JP2001337214A

JP2001337214A - 回折光学素子

Info

Publication number: JP2001337214A
Application number: JP2000156699A
Authority: JP
Inventors: Kunihisa Koo; 邦寿小尾
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2000-05-26
Filing date: 2000-05-26
Publication date: 2001-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】回折効率の波長依存特性を低減して、色むら
や不要次数光によるフレアの発生を有効に防止し、互い
に異なる光学材料が強固に積層された回折光学素子を提
供する。【解決手段】互いに異なる種類の光学材料からなる２
つの光学部材１、２の境界面に、レリーフパターン３を
有する回折光学素子において、前記境界面に、二酸化珪
素、硫化亜鉛および酸化アルミニウムのうち少なくとも
一種からなる薄膜層４を形成して構成した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、複数の波長の光で
使用する回折光学素子に関する。

【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には、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ともに、設計の自由度を上げ
ることができる。屈折レンズでいう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徴を利用して、
光学系の特性を向上させることに関しては、例えば、Ｂ
ｉｎａｒｙＯｐｔｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ；Ｔ
ｈｅｏｒｙａｎｄＤｅｓｉｇｎｏｆＭｕｌｔｉ
ＬｅｖｅｌＤｉｆｆｒａｃｔＯｐｔｉｃａｌＥ
ｌｅｍｅｎｔ，ＧａｒｙＪ．Ｓｗａｓｏｎ，Ｔｅｃ
ｈｉｃａｌＲｅｐｏｒｔ８５４，ＭＩＴ，Ｌｉｎｃ
ｏｌｎＬａｂｏｒａｔｏｒｙ，Ａｕｇｕｓｔ１９８
９．に詳しく記述されている。

【０００４】また、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回折格子として、例えば、特開平１
０−２６８１１６号公報には、第１光学材料がガラスま
たは樹脂で、第２光学材料が紫外線硬化型樹脂、液体ま
たは弾性体である２種類の光学材料の境界面に回折格子
を有する位相型の回折光学素子が開示されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、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、以下に説明するように、種々の問題がある。例え
ば、光学系に適用する回折光学素子は、レンズ素子とし
て利用される場合が多いが、このような用途において
は、複数の回折光（複数の焦点）が存在するのは、一般
に好ましくない。そこで、回折レンズにおいては一般
に、図８に示すように、使用する波長によって、透明な
基材１０１に断面形状が鋸歯波状のレリーフパターン１
０２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。

【０００６】しかしながら、断面形状を図８に示すよう
に鋸歯波状に形成すると、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。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に、特定の
波長の光で回折効率を最適化すると、その他の波長では
回折効率が低下し、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という
問題がある。

【０００７】そこで、この問題を解決するため、特開平
１０−２６８１１６号公報に開示された技術は、２種類
の光学材料の境界面に回折格子を有する位相型の回折光
学素子において、第１光学材料と第２光学材料との光学
特性が、ある特定の条件式を選択することにより、設計
次数での回折効率は波長によらず高くなるようにし、回
折効率の波長依存特性の低減を実現している。また、第
１光学材料をガラスまたは樹脂から選択し、第２光学材
料を紫外線硬化型樹脂、液体または弾性体から選択する
ことにより製造が容易になるようにしている。しかし、
第１光学材料であるガラスまたは樹脂と第２光学材料
である紫外線硬化型樹脂との熱や水分などによる膨張率
が異なること、界面のレリーフパターンが複雑である
こと、光学特性の制限から接着性に乏しいポリオレフ
ィン系樹脂や二酸化珪素成分が少ないガラスなどの材料
を選択せざるを得ないことなどの理由から、両者の界面
から剥離しやすいという問題がある。また、第２光学材
料に液体を用いた場合、液体は温度による光学特性の変
化が固体の樹脂やガラスに比べて著しく大きいため、回
折光学素子の性能が環境によって大きく影響を受けると
いう問題がある。さらに、第２光学材料に弾性体を用い
た場合、弾性体を回折格子の形状に完璧に追従させるこ
とが難しく、回折格子の谷部に気泡が残るという問題が
ある。

