CN202815254U - 衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种衍射光学元件，在由树脂材料构成基体及光学调整层的情况下，提高基体与光学调整层的紧密接合性，并且生产性及长期可靠性优越。该衍射光学元件具备：基体（102），由包含第一树脂的第一光学材料构成，具有包括设有衍射栅格（104）的第一区域（105）和位于第一区域的外侧的第二区域（106）的表面（102a）；光学调整层（103），由包含第二树脂的第二光学材料构成，覆盖基体表面的第二区域的至少一部分及第一区域而设置在基体上；以及接合界面部（109），包含相对于第二光学材料具有接合性的接合性材料，在基体表面的第二区域中至少一部分位于光学调整层的下方，并且至少存在于从表面到内部的区域中。

Description

衍射光学元件

技术领域

本实用新型涉及衍射光学元件。

背景技术

在专利文献1中公开了如下方法：在由光学材料构成的基体的表面设置衍射栅格，并利用由与基体不同的光学材料构成的光学调整层来覆盖衍射栅格，从而构成相位差型的衍射光学元件，通过选择光学特性满足规定条件的两种光学材料，从而与波长无关地提高设计的衍射次数的衍射效率，即降低衍射效率的波长依赖性。

设透过衍射光学元件的光的波长为λ，设两种光学材料在波长λ下的折射率为n1（λ）及n2（λ），设衍射栅格的深度为d时，在满足下述式（1）的情况下，对于波长λ的光的衍射效率为100%。

【数学式1】

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

因此，为了降低衍射效率的波长依赖性，在使用的光的波段内，组合具有使得d大体一定的波长依赖性的折射率n1（λ）的光学材料和折射率n2（λ）的光学材料即可。一般来说，组合折射率高而波长色散低的材料和折射率低而波长色散高的材料。专利文献1公开了以下内容：作为成为基体的第一光学材料使用玻璃或树脂，作为第二光学材料使用紫外线固化树脂。

本申请的申请人在专利文献2中提出了以下技术：作为光学调整层，使用在基质树脂中包含平均粒径1nm～100nm的无机粒子的合成材料。该合成材料能够通过分散的无机粒子的材料和无机粒子的添加量来控制折射率及色散系数（阿贝数），能够得到以往的树脂所不具备的折射率及色散系数。因此，通过将合成材料用作光学调整层，能够提高将树脂用于作为基体的第一光学材料的情况下的衍射栅格的设计自由度，能够提高成形性，并且得到优越的衍射效率的波长特性。

专利文献1：日本特开平10-268116号公报

专利文献2：国际公开第07/026597号册子

本申请发明人研究了在专利文献1、2所公开的相位差型的衍射光学元件中使用包含树脂的材料来构成基体及光学调整层的情况下的课题，特别是研究了基体与光学调整层的界面的稳定性对衍射效率造成的影响。

如图6所示，以往的衍射光学元件751具备：基体702，在表面设有衍射栅格704’；以及光学调整层703，以覆盖衍射栅格704’的方式设置。光学调整层703及基体702分别由包含树脂的光学材料形成。两者的光学材料的相互作用较强的情况下，在基体702和光学调整层703相接的部分，由于基体702的膨润和熔解，如图6所示，衍射栅格704’的形状会破坏。若衍射栅格704’的形状破坏，则无法以充分的强度得到期望的次数的衍射光，或产生无用的衍射光。

本申请发明人发现，即使衍射栅格的形状不发生变化，有时在衍射光学元件中也产生与设计的次数不同次数的衍射光（以下称为“无用的衍射光”）。详细实验的结果，确认到如下情况：如图7所示，在衍射光学元件752中，光学调整层703中包含的树脂从基体702的表面向内部浸透时，浸透了树脂的部分的基体702的折射率变化，在基体702与光学调整层703的界面，形成了折射率不同的层705（以下称为“折射率变化层”）。该折射率变化层705可以使用光学显微镜或能够高精度地测定折射率的棱镜耦合器等来确认，本申请发明人确认时其厚度为50nm～5000nm左右。

如图8A所示，考虑利用1次衍射光的衍射光学元件752A，该衍射光学元件752A具备由折射率N1的树脂构成的基体702a及由折射率N2的树脂构成的光学调整层703a。由于上述的理由，形成了折射率变化层705a的情况下，其折射率N3满足N1＜N3＜N2的关系。将折射率N1及N2设计为在使用的光的波段内满足式（1）的情况下，由于折射率变化层705a的形成，构成衍射栅格704a的阶梯的光学距离的差、即相位差比设计值小。因此，将使用的波段内的光707入射时的衍射光学元件752A的衍射效率、即1次衍射光709的出射效率低于设计值。这时，作为无用的衍射光，主要产生焦距比1次衍射光709长的0次衍射光708。

另一方面，如图8B所示，作为光学调整层，考虑专利文献2中公开的利用1次衍射光的衍射光学元件752B，该衍射光学元件752B使用包含基质材料721及无机粒子722的合成材料。设基体702的折射率为N1、光学调整层703b的折射率为N2、光学调整层703b的基质材料721的折射率为N4。各折射率满足N1＜N2且N4＜N1的关系的情况下，生成的折射率变化层705b的折射率N3满足N1＞N3＜N2的关系。这是因为，纳米级的无机粒子722无法向基体702b移动，仅由于折射率比基体702b小的基质材料721浸透来生成折射率变化层705b。

这种情况下，由于折射率变化层705b，相位差变得比设计值大，1次衍射光709的出射效率变得比设计值低。这时，作为无用的衍射光，主要产生焦距比1次衍射光709短的2次衍射光710。

