(57)【要約】【課題】位相不整合部の面積が小さく、高い回折効率を有する光学素子の製造方法、この製造方法により製造された光学素子及びこの光学素子を備えた光学系を提供する。【解決手段】表面に所望の凹凸パターンを有する光学素子を製造する方法であって、母材の表面に所望の回折格子パターンの凹部と凸部に対して所定量ずれた位置に凹部１ａと凸部１ｂを有したプリフォームパターン１ｃを形成する第１の段階と、母材におけるプリフォームパターン１ｃが形成された（変形プリフォーム１の）表面に、所望の凹凸パターンの反転形状の型表面２ｃを有する成形型２を、所望の回折格子パターンを形成するように位置決めして押し付けて、母材の表面に所望の回折格子パターン３ｃを形成する第２の段階とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2004271583.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面に所望の凹凸パターンを有する光学素子を製造する方法であって、
母材の表面に前記所望の凹凸パターンの凹部と凸部に対して所定量ずれた位置に凹部と凸部を有したプリフォームパターンを形成する第１の段階と、
前記母材における前記プリフォームパターンが形成された表面に、前記所望の凹凸パターンの反転形状の型表面を有する成形型を、前記所望の凹凸パターンを形成するように位置決めして押し付けて、前記母材の表面に前記所望の凹凸パターンを形成する第２の段階とを備えることを特徴とする光学素子の製造方法。
【請求項２】
前記所定量は、前記プリフォームパターンが形成された母材に前記成形型を押し付け、前記母材に形成された前記プリフォームパターンの凸部の丸み帯びた部分を削り落とし、前記母材における前記プリフォームパターンが形成された表面に、前記所望の凹凸パターンを形成できる量であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子の製造方法。
【請求項３】
前記所望の凹凸パターンはその凹部と凸部が平行な直線形状である一次元タイプの回折格子パターンであり、
前記第１の段階において、母材の表面に、前記所望の凹凸パターンの反転形状を有する前記成形型を前記所定量ずらした位置に押し付けて、前記プリフォームパターンを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項４】
前記所望の凹凸パターンはその凹部と凸部が同心円形状である二次元タイプの回折格子パターンであり、
前記第１の段階において、母材の表面に、前記プリフォームパターンの反転形状を有するプリフォーム用成形型を押し付けて、前記プリフォームパターンを形成することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子の製造方法。
【請求項５】
前記回折格子パターンは、鋸歯状の断面形状であるブレーズ格子パターンであることを特徴とする請求項３又は４に記載の光学素子の製造方法。
【請求項６】
前記第１の段階で前記母材における前記プリフォームパターンが形成された表面の凹部と凸部との段差は、前記型表面の凹部と凸部との段差より、同じもしくは高いことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【請求項７】
前記母材の材料は、ガラスであることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光学素子の製造方法。
【請求項８】
前記第２の段階において、前記プリフォームパターンが形成された母材を所定温度まで加熱し、この加熱により軟化した前記母材に前記成形型を押し付けることを特徴とする請求項７に記載の光学素子の製造方法。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の光学素子の製造方法により製造されることを特徴とする光学素子。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学素子を備えることを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面に所望の凹凸パターン、特に先端が鋭い刃先状の回折格子パターンを有する光学素子の製造方法、この製造方法により製造された光学素子及びこの光学素子を備えた光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子は光の集光、光の合分波、光強度分布変換など様々な機能を有する光学素子であり、光通信用デバイスの光学素子として、通常の屈折光学素子の採用が難しい超短波長域用の光学素子として、あるいはカメラなどの撮影光学系の色収差補正用等として幅広く用いられている。