【０００８】本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなさ
れたもので、請求項１、２または３に係る発明の課題
は、回折効率の波長依存特性を低減して、色むらや不要
次数光によるフレアの発生を有効に防止し、互いに異な
る光学材料が強固に積層された回折光学素子を提供する
ことである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１、２または３に係る発明は、互いに異なる
種類の光学材料からなる２つの光学部材の境界面に、レ
リーフパターンを有する回折光学素子において、前記境
界面に、二酸化珪素、硫化亜鉛および酸化アルミニウム
のうち少なくとも一種からなる薄膜層を形成して構成し
た。

【００１０】請求項１、２または３に係る発明の回折光
学素子では、互いに異なる種類の光学材料からなる２つ
の光学部材の境界面に形成した二酸化珪素、硫化亜鉛お
よび酸化アルミニウムのうち少なくとも一種からなる薄
膜層の成分を調整することにより、境界面での界面反射
が防止され、回折効率が向上し、かつ２つの光学部材の
接着強度を大きくする。

【００１１】請求項２または３に係る発明の回折光学素
子では、上記作用に加え、２つの光学部材のうち、一方
の光学部材は高屈折率低分散材料からなり、他方の光学
部材は低屈折率高分散材料からなることにより、設計次
数での回折効率が波長によらず高くなるようにできる。

【００１２】請求項３に係る発明の回折光学素子では、
上記作用に加え、薄膜層の屈折率が、一方の光学部材の
屈折率と他方の光学部材の屈折率との中間の値であるこ
とにより、境界面での界面反射が防止される。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態の回折
光学素子の概要を示す断面図である。図１において、第
１光学部材１の光学面の片面には、レリーフパターン３
が形成されている。レリーフパターン３の表面には、少
なくとも二酸化珪素、硫化亜鉛および酸化アルミニウム
から選ばれた混合物からなる薄膜層４が形成されてい
る。さらに、薄膜層４の上には、第２光学部材２が積層
されている。第１光学部材１および第２光学部材２は、
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特性を低減させるために、用い
られる光学材料は、高屈折率低分散材料と低屈折率高分
散材料との組合せが選択される。高屈折率低分散材料と
してガラスまたは熱可塑性樹脂が、低屈折率高分散材料
として紫外線硬化型樹脂または熱硬化性樹脂が用いられ
る。

【００１４】薄膜層４は、二酸化珪素、硫化亜鉛、酸化
アルミニウムのいずれか１つまたは複数で構成され、真
空蒸着、イオンプレーティング、スパッタリングなどの
方法によってレリーフパターン３の表面に形成される。
二酸化珪素、硫化亜鉛および酸化アルミニウムは、樹脂
との接着性に優れる性質があり、第１光学部材１が接着
性に乏しいポリオレフィン系の樹脂や二酸化珪素成分の
少ないガラスなどの材料からなっていても、薄膜層４が
中間層となり、その上に積層される第２光学部材２を形
成する樹脂との接着強度が十分に大きくなり、第１光学
部材１と第２光学部材２との境界面からの剥離を防止す
ることができる。さらに、薄膜層４の屈折率を、第１光
学部材１の屈折率と第２光学部材２の屈折率との中間の
値になるように、二酸化珪素、硫化亜鉛および酸化アル
ミニウムの混合比を調整することによって、第１の光学
部材１と第２の光学部材２との境界面での界面反射が防
止され、回折効率が向上し、フレアが減少する効果もあ
る。すなわち、薄膜層４の成分を調整することにより、
第１光学材料１と第２光学材料２との接着性を向上させ
ることができるばかりではなく、回折効率の向上やフレ
アの減少という光学上の効果を得ることができる。以
下、具体的な実施の形態を説明する。

【００１５】（実施の形態１）図２および図３は実施の
形態１を示し、図２は回折光学素子の縦断面図、図３は
回折光学素子の回折効率の測定結果を示す図表である。

【００１６】図２において、回折光学素子１０は、一方
の光学部材としての第１光学部材１１に、屈折率ｎｄが
１．６９４、アッベ数νｄが５６．３である高屈折率低
分散材料としての低融点ガラスを用い、他方の光学部材
としての第２光学部材１２に、下記の化学式（１）で示
すフルオレン誘導体を主成分とする屈折率ｎｄが１．６
３１、アッベ数νｄが２４．８である低屈折率高分散材
料としての紫外線硬化型樹脂を用いている。第１光学部
材１１と第２光学部材１２との境界面には、鋸歯波状の
レリーフパタン１３を形成し、このレリーフパターン１
３の表面には、二酸化珪素および酸化アルミニウムから
なる薄膜層１４を形成している。薄膜層１４の屈折率ｎ
ｄは、１．５８０となっている。

