CN101965529A - 衍射光学元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

衍射光学元件，具有在非球面的表面(11a)上设置了炫耀型的衍射光栅(13)的透镜基体(11)和覆盖衍射光栅(13)的光学调整层(15)。透镜基体(11)由第1材料(14a)形成，而且光学调整层(15)由折射率大于第1材料(14a)的第2材料(14b)形成。衍射光栅(13)，以光轴为中心，具有同心圆状排列的多个轮带区域。透镜基体(11)中对于非球面的表面(11a)而言的各轮带区域的高度，分别利用到光轴的距离r的增加函数表达。该增加函数，用将距离r作为变量的相位多相式表达；所述相位多相式，在距离r＝0时，具有3/4π以上7/4π的大小。

Description

衍射光学元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及能够有效地将白色光聚光的、宜于批量生产的衍射光学元件及其制造方法。

背景技术

近几年来，伴随着数字技术的进步，例如照相机及录像机之类将图像信息作为数字信息获得的电子机器，以携带式信息机器及信息家电等形态，更加高功能化。伴随着这些照相机及录像机之类电子机器的高功能化，迫切要求使使用的透镜等光学部件及光学系统实现轻量化、薄型化、低成本化。

将这种照相机及录像机之类光学系统使用的聚光透镜作为衍射光学元件形成后，就不需要使用多个面形状复杂的非球面透镜。这样，在透镜基体的表面设置衍射光栅后，可以实现聚光透镜的薄型化及光学系统的薄型化及轻量化。进而，在大的波长区域(例如波长为400nm～700nm左右的可见光区域)使用的光盘用的聚光透镜，也能够用一个衍射光学元件来构成。这样，采用衍射光学元件后，能够有效地将白色光等聚光，使光学系统也能简单化、轻量化、低成本化。

另一方面，在这种摄像用途的透镜中采用白色光等包含广大的波长区域的光后，就产生不需要的衍射光，成为光斑及重影，使图像劣化，或者使MTF(Modulation Transfer Function：调制传递函数)特性劣化。为了避免这种特性劣化，在形成衍射光栅的透镜基体的面上，用具有与透镜基体不同的折射率及折射率分散的光学材料的层覆盖的方法，已经广为人知。这种覆盖层，可以通过在透镜基体的表面涂敷上述光学材料，或者使由上述光学材料构成的膜与透镜基体的表面接合后形成。

在透镜基体上具有覆盖层的衍射光学元件中，1次衍射效率成为100％的衍射光栅深度d，在理论上取决于下述(数式1)。[公式1] $d=\frac{\mathrm{\λ}}{|n1\left(\mathrm{\λ}\right)-n2\left(\mathrm{\λ}\right)|}$ ……(数式1)式中：n1(λ)为构成透镜基体的材料的折射率，n2(λ)为构成覆盖层的材料的折射率，都是波长λ的函数。

如果上述(数式1)的右边在使用的波长区域中成为一定值，那么在理论上该波长区域中的衍射效率的波长依存性就不复存在。这样，如果用高折射率低波长分散材料和低折射率高波长分散材料的组合，构成透镜基体和覆盖层后，衍射光学元件就能够减小衍射效率的波长依存性，能够利用衍射光学元件实现例如有效地将白色光等聚光的那种聚光透镜。

作为这种例子，有人提出下述结构的方案：在具有层叠的多个光学材料层、在其交界面上形成起伏图案(relief pattern)的衍射光学元件中，减少衍射效率的波长依存性后，能够有效地防止出现颜色不匀及由不需要的次数光导致的反射光斑(例如参照专利文献1)。该例中的透镜基体由光学玻璃(该光学玻璃由高折射率低波长分散的材料构成)构成，覆盖层则由光学玻璃(该光学玻璃由低折射率高波长分散的材料构成)或树脂的光学材料构成。

作为光盘的光拾波器用的光学系统，有人提出下述方案：将在400nm附近、650nm附近及780nm附近中的某一个波长区域也能够获得很高的光利用效率的衍射光学元件作为物镜(例如参照专利文献2)。该例中的透镜基体由光学玻璃(该光学玻璃由高折射率低波长分散的材料构成)形成，覆盖层则由树脂的光学材料(该树脂的光学材料由低折射率高波长分散的材料构成)形成。在透镜基体和覆盖层的交界处，形成具有轮带状的台阶的相位结构。采用具有这种结构的衍射光学元件后，能够实现可以在上述3个波长区域获得很高的光利用效率的物镜。