在仅利用通常的折射现象的光学元件753中，如图9所示，即使在基体702与光学调整层703之间生成了折射率变化层705，如果与基体702的折射率的差为0.01左右，则从基体702进入的入射光707在基体702与折射率变化层705的界面折射的角度较小。此外，若折射率变化层705较薄，则入射光707以折射的角度在折射率变化层705中前进的距离较短。因此，即使生成了折射率变化层705，设计的出射光711和实际的出射光712之间的光路的偏离也较小，因此对光学性能的影响小到几乎可以忽略。但是，在衍射光学元件的情况下，即使是无法由光学显微镜观察到的程度的微小的折射率变化层，由于不满足衍射的条件（1），直接导致无用的衍射光的产生，结果设计次数下的衍射效率大幅降低。

尤其是，从生产性的观点出发，作为光学调整层使用包含紫外线固化树脂或热固化型树脂的材料的情况下，在形成光学调整层的工序中，未固化状态的树脂、即单体或低聚体与基体接触。单体或低聚体与固化后的树脂相比，分子量较小，所以向基体的反应性和浸透性与固化后的树脂相比变大。即，容易伴随着前述的衍射栅格704的变形或折射率变化层705（705a、705b）的生成而发生衍射效率的降低。

此外，将合成材料用于光学调整层的情况下，为了使无机粒子722均匀地分散到基质材料721中，或为了调整形成光学调整层703b的工序中的光学调整层原料的粘度，有时在光学调整层的原料中添加溶剂。这样的溶剂与光学调整层的原料中的未固化状态的树脂同样，由于向基体702b熔解及浸透而生成折射率变化层705b，导致上述问题。

作为解决这样的问题的手段，可以想到将构成基体702和光学调整层703的树脂之间的熔解度参数之差确保为规定的值以上，或采用尽可能缩短未固化状态的树脂或溶剂与基体702的接触时间的工艺。但是，在采用这样的手段来防止折射率变化层705的形成的情况下，两种树脂间的相互作用变小，所以无法充分产生界面处的树脂分子间的相互作用，基体702与光学调整层703的紧密接合性降低。结果，对衍射光学元件施加某种应力时，会发生光学调整层703从基体702脱离或剥离。作为对衍射光学元件作用的应力，可以举出构成光学调整层703的树脂成分的固化收缩或通过成形来形成光学调整层703的情况下在离模时施加的应力等制造工艺中产生的应力、以及由于基体702与光学调整层703的热膨胀率的差异而在温度变化时产生的热应力或与水分或药品的吸收相伴的体积膨胀所导致的应力等在使用环境中产生的应力。

这样，紧密接合性较低的光学调整层703仅在衍射光学元件的有效区域上形成的情况下，即使在端部稍微发生从基体702的脱离或剥离，衍射栅格附近的几何学结构及光学结构就会变化，产生无用的衍射光或杂散光等、在设计时未设想的光线。结果，衍射光学元件的特性相对于设计大为降低。此外，在这样的光学调整层703的脱离或剥离逐渐发生时，衍射光学元件的长期可靠性变差。

实用新型内容

本实用新型是为了解决这样的现有技术的课题中的至少1个而做出的，其目的在于，在由树脂材料构成基体及光学调整层的情况下，提高基体与光学调整层的紧密接合（密接）性，提供生产性及长期可靠性优越的衍射光学元件。

本实用新型的衍射光学元件具备：基体：由包含第一树脂的第一光学材料构成，具有包括设有衍射栅格的第一区域和位于所述第一区域的外侧的第二区域的表面；光学调整层，由包含第二树脂的第二光学材料构成，覆盖所述表面的所述第二区域的至少一部分及所述第一区域，设置在所述基体上；以及接合界面部，包含相对于所述第二光学材料具有接合性的接合性材料，所述接合界面部在所述基体表面的第二区域中，至少一部分位于所述光学调整层的下方，并且存在于从所述表面到内部的区域中。

即，本实用新型提供一种衍射光学元件，具备：基体,具有包括第一区域和第二区域的表面，该第一区域设有衍射栅格，该第二区域位于所述第一区域的外侧；光学调整层，覆盖所述基体的表面的所述第二区域及所述第一区域而设置在所述基体上；以及接合界面部，不位于所述基体的表面的第一区域与所述光学调整层之间，而位于所述基体的表面的第二区域的至少一部分与所述光学调整层之间，将所述基体与所述光学调整层紧密接合。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述接合界面部通过相对于所述光学调整层具有接合性的接合性材料与所述光学调整层接合。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述接合界面部通过所述接合性材料与所述基体浸透或熔解来形成。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述接合界面部存在于从所述基体的表面到内部的区域中。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述接合界面部在所述基体的表面的第二区域中连续地包围所述第一区域。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述接合界面部在所述基体的表面的第二区域中以环状包围所述第一区域。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：具备多个所述接合界面部，所述多个接合界面部在所述表面的第二区域中设有间隙地配置在所述第一区域的周围。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述基体在所述表面的所述第一区域中具备具有透镜作用的曲面的基本形状，所述衍射栅格包括在所述基本形状上配置为同心圆的多个环。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：在所述表面上，所述第二区域包围所述第一区域，所述接合界面部在所述第二区域中以与所述衍射栅格的同心圆的中心一致的点为中心配置为同心圆状。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述接合界面部在所述第二区域中存在于从所述基体的表面到所述光学调整层内部的区域中。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：还具备位于所述接合界面部与所述光学调整层之间且包含接合性材料的接合性材料层。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述基体具有位于所述表面的所述第二区域中的凹凸形状，所述接合界面部存在于从所述凹凸形状的表面到内部的区域中。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述基体的表面还包括第三区域，该第三区域位于所述第二区域的外周，且具有平坦的表面部分。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述光学调整层在整个所述第一区域中与所述基体的表面直接接触。