【０００３】
このような回折光学素子の製造技術は、基本的には、母材の表面に凹部及び凸部の先端が鋭い刃先状の凹凸パターンである回折格子を形成する技術であるといえる。従来、回折格子を形成するために、母材の特性に合った方法が採用されてきた。例えば、母材が熱可塑性樹脂である場合には、射出成形法が用いられている。また、母材がガラスである場合には、研削や研磨による成形方法の他に、高温に加熱して軟化させて成形型に押し付けて成形型の反転形状を母材に形成するいわゆるガラスモールド法が用いられている。このうち、射出成形法やガラスモールド法は、研削や研磨による成形方法に比べ生産性が高いため、広く用いられている。（射出成形については、例えば特許文献１を参照。ガラスモールド法については、例えば特許文献２を参照。）
【０００４】
【特許文献１】
特開平１０−２０８２７９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２５５５７４号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記のガラスモールド法のように、成形型を用いて母材に回折格子を形成する場合、成形型の型表面の形状が母材に正確に転写される度合い、すなわち転写性が非常に重要である。転写性が低いと、成形型の型表面の形状が母材に正確に転写されず、所望の光の位相が得られない位相不整合部を有する回折格子が形成されてしまうからである。位相不整合部では、通過する光が意図しない方向に進んでフレアとなるため、回折効率が低下する。
【０００６】
ガラスモールド法による従来の回折格子の成形方法は、図１２に示すように、軟化点が比較的低い低融点ガラス３０製の母材を、約３００℃から約６５０℃の温度に加熱して軟化させ、成形型３１に押し付け、表面に成形型３１の型表面を転写する成形方法である。しかし、このガラスは加熱して軟化した状態であっても、通常の液体のようには流動性は高くなく、依然として比較的高い粘性を有している。このため、成形型３１の凹部３２にガラスを完全に充填させることは難しい。仮に、図示しているように、成形型３１の凹部３２が鋭角の刃先状を有していても、回折光学素子３３に形成される回折格子の凸部３４は、一般に丸みを帯びたものとなる。すなわち、ガラスモールド法で成形した回折格子の凸部３４における転写性が低いため、この凸部３４の近傍が位相不整合部となり、回折効率を低下させる原因となる。
【０００７】
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであり、位相不整合部の面積が小さく、高い回折効率を有する光学素子の製造方法、この製造方法により製造された光学素子及びこの光学素子を備えた光学系を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するため、本発明の光学素子を製造する方法は、表面に所望の凹凸パターンを有する光学素子を製造する方法であって、母材の表面に所望の凹凸パターンの凹部と凸部に対して所定量ずれた位置に凹部と凸部を有したプリフォームパターンを形成する第１の段階と、母材におけるプリフォームパターンが形成された表面に、所望の凹凸パターンの反転形状の型表面を有する成形型を、所望の凹凸パターンを形成するように位置決めして押し付けて、母材の表面に所望の凹凸パターンを形成する第２の段階とを備えることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、所定量は、プリフォームパターンが形成された母材に成形型を押し付け、母材に形成されたプリフォームパターンの凸部の丸み帯びた部分を削り落とし、母材におけるプリフォームパターンが形成された表面に、所望の凹凸パターンを形成できる量であることが好ましい。
【００１０】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、所望の凹凸パターンはその凹部と凸部が平行な直線形状である一次元タイプの回折格子パターンであり、第１の段階において、母材の表面に、所望の凹凸パターンの反転形状を有する成形型を所定量ずらした位置に押し付けて、プリフォームパターンを形成することが好ましい。
【００１１】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、所望の凹凸パターンはその凹部と凸部が同心円形状である二次元タイプの回折格子パターンであり、第１の段階において、母材の表面に、プリフォームパターンの反転形状を有するプリフォーム用成形型を押し付けて、プリフォームパターンを形成することが好ましい。
【００１２】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、回折格子パターンは、鋸歯状の断面形状であるブレーズ格子パターンであることが好ましい。
