JP2001235608A - 回折光学素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ２以上の光学材料からなり、境界面にレリー
フパターンを有している回折光学素子から気泡を除去し
て、色むらやフレアの発生を防止する。 【解決手段】 回折光学素子は、使用する波長帯域で実
質的に透明であり、異なった少なくとも２つの光学材料
３，４が積層され、少なくとも一方の光学材料３の境界
面にレリーフパターン５が形成されている。一方の光学
材料３のレリーフパターン５形成面に対し、未硬化状態
の他方の光学材料４を積層し、他方の光学材料４の硬化
前に一方の光学材料３に振動を加えて気泡７を除去す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の波長帯域で
使用される回折光学素子の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】回折光学素子、例えば、集光作用を有す
る回折レンズを用いる光学系では、従来の屈折レンズ
を用いる場合に比べて、以下のような特長を有すること
が知られている。 回折レンズによって非球面波を容易に生成できるの
で、収差補正上効果的である。 回折レンズは、実質的に厚みを持たないので、光学系
をコンパクトにできると共に、設計の由由度を上げるこ
とができる。 屈折レンズで分散特性に相当する量が、回折レンズで
は逆の値を持つので、色収差を効果的に補正することが
できる。

【０００３】このような回折レンズの特長を利用して、
光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Ｂ
ｉｎａｒｙ Ｏｐｔｉｃｓ Ｔｅｃｎｏｌｏｇｙ；Ｔｈ
ｅｏｒｙ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｕｌｔｉ
Ｌｅｖｅｌ Ｄｉｆｆｒａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌ
ｅｍｅｎｔ，Ｇａｒｙ Ｊ．Ｓｗａｓｏｎ，Ｔｅｃｈｉ
ｃａｌ Ｒｅｐｏｒｔ ８５４，ＭＩＴ，Ｌｉｎｃｏｌ
ｎ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ａｕｇｕｓｔ １９８９．
に詳しく記述されている。

【０００４】一方、特開平１０−２６８１１６号公報及
び特開平９−１２７３２１号公報には、異なる複数の光
学材料からなり、その境界面にレリーフパターンを形成
した回折素子が記載されている、特開平１０−２６８１
１６号公報記載の回折光学素子は、第１の光学材料がガ
ラスまたは樹脂、第２の光学材料が紫外線硬化型樹脂ま
たは液体または弾性体からなり、これらの光学材料の境
界面に回折格子を有した位相型のものである。特開平９
−１２７３２１号公報記載の回折光学素子は、複数の異
なる光学材料が積層されており、少なくとも１つの互い
に異なる光学材料の境界面にレリーフパターンを形成し
たものである。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】回折光学素子には、従
来の屈折素子にはない多くの有用な特長があるが、他方
では、回折効率が波長に依存するために、以下のような
問題を有している。

【０００６】例えば、光学系に適用される回折光学素子
は、レンズ素子として利用する場合が多いが、このよう
な用途においては、複数の回折光（視数の焦点）が存在
することは、一般に好ましくない。そこで、回折レンズ
においては、図１１に示すように、使用する波長帯域で
透明である基材１に、断面形状が鋸歯波状のレリーフパ
ターン２を形成して、特定次数の回折光にエネルギーを
集中させるようにしている。

【０００７】しかしながら、断面形状を図１１に示すよ
うに鋸歯波状に加工すると、その溝深さによってエネル
ギーを集中できる波長が異なるため、波長幅を有する帯
域光のエネルギーを特定次数の回折光に集中させること
ができなくなる。このような現象は、例えばレーザのよ
うな単色と見なせる光を利用する場合には問題とならな
いが、カメラのように白色光を利用する光学系において
は無視できない問題となる。

【０００８】また、回折光学素子の有用な特長の一つで
ある色収差補正効果を実現する場合には、使用する波長
が必然的に複数であるため、特定の波長の光に対して回
折効率を最適化しても、その他の波長では回折効率が低
下する。特に、可視帯域光で撮像する撮像光学系に適用
する場合には、回折効率の波長依存特性によって、色む
らや不要次数光によるフレアが生じる問題がある。