附图说明

图1A及图1B是表示本实用新型的衍射光学元件的第一实施方式的俯视图及截面图，图1C是表示第一实施方式的其他例的截面图。

图2A、图2B及图2C是表示图1A～图1C所示的衍射光学元件中的接合界面部的其他配置的俯视图。

图3是表示图1A～图1C所示的衍射光学元件中的其他基体结构的截面图。

图4A、图4B是表示接合界面部及接合性材料层的其他配置例的图。

图5A、图5B是表示光学调整层的端部与接合界面部及接合性材料层的其他配置例的图。

图6是表示衍射栅格发生了变形的现有技术的衍射光学元件的截面图。

图7表示在基体与光学调整层的界面形成了折射率变化层的现有技术的衍射光学元件的截面图。

图8A、图8B是用于说明在形成了折射率变化层的现有技术的衍射光学元件中产生的无用的衍射光的截面图。

图9是用于说明在基体与光学调整层的界面形成有折射率发生了变化的层的光学元件中的光的折射的截面图。

具体实施方式

（第一实施方式）

以下说明本实用新型的衍射光学元件的第一实施方式。图1A～图1C表示作为第一实施方式的衍射光学元件151的结构，图1A表示俯视图，图1B表示图1A的A-A’截面的截面图。如图1B所示，衍射光学元件151具备基体102、光学调整层103和接合界面部109。

1.基体102

基体102由包含第一树脂的第一光学材料构成，具有表面102a。如图1A及图1B所示，基体102的表面102a包括第一区域105及第二区域106，在第一区域105中设有衍射栅格104。

在本实施方式中，基体102的表面102a在第一区域105中具有曲面的基本形状102d，该基本形状102d具有透镜作用，在该基本形状102d上设有衍射栅格104，该衍射栅格104具有配置为同心圆的多个环。衍射栅格104的半径方向的截面形状既可以是矩形、锯齿状、阶梯状、曲面形状、不规则碎片形状、随机形状等，也可以是其他形状。衍射栅格104的环的配置模式及配置间距只要满足衍射光学元件151所要求的特性，不特别限定。

衍射栅格104的环的阶梯d满足上述式（1）的关系的情况下，衍射光学元件151能够不依赖于波长而得到100%的衍射效率。在此，n1（λ）是构成基体102的第一光学材料在使用波长λ下的折射率，n2（λ）是构成光学调整层103的第二光学材料在使用波长λ下的折射率。但是，在实际的衍射光学元件151中，即使衍射效率不是100%，只要衍射效率为大约90%以上，就能够得到充分的光学性能。通过详细的研究，该条件如式（1’）所示。

【数学式2】

$0.9d\≤\frac{\mathrm{\λ}}{|n1\left(\mathrm{\λ}\right)-n2\left(\mathrm{\λ}\right)|}\≤1.1d---\left(1^{\′}\right)$

基本形状102d是通过衍射栅格104的底部（各环的阶梯的底部）或上部（各环的阶梯的上部）的包络面。基本形状102d优选为球面、非球面或圆柱面。特别地，基本形状102d为非球面的情况下，能够对球面的情况下无法校正的透镜像差进行校正，所以是优选的。在本实施方式中，如图1A～图1C所示，基本形状102d为凸形状。但是，根据光学系统中对衍射光学元件151要求的功能，基本形状102d也可以是凹形状或平面形状。

在本实施方式中，基体102的表面102a和相反侧的表面102b是平坦的，并且设有曲面形状102c，该曲面形状102c的中心与衍射栅格104的同心圆的中心一致。曲面形状102c具有通过折射来规定光路的功能，其形状根据包括衍射光学元件151在内的光学系统整体的设计来决定。在本实施方式中，如图1A～图1C所示，曲面形状102c为凹形状。但是，根据光学系统中对衍射光学元件151要求的功能，曲面形状102c也可以是凸形状，或者也可以在表面102b上不形成曲面形状102c，而做成平面形状。

此外，在本实施方式中，基体102仅在一方的表面102a具备衍射栅格104及光学调整层103。但是，基体102也可以在表面102a和表面102b的双方具备衍射栅格104及光学调整层103。在两面设有衍射栅格104的情况下，两面的衍射栅格104的槽的深度和截面形状可以彼此相同，也可以不同。两面的光学调整层103各自的材料及各自的厚度可以相同，也可以不同。

在基体102的表面102a上，在第一区域105的外侧存在第二区域106。优选为第二区域106完全包围第一区域105。如以下说明，在第二区域106中设有接合界面部109。在本实施方式中，基体102的表面102a在第二区域106中具有平坦形状。

基体102也可以在表面102a的第二区域106的更外侧具有第三区域107。这种情况下，第三区域107优选为平坦的。通过设置第三区域107，将衍射光学元件151安装到光学模块中时，能够将第三区域107作为用于安装的保持部来使用。此外，也可以将第三区域107作为用于确保光学模块的构成部件间的安装精度、或用于调整焦点位置的基准面来使用。

将第三区域107作为安装时的基准面来使用的情况下，第三区域107的表面粗糙度Ra优选为1.6μm以下。第三区域107的形状及大小根据衍射光学元件151所装入的光学模块和设备所要求的规格等来适当决定，在本实用新型中不特别限定。

基体102如上所述，由包含第一树脂的第一光学材料构成。作为第一光学材料，使用包含树脂的材料的理由在于，在透镜的生产中，能够应用注射成形等批量生产性较高的制造方法。此外，包含树脂的材料容易通过模具成形或其他加工法来实施微细加工，所以通过缩小衍射栅格104的间距，能够提高衍射光学元件151的性能，实现小型化、轻量化。

