CN102841394B - 衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衍射光学元件，其包括由第1光学材料构成并在表面具有衍射光栅的基体、和由第2光学材料构成并以覆盖衍射光栅的方式设置在基体的光学调整层，通过衍射光栅的前端的包络面是曲面，光学调整层从包络面起在法线方向上具有均等的厚度。该衍射光学元件能抑制色相不均、因热冲击引起的裂纹发生。

Description

衍射光学元件

技术领域

本发明涉及衍射光学元件，特别涉及由不同的2个以上的部件构成的衍射光学元件。

背景技术

衍射光学元件具备在由玻璃或树脂等的光学材料构成的基体中设置有使光衍射的衍射光栅的构造。衍射光学元件用于摄像装置或包含光学记录装置的各种光学设备的光学系统中，例如，已知用于被设计成将特定级数的衍射光汇集于1点的透镜、空间低通滤波器、偏振全息等。

衍射光学元件具有使光学系统变得紧凑的这种特点。此外，与折射相反，越是长波长的光则衍射得越强烈，因此，通过组合衍射光学元件和利用折射的通常的光学元件，还能够改善光学系统的色象差、像面弯曲。

但是，衍射效率理论上依赖于光的波长。因此，当按照特定波长的光的衍射效率为最佳的方式来设计衍射光学元件时，会产生对于其他波长的光而言衍射效率下降的这种问题。例如，在相机用镜头等利用白色光的光学系统中使用衍射光学元件的情况下，由于该衍射效率的波长依赖性，从而会产生因色相不均、不要级数光而引起的光斑，仅仅由衍射光学元件构成具有适当的光学特性的光学系统是较为困难的。

针对这种技术问题，专利文献1公开了一种相位差型的衍射光学元件，其具备：基体，由光学材料构成，且在表面设有衍射光栅；和光学调整层，由与基体不同的光学材料构成，覆盖衍射光栅。

将透过衍射光学元件的光的波长设为λ，将2种光学材料的波长λ处的折射率设为n1(λ)及n2(λ)，将衍射光栅的深度设为d。在折射率n1(λ)及n2(λ)和d满足以下的式(1)的关系时，针对波长λ的光的m级衍射效率为100％。在此，m为整数，表示衍射级数。

【数1】

$d=\frac{\mathrm{m\λ}}{|n1\left(\mathrm{\λ}\right)-n2\left(\mathrm{\λ}\right)|}---\left(1\right)$

因此，在所使用的光的波段内，如果能够组合具有d大致恒定的这种波长依赖性的折射率n1(λ)的光学材料和折射率n2(λ)的光学材料，则能够降低衍射效率的波长依赖性。一般会组合折射率高且波长色散低的材料、和折射率低且波长色散高的材料。专利文献1公开了作为构成基体的光学材料使用玻璃或者树脂，而作为构成光学调整层的光学材料使用紫外线固化树脂。

专利文献2公开了在具有同样构造的相位差型的衍射光学元件中，作为构成基体的光学材料使用玻璃，作为构成光学调整层的光学材料使用能量固化型树脂。专利文献2公开了通过该构造能够降低衍射效率的波长依赖性，能够有效地防止因色相不均或不要级数光引起的光斑产生等。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：JP特开平10-268116号公报

专利文献2：JP特开2001-249208号公报

本申请发明者针对现有的相位差型的衍射光学元件的光学特性、耐久性进行了研究，发现即便是被设计成充分获得MTF(Modulation TransferFunction)等光学性能的衍射光学元件，在用于摄像的情况下有时也会发生色相不均。此外，还发现在光学调整层的形成时或热冲击试验等的环境试验时，在光学调整层中会出现裂纹。再者，进一步发现在现有的衍射光学元件中，用于得到如设计那样的光学性能的、关于光学调整层的形状的容许误差较小，如果不高精度地形成光学调整层，则难以获得具有期望的光学性能的衍射光学元件。

发明内容

本发明的目的在于提供一种解决这种现有技术中的至少一个问题的具有新构造的衍射光学元件。

本发明的衍射光学元件具备：基体，其由第1光学材料构成，在表面具有衍射光栅；和光学调整层，其由第2光学材料构成，以覆盖所述衍射光栅的方式设置在所述基体，通过所述衍射光栅的前端的包络面是曲面，所述光学调整层从所述包络面开始在法线方向上具有均等的厚度。

