹凸パターン１４を形成する。
（Ｃ）金型などのモールドを用いて硝子層にパターン形状を転写し、表面に凹凸パターン１４を形成する（ガラスモールド法）。この方法では、硝子層の光学材料として、屈伏点が５００℃以下の低融点硝子を用いると、成形時の温度を下げることができ、金型の耐熱性に関する制限を緩和できる。このため、金型の材料として、切削や研削で容易に加工できる金属材料を用いることができる。
これら３つの方法（Ａ）〜（Ｃ）の何れを用いるにしても、凹凸パターン１４は、図９に示すように、単純な等間隔の線状パターンであるため、硝子層（層１１）の表面に対し、容易かつ高精度に加工することができる。
上記の手順《１２》における凹凸パターン１５の形成は、樹脂層（層１２）に対する加工である。その加工方法としては、例えば、次の３つの方法（Ｄ）〜（Ｆ）の何れかを使用することができる。
（Ｄ）射出成形法により、表面に凹凸パターン１５を転写する。（Ｅ）熱硬化性あるいは光硬化性樹脂と金型などのモールドを用いて樹脂層にパターン形状を転写し、表面に凹凸パターン１５を形成する。（Ｆ）樹脂層がフォトポリマーである場合には、干渉光を照射してホログラムを作製することにより、表面に凹凸パターン１５を形成する。
ここで、方法（Ｅ）について、図３（ａ）〜（ｃ）を用いて詳しく説明する。まず、硝子層（層１１）の凹凸パターン１４の上に樹脂材料の未硬化物１２ａを塗布する（ａ）。次に、これから形成する凹凸パターン１５の反転形状（以下「反転パターン１５ａ」という）の型１６を未硬化物１２ａに対して密着させ（ｂ）、型１６と層１１の間に未硬化物１２ａを充填させる。
このとき、層１１の凹凸パターン１４と型１６の反転パターン１５ａの微細な凹部に沿って未硬化物１２ａが入り込むように、押し広げることが好ましい。そして、押し広げた後の状態で、層１１の側から光（例えば紫外線）を照射するか、あるいは加熱することにより、未硬化物１２ａを硬化させる。最後に、離型する（ｃ）。その結果、凹凸パターン１４上に樹脂層（層１２）が形成され、この層１２の表面に凹凸パターン１５が形成される。
これら３つの方法（Ｄ）〜（Ｆ）の何れを用いるにしても、凹凸パターン１５は、図１０に示すように単純な同心円状パターンであるため、樹脂層（層１２）の表面に対して、容易かつ高精度に加工することができる。
なお、上記の手順《１３》における層１３の形成は、図３に示す方法（Ｅ）において、反転パターン１５ａを持つ型１６の代わりに、凹凸パターンを持たない平板状の型を用いることで、同様に行うことができる。
その結果、複層部材１０ａの内部に２つの単純な凹凸パターン１４，１５が順に形成された回折光学素子１０を容易に得ることができる。この回折光学素子１０は、上述したように、１つの素子でレンズ機能と分光機能を同時に実現できるものであり、かつ、非常に小型である。すなわち、第１実施形態によれば、レンズ機能と分光機能を同時に実現できると共に、小型で生産性にも優れた回折光学素子１０を容易に得ることができる。
（第２実施形態）
第２実施形態の回折光学素子２０は、図４（ａ），（ｂ）に示すように、１つの複層部材２０ａによって構成されている。また、この複層部材２０ａは、４つの層２１，２２，２３，２４からなり、隣り合う層（２１，２２）（２２，２３）（２３，２４）同士の屈折率が互いに異なるように、層２１〜２４の光学材料が決定されている。層２１〜２４の光学材料は、何れも、回折光学素子２０の使用波長域で透明な光学樹脂である。なお、光学樹脂の具体例は、前述した層１２，１３と同様である。
また、回折光学素子２０において、複層部材２０ａの隣り合う層（２１，２２）（２２，２３）（２３，２４）同士は、互いに密着されている。このため、複層部材２０ａの内部には、境界面２０ｂ，２０ｃ，２０ｄが含まれることになる。
そして、複層部材２０ａ内の３つの境界面２０ｂ，２０ｃ，２０ｄには、各々、回折格子状の凹凸パターン２５，２６，２７が形成されている。これらの凹凸パターン２５，２６，２７同士は、複層部材２０ａの層方向に関する形状および寸法が互いに異なる。
凹凸パターン２５，２６，２７について具体的に説明すると、境界面２０ｂ，２０ｄの凹凸パターン２５，２７は、共に、図９の等間隔の線状パターンであり、分光機能を実現する。ただし、凹凸パターン２５，２７の方位は、積層方向を中心として９０°回転している。また、境界面２０ｃの凹凸パターン２６は、図１０の同心円状パターンであり、レンズ機能を実現する。