【０００９】上述した特開平１０−２６８１１６号公報
では、このような問題を解決するため、第１及び第２の
光学材料として、光学特性がある特定な条件式を満たす
光学材料を選択することにより、設計次数での回折効率
が波長によらず高くなるようにし、回折効率の波長依存
性を低減させている。また、第１の光学材料としてガラ
スまたは樹脂を選択し、第２の光学材料として紫外線硬
化型樹脂、液体または弾性体を選択することにより、製
造を容易としている。

【００１０】しかしながら、弾性体は回折格子の形状に
完璧に追従することが難しく、回折格子の谷部に気泡が
残る問題がある。また、回折格子の溝深さについて何ら
制限がないため、２種類の光学材料の組み合わせによっ
ては非常に溝深さが必要以上に大きくなり、同様に回折
格子の谷部に気泡が残り易い問題がある。

【００１１】特開平９−１２７３２１号公報も同様に、
互いに異なる光学材料の光学特性がある特定な条件式を
満たす光学材料を選択することにより、設計次数での回
折効率が波長によらず高くなるようにし、回折効率の波
長依存性を低減させているが、使用する光学材料の組み
合わせが２種類のガラスあるいはガラスと熱可塑性樹脂
であるため、それぞれの材料へのレリーフパターンの形
成方法、材料の積層方法、要求される特性を満たしたガ
ラスの製造方法などの点において問題が残っている。ま
た、この公報においては、材料の積層方法に記述がな
く、従って、レリーフパターンの谷部或いは光学材料中
に残存する気泡の除去については、解決されていない。

【００１２】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、少なくとも２つの光学材料か
らなり、その境界面にレリーフパターンを有する回折光
学素子においても、レリーフパターンの谷部に気泡を残
すことのない製造方法を提供することを目的とする。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１の発明は、使用する波長帯域で実質的に透
明であり、異なった少なくとも２つの光学材料が積層さ
れ、少なくとも一方の光学材料の境界面にレリーフパタ
ーンが形成された回折光学素子を製造する方法におい
て、一方の光学材料のレリーフパターン形成面に対し、
未硬化状態の他方の光学材料を積層する工程と、他方の
光学材料の硬化前に一方の光学材料に振動を加える工程
と、を備えていることを特徴とする。以下、一方の光学
材料を第１の光学材料と記載し、他方の光学材料を第２
の光学材料と記載して説明する。

【００１４】本発明において、第１の光学材料として
は、ガラス硝材、特にブラウンホーファー線のｄ線の屈
折率ｎｄが１．６オーダの低融点ガラスが望ましいが、
熱硬化性樹脂などを用いることも可能である。この第１
の光学材料は、回折光学素子を使用する波長帯域で実質
的に透明であるものが使用される。

【００１５】第２の光学材料としては、紫外線、電子
線、可視光或いは熱などによりエネルギー硬化型樹脂
や、ポリカーボネート樹脂、メタアクリル−スチレン樹
脂、非晶質ポリエステル樹脂或いは非晶質ポリオレフイ
ン樹脂などの熱可塑性樹脂を選択することができる。こ
の内、屈折率が１．６オーダのエネルギー硬化型樹脂或
いは非晶質ポリエステル樹脂、非晶質ポリオレフイン掛
脂などの熱可塑性樹脂が第１の光学材料との組み合わせ
において選択できる基準波長範囲を広く取れる点で好ま
しい。第２の光学材料は、第１の光学材料と同様に、回
折光学素子を使用する波長帯域で実質的に透明であるも
のが選択される。

【００１６】本発明において、上述した光学材料の内、
レリーフパターンを形成するのに適した光学材料、例え
ばにガラスからなる光学素子基材（第１の光学材料）上
にレリーフパターンを形成する。レリーフパターンの形
成は、例えば、成形型によるプレス等の公知の手段によ
って行うことができる。

【００１７】レリーフパターンの形成の後、第２の光学
材料をレリーフパターン形成面に積層する。この積層
は、第２の光学材料が流動性を有している未硬化の状態
でレリーフパターン形成面に塗布、スプレー等すること
により行うことができる。この処理によって、少なくと
も２つの光学材料からなり、その少なくとも１つの互い
に異なる光学材料の境界面にレリーフパターンを有する
回折光学素子が形成される。