在上述现有技术的例子所示的能够有效地将白色光聚光的衍射光学元件(以下称作“白色衍射光学元件”)中，利用挤压成形等，在高折射率低波长分散的光学玻璃等的透镜基体的非球面形状上形成衍射光栅后，覆盖低折射率高波长分散的树脂膜等，从而制造白色衍射光学元件。在这种现有技术的白色衍射光学元件中，衍射光栅本身具有正的聚光能力，所以高折射率的透镜基体被用低折射率的树脂层覆盖后，就以成为随着到光轴的距离的增大而减小的函数的炫耀形状的台阶，形成衍射光栅的断面。专利文献1：JP特开平9-127321号公报专利文献2：JP特开2006-12394号公报

在这种现有技术的白色衍射光学元件中，因为不是使用树脂而是使用光学玻璃形成透镜基体，所以存在着下述不宜于进行批量生产的课题：不能够增加旨在形成衍射光栅的挤压成形金属膜的耐用次数，还不能够确保覆盖在透镜基体上的覆盖层的树脂和在透镜基体上形成的衍射光栅的贴紧性及贴紧的可靠性。

为了解决这种课题，在不是使用光学玻璃而是使用加工容易的树脂材料形成透镜基体时，迫切需要寻找折射率远远小于在透镜基体上使用的树脂材料的、能够作为白色衍射光学元件的覆盖层使用的低折射率的树脂材料。这时，由于透镜基体和覆盖层都用树脂形成，所以肯定容易制造。可是，由于与光学玻璃的折射率相比，在透镜基体上使用的树脂材料的折射率通常较小，所以难以发现能够作为覆盖层使用的低折射率的树脂材料。

因此，改变来自现有技术的思维，试着在用树脂材料形成白色衍射光学元件的透镜基体时，用折射率大于在透镜基体上使用的树脂材料的树脂材料形成覆盖层。作为这种树脂材料，例如可以列举将纳米复合材料混入树脂基体的新型材料。但是，由于透镜基体和覆盖层的折射率的大小关系相反，所以需要以成为随着到光轴的距离的增大而增大的函数的炫耀形状(blazed)的台阶，形成衍射光栅的断面。

可是，在形成这种成为增大函数(increasing function))的炫耀形状的台阶的白色衍射光学元件中，白色衍射光学元件的光轴和离该光轴最近的台阶的距离变大，在衍射光栅中靠近光轴的区域中被覆盖层覆盖的部分，存在着面积广大的凹部。其结果，由树脂构成的覆盖层中，填埋上述凹部的部分的体积变大。制造这种结构的白色衍射光学元件后，覆盖层中位于上述凹部内的部分，往往在制造工序中变形。特别是要采用低成本宜于批量生产的“衬垫(pad)印刷法”形成覆盖层时，由于位于上述凹部的覆盖层的一部分容易变薄，所以MTF特性出现离差，以至于出现不能批量生产光学特性好的白色衍射光学元件的课题。

发明内容

本发明就是针对上述情况研制的，其目的在于提供能够在可以有效地将白色光聚光的衍射光学元件中，用宜于批量生产的方法，在由树脂材料构成的透镜基体上形成衍射光栅，而且使MTF特性等光学特性稳定的白色衍射光学元件。

本发明的衍射光学元件，是具有透镜基体(该透镜基体在非球面的表面上设置了炫耀型的衍射光栅)和光学调整层(该光学调整层覆盖所述衍射光栅)的衍射光学元件；所述透镜基体，由第1材料形成；所述光学调整层，由折射率大于所述第1材料的第2材料形成；所述衍射光栅，以光轴为中心，具有同心圆状排列的多个轮带区域；所述透镜基体中对于所述非球面的表面而言的各轮带区域的高度，分别利用到所述光轴的距离r的增加函数表达；所述增加函数，用将距离r作为变量的相位多相式表达；所述相位多相式，在距离r＝0时，具有3/4π以上7/4π以下的大小。