【００１７】

【化１】

【００１８】つぎに、回折光学素子１０の製造方法につ
いて説明する。最初に、一方の成形面が所望のレリーフ
パターンを反転したレリーフパターンであり、他方の成
形面が平面である一対の成形用金型（図示省略）を用意
する。この成形用金型の間に、第１光学部材１１の光学
素材である前記低融点ガラスを加熱軟化させて載置し、
押圧成形して、図２に示すように、一方の面が所望のレ
リーフパターン１３を有し、他方の面が平面１１ａであ
る第１光学部材１１を作製する。つぎに、成形した第１
光学部材１１を、そのレリーフパターン１３面が蒸着で
きるように、真空蒸着装置にセットし、真空蒸着チャン
バー（図示省略）内を２×１０^−５Ｔｏｒｒ以下の真空
に排気する。その後、二酸化珪素および酸化アルミニウ
ムの混合物（重量比で１：３）を電子線加熱蒸着法によ
り、光学的膜厚にして１００ｎｍの混合膜をレリーフパ
ターン１３の表面に蒸着し、薄膜層１４を形成する。

【００１９】つぎに、薄膜層１４の上に前記フルオレン
誘導体を主成分とする紫外線硬化型樹脂を適量塗布す
る。そしてこの紫外線硬化型樹脂に、下面が平面に研磨
された成形型（図示省略）を上方から押圧しながら、紫
外線を照射して硬化させた後、成形型を離型して、第２
光学部材１２を形成して、回折光学素子１０を得た。

【００２０】図３に示すように、回折光学素子１０は、
回折効率の波長依存特性を実質的に無視できる程度に小
さく抑えることができ、改善効果が著しいことが実証さ
れた。また、回折光学素子１０を温度−５０〜＋９０℃
で、湿度０〜９０％ＲＨの間で周期的に変化するヒート
サイクル試験機に５日間放置し耐環境性の試験を行っ
た。この結果、光学的性能の低下および低融点ガラスと
紫外線硬化型樹脂との界面剥離などの問題は起こらなか
った。

【００２１】本実施の形態によれば、回折効率の波長依
存特性を低減して、色むらや不要次数光によるフレアの
発生を有効に防止し、互いに異なる光学材料が強固に積
層された両平面状の回折光学素子を得ることができる。

【００２２】（実施の形態２）図４および図５は実施の
形態２を示し、図４は回折光学素子の縦断面図、図５は
回折光学素子の回折効率の測定結果を示す図表である。

【００２３】図４において、回折光学素子２０は、実施
の形態１の回折光学素子１０の材料の組合せを変化さ
せ、一方の光学部材としての第１光学部材２１に、屈折
率ｎｄが１．６３３、アッベ数νｄが６３．８である高
屈折率低分散材料としての低融点ガラスを用い、他方の
光学部材としての第２光学部材２２に、下記の化学式
（２）で示すフルオレン誘導体を主成分とする屈折率ｎ
ｄが１．５７５、アッベ数νｄが３２．０である低屈折
率高分散材料としての紫外線硬化型樹脂を用いている。
第１光学部材２１と第２光学部材２２との境界面には、
鋸歯波状のレリーフパタン２３を形成し、このレリーフ
パターン２３の表面には、実施の形態１における回折光
学素子１０の薄膜層１４の成分を変更し、二酸化珪素お
よび硫化亜鉛からなる薄膜層２４を形成している。薄膜
層２４の屈折率ｎｄは、１．５９０となっている。