【００１３】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、第１の段階で母材におけるプリフォームパターンが形成された表面の凹部と凸部との段差は、型表面の凹部と凸部との段差より、同じもしくは高いことが好ましい。
【００１４】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、母材の材料は、ガラスであることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の光学素子を製造する方法においては、第２の段階において、プリフォームパターンが形成された母材を所定温度まで加熱し、この加熱により軟化した母材に成形型を押し付けることが好ましい。
【００１６】
本発明の光学素子は、前記光学素子の製造方法により製造されることを特徴とする。
【００１７】
本発明の光学系は、前記光学素子を備えることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。なお、以下の説明において、所望の凹凸パターンは回折格子パターンであり、光学素子はこの回折格子パターンを有する回折光学素子である。また、請求項１の第１の段階で表面にプリフォームパターンが形成された母材を変形プリフォームと称する。
【００１９】
図１を用いて、本発明の光学素子の製造方法を説明する。まず、図１（１）に示すように、（詳細は後述するが）研削などの機械加工やガラスモールド法等を用いて、母材の表面に所望の回折格子パターンの凹部と凸部に対して所定量（図中のΔＰに相当）ずれた位置に凹部１ａと凸部１ｂを有したプリフォームパターン１ｃを形成して、変形プリフォーム１を作製する。
【００２０】
次に、図１（２）に示すように、変形プリフォーム１におけるプリフォームパターン１ｃが形成された表面に、所望の回折格子パターンの反転形状（すなわち変形プリフォーム１の表面に形成された凹部１ａと凸部１ｂに対して所定量ずれた位置に凹部２ａと凸部２ｂを有した）の型表面２ｃを有する成形型２を、所望の回折格子パターンを形成するように位置決めして押し付けて、変形プリフォーム１の表面に所望の回折格子パターン３ｃを形成する。このとき、変形プリフォーム１に成形型２が完全に押し込まれた状態であり、変形プリフォーム１と成形型２との間には隙間は発生せず、高い転写性を実現している。
【００２１】
そして、図１（３）に示すように、変形プリフォーム１から成形型２を離型して、表面に回折格子の凸部３ｂ先端が鋭角に尖っている、所望の回折格子パターン３ｃを有する回折光学素子３が得られる。
【００２２】
上記方法によると、成形型２の凸部２ｂが変形プリフォーム１の凸部１ｂ付近に最初に接触する。このとき、互いの接触面積は極めて小さいため、変形に充分な量の応力が局所的に発生し、成形型２の凸部２ｂが削り取るように成形が進む。よって、回折光学素子３の表面に形成される回折格子の凸部３ｂ先端を鋭角に尖らせることができる。
【００２３】
なお、図１（１）中のΔＰは、変形プリフォーム１の表面に形成されたプリフォームパターン１ｃの凹部１ａ及び凸部１ｂと、成形型２における所望の回折格子パターンの反転形状を有する型表面２ｃの凹部２ａ及び凸部２ｂとのズレ量を表している。ここで、全ての格子においてズレ量ΔＰを同一にする必要はない。しかし、本発明の光学素子を構成する全ての格子の先端を鋭角に尖らせるためには、少なくとも全ての格子において、変形プリフォーム１の表面に形成された凸部１ｂの丸みを帯びた部分が、ズレ量ΔＰで示された範囲内に収まっていることが望ましい。
【００２４】
また、変形プリフォーム１のプリフォームパターン１ｃが形成された表面の凹部１ａと凸部１ｂとの段差は、成形型２の型表面の凹部２ａと凸部２ｂとの段差より同じもしくは若干高いと、回折光学素子３の成形面全域にわたって良好な転写性を得ることができる。
【００２５】
なお、本発明の光学素子の製造方法は、上記例に限定されるものではない。例えば、図１１に示すように、まず、母材５０の表面の適当な位置にプリフォームパターン５１ｐを形成し（図中では実線で示す）、変形プリフォーム５１を作製する。次に、変形プリフォーム５１の表面に形成されたプリフォームパターン５１ｐの凹部又は凸部に対して所定量（図中ではΔＰで示す）ずれた位置に凹部又は凸部が形成されるように（図中では点線で示す）、変形プリフォーム５１の表面に成形型を位置決めして押し付け、所望の回折格子パターンを成形する。そして、このように成形品の表面に形成された所望の回折格子パターンが光学素子の外縁に対して所定の位置にくるように、成形品の外縁を修正加工して、所望の格子パターンを有する光学素子を製造してもよい。
【００２６】
以下、本発明の構成要素について詳しく説明する。