在某个优选的实施方式中，所述光学调整层的表面具有非球面形状。

在某个优选的实施方式中，所述第2光学材料包含树脂。

在某个优选的实施方式中，所述第2光学材料还包含无机粒子，所述无机粒子分散在所述树脂中。

在某个优选的实施方式中，所述第1光学材料的折射率小于所述第2光学材料的折射率，所述第1光学材料的折射率的波长色散性大于所述第2光学材料的折射率的波长色散性。

在某个优选的实施方式中，所述第1光学材料包含其他的树脂。

发明效果

根据本发明，由于光学调整层从通过衍射光栅的前端的包络面开始在法线方向上具有恒定的厚度，因此在透镜的中心部和周边部能够减小光线通过的光学调整层的厚度之差，能够减少色相不均。进而，即便在制作曲率较大的透镜的情况下，由于也不会出现在透镜周边部光学调整层的厚度变薄的这种问题，因此在实施热冲击试验等的环境试验时，能够防止裂纹的产生。此外，因为能够增加光学调整层在垂直于光轴的方向上的偏移容许度，因此能够制造出制造容限较宽的衍射光学元件。

附图说明

图1(a)是示意地表示现有技术的衍射光学元件的剖面构造的图，(b)是示意地表示光学调整层的半径方向的厚度分布的图。

图2(a)是示意地表示本发明的衍射光学元件的第1实施方式的剖面构造的图，(b)是示意地表示光学调整层的半径方向的厚度分布的图。

图3(a)至(c)是表示图2所示的衍射光学元件的制造方法的一例的工序剖面图。

图4(a)是示意地表示本发明的衍射光学元件的第2实施方式的剖面构造的图，(b)是示意地表示光学调整层的半径方向的厚度分布的图。

图5是说明粒子的有效粒径的定义的曲线图。

符号说明：

1、11基体

2、12衍射光栅

3、3’、13光学调整层

4、14包络面

5、15光轴

6无机粒子

7第2树脂

17分配器

18模具

21、22、121衍射光学元件

具体实施方式

本申请发明者为了解决现有的衍射光学元件中的上述问题，对现有的衍射光学元件的构造进行了详细的研究。图1(a)示意地表示现有的衍射光学元件22的剖面构造，图1(b)表示光学调整层13的半径方向的厚度的分布。

现有的衍射光学元件22具备：基体11，其由第1光学材料构成，在表面设有衍射光栅12；及光学调整层13，其由第2光学材料构成，被设置成覆盖衍射光栅12。为了使衍射光学元件22具有一般的基于衍射光栅12的衍射作用以外，还具有基于透镜的聚光作用，衍射光栅12被设置在具有发挥透镜作用的非球面形状的基底形状11b的基体11上。因此，通过衍射光栅12的前端的包络面14具有与基底形状11b相同的非球面形状。

由于光学调整层13是为了降低衍射光栅12的波长依赖性而设置的，因此通常光学调整层13的表面形状设定为与衍射光栅12的前端的包络面14相同的非球面形状，以进行最优化设计。这是因为：由于光学调整层13的上述功能由构成光学调整层13的第2光学材料来决定，因此不需要改变光学调整层13的表面13s的形状，通过设定成与衍射光栅12的前端的包络面14相同的非球面形状，在不增加参数的情况下就能够进行透镜最优化设计。

但是，本申请发明者对现有的衍射光学元件22的构造等进行研究之后，发现在光学调整层13的表面形状是与衍射光栅13的前端的包络面14相同的非球面形状的情况下，也会发生以下的问题。

在光学调整层13的表面形状和衍射光栅13的前端的包络面14具有相同的非球面形状的情况下，如图1(a)(b)所示那样，若除去进入衍射光栅12的轮带(orbicular zone)的部分，则光学调整层13在光轴15方向上具有相等的厚度。也就是说，光轴15处的厚度t5与半径方向的任意点处的平行于光轴15的方向p4上的厚度t4相等。但是，该情况下，因为由衍射光栅12进行衍射之后的光并不是始终以平行于光轴的角度入射至光学调整层13，因此例如若是曲率半径小的透镜，则光线通过的距离在透镜的中心处变长，而越向周边则越短。因此，越是透过衍射光学元件的周边的光，则光路长越短。另一方面，对于光学调整层中使用的树脂材料而言，因电子迁移吸收，从而靠近紫外波段的短波长侧的透过率容易下降，此外透过率相对于厚度的增加会以指数函数下降。因此，在透镜的中心部和周边部，特别是短波长侧的透过率会出现差异。其结果，在将现有的衍射光学元件22用于摄影时，在所拍摄的图像中会产生色相不均。