【００１８】次に、第２の光学素子を硬化させる前に、
第１の光学素子の一部または全部に対して振動を加え
る。振動を加えることによって、第２の光学材料の積層
の際に、第１の光学材料上のレリーフパターン谷部に封
止されている空気などの気体をレリーフパターン谷部か
ら第２の光学材料中を通過させて除去する。

【００１９】第１の光学素子に加える振動の発生源とし
ては、電磁コイルによる電磁加振機などの電動型、電動
型と油圧シリンダを併用した電気−油圧型、カム式や不
均衡重錘式などの機械型、超音波振動子などを用いた電
圧型、その他を用いることができる。本発明では、加振
はどの方法によっても問題なく気泡を除去することが可
能であるが、第２の光学材料の積層後の一連の作業性を
考慮した場合、電磁型や機械型或いは圧電型が、小型の
加振機などが市販されている点から簡便でよい。

【００２０】本発明の振動の付与形態は、振動伝達の方
向性での制約は特になく、第一の光学材料に対し鉛直方
向、水平方向或いは三次元方向から付与してもよい。

【００２１】第１の光学材料に加える振動の特性として
は、振動周波数において５Ｈｚの低周波数から１ＭＨｚ
の高周波数まで種々選択でき、特に限定されるものでは
ないが、周波数が１００Ｈｚ〜３０００Ｈｚ程度のもの
が取り扱いが簡便で良い、振動の振幅については、第１
の光学材料が振動する際に、反転したり、破損すること
がなければよく、１μｍ〜１０ｍｍの範囲で種々選択が
可能であるが、実用的には５μｍ〜５ｍｍ程度の範囲内
にあることが望ましい。

【００２２】また、第１の光学材料に振動を付与するタ
イミングは、第２の光学材料の種類によって適宜、変更
される。例えば、第２の光学材料が熱可塑性樹脂である
場合には、樹脂が冷却、硬化する前、即ち積層後、直ち
に振動を付与しても良く、第１の光学材料に振動を付与
しておいてから塗布等によって積層しても良い。第２の
光学材料がエネルギー硬化型樹脂の場合は、硬化エネル
ギーを与える前の段階で振動を付与する。

【００２３】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）図１〜図４は、
本発明の実施の形態１を示す。この実施の形態の回折光
学素子は、図１に示すように、エネルギー硬化型樹脂Ｍ
Ｒ−７（三井化学（株）製）よりなる第１層３と、エネ
ルギー硬化型樹脂脂ＵＶ−１０００（三菱化学（株）
製）よりなる第２層４との２層構造となっており、第１
層３と第２層４との境界面に、等ピッチの鋸歯波状レリ
ーフパターン５が形成されている。この回折光学素子
は、プリズム作用をなす。なお、これらのエネルギー硬
化型樹脂ＭＲ−７及びエネルギー硬化型樹脂ＵＶ−１０
００は、いずれも硬化前及び硬化後で透明となってい
る。

【００２４】図２〜図４はこの実施の形態の製造手順を
示す。まず図２に示すように、第１層３の片側の面にレ
リーフパターン５を形成する。レリーフパターン５の形
成は、エネルギー硬化型樹脂ＭＲ−７を約４０℃環境下
で厚い円盤形状に成形し、成形面にレリーフパターンを
形成した成形型によってプレスした状態で樹脂を硬化す
ることにより行う。これにより、成形型のレリーフパタ
ーンが第１層３の片方の面に転写される。

【００２５】次に、図３に示すように、エネルギー硬化
型樹脂ＵＶ−１０００を、希釈溶剤としてのトリエチレ
ングリコールモノメチルエーテルに溶解することにより
液状とし、これを第１層３のレリーフパターン５の形成
面にスピンコートにより塗布して第２層４を積層する。
この塗布では、レリーフパターン５の谷部６には気泡７
が残存している。

