JP2004004605A - 光学材料、光学素子、回折光学素子、積層型回折光学素子、光学系及び光学素子の成形方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】室温での成形において光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる屈折率分散のより大きな光学材料を提供する。
【解決手段】少なくとも、Ｎ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤からなる光学材料を使用することにより、室温での成形において光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる。また、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールの割合を、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０とする事により、更に室温でのレプリカ成形に適した光学材料とする事ができる。
【選択図】 図１
【解決手段】少なくとも、Ｎ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤からなる光学材料を使用することにより、室温での成形において光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる。また、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールの割合を、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０とする事により、更に室温でのレプリカ成形に適した光学材料とする事ができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ、フィルター、ミラー、屈折光学素子等の光学素子に使用する光学材料に関するものであり、特に屈折率分散の大きな光学材料に関するものである。また、前記光学材料により成形した光学素子及び、その成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光線を屈折させる複数のレンズによって構成される光学系においては、分散特性の異なる硝材を組み合わせることによって色収差を減らしている。例えば、望遠鏡等の対物レンズでは分散の小さい硝材を正レンズ、分散の大きい硝材を負レンズとし、これらを組み合わせて用いることで軸上に現れる色収差を補正している。この為、レンズの構成、枚数が制限される場合や使用される硝材が限られている場合などでは、色収差が十分に補正することができない事があった。
【０００３】
前述の硝材の組み合わせにより色収差を減じる方法に対して、レンズやあるいは光学系の一部に回折格子を設ける事で色収差を減じる方法が、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０）等の文献により開示されている。光学系において屈折面と回折面とは、ある基準波長の光線に対して、その色収差は逆方向となる事が知られている。この現象を利用し、両者の色収差を相殺し、全体として色収差の低減を実現している。さらに、このような回折光学素子においては、その回折格子の構造の周期を連続的に変化させる事により、非球面レンズと等価な機能を持たせることもできる。従ってこのような回折格子を有するレンズを採用すれば、色収差を大幅に低減させることが可能となる。
【０００４】
通常の屈折面において１本の光線は屈折後も１本の光線であるのに対し、回折面において１本の光線は回折され各次数の複数の光線に分かれてしまう。そこで、光学系として回折光学素子を用いる場合には、回折された複数の光線のうち、使用波長領域の光束が設計された特定次数に集中するように格子構造を決定する必要がある。特定次数に光線が集中している状態では、それ以外の次数の回折光の強度は低く、強度が０の場合にはその回折光は存在しないものとなる。逆に、特定次数以外の次数をもった光線が存在する場合は、その光線は特定次数の光線とは別な所に結像しフレア光となってしまう。従って、色収差を効率的に低減させるには、特定次数の光線の回折効率を十分に高くすることが必要である。
【０００５】
このような使用波長領域の光束が設計された特定次数に集中するように格子構造を決定する構成は、特開平９−１２７３２１号公報，特開平９−１２７３２２号公報、特開平１１−０４４８０８号公報、特開平１１−０４４８１０号公報等に開示されている。これらは、異なる分散を有する複数の材料と各回折格子の厚さを最適に選ぶことで、広波長範囲で高い回折効率を有する構成となっている。具体的には基板上に複数の異なる光学材料を積層し、それらの境界面の少なくとも１つに、レリーフパターン、階段形状、キノフォーム等を形成することで、所望の積層型回折光学素子が形成されている。
【０００６】
しかしながら、前述した特開平９−１２７３２１号公報、特開平９−１２７３２２号公報、特開平１１−０４４８０８号公報、特開平１１−０４４８１０号公報においては、広波長範囲で高い回折効率を有する構成を得るために、相対的に屈折率分散の低い材料と屈折率分散の高い材料との組み合わせを用いている。
【０００７】
具体的には、特開平９−１２７３２１号公報の場合はＢＭＳ８１（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝６０．１：オハラ製）とプラスチック光学材料ＰＣ（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、特開平９−１２７３２２号公報の場合はＬａＬ１４（ｎｄ＝１．６９６８，νｄ＝５５．５：オハラ製）、アクリル樹脂（ｎｄ＝１．４９，νｄ＝５７．７）、Ｃｙｔｏｐ（ｎｄ＝１．３４１４９，νｄ＝９３．８：旭硝子製）、ＰＣ（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、特開平１１−０４４８０８号公報及び特開平１１−０４４８１０号公報の場合はＣ００１（ｎｄ＝１．５２５０，νｄ＝５０．８：大日本インキ製）、プラスチック光学材料ＰＣ（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、ＰＳ（ｎｄ＝１．５９１８，νｄ＝３１．１）、ＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９１７，νｄ＝５７．４）、ＢＭＳ８１（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝６０．１：オハラ製）等を、それぞれ組み合わせて用いている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１２７３２１号
【特許文献２】
特開平９−１２７３２２号
【特許文献３】
特開平１１−０４４８０８号
【特許文献４】
特開平１１−０４４８１０号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折光学素子等の光学素子においては、その形状のため光の入射角（画角）が大きい場合、光がけられてフレア光やゴーストが発生するという問題が生じる。そのため、画角を広げるには、従来の光学材料よりもより屈折率分散の大きな材料によることが必要となる。図７は、光学材料として市販、もしくは研究開発されている光学材料のアッベ数と屈折率を示したグラフである。縦軸は屈折率（ｎｄ）、横軸はアッベ数（νｄ）である。この中でポリビニルカルバゾールが有機高分子の中ではアッペ数が１７．３と最も小さい事が知られている。
【００１０】
ポリビニルカルバゾールを積層型回折光学素子に用いた例は、特開平１０−２６８１１６号公報に記載されている。特開平１０−２６８１１６号公報では、表３に弾性樹脂としてポリビニルカルバゾールを挙げている。回折格子に弾性樹脂であるポリビニルカルバゾールを押し付ける事により、回折格子面に圧着し一体化する事で多層回折格子を形成している。しかしながら、ポリビニルカルバゾールは非常に脆い物質であるため、少ない荷重で簡単にクラック等が発生してしまう。従って特開平１０−２６８１１６号公報に記載されているように、弾性樹脂であるポリビニルカルバゾールを、回折格子に押し付けて光学素子を成形するには、多大な時間をかけて押し付ける必要があり、産業上実施する事は非常に困難である。また近年、回折格子の形状は微細でかつ複雑になってきており、更に困難なものとなっている。