此外，尽管光学调整层13的包络面14的各点处的法线方向的厚度是光学调整层13的实质上的厚度，但是如图2(a)所示，周边部的法线方向n4的厚度t6小于中心部的法线方向的厚度t5。如图2(b)所示，光轴15方向的厚度在半径方向的任何位置处都是恒定的，但包络面14的法线方向的厚度越是周边部则变得越小。因此，在光学调整层13中，会产生依赖于中心部和周边部的厚度的应力差，在形成光学调整层13时或实施热冲击试验等的环境试验时，容易在光学调整层13中出现裂纹。

此外，由于基体11的基底形状11b的曲率越大则包络面14的曲率也变得越大，因此越是周边部则包络面14的法线方向的厚度t6变得越小。因此，光学调整层13的表面13s的形状的中心相对于基体11的光轴15的偏移的容许误差变小。为了增大该容许误差，考虑增大光学调整层13在光轴15方向上的厚度，但此时会显著产生上述的色相不均。

本申请发明者基于这种见解，想到具有新的构造的衍射光学元件。本发明的衍射光学元件以覆盖具有衍射光栅的基体的方式形成光学调整层，光学调整层在通过衍射光栅的前端的包络面的法线方向上具有均等的膜厚。由此，能够防止因制造时的第2光学材料的固化收缩或热冲击试验等环境试验而在光学调整层中产生的应力所引起的裂纹，进而还能够降低色相不均。

再者，在现有的衍射光学元件中，仅仅按照光学调整层在通过衍射光栅的前端的包络面的法线方向上具有均等的厚度的方式进行变更时，这样衍射光学元件的MTF特性会下降。本发明的衍射光学元件为了抑制MTF特性的下降，在设计衍射光学元件时，将通过衍射光栅的前端的包络面与光学调整层的表面的法线方向上的距离在衍射光学元件的有效区域内设定为恒定，将基体的其他面的形状等作为参数来使衍射光学元件的特性最优化，在实用方面具有充分的特性。以下，说明本发明的具体的实施方式。

(第1实施方式)

图2(a)表示本发明的衍射光学元件的实施方式的剖面图。衍射光学元件21具备基体1及光学调整层3。基体1由第1光学材料构成，光学调整层3由包含第2树脂的第2光学材料构成。

在基体1的一个主面设置衍射光栅2。根据基体1和光学调整层3的光学特性、最终要得到的衍射光学元件21的光学设计，决定衍射光栅2的剖面形状、配置、间距、深度。例如，在使衍射光栅2具有透镜作用的情况下，只要使具有锯齿状的剖面形状的轮带按照间距从透镜的中心向周边变小的方式连续地变化，来配置成同心圆状即可。该情况下，优选基体1的基底形状1b(通过衍射光栅2的沟槽的包络面)是非球面或者球面。由此，能够实现由基体1的基底形状引起的折射作用和衍射光栅2的衍射作用的最佳组合，能够均衡地改善色象差和像面弯曲等，可获得具有高摄像性能的透镜。衍射光栅2的深度d能够利用式(1)来决定。

再者，图2(a)中示出了在一个主面具有衍射光栅2的衍射光学元件，但也可以在基体1的其他主面也设置衍射光栅2。此外，图2(a)中示出了一面是具有衍射光栅2的凸面、相反的一面是平面的衍射光学元件，但只要至少在任意一面形成了衍射光栅，则基体1的2个主面可以是两凸面、凸面和凹面、两凹面。在这种情况下，衍射光栅既可以仅形成在一个面，也可以形成在两面。在两面形成衍射光栅的情况下，只要满足衍射光学元件所要求的性能，则两面的衍射光栅的形状、配置、间距、衍射光栅深度未必一致。

优选衍射光学元件21的有效区域、即基体1中的设置衍射光栅2的区域的直径r1为2.6mm以下。此外，优选通过衍射光栅2的沟槽的包络面(基底形状1b)的曲率半径为±1.3mm以下(-1.3mm～+1.3mm的范围)。在直径及曲率半径处于该范围内的情况下，特别是在衍射光栅2的周边部，由于光学调整层3的从包络面起在法线方向上的厚度和在光轴方向上的厚度容易出现差值，因此本申请发明的结构是有效果的。