つまり、第２実施形態の回折光学素子２０では、１つの素子で、レンズ機能と２種類の分光機能を同時に実現可能である。このため、回折光学素子２０を透過する光は、凹凸パターン２６のレンズ機能によって集光され、凹凸パターン２５，２７の分光機能によって２種類の０次回折光，１次回折光，２次回折光…に分けられる。
また、この回折光学素子２０を製造する手順は、概略、次のようになっている。《２１》層２１の表面に凹凸パターン２５を形成する。《２２》凹凸パターン２５上に層２２を形成し、層２２の表面に凹凸パターン２６を形成する。《２３》凹凸パターン２６上に層２３を形成し、層２３の表面に凹凸パターン２７を形成する。《２４》凹凸パターン２７上に層２４を形成する。
上記したように、回折光学素子２０の層２１〜２４は何れも光学樹脂にて構成されるため、手順《２１》〜《２３》の各々は、前述した回折光学素子１０を製造する手順《１２》の繰り返しであり、手順《２４》は前述の手順《１３》と同じである。
その結果、複層部材２０ａの内部に３つの単純な凹凸パターン２５〜２７が順に形成された回折光学素子２０を容易に得ることができる。この回折光学素子２０は、上述したように、１つの素子でレンズ機能と２種類の分光機能を同時に実現できるものであり、かつ、非常に小型である。すなわち、第２実施形態によれば、レンズ機能と２種類の分光機能を同時に実現できると共に、小型で生産性にも優れた回折光学素子２０を容易に得ることができる。
なお、上記した第１実施形態と第２実施形態では、３層構造と４層構造の回折光学素子１０，２０を例に説明したが、５層以上の複層構造を持つ回折光学素子にも本発明を適用できる。ただし、複層構造の層数に関わらず、各層の光学材料は、隣り合う層同士の屈折率が互いに異なるように決定しなければならない。隣り合う層同士を互いに密着させることも必要である。
図５に示すように、回折光学素子が（ｎ＋１）層構造の場合、複層部材の内部には、隣り合う層同士の密着した境界面がｎ個含まれるため、ｎ種類の異なる凹凸パターンを形成することができる。すなわち、１つの回折光学素子で、ｎ種類の光学的機能を同時に実現可能である。
また、回折光学素子によって実現可能な光学的機能は、レンズ機能と分光機能との組み合わせに限らない。隣り合う層同士の境界面に形成される凹凸パターンの層方向の形状または寸法を変えることにより、分岐／合波機能、光強度分布変換機能、波長フィルタ機能、分光機能など、様々な光学的機能を実現させることが可能である。ちなみに、目的の機能を実現するために複雑な形状の凹凸パターンを形状せずに、何れの面でも単純で製造時に形成しやすい凹凸パターンを形成することで、目的の機能を得ることができる。
さらに、回折光学素子の複層構造の層数（つまり凹凸パターンの数）に拘わらず、複層部材の内部に形成すべきｎ個の凹凸パターンの形状は何れも単純で対称なため、これらの凹凸パターンを前述した方法（Ａ）〜（Ｆ）の何れかによって順に形成することにより、多機能で小型な回折光学素子を容易に得ることができる。
また、上記のような回折光学素子を構成するためには、回折光学素子の複層構造の層数（つまり凹凸パターンの数）に拘わらず、屈折率の異なる少なくとも２種類の光学材料が必要となる。２種類の光学材料を用いる場合、一方の光学材料と他方の光学材料を交互に密着積層させることで、隣り合う層同士の屈折率を互いに異ならせることができる。
さらに、上記した実施形態では、回折光学素子の内部の隣り合う層同士の境界面に回折格子状の凹凸パターンを形成したが、同様の凹凸パターンを回折光学素子の表面に形成することもできる。回折光学素子の表面とは、両端の層と周囲の雰囲気（例えば空気）との境界面であり、通常、屈折率が互いに異なっている。
図６に示すように、回折光学素子が（ｎ−１）層構造の場合、内部の隣り合う層同士の境界面は（ｎ−２）個あり、表面は２つあるため、境界面および表面にｎ種類の異なる凹凸パターンを形成できる。すなわち、１つの回折光学素子で、ｎ種類の光学的機能を同時に実現することができる。ただし、凹凸パターンの保護を考えれば、凹凸パターンは、回折光学素子の内部の境界面に形成することが好ましい。
