(57)【要約】【課題】形状評価の容易な回折光学素子を提供する。【解決手段】回折光学素子は、断面形状が鋸歯形状である回折格子５を備えており、当該鋸歯形状を有した回折格子５の頂部に平坦部５１が形成されている。この回折格子５のピッチに対する、回折格子５のピッチ方向における平坦部５１の長さの割合は、５％以下であることが好ましい。また、回折格子５のピッチ方向における平坦部５１の長さは、回折格子５の形状を測定する測定装置により平坦部５１を検出可能な長さを有している。【選択図】図１
2013020052.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面形状が鋸歯形状である回折格子を備え、
前記鋸歯形状を有した前記回折格子の頂部に平坦部が形成されていることを特徴とする
ことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記回折格子のピッチに対する、前記回折格子のピッチ方向における前記平坦部の長さ
の割合は、５％以下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】
前記回折格子のピッチ方向における前記平坦部の長さは、前記回折格子の形状を測定す
る測定装置により前記平坦部を検出可能な長さを有していることを特徴とする請求項１ま
たは２に記載の回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子の製造には、成形加工がよく用いられる（例えば、特許文献１を参照）。
例えば、密着複層型の回折光学素子である位相フレネルレンズの成形加工を行う場合、円
盤状のガラス基板と該ガラス基板に近接させた成形型との間隙に第１の樹脂材を充填し、
回折格子を有する１層目の樹脂層を成形する。さらに、１層目の樹脂層の上に滴下された
第１の樹脂材と屈折率の異なる第２の樹脂材に対して成形型を押圧させ、２層目の樹脂層
を成形する。これにより、密着複層型の回折光学素子を成形することができる。このよう
な位相フレネルレンズの成形加工および品質管理において、成形型（金型）の形状を正確
に転写し、回折格子の格子高さ等といった成形後のレンズ形状を正確に把握することが重
要である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４０２９２０８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような回折光学素子は、格子形状（断面形状）が鋸歯形状である
ものが殆どであり、格子形状の評価が難しかった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、形状評価の容易な回折光学素
子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】
【０００６】
このような目的達成のため、本発明に係る回折光学素子は、断面形状が鋸歯形状である
回折格子を備え、前記鋸歯形状を有した前記回折格子の頂部に平坦部が形成されている。
【０００７】
なお、上述の回折光学素子において、前記回折格子のピッチに対する、前記回折格子の
ピッチ方向における前記平坦部の長さの割合は、５％以下であることが好ましい。
【０００８】
また、上述の回折光学素子において、前記回折格子のピッチ方向における前記平坦部の
長さは、前記回折格子の形状を測定する測定装置により前記平坦部を検出可能な長さを有
していることが好ましい。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、回折格子の形状評価を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】（ａ）は従来の位相フレネルレンズの回折格子を示す断面拡大図であり、（ｂ）は本実施形態の位相フレネルレンズの回折格子を示す断面拡大図である。
【図２】位相フレネルレンズの側断面図である。
【図３】位相フレネルレンズの製造方法を示すフローチャートである。