为了降低衍射光学元件21中的衍射效率的波长依赖性，光学调整层3被设置成以至少掩埋衍射光栅2的梯级差的方式来覆盖基体1的设置有衍射光栅2的主面。在本实施方式中，如图2(a)所示那样，光学调整层3在除去进入衍射光栅2的轮带的部分之后，在相对于通过衍射光栅2的前端的包络面4的法线(n1、n2、n3)方向上具有均等的厚度t1、t2、t3。也就是说，由光学调整层3的表面3s和通过衍射光栅2的前端的包络面4所规定的厚度，在相对于包络面4的法线(n1、n2、n3)方向上实质上是均等的。在此，所谓实质上均等，是指与厚度的设计值的偏离在光学调整层3的任意位置处都在±2％的范围内。由此，在实施热冲击试验等的环境试验的情况下，能够防止光学调整层3中出现裂纹，进而能够降低摄像图像中的色相不均。

图2(b)是示意地表示光学调整层3中的、包络面4的法线方向的厚度及光轴5方向的厚度。光学调整层3的法线方向的厚度与半径位置无关是大致恒定的。相对于此，光轴5方向的厚度随着半径位置变大而变大。

为了降低衍射效率的波长依赖性，优选基体1及光学调整层3在所使用的光的全部波长区域中基本满足式(1)。在此，所谓的“基本满足”，具体而言是指在所使用的光的全部波长区域中满足以下的式(1’)。

【数2】

$0.95d\≤\frac{\mathrm{\λ}}{|n1\left(\mathrm{\λ}\right)-n2\left(\mathrm{\λ}\right)|}\≤1.05d---(1\′)$

为此，优选基体1的第1光学材料和光学调整层3的第2光学材料表现出折射率的波长依赖性相反的趋势，具有使折射率相对于波长的变化彼此抵消的特性。更为具体而言，优选第1光学材料的折射率小于第2光学材料的折射率，第1光学材料的折射率的波长色散性大于第2光学材料的折射率的波长色散性。此外，相反，只要满足式(1)，也可以是第1光学材料的折射率大于第2光学材料的折射率，第1光学材料的折射率的波长色散性小于第2光学材料的折射率的波长色散性。

折射率的波长色散性例如由阿贝数表示。阿贝数越大，则折射率的波长色散性越小。因此，优选第1光学材料的折射率小于第2光学材料的折射率，且第1光学材料的阿贝数小于第2光学材料的阿贝数。

优选通过衍射光栅2的前端的包络面4是曲面，具体而言优选是球面形状或者非球面形状。特别在包络面4具有非球面形状的情况下，由于能够修正在球面形状时无法修正的透镜像差，所以优选。所谓“非球面形状”的面是满足下述式(2)的曲面。

【数3】

$z=\frac{c{(x^2-y^2)}^2}{1+\sqrt{1-{(K+1)c}^2{(x^2-y^2)}^4}}+A{(x^2-y^2)}^4+B{(x^2-y^2)}^6+C(x^2-y^2)8+{D(x^2-y^2)}^{10}---\left(2\right)$

在此，式(2)是表示围绕垂直于X-Y平面的Z轴使其旋转时的非球面的公式，c为中心曲率，A、B、C、D是表示与2次曲面的偏移的系数。此外，根据K值的不同，出现以下这种的非球面。

在0＞K时，以短轴为光轴的椭圆面

在-1＜K＜0时，以长轴为光轴的椭圆面

在K＝-1时，抛物面

在K＜-1时，双曲面

优选构成基体1的第1光学材料在所使用的光的波段或者设计波段中具有充分的透明性。此外，优选与第2光学材料之间满足式(1)或者式(1’)的关系。例如将光学玻璃、透明陶瓷、光学用透明树脂等用作第1光学材料。其中，从生产性的观点考虑，优选构成基体1的第1光学材料包含树脂。之所以作为第1光学材料使用包含树脂的材料，是因为在透镜的生产过程中考虑到生产性最为期待的模具成形时，在包含玻璃的材料中，模具的耐久性为包含树脂的材料的1/10以下，具有衍射光栅形状的基体1的制造不容易，与此相对，包含树脂的材料能够应用射出成形等的量产性高的制造方法。此外，由于包含树脂的材料容易通过模具成形或其他加工法实施微细加工，因此通过减小衍射光栅2的间距从而可提高衍射光学元件21的性能、或者使衍射光学元件21小型化。再有，还能够实现衍射光学元件21的轻量化。