在某种理想的实施方式中，使所述衍射光栅的台阶的高度为d时，距离r＝0的位置中的所述轮带区域的高度d₀，在3d/8≤d₀≤7d/8的范围内。

在某种理想的实施方式中，所述第1材料，由所述第1树脂材料构成；所述第2材料，由所述第2树脂材料构成。

在某种理想的实施方式中，所述第2材料，包含被分散到所述第2树脂材料中的微粒。

在某种理想的实施方式中，所述微粒，是无机颗粒；所述第2树脂，是光硬化树脂。

在某种理想的实施方式中，所述无机颗粒，是由从氧化锆、氧化铝及氧化钇构成的组中选择的至少一种材料形成。

在某种理想的实施方式中，所述第1材料，是由从聚碳酸酯类树脂、聚乙烯类树脂及芴类聚苯乙烯类树脂构成的组中选择的至少一种材料形成。

在某种理想的实施方式中，所述非球面的表面，朝着光线沿着所述光轴前进的方向的前方，为凸状。

在某种理想的实施方式中，所述透镜机体中没有设置所述衍射光栅的面，朝着光线沿着所述光轴前进的方向的前方，为凹状的非球面形状。

采用本发明的衍射光学元件的制造方法，是包含准备在非球面的表面上设置了炫耀型的衍射光栅的透镜基体——由第1树脂材料形成的透镜基体的工序和采用衬垫印刷法在所述衍射光栅上形成由折射率大于所述第1树脂材料的第2树脂材料形成的光学调整层的工序的衍射光学元件的制造方法，所述衍射光栅，以光轴为中心，具有同心圆状排列的多个轮带区域；所述透镜基体中对于所述非球面的表面而言的各轮带区域的高度，分别利用到所述光轴的距离r的增加函数表达；所述增加函数，用将距离r作为变量的相位多相式表达；所述相位多相式，在距离r＝0时，具有3/4π以上7/4π的大小。

采用本发明后，能够在透镜基体的曲面上形成的衍射光栅上，例如采用衬垫印刷法使由树脂构成的光学调整层成为适当的形状。因此采用本发明后，能够提供薄型化、轻量化、能够确保低成本化、高可靠性等的宜于批量生产的白色衍射光学元件。

另外，使用本发明的衍射光学元件后，可以获得下述效果：能够实现比携带式信息机器及信息家电等电子机器更加薄型化、小型化、轻量化，而且还能够确保低成本化、高可靠性。

附图说明

图1(a)是示意性地表示采用本发明的衍射光学元件的实施方式的结构的平面图，(b)是(a)中的1A-1A线剖面图。图2(a)是放大衍射光学元件的第1表面附近的示意图，(b)是表示白色衍射光学元件的基本结构的图形。图3(a)是表示现有技术的炫耀形状的设计方法的图形，(b)是表示本实施方式中的炫耀形状的设计方法的图形。图4(a)是放大本发明的实施方式中的衍射光学元件的第1表面附近的示意图，(b)是表示采用现有技术的设计后形成的衍射光学元件的图形。图5是表示宜于作为本发明的实施方式中的光学调整层15使用的树脂材料19的一个例子的图形。图6是表示本发明的第1实施方式涉及的白色衍射光学元件的剖面示意图。图7是表示在透镜中央部的膜上具有研磨碗状的凹陷的白色衍射光学元件的图形。图8(a)～(c)是示意性地表示本发明的实施方式涉及的衍射光学元件的前半的制造工艺流程的剖面图。图9(a)～(c)是示意性地表示本发明的实施方式涉及的衍射光学元件的后半的制造工艺流程的剖面图。

符号说明

10、30衍射光学元件11、17a、31透镜基体11a、31a透镜基体的第1表面11b、31b透镜基体的第2表面12、32光轴13、33衍射光栅13a、炫耀形状的台阶14a、34a第1材料14b、14b第2材料14、19、34树脂材料15、35光学调整层15a光学调整层的表面16涂敷膜17白色衍射光栅18a、18b、36台阶19a树脂母材19b无机颗粒20版20a凹部21分配器22衬垫23固定夹具24保护气(气氛)25UV光源25a UV光