【００１１】
一方ポリビニルカルバゾールは、Ｎ−ビニルカルバゾール（νｄ＝１７．８）を重合反応させる事により形成することができる。Ｎ−ビニルカルバゾールは流動性を有しているため、複雑な回折格子構造を有する型の隙間にも、原材料を容易に充填することができる。そのために、回折格子等の複雑な形状を有する光学素子の光学材料として、Ｎ−ビニルカルバゾールを用いることが有効な方法の一つと考えられる。
【００１２】
しかしながら、Ｎ−ビニルカルバゾールを光重合することで、回折光学素子等を任意の形状に成形することが可能であるが、Ｎ−ビニルカルバゾールは室温で結晶化してしまうため、一般的に室温で成形が行われるレプリカ成形にそのままで用いることはできない。
【００１３】
すなわち、レプリカ成形は、従来から光学素子の成形技術のひとつとして、大面積成形品の成形に適しており、また転写性に優れている。また、その成形の容易さから大量生産に適している成形技術がある。このレプリカ成形は、所望の光学形状の反転形状を有する型成形面上に光硬化性樹脂を滴下し、その上からレンズブランクを圧着させて押し広げ、所望の形状になったところで、光源からの光を照射し光硬化性樹脂を硬化させ、それを離型することで成形を行う。しかしながらレプリカ成形は、一般に室温で成形するため、Ｎ−ビニルカルバゾールのような室温で結晶化してしまう光学材料を用いた場合には、室温の型に滴下した瞬間、またガラスなどのレンズブランクの圧着中に結晶化が進んでしまい、所望の光学素子形状を得る事ができない。
【００１４】
常温（通常２２℃〜２８℃）で結晶化してしまう光学材料の結晶化を抑制するために、型の温度を結晶化温度以上に上げるというレプリカ成形も考えられる。しかしながら、一般にレプリカ成形の型は拘束されている。従って熱が加わった型及び光学素子は自由膨張することができず、非線形な膨張となってしまうため形状を制御する事が非常に困難である。さらに型が温度分布を持つ場合さらに制御する事が困難となる。また近年の光学素子形状は自由曲面や格子形状を持つなどの形状は、非常に複雑化している。そのため温度による型と光学素子の膨張を見込んだで型を製作するのは困難である。
【００１５】
また、Ｎ−ビニルカルバゾールは粘度が低いという点でも問題がある。レプリカ成形では光硬化性樹脂を滴下する。従来この滴下には、ディスペンサーと呼ばれる定量吐出装置が用いられている。ディスペンサーにより定量滴下を行うことにより成形面の厚みや面積を制御している。この滴下量が不均一であると所望の面積や厚みが得られず、また型側面への液ダレによりバリが発生する。Ｎ−ビニルカルバゾールは融点（６５℃近辺）以上の温度では４ｍＰａ・ｓ以下と粘度が低いため、滴下量の制御が困難である。また粘度を制御するために、増粘剤などの他の化合物を加えると屈折率分散に影響を与え、性能の低下を招く。
【００１６】
そこで本発明は、室温での成形において光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる屈折率分散のより大きな光学材料を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するため、つぎの（１）〜（１０）のように構成した光学材料、該光学材料を用いた光学素子の成形方法、該成形方法によって成形された光学素子、および該光学素子を有する光学系を提供するものである。
（１）光重合により光学素子を成形する光学材料において、少なくともＮ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤を含むことを特徴とする光学材料。
（２）前記Ｎ−ビニルカルバゾールと前記ポリビニルカルバゾールの割合が、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０の範囲であることを特徴とする前記（１）に記載の光学材料。
（３）前記（１）または（２）に記載の光学材料を成形型に供給し、該成形型の内部において光重合反応により硬化させることにより光学素子を成形することを特徴とする光学素子の成形方法。
（４）前記光学材料の粘度は、５０ｍＰａ・ｓ以上、５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整されることを特徴とする前記（３）に記載の光学素子の成形方法。
（５）前記光重合反応は２２℃〜２８℃の温度において行われる事を特徴とする前記（３）に記載の光学素子の成形方法。
（６）前記（１）または（２）に記載の光学材料により形成された所望の形状を有する光学部材と、該光学部材をその表面に形成し基板とからなる事を特徴とする光学素子。
（７）前記（６）に記載の光学素子が格子形状を有することを特徴とする回折光学素子。
（８）前記（７）に記載の回折光学素子と、前記光学素子を形成する光学材料と異なる分散の材料からなる少なくとも１つの回折光学素子とを積層する事により形成することを特徴とする積層型回折光学素子。
（９）前記（６）に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
（１０）前記光学系は、投影光学系であることを特徴とする上記（９）に記載の光学系。
（１１）前記光学系は、撮影光学系であることを特徴とする上記（９）に記載の光学系。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明は、光学材料をＮ−ビニルカルバゾール、ポリビニルカルバゾール（及び光重合開始剤）から構成することで、室温での成形においても結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能とするものである。
【００１９】
Ｎ−ビニルカルバゾールは大きなπ電子共役系を持つ分子である。そのため、分子間にπ−π電子間結合が起こり室温において結晶化する。この結晶化は、Ｎ−ビニルカルバゾールにポリビニルカルバゾールを入れることにより抑制する事ができる。ポリビニルカルバゾールによってＮ−ビニルカルバゾールのπ−π電子間結合を阻害する事ができる。
【００２０】
Ｎ−ビニルカルバゾールの結晶化を単に抑制するのであれば、他の化合物を使用することもできる。しかしながらＮ−ビニルカルバゾールは非常に屈折率分散の高い物質であり、Ｎ−ビニルカルバゾールより屈折率分散の低い化合物を入れると、化合物全体の屈折率分散が下がってしまい、Ｎ−ビニルカルバゾールの特性を充分に生かすことができない。ポリビニルカルバゾールは、Ｎ−ビニルカルバゾールとほぼ同等の屈折率分散の値を持つ。そのため化合物全体の屈折率分散を下げる事なく、Ｎ−ビニルカルバゾールの特性を充分に生かすことができる。また、ポリビニルカルバゾールはＮ−ビニルカルバゾール重合体であるため、成形した光学素子の特性に影響を与える事は全くない。
【００２１】
また、ポリビニルカルバゾールはＮ−ビニルカルバゾールの溶融液に溶解し、適度な粘度を示す。ここで用いられるレプリカ成形における適度な粘度としては、５０ｍＰａ・ｓ以上で５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲を示す。この範囲の粘度を使用することによりディスペンサーにより安定的に滴下量を制御することができる。粘度が５０ｍＰａ・ｓ以下であると少量の滴下が困難であり、また滴下ノズルより液が飛散するといった現象が生じる。また５０００ｍＰａ・ｓ以上の粘度においては、光学材料を滴下ノズルから滴下する際に糸を引く現象が生じてしまい、安定的に滴下量を制御することができない。
【００２２】
また、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールの割合は、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０の範囲であることが好ましい。
【００２３】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態における光学素子の成形方法について、図１の模式図を用いてその概略を説明する。図１（ａ）に示す様に、所望の光学形状の反転形状である回折格子形状に加工された金型１上に、光学材料である光硬化樹脂２を供給した。この時金型１はヒータ６により温調制御されている。その上からレンズブランク３を圧着させ、図１（ｂ）に示すように光硬化樹脂２を押し広げ、所望の形状になったところで、光源５からの光を照射し光硬化樹脂２を硬化させた。その後、図１（ｃ）に示すように、硬化した光硬化樹脂２を金型１から離型して回折光学素子４を成形した。尚、本実施の形態は格子形状を有する回折光学素子について説明しているが、本実施の形態はこれに限られるものではなく、微細形状や自由曲面等の所望の形状を有する光学素子であればすべて適応可能である。