作为第一树脂，优选为从通常作为学元件的材料使用的透光性的树脂材料中，选择满足以下条件的材料。

（i）具有能够降低衍射光学元件151在设计次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。

（ii）不会侵蚀到光学调整层103的原料中包含的第二树脂的原料（单体或低聚体）及/或第二树脂的溶剂中，而维持透光性及折射率特性，并且保持衍射栅格104的形状。

（iii）通过接合性材料中的第三树脂的浸透或熔解，形成接合界面部109。

例如，作为第一树脂，可以从聚碳酸酯系树脂（例如帝人化成公司制造的“panlite（パンライト）”、萨比奇创新塑料（SABIC InnovativePlastics）公司制造的“lexan（レキサン）”“xylex（ザイレックス）”等）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、脂环式丙烯酸树脂等丙烯酸系树脂、脂环式烯烃树脂（例如日本瑞翁（Zeon）公司制造的“ZEONEX”、三井化学公司制造的“APL（アペル）”等）、聚酯系树脂（例如大阪燃气化学（Gas Chemical）公司制造的“OKP4”等）和硅树脂等之中适当地选择。

此外，作为第一树脂，也可以使用在这些树脂中为了提高成形性或机械特性等而添加了其他树脂的共聚合体树脂、聚合物合金、共聚混合物。进而，也可以在这些树脂中，根据需要添加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粒子、吸收特定波段的电磁波的染料或颜料等添加剂。

2.光学调整层103

光学调整层103如上所述，为了降低衍射光学元件151的衍射效率的波长依赖性而设置。在表面的至少一方形成了衍射栅格104的基体102上形成光学调整层103，从而构成相位型衍射栅格的情况下，在某波长λ下，透镜的1次衍射效率成为100%的衍射栅格深度d通过式（1）给出。若式（1）的右边在某波段中为一定值，则在该波段内，不存在1次衍射效率的波长依赖性。为此，将构成基体102的第一光学材料和构成光学调整层103的第二光学材料通过低折射率且高波长色散性材料和高折射率且低波长色散性材料的组合来构成即可。

如上所述，在波长400～700nm的可见光的整个波段，通过使用满足式（1’）的第一光学材料及第二光学材料的组合，1次衍射效率在可见光区域中成为90%以上，实现了实质上不依赖于波长的衍射光学元件151。若将这样的衍射光学元件151例如作为透镜应用于摄像用途，则能够抑制光斑（flare）等的发生，提高画质。

光学调整层103只要完全埋入衍射栅格104的凹凸而形成平滑的表面形状，则在光学特性上没有问题。如果光学调整层103的膜厚极端地增大，则在作为透镜使用的情况下，彗差等增大，并且光学调整层103形成时的树脂的固化收缩的影响增大，表面形状的控制变得困难，聚光特性可能会降低。根据以上观点，光学调整层103的膜厚优选为，在最厚的部分为衍射栅格深度d以上且200μm以下，更优选为衍射栅格深度d以上且100μm以下。

作为光学调整层103的材料，若使用纳米合成材料，则与单独使用树脂的情况相比，能够扩大与基体102的折射率差，所以从式（1）可知，能够减小衍射栅格深度d。因此，光学调整层103所需的膜厚也变小，改善了透光性。

光学调整层103的与基体102相反侧的表面103a优选为，形成为具有与通过衍射栅格104的底部的基本形状102d（包络面）大致相同的形状。由此，通过折射作用和衍射作用的组合，色像差和像面弯曲等平衡较好地得到改善，能够得到提高了MTF特性且具有较高摄像性能的透镜。

光学调整层103为了抑制从基体102的脱离或剥离引起的光学特性的恶化，形成为不仅覆盖基体102的表面102a的第一区域105，还覆盖第二区域106的至少一部分。更优选为，形成为覆盖接合界面部109的至少一部分。

光学调整层103由包含第二树脂的第二光学材料构成。第二光学材料如上所述，从具有能够满足式（1’）的折射率特性的材料中，考虑对于基体102的表面102a的第一区域105的非浸食性、形状控制性、工艺中的操作性、耐环境性等特性而选择。第二光学材料优选为不易侵蚀第一光学材料且不易形成前述的折射率变化层的材料。具体地说，构成基体102的第一光学材料中包含的第一树脂的熔解度参数（SP值）和第二树脂的熔解度参数之差优选为0.4［cal/cm³］^1/2以上，更优选为0.8［cal/cm³］^1/2以上。

熔解度参数（溶解度参数）是正规溶液理论中的内聚能密度的平方根，某物质的熔解度参数δ使用摩尔体积V和每1摩尔的内聚能ΔE，通过下式定义。

δ＝（ΔE/V）1/2

熔解度参数是物质的分子间力的指标，熔解度参数越接近的物质，亲和性越高。熔解度参数有各种各样的导出方法，例如可以使用费德斯（Fedors）等导出的、通过根据分子结构式来计算的方法求出的值等。本申请说明书中使用的熔解度参数是该通过根据分子结构式来计算的方法求出的值。

第二树脂和第一树脂只要满足上述的熔解度参数的关系，可以作为第二树脂使用的树脂不作特别限制。例如，聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、异丁烯酸酯、尿烷丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等（甲基）丙烯酸树脂；环氧树脂、氧杂环丁烷树脂、烯硫醇树脂（ene-thiol resin）；聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯及聚己丙酰胺等聚酯树脂；聚苯乙烯等聚苯乙烯树脂；聚丙烯等烯烃树脂；尼龙等聚酰胺树脂；聚酰亚胺或聚醚酰亚胺等聚酰亚胺树脂；聚乙烯醇；丁缩醛树脂；醋酸乙烯树脂；脂环式聚烯烃树脂等。此外，也可以使用这些树脂的混合体或共聚合体，还可以使用将这些树脂变性而成的树脂。