具体实施方式

下面，参照附图，讲述采用本发明的衍射光学元件的实施方式。

(第1实施方式)首先，讲述采用本发明的衍射光学元件的实施方式。

参照图1。图1(a)是本实施方式中的衍射光学元件10的平面图，图1(b)是图1(a)中的1A-1A线剖面图。

本实施方式中的衍射光学元件10，如图1(a)及(b)所示，具备透镜基体11(该透镜基体11在非球面的表面(第1表面11a)上设置了炫耀型的衍射光栅13)和光学调整层15(该光学调整层15覆盖衍射光栅13。透镜基体11，由第1材料14a形成；光学调整层15，由折射率大于第1材料14a的第2材料14b形成。作为整体，将第1材料14a及第2材料14b称作“树脂材料14”。

衍射光栅13，以光轴12为中心，具有同心圆状排列的多个轮带区域。本实施方式的衍射光栅13，和透镜基体11一体形成，还可以认为透镜基体11的实际的表面构成衍射光栅13的表面。可是，在本说明书中，使透镜基体11的第1表面11a，如用图1(b)中的虚线所示的那样，成为缓慢弯曲的非球面的曲面。这样，本说明书中的“衍射光栅”，就由透镜基体11的第1表面11a和衍射光栅13的表面之间的部分构成，该部分由和透镜基体11相同的材料构成。

将从透镜基体11的第1表面11a到衍射光栅13的表面为止的距离，称作衍射光栅13的“高度”。衍射光栅13的高度，依存于到光轴12的距离r地增减，各轮带区域被用高度成为极小的位置加以区分。此外，某个轮带区域的高度成为极小的部分，和与该轮带区域邻接的轮带区域的高度成为极大的部分相接，在其交界处，产生“台阶”。如图1(a)所示，多个台阶13a被以光轴12为中心地同心圆状地形成。

对于透镜基体11中的非球面的第1表面11a而言，各轮带区域的高度，分别利用到光轴12的距离r的增加函数表达。在本实施方式，规定轮带区域的高度的增加函数，用将距离r作为变量的相位多相式表达，在距离r＝0时，相位多相式具有3/4π以上7/4π以下的大小的这一点上，具有重要的特征。关于该特征产生的作用效果，将在后文讲述。

光学调整层15的下面，如图1(b)所示，与衍射光栅13的表面接触，光学调整层15的上面(表面)15a，对于透镜基体11的非球面的第1表面11a而言，实质上具有平行的形状。

与透镜基体11的非球面的第1表面11a相对的第2表面11b，也具有非球面的形状，但是在透镜基体11的第2表面11b上，不形成衍射光栅，设置由低波长分散材料形成的涂敷膜16。

接着，参照图2(a)及(b)。图2(a)是放大图1(b)所示的衍射光学元件10中的第1表面11a附近的示意图，图2(b)是表示衍射光学元件10的基本结构的图形。

在衍射光栅13和光学调整层15之间，存在着折射率差。假设透镜基体11的第1表面11a是平坦的面时，基本上能够实现图2(b)所示的结构。就是说，能够利用形成炫耀形状的凹凸的由第1材料14a构成的部分17a和与它贴紧的由第2材料14b构成的部分17b，实现图2(b)所示的白色衍射光栅17。使第1材料14a的折射率为n1(λ)、第2材料14b的折射率为n2(λ)、台阶的高度为d、波长为λ时，在本实施方式中，上述数式1的关系成立。使上述数式1的关系成立后，衍射光学元件10能够高效率地将白色光聚光。

在本实施方式的衍射光学元件10中，由于透镜基体11由树脂材料形成，所以与由玻璃材料形成的透镜基体相比，容易在透镜基体11上形成衍射光栅13。另外，通过使用规定衍射光栅13的形状的金属膜，在透镜基体11的表面复制衍射光栅13的形状的工序后，可以再现性良好地形成尺寸精度很高的衍射光栅13。使用这种金属膜反复进行复制工序，也由于成形的对象是树脂，所以金属膜的劣化很小，具有增加其耐用次数的优点。这样，在进行批量生产时，也能够完全按照设计的要求形成衍射光栅13，所以采用衬垫印刷法也能够使贴紧性良好地用光学调整层15覆盖。

这样，本实施方式的衍射光学元件10，在具有适合于薄型化、轻量化的结构的同时，还有利于降低制造成本、提高可靠性，宜于批量生产。

此外，由于利用1次衍射光高效率地将白色光聚光，所以在本实施方式中，使形成光学调整层15的第2材料14b的折射率，大于形成透镜基体11的第1材料14a的折射率，采用使各轮带区域的高度随着到光轴12的距离的增大而增大炫耀形状，形成衍射光栅13。