【凹凸パターン】
本発明の光学素子が有する凹凸パターンの形状には特別な制限はないが、特に有効であるのは、凸部の先端が尖った形状のもの、最も有効であるのは凸部の先端が鋭角状に尖った形状のものである。後者の例としては、凸部の先端が鋭角に尖った格子形状のものがあり、これの代表には所謂フレーズ型回折格子のパターンがある。ブレーズ型回折格子は、図２に示すように、格子面の断面形状が鋸歯状をしており、格子の高さＬを次式（１）を満たすような所望の高さに加工することにより、所望の次数の回折光のみに光を集中させることができる。なお、次式（１）において、λは使用波長、Ｌはブレーズ型回折格子の格子面の格子高、ｎ１は回折格子の基板の屈折率、ｎ２は格子面に隣接する媒質の屈折率、ｍは回折次数を表す整数である。
【００２７】
【数１】
Ｌ×（ｎ１−ｎ２）＝ｍ×λ      （１）
【００２８】
【変形プリフォームの作製方法】
本発明の光学素子の製造方法における、第１の段階で作製される変形プリフォーム１の製造方法としては、平面又は連続な曲面のような連続形状に加工された母材の被加工面を、切刃が細い切削バイトを用いて切削加工（連続転写）したり、総型砥石を用いて研削加工（形状転写）したり、フォトエッチングする方法がある。また、これらの方法の他に、平面又は連続な曲面のような連続形状に加工された母材の被加工面に、所望の凹凸パターンよりも大きい段差の型表面を持つ成形型を押し付け、変形プリフォームを製造する方法などがある。
【００２９】
ここで、一例として、上記のように加工された母材の被加工面に、所望の凹凸パターンよりも大きい段差の型表面を持つ成形型を押し付け、変形プリフォームを製造する方法について、図３（１）、（２）、（３）を参照して以下に説明する。
【００３０】
まず、図３（１）に示すように、変形プリフォーム用の低融点ガラス等のガラス製又は熱可塑性樹脂製の母材１０と、変形プリフォーム用の凹凸パターンを型表面に有する変形プリフォーム用成形型１１とを準備する。次に、母材１０と変形プリフォーム用成形型１１とを適当な雰囲気ガス（例えば、窒素、アルゴン、真空等）中で加熱し、母材１０を軟化させ、この母材１０に変形プリフォーム用成形型１１を近付ける。続いて、図３（２）に示すように、母材１０に変形プリフォーム用成形型１１を押し付け、変形プリフォーム用成形型１１の型表面の凹凸パターンを母材１０の表面に転写する。そして、図３（３）に示すように、変形プリフォーム用成形型１１を母材１０から離型すると、凹凸パターン（プリフォームパターン）を表面に有する変形プリフォーム１が得られる。このとき、変形プリフォーム１の表面に形成された凹凸パターンの凹部と凸部は、少なくとも一方が丸みを帯びていた。
【００３１】
なお、変形プリフォームの作製方法は、上記の方法に限定されるものではない。
【００３２】
いずれの方法で変形プリフォームを作製するにせよ、変形プリフォームの凹凸パターンの凹部と凸部との段差（図３（３）の場合、１４）は、回折光学素子として所望の凹凸パターンの凹部と凸部との段差と、同じもしくは若干高くすることが好ましい。このようにすることで、（回折光学素子を成形するときに）変形プリフォームにおいてプリフォームパターンを有する表面に成形型の型表面を押し付けたとき、変形プリフォームに成形型が沈み込んで、変形プリフォームと成形型の間に隙間が発生し難く、形成される回折格子の全面にわたって高い転写性を得ることができる。
【００３３】
【母材】
本発明の光学素子に用いる母材としてはガラスが好ましく、特に低融点ガラスであることが好ましい。このように母材がガラスである場合、工程が安定したガラスモールド法により母材の表面に凹凸パターンを形成できる、すなわち変形プリフォームを作製することができるので、安価に量産することが可能である。また、本発明の光学素子に用いる母材としては、熱可塑性樹脂も使用可能である。このように母材が熱可塑性樹脂である場合、製造コストが低い射出成形法により変形プリフォームを作製することができるため、光学素子自体の製造コストも抑えることが可能である。しかしながら、ガラスの方が熱可塑性樹脂よりも温度依存性が低い。すなわちガラス製の光学素子は熱可塑性樹脂製の光学素子よりも、光学特性の温度依存性が小さく、安定した性能を発揮できる。また、精密な性能を有する光学素子の要求にも応じることができる。
【００３４】
【光学素子の成形方法】
本発明の光学素子の凹凸パターンを転写するための成形方法としては、ガラスモールド法が特に有効である。ガラスモールド法で光学素子の凹凸パターンを転写するときは、真空中又は窒素やアルゴンなどの不活性ガス雰囲気中で、ガラス製の変形プリフォーム（母材）と金属製の成形型を加熱する。そして、軟化したガラス製の変形プリフォームの表面に、金属製の成形型をガラス製のプリフォームに押し付け、成形型の型表面の反転形状を転写する。なお、加熱温度は、変形プリフォーム（母材）に用いられているガラスの種類によって異なるが、約３００℃〜約６５０℃の範囲である。