作为树脂，从一般作为光学元件的基体而使用的透光性的树脂材料中，选择具有能够降低衍射光学元件的设计级数下的衍射效率的波长依赖性的折射率特性和波长色散性的材料。第1光学材料除了树脂以外，还可以包含用于调整折射率等光学特性或热膨胀性等力学特性的无机物粒子、吸收特定波长区域的电磁波的染料或颜料等的添加剂。

构成光学调整层3的第2光学材料包含第2树脂。作为第2光学材料使用包含树脂的材料，也是因为掩埋衍射光栅2的梯级差的光学调整层3的成形性优异。再有，由于成形温度也比无机材料低，因此在基体1由包含第1树脂的第1光学材料构成的情况下特别优选。再者，从生产性的观点考虑，优选第2树脂是能量线固化树脂。

在此，树脂材料在固化时引起收缩，在内部产生应力。由于内部应力与厚度成反比例，因此如果在固化之后的树脂中存在厚度不同的部分，则会产生内部应力差。该情况下，在树脂固化时、或者在热冲击试验等树脂的温度急剧变化的环境中，在树脂薄的部分应力集中，容易产生裂纹。根据本实施方式的衍射光学元件21，由于光学调整层3的机械性的厚度、即相对于包络面的法线方向的厚度是均等的，因此能够抑制因树脂的固化时以及急剧的温度变化引起的内部应力差增大，能够抑制光学调整层3中出现裂纹。

再者，如上述，为了通过使光学调整层3的厚度在法线方向上恒定来抑制衍射光学元件21整体的MTF特性下降，在设计衍射光学元件21时，优选通过透镜设计软件来使光学调整层3的、相对于包络面的法线方向的厚度以外的参数优化。作为被优化的参数，列举出规定基体1的基底非球面形状1b的参数、基体1的未设置衍射光栅的主面的非球面形状等。

衍射光学元件21例如通过以下的方法来制作。制作方法可使用成型、切削、研磨、光造形等。特别在第2光学材料包含树脂的情况下，通过进行射出成型能够以高生产性制作衍射光学元件21。

首先，如图3(a)所示，使用构成基体1的第1光学材料，制作设置有衍射光栅2的基体1。如上述，如果使用射出成型来制作基体1，则可提高生产性。

接下来，如图3(b)所示，使用分配器17等将第2光学材料的原料13配置在基体1的衍射光栅2上。然后，如图3(c)所示，使模具18从第2光学材料的原料13之上按压至第2光学材料的原料13，成型为光学调整层3的形状。模具18的表面18s具有与光学调整层3的表面3s对应的形状，由模具18的表面18s和基体1所夹的空间18i规定光学调整层23的形状。

在第2光学材料包含紫外线固化树脂时，从基体1的背面、或者在使用透光性的模具18时经由模具照射紫外线，来使第2光学材料固化。将设置有固化之后的光学调整层3的基体1与模具分离，得到衍射光学元件21。

模具18和基体1在垂直于光轴的方向上的对位，依赖于模具的构造、光学调整层3的表面3s(曲面的曲率)、衍射光学元件所要求的光学特性。在衍射光学元件的直径为1～2mm左右的情况下，优选上述的对位精度为10μm以下。

这样，根据本实施方式的衍射光学元件，由于光学调整层在衍射光栅的前端包络面的法线方向上具有均等的厚度，因此在热冲击试验等的环境试验中也不会出现裂纹，还能够获得摄像图像中的色相不均较少的衍射光学元件。再者，还能够增大光学调整层在垂直于光轴的方向上的偏移容许度，能够提供制造容限较宽的衍射光学元件。

(第2实施方式)

说明本发明的衍射光学元件的第2实施方式。图4示意地表示衍射光学元件121的剖面。衍射光学元件121与第1实施方式的不同点在于，作为构成光学调整层3’的第2光学材料，采用在第2树脂7中分散了无机粒子6的合成材料。本发明申请人在国际公开第07/026597号公报中提出了将这种合成材料用于光学调整层的衍射光学元件。

通过采用在第2树脂7中分散了无机粒子6的合成材料，能够调整第2光学材料的折射率及阿贝数。因此，将调整之后的具有合适的折射率及阿贝数的第2光学材料应用于光学调整层3’，能够改善衍射光学元件121的波段中的衍射效率。