【図４】位相フレネルレンズの成形工程について（ａ）〜（ｅ）へ順に示す模式図である。
【図５】位相フレネルレンズの回折格子と回折効率の関係を示す模式図である。
【図６】ダイヤモンドバイトを用いて成形型を切削加工する様子を示す模式図である。
【図７】（ａ）は格子ピッチが２００μｍの場合における回折効率と波長の関係を示すグラフであり、（ｂ）は格子ピッチが１５０μｍの場合における回折効率と波長の関係を示すグラフであり、（ｃ）は格子ピッチが１００μｍの場合における回折効率と波長の関係を示すグラフである。
【図８】（ａ）は格子ピッチが１００μｍで入射角が−５度の場合における回折効率と波長の関係を示すグラフであり、（ｂ）は格子ピッチが１００μｍで入射角が＋５度の場合における回折効率と波長の関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。本実施形態に係る
回折光学素子として密着複層型の回折光学素子である位相フレネルレンズ（以下、ＰＦレ
ンズ１と称する）が図２に示されている。ＰＦレンズ１は、カメラの交換レンズや、顕微
鏡、望遠鏡等の光学機器に用いられるものであり、ガラス基板２と、ガラス基板２の上に
成形された１層目の樹脂層４と、１層目の樹脂層４の上に重ねて成形された２層目の樹脂
層６とを有して構成される。ガラス基板２は、透明のガラス材料を用いて円盤状に成形さ
れ、ガラス基板２の一方の面（１層目の樹脂層４と接合する方の面）には、シランカップ
リング剤からなるプライマー層３が形成されている。
【００１２】
ガラス基板２の方から数えて１層目の樹脂層４は、透明の樹脂材料を用いて円盤状に成
形され、１層目の樹脂層４の一方の面（２層目の樹脂層６と接合する方の面）には、複数
の輪帯が同心円状に並ぶ回折格子５が形成されている。ガラス基板２の方から数えて２層
目の樹脂層６は、１層目の樹脂層４と屈折率が異なる透明の樹脂材料を用いて円盤状に成
形される。なお、各図において、説明容易化のため、回折格子５の輪帯の数を少なく記載
しているが、実際の輪帯数は使用可能な程度に十分多いものとする。また、各図において
、説明容易化のため、断面図のハッチングを省略している。
【００１３】
回折格子５は、図１（ｂ）に示すように、断面形状が鋸歯形状であり、回折格子５の頂
部に形成された平坦部５１と、平坦部５１の一端から下方に傾斜して伸びる傾斜部５２と
、平坦部５１の他端から下方に垂直に伸びる垂直部５３とから断面形状が構成される。な
お、図１（ｂ）に示す回折格子５の断面は、ＰＦレンズ１の中心軸（回転対称軸）を通る
断面の一部を拡大したものである。
【００１４】
以上のように構成されるＰＦレンズ１の製造方法について、図３に示すフローチャート
を参照しながら説明する。まず、ガラス基板２の上に１層目の樹脂層４を成形し接合させ
る（ステップＳ１０１）。１層目の樹脂層４を成形する際、図４（ａ）に示すように、ガ
ラス基板２の一方の面にシランカップリング剤／エチルアルコール／水（酢酸でやや酸性
にした水）の混合液をスピンコートにより全面的に塗布し、ベーキングしてプライマー層
３を形成する。プライマー層３を形成したガラス基板２の一方の面に所定の格子形状を有
する第１の成形型（金型）１０を近接させ、図４（ｂ）に示すように、その間隙に１層目
の樹脂層４を成形するための未硬化の樹脂材４ａを充填する。この状態で、ガラス基板２
の他方の面から樹脂材４ａに向けて紫外線を所定の照射量（例えば、２０００〜４０００
ｍＪ／ｃｍ2）だけ照射し、未硬化の樹脂材４ａを硬化させた後、離型する。
【００１５】
これにより、第１の成形型１０の格子形状が樹脂材４ａに転写されて回折格子５を有す
る１層目の樹脂層４が成形されるとともに、当該１層目の樹脂層４がプライマー層３を介
してガラス基板２の一方の面に接合される。なお、１層目の樹脂層４に用いられる樹脂材
料（樹脂材４ａ）は紫外線硬化樹脂である。またこのとき、１層目の樹脂層４に成形され
た回折格子５の形状を測定し、回折格子５の（格子高さ等の）形状評価を行う。回折格子