其中，由于光学调整层103的形成工序变得简易，尤其优选将热固化型树脂、能量线固化型树脂等能量固化型树脂作为第二树脂使用。具体地说，可以举出丙烯酸酯树脂、甲基丙烯酸酯树脂、环氧树脂、氧杂环丁烷树脂、硅树脂、烯-硫醇树脂（ene-thiol）等。如上所述，接合性材料中包含的第三树脂优选为选择能够与该第二树脂共聚合的树脂。

树脂材料与玻璃相比，难以选择折射率及其波长色散大为不同的材料。即，满足式（1）的包含第一树脂的第一光学材料及包含第二树脂的第二光学材料的组合的数量较少。为了解决该问题，可以将在作为基质材料的树脂中分散了无机粒子而成的合成材料作为光学调整层103的第二光学材料使用。根据分散到基质材料中的无机粒子的种类、量、大小不同，能够对第二光学材料的折射率及色散系数进行微调整，能够增加满足式（1）的第一光学材料及第二光学材料的组合的候选。此外，能够以更高的精度使第一光学材料及第二光学材料满足式（1），所以能够进一步提高衍射光学元件151的衍射效率。进而，作为树脂也可以使用具有各种物性的材料，既满足光学特性也满足机械特性、耐环境性、工艺中的操作性的第二光学材料的选择范围变大。

基体102使用包含第一树脂的第一光学材料，作为光学调整层103，将合成材料作为第二光学材料来使用的情况下，一般无机粒子比树脂折射率高的情况较多。因此，对合成材料进行调整以表现出高折射率低波长色散性，作为无机粒子、第一树脂及第二树脂能够选择的材料变多，所以合成材料是优选的。

由合成材料构成的第二光学材料的折射率能够根据作为基质材料的第二树脂及无机粒子的折射率，通过例如以下述式（2）表示的马克斯维尔－加内特（Maxwell-Garnett）理论来推定。通过式（2）分别推定d线（587.6nm）F线（486.1nm）C线（656.3nm）的折射率，能够进一步推定合成材料的色散系数。反之，也可以根据基于该理论的推定，来决定成为基质材料的第二树脂与无机粒子的混合比。

【数学式3】

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

另外，在式（2）中，n_COMλ是某特定波长λ下的合成材料的平均折射率，n_pλ、n_mλ分别是该波长λ下的无机粒子及成为基质材料的第二树脂的折射率。P是无机粒子相对于合成材料整体的体积比。在无机粒子吸收光的情况或无机粒子包含金属的情况下，将式（2）的折射率作为复折射率来计算。

如上所述，作为光学调整层103的第二光学材料使用合成材料的情况下，对合成材料要求高折射率且低波长色散性。在此，对于分散到合成材料中的无机粒子，也优选为以低波长色散性、即高色散系数的材料为主成分。例如，可以将从氧化锆（色散系数：35）、氧化钇（色散系数：34）、氧化镧（色散系数：35）、氧化铝（色散系数：76）及氧化硅（色散系数：68）、氧化铪（色散系数：32）、YAG（色散系数：52）及氧化钪（色散系数：27）所构成的组中选择的至少一种氧化物作为主成分。此外，也可以使用它们的复合氧化物。此外，除了这些无机粒子外，例如使以氧化钛和氧化锌等为代表的表现出高折射率的无机粒子等共存，只要在作为合成材料的第二光学材料的折射率在使用的波段中满足式（1）即可。

合成材料中的无机粒子的中心粒径优选为1nm以上且100nm以下。若中心粒径为100nm以下，则能够降低瑞利散射导致的损失，提高光学调整层103的透明性。此外，若中心粒径为1nm以上，则能够抑制量子效应对发光等的影响。在合成材料中，根据需要也可以含有用于改善无机粒子的分散性的分散剂、聚合引发剂、均化剂等添加剂。

将合成材料作为第二光学材料使用而形成光学调整层103的情况下，在形成工序内可以使溶剂共存。合成材料中包含的溶剂用于使无机粒子容易在第二树脂中分散，或用于调整粘度从而没有气泡地形成光学调整层103。关于溶剂的种类，选择满足需要的特性的溶剂即可，该特性例如有无机粒子的分散性、合成材料在成为基质材料的树脂中的熔解性、工艺中的操作性（向基体的浸润性、干燥的容易性（沸点、蒸气压）等）等。

3.接合界面部109

接合（粘接）界面部109在设有衍射栅格104的第一区域105以外的第二区域106中，与基体102及光学调整层103分别具有强的相互作用，从而抑制光学调整层103从基体102剥离。接合界面部109位于基体102的表面102a的第二区域106，至少一部分位于所述光学调整层103的下方，并且存在于从表面102a到基体102内部的区域。接合界面部109在设有衍射栅格104的第一区域105不设置，在第一区域105中光学调整层103与基体102的表面102a直接接触而紧密接合（密接）。如图1A所示，在本实施方式中，接合界面部109在基体102的表面102a的第二区域106中，连续地包围第一区域105，具有环形状。此外，接合界面部109的整体位于光学调整层103的下方。由配置为同心圆状的多个环构成的衍射栅格104设置于基体102的表面102a的第一区域105的情况下，优选为如图1A所示，接合界面部109的环形状的中心与环的同心圆的中心一致。由此，作用于基体102和光学调整层103之间的力经由接合界面部109，相对于衍射栅格104的同心圆的中心（衍射光学元件151的光轴）均匀地分散。因此，形成光学调整层103时产生的应力变得均匀，能够抑制以应力集中的特定部位为起点的、光学调整层103从基体102的剥离。