【００３５】
本発明の光学素子の製造方法に用いるガラスモールド用の成形型は、金属製であり、表面にＮｉ−Ｐ系無電解メッキ層を形成し、この無電解メッキ層に所望の格子形状を切削加工することにより作製される。特に、光学素子の変形プリフォーム（母材）の軟化温度が高く、高温且つ高圧力で成形する必要がある場合は、ガラスモールド用の成形型の耐熱性と高度を増すために、Ｗ（タングステン）をＮｉ−Ｐ系無電解メッキ層に含有させるとよい。また、ガラスモールド用の成形型を高温で使用する場合にも、クラックが入りにくく、安定した成形を行うことができるように、Ｎｉ−Ｐ系無電解メッキ層と金属製母材との熱膨張係数の差を小さくしておくことが好ましい。このとき、成形型の母材として、Ｎｉ−Ｐ系無電解メッキ層との熱膨張係数の差が小さい炭素鋼を用いることが好ましい。
【００３６】
【位置決め方法】
本発明の光学素子の製造方法は、変形プリフォームにおいてプリフォームパターンが形成された表面の凸部と凹部は、成形型の型表面の凹部と凸部（すなわち所望の凹凸パターンの反転形状の凹部と凸部）に対して、所定量ずれた位置にあることが特徴である。よって、成形型の凹部と凸部とプリフォームパターンの凹部と凸部との相対的な位置を正確に決めるために、両者の位置決め方法を工夫する必要がある。本発明で用いる位置決め方法として、１．成形型と変形プリフォームとを共通の筒（スリーブ）に入れて配置する方法、２．成形型と変形プリフォームとを成形機の位置決めピンに押し当てる方法、３．変形プリフォームの凹凸パターンに光を投射することにより得られる回折光を光学位置決めセンサで位置検出する方法等が使用できる。なお、本発明において用いる位置決め方法は、上記の位置決め方法に限定されるものではない。
【００３７】
【変形プリフォームの凹凸と成形型の凹凸とのズレ量】
変形プリフォームにおいてプリフォームパターンが形成された表面の凸部と凹部と、成形型の型表面の凹部と凸部（すなわち所望の凹凸パターンの反転形状の凹部と凸部）とのズレ量は、変形プリフォームの凸部の先端形状や格子のピッチを考慮して決定するのがよい。目安としては、ズレ量は変形プリフォームの凸部の丸まった部分を完全に含み、且つ、格子ピッチの５分の１以下に設定するのが望ましい。
【００３８】
すなわち、図１に示すように、ズレ量ΔＰの範囲内に変形プリフォーム１の凸部１ｂの丸まった部分（図１（１）の太線部Ｂ）が含まれるようにするのが望ましい。反対に、図４に示すように、ズレ量ΔＰの外側に変形プリフォーム１の凸部の丸まった部分（図４（１）の太線部Ｂ´）が存在すると、変形プリフォーム１の凹部と成形型２の凸部との間に隙間Ｓが発生して、回折光学素子３の表面上に形成された凸部３ｂの先端に丸みが残ってしまい、望ましくない。
【００３９】
【プリフォームパターン用の成形型】
所望の凹凸パターンがその凹部と凸部が平行な直線形状である一次元タイプの回折格子パターンである場合には、変形プリフォームの表面に形成されるプリフォームパターン及び回折光学素子の表面に形成される所望の凹凸パターンを形成するための成形型を共有化することが可能である。まず、母材の表面に、所望の凹凸パターンの反転形状を有する成形型２を押し付けてプリフォームパターンを形成し、変形プリフォーム１を作製する。このとき、プリフォームパターンの凸部先端は丸み帯びている。続いて、前述した成形型２を、図１に示すように、変形プリフォーム１の表面に形成されたプリフォームパターン１ｃに、成形型２の格子のピッチと変形プリフォームに形成された格子のピッチとを（上記した）ズレ量ΔＰだけずらして配置し押し付けて、所望の回折格子パターン３ｃを回折光学素子３の表面に形成することができる。このように、回折光学素子の作製時に用いる型を一つにすることができ、製造コスト抑制に役立つ。
【００４０】
また、所望の凹凸パターンがその凹部と凸部が同心円形状である二次元タイプの回折格子パターンである場合には、図６に示すように、母材１０の表面に、プリフォームパターンの反転形状、すなわち、図６の鎖線で示す、所望の凹凸パターンの各輪帯半径とがΔＰだけずれた形状を有するプリフォーム用成形型１１を押し付けてプリフォームパターン２ｃを形成し、変形プリフォーム２を作製するとよい。
【００４１】