また、本発明の回折光学素子は、上述したように、各々が多機能で小型なため、様々な光学装置に対して容易に実装することができる。光学装置に実装する際、回折光学素子は、光学装置の予め定めた光路中に設置され、かつ、この光路に対して凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置される。
特にレーザ光を使用する光学装置に組み込む場合、回折光学素子は、レーザ光の光路に対して凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置される。また、回折光学素子の各々の層は、レーザ光の波長域で透明な光学材料にて構成することが好ましい。
さらに、光通信分野の光学装置（中継器や分波器など）では、光学素子の多機能化や小型化や薄型化が強く要求されているため、このような光学装置に対して本発明の回折光学素子を組み込むことは特に有用である。この光通信分野の光学装置では、赤外波長域（１．４μｍ〜１．７μｍ）のレーザ光が使用される。
例えば、図１，図２に示す回折光学素子１０を光通信に用いられる光学装置に組み込んだ場合、回折光学素子１０を透過した光のうち、０次光を後段の光学系にスポットとして入射させることができると同時に、例えば１次光（θ１方向の光）をモニター用の光として取り出すことができる。１次光は、回折光学素子１０の分光機能によって、波長ごとに異なるスポットを形成するからである。
（第３実施形態）
本発明の第３実施形態は、上述した第１実施形態の回折光学素子１０（図１）をより具体的に示すものである。ここでは、回折光学素子１０の複層部材１０ａの具体的な組成を１つ挙げて、その構成および製造手順を説明する。
第３実施形態では、層１１の光学材料として、住田光学ガラス製の低融点硝子Ｐ−ＳＫ６０（ｎｄ＝１．５９１、Ａｔ（屈伏点）＝４０４℃）を用い、層１２の光学材料として、ウレタンアクリレート系の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５５４）を用い、層１３の光学材料として、フッ素含有メタクリレート系の紫外線硬化樹脂（ｎｄ＝１．５０５）を用い、これらを順に積層する。
また、複層部材１０ａの隣り合う層１１，１２同士の境界面１０ｂに形成された凹凸パターン１４は、格子高Ｈ１が１５．８８μｍ、ピッチが１７μｍ（等間隔）である。隣り合う層１２，１３同士の境界面１０ｃに形成された凹凸パターン１５は、格子高Ｈ２が１１．９９μｍ、ピッチが１８７．８μｍ（中心部）〜５．０μｍ（最外周部）である。凹凸パターン１４，１５の面間隔Ｄ１は３０μｍである。
この第３実施形態の回折光学素子１０を製造する手順は、概略、上述の第１実施形態で説明した手順《１１》〜《１３》と同じである。また、手順《１１》では上記方法（Ｃ）のガラスモールド法を用い（図７（ａ））、手順《１２》では上記方法（Ｅ）を用い（図７（ｂ））、手順《１３》でも方法（Ｅ）を用いる（図７（ｃ））。方法（Ｅ）の詳細は図３（ａ）〜（ｃ）の通りである。
まず、第３実施形態の回折光学素子１０を製造する手順《１１》について説明する。この手順《１１》では、図７（ａ）に示すように、２つの金型３１，３２を使用する。ここで、一方の金型３１には、凹凸パターン１４の反転形状（以下「反転パターン１４ａ」という）が形成され、他方の金型３２は、凹凸パターンを持たない平板状である。
金型３１の製作は、次のように行われる。金型材料としてスタバックス材３１ａを用い、まず、その上に無電解めっき法で約１５０μｍの厚さのＮｉ−Ｐめっき層３１ｂを形成する。次に、このＮｉ−Ｐめっき層３１ｂを切削により加工し、反転パターン１４ａを形成する。
そして、２つの金型３１，３２を用いた手順《１１》では、層１１の光学材料（低融点硝子Ｐ−ＳＫ６０）を、窒素雰囲気中で加熱しながら（最高４２０℃）、２つの金型３１，３２により挟んで加圧する。これにより、金型３１の反転パターン１４ａの凹凸形状が、層１１の光学材料の表面に転写される（ガラスモールド法）。その後、離型することにより、層１１の表面には、凹凸パターン１４が形成される（図７（ａ）の状態）。
次に、第３実施形態の回折光学素子１０を製造する手順《１２》について説明する。この手順《１２》では、図７（ｂ）に示すように、１つの金型３３を使用する。この金型３３には、凹凸パターン１５の反転形状に相当する反転パターン１５ａが形成されている。
