(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の部材と、該第１の部材よりも低屈折率でかつ高分散の第２の部材と、が密着されて構成された回折光学素子であって、
前記第１の部材は樹脂材料から成り、かつ前記第２の部材は硝子材料から成り、
前記第２の部材は、前記硝子材料を加熱軟化させて熱プレス成形することにより形成された凹格子形状の回折格子部を含むことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記熱プレス成形の際に用いられる型の材料の線膨張係数は、前記硝子材料の線膨張係数よりも小さい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】
正のパワーを有することを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記硝子材料のｄ線波長での屈折率をｎｇｄ、アッベ数をνｇｄ、前記樹脂材料のｄ線波長での屈折率をｎｒｄ、アッベ数をνｒｄとするとき、
ｎｇｄ＜ｎｒｄ
νｇｄ≦１２５−５０ｎｇｄ
ｎｇｄ≦１．８
νｒｄ≧１２５−５０ｎｒｄ
ｎｒｄ≧１．５
なる条件を満足す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】
前記樹脂材料は、樹脂のベース材料に該ベース材料よりも高屈折率の有機又は無機の微粒子材料を分散させた材料であ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】
前記硝子材料は、硝子転移温度が５５０℃以下の低融点硝子であ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】
前記回折格子部の格子高さは３μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子と、
絞りと、
を有することを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数波長において回折効率を高めた回折光学素子及びそれを用いた撮像光学系に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光学系の色収差を減じる方法として、撮像光学系の一部に回折作用を有する回折光学素子を設ける方法が知られている。このような回折光学素子は、コストの観点から、硝子の熱プレス成形を用いた方が望ましいが、回折光学素子の格子成形において格子の先端が欠けるといった問題がある。このため、実用上は格子の低いタイプである単層の回折光学素子に限定されている。
【０００３】
密着タイプの回折光学素子は、広い波長域に渡って高い回折効率が維持できるが、回折格子の格子高さが数μｍから数十μｍの高さとなる。このため、硝子の格子成形のためには、離型を容易にする方法や格子欠けに対する対応が必要となる。特許文献１では、硝子の熱プレス成形を用いた回折光学素子の作成において、格子の無い外周部に段差を設け、段差部にテーパをつけることで硝子と型の離型を誘発させている。特許文献２では、型の格子部の最深部に硝子が入らないようにして離型性を確保している。また特許文献３では、回折光学素子の格子先端を丸め、格子欠けを防止している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３０２４６３号公報
【特許文献２】特開２００２−６２４１６号公報
【特許文献３】特開２００４−１５７４０４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１の方法では、外周部においては離型を誘発するが、格子の先端が型に引っ掛かって欠けることを抑制できない。また、特許文献２及び３の構成では、回折格子の格子先端が欠けた形状となっており、広い波長範囲で高い回折効率を維持することは困難である。このように、従来のような回折光学素子では、不要光の発生を抑制することができない。
【０００６】
そこで本発明は、低コストで高性能な回折光学素子を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての回折光学素子は、第１の部材と、該第１の部材よりも低屈折率でかつ高分散の第２の部材と、が密着されて構成された回折光学素子であって、前記第１の部材は樹脂材料から成り、かつ前記第２の部材は硝子材料から成り、前記第２の部材は、前記硝子材料を加熱軟化させて熱プレス成形することにより形成された凹格子形状の回折格子部を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の側面としての光学系は、前記回折光学素子と、絞りと、を有することを特徴とする。