以上のように説明した本発明の製造方法により、光学素子の表面に形成される凸部が鋭角な刃先状に成形できる理由を、発明者は以下のように推定している。すなわち、本発明においては、成形型の型表面の凸部の先端が、変形プリフォームにおいてプリフォームパターンが形成された表面の凸部（以下、変形プリフォームの凸部）に最初に接触するように、成形型と変形プリフォームが配置される。ここで、成形型の型表面の凸部は鋭角に尖っているため、変形プリフォームの凸部を削り取りながら成形が進む。すなわち、光学素子に成形される格子の先端形状は、成形型の型表面の凹部の転写ではなく、あたかも成形型の型表面の凸部を、刃物に見たてた切削加工のような加工法により形成される。なお、削り取られた変形プリフォームの凸部の先端は、成形が進んで変形プリフォームに成形型が完全に押し込まれた状態になると、隣接する格子の凹部に充填される。したがって、基本的には、成形型の形状転写でありながら、通常では最も転写性が低下する格子の凸部付近のみ、切削加工に類似した方法で削り取ることで、鋭角な先端形状を有する光学素子の加工が可能になったのである。
【００４２】
なお、本発明の光学素子は、図５に示すように、密着複層型回折光学素子とすることもできる。密着複層型回折光学素子とは、光学恒数が所望の組み合わせとなるように選ばれた互いに異なる光学材料である第１の部材１５と第２の部材１６とを、格子面１７を挟んで密着させたものである。ここで、本発明の密着複層型回折光学素子は、第１の部材１５をガラスモールドで成形した回折格子を備えるガラス製の基板（ガラスモールド法で作製された単層回折光学素子に相当する）とし、その上に未硬化の紫外線硬化樹脂又は熱硬化型樹脂を充填して所定厚みに調整した後に紫外線を照射するか又は加熱して硬化させることにより形成した樹脂層を第２の部材１６とすることにより作製することができる。このような密着複層型回折光学素子は、カメラの撮影光学系等の広い波長域で高い回折効率が要求される光学系に使用されることが多い。このため、密着複層型回折光学素子における格子形状を所望の回折格子パターン通りに形成することができる本発明の光学素子の製造方法は有効である。
【００４３】
なお、上記の密着複層型回折光学素子の第２の部材１６の材料としては、紫外線照射や加熱により硬化させることができる、ウレタンアクリレートやエポキシアクリレート等が用いられる。
【００４４】
以上のように、本発明の光学素子の製造方法によると、表面に形成される凹凸パターンの凸部先端が鋭角に尖った（回折）光学素子を、ガラスモールド法で製造することができる。
【００４５】
ところで、上述のように、従来では通常の母材から回折格子パターンを形成すると、そのパターンの凸部の先端が丸まってしまい、その部分は位相不整合部となって、回折効率が低下してしまった。特に、回折効率が重要となるのは、回折格子の断面形状が鋸歯状のブレーズ型回折格子の場合である。ブレーズ型回折格子は、入射した光を設計次数の回折光のみに集中させることができるため、高性能が要求される撮影光学系にも使用される。なお、回折効率とは入射光に対する設計次数の回折光の強度比であり、ブレーズ型回折格子では特定の波長については理論上１００％となるように、設計することが可能である。
【００４６】
しかしながら、回折格子の凸部先端に丸まった部分すなわち位相不整合部がある場合は、この部分に入射した光が位相不整合となり、フレアを発生させる。ここで、位相不整合部以外の他の部分が所望パターン通りの形状に作製されている回折格子の場合、入射光のうちフレアになるのは、Δｒを位相不整合部の幅、Ｐを格子間距離（ピッチ）とすると、概ねΔｒ／Ｐの割合である。したがって、回折効率は概ね（（１−Δｒ／Ｐ）×１００）％程度になると考えられる。例えば、撮影光学系に回折光学素子を用いる場合、良好な画像を得るために、回折効率は、少なくとも９５％以上、望ましくは９７％以上であることが求められる。これは、上記のΔｒ／Ｐが、概ね０．０３以下となる格子が要求されていることを意味する。このように、高い形状精度が要求される回折光学素子において、本発明の光学素子の製造方法を用いて作製されることは非常に有効である。
【００４７】
以下、本発明の各実施例を添付図面に基づいて説明する。
【００４８】
（第１実施例）
以下、本発明の第１実施例について図６、図７を用いて説明する。ここでは、本発明の光学素子の製造方法について説明する。本実施例において作製対象の光学素子は、単層回折光学素子であり、母材は低融点ガラス製（住田Ｐ−ＳＫ６０：φ５０ｍｍ）である。また、所望の凹凸パターンは、図６に模式的に示しているように、格子高さが１６μｍ、格子のピッチが中心部から外側向かうに従い小さくなり、中心部で２ｍｍ、最外周で１６０μｍである、同心円形状のブレーズ型回折格子パターン（輪帯数は５０本）である。
【００４９】
