JP2001255408A

JP2001255408A - 回折光学素子の製造方法

Info

Publication number: JP2001255408A
Application number: JP2000065207A
Authority: JP
Inventors: Naoyasu Hanamura; 尚容花村; Kunihisa Koo; 邦寿小尾
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-03-09
Filing date: 2000-03-09
Publication date: 2001-09-21

Abstract

(57)【要約】【課題】回折光学素子を構成する光学材料の付着力を
向上させて環境耐性を付与する。【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
３，５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４が形成されている。境界面に対
して、シラン系カップリング剤又は、チタネート系カッ
プリング剤を塗布したり、短波長の紫外線を照射して改
質する。

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
ｉｎａｒｙＯｐｔｉｃｓＴｅｃｎｏｌｏｇｙ；Ｔｈ
ｅｏｒｙａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ
ＬｅｖｅｌＤｉｆｆｒａｃｔＯｐｔｉｃａｌＥｌ
ｅｍｅｎｔ，ＧａｒｙＪ．Ｓｗａｓｏｎ，Ｔｅｃｈｉ
ｃａｌＲｅｐｏｒｔ８５４，ＭＩＴ，Ｌｉｎｃｏｌ
ｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ａｕｇｕｓｔ１９８９．
に許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２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、液体は固体の樹脂やガラス
に比べて温度による光学特性の変化が著しく大きいた
め、液体を用いた回折光学素子は環境による変化が大き
く、性能が安定しない問題がある。また、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。このため、実用的な回折
光学素子とするためには、ガラスまたは樹脂を第１の光
学材料として用い、紫外線硬化型樹脂を第２の光学材料
として用いる必要があり、材料選択に自由度が狭くなっ
ている。

【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、ガラスと熱可塑性樹脂の場合、熱可塑性樹脂
の表面の活性度が低いと、ガラスと熱可塑性樹脂とが密
着しないため、剥離する等の問題がある。また、第２の
光学材料として紫外線硬化型樹脂を用い、この紫外線硬
化型樹脂を第１の光学材料であるガラス面にスピンコー
トしたり、流し込んで成形する場合に、鋸歯波状のレリ
ーフパターンの中に液状の樹脂が浸透し難く、ガラスと
樹脂との間に気泡や隙間が発生する等の問題がある。

【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、積層される光学材料を良好に
付着させることができると共に、その間に気泡や隙間が
発生することなく、高品質で製造することが可能な回折
光学素子の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、前記境界面の改質を行う表面処理を境界面に対して
施すことを特徴とする。

【００１４】請求項２の発明は、請求項１記載の発明で
あって、前記表面処理は、シラン系カップリング剤又
は、チタネート系カップリング剤を境界面に塗布するこ
とを特徴とする。

【００１５】請求項３の発明は、請求項１記載の発明で
あって、前記表面処理は、短波長の紫外線を境界面に照
射す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。

【００１６】以上の発明で用いる第１の光学材料及び第
２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選択され、例えば、ガラス、透
明樹脂を使用することができる。また、本発明において
は、２つの光学材料の境界面にレリーフパターンを形成
するものである。すなわち、一方の片面が所望のレリー
フパターン、他方の片面が平面となっている成形型を用
いて、第１の光学材料を精密プレスすることにより、第
１の光学材料の片方の面にレリーフパターンを形成する
ことができる。

【００１７】第１の光学材料としては、量産性に優れる
点で低融点ガラス、熱可塑性樹脂を用いることができる
が、紫外線等のエネルギー硬化型の液状の樹脂を硬化さ
せたものを用いても良い。第２の光学材料は、レリーフ
パターンが形成されている第１の光学材料の境界面に積
層される。第２の光学材料としては、液状のエネルギー
硬化柄樹脂を用いることができる。この第２の光学材料
の積層に先立って、境界面の改質のための表面処理を行
う。

【００１８】請求項２の発明における表面処理は、シラ
ン系カップリング剤又は、チタネート系カップリング剤
を境界面に対して塗布するものである。これらのカップ
リング剤の塗布は、スピンコートやスプレーなどの通常
の方法で簡単に行うことができる。これらのカップリン
グ剤は回折光学素子の光学材料であるガラスや樹脂と反
応して、これらの付着力を向上させることが可能とな
り、隙間が発生することなく２つの光学材料を付着させ
ることができる。また、カップリング剤は消泡作用を備
えており、２つの光学材料の間に気泡が残存することが
なくなる。さらに、光学材料の付着力が高くなるため、
光学材料が剥離しにくくなり、環境耐性に優れた高品質
な回折光学素子とすることができる。従って、第１の光
学材料としてガラスを用い、第２の光学材料としてガラ
スとの付着性の悪い紫外線硬化型樹脂を用いても、高品
質の回折光学素子とすることができる。