【００２５】
次に前述の光学材料として、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物が、有効であることを示すために実験を実施した。
【００２６】
［実施例１］
実施例１においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）７．９ｇ、ポリビニルカルバゾール（アクロス社製）１．０ｇ及び、光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）０．１ｇを混合し、８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し光硬化樹脂１２とした。実施例１における光学素子の成形方法を図２に示す。図２において図１と同じ部材には同じ符号が付してある。図２において図１と異なるのは、回折格子形状に加工された金型１のかわりに、実験を容易にするために平面状の金型１１を使用している点である。従って成形された光硬化樹脂には格子形状は成形されていない。この時の光硬化樹脂１２の粘度は７１．８ｍＰａ・ｓ（８０℃）であった。
【００２７】
次に８０℃にて保温した前述の光硬化樹脂１２の約０．０４ｇを２５℃（実験例１）、３０℃（実験例２）、４０℃（実験例３）、５０℃（実験例４）の平面状の金型１１上にディスペンサーを用いて吐出した。
【００２８】
金型温度はヒータ６により温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。どの実験例についても、金型１１に吐出した状態では、光硬化樹脂１２に結晶化は起こらなかった。そこで、金型１１上に５０μｍのスペーサー（不図示）を置き、各金型温度と同じ温度に保温されたレンズブランク３を光学材料１２上に載せ、光学材料１２をレンズブランク３と金型１１の間に充填させた。さらに、レンズブランク３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し、光学材料１２を硬化させた。前記硬化物を金型１１から離型し光学素子１４を得た。
【００２９】
また同様の方法で比較例１の実験も実施した。
【００３０】
（比較例１）
比較例１においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）９．９ｇと光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）０．１ｇを混合し、８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し光学材料１２とした。
【００３１】
次に８０℃にて保温した本比較例の光学材料１２の約０．０４ｇを２５℃（比較実験例１）、３０℃（比較実験例２）、４０℃（比較実験例３）、５０℃（比較実験例４）の平面状の金型１１にディスペンサーを用いて吐出した。この時の光学材料１２の粘度は３．８ｍＰａ・ｓ（８０℃）であった。
【００３２】
金型１１の温度は温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。金型温度が２５℃の光学材料（比較実験例１）、３０℃の光学材料（比較実験例２）は、金型１１に吐出した瞬時に結晶化し成形することができなかった。また、４０℃の光学材料（比較実験例３）、５０℃の光学材料（比較実験例４）の結晶化は起こらなかったため、金型上に５０μｍのスペーサーを置き、各金型温度と同じ温度に保温されたレンズブランク３を光学材料１２上に載せ、光学材料１２をレンズブランク３と金型１１の間に充填させた。さらに、レンズブランク３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し硬化させた。前記硬化物を金型１１から離型し本比較例の光学素子１４を得た。
【００３３】
前述の実験例１〜４、比較実験例１〜４の結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
【００３５】
表１から分かるように、実施例１のＮ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物からなる光学材料は、金型温度が２５℃〜５０℃であれば、良好な光学素子を成形する事が可能である。また、比較例１のＮ−ビニルカルバゾール（と光重合開始剤の混合物）からなる光学材料は、金型温度が４０℃〜５０℃であれば、良好な光学素子を成形する事が可能である。しかしながら、金型温度が３０℃以下だと、金型に吐出した時点で結晶化し硬化してしまうため、所望の形状に成形することはできない。
【００３６】
次に光学材料であるＮ−ビニルカルバゾール、ポリビニルカルバゾールと光重合開始剤の混合物それぞれの混合比による効果示すために実験を実施した。
【００３７】
［実施例２］
実施例２においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）、ポリ−ビニルカルバゾール（アクロス社製）及び光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）を、表２に示す割合で混合し実験を行った（実験例５〜９）。実験の方法は前述の実施例１と全く同じである。８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し本実施例の各光学材料とした。尚比較のため表２に示す割合で混合した比較実験例５も実施した。また実施例５〜９、および比較実施例における光学材料に粘度を表３に示す。
【００３８】
【表２】
【００３９】
【表３】
【００４０】
次に８０℃にて保温した前述の光学材料の約０．０４ｇを、室温（２３℃）の平面状の金型１１の上にディスペンサーを用いて吐出した。実験例８、９に関してはディスペンサーで滴下することができなかったためスパチュラを用いて適量を金型１１に滴下した。金型温度は温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。比較実験例５の材料は、金型に吐出すると瞬時に結晶化し成形することができなかった。また実験例５の材料は、わずかに結晶化する事も有るが、成形できなくなるほどのもではなかった。また、その他実験例６〜９については結晶化が起こらなかったため、金型上に５０μｍのスペーサーを置き、各金型温度に同じ温度に保温されたレンズブランク３を光学材料上に載せ、光学材料をレンズブランク３と金型１１の間に充填させた。さらに、レンズブランク３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し硬化させた。前記硬化物を金型１１からから離型し光学素子１４を得た。
【００４１】
実験例５〜実験例７のＮ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物からなる光学材料は、良好な光学素子を成形する事が可能である。また、実験例８、実験例９は、良好な光学素子を成形する事が可能であるが、光学素子を金型に吐出する際にディスペンサーを使用することができないため、量産性を考慮すると、産業上の実施は困難である。また、比較例１のＮ−ビニルカルバゾール（と光重合開始剤の混合物）からなる光学材料は、金型に吐出した時点で結晶化し硬化してしまうため、所望の形状に成形することはできなかった。
【００４２】
さらに、比較実験例５における光学材料について示差走査熱量測定を行い、その結果を図３に示す。図３において横軸は温度であり、縦軸は熱量である。図３に示すように、比較実験例５における結晶融解温度は約６６℃であり、結晶化温度は約２４℃である。つまり、比較実験例５に示す光学材料は常温（２２℃〜２８℃）である約２４℃で結晶化してしまうことが分かる。
【００４３】
また各実験例５〜９においても比較実験例５と同様の示差走査熱量測定を行い、それらの結果から結晶融解温度を図４（ａ）に、結晶化温度を図４（ｂ）に示す。ただし実験例７は結晶化のピークが観測されず、また実験例８，９については結晶化、融解ともにピークが観測されなかった。図４（ａ）、図４（ｂ）から分かるように、Ｎ−ビニルカルバゾールに対するポリビニルカルバゾール量が増えるほど、結晶融解温度及び結晶化温度は下がることが分かる。図４（ｂ）から分かるように、実施例５の結晶化温度は約２０℃、実施例６の結晶化温度は約１４℃である。