【０００９】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、低コストで高性能な回折光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施例１における撮像光学系の概略構成図である。
【図２】実施例１における回折光学素子の断面図である。
【図３】実施例１における回折光学素子の回折効率（（ａ）１次光、（ｂ）０次光と２次光）を示すグラフである。
【図４】実施例１における回折光学素子の屈折率の波長特性である。
【図５】本実施例において用いられる各材料の屈折率とアッベ数の関係図である。
【図６】（ａ）実施例１を適用しない場合、及び、（ｂ）実施例１と適用した場合における硝子材料の熱プレス成形時の硝子材料と型の状態を示す図である。
【図７】実施例２における回折光学素子の断面図である。
【図８】実施例２における回折光学素子の回折効率（（ａ）１次光、（ｂ）０次光と２次光）を示すグラフである。
【図９】本発明の第２の実施例の光学系の説明図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１３】
まず本発明の実施例１について説明する。図１は、本実施例における撮像光学系の概略構成図であり、具体的には４００ｍｍの望遠レンズを示す。図１において、１は回折光学素子、２は絞り、３はＣＣＤ等の撮像素子の像面、４は最大画角の光束、５は撮像光学系の光軸、６は回折光学素子（第２の回折光学素子）である。
【００１４】
４００ｍｍの望遠レンズのように第１群レンズが正のパワーを有する場合、回折光学素子を物点側に配置することが、倍率色収差の補正に効果的である。このため回折光学素子は、できるだけ物点側に素子を配置することが望ましい。本実施例の撮像光学系は、正の屈折力の第１群レンズＢ１、負の屈折率の第２群レンズＢ２、及び、正の屈折率の第３群レンズＢ３により構成される。このとき、回折光学素子を第１群レンズＢ１に用いると、倍率色収差の補正に最も効果的である。本実施例の回折光学素子において、回折格子は、正のパワーを有する位相を付加するため、その中心部から周辺部に向かって格子ピッチが狭くなるように構成されている。このような回折格子を用いることで、撮像光学系としての色収差を改善することができる。
【００１５】
なお、軸上色収差を補正するには、図１に示される撮像光学系に更に１枚の回折光学素子を追加することがより望ましい。この場合、追加される回折光学素子は、絞り２の近傍に配置することが望ましい。一般に、複数の回折光学素子を用いると、設計の自由度を上げて光学性能を改善する効果も期待できる。
【００１６】
図２は、本実施例における回折光学素子２６の断面図である。図２において、２１は光軸である。２２は第１レンズ（第２の部材）であり、第１レンズ２２は回折格子部２４を備える。第１レンズ２２は低融点の硝子材料からなり、この硝子材料として、本実施例では株式会社スミタのＫ−ＰＧ３９５が使用される。２３は第２レンズ、２５は、高屈折率で低分散の樹脂材料（第１の部材）である。本実施例において、樹脂材料２５は、樹脂のベース材料に樹脂材料２５より高屈折率の有機又は無機の微粒子材料を分散させた材料であることが望ましい。具体的には、例えば、大日本インキ化学（株）の紫外線硬化樹脂Ｃ００１をベース材料として用い、このベース材料に酸化ジルコニア（ＺｒＯ２）を３６ｖｏｌ％微粒子分散させる。このように、回折光学素子２６における回折格子は、樹脂材料２５と、樹脂材料２５よりも低屈折率で高分散の第１レンズ２２とを組み合わせて構成される。なお、回折光学素子２６は、複数の波長において光の最大光路長差が波長の整数倍となるように構成されている。
【００１７】
図５は、第１レンズ２２及び樹脂材料２５の屈折率ｎｄと分散（アッベ数νｄ）の関係図である。図５において、第１レンズ２２に関してポイント６１に示し、高屈折率で低分散材料である樹脂材料２５に関してポイント６２に示す。このように、低屈折率で高分散材料と高屈折率で低分散材料とを組み合わせると、広波長域で高い回折効率を得ることができる。
【００１８】