【００２６】この塗布の後、第２層４が硬化する前に、
図５に示すように、第１層３を加振する。加振は、振動
周波数２００Ｈｚ、振動振幅０．５ｍｍのカム式機械加
振機８を用い、エネルギー硬化型樹脂ＵＶ−１０００の
塗布直後から３０分間行う。続いて、第２層４に対し紫
外線を６０秒間照射し、さらに１７０℃で１時間加熱す
ることによって第２層４を熱硬化させる。これにより境
界面にレリーフパターン５を有した回折光学素子が得ら
れる。

【００２７】この実施の形態では、レリーフパターン５
の形成面にエネルギー硬化型樹脂ＵＶ−１０００をスピ
ンコートによって塗布した際に、レリーフパターン５の
谷部６に気泡７が残存していても、加振機８によって加
振することにより、図４の矢印で示すように、気泡７が
硬化前の第２層４内を上昇して層外に除去される。従っ
て、色むらや不要次数光によるフレアの発生等の原因と
なるレリーフパターン谷部での気泡の残存のない回折光
学素子を製造することができる。

【００２８】（実施の形態２）図５〜図９は本発明の実
施の形態２を示す。この実施の形態では、第１層９とし
て、ＬａＦＫ５５（（株）住田光学ガラス製）からなる
低融点ガラスを用い、第２層１０を熱可塑性非晶質ポリ
エステル樹脂（商品名Ｏ−ＰＥＴ（鐘紡（株）製）を用
いるものである。これらの第１層９及び第２層１０の境
界面には、レリーフパターン１１が形成されている。こ
の実施の形態の回折光学素子は実施の形態１と同様にプ
リズム作用を有している。また、上述した低融点ガラス
及び熱可塑性非晶質ポリエステル樹脂は、硬化の前後に
おいて、透明となっている。

【００２９】図６〜図９はこの実施の形態の製造手順を
示す。まず図６に示すように、板状に成形された低融点
ガラスからなる第１層９の片面に対し、レリーフパター
ン１１を実施の形態１と同様にして形成する。

【００３０】次に、図７に示すように、第１層９をチャ
ンバー１２内に導入し、チャンバー１２を介して第１層
９を３００℃に加熱する。チャンバー１２としては、第
１層９を導入したとき、その上部に空間１３が形成され
る大きさのものが使用される。また、チャンバー１２は
開閉自在なコック１４が側面に設けられると共に、上面
の一部には、開閉自在な注入口１５が設けられている。
この場合、第１層９はレリーフパターン１１形成面が上
方、すなわち、注入口１５に臨むようにチャンバー１２
内に導入されるものである。

【００３１】図７の状態で、コック１４からチャンバー
１２内に窒素等の不活性ガスを流入させてチャンバー１
２内を不活性ガスにより置換する。これは、その後にチ
ャンバー１２内に注入される熱可塑性樹脂の酸化による
炭化を防止するためである。その後、熱溶融させた熱可
塑性非晶質ポリエステル樹脂を、注入口１５からチャン
バー１２内の空間１３に注入して第２層１０を積層す
る。この注入では、図８に示すようにレリーフパターン
１１の谷部に気泡１６が残存している。

【００３２】次に、熱可塑性非晶質ポリエステル樹脂か
らなる第２層１０が硬化する前に、図９に示すように、
チャンバー１２の全体を圧電素子振動子１７上に載置
し、圧電素子振動子１７を振動させて、第１層９を加振
する。第１層９の加振は、周波数２５ＫＨｚ、振幅２μ
ｍで６０秒間行う。

【００３３】その後、第２層１０の熱可塑性非晶質ポリ
エステル樹脂を冷却して硬化させる。これにより境界面
にレリーフパターン１１を有した光学回折素子を製造す
ることができる。このような実施の形態では、第１層９
のレリーフパターン１１形成面に熱可塑性非晶質ポリエ
ステル樹脂を積層した際に、レリーフパターン１１の谷
部に気泡１６が残存していても、振動子１７によって加
振するため、図９の矢印で示すように、気泡１６が硬化
前の第２層１０内を上昇し、これにより層外に除去する
ことができる。従って、色むらや不要次数光によるフレ
アの発生等の原因となるレリーフパターン谷部での気泡
の残存のない回折光学素子を製造することができる。