此外，通过将折射率高的无机粒子6分散在第2树脂7中，能够使第2光学材料具有在树脂单体中无法达到的高折射率。因此，能够增大第1光学材料与第2光学材料之间的折射率差，根据式(1)以及式(1’)可明确，能够降低衍射光栅2的深度。其结果，在通过成形来制作基体1时，可改善衍射光栅2的转印性。此外，由于能够使衍射光栅2的梯级差变浅，因此减小梯级差的间隔也容易进行转印。因而，能够实现因衍射光栅2的狭间距化带来的衍射性能的提高。再有，在第2树脂中也可使用具有各种物性的材料，容易使其同时具有光学以外的特性。

一般多数情况下无机粒子6的折射率高于树脂。因此，在基体1中使用包含第1树脂的第1光学材料，作为光学调整层3’使用在第2树脂7中分散了无机粒子6的第2光学材料的情况下，对于按照与第1光学材料相比第2光学材料表示高折射率低波长色散性的方式进行调整，由于作为无机粒子6而能选择的材料较多，因此优选。换言之，优选与第2光学材料相比第1光学材料是低折射率高波长色散性。

作为合成材料的第2光学材料的折射率能够根据第2树脂7及无机粒子6的折射率通过例如由下述式(3)表示的Maxwell-garnett理论来估计。

在式(3)中，n_COMλ是在某个特定波长λ处的第2光学材料的平均折射率，n_pλ、n_mλ分别是在该波长λ处的无机粒子及第2树脂的折射率。P是无机粒子相对于第2光学材料整体的体积比。在式(2)中，作为波长λ通过分别估计夫琅和费的D线(589.2nm)F线(486.1nm)C线(656.3nm)处的折射率，还能够进一步估计合成材料的阿贝数。相反，根据基于该理论的估计，还可以确定第2树脂和无机粒子的混合比。

【数4】

${n_{\mathrm{COM\λ}}}^2=\frac{{n_{\mathrm{p\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{m\λ}}}^2+2P({n_{\mathrm{p\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{m\λ}}}^2)}{{n_{\mathrm{p\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{m\λ}}}^2-P({n_{\mathrm{p\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{m\λ}}}^2)}{n_{\mathrm{m\λ}}}^2---\left(3\right)$

此外，在式(3)中，在无机粒子6吸收光的情况下或无机粒子6含有金属的情况下，将式(3)的折射率作为复函数折射率来计算。式(3)是在n_pλ≥n_mλ时成立的式子，在n_pλ＜n_mλ的情况下利用以下的式(4)来估计折射率。

【数5】

${n_{\mathrm{COM\λ}}}^2=\frac{{n_{\mathrm{m\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{p\λ}}}^2+2(1-P)({n_{\mathrm{m\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{p\λ}}}^2)}{{n_{\mathrm{m\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{p\λ}}}^2-(1-P)({n_{\mathrm{m\λ}}}^2+{{2n}_{\mathrm{p\λ}}}^2)}{n_{\mathrm{p\λ}}}^2---\left(4\right)$

如上述，作为光学调整层3’在采用由合成材料构成的第2光学材料的情况下，需要第2光学材料具有高于第1光学材料的折射率，且具有低于第1光学材料的波长色散性。因此，优选在第2树脂中分散的无机粒子6也以低波长色散性即高阿贝数的材料作为主成分。例如，特别优选将从由氧化锆(阿贝数：35)、氧化钇(阿贝数：34)、氧化镧(阿贝数：35)、氧化铪(阿贝数32)、氧化钪(阿贝数：27)、氧化铝(阿贝数：76)及二氧化硅(阿贝数：68)组成的组中选择的至少一个氧化物作为主成分。此外，也可以使用这些的复合氧化物。在衍射光学元件121所使用的光的波段中，只要满足式(1)或者式(1’)，则除了这些的无机粒子以外，还可以存在例如以氧化钛和氧化锌等为代表的表现高折射率的无机粒子等。

优选无机粒子6的有效粒径在1nm以上100nm以下。通过有效粒径为100nm以下，能够降低因瑞利散射引起的损耗，能够提高光学调整层3’的透明性。此外，通过将有效粒径设定为1nm以上，能够抑制由量子效应引起的发光等的影响。第2光学材料根据需要还可以包含改善无机粒子的分散性的分散剂、聚合引发剂、流平剂等的添加剂。