続いて、回折光学素子２６の製造方法について説明する。まず、低融点の硝子材料を加熱軟化させ、この硝子材料を上型及び下型を備えた成形用の型に供給する。上型及び下型の一方は、その片側が非球面等の曲面形状であり、他方の型の表面に回折格子が形成されている。次に、上型及び下型により、軟化した硝子材料に所定の圧力を加え、この硝子材料が型の形状に対応した形状になるように成形する。そして、硝子材料の温度を点移点以下になるまで硝子材料を冷却することにより硝子材料を硬化させ、硝子材料を型から離型して取り出す。次に、成形された硝子材料における回折格子部２４の表面に、樹脂材料２５（紫外線硬化樹脂材料）を塗布して、樹脂材料２５を第２レンズ２３と密着させて紫外線照射を行う。以上のプロセスにより、硝子材料（第１レンズ２２）と樹脂材料２５との界面に回折格子が形成された密着タイプの回折光学素子２６を製造することができる。
【００１９】
以上は、第１レンズ２２と第２レンズ２３との間に回折格子（回折光学素子）を形成する方法について説明したが、本実施例はこれに限定されるものではない。レンズの表面に回折光学素子を形成する場合には、硝子材料の熱プレス成形の後に回折格子に樹脂材料を塗布し、樹脂材料を成形する際に用いられる型を樹脂材料に密着させて樹脂材料を紫外線硬化させる。そして、この型を樹脂材料から離型させることで、硝子材料の表面に硝子材料と樹脂材料との界面に回折格子が形成された密着タイプの回折光学素子が作製可能である。
【００２０】
図３（ａ）は、本実施例における回折光学素子の回折効率（１次光）を示すグラフである。第１レンズ２２（硝子材料）と樹脂材料２５とを組み合わせて構成された回折格子（回折光学素子２６）において、格子高さを３９μｍとすると、図３（ａ）に示されるように可視の広い波長域に渡って高い回折効率を実現することができる。図３（ｂ）は、本実施例の回折光学素子において、不要回折光である０次光及び２次光についての回折効率を示すグラフである。図３（ｂ）に示されるように可視の波長域において、０次光及び２次光の両方について回折効率はいずれも低い値となっており、不要光による画像の劣化を抑制することができる。
【００２１】
図４は、第１レンズ２２（硝子材料）と樹脂材料２５の屈折率の波長特性である。５１は上述のＫ−ＰＧ３９５（硝子材料）の屈折率を示し、５２は樹脂材料の屈折率を示している。図４に示されるように、長波長になるに従って、２つの材料の屈折率５１、５２（２つのライン）の間隔が広がっていく。このような関係により、広い波長に渡って高い回折効率を維持することが可能となる。
【００２２】
図６（ａ）は、比較例として、本実施例を適用しない場合における硝子材料と型の離型状態を説明する図である。図６（ａ）において、７１は低融点の硝子材料、７２は耐熱性のある成形用の型、７３は硝子材料７１の回折格子部である。硝子材料７１の熱プレス成形においては、まず、硝子材料の融点以上の温度で硝子材料を溶解させる。このときの融点の温度（硝子転移温度）は、低融点の硝子材料（低融点硝子）では例えば３００℃以上かつ５５０℃以下である。このため、型７２としては、耐熱性のある型を用いる必要がある。具体的には、超硬合金や炭化ケイ素を基盤とし、成形面に白金等の貴金属合金や窒化チタンなどの薄膜が形成された型やダイヤモンドライクカーボンの膜が形成された型であることが望ましい。また、高温に耐えるため、硬くて５×１０−６程度の線膨張係数を有する型及び薄膜が用いられる。
【００２３】
一方、このような耐熱性を有した型７２を用いて成形される低融点の硝子材料７１は、１０×１０−６程度の線膨張係数を有する。このように、型７２の線膨張係数は、硝子材料７１の線膨張係数より小さい。このため、回折光学素子を熱プレス成形により形成する場合、これらの線膨張係数の差により、回折光学素子における回折格子部の先端が、型と噛で離型が困難となる。図６（ａ）はこの状態を説明した図である。高温で溶解した硝子材料７１を型７２に流し込んでから型７２の温度を下げると、硝子材料７１の温度が下がる。硝子材料７１の温度が下がるに従って、硝子材料７１は収縮しながら固まる。このとき、型７２の温度も下がるため、型７２も同様に収縮する。しかし、上述ように、型７２の線膨張係数と硝子材料７１の線膨張係数とを比較すると、硝子材料７１の線膨張係数のほうがが大きい。このため、相対的には硝子材料７１の収縮量のほうが大きい。この相対的な収縮方向（硬化収縮方向）を示したのが図６（ａ）中の矢印であり、硝子材料７１の収縮とともに回折格子部７３の壁面を噛む方向に収縮する。このように硝子材料７１が型７２を噛んだ状態から離型を行うと、格子が欠けるおそれがある。
【００２４】