【００２４】

【化２】

【００２５】つぎに、回折光学素子２０の製造方法につ
いて説明する。最初に、一方の成形面が所望のレリーフ
パターンを反転したレリーフパターンであり、他方の成
形面が平面である一対の成形用金型（図示省略）を用意
する。この成形用金型の間に、第１光学部材２１の光学
素材である前記低融点ガラスを加熱軟化させて載置し、
押圧成形して、図４に示すように、一方の面が所望のレ
リーフパターン２３を有し、他方の面が平面２１ａであ
る第１光学部材２１を作製する。つぎに、成形した第１
光学部材２１を、そのレリーフパターン２３面が蒸着で
きるように、真空蒸着装置にセットし、実施の形態１と
同様の条件で真空蒸着チャンバー（図示省略）内を真空
に排気する。その後、二酸化珪素および硫化亜鉛の混合
物（重量比で６：１）を電子線加熱蒸着法により、光学
的膜厚にして１３０ｎｍの混合膜をレリーフパターン２
３の表面に蒸着し、薄膜層２４を形成する。

【００２６】つぎに、薄膜層２４の上に前記フルオレン
誘導体を主成分とする紫外線硬化型樹脂を適量塗布す
る。そしてこの紫外線硬化型樹脂に、下面が凹球面に研
磨された成形型（図示省略）を上方から押圧しながら、
紫外線を照射して硬化させた後、成形型を離型して、上
面が凸球面２２ａの第２光学部材２２を形成して、回折
光学素子２０を得た。

【００２７】図５に示すように、回折光学素子２０は、
回折効率の波長依存特性を実質的に無視できる程度に小
さく抑えることができ、改善効果が著しいことが実証さ
れた。また、回折光学素子２０を温度−５０〜＋９０℃
で、湿度０〜９０％ＲＨの間で周期的に変化するヒート
サイクル試験機に５日間放置し耐環境性の試験を行っ
た。この結果、光学的性能の低下および低融点ガラスと
紫外線硬化型樹脂との界面剥離などの問題は起こらなか
った。

【００２８】本実施の形態によれば、回折効率の波長依
存特性を低減して、色むらや不要次数光によるフレアの
発生を有効に防止し、互いに異なる光学材料が強固に積
層された平面および凸球面を有する回折光学素子を得る
ことができる。

【００２９】（実施の形態３）図６〜図７は実施の形態
３を示し、図６は回折光学素子の縦断面図、図７は回折
光学素子の回折効率の測定結果を示す図表である。

【００３０】図６において、回折光学素子３０は、実施
の形態２の回折光学素子２０の材料の組合せを変化さ
せ、一方の光学部材としての第１光学部材３１に、屈折
率ｎｄが１．５２４、アッベ数νｄが５５．０である高
屈折率低分散材料としてのオレフィン系熱可塑性樹脂を
用い、他方の光学部材としての第２光学部材３２に、ア
クリル系オリゴマーを主成分とする屈折率ｎｄが１．５
１８、アッベ数νｄが５２．０である低屈折率高分散材
料としての熱硬化型樹脂を用いている。第１光学部材３
１の第２光学部材３２との境界面には、鋸歯波状のレリ
ーフパタン３３を形成し、このレリーフパターン３３の
表面には、二酸化珪素および酸化アルミニウムからなる
薄膜層３４を形成している。薄膜層３４の屈折率ｎｄ
は、１．５２０となっている。

【００３１】つぎに、回折光学素子３０の製造方法につ
いて説明する。最初に、一方の成形面が所望のレリーフ
パターンを反転したレリーフパターンであり、他方の成
形面が凸非球面である一対の成形用金型（図示省略）を
用意する。この成形用金型の間に、第１光学部材３１の
光学素材である前記オレフィン系熱可塑性樹脂を加熱軟
化させて載置し、押圧成形して、図６に示すように、一
方の面が所望のレリーフパターン３３を有し、他方の面
が凹非球面３１ａである第１光学部材３１を作製する。
つぎに、成形した第１光学部材３１を、そのレリーフパ
ターン３３面が蒸着できるように、真空蒸着装置にセッ
トし、実施の形態１と同様の条件で真空蒸着チャンバー
（図示省略）内を真空に排気する。その後、二酸化珪素
および酸化アルミニウムの混合物（重量比で２：１）を
電子線加熱蒸着法により、光学的膜厚にして１３０ｎｍ
の混合膜をレリーフパターン３３の表面に蒸着し、薄膜
層３４を形成する。