金型３３の製作は、上記した金型３１の作製と同様に行われる。まず、金型材料であるスタバックス材３３ａの上にＮｉ−Ｐめっき層３３ｂ（厚さは約１５０μｍ）を形成し、次に、Ｎｉ−Ｐめっき層３３ｂを切削により加工して、反転パターン１５ａを形成する。
そして、金型３３を用いた手順《１２》では、上記の手順《１１》で形成された凹凸パターン１４の上に、層１２の光学材料（ウレタンアクリレート系の紫外線硬化樹脂）の未硬化物を滴下し、これに対して金型３３を近接させ、金型３３と層１１の間に未硬化樹脂を充填させる。次に、層１１の裏面側から紫外線を照射し、層１２の光学材料を硬化させる。これにより、金型３３の反転パターン１５ａの凹凸形状が、層１２の表面に転写される。その後、離型することにより、層１２の表面には、凹凸パターン１５が形成される（図７（ｂ）の状態）。
最後に、第３実施形態の回折光学素子１０を製造する手順《１３》について説明する。この手順《１３》では、図７（ｃ）に示すように、１つの金型３４を使用する。この金型３４は、凹凸パターンを持たない平板状である。
そして、金型３４を用いた手順《１３》では、上記の手順《１２》で形成された凹凸パターン１５の上に、層１３の光学材料（フッ素含有メタクリレート系の紫外線硬化樹脂）の未硬化物を滴下し、これに対して金型３４を近接させ、金型３４と層１２の間に未硬化樹脂を充填させる。次に、層１１の裏面側から紫外線を照射し、層１３の光学材料を硬化させる。これにより、金型３４の平面形状が層１３の表面に転写される。その後、離型することにより、層１３の表面は平面形状となる（図７（ｃ）の状態）。
このようにして、複層部材１０ａの内部に２つの凹凸パターン１４，１５が順に形成された第３実施形態の回折光学素子１０を得ることができる。この回折光学素子１０は、上述したように、１つの素子でレンズ機能と分光機能を同時に実現できるものである。
また、上記した第３実施形態の手順《１１》〜《１３》において、回折光学素子１０の凹凸パターン１４，１５の形成は、各々、予め作製された金型３１，３３を用い、その反転パターン１４ａ，１５ａを転写することにより、容易に行うことができる。
さらに、金型３１，３３の作製も容易である。これは、金型３１の反転パターン１４ａが単純な等間隔の線状パターンであり、金型３３の反転パターン１５ａも単純な同心円状パターンであり、Ｎｉ−Ｐめっき層３１ｂ，３３ｂに対する切削加工を容易かつ高精度に行えるからである。
したがって、第３実施形態によれば、レンズ機能と分光機能を同時に実現できる（多機能）と共に、小型で生産性にも優れた回折光学素子１０を容易に製造することができる。
（第４実施形態）
本発明の第４実施形態は、上述した第２実施形態の回折光学素子２０（図４）をより具体的に示すものである。ここでは、回折光学素子２０の複層部材２０ａの具体的な組成を１つ挙げて、その構成および製造手順を簡単に説明する。
第４実施形態では、層２１，層２３の光学材料として、６官能環状ウレタンアクリレートとイソボルニルメタクリレートの混合物（ｎｄ＝１．４９０）を用い、層２２，層２４の光学材料として、エトキシ化ビスフェノールＡジメタクリレート（ｎｄ＝１．５４１）を用い、これらを交互に４層積層する。
また、複層部材２０ａの隣り合う層２１，２２同士の境界面２０ｂに形成された凹凸パターン２５と、隣り合う層２３，２４同士の境界面２０ｄに形成された凹凸パターン２７は、上記した第３実施形態の凹凸パターン１４と同じ形状であり、その方位は９０°回転している。隣り合う層２２，２３同士の境界面２０ｃに形成された凹凸パターン２６は、上記した第３実施形態の凹凸パターン１５と同じ形状である。
この第４実施形態の回折光学素子２０を製造する手順は、概略、上述の第２実施形態で説明した手順《２１》〜《２４》と同じである。なお、手順《２１》〜《２３》では、上記した第３実施形態の手順《１２》と同様の工程が、形成したい凹凸パターン２５〜２７の反転形状の金型を各々用い、順に変えながら３回繰返される。そして最後の手順《２４》は、上記した第３実施形態の手順《１３》と同様の平板状の金型を用いて行われる。
このようにして、複層部材２０ａの内部に３つの凹凸パターン２５〜２７が順に形成された第４実施形態の回折光学素子２０を得ることができる。この回折光学素子２０は、上述したように、１つの素子でレンズ機能と２種類の分光機能を同時に実現できるものである。