これに対して、図６（ｂ）は、本実施例を適用した場合における硝子材料と型の離型状態を説明する図である。図６（ｂ）において、８１は低融点の硝子材料、８２は硝子材料８１を成形する際に用いられる型、８３は硝子材料８１における回折格子部である。本実施例において、成形される硝子材料８１は、位相を付加するための回折格子部８３が中心部から周辺部に向かって格子高さが高くなる凹格子形状を有する。このとき、上述と同様に、型８２は耐熱性を有し、その線膨張係数は成形される硝子材料８１の線膨張係数よりも小さい。このため、冷却過程において硝子材料８１のほうが型８２よりも収縮量が大きく、硝子材料８１は、相対的に図６（ｂ）中に示される矢印の方向（硬化収縮方向）へ収縮する。このように、本実施例では、回折格子部８３においては型８２の格子壁面と硝子材料８１（回折格子部８３）の格子壁面とが離れる方向に動くことになる。その結果、本実施例の回折光学素子によれば、離型が容易となり、回折格子の先端欠けを抑制することができる。
【００２５】
図５は本実施例における硝子材料と樹脂材料の組み合わせを示した図であるが、市販されている硝子材料の物性値も一緒に示している。図５において、６１、６２はそれぞれ、第１レンズ２２の硝子材料のポイント（物性値）、及び、樹脂材料２５のポイント（物性値）を示す。低屈折率かつ高分散で熱プレスに対応した硝子材料（低融点硝子）を選択すると、通常の樹脂材料よりも硝子材料の方が屈折率が高い。そこで実施例では、できるだけ低屈折率で高分散の硝子材料を選択する。また、回折効率を広い波長範囲で高めるため、アッベ数と分散の組み合わせは理論的に特定のラインに乗る組み合わせとなる。樹脂材料として用いられる材料は、硝子材料に比べて限定的である。そこで本実施例では、この材料選択の困難をクリアするため、有機又は無機の微粒子材料をベース材料（樹脂）に分散させることが望ましい。通常、有機材料は成形性が困難な場合があるが、微粒子分散により、成形を確保しながら物性値の調整が可能である。
【００２６】
本実施例の回折光学素子では、硝子材料のｄ線波長での屈折率をｎｇｄ、アッベ数をνｇｄ、樹脂材料のｄ線波長での屈折率をｎｒｄ、アッベ数をνｒｄとしたとき、以下の式が成立するように各材料を選択することが望ましい。
【００２７】
【数１】
0005683172.tif 000002
【００２８】
上記の式（２）及び（３）は、硝子材料の屈折率とアッベ数の範囲を定義しており、式（４）及び（５）は、樹脂材料の屈折率とアッベ数の範囲を定義している。上記の式（１）〜（５）の範囲を満たせば、広い波長範囲に渡って高い回折効率を示す材料を容易に選択することができる。図５にも示されるように、市販されている硝子材料の存在範囲は限られている。特に低アッベ数側においては、境界がはっきりと曲線上に載っている。このため、広い波長範囲に渡って高い回折効率を得るには、できるだけアッベ数の小さい材料を選択することが望ましい。特に硝子材料の熱プレスに対応した材料は、数が少ない。一方、樹脂材料については、高い屈折率の材料を選択することが困難であり、大きいアッベ数及び高い屈折率を有する材料を選択することは樹脂単独では難しい。
【００２９】
しかしながら、本実施例における材料の組み合わせを採用することで、硝子材料の熱プレス成形で回折光学素子の回折格子を成形し、高い回折効率を維持することができる。また、本実施例における回折格子は、光軸から離れるに従って（中心部から周辺部に向かって）格子のピッチが狭くなるように構成されている。このため、本実施例における材料の組み合わせで硝子材料を凹格子形状とすることで、回折光学素子として正のパワーを得ることができる。
【００３０】
本実施例は、１μｍ以上の格子高さを有する回折格子（回折光学素子）に適用されることが望ましい。格子高さが１μｍ未満の回折格子は、エアーとの界面に設けた単層の回折光学素子が考えられる。この場合、回折格子が型に引っかかるという現象は軽微であり、硝子材料の回折格子の先端部が大きく鈍角方向に開いていれば、硝子材料の欠けは深刻なものとはならない。逆に、３μｍ以上の格子高さを有する回折格子の場合、格子欠けが深刻になるため、本実施例の構成が特に効果的である。
【実施例２】
【００３１】