【００４４】
従って光学材料としては、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾールの値を、約９０／１０〜７０／３０の範囲とする事が、最も好適である。
【００４５】
また、前記光学材料の粘度としては、５０ｍＰａ・ｓ以上、５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整されることが、最も好適である。
【００４６】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態における回折光学素子の構成について、図５を用いて説明する。図５において、２４、３４は回折構造を有する回折光学素子である。光学素子２２、３２には回折格子形状が光学材料２２、３２により形成されている。各回折格子形状は４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域の光束が設計次数に集中するように設計されており、それぞれの格子間のピッチは８０μｍである。光学材料２２には前述の第１の実施の形態におけるＮ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物からなる光学材料を用い、格子高さは３．９１μｍである。また光学素子３２には光硬化性樹脂であるＧＲＡＮＤＩＣ＿ＲＣ−８９２２（大日本インキ化学工業製）を用い、格子高さは６．４５μｍである。２３、３３はレンズブランクである。回折光学素子２４、３４は、スペーサー４０を介してお互いの回折格子が対向するように組み合わされる事により、２層回折光学素子５０となる。２層回折光学素子５０のレンズブランク２３、３３の表面には、反射防止膜２５、３５が成膜されている。
【００４７】
回折光学素子２４、３４は前述の第１の実施の形態を示す図１と同様の方法によりレプリカ成形される。成形後、レプリカ成形面とは反対面のレンズブランク側には、使用波長域での光線透過率（回折効率）を大きくするための、反射防止膜２５、３５を成膜する。反射防止膜２５、３５を成膜後、これら各回折光学素子２４、３４のレプリカ成形面を向かい合わせ、対称になるよう格子先端の位置を合わせ１．５μｍの間隔になるよう平行に回折光学素子２４、３４を貼り合わせた。この様にして２層回折光学素子５０を成形した。尚、本実施の形態は格子形状を有する回折光学素子について説明しているが、本実施の形態はこれに限られるものではなく、微細形状や自由曲面等の所望の形状を有する光学素子であればすべて適応可能である。
【００４８】
［実施例３］
実施例３においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）７．９ｇ、ポリビニルカルバゾール（アクロス社製）１．０ｇ及び、光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）０．１ｇを混合し、８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し光学材料２２とした。次に８０℃にて保温した光学材料２２の約０．０４ｇを室温の金型の上にディスペンサーを用いて吐出した。金型温度は温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。結晶化は起こらなかったため、室温のレンズブランク２３を光学材料上にゆっくりと接液した後、圧着させゆっくりと気泡が入らないように押し広げ、光学材料２２をレンズブランク２３と金型の間に充填させた。さらに、硝子板方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し硬化させた。前記硬化物を金型から離型し本実施例３の光学素子５０を得た。
【００４９】
同様にＧＲＡＮＤＩＣ＿ＲＣ−８９２２を光学材料３２とし、光学素子２４と同様に金型を用いて接液、圧着、充填後、レンズブランク３３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで２５０ｓ照射し硬化させ、金型から離型し光学素子３４を得た。光学素子２４、３４には反射防止膜を設け、光学素子２４と光学素子３４を平行に貼り合わせて２層回折光学素子５０を成形した。
【００５０】
本実施例の回折光学素子５０の回折効率測定結果を図６に示す。図６において横軸は波長、縦軸はその時の回折効率を示している。図６から分かるように回折光学素子５０は、光学素子として有効な波長である４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいて、回折効率が９５％以上の非常に高い回折効率を有する回折光学素子でとなっている。
【００５１】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、前述の第１、第２の実施の形態で示した回折光学素子を投影光学系に使用したものである。図７に投影光学系を示す。図７において７１は光源、７２はレチクル、７３は投影光学系７８のレンズ鏡筒、７４はレンズ、７５は本発明の回折光学素子、７６はウエハ、７７はウエハステージである。
【００５２】
回折光学素子７５は、レンズ７４の色収差を補正するように設けてある。ウエハステージ７７によってウエハ７６を所望の位置に位置決めし、不図示のフォーカス検出手段により、ウエハ高さをフォーカス位置に調整する。ここで、場合に応じて不図示の検出系によって、ウエハにすでに露光されている下のレイヤーのマークに対してレチクルをアライメントする。フォーカスとアライメントが完了したとき、不図示のシャッターを開き、光源７１からの照明光によってレチクルを照明し、レチクル７２の上の回路パターンを投影光学系７８によってウエハ７６のレジスト上に投影露光する。
【００５３】
こうして露光したウエハ７６は公知の現像処理工程やエッチング工程等を介して複数のデバイスとなる。本発明に係る光学素子を有した光学系は画像形成用の光学機器や照明用の照明装置等にも同様に適用することができる。また本発明の光学素子としては、回折光学素子以外にも所望の形状を有する光学素子を使用する事ができる。
【００５４】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、前述の第１、第２の実施の形態で示した回折光学素子を撮影光学系に使用したものである。図８に撮影光学系を示す。図８において撮影光学系８８は回折光学素子８５、屈折光学素子８３、絞り８４を各々少なくとも１つ以上有している。図８では撮影光学系８８に入射した物体からの光束が受光部（撮像手段）８６に結像する状態を示している。
【００５５】
回折光学素子８５の設計次数の回折光は、屈折光学素子８３との合成で特定の波長域で良好な光学性能が得られるように収差補正されている。受光部８６は異なる分光感度を有する複数の受光体から構成され、異なる分光感度の受光体からの画像を合成することでカラー画像が得られる構成となっている。尚受光部８６としてはＣＣＤ、銀塩フィルム、感光体、そして人眼の眼などが通常は用いられる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも、Ｎ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤からなる光学材料を使用することにより、室温での成形においても光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる。
【００５７】
また、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールの割合を、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０とする事により、更に室温でのレプリカ成形にも適した光学材料とする事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における光学素子の成形方法を示す模式図。
【図２】実施例１における実験方法を示す模式図。
【図３】実施例２における比較実験例５の示差熱走査測定の結果を示すグラフ。
【図４】実施例２における結晶融解温度（ａ）・結晶化温度（ｂ）を示すグラフ。
【図５】第２の実施の形態における２層回折光学素子の構成を示す模式図。
【図６】第２の実施の形態における２層回折光学素子の回折効率を示すグラフ。
【図７】第３の実施の形態における投影光学系の模式図。
【図８】第４の実施の形態における撮影光学系の模式図。
【図９】光学ガラス、ポリマーの屈折率、アッペ数分布の図。