まず、図６（１）に示すように、変形プリフォームを作製する。このため、（変形プリフォーム用の）母材１０及びプリフォーム用成形型１１を準備した。母材１０は、低融点ガラス（住田Ｐ−ＳＫ６０）製のφ５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの平板である。変形プリフォーム用成形型１１は、炭素鋼製であり、表面にＮｉ−Ｐ−Ｗの組成からなる無電解メッキ層を設け、このメッキ層の表面を先端径２μｍのダイヤモンドバイトによる切削加工にて（変形プリフォームの表面に形成される）プリフォームパターンの反転形状を形成した。なお、プリフォームパターンは、格子高さが１８μｍ、格子のピッチが所望のブレーズ型回折格子の各ピッチに対して（ズレ量ΔＰ＝）１０μｍずつ中心部側にずらした位置にあるパターンであり、このパターンの反転形状が変形プリフォーム用成形型１１の型表面に形成されている。
【００５０】
上記の母材１０及び変形プリフォーム用成形型１１を、窒素ガス雰囲気中で４１０℃に加熱しながら、図６（２）に示すように、母材１０に、変形プリフォーム用成形型１１を押し付けて、型表面１１ｃの反転形状を転写した後、離型した。このようにして表面にプリフォームパターン２ｃが形成された変形プリフォーム２において、格子の凸部２ｂ先端には、図６（３）に示すように、約８μｍの幅で丸み帯びた部分が発生していた。
【００５１】
続いて、図７に示すように、変形プリフォーム１から所望のブレーズ型回折格子パターン３ｃを有した回折光学素子３を作製する。このため、成形型２を準備した。成形型２は、炭素鋼製であり、型表面２ｃにＮｉ−Ｐ−Ｗの組成からなる無電解メッキ層を設け、このメッキ層の表面を先端径２μｍのダイヤモンドバイトにより所望のブレーズ型回折格子パターンの反転形状を切削加工した。
【００５２】
上記の変形プリフォーム１及び成形型２を、窒素ガス雰囲気中で４１０℃に加熱しながら、図７（１）に示すように、成形型２の格子のピッチが変形プリフォーム１に形成されたプリフォームパターンの格子のピッチに対して１０μｍ（図７中のΔＰに相当）ずれた位置になるように位置決めして、正対させた。このとき、変形プリフォーム１の格子の凸部１ｂ先端に発生した、約８μｍの幅の丸み帯びた部分は、全て上記ズレ量ΔＰ（＝１０μｍ）の範囲に含まれている。
【００５３】
変形プリフォーム１のプリフォームパターン１ｃが形成された表面に、図７（２）に示すように、成形型２の型表面２ｃを押し付けて、所望のブレーズ回折格子パターンを形成した。そして、図７（３）に示すように、変形プリフォーム１から成形型２を離型して、所望の回折格子パターン３ｃを有する回折光学素子３を作製した。
【００５４】
上記のように、本実施例の光学素子の製造方法では、変形プリフォーム１の格子の凸部１ｂ先端に発生した丸みを帯びた部分が、成形型２の型表面の鋭角な凸部２ｂ先端により削り取るように加工され、全ての凸部３ｂの先端が鋭角な刃先形状である回折光学素子３が得られた。
【００５５】
（第２実施例）
以下、本発明の第２実施例について図５、図８、図９を用いて説明する。第２実施例では、第１実施例で作製した単層の回折光学素子３を用いて密着複層型回折光学素子２０を作製した。密着複層型回折光学素子２０は、図５及び図８に示すように、格子面１７を挟んで密着させた互いに異なる光学材料である第１の部材１５と第２の部材１６とから構成されたものであり、本実施例では第１の部材１５を低融点ガラス（住田Ｐ−ＳＫ６０）、第２の部材１６をウレタンアクリレートとしている。
【００５６】
第１実施例で作製された単層回折光学素子３は、上述したように、屈折率ｎ１が１．５９０９である低融点ガラス製（住田Ｐ−ＳＫ６０：φ５０ｍｍ）であり、表面には、格子高さＬは１６μｍ、格子のピッチが中心部から外側向かうに従い小さくなり、中心部で２ｍｍ、最外周で１６０μｍである同心円形状のブレーズ型回折格子パターン（輪帯数は５０本）が形成されている。また、ブレーズ波長λは５８７ｎｍ、回折次数を表す整数ｍは１である。
【００５７】
ここで、上記の第１実施例で作製した単層回折光学素子３に関する値を条件式（１）に代入して、第２の部材の屈折率ｎ２について算出すると１．５５４２が得られた。したがって、本実施例では、密着複層型回折光学素子２０を構成する第２の部材１６として、屈折率１．５５４２である紫外線硬化樹脂のウレタンアクリレートを選択した。
【００５８】
また、回折効率の波長依存性を低減して幅広い波長域において高い回折効率を得るために、密着複層型回折格子２０を構成する第１の部材１５と第２の部材１６との分散差を大きくすることが有効である。本実施例では、第１の部材１５として用いている住田Ｐ−ＳＫ６０のアッベ数は６２．３、第２の部材１６として用いているウレタンアクリレートのアッベ数は３７．０であり、高い回折効率を確保するために必要な分散差を満足している。
【００５９】
以下に、図９を用いて、本発明に係る密着複層型回折光学素子２０の製造方法を説明する。このため、まず樹脂層を形成するための樹脂層用の成形型１８を準備した。この樹脂層用の成形型１８は、ステンレス製のφ５０ｍｍ、厚さ３０ｍｍの平板である。
【００６０】