接合界面部109在表面102a上的宽度只要能够通过接合界面部109来确保基体102与光学调整层103的紧密接合性，则不作特别限制。例如，第一区域的直径为0.5mm以上且5.0mm以下程度的情况下，接合界面部109在表面102a上的宽度优选为10μm以上，更优选为50μm以上。上限值由衍射光学元件151整体的设计、即基体102的表面102a的第二区域106的宽度规定。

衍射光学元件151也可以具备多个独立的接合界面部109。如图2A、图2B及图2C所示，多个接合界面部109在基体102的表面102a的第二区域106中，可以在第一区域105的周围设置间隙而配置。这种情况下，优选为多个接合界面部109配置在以与衍射栅格104的环的同心圆的中心一致的点为中心的同心圆上。此外，设接合界面部109的数量为N时，优选为以360/N（度）间隔来配置。图2A、图2B及图2C示出了N为2、3、6的情况，但是对个数不特别限制。接合界面部109以360/N（度）间隔来配置，从而如上所述，在光学调整层103中产生的应力相对于衍射栅格104的同心圆的中心（衍射光学元件151的光轴）变得均匀。

接合界面部109包含相对于构成光学调整层103的第二光学材料具有接合性的接合性材料。在本实施方式中，接合性材料包含与构成基体102的第一光学材料中包含的第一树脂及构成光学调整层103的第二光学材料中包含的第二树脂不同的第三树脂。第三树脂的原料相对于构成基体102的第一光学材料具有熔解性或浸透性，并且与构成光学调整层103的第二光学材料也相互作用。

接合界面部109通过在基体102的表面102a的第二区域106中，以上述的接合界面部109的形状及个数配置接合（粘接）性材料，并使第三树脂从基体102的表面102a向内部浸透而形成。

第三树脂的原料从基体102的表面102a向内部浸透，由此第三树脂的原料从基体102的表面102a向内部扩散，在基体102中形成与第一光学材料的组成不同的区域。将这个与第一光学材料的组成不同的区域定义为接合界面部109。接合界面部109包含第一光学材料及第三树脂。接合界面部109中的组成的变化可以通过FT-IR、拉曼分光、NMR、X射线微分析器等方法来确认。此外，通过接合性材料的浸透或熔解，折射率与组成一起变化的情况下，通过光学显微镜观察也能够确认接合界面部的存在。

第三树脂的原料从基体102的表面102a向内部浸透时，基体102中的第一光学材料向接合性材料浸透，第一光学材料能够向接合性材料内扩散。第一光学材料向接合性材料的浸透速度较快的情况下，第一光学材料向配置于基体102的表面102a的接合性材料扩散，从而无法观察到接合性材料和基体102的清晰的界面。这种情况下，如图1B所示，表面102a上的接合性材料与基体102中的接合界面部109作为整体，形成包含第一光学材料及第三树脂在内的一体的接合界面部109。即，接合界面部109不但存在于从基体102的表面102a到基体102内部的区域，还位于从基体102的表面102a到光学调整层103的内部。这种情况下，定义为接合性材料熔解到基体102中。

另一方面，第一光学材料向接合性材料的浸透速度较慢的情况下，配置于基体102的表面102a的接合性材料中几乎不包含第一光学材料，能够观察到接合性材料与基体102的清晰的界面。这种情况下，如图1C所示，在表面102a上主要仅包含接合性材料，形成了具有与接合界面部109不同的组成的接合性材料层108。即，接合界面部109主要存在于从基体102的表面102a到基体102内部的区域，从基体102的表面102a到光学调整层103的内部存在接合性材料层108。换言之，接合性材料层108存在于光学调整层103与接合界面部109之间。

在接合界面部109中，第一光学材料中包含的第一树脂的分子链与浸透或熔解的接合性材料的第三树脂以分子级别相互结合，从而能够实现基体102与接合界面部109的紧密接合性。

接合界面部109优选为从基体102的表面102a形成到0.1μm以上且100μm以下，更优选为1μm以上且20μm以下的深度。接合界面部109的深度低于0.1μm的情况下，基体102与接合界面部109的紧密接合性可能不够充分。另一方面，接合界面部109的深度大于100μm的情况下，接合性材料对于基体102表现出非常高的浸透或熔解性，基体102的光学特性及形状可能发生变化。

从图1C所示的接合性材料层108从表面102a起的高度、或者从图1B所示的接合界面部109从表面102a起的高度，比光学调整层103的厚度小即可。具体地说，高度优选为0.1μm以上且光学调整层103的厚度的95%以下，更优选为1μm以上且光学调整层103的厚度的90%以下。高度小于0.1μm的情况下，形成于基体102内的接合界面部109也容易变浅，可能无法形成具有上述的优选深度的接合界面部109。此外，若厚于光学调整层103的厚度的95%，则光学调整层103中的覆盖接合性材料层108或接合界面部109的部分的厚度极端地变薄，可能无法充分地确保强度。

另外，如上所述，接合性材料熔解在基体102中而形成了一体化的接合界面部109的情况下，无法确定接合界面部109中的基体102的表面102a的位置。这种情况下，从第二区域106及/或第三区域107中的、接合界面部109的周边的表面102a的位置起，规定上述的接合界面部109的深度及高度。

接合界面部109与光学调整层103主要通过相对于第二光学材料具有接合性的接合性材料来接合。如图1B所示，具备一体的接合界面部109的情况下，接合界面部109与光学调整层103直接相接，所以接合界面部109与光学调整层103通过接合性材料紧密接合。如图1C所示，在具备接合性材料层108的情况下，由接合性材料构成的接合性材料层108与光学调整层103相接，通过接合性材料层108及接合界面部109，接合界面部109与光学调整层103紧密接合。