【００１９】請求項３の発明における表面処理は、短波
長の紫外線を境界面に照射するものである。短波長の紫
外線の照射により、境界面の有機物が酸化分解されると
共に、オゾンが発生し、有機物の酸化分解とオゾンとの
複合作用により、２つの光学材料の濡れ性が向上し、こ
れらが良好に付着する。従って、この発明では、第１の
光学材料として、酸化分解され易い樹脂を用いる場合に
特に有用である。そして、第２の光学材料としての液状
のエネルギー硬化型樹脂を第１の光学材料の境界面にス
ピンコートしたり、境界面に流し込んで形成する場合に
おいて、鋸歯波状のレリーフパターンの中に液状の樹脂
が浸透し易くなる。その結果、第１光学材料と第２光学
材料との間に、気泡や隙間がなくなり、同時に、付着力
も向上する。これにより、高精度で高品質な回折光学素
子を製造することができる。

【００２０】なお、短波長の紫外線の照射の効果は、第
１光学材料が樹脂でなくガラスの場合でも発現するもの
であり、紫外線処理によってガラスのレリーフパターン
表面に付着している汚れ成分が除去されるため、鋸歯波
状のレリーフパターンの中に第２光学材料としての液状
の樹脂が浸透し易くなる。その結果、２つの光学材料の
界面に気泡や隙間がなくなる。

【００２１】以上のような発明においては、回折光学素
子の製造において、歩留まりが向上し、安定した品質で
の製造が可能となる。なお、光学材料の付着力を向上さ
せるためには、第１の光学材料であるガラスの上に金属
酸化物の薄膜を積層しても良く、第１の光学材料のレリ
ーフパターン形成面に対し、スパッタリング処理やプラ
ズマ処理を行って表面を改質しても良い。

【００２２】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）この実施の形態
の回折光学素子は、図１に示すように、第１の光学材料
３として硝材ＬａＦＫ５５（住田光学（社）製）よりな
る低融点ガラスを用い、第２の光学材料５として式
（１）で示されるフルオレン誘導体からなるエネルギー
硬化型樹脂を用いている。これらの光学材料３，４の境
界面には、鋸歯波状のレリーフパターン４が形成されて
いる。

【００２３】

【化１】

【００２４】この実施の形態では、まず、一方の片面が
所望のレリーフパターン、他方の片面が平面となってい
る成形型を用い、硝材ＬａＦＫ５５を精密プレスして、
片方の面にレリーフパターン４を形成した。

【００２５】次に、シラン系のカップリング剤として代
表的なものを選択し、レリーフパターン４の形成面にス
ピンコートにより塗布した。シラン系のカップリング剤
としては、商品名「ＫＢＭ５０２」からなるシランカッ
プリング剤（信越化学工業株式会社製、γ−メタクリロ
キシプロピル−メチルジメトキシシラン）を用いた。

【００２６】そして、フルオレン誘導体としての１−ヒ
ドロキシシクロヘキシルフェニルケトンからなる紫外線
硬化剤および希釈溶剤であるトリエチレングリコールモ
ノメチルエーテルからなる液状のエネルギー硬化型樹脂
組成物を用い、レリーフパターン４の形成面にスピンコ
ートにより塗布した。その後、エネルギー硬化型樹脂組
成物に紫外線を６０秒間照射した後、さらに１７０℃で
１時間で熱硬化させて回折光学素子を製造した。

【００２７】この実施の形態では、カップリング剤をレ
リーフパターン４の形成面に塗布したことにより、高温
高湿試験（４０℃，ＲＨ９０％，１０００時間）やヒー
トサイクル試験（−２０〜８０℃，１００サイクル，各
温度の保持時間３０分）においても、界面剥離等の発生
がなく、良好な付着力を有したものとなっていた。同様
にチタネート系のカップリング剤として、商品名「プレ
ンクトＫＲ１３８Ｓ」（味の素株式会社製ビス（ジ
オクチルパイロホスフェート）オキシアセテートチタ
ネート）を用いても同様な効果が得られる。