【符号の説明】
１、１１ 金型
２、１２ 光効果樹脂
３ レンズブランク
４、２４、３４、７５、８５ 回折光学素子
５、７１ 光源
２２、３２ 光学材料
２５、３５ 反射防止膜
５０ ２層回折光学素子
７３ レンズ鏡筒
７４ レンズ
７６ ウエハ
７７ ウエハステージ
７８ 投影光学系
８８ 撮影光学系
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ、フィルター、ミラー、屈折光学素子等の光学素子に使用する光学材料に関するものであり、特に屈折率分散の大きな光学材料に関するものである。また、前記光学材料により成形した光学素子及び、その成形方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、光線を屈折させる複数のレンズによって構成される光学系においては、分散特性の異なる硝材を組み合わせることによって色収差を減らしている。例えば、望遠鏡等の対物レンズでは分散の小さい硝材を正レンズ、分散の大きい硝材を負レンズとし、これらを組み合わせて用いることで軸上に現れる色収差を補正している。この為、レンズの構成、枚数が制限される場合や使用される硝材が限られている場合などでは、色収差が十分に補正することができない事があった。
【０００３】
前述の硝材の組み合わせにより色収差を減じる方法に対して、レンズやあるいは光学系の一部に回折格子を設ける事で色収差を減じる方法が、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０）等の文献により開示されている。光学系において屈折面と回折面とは、ある基準波長の光線に対して、その色収差は逆方向となる事が知られている。この現象を利用し、両者の色収差を相殺し、全体として色収差の低減を実現している。さらに、このような回折光学素子においては、その回折格子の構造の周期を連続的に変化させる事により、非球面レンズと等価な機能を持たせることもできる。従ってこのような回折格子を有するレンズを採用すれば、色収差を大幅に低減させることが可能となる。
【０００４】
通常の屈折面において１本の光線は屈折後も１本の光線であるのに対し、回折面において１本の光線は回折され各次数の複数の光線に分かれてしまう。そこで、光学系として回折光学素子を用いる場合には、回折された複数の光線のうち、使用波長領域の光束が設計された特定次数に集中するように格子構造を決定する必要がある。特定次数に光線が集中している状態では、それ以外の次数の回折光の強度は低く、強度が０の場合にはその回折光は存在しないものとなる。逆に、特定次数以外の次数をもった光線が存在する場合は、その光線は特定次数の光線とは別な所に結像しフレア光となってしまう。従って、色収差を効率的に低減させるには、特定次数の光線の回折効率を十分に高くすることが必要である。
【０００５】
このような使用波長領域の光束が設計された特定次数に集中するように格子構造を決定する構成は、特開平９−１２７３２１号公報，特開平９−１２７３２２号公報、特開平１１−０４４８０８号公報、特開平１１−０４４８１０号公報等に開示されている。これらは、異なる分散を有する複数の材料と各回折格子の厚さを最適に選ぶことで、広波長範囲で高い回折効率を有する構成となっている。具体的には基板上に複数の異なる光学材料を積層し、それらの境界面の少なくとも１つに、レリーフパターン、階段形状、キノフォーム等を形成することで、所望の積層型回折光学素子が形成されている。
【０００６】
しかしながら、前述した特開平９−１２７３２１号公報、特開平９−１２７３２２号公報、特開平１１−０４４８０８号公報、特開平１１−０４４８１０号公報においては、広波長範囲で高い回折効率を有する構成を得るために、相対的に屈折率分散の低い材料と屈折率分散の高い材料との組み合わせを用いている。
【０００７】
具体的には、特開平９−１２７３２１号公報の場合はＢＭＳ８１（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝６０．１：オハラ製）とプラスチック光学材料ＰＣ（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、特開平９−１２７３２２号公報の場合はＬａＬ１４（ｎｄ＝１．６９６８，νｄ＝５５．５：オハラ製）、アクリル樹脂（ｎｄ＝１．４９，νｄ＝５７．７）、Ｃｙｔｏｐ（ｎｄ＝１．３４１４９，νｄ＝９３．８：旭硝子製）、ＰＣ（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、特開平１１−０４４８０８号公報及び特開平１１−０４４８１０号公報の場合はＣ００１（ｎｄ＝１．５２５０，νｄ＝５０．８：大日本インキ製）、プラスチック光学材料ＰＣ（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、ＰＳ（ｎｄ＝１．５９１８，νｄ＝３１．１）、ＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９１７，νｄ＝５７．４）、ＢＭＳ８１（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝６０．１：オハラ製）等を、それぞれ組み合わせて用いている。
【０００８】
【特許文献１】
特開平９−１２７３２１号
【特許文献２】
特開平９−１２７３２２号
【特許文献３】
特開平１１−０４４８０８号
【特許文献４】
特開平１１−０４４８１０号
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折光学素子等の光学素子においては、その形状のため光の入射角（画角）が大きい場合、光がけられてフレア光やゴーストが発生するという問題が生じる。そのため、画角を広げるには、従来の光学材料よりもより屈折率分散の大きな材料によることが必要となる。図７は、光学材料として市販、もしくは研究開発されている光学材料のアッベ数と屈折率を示したグラフである。縦軸は屈折率（ｎｄ）、横軸はアッベ数（νｄ）である。この中でポリビニルカルバゾールが有機高分子の中ではアッペ数が１７．３と最も小さい事が知られている。
【００１０】
ポリビニルカルバゾールを積層型回折光学素子に用いた例は、特開平１０−２６８１１６号公報に記載されている。特開平１０−２６８１１６号公報では、表３に弾性樹脂としてポリビニルカルバゾールを挙げている。回折格子に弾性樹脂であるポリビニルカルバゾールを押し付ける事により、回折格子面に圧着し一体化する事で多層回折格子を形成している。しかしながら、ポリビニルカルバゾールは非常に脆い物質であるため、少ない荷重で簡単にクラック等が発生してしまう。従って特開平１０−２６８１１６号公報に記載されているように、弾性樹脂であるポリビニルカルバゾールを、回折格子に押し付けて光学素子を成形するには、多大な時間をかけて押し付ける必要があり、産業上実施する事は非常に困難である。また近年、回折格子の形状は微細でかつ複雑になってきており、更に困難なものとなっている。
【００１１】
一方ポリビニルカルバゾールは、Ｎ−ビニルカルバゾール（νｄ＝１７．８）を重合反応させる事により形成することができる。Ｎ−ビニルカルバゾールは流動性を有しているため、複雑な回折格子構造を有する型の隙間にも、原材料を容易に充填することができる。そのために、回折格子等の複雑な形状を有する光学素子の光学材料として、Ｎ−ビニルカルバゾールを用いることが有効な方法の一つと考えられる。
【００１２】
しかしながら、Ｎ−ビニルカルバゾールを光重合することで、回折光学素子等を任意の形状に成形することが可能であるが、Ｎ−ビニルカルバゾールは室温で結晶化してしまうため、一般的に室温で成形が行われるレプリカ成形にそのままで用いることはできない。
【００１３】
すなわち、レプリカ成形は、従来から光学素子の成形技術のひとつとして、大面積成形品の成形に適しており、また転写性に優れている。また、その成形の容易さから大量生産に適している成形技術がある。このレプリカ成形は、所望の光学形状の反転形状を有する型成形面上に光硬化性樹脂を滴下し、その上からレンズブランクを圧着させて押し広げ、所望の形状になったところで、光源からの光を照射し光硬化性樹脂を硬化させ、それを離型することで成形を行う。しかしながらレプリカ成形は、一般に室温で成形するため、Ｎ−ビニルカルバゾールのような室温で結晶化してしまう光学材料を用いた場合には、室温の型に滴下した瞬間、またガラスなどのレンズブランクの圧着中に結晶化が進んでしまい、所望の光学素子形状を得る事ができない。
【００１４】