接合性材料相对于第二光学材料的接合性可以通过接合性材料与第二光学材料的相互作用得到。具体地说，通过第二光学材料中包含的第二树脂与接合性材料中包含的第三树脂的共聚合引起的共价键形成以及第二树脂与第三树脂的离子键、氢键、π电子相互作用、配位键等得到。

接合性材料中包含的第三树脂优选为，具备能够浸透或熔解到构成基体102的第一光学材料中的性质。具体地说，第三树脂的熔解度参数和第一光学材料中包含的第一树脂的熔解度参数之差优选为0.8［cal/cm³］^1/2以下。由此，第三树脂容易向基体102浸透或熔解，能够得到强力的接合力。

另一方面，关于第三树脂与第二光学材料的相互作用，从上述的相互作用之中，根据第二光学材料的组成来选择适当的机理。特别地，作为第二光学材料中包含的第二树脂而使用形成工艺简单的能量固化型树脂的情况下，作为第三树脂，优选使用能够通过与第二树脂共聚合来形成共价键的能量固化型树脂。由此，通过第二树脂的固化反应来形成光学调整层103，同时在第二树脂与第三树脂之间形成共价键，结果光学调整层103与接合性材料层108被牢固地接合。

根据以上观点，作为接合性材料中包含的第三树脂，可以从具有乙烯基、丙烯酸基、甲基丙烯酸基、环氧基、氧杂环丁烷基的树脂、硅树脂、烯硫醇树脂等之中，使用与后述的第二树脂共聚合的树脂。

在接合性材料中，除了第三树脂之外，也可以根据其他需要而包含添加剂，例如使第三树脂固化的聚合引发剂、使接合性强化的树脂或弹性体、用于改善工序中的操作性的无机填充剂或增粘剂。

根据本实施方式的衍射光学元件，在基体表面的第二区域中，从表面到内部设有包含相对于第二光学材料具有接合性的接合性材料的接合界面部。因此，接合界面部作为固定件发挥功能，使光学调整层与基体紧密接合。因此，能够防止由于形成光学调整层时的树脂的收缩或从模具的离模导致的应力而使光学调整层的端部从基体脱离或剥离，能够抑制制造时的缺陷，能够提高生产成品率。此外，能够防止由于环境的变化或长期的使用而光学调整层的端部慢慢从基体脱离或剥离，所以能够提高衍射光学元件的长期可靠性。此外，接合界面部设置在设有衍射栅格的区域的外侧即第二区域，所以不会损害衍射栅格的光学特性。

特别地，即使在作为第一光学材料中包含的第一树脂使用能够应用生产性较高的注射成形等且在树脂分子链中基本不具备能够与其他材料共聚合的官能基的热可塑性树脂的情况下，根据本实施方式，能够简易且有效地确保基体与光学调整层的紧密接合性。

另外，在本实施方式中，第二区域106具有平坦形状，但也可以具有其他形状。图3所示的衍射光学元件151’’在表面102a的第二区域106中设置槽，具备凹凸形状301。在该凹凸形状301之上配置接合性材料，通过使其向基体102浸透，从凹凸形状301的表面到内部存在接合界面部109’’。由此，位于基体102内的接合界面部109’’与基体102的接触面积增大，实现固定效果，所以进一步增大两者的紧密接合性。

凹凸形状301在图3中锯齿状的截面。凹凸形状301的截面只要能够确保基体102与接合性材料层108的紧密接合性，则不作特别限制，截面也可以是矩形、三角形、圆弧。此外，表面102a在第二区域106中，也可以具备由通过褶皱加工形成或喷砂处理等形成的粗糙面构成的凹凸形状301。此外，也可以将这些形状组合。

这种情况下，接合界面部109’’的深度优选为从凹凸形状301的最低部分起位于上述范围内。

此外，如图1A～图1C、图2A～图2C及图3所示，在本实施方式中，接合性材料层108或接合界面部109、109’、109’’在与光学调整层的界面处具有凸状截面形状。但是，只要能够确保基体102与光学调整层103的紧密接合性，也可以具有矩形、三角形、波形等其他截面形状。

另外，在本实施方式中，接合界面部完全被光学调整层覆盖。但是，接合界面部的至少一部分位于光学调整层的下方并被覆盖即可。例如，也可以是：如图4A所示，在衍射光学元件153A中，接合界面部109以及接合性材料层108从光学调整层103的端部伸出，接合性材料层108的一部分露出。另外，也可以是：如图4B所示，在衍射光学元件153B中，接合界面部109从光学调整层103的端部伸出，接合界面部109的一部分露出。

根据衍射光学元件153A、153B，在第二区域狭小的情况下，也能够扩大接合界面部109与基体102的接触面积。因此，例如在接合界面部109的第二树脂或第三树脂的原料未向基体102充分浸透的情况下，即接合界面部109的深度小的情况下，也能够提高接合界面部109与基体102之间的接合力。

另外，光学调整层也可以在整个第二区域106上不与基体的表面102a紧密接合。也可以是：如图5A所示，在衍射光学元件154A中，光学调整层103的端部从基体102的表面相离，接合性材料层108覆盖光学调整层103的相离的端部。另外，也可以是：如图5B所示，在衍射光学元件154B中，光学调整层103的端部从基体102的表面相离，接合界面部109覆盖光学调整层的相离的端部。在形成光学调整层103时第二光学材料的收缩大的情况下，光学调整层103的端部有可能从基体102脱离。在该情况下，如果接合性材料层108或接合界面部109覆盖端部，则能够防止光学调整层的端部进一步从基体脱离或剥离，能够得到与本实施方式相同的效果。