５の形状を測定する形状測定装置（図示せず）として、例えば、非接触三次元形状測定装
置（三鷹光器株式会社製、型式：ＮＨ−３ＳＰ）が用いられる。
【００１６】
次に、１層目の樹脂層４の上に２層目の樹脂層６を重ねて成形し接合させる（ステップ
Ｓ１０２）。２層目の樹脂層６を成形する際、図４（ｃ）に示すように、１層目の樹脂層
４の上に２層目の樹脂層６を成形するための未硬化の樹脂材６ａを滴下し、図４（ｄ）に
示すように、滴下した樹脂材６ａに第２の成形型（金型）１２を当接させて成形した後、
１層目と同様に紫外線硬化させて離型する。なお、第２の成形型１２の表面（転写面）は
平面となるように形成される。また、第２の成形型１２の表面（転写面）は、球面や非球
面であってもよく、２層目の樹脂層６の形状に応じて決定される。
【００１７】
これにより、図４（ｅ）に示すように、他方の面で回折格子５に密着するように２層目
の樹脂層６が成形されるとともに、当該２層目の樹脂層６が１層目の樹脂層４の一方の面
に接合される。なお、２層目の樹脂層６に用いられる樹脂材料（樹脂材６ａ）は紫外線硬
化樹脂である。このようにして、ガラス基板２の上に２つの樹脂層４，６が成形されたＰ
Ｆレンズ１が製造される。
【００１８】
ところで、ＰＦレンズの回折効率は、図５に示すように、２つの樹脂層を構成する２種
類の物質（例えば、樹脂Ａと樹脂Ｂ；但し、１層で構成される場合は樹脂Ａと空気）の屈
折率ｎ1，ｎ2の差と、回折格子の格子高さｄで決定される。そのため、回折格子の格子高
さを正確に評価することが重要である。なお、図５はＰＦレンズの回折格子と回折効率の
関係を示している。
【００１９】
２つの樹脂層１０４，１０６を有した従来のＰＦレンズにおける回折格子１０５の断面
形状を図１（ａ）に示す。ＰＦレンズの成形に用いる成形型（金型）を切削加工する場合
、図６に示すように、通常ダイヤモンドバイト１１５を用いるが、このダイヤモンドバイ
ト１１５による切削加工によって、ダイヤモンドバイト１１５の先端形状が成形型１１０
の（転写面の）谷となる部分に転写される。したがって、成形型１１０の（転写面の）谷
底部分には、ダイヤモンドバイト１１５の先端の微小なＲ形状（曲率半径１μｍ程度）が
転写される。
【００２０】
このような成形型（金型）１１０で成形したＰＦレンズでは、成形型１１０の（転写面
の）形状に対し反転した形状を評価することになる。この場合、成形型１１０においてダ
イヤモンドバイト１１５の先端のＲ形状が転写された（転写面の）谷底部分は、断面形状
が鋸歯形状である回折格子１０５の山頂部分に相当する。そのため、回折格子１０５の格
子形状（三次元形状）を測定する場合、ダイヤモンドバイト１１５の先端のＲ形状が転写
された回折格子１０５の頂部を検出することになる。しかしながら、回折格子１０５の先
端部分（頂部）が微小なＲ形状を有する場合、接触式にせよ非接触式にせよ、形状測定装
置（プローブ）が読み取る値は曖昧になってしまうため、回折格子１０５の頂部の正確な
形状評価は困難である。例えば、前述した非接触三次元形状測定装置（図示せず）の場合
、レーザ光（プローブ光）のスポット径は最小で１μｍ程度であるが、回折格子１０５の
先端部分における微小なＲ形状の曲率半径は１μｍ程度であるため、レーザ光が正確に戻
るとは限らない。また例えば、接触式の形状測定装置（図示せず）の場合、プローブ自体
も先端がＲ形状をしているので検出が困難である。なお、ダイヤモンドバイト１１５の先
端の曲率半径（Ｒ形状）は、形状測定ではなく断面の観察で評価する。
【００２１】
これに対し、本実施形態では、第１の成形型（金型）１０の（転写面の）谷底部分を平
坦にすることで、図１（ｂ）に示すように、断面形状が鋸歯形状である回折格子５の頂部
に平坦部５１を形成している。回折格子５の頂部が平坦であれば、（接触式および非接触
式に拘らず）形状測定装置を用いて回折格子５の頂部（平坦部５１）を容易に検出するこ
とができるため、回折格子５の格子高さ等といった回折格子５の形状評価を容易に行うこ
とが可能となる。
【００２２】