【００３４】（実施の形態３）図１０に示すように、第
１層１８の片面にレリーフパターン２０が形成され、こ
のレリーフパターン２０の形成面に第２層１９が積層さ
れている。この実施の形態における第１層１９には、Ｖ
Ｃ７９（（株）住田光学ガラス製）からなる低融点ガラ
スが用いられ、第２層１９には、熱可塑性メタアクリル
−スチレン樹脂（商品名ＭＳ２００（新日鐵化学（株）
製）が用いられている。これらの材料は、いずれも硬化
の前後で透明となっている。

【００３５】この実施の形態では、実施の形態２と同様
に製造するものであり、このため、チャンバー１２を用
いた製造が行われる。従って、硬化前の第２層１９に対
して加振を行うため、レリーフパターン２０の谷部に残
存している気泡を除去することができる。これにより、
色むらや不要次数光によるフレアの原因等の原因となる
レリーフパターン谷部での気泡の残存を防止することが
できる。

【００３６】（実施の形態４）この実施の形態では、図
１０に示すように、第１層１８として、ＬａＦＫ５５
（（株）住田光学ガラス製）からなる低融点ガラスが、
第２の層１９として、化学式１で示すフルオレン誘導体
からなるエネルギー硬化型樹脂が使用されている。ま
た、境界面である第１層１８の上面には、等ピッチの鋸
歯波状からなるレリーフパターン２０が形成されてい
る。さらに、これらの低融点ガラス及びエネルギー硬化
型樹脂を硬化の前後において、透明である。

【００３７】

【化１】

【００３８】この実施の形態においても、実施の形態２
と同様にチャンバー１２を用いると共に、第２層１９の
硬化前に加振を行うことにより回折光学素子を製造す
る。加振によって、レリーフパターン２０の谷部に残存
している気泡を除去することができるため、色むらや不
要次数光によるフレアの発生等を防止した回折光学素子
を製造することができる。

【００３９】なお、本発明は以上の実施の形態に限定さ
れることなく、種々変更が可能である。例えば、積層さ
れる光学材料は、少なくとも２つであれば良く、３つ以
上の光学材料にも同様に適用することができる。また、
レリーフパターンは少なくとも一つの光学材料の境界面
に形成されていれば良く、２つの光学材料の境界面に形
成することも可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、請求項１の発明に
よれば、一方の光学材料のレリーフパターン形成面に積
層される他方の光学材料の硬化前に加振を行うため、レ
リーフパターンの谷部の残存している気泡を確実に除去
することができ、これにより、色むらや不要次数光によ
るフレアの発生のない回折光学素子を製造することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】実施の形態１によって製造される回折光学素子
の断面図である。

【図２】実施の形態１の製造工程で作製される第１層の
断面図である。

【図３】実施の形態１における第２層の積層状態の部分
断面図である。

【図４】実施の形態１における気泡除去工程の部分断面
図である。

【図５】実施の形態２によって製造される回折光学素子
の断面図である。

【図６】実施の形態２の製造工程で作製される第１層の
断面図である。

【図７】実施の形態２で用いるチャンバーの断面図であ
る。

【図８】実施の形態２における第２層の積層状態の部分
断面図である。

【図９】実施の形態２における気泡除去工程の部分断面
図である。

【図１０】実施の形態３及び４によって製造される回折
光学素子の断面図である。

【図１１】レリーフパターンを形成した回折光学素子の
断面図である。

【符号の説明】

３，９，１８ 第１層 ４，１０，２９ 第２層 ５，１１，２０ レリーフパターン

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 使用する波長帯域で実質的に透明であ
   り、異なった少なくとも２つの光学材料が積層され、少
   なくとも一方の光学材料の境界面にレリーフパターンが
   形成された回折光学素子を製造する方法において、 一方の光学材料のレリーフパターン形成面に対し、未硬
   化状態の他方の光学材料を積層する工程と、他方の光学
   材料の硬化前に一方の光学材料に振動を加える工程と、
   を備えていることを特徴とする回折光学素子の製造方
   法。