接着，参照图3(a)及(b)，详细讲述本实施方式中的衍射光学元件10的断面形状。图3(a)是表示现有技术的炫耀形状的设计方法的图形，图3(b)是表示本实施方式中的炫耀形状的设计方法的图形。

图3(a)及(b)的纵轴是相位φ，横轴是到光轴12(图2(a))的距离r。这些图中所示的曲线，表示取决于衍射光栅的相位的移动量，用将距离r作为变量的相位多相式f(r)表达。由于只相差2π的相位φ光学性地等效，所以可以通过将相位φ的移动量控制在0～2π的范围内地变换曲线后获得实际的衍射光栅的断面。在箭头的前端，绘出通过“形状变换”获得的炫耀形状。炫耀形状由伴随着距离r的增大相位φ在0～2π的范围内单调增加的多个部分(轮带区域)构成。在距离r大于零的区域，在多个位置中相位φ成为零。相位φ成为零的部分，是轮带区域的交界，该部分存在台阶。由图3(a)可知：距离r越大，轮带区域的宽度(邻接的台阶的间隔)就越小。

表示图3(a)的曲线的相位多项式f(r)，可以将表示光路差的多项式扩大2π/λ倍后获得。该光路差，可以利用以下的多项式F(r)获得。[公式2]F(r)＝a₁r+a₂r²+a₃r³+…+a_nrⁿ式中：a₁、a₂、a₃…，分别是1次、2次、3次…的系数。

使用上述F(r)，可以用以下的数式2表示相位多项式f(r)。[公式3]f(r)＝(2π/λ)·F(r)＝(2π/λ)·(a₁r+a₂r²+a₃r³+…+a_nrⁿ)……(数式2)式中：λ是设计波长(最有代表性)的是可见光域中的中心波长。在现有技术的设计中，如图3(a)所示，位于离光轴12最近的台阶的距离r₁，大于其它的轮带区域的宽度，以光轴12为中心形成半径r₁的凹部。

在具有这种形状的衍射光栅上，例如利用衬垫印刷法，形成由树脂构成的光学调整层后，在光轴12的附近，容易在光学调整层的表面形成凹部。

在本实施方式中，利用下述F’(r)规定光路差。[公式4]F’(r)＝α+a₁r+a₂r²+a₃r³+…+a_nrⁿ式中：α是不依存于距离r的常数项。采用以下的数式3，表示相位多项式f’(r)。[公式5]f’(r)＝(2π/λ)·F(r)＝2πα/λ+(2π/λ)·(a₁r+a₂r²+a₃r³+…+a_nrⁿ)……(数式3)

f’(r)是将常数项2πα/λ与f(r)相加后的值。因为f(0)＝0，所以f’(0)＝2λπα/成立。在本实施方式中，将α的大小调整为3λ/8以上7λ/8以下，从而将f’(0)设定成3/4π以上7/4π以下的大小。就是说，本实施方式中的衍射光栅，在光轴12(r＝0)处，对于2π的相位差(＝设计中心波长)而言，具有3/8以上7/8以下的比例的高度。

对该相位多项式f’(r)进行形状变换，从而在所有的距离r中，将相位调整成为0～2π的范围内。经过该形状变换后获得的炫耀波形，如图3(b)所示，在光轴12附近的凹部的半径较小。换言之，位于离光轴12最近的台阶的距离r₁，在本实施方式中，与图3(a)所示的现有技术的例子相比变小。

这样，相位多项式f’(r)包含不依存于距离r的常数项2πα/λ后，能够如图3(b)所示，使到光轴12最近的台阶为止的距离r1变短。其结果，即使例如利用衬垫印刷法，形成由覆盖这种衍射光栅的树脂构成的光学调整层后，也能够适当地维持光学调整层的表面形状。另外，大量生产这种衍射光学元件后，就可以生产该光学调整层的表面形状一致的均匀的形状的衍射光学元件。

图4(a)是表示采用本实施方式涉及的设计后形成的衍射光学元件的图形，图4(b)是表示采用现有技术的设计后形成的衍射光学元件的图形。

如果采用现有技术的设计，那么就如图4(b)所示，由于到光轴12最近的台阶18b为止的距离rb变大，所以在光轴12附近的光学调整层15中，产生倾斜15b，损坏衍射光学元件的光学特性。