常温（通常２２℃〜２８℃）で結晶化してしまう光学材料の結晶化を抑制するために、型の温度を結晶化温度以上に上げるというレプリカ成形も考えられる。しかしながら、一般にレプリカ成形の型は拘束されている。従って熱が加わった型及び光学素子は自由膨張することができず、非線形な膨張となってしまうため形状を制御する事が非常に困難である。さらに型が温度分布を持つ場合さらに制御する事が困難となる。また近年の光学素子形状は自由曲面や格子形状を持つなどの形状は、非常に複雑化している。そのため温度による型と光学素子の膨張を見込んだで型を製作するのは困難である。
【００１５】
また、Ｎ−ビニルカルバゾールは粘度が低いという点でも問題がある。レプリカ成形では光硬化性樹脂を滴下する。従来この滴下には、ディスペンサーと呼ばれる定量吐出装置が用いられている。ディスペンサーにより定量滴下を行うことにより成形面の厚みや面積を制御している。この滴下量が不均一であると所望の面積や厚みが得られず、また型側面への液ダレによりバリが発生する。Ｎ−ビニルカルバゾールは融点（６５℃近辺）以上の温度では４ｍＰａ・ｓ以下と粘度が低いため、滴下量の制御が困難である。また粘度を制御するために、増粘剤などの他の化合物を加えると屈折率分散に影響を与え、性能の低下を招く。
【００１６】
そこで本発明は、室温での成形において光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる屈折率分散のより大きな光学材料を提供することを目的としている。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記課題を達成するため、つぎの（１）〜（１０）のように構成した光学材料、該光学材料を用いた光学素子の成形方法、該成形方法によって成形された光学素子、および該光学素子を有する光学系を提供するものである。
（１）光重合により光学素子を成形する光学材料において、少なくともＮ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤を含むことを特徴とする光学材料。
（２）前記Ｎ−ビニルカルバゾールと前記ポリビニルカルバゾールの割合が、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０の範囲であることを特徴とする前記（１）に記載の光学材料。
（３）前記（１）または（２）に記載の光学材料を成形型に供給し、該成形型の内部において光重合反応により硬化させることにより光学素子を成形することを特徴とする光学素子の成形方法。
（４）前記光学材料の粘度は、５０ｍＰａ・ｓ以上、５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整されることを特徴とする前記（３）に記載の光学素子の成形方法。
（５）前記光重合反応は２２℃〜２８℃の温度において行われる事を特徴とする前記（３）に記載の光学素子の成形方法。
（６）前記（１）または（２）に記載の光学材料により形成された所望の形状を有する光学部材と、該光学部材をその表面に形成し基板とからなる事を特徴とする光学素子。
（７）前記（６）に記載の光学素子が格子形状を有することを特徴とする回折光学素子。
（８）前記（７）に記載の回折光学素子と、前記光学素子を形成する光学材料と異なる分散の材料からなる少なくとも１つの回折光学素子とを積層する事により形成することを特徴とする積層型回折光学素子。
（９）前記（６）に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
（１０）前記光学系は、投影光学系であることを特徴とする上記（９）に記載の光学系。
（１１）前記光学系は、撮影光学系であることを特徴とする上記（９）に記載の光学系。
【００１８】
【発明の実施の形態】
次に本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明は、光学材料をＮ−ビニルカルバゾール、ポリビニルカルバゾール（及び光重合開始剤）から構成することで、室温での成形においても結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能とするものである。
【００１９】
Ｎ−ビニルカルバゾールは大きなπ電子共役系を持つ分子である。そのため、分子間にπ−π電子間結合が起こり室温において結晶化する。この結晶化は、Ｎ−ビニルカルバゾールにポリビニルカルバゾールを入れることにより抑制する事ができる。ポリビニルカルバゾールによってＮ−ビニルカルバゾールのπ−π電子間結合を阻害する事ができる。
【００２０】
Ｎ−ビニルカルバゾールの結晶化を単に抑制するのであれば、他の化合物を使用することもできる。しかしながらＮ−ビニルカルバゾールは非常に屈折率分散の高い物質であり、Ｎ−ビニルカルバゾールより屈折率分散の低い化合物を入れると、化合物全体の屈折率分散が下がってしまい、Ｎ−ビニルカルバゾールの特性を充分に生かすことができない。ポリビニルカルバゾールは、Ｎ−ビニルカルバゾールとほぼ同等の屈折率分散の値を持つ。そのため化合物全体の屈折率分散を下げる事なく、Ｎ−ビニルカルバゾールの特性を充分に生かすことができる。また、ポリビニルカルバゾールはＮ−ビニルカルバゾール重合体であるため、成形した光学素子の特性に影響を与える事は全くない。
【００２１】
また、ポリビニルカルバゾールはＮ−ビニルカルバゾールの溶融液に溶解し、適度な粘度を示す。ここで用いられるレプリカ成形における適度な粘度としては、５０ｍＰａ・ｓ以上で５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲を示す。この範囲の粘度を使用することによりディスペンサーにより安定的に滴下量を制御することができる。粘度が５０ｍＰａ・ｓ以下であると少量の滴下が困難であり、また滴下ノズルより液が飛散するといった現象が生じる。また５０００ｍＰａ・ｓ以上の粘度においては、光学材料を滴下ノズルから滴下する際に糸を引く現象が生じてしまい、安定的に滴下量を制御することができない。
【００２２】
また、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールの割合は、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０の範囲であることが好ましい。
【００２３】
次に本発明の実施の形態を図面を参照して具体的に説明する。
【００２４】
［第１の実施の形態］
まず、第１の実施の形態における光学素子の成形方法について、図１の模式図を用いてその概略を説明する。図１（ａ）に示す様に、所望の光学形状の反転形状である回折格子形状に加工された金型１上に、光学材料である光硬化樹脂２を供給した。この時金型１はヒータ６により温調制御されている。その上からレンズブランク３を圧着させ、図１（ｂ）に示すように光硬化樹脂２を押し広げ、所望の形状になったところで、光源５からの光を照射し光硬化樹脂２を硬化させた。その後、図１（ｃ）に示すように、硬化した光硬化樹脂２を金型１から離型して回折光学素子４を成形した。尚、本実施の形態は格子形状を有する回折光学素子について説明しているが、本実施の形態はこれに限られるものではなく、微細形状や自由曲面等の所望の形状を有する光学素子であればすべて適応可能である。
【００２５】
次に前述の光学材料として、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物が、有効であることを示すために実験を実施した。
【００２６】
［実施例１］
実施例１においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）７．９ｇ、ポリビニルカルバゾール（アクロス社製）１．０ｇ及び、光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）０．１ｇを混合し、８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し光硬化樹脂１２とした。実施例１における光学素子の成形方法を図２に示す。図２において図１と同じ部材には同じ符号が付してある。図２において図１と異なるのは、回折格子形状に加工された金型１のかわりに、実験を容易にするために平面状の金型１１を使用している点である。従って成形された光硬化樹脂には格子形状は成形されていない。この時の光硬化樹脂１２の粘度は７１．８ｍＰａ・ｓ（８０℃）であった。
【００２７】