【００２８】（実施の形態２）この実施の形態において
も、図１に示すように、第１の光学材料３として、硝材
ＬａＦＫ５５（住田光学（社）製）よりなる低融点ガラ
スを用い、第２の光学材料５として式（１）で示される
フルオレン誘導体からなるエネルギー硬化型樹脂を用い
ている。これらの光学材料３，４の境界面には、鋸歯波
状のレリーフパターン４が形成されている。この実施の
形態では、カップリング剤に代えて、濡れ性を向上させ
るため、第１の光学材料である低融点ガラスの表面に短
波長の紫外線処理（ＵＶ／Ｏ_３法）を行なうものであ
る。

【００２９】まず、実施の形態１と同様に、一方の片面
が所望のレリーフパターン、他方の片面が平面となって
いる成形型を用い、硝材ＬａＦＫ５５を精密プレスし
て、片方の面にレリーフパターン４を形成した。

【００３０】次に、短波長の紫外線処理（ＵＶ／Ｏ
_３法）をレリーフパターン４の形成面に対して実施し
た。紫外線処理装置としては、商品名「ＰＬ１２−２０
０」からなる表面改質装置（セン特殊光源株式会社製）
を用いた。紫外線処理は、波長２５４ｎｍの紫外線を、
照射距離１０ｍｍ、紫外線強度１５ｍＷ／ｃｍ^２で５分
間照射することにより行った。

【００３１】そして、フルオレン誘導体である１−ヒド
ロキシシクロヘキシルフェニルケトンからなる紫外線硬
化剤および希釈溶剤であるトリエチレングリコールモノ
メチルエーテルからなる液状のエネルギー硬化型樹脂組
成物を用い、レリーフパターン４の形成面にスピンコー
トにより塗布した。その後、エネルギー硬化型樹脂組成
物に紫外線を６０秒間照射した後、さらに１７０℃で１
時間で熱硬化させて回折光学素子を製造した。

【００３２】この実施の形態では、短波長の紫外線処理
をレリーフパターン４の形成面に施すことにより、レリ
ーフパターン４の形成面における有機物が酸化分解され
ると共にオゾンが発生した。この酸化分解と発生したオ
ゾンとの複合作用によって、有機物性汚れが除去され
た。その結果、高温高湿試験（４０℃，ＲＨ９０％，１
０００時間）やヒートサイクル試験（−２０〜８０℃，
１００サイクル，各温度の保持時間３０分）において
も、界面剥離等の発生がなく、良好な付着力を有したも
のとなっていた。

【００３３】また、短波長の紫外線処理をレリーフパタ
ーン４の形成面に施したことにより、レリーフパターン
形成面の濡れ性が向上し、第２の光学材料５である紫外
線硬化型樹脂組成物をガラス３にスピンコートしたり、
流し込む場合に、鋸歯波状のレリーフパターンの中に液
状の樹脂が浸透し易くなっている。このため、レリーフ
パターン４の谷部に気泡や隙間が発生することがなかっ
た。

【００３４】表１は、以上の実施の形態及び処理を行わ
ない場合における付着力、気泡・隙間の発生率の比較結
果である。

【００３５】

【表１】

【００３６】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、第１の光学材
料及び第２の光学材料の付着力を向上させることがで
き、光学材料が剥離しにくくなり、環境耐性に優れ、し
かもレリーフパターンに気泡や隙間の発生のない高品質
の回折光学素子を製造することができる。

【００３７】請求項２の発明によれば、シラン系カップ
リング剤又は、チタネート系カップリング剤を境界面に
塗布するため、境界面の改質を行うことができ、高品質
の回折光学素子を製造することができる。

【００３８】請求項３の発明によれば、短波長の紫外線
照射を行うため、境界面の改質を行うことができ、高品
質の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】本発明の実施の形態によって製造される回折光
学素子の断面図である。

【図２】回折光学素子のレリーフパターンを示す断面図
である。

【符号の説明】

３第１の光学材料４レリーフパターン５第２の光学材料

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記境界面の改質を行う表面処理を境界面に対して施す
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【請求項２】前記表面処理は、シラン系カップリング
剤又は、チタネート系カップリング剤を境界面に塗布す
ることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子の製造
方法。
【請求項３】前記表面処理は、短波長の紫外線を境界
面に照射することを特徴とする請求項１記載の回折光学
素子の製造方法。