回折格子の頂部の形状の違いによる回折効率の変化について、ＲＣＷＡ（Rigorous Cou
pled Wave Analysis）法により検討した。従来の回折格子１０５と本実施形態の（頂部に
平坦部５１を有する）回折格子５とを比較したグラフを図７に示す。図７では、３種類の
格子ピッチについて、格子ピッチに対する平坦部の長さの割合が０％，５％，１０％の場
合における、回折効率と波長の関係を示している。図７に示すように、回折格子５のピッ
チ方向における平坦部５１の長さが回折格子５のピッチに対して５％程度であれば、回折
効率に大きな変化は見られないことがわかる。すなわち、回折格子５のピッチに対する、
回折格子５のピッチ方向における平坦部５１の長さの割合が５％以下であれば、回折効率
が殆ど変化しないので、回折格子５の特性に影響を及ぼすことなく、回折格子５の形状評
価を容易に行うことができる。回折光の波面は回折格子５の傾斜部５２で決定されるため
、回折格子５のピッチに対して５％程度の平坦部５１を形成しても、傾斜部５２の形状が
相対的に大きく変化しないので、回折効率が殆ど変化しないからである。
【００２３】
また、入射角を変化させた場合の従来の回折格子１０５と本実施形態の回折格子５とを
比較したグラフを図８に示す。図８に示すように、回折格子５のピッチ方向における平坦
部５１の長さが回折格子５のピッチに対して５％程度であれば、本実施形態の（頂部に平
坦部５１を有する）回折格子５の斜入射特性についても、従来の回折格子１０５と大きな
変化がないことがわかる。
【００２４】
なお、回折格子５のピッチ方向における平坦部５１の長さは、少なくとも、回折格子５
の形状を測定する形状測定装置（図示せず）により平坦部５１を検出可能な長さを有して
いることが好ましい。平坦部５１の最小の長さは、形状測定装置の分解能によって決まる
が、例えば、前述した非接触三次元形状測定装置（図示せず）の分解能はサブミクロンオ
ーダーであり、また、接触式の形状測定装置（図示せず）においても分解能がサブミクロ
ンオーダーであるものが存在するので、回折格子５のピッチ方向における平坦部５１の長
さが少なくとも１μｍ程度あれば、平坦部５１を検出することが可能である。
【００２５】
この結果、本実施形態によれば、鋸歯形状を有した回折格子５の頂部に平坦部５１が形
成されているため、回折格子５の頂部（平坦部５１）を容易に検出することができ、回折
格子５の格子高さ等といった回折格子５の形状評価を容易に行うことができる。
【００２６】
なお、上述の実施形態において、ガラス基板２の上に２つの樹脂層４，６を成形してい
るが、これに限られるものではなく、例えば、１層や３層以上であってもよく、断面形状
が鋸歯形状である回折格子を備えた構成であればよい。
【００２７】
また、上述の実施形態において、基材としてガラス基板２を用いているが、これに限ら
れるものではなく、例えば、プラスチック製の基板であってもよく、透明な材料であれば
よい。
【００２８】
また、上述の実施形態において、ガラス基板２、１層目の樹脂層４、および２層目の樹
脂層６がそれぞれ円盤状に形成されているが、これに限られるものではなく、ガラス基板
、１層目の樹脂層、および２層目の樹脂層の少なくともいずれかの面（一方もしくは他方
の面）が球面もしくは非球面であってもよい。
【符号の説明】
【００２９】
１  ＰＦレンズ                          ２  ガラス基板
４  １層目の樹脂層                      ５  回折格子
６  ２層目の樹脂層
５１  平坦部                            ５２  傾斜部
５３  垂直部
【図１】
2013020052.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2013020052.tif 000007
【図６】
2013020052.tif 000008
【図７】
2013020052.tif 000009
【図８】
2013020052.tif 000010