また、上記した第４実施形態の手順《２１》〜《２４》において、回折光学素子２０の凹凸パターン２５〜２７の形成は、各々、予め作製された金型を用いて反転パターンを転写することで、容易に行うことができる。さらに、金型の反転パターンは、単純な等間隔の線状パターンや同心円状パターンであり、金型の作製も容易かつ高精度に行える。
したがって、第４実施形態によれば、レンズ機能と２種類の分光機能を同時に実現できる（多機能）と共に、小型で生産性にも優れた回折光学素子２０を容易に製造することができる。
なお、上記した実施形態や実施例では、１つの複層部材（１０ａまたは２０ａ）によって構成された回折光学素子１０，２０を例に説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、図８に示す回折光学素子４０のように、２つの複層部材４０ａ，４０ｂを設けることもできる。
回折光学素子４０の複層部材４０ａは、２層構造であり、隣り合う層４１，４２同士の境界面と層４２の表面に、各々、回折格子状の凹凸パターン（パターン１，２）が形成されている。また、複層部材４０ｂも、２層構造であり、隣り合う層４３，４４同士の境界面と層４３の表面に、各々、回折格子状の凹凸パターン（パターン３，４）が形成されている。
さらに、この回折光学素子４０では、２つの複層部材４０ａ，４０ｂの間、つまり、層４２の表面（パターン２）と層４３の表面（パターン３）との間に、封止部材４５によって光学材料４６が充填されている。封止部材４５は、接着ゴムなどであり、２つの複層部材４０ａ，４０ｂを一体化する役目も担っている。
光学材料４６は、隣り合う層４２，４３とは屈折率の異なる気体や液体であり、封止部材４５によって封止されるため、内部の屈折率むらがほとんど無いと考えられる。
光学材料４６としての液体には、例えば、純水、アルコール類、エーテル類、エステル類などに分類される一般的な溶剤の他、屈折液（顕微鏡の液浸観察などで用いられる屈折率が既知の液体）を用いることができる。屈折液は、ブロモナフタレンやセバシン酸ジｎブチルなどである。また、光学材料４６としての気体には、空気の他、窒素、アルゴンなどの不活性ガスを用いることができる。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、１つの小型の回折光学素子で複数の光学的機能を同時に実現できると共に、容易に生産することもできる。
【図面の簡単な説明】
図１は、第１実施形態の回折光学素子１０の全体構成を示す概略図である。
図２は、回折光学素子１０の光学的機能を説明する光路図である。
図３は、回折光学素子１０の層１２と凹凸パターン１５の形成を説明する図である。
図４は、第２実施形態の回折光学素子２０の全体構成を示す概略図である。
図５は、（ｎ＋１）層構造の回折光学素子の概略図である。
図６は、（ｎ−１）層構造の回折光学素子の概略図である。
図７は、第３実施形態の回折光学素子１０を製造する手順を説明する図である。
図８は、変形例の回折光学素子４０の概略図である。
図９は、分光機能を発揮するグレーティングの凹凸パターンについて、連続した格子高の変化を階級分けして示した図である。
図１０は、レンズ機能を発揮するゾーンプレートの凹凸パターンについて、連続した格子高の変化を階級分けして示した図である。
図１１は、従来の多機能な回折光学素子における合成後の凹凸パターンについて、連続した格子高の変化を階級分けして示した図である。
【図１】
2003079061.tif 000003
【図２】
2003079061.tif 000004
【図３】
2003079061.tif 000005
【図４】
2003079061.tif 000006
【図５】
2003079061.tif 000007
【図６】
2003079061.tif 000008
【図７】
2003079061.tif 000009
【図８】
2003079061.tif 000010
【図９】
2003079061.tif 000011
【図１０】
2003079061.tif 000012
【図１１】
2003079061.tif 000013
【国際調査報告】
2003079061.tif 000014
2003079061.tif 000015