次に、本発明の実施例２について説明する。図７は、本実施例における回折光学素子の断面図である。図において、９１は第１レンズ、９２は第２レンズ（第１の部材）、９３は樹脂材料（第２の部材）、９４は第２レンズ９２の回折格子部、９５は光軸である。第２レンズ９２は低融点の硝子材料からなり、硝子材料の熱プレス成形により形成される。本実施例では、硝子材料として株式会社スミタのＫ−ＬａＦＫ６０を使用する。また樹脂材料９３として、大日本インキ化学（株）の紫外線硬化樹脂Ｃ００１をベース材料として用い、このベース材料にＩＴＯ微粒子を１４ｖｏｌ％微粒子分散させることで生成する。図５に、本実施例の硝子材料及び樹脂材料のアッベ数と屈折率（物性値）を示す。図５において、６３は樹脂材料９３のポイント（物性値）であり、６４はＫ−ＬａＦＫ６０のポイント（物性値）である。
【００３２】
図７に示されるように、本実施例の回折格子は硝子材料からなる第２レンズ９２（回折格子部９４）と樹脂材料９３の界面に形成されており、その格子高さｈは９．６μｍである。図８（ａ）は、本実施例の回折光学素子における１次光の回折効率を示すグラフである。図８（ａ）に示されるように、本実施例の回折光学素子によれば、広い波長範囲に渡って高い回折効率が維持される。また、図８（ｂ）は、本実施例の回折光学素子における不要回折光（０次光と２次光）の回折効率を示すグラフである。図８（ｂ）に示されるように、不要回折光の回折効率は低い値となるため、フレアの発生が抑制される。
【００３３】
本実施例における回折格子は、高屈折率で低分散の硝子材料からなる第２レンズ９２（回折格子部９４）と低屈折率で高分散の樹脂材料９３の界面に設けられている。すなわち回折格子は、第２レンズ９２と、第２レンズ９２よりも低屈折率で高分散の樹脂材料９３とを組み合わせて構成されている。図７に示されるように、回折格子の形状は、第２レンズ９２の回折格子部９４（硝子材料）においては、光軸９５から離れるに従って（中心部から周辺部に向かって）格子高さｈが高くなるように変化する。このため、硝子材料の熱プレス成形により回折格子の形状を作成する際には、上述のように、型と硝子材料の離型が容易となり、型の回折格子形状が硝子材料に良好に転写される。
【００３４】
本実施例の回折光学素子では、硝子材料のｄ線波長での屈折率をｎｇｄ、アッベ数をνｇｄ、樹脂材料のｄ線波長での屈折率をｎｒｄ、アッベ数をνｒｄとしたとき、以下の式が成立するように各材料を選択することが望ましい。
【００３５】
【数２】
0005683172.tif 000003
【００３６】
図５からも分かるように、この範囲の硝子材料は比較的多く存在する。しかしながら、樹脂材料の屈折率及びアッベ数を満たす材料は単独の樹脂では困難であり、アッベ数の小さい有機又は無機の微粒子材料を分散して生成する。また、回折格子のピッチｐは、光軸から離れるに従って（中心部から周辺部に向かって）狭くなっており、硝子材料の屈折率が樹脂より高いため、本実施例の回折光学素子は負のパワーを有する。本実施例のような負のパワーを有する回折格子を用いると、硝子材料の屈折率のほうが樹脂材料の屈折率よりも高いため、材料の選択肢が増える。
【００３７】
図９は本実施例における回折光学素子を適用した撮像光学系の概略構成図である。図９において、１２２は望遠レンズ、１２４は絞り、１２１はエクステンダーである。１２３は本実施例の回折光学素子であり、回折格子のパワーとしては負のパワーを有する。望遠レンズ１２２の絞り１２４よりも後側（図９中の右側）に回折光学素子１２３を配置する場合には、負のパワーを有する回折光学素子のほうが倍率色収差を補正する際にバランスがよい。
【００３８】
上記各実施例によれば、可視域全域において高い回折効率を有した回折光学素子を低コストで生産することが可能となる。このため、低コストで高性能な回折光学素子を提供することができる。
【００３９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００４０】
２２  第１レンズ（硝子材料）
２５  樹脂材料
２６  回折光学素子
【図１】
0005683172.tif 000004
【図４】
0005683172.tif 000005
【図５】
0005683172.tif 000006
【図９】
0005683172.tif 000007
【図２】
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【図３】
0005683172.tif 000009
【図６】
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【図７】
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【図８】
0005683172.tif 000012