【００３２】つぎに、薄膜層３４の上に前記アクリル系
オリゴマーを主成分とする熱硬化型樹脂を適量塗布す
る。そしてこの熱硬化型樹脂に、下面が凹球面に研磨さ
れた成形型（図示省略）を上方から押圧しながら、８０
℃５時間加熱し、前記熱硬化型樹脂を硬化させた後、成
形型を離型して、上面が凸球面３２ａの第２光学部材３
２を形成して、回折光学素子３０を得た。

【００３３】図７に示すように、回折光学素子３０は、
回折効率の波長依存特性を実質的に無視できる程度に小
さく抑えることができ、改善効果が著しいことが実証さ
れた。また、回折光学素子３０を温度−５０〜＋９０℃
で、湿度０〜９０％ＲＨの間で周期的に変化するヒート
サイクル試験機に５日間放置し耐環境性の試験を行っ
た。この結果、光学的性能の低下およびオレフィン系熱
可塑性樹脂と熱硬化型樹脂との界面剥離などの問題は起
こらなかった。

【００３４】本実施の形態によれば、回折効率の波長依
存特性を低減して、色むらや不要次数光によるフレアの
発生を有効に防止し、互いに異なる光学材料が強固に積
層された凹非球面および凸球面を有する回折光学素子を
得ることができる。

【００３５】なお、上述の具体的な実施の形態からつぎ
のような構成の技術的思想が導き出される。（付記）（１）使用する波長帯域で実質的に透明である少なく
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
る回折光学素子において、前記境界面に、少なくとも二
酸化珪素、硫化亜鉛および酸化アルミニウムから選ばれ
る薄膜層を形成したことを特徴とする回折光学素子。

【００３６】付記（１）によれば、境界面での界面反射
が防止され、回折効率が向上し、かつ２つの光学材料の
接着強度を大きくするので、回折効率の波長依存特性を
低減して、色むらや不要次数光によるフレアの発生を有
効に防止し、互いに異なる光学材料が強固に積層された
回折光学素子を得ることができる。

【００３７】

【発明の効果】請求項１、２または３に係る発明によれ
ば、境界面での界面反射が防止され、回折効率が向上
し、かつ２つの光学部材の接着強度を大きくするので、
回折効率の波長依存特性を低減して、色むらや不要次数
光によるフレアの発生を有効に防止し、互いに異なる光
学材料が強固に積層された回折光学素子を得ることがで
きる。

【００３８】請求項２または３に係る発明によれば、上
記効果に加え、設計次数での回折効率が波長によらず高
くなるようにできるので、回折効率の波長依存特性を低
減させる。

【００３９】請求項３に係る発明によれば、上記効果に
加え、境界面での界面反射が防止されるので、さらに、
回折効率を向上させ、フレアを減少させることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】発明の実施の形態の回折光学素子の概要を示す
断面図である。

【図２】実施の形態１の回折光学素子の縦断面図であ
る。

【図３】実施の形態１の回折光学素子の回折効率の測定
結果を示す図表である。

【図４】実施の形態２の回折光学素子の縦断面図であ
る。

【図５】実施の形態２の回折光学素子の回折効率の測定
結果を示す図表である。

【図６】実施の形態３の回折光学素子の縦断面図であ
る。

【図７】実施の形態３の回折光学素子の回折効率の測定
結果を示す図表である。

【図８】従来技術の回折光学素子の縦断面図である。

【符号の説明】

１第１光学部材２第２光学部材３レリーフパターン４薄膜層

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】互いに異なる種類の光学材料からなる２
つの光学部材の境界面に、レリーフパターンを有する回
折光学素子において、前記境界面に、二酸化珪素、硫化亜鉛および酸化アルミ
ニウムのうち少なくとも一種からなる薄膜層を形成して
構成したことを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】前記２つの光学部材のうち、一方の光学
部材は高屈折率低分散材料からなり、他方の光学部材は
低屈折率高分散材料からなることを特徴とする請求項１
記載の回折光学素子。
【請求項３】前記薄膜層の屈折率は、一方の光学部材
の屈折率と他方の光学部材の屈折率との中間の値である
ことを特徴とする請求項１または２記載の回折光学素
子。