次に、図９（１）に示すように、第１実施例で作製した単層回折光学素子３の格子面１７上に、液状のウレタンアクリレート１６を適量滴下した。続いて、図９（２）に示すように、滴下したウレタンアクリレート１６に、樹脂層の厚みが２００μｍになるように、樹脂層用の成形型１８を押し付けた。そして、この状態のまま、単層回折光学素子３側より高圧水銀灯の紫外線を照射して、格子面１７上に滴下したウレタンアクリレート１６を硬化させた。このときの紫外線の積算照射量は２０００ｍＪ／ｃｍ２だった。光硬化後、図９（３）に示すように、樹脂層用の成形型１８をウレタンアクリレート１６から離型することにより、所望の密着複層型回折光学素子２０を得ることができた。
【００６１】
ここで、上記の製造方法により得た密着複層型回折光学素子２０の回折効率を測定した。その測定方法とは、密着複層型回折光学素子２０の格子にレーザ光を照射し、１次回折光強度を測定し、回折効率として入射光強度に対する１次回折光強度の比率を求めるものである。その結果、本発明に係る密着複層型回折光学素子２０は、照射するレーザ光の波長が４５８ｎｍのときには回折効率は９８％、照射するレーザ光の波長が５４３ｎｍのときには回折効率は９９％、照射するレーザ光の波長が６３３ｎｍのときには回折効率は９８％であり、可視光域の広い範囲にわたって高い回折効率を有していることが確認できた。したがって、この密着複層型回折光学素子は、カメラの撮像光学系など、広い波長域において高い回折効率を要求される光学系に特に有効である。
【００６２】
（第３実施例）
以下、本発明の第３実施例について図１０を用いて説明する。本発明に係る撮影カメラ用光学系２５は、図１０に示すように、第２実施例で作製した密着複層型回折格子２０を備えて構成されている。
【００６３】
本発明の密着複層型回折格子２０は、上述したように、広い波長域において回折効率が高く、フレアが少なく、製造コストが低い。このため、本発明の撮影カメラ用光学系２５において、透過率を高く、フレアを少なく、製造コストを抑えて構成することができる。また、本発明の撮影カメラ用光学系２５は、小型な回折光学素子の特性を有効に生かして、コンパクトに構成することができる。
【００６４】
なお、第３実施例の撮影カメラ用光学系２５には密着複層型回折光学素子２０が１個配設されているが、本発明に配設される光学素子の数は本実施例に限定されるものではない。例えば、本発明に係る光学系に２個以上の回折光学素子が配設されてもよい。
【００６５】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光学素子の製造方法は、位相不整合部の面積が小さく、高い回折効率を有する光学素子を作製することができる。また、この製造方法により作製された本発明に係る光学素子は、位相不整合部の面積が小さく、高い回折効率を得ることができる。また、この光学素子を用いた本発明に係る光学系は、透過率が高く、フレアを抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の光学素子の製造方法を説明する図である。
【図２】ブレーズ型回折光学素子の格子面の形状を示す図である。
【図３】本発明の回折光学素子の製造方法に用いる変形プリフォームの製造方法を説明する図である。
【図４】従来における、成形型の型表面の凹凸と、変形プリフォーム表面の凹凸との関係を示す図である。
【図５】本発明の密着複層型回折光学素子を示す図である。
【図６】第１実施例における光学素子の製造方法の手順を説明した図である。
【図７】第１実施例における光学素子の製造方法の手順を説明した図である。
【図８】本発明の密着複層型回折光学素子を説明する図である。
【図９】本発明の密着複層型回折光学素子の製造方法を説明する図である。
【図１０】本発明の撮影用カメラ光学系を示す図である。
【図１１】本発明の光学素子の他の製造方法を説明する図である。
【図１２】従来の光学素子の製造方法を説明する図である。
【符号の説明】
１    変形プリフォーム
１ａ  変形プリフォームの凹部
１ｂ  変形プリフォームの凸部
１ｃ  プリフォームパターン
２    成形型
２ａ  成形型の凹部
２ｂ  成形型の凸部
２ｃ  成形型の型表面  （所望の凹凸パターンの反転形状）
３    回折光学素子    （光学素子）
３ｂ  回折光学素子の凸部
３ｃ  回折格子パターン（所望の凹凸パターン）
１０  母材
１１  変形プリフォーム用成形型（プリフォーム用成形型）
１５  第１の部材
１６  第２の部材
１７  格子面
１８  樹脂層用の成形型
２０  密着複層型回折光学素子  （光学素子）
２５  撮影カメラ用光学系      （光学系）
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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