次に８０℃にて保温した前述の光硬化樹脂１２の約０．０４ｇを２５℃（実験例１）、３０℃（実験例２）、４０℃（実験例３）、５０℃（実験例４）の平面状の金型１１上にディスペンサーを用いて吐出した。
【００２８】
金型温度はヒータ６により温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。どの実験例についても、金型１１に吐出した状態では、光硬化樹脂１２に結晶化は起こらなかった。そこで、金型１１上に５０μｍのスペーサー（不図示）を置き、各金型温度と同じ温度に保温されたレンズブランク３を光学材料１２上に載せ、光学材料１２をレンズブランク３と金型１１の間に充填させた。さらに、レンズブランク３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し、光学材料１２を硬化させた。前記硬化物を金型１１から離型し光学素子１４を得た。
【００２９】
また同様の方法で比較例１の実験も実施した。
【００３０】
（比較例１）
比較例１においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）９．９ｇと光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）０．１ｇを混合し、８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し光学材料１２とした。
【００３１】
次に８０℃にて保温した本比較例の光学材料１２の約０．０４ｇを２５℃（比較実験例１）、３０℃（比較実験例２）、４０℃（比較実験例３）、５０℃（比較実験例４）の平面状の金型１１にディスペンサーを用いて吐出した。この時の光学材料１２の粘度は３．８ｍＰａ・ｓ（８０℃）であった。
【００３２】
金型１１の温度は温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。金型温度が２５℃の光学材料（比較実験例１）、３０℃の光学材料（比較実験例２）は、金型１１に吐出した瞬時に結晶化し成形することができなかった。また、４０℃の光学材料（比較実験例３）、５０℃の光学材料（比較実験例４）の結晶化は起こらなかったため、金型上に５０μｍのスペーサーを置き、各金型温度と同じ温度に保温されたレンズブランク３を光学材料１２上に載せ、光学材料１２をレンズブランク３と金型１１の間に充填させた。さらに、レンズブランク３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し硬化させた。前記硬化物を金型１１から離型し本比較例の光学素子１４を得た。
【００３３】
前述の実験例１〜４、比較実験例１〜４の結果を表１に示す。
【００３４】
【表１】
表１から分かるように、実施例１のＮ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物からなる光学材料は、金型温度が２５℃〜５０℃であれば、良好な光学素子を成形する事が可能である。また、比較例１のＮ−ビニルカルバゾール（と光重合開始剤の混合物）からなる光学材料は、金型温度が４０℃〜５０℃であれば、良好な光学素子を成形する事が可能である。しかしながら、金型温度が３０℃以下だと、金型に吐出した時点で結晶化し硬化してしまうため、所望の形状に成形することはできない。
【００３６】
次に光学材料であるＮ−ビニルカルバゾール、ポリビニルカルバゾールと光重合開始剤の混合物それぞれの混合比による効果示すために実験を実施した。
【００３７】
［実施例２］
実施例２においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）、ポリ−ビニルカルバゾール（アクロス社製）及び光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）を、表２に示す割合で混合し実験を行った（実験例５〜９）。実験の方法は前述の実施例１と全く同じである。８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し本実施例の各光学材料とした。尚比較のため表２に示す割合で混合した比較実験例５も実施した。また実施例５〜９、および比較実施例における光学材料に粘度を表３に示す。
【００３８】
【表２】
【表３】
次に８０℃にて保温した前述の光学材料の約０．０４ｇを、室温（２３℃）の平面状の金型１１の上にディスペンサーを用いて吐出した。実験例８、９に関してはディスペンサーで滴下することができなかったためスパチュラを用いて適量を金型１１に滴下した。金型温度は温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。比較実験例５の材料は、金型に吐出すると瞬時に結晶化し成形することができなかった。また実験例５の材料は、わずかに結晶化する事も有るが、成形できなくなるほどのもではなかった。また、その他実験例６〜９については結晶化が起こらなかったため、金型上に５０μｍのスペーサーを置き、各金型温度に同じ温度に保温されたレンズブランク３を光学材料上に載せ、光学材料をレンズブランク３と金型１１の間に充填させた。さらに、レンズブランク３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し硬化させた。前記硬化物を金型１１からから離型し光学素子１４を得た。
【００４１】
実験例５〜実験例７のＮ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物からなる光学材料は、良好な光学素子を成形する事が可能である。また、実験例８、実験例９は、良好な光学素子を成形する事が可能であるが、光学素子を金型に吐出する際にディスペンサーを使用することができないため、量産性を考慮すると、産業上の実施は困難である。また、比較例１のＮ−ビニルカルバゾール（と光重合開始剤の混合物）からなる光学材料は、金型に吐出した時点で結晶化し硬化してしまうため、所望の形状に成形することはできなかった。
【００４２】
さらに、比較実験例５における光学材料について示差走査熱量測定を行い、その結果を図３に示す。図３において横軸は温度であり、縦軸は熱量である。図３に示すように、比較実験例５における結晶融解温度は約６６℃であり、結晶化温度は約２４℃である。つまり、比較実験例５に示す光学材料は常温（２２℃〜２８℃）である約２４℃で結晶化してしまうことが分かる。
【００４３】
また各実験例５〜９においても比較実験例５と同様の示差走査熱量測定を行い、それらの結果から結晶融解温度を図４（ａ）に、結晶化温度を図４（ｂ）に示す。ただし実験例７は結晶化のピークが観測されず、また実験例８，９については結晶化、融解ともにピークが観測されなかった。図４（ａ）、図４（ｂ）から分かるように、Ｎ−ビニルカルバゾールに対するポリビニルカルバゾール量が増えるほど、結晶融解温度及び結晶化温度は下がることが分かる。図４（ｂ）から分かるように、実施例５の結晶化温度は約２０℃、実施例６の結晶化温度は約１４℃である。
【００４４】
従って光学材料としては、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾールの値を、約９０／１０〜７０／３０の範囲とする事が、最も好適である。
【００４５】
また、前記光学材料の粘度としては、５０ｍＰａ・ｓ以上、５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整されることが、最も好適である。
【００４６】
［第２の実施の形態］
本発明の第２の実施の形態における回折光学素子の構成について、図５を用いて説明する。図５において、２４、３４は回折構造を有する回折光学素子である。光学素子２２、３２には回折格子形状が光学材料２２、３２により形成されている。各回折格子形状は４００ｎｍから７００ｎｍの波長領域の光束が設計次数に集中するように設計されており、それぞれの格子間のピッチは８０μｍである。光学材料２２には前述の第１の実施の形態におけるＮ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールと（光重合開始剤）の混合物からなる光学材料を用い、格子高さは３．９１μｍである。また光学素子３２には光硬化性樹脂であるＧＲＡＮＤＩＣ＿ＲＣ−８９２２（大日本インキ化学工業製）を用い、格子高さは６．４５μｍである。２３、３３はレンズブランクである。回折光学素子２４、３４は、スペーサー４０を介してお互いの回折格子が対向するように組み合わされる事により、２層回折光学素子５０となる。２層回折光学素子５０のレンズブランク２３、３３の表面には、反射防止膜２５、３５が成膜されている。