在此参照图5来说明有效粒径。在图5中，横轴表示无机物粒子的粒径，左侧的纵轴表示相对于横轴的粒径的无机粒子的频度。此外，右侧的纵轴表示粒径的累积频度。所谓有效粒径，是指在全部无机物粒子之中，在其粒径频度分布中将累积频度为50％的粒径设为中心粒径(中值径：d50)，以该中心粒径为中心处于累积频度为50％的范围A中的粒径范围B。因此，优选无机粒子6的被这样定义的有效粒径的范围在1nm以上100nm以下的范围内。为了高精度地求出有效粒径的值，例如优选测量200个以上的无机物粒子。

在作为光学调整层3’使用由合成材料构成的第2光学材料时，能够使衍射光栅2的梯级差变小，也能够使应该形成为覆盖衍射光栅2的光学调整层3’变薄。由此，能够实现因无机粒子6引起的光学调整层3’内的瑞利散射减少，光学损耗更少的衍射光学元件22。

作为第2光学材料使用分散了无机粒子的合成材料时，由于树脂成分减少，因此韧性下降，在产生内部应力差的情况下容易发生裂纹。如本实施方式那样构成为使光学调整层的形状从通过衍射光栅的前端的包络面起在法线方向上成为恒定的厚度从而内部应力差变少，这样能够在进行热冲击试验等的环境试验时防止出现裂纹。

再者，在上述第1及第2实施方式的衍射光学元件21、121中，还可以在光学调整层3、3’的表面设置反射防止层。反射防止层具有由折射率低于光学调整层3、3’的材料的膜构成的单层构造，或者具有由折射率比光学调整层3、3’低的材料的膜和比它其高的材料的膜构成的多层构造。作为反射防止层中使用的材料，例如列举出树脂、树脂和无机粒子的合成材料、或者通过真空蒸镀、溅射法、CVD法等形成的无机薄膜等。在作为反射防止层采用合成材料的情况下，作为无机物粒子可采用折射率低的二氧化硅、氧化铝、氧化镁等。

此外，衍射光学元件21、121也可以在光学调整层3、3’的表面具有毫微构造的反射防止形状。毫微构造的反射防止形状通过例如基于模具的转印工法(毫微压印：nano imprint)能够容易形成。

再有，衍射光学元件21、121还可以在光学调整层3、3’或者反射防止层的表面另外配备用于调整耐摩擦性、热膨胀性等的力学特性的表面层。

【实施例】

以下，制作基于本发明的衍射光学元件，具体说明对特性评价之后的结果。

(实施例1)

通过以下方法制作具备图2(a)所示的构造的衍射光学元件。衍射光学元件21具有透镜作用，被设计成利用1级衍射光。这一点对于以下的实施例也是同样的。

首先，作为构成基体1的第1光学材料的第1树脂，对聚碳酸酯树脂(d线折射率1.585、阿贝数28)进行射出成形，制作出衍射光栅2的前端的包络面4为非球面形状、在一面设置具有深度39μm的轮带状的衍射光栅2的基体1。透镜部的有效半径为1.445mm，轮带数为24根，最小轮带间距为30μm，衍射面的近轴R〔曲率半径〕为-1.0144mm。此外，该衍射光学元件的焦点距离为1.109mm。

接下来，作为光学调整层3的第2树脂的原料，利用分配器将丙烯酸酯树脂(d线折射率1.600、阿贝数33)在基体1上滴下2.8μL，将模具(在不锈钢系合金表面上形成镀镍膜)压在原料上，从基体1的背面(与滴下合成材料的面相反的面)实施紫外线照射(照度107mW/cm²、积算光量3000mJ/cm²)，在使丙烯酸酯树脂固化之后，从模具脱模形成光学调整层3。再者，光学调整层3的表面形状形成为从沿着衍射光栅2的前端的包络面形状的非球面形状起在法线方向上厚度为15μm。

为了评价针对由温度变化引起的热应力的耐性，实施冷热冲击试验。具体而言，将衍射光学元件21放入冷热冲击装置(エスペツクエンジニアリング制、TSE-11-A)中，实施30分钟、100周期的从-40℃至85℃的冷热冲击。

(实施例2)