【实施例】

以下，为了确认本实用新型的衍射光学元件的效果，制作了衍射光学元件，并说明对特性进行评价的结果。

（实施例1）

实施例1的衍射光学元件如以下说明制作。如图1A～图1C所示，作为基体102，通过注射成形制作了在双酚A系聚碳酸酯树脂（直径9mm、厚度0.8mm、d线折射率1.585、色散系数28、SP值9.8）制的非球面透镜的一面设有深度15μm的环状的衍射栅格104的器件。透镜部的有效半径为0.821mm，环数为33条。最小环间距为13μm，衍射面的近轴R（曲率半径）为-1.0094mm。

在该基体102的表面102a的第二区域106，作为接合性材料层108的原料，使用分配器以包围环状的衍射栅格104的方式，以圆周状配置三环癸烷二羟甲基二丙烯酸酯（SP值9.0）和光聚合引发剂艳佳固（Irgacure，注册商标）184（相对于树脂为3重量%）的混合物。

接着，作为第二光学材料的原料，制作了含水酸基丙烯酸系低聚体混合物（d线折射率1.539、色散系数46、固化后的密度1.18ｇ/cm³、SP值11.6）、光聚合引发剂艳佳固184（相对于树脂为3重量%）、氧化锆填充剂（一次粒径6nm、相对于氧化锆100重量部，含有45重量部的硅烷系表面处理剂、固形成分中的重量比为62重量%）的异丙醇分散液（全固形成分62重量%）。使用分配器将0.4μL该原料配置在规定非球面形状的模具上，通过热板加热（110℃、8分钟）将异丙醇除去。

在配置了第二光学材料的原料的模具上，设置将三环癸烷二羟甲基二丙烯酸酯配置于第二区域106的基体102，通过压按将第二光学材料的原料成形为非球面形状后，进行UV照射（照度170mW/cm²、累计光量5000mＪ/cm²），使光学调整层103和接合性材料层108同时固化形成。然后，通过从模具离模，得到图1A～图1C所示的结构的衍射光学元件151。通过光学显微镜观察得到的衍射光学元件151的截面，确认到了在基体102的表面102a的第二区域106与光学调整层103的边界，以宽度300μm、最大厚度5μm形成有接合性材料层108，在基体102的与接合性材料层108接触的部分，被发现浸透了三环癸烷二羟甲基二丙烯酸酯的接合界面部109形成到深度5μm的范围中。

实施例1的衍射光学元件，到光学调整层103的端部为止确保了与基体102的紧密接合性，在摄像图像中未发生伴随着无用的衍射光或杂散光的显著的光斑光，得到了良好的画像。

（比较例1）

通过与实施例1同样的方法制作了比较例1的衍射光学元件。比较例1的衍射光学元件与实施例1的不同点在于，未形成接合性材料层108及接合界面部109。

作为比较例1的衍射光学元件，光学调整层103中到达基体102的表面102a的第二区域106的部分从基体102剥离。将其保持在高温环境下（85℃、200小时），结果光学调整层103从基体102的剥离扩大到表面102a的第一区域105（即衍射光学元件的有效区域）。

对于比较例1的衍射光学元件，确认到了在摄像图像中产生光斑光。这是因为，伴随着光学调整层103的剥离，在表面上规定的非球面形状变形，聚光特性恶化。

Claims (14)

1.一种衍射光学元件，具备：

基体,具有包括第一区域和第二区域的表面，该第一区域设有衍射栅格，该第二区域位于所述第一区域的外侧；

光学调整层，覆盖所述基体的表面的所述第二区域及所述第一区域而设置在所述基体上；以及

接合界面部，不位于所述基体的表面的第一区域与所述光学调整层之间，而位于所述基体的表面的第二区域的至少一部分与所述光学调整层之间，将所述基体与所述光学调整层紧密接合。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述接合界面部通过相对于所述光学调整层具有接合性的接合性材料与所述光学调整层接合。

3.如权利要求2所述的衍射光学元件，

所述接合界面部通过所述接合性材料与所述基体浸透或熔解来形成。

4.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述接合界面部存在于从所述基体的表面到内部的区域中。

5.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述接合界面部在所述基体的表面的第二区域中连续地包围所述第一区域。

6.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述接合界面部在所述基体的表面的第二区域中以环状包围所述第一区域。

7.如权利要求1所述的衍射光学元件，

具备多个所述接合界面部，

所述多个接合界面部在所述表面的第二区域中设有间隙地配置在所述第一区域的周围。

8.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述基体在所述表面的所述第一区域中具备具有透镜作用的曲面的基本形状，所述衍射栅格包括在所述基本形状上配置为同心圆的多个环。

9.如权利要求8所述的衍射光学元件，

在所述表面上，所述第二区域包围所述第一区域，所述接合界面部在所述第二区域中以与所述衍射栅格的同心圆的中心一致的点为中心配置为同心圆状。

10.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述接合界面部在所述第二区域中存在于从所述基体的表面到所述光学调整层内部的区域中。

11.如权利要求1所述的衍射光学元件，

还具备位于所述接合界面部与所述光学调整层之间且包含接合性材料的接合性材料层。

12.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述基体具有位于所述表面的所述第二区域中的凹凸形状，所述接合界面部存在于从所述凹凸形状的表面到内部的区域中。

13.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述基体的表面还包括第三区域，该第三区域位于所述第二区域的外周，且具有平坦的表面部分。

14.如权利要求1～13中任一项所述的衍射光学元件，

所述光学调整层在整个所述第一区域中与所述基体的表面直接接触。

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