另一方面，在本实施方式中，如图4(a)所示，由于到光轴12最近的台阶18a为止的距离ra变短，所以在光轴12附近的光学调整层15的表面15a，具有与透镜基体11的第1表面11a平行的形状，能够有效地将白色光聚光。进而，由于能够减少光轴12附近的光学调整层的厚度的离差，所以能够大批量地制造光学特性的离差较小的衍射光学元件。

图5是表示宜于作为光学调整层15使用的树脂材料19的一个例子的图形。树脂材料19具有将无机颗粒19b分散到树脂母材19a中的结构。树脂母材19a例如由光硬化树脂形成，无机颗粒19b例如由无机纳米颗粒形成。无机颗粒19b可以由从氧化锆、氧化铝及氧化钇构成的组中选择的至少一种材料形成。

采用这种结构后，能够大批量地在衍射光栅上形成高折射率低波长分散的光学调整层，能够实现可靠性很高的衍射光学元件。

接着，根据衍射光学元件的试作结果，具体讲述(数式3)的相位多项式中的常数项2πα/λ的数值范围的重要性。

图6是表示本发明的实施例——白色衍射光学元件30的剖面示意图。如图6所示，白色衍射光学元件30具备透镜基体31和覆盖在该透镜基体31上形成的衍射光栅33的光学调整层35。透镜基体31的第1表面31a，朝着光线(未图示)沿着光轴32前进的方向，具有凸状的非球面形状。

如图6所示，与透镜基体31的第1表面31a相对的第2表面31b，朝着沿着光轴32前进的方向，具有凹状的非球面形状。白色衍射光学元件30由树脂材料34形成，透镜基体31由第1材料34a形成。另外，光学调整层35由第2材料34b形成。第1材料34a，是由从聚碳酸酯类树脂、聚乙烯类树脂及芴类聚苯乙烯类树脂构成的组中选择的至少一种材料形成。

本实施方式中的透镜基体31的第1材料34a，是d线折射率为1.585、阿贝数28的聚碳酸酯。另一方面，光学调整层35的第2材料34b，是使直径3nm～10nm的氧化锆的纳米颗粒分散到以d线折射率为1.623、阿贝数42的丙烯酸类紫外线硬化树脂为主要成分的树脂中的材料。为了提高纳米颗粒的分散性，在该光学调整层35中，还含有树脂类的分散剂及紫外线硬化开始剂。

衍射光栅33的台阶36的高度为15μm。在可见波长域为400～700nm中，本实施方式的1次衍射效率成为95％以上。光学调整层35的膜厚为30μm，沿着非球面形状，膜厚基本成为一定地形成。

图6所示的白色衍射光学元件30的衍射光栅33的形状，用上述(数式2)的相位多项式f(r)表达。此外，在(数式2)中，F为光路差多项式，f为相位多项式，r为到光轴的半径方向的距离，λ为设计波长，a₁、a₂、a₃…为下标的次数的系数。

[表1]

透镜的半视场角	35.4°
		焦点距离f	1.814mm
F编号	4
		第2面的有效半径	511.5μm

透镜的面间距离t(光轴上的面中心间距离)

0.8mm

[表2]

	第1面的非球面系数	第2面的非球面系数
			曲率半径	-2.42885	-0.94866
圆锥曲线系数	-1667.67	-0.93859
			4次系数	-6.65671	0.133211
6次系数	183.2213	-2.13077
			8次系数	-2881.49	6.45317
10次系数	17706.08	-8.73971

[表3]

衍射次数设计波长λ	1次540nm
		a2a4a6a8a10	-0.03284-0.157591.08081-3.404854.044572

表1示出白色衍射光学元件30的透镜数值数据，表2示出非球面系数，表3示出透镜基体的第2表面的衍射系数。白色衍射光学元件30的设计中心波长λ＝550nm，覆盖波长400nm～波长700nm的波长范围。

衍射光栅的轮带区域，在第2表面31b的有效半径511.5μm中，存在20条。对于从光轴数起的第n个台阶而言，使到光轴的半径方向的距离为r_n后，r_n及到靠近的光轴的台阶的距离，就成为以下的表4所示。

[表4]