通过以下的方法制作具有图4(a)所示的构造的衍射光学元件。

首先，通过对对实施例1中使用的聚碳酸酯树脂(d线折射率1.585、阿贝数28)进行射出成形，制作出在一面具有衍射光栅的前端包络面为非球面形状的、深度d为15μm的轮带状衍射光栅2的基体1。透镜部有效半径为1.445mm，轮带数为69根，最小轮带间距16μm，衍射面的近轴R(曲率半径)为-1.0144mm。

接下来，以如下方式调制作为光学调整层3’的原料的合成材料。作为第2树脂7，使用将丙烯酸酯树脂A(d线折射率1.529、阿贝数50)和环氧丙烯酸酯树脂D(d线折射率1.569、阿贝数35)按照重量比3∶1的比例进行混合之后的材料。在该混合物中作为溶媒添加2-丙醇(IPA)，按照除去了IPA之后的全部固形部分中的重量比为56重量％的方式，将有效粒径为6nm的氧化锆(d线折射率2.10、阿贝数：35)分散在混合物中。

该合成材料在干燥·固化后的光学特性为：d线折射率1.623、阿贝数43、波长400～700nm处的光线透过率90％以上(膜厚30μm)。

使用分配器将该合成材料在基体1上滴下2.4μL，由真空干燥机使其干燥(25℃、真空干燥机的内压1300Pa、24小时)之后，设置于模具(在不锈钢系合金表面形成镀镍膜)，从基体1的背面(与滴下合成材料的面相反的一面)，实施紫外线照射(照度107mW/cm2、积算光量9000mJ/cm2)来使丙烯酸酯树脂固化，然后从模具脱模形成光学调整层3’。再者，光学调整层3’的表面形状形成为从沿着衍射光栅2的前端包络面形状的非球面形状起在法线方向上厚度为15μm。

利用该衍射光学元件进行与实施例1同样的冷热冲击试验。

(比较例1)

作为比较例，通过与实施例2同样的方法制作具有与实施例2相同构造的衍射光学元件。与实施例2不同之处在于，光学调整层的形状制作成与衍射光栅的前端的包络面相同的非球面形状。

该衍射光学元件的MTF特性与实施例1的衍射光学元件的MTF相同。

利用该衍射光学元件进行与实施例1同样的冷热冲击试验。

以下的表中表示实施例1、2及比较例1的特征及试验结果。

【表1】

如表1所示，可知在实施例1、2的衍射光学元件及比较例1的衍射光学元件中，衍射的近轴R及焦点距离彼此相等，实施例1、2的衍射光学元件及比较例1的衍射光学元件具有大致相同的光学特性。此外，对它们的MTF特性进行了测量，结果发现都是大致相等。

另一方面，在实施例1、2的衍射光学元件中，光学调整层的法线方向的厚度在任意的半径位置处都是相等的15μm，而在比较例1的衍射光学元件中，光学调整层的法线方向的厚度，中心部为15μm，随着半径位置变大而变薄，在周边部为5μm。

通过光学调整层具有这种的厚度，在实施例1、2的衍射光学元件中，光学调整层在垂直于对应基体的光轴的方向上的偏芯容许度(容许误差)为15μm，与此相对，在比较例1的衍射光学元件中为5μm。

此外，在冷热冲击试验中，在实施例1、2的衍射光学元件中没有发现产生裂纹，但在比较例1的衍射光学元件中产生了裂纹。

根据这些结果可知，实施例的衍射光学元件能够抑制光学特性的下降，同时能够抑制裂纹的产生，此外，能够增大制造时的容许误差。

产业上的可利用性

本发明的衍射光学元件能够适当地用于各种的光学系统，例如可适当地用作相机的透镜、空间低通滤波器、偏振全息等。

Claims (6)

1.一种衍射光学元件，其具备：

基体，其由第1光学材料构成，在表面具有衍射光栅；和

光学调整层，其由第2光学材料构成，以覆盖所述衍射光栅的方式被设置在所述基体，

通过所述衍射光栅的前端的包络面是曲面，

所述光学调整层从所述包络面起在法线方向上具有均等的厚度。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述光学调整层的表面具有非球面形状。

3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述第2光学材料包含树脂。

4.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其中，

所述第2光学材料还包含无机粒子，所述无机粒子分散在所述树脂中。

5.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述第1光学材料的折射率小于所述第2光学材料的折射率，所述第1光学材料的折射率的波长色散性大于所述第2光学材料的折射率的波长色散性。

6.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述第1光学材料包含树脂。