【００４７】
回折光学素子２４、３４は前述の第１の実施の形態を示す図１と同様の方法によりレプリカ成形される。成形後、レプリカ成形面とは反対面のレンズブランク側には、使用波長域での光線透過率（回折効率）を大きくするための、反射防止膜２５、３５を成膜する。反射防止膜２５、３５を成膜後、これら各回折光学素子２４、３４のレプリカ成形面を向かい合わせ、対称になるよう格子先端の位置を合わせ１．５μｍの間隔になるよう平行に回折光学素子２４、３４を貼り合わせた。この様にして２層回折光学素子５０を成形した。尚、本実施の形態は格子形状を有する回折光学素子について説明しているが、本実施の形態はこれに限られるものではなく、微細形状や自由曲面等の所望の形状を有する光学素子であればすべて適応可能である。
【００４８】
［実施例３］
実施例３においては、Ｎ−ビニルカルバゾール（東京化成工業株式会社製）７．９ｇ、ポリビニルカルバゾール（アクロス社製）１．０ｇ及び、光重合開始剤としてイルガキュア１８４（チバスペシャリティ・ケミカル製）０．１ｇを混合し、８０℃で２時間加熱溶解した後、十分に攪拌し光学材料２２とした。次に８０℃にて保温した光学材料２２の約０．０４ｇを室温の金型の上にディスペンサーを用いて吐出した。金型温度は温調制御によって±１．０℃以内に制御されている。結晶化は起こらなかったため、室温のレンズブランク２３を光学材料上にゆっくりと接液した後、圧着させゆっくりと気泡が入らないように押し広げ、光学材料２２をレンズブランク２３と金型の間に充填させた。さらに、硝子板方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで３００ｓ照射し硬化させた。前記硬化物を金型から離型し本実施例３の光学素子５０を得た。
【００４９】
同様にＧＲＡＮＤＩＣ＿ＲＣ−８９２２を光学材料３２とし、光学素子２４と同様に金型を用いて接液、圧着、充填後、レンズブランク３３方向から中心波長３６５ｎｍの紫外線を４０ｍＷで２５０ｓ照射し硬化させ、金型から離型し光学素子３４を得た。光学素子２４、３４には反射防止膜を設け、光学素子２４と光学素子３４を平行に貼り合わせて２層回折光学素子５０を成形した。
【００５０】
本実施例の回折光学素子５０の回折効率測定結果を図６に示す。図６において横軸は波長、縦軸はその時の回折効率を示している。図６から分かるように回折光学素子５０は、光学素子として有効な波長である４００ｎｍ〜７００ｎｍにおいて、回折効率が９５％以上の非常に高い回折効率を有する回折光学素子でとなっている。
【００５１】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、前述の第１、第２の実施の形態で示した回折光学素子を投影光学系に使用したものである。図７に投影光学系を示す。図７において７１は光源、７２はレチクル、７３は投影光学系７８のレンズ鏡筒、７４はレンズ、７５は本発明の回折光学素子、７６はウエハ、７７はウエハステージである。
【００５２】
回折光学素子７５は、レンズ７４の色収差を補正するように設けてある。ウエハステージ７７によってウエハ７６を所望の位置に位置決めし、不図示のフォーカス検出手段により、ウエハ高さをフォーカス位置に調整する。ここで、場合に応じて不図示の検出系によって、ウエハにすでに露光されている下のレイヤーのマークに対してレチクルをアライメントする。フォーカスとアライメントが完了したとき、不図示のシャッターを開き、光源７１からの照明光によってレチクルを照明し、レチクル７２の上の回路パターンを投影光学系７８によってウエハ７６のレジスト上に投影露光する。
【００５３】
こうして露光したウエハ７６は公知の現像処理工程やエッチング工程等を介して複数のデバイスとなる。本発明に係る光学素子を有した光学系は画像形成用の光学機器や照明用の照明装置等にも同様に適用することができる。また本発明の光学素子としては、回折光学素子以外にも所望の形状を有する光学素子を使用する事ができる。
【００５４】
［第４の実施の形態］
第４の実施の形態は、前述の第１、第２の実施の形態で示した回折光学素子を撮影光学系に使用したものである。図８に撮影光学系を示す。図８において撮影光学系８８は回折光学素子８５、屈折光学素子８３、絞り８４を各々少なくとも１つ以上有している。図８では撮影光学系８８に入射した物体からの光束が受光部（撮像手段）８６に結像する状態を示している。
【００５５】
回折光学素子８５の設計次数の回折光は、屈折光学素子８３との合成で特定の波長域で良好な光学性能が得られるように収差補正されている。受光部８６は異なる分光感度を有する複数の受光体から構成され、異なる分光感度の受光体からの画像を合成することでカラー画像が得られる構成となっている。尚受光部８６としてはＣＣＤ、銀塩フィルム、感光体、そして人眼の眼などが通常は用いられる。
【００５６】
【発明の効果】
本発明によれば、少なくとも、Ｎ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤からなる光学材料を使用することにより、室温での成形においても光学材料の結晶化を抑制することができ、レプリカ成形に適した滴下量を適正に制御することが可能となる。
【００５７】
また、Ｎ−ビニルカルバゾールとポリビニルカルバゾールの割合を、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０とする事により、更に室温でのレプリカ成形にも適した光学材料とする事ができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態における光学素子の成形方法を示す模式図。
【図２】実施例１における実験方法を示す模式図。
【図３】実施例２における比較実験例５の示差熱走査測定の結果を示すグラフ。
【図４】実施例２における結晶融解温度（ａ）・結晶化温度（ｂ）を示すグラフ。
【図５】第２の実施の形態における２層回折光学素子の構成を示す模式図。
【図６】第２の実施の形態における２層回折光学素子の回折効率を示すグラフ。
【図７】第３の実施の形態における投影光学系の模式図。
【図８】第４の実施の形態における撮影光学系の模式図。
【図９】光学ガラス、ポリマーの屈折率、アッペ数分布の図。
【符号の説明】
１、１１ 金型
２、１２ 光効果樹脂
３ レンズブランク
４、２４、３４、７５、８５ 回折光学素子
５、７１ 光源
２２、３２ 光学材料
２５、３５ 反射防止膜
５０ ２層回折光学素子
７３ レンズ鏡筒
７４ レンズ
７６ ウエハ
７７ ウエハステージ
７８ 投影光学系
８８ 撮影光学系
Claims (11)
- 光重合により光学素子を成形する光学材料において、少なくともＮ−ビニルカルバゾールと、ポリビニルカルバゾール、及び光重合開始剤を含むことを特徴とする光学材料。
- 前記Ｎ−ビニルカルバゾールと前記ポリビニルカルバゾールの割合が、Ｎ−ビニルカルバゾール／ポリビニルカルバゾール＝９０／１０〜７０／３０の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の光学材料。
- 前記請求項１または２に記載の光学材料を成形型に供給し、該成形型の内部において光重合反応により硬化させることにより光学素子を成形することを特徴とする光学素子の成形方法。
- 前記光学材料の粘度は、５０ｍＰａ・ｓ以上、５０００ｍＰａ・ｓ以下の範囲に調整されることを特徴とする請求項３に記載の光学素子の成形方法。
- 前記光重合反応は２２℃〜２８℃の温度において行われる事を特徴とする請求項３に記載の光学素子の成形方法。
- 前記請求項１乃至２のいずれか１項に記載の光学材料により形成された所望の形状を有する光学部材と、該光学部材をその表面に形成した基板とからなる事を特徴とする光学素子。
- 前記請求項６に記載の光学素子が格子形状を有することを特徴とする回折光学素子。
- 前記請求項７に記載の回折光学素子と、前記光学素子を形成する光学材料と異なる分散の材料からなる少なくとも１つの回折光学素子とを積層する事により形成することを特徴とする積層型回折光学素子。
- 請求項７に記載の光学素子を有することを特徴とする光学系。
- 前記光学系は、投影光学系であることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
- 前記光学系は、撮影光学系であることを特徴とする請求項９に記載の光学系。
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