从光轴到台阶的距离

邻接的台阶之间的距离

r1124.2μmr2171.8r3206.9r4236.0r5261.3r6284.2r7305.2r8324.9r9343.5r10361.2r11378.2r12394.5r13410.2r14425.3r15439.9r16454.0r17467.7r18481.0r19493.9r20506.5

与光轴间的距离124.2μmr2-r147.6μmr3-r235.1r4-r329.1r5-r425.3r6-r522.9r7-r621.0r8-r719.7r9-r818.6r10-r917.7r11-r1017.0r12-r1116.3r13-r1215.7r14-r1315.1r15-r1414.6r16-r1514.1r17-r1613.7r18-r1713.3r19-r1812.9r20-r1912.6

根据这些数据设计的白色衍射光学元件30的透镜的摄像性能指标——MTF，在设计上是空间频率80lp/mm、在视场角0°中是61.4％。

接着，在规定的范围内，使规定白色衍射光学元件30的衍射光栅33的形状的相位多项式中的α的值变化。评价光学调整层的表面形状，在α的值超出所需的范围时，如图7所示，在透镜中央部的光学调整层35上形成研磨碗状的凹陷。如图7所示，使凹部的最深的位置中的光学调整层的厚度和理想厚度(设计厚度)的偏移量为δ，凹部的直径为W。

以下的表5，示出α的值和到光轴的半径方向的距离以及透镜的MTF的评价结果的关系。

[表5]

由表5可知：例如α为3λ/8时，离光轴最近的衍射光栅的台阶和光轴的距离r1是108.3μm，δ为3μm，宽度W为140μm。此外，膜厚T为30μm，衍射光栅的台阶d为15μm。

如果α为3λ/8以上，光学调整层形成的凹部较小，没有问题。

此外，α＞7λ/8时，由于从光轴到第1个台阶的距离过于小，所以难以进行金属膜加工，没有能够试制出衍射光栅。因为α越接近λ，第1个台阶和第2个台阶的间隔就越大，所以在光学调整层中容易产生凹陷，容易出现摄像性能劣化。

由以上的结果可知：在3λ/8≤α≤7λ/8的范围内，可以获得良好的摄像性能。此外，如果使它为d₀，那么d·α/λ就示出r＝0的轮带区域的高度。如果使这时的r＝0的衍射台阶的高度为d，那么d·α/λ就示出r＝0的轮带区域的高度。如果使这它为d₀，那么d₀就满足3d/8≤d₀≤7d/8的关系。另外，α更理想的范围是λ/2≤α≤7λ/8，这时的r＝0的轮带区域的高度d₀，就满足d/2≤d₀≤7d/8的关系。

此外，如果图7中的δ小于3μm，摄像性能的劣化就较小，由试验也可知在实用上没有问题。另外还知道：即使δ≥3μm，如果下列数式4中的β为0.1以下，摄像性能的劣化也同样较小，在实用上没有问题。[公式6]β＝δ·W/[4·(Δr_nの最大値)·(T-d)]……(数式4)

此外，数式4中的Δr_n，是到光轴第(n-1)个台阶和第n个台阶之间的距离，用Δr_n＝r_n-r_n-1决定。此外，使r₀＝0。

(第2实施方式)接着，参照图8(a)～(c)及图9(a)～(c)，讲述形成图1的衍射光学元件10中的光学调整层15的方法的一个例子。图8(a)～(c)及图9(a)～(c)是示意性地表示本实施方式涉及的光学调整层15的制作方法的工序剖面图。

首先，如图8(a)所示，准备上面具有凹部20a的版20。使液态的树脂材料19，例如从分配器21中流入该版20的凹部20a。树脂材料19被平面状地伸展，调整成大致均匀的厚度。在本实施方式中，图5所示的树脂材料19的树脂母材19a例如使用UV硬化树脂等光硬化树脂，无机颗粒19b使用例如由氧化锆材料构成的无机纳米颗粒。

接着，使图8(b)所示的衬垫22接近版20上的树脂材料19，使树脂材料19附着在衬垫22的主面上。

另一方面，准备形成了衍射光栅13的透镜基体11，将透镜基体11固定在图8(c)所示的固定夹具23上。这时，透镜基体11的形成了衍射光栅13的面，成为从固定夹具23向上方露出的状态。在本实施方式中，透镜基体11例如由聚烯类的树脂材料形成，透镜基体11的衍射光栅13具有图4(a)所示的断面结构。

接着，在固定夹具23的上方，配置在主面上附着了树脂材料19的状态的衬垫22，将树脂材料19按压到透镜基体11的形成了衍射光栅13的面上。这时，调整对于透镜基体11而言的树脂材料19的按压位置，以便使光学特性良好。

再接着，如图9(a)所示，利用衬垫22的弹力，毫无间隙地覆盖透镜基体11的衍射光栅13，而且使其贴紧地按压树脂材料19，从而形成光学调整层15。

使衬垫22离开固定夹具23后，在被固定夹具23固定的状态下，将衍射光学元件10配置在低温干熘炉中。在低温干熘炉内，在100～150℃左右的干燥的保护气24中，配置衍射光学元件10，进行12小时左右的干燥。这样，能够在提高光学调整层15及衍射光栅13的交界面的贴紧性的同时，还能够使构成透镜基体11及光学调整层15的树脂材料稳定化。

在本实施方式中，与透镜基体11的折射率相比，光学调整层15的折射率变大。结束干燥后，如图9(c)所示，由UV光源25向衍射光学元件10照射UV光25a。这样，包含树脂母材19a的光学调整层15的整体被硬化。

采用本实施方式的方法后，由于透镜基体11形成的衍射光栅13的断面，具有图4(a)所示的结构，所以光学调整层15的中央部不会凹陷，能够获得适当的形状的光学调整层15。

本发明因为能够实现高聚光效率的白色衍射光学元件，所以可以薄型化、轻量化，能够确保低成本化、高可靠性等，可以作为宜于批量生产的衍射光学元件。这样，使用本发明的衍射光学元件后，能够推进携带式信息机器及信息家电等电子机器的薄型化、小型化、轻量化，降低制造成本，提高可靠性。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件，具有：

透镜基体，该透镜基体在非球面的表面上设置了炫耀型的衍射光栅；和

光学调整层，该光学调整层覆盖所述衍射光栅，

所述透镜基体由第1材料形成，所述光学调整层由折射率大于所述第1材料的第2材料形成，

所述衍射光栅，具有以光轴为中心的同心圆状排列的多个轮带区域，各轮带区域相对于所述透镜基体上所述非球面的表面的高度，分别由自所述光轴的距离r的增加函数来表达；

所述增加函数，以将距离r作为变量的相位多相式表达，在距离r＝0时，所述相位多相式具有3/4π以上7/4π以下的大小。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：使所述衍射光栅的台阶的高度为d时，距离r＝0的位置处的所述轮带区域的高度d₀，在3d/8≤d₀≤7d/8的范围内。

3.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：所述第1材料由第1树脂材料构成；所述第2材料由第2树脂材料构成。

4.如权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于：所述第2材料，包含被分散到所述第2树脂材料中的微粒。

5.如权利要求4所述的衍射光学元件，其特征在于：所述微粒是无机颗粒；所述第2树脂是光硬化树脂。

6.如权利要求5所述的衍射光学元件，其特征在于：所述无机颗粒，是由从氧化锆、氧化铝及氧化钇构成的组中选择的至少一种材料形成。

7.如权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于：所述第1材料，是由从聚碳酸酯类树脂、聚乙烯类树脂及芴类聚苯乙烯类树脂构成的组中选择的至少一种材料形成。

8.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于：所述非球面的表面，朝着光线沿着所述光轴前进的方向的前方，为凸状。

9.如权利要求8所述的衍射光学元件，其特征在于：所述透镜基体中未设置所述衍射光栅的面，朝着光线沿着所述光轴前进的方向的前方，为凹状的非球面形状。

10.一种衍射光学元件的制造方法，包含：

准备由第1树脂材料形成的、在非球面的表面上设置了炫耀型的衍射光栅的透镜基体的工序；和

采用衬垫印刷法，在所述衍射光栅上形成由折射率大于所述第1树脂材料的第2树脂材料形成的光学调整层的工序，

所述衍射光栅，具有以光轴为中心的同心圆状排列的多个轮带区域，各轮带区域相对于所述透镜基体中所述非球面的表面的高度，分别利用自所述光轴的距离r的增加函数来表达；

所述增加函数，以将距离r作为变量的相位多相式表达，在距离r＝0时，所述相位多相式，具有3/4π以上7/4π以下的大小。

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