JP2004126394A - 回折光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】角度特性を向上させた複層型回折光学素子を提供する。
【解決手段】互いに異なる材質からなる第１の回折素子要素６と第２の回折素子要素７とが密着接合され、両回折素子要素６，７の接合面に所定形状の回折格子溝１が形成されている回折光学素子であり、回折格子溝１の壁３に遮光膜５ａを形成して入射光を遮光し、フレアーの発生を抑える。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光に対して回折光束を生じさせる回折光学素子に関し、特に、広波長領域で使用可能な回折光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子は、微小間隔（約１ｍｍ）当り数百本程度の細かい等間隔のスリット状若しくは溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、光が入射されると、スリットや溝のピッチ（間隔）と光の波長とで定まる方向に回折光束を生じさせる性質を有している。このような回折光学素子は種々の光学系に用いられており、例えば、回折格子溝を同心円状に形成し、特定次数の回折光を一点に集めてレンズとして使用するものなどが知られている。
【０００３】
このような回折光学素子においては近年、複層型と呼ばれる回折光学素子が提案されてきている。このタイプの回折光学素子は、鋸歯波状に形成された面を持つ複数の回折素子要素を積み重ねてなるものであり、所望の広波長領域（例えば可視光領域でｇ線（４３５．８ｎｍ）からＣ線（６５６．３ｎｍ）まで）のほぼ全域で高い回折効率（９０％以上）が保たれる、すなわち波長特性が良好であるという特徴を有している。
【０００４】
一般に複層型回折光学素子の構造は、例えば図３（Ａ）に示すように、同一の回折格子溝１００で、ガラス６０と樹脂７０とが貼り合わされた密着複層型回折光学素子や、図３（Ｂ）に示すように、第１の回折格子溝１１０を有する第１の回折素子要素１６０と、第２の回折格子溝１２０を有する第２の回折素子要素１７０とから構成され、それぞれの回折格子溝１１０，１２０が極めて接近した距離で対向させて配置されており、例えば空気１３０を挟んで分離された状態で配置されている分離複層型回折光学素子がある。ここで、例えば分離複層型回折光学素子の場合、特定の２波長に対して色消し条件を満足させるように、第１の回折素子要素１６０の第１の回折格子溝１１０の高さｄ１１０を所定の値に決定し、第２の回折素子要素１７０の第２の回折格子溝１２０の高さｄ１２０を所定の値に決定する。これにより、特定の２波長に対しては回折効率が１．０となり、その他の波長に対しても、かなり高い回折効率を得ることができるようになる。なお、本明細書中で、回折効率とは、透過型の回折光学素子において、入射する光の強度Ｉ_０と一次回折光の強度Ｉ_１との割合η（＝Ｉ_１／Ｉ_０×１００％）とする。
【０００５】
しかしながら、このような構成の複層型回折光学素子では、広波長領域で回折効率を高くすることができるが、図４（Ｂ）に示される一般に良く使用されている単層型回折光学素子に比べて、入射光の入射角度の変化に対する回折効率（以下、「角度特性」と呼ぶ）の低下の度合いが悪くなる場合があるという問題がある。単層型回折光学素子では回折格子溝のピッチが０．１ｍｍ程度で回折効率９０％以下となる入射角は３０度程度である。これに対して、複層型回折光学素子では、同様の回折格子溝のピッチ（０．１ｍｍ程度）で回折効率９０％以下となる入射角は１０度程度となってしまう。
【０００６】
複層型回折光学素子の角度特性が単層型回折光学素子の角度特性より悪いのは、回折格子溝の壁の高さの違いによるものである。図４（Ｂ）に示す単層型回折光学素子の回折格子溝２０の壁の高さｄ２０は１μｍ程度であるのに対し、複層型回折光学素子の壁の高さは１０μｍ程度以上になってしまう。特に、図４（Ａ）に示す分離複層型回折光学素子の場合、回折格子溝１０の壁の高さｄ１０は２０μｍ程度以上になる。
【０００７】
このように、回折格子溝の壁の高さに違いがあると、図４に示すように同じ入射角度αで入射する入射光のうち、回折格子溝を所望の光路で進んでいく領域ｒ，ｒ′が変化することになる。図４（Ｂ）で示す単層型回折光学素子の前記領域ｒ′に比べて、図４（Ａ）で示す複層型回折光学素子の前記領域ｒは狭くなっており、このため角度特性が悪くなる。
【０００８】
一方、このような入射光のうち、回折光学素子の壁（例えば、図４（Ａ）に示す複層型回折光学素子の壁３０）を透過する光束は、壁３０の部分で所望外の光路を辿る不要光（以下、「フレアー」と呼ぶ。）となり、所定外の部分への到達光となってしまい、入射光の入射角度の増加にともないフレアーの発生率も増加するため、回折光学素子の性能を悪化させる。ここでフレアーは、壁３０の状態によって、通常の反射光（全反射も含む）Ａ又は、散乱光Ｂ等として発生する。このフレアーを発生する領域ｆＬは、図４（Ｂ）に示すように、回折格子溝の壁の高さが低いと、このフレアーを発生する領域ｆＬ′も狭くなり、フレアーが発生しにくい。
【０００９】
上述のような回折光学素子におけるフレアーを減少させる方法として、回折光学素子の入射面（または出射面）に回折格子溝の壁の部分に入射する（あるいは出射する）光を遮光する遮光手段を有するように構成するものがある（例えば、特許文献１参照。）。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−４８９０６号公報（第３頁、第１図）
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折光学素子の入射面（又は出射面）に遮光手段を形成するような構成によると、回折格子溝の壁と正確に対応した入射面（または出射面）の位置に遮光手段を形成しなければならず、回折光学素子の製造が困難であるという課題があった。
【００１２】
本発明はこのような課題に鑑みてなされたものであり、フレアーの発生を抑えた複層型回折光学素子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】
前記課題を解決するために、本発明に係る回折光学素子は、互いに異なる材質からなる第１の回折素子要素と第２の回折素子要素とが密着接合され、これらの回折素子要素の接合面に所定形状の回折格子溝が形成されており、この回折格子溝の壁の部分に遮光手段（例えば、実施形態における遮光膜５ａ）を有するように構成される。
【００１４】
なお、両回折素子要素の一方の材質がガラスモールド用のガラスであり、他方の材質が樹脂であるように構成されることが好ましい。
【００１５】
また、両回折素子要素の一方のｄ線での屈折率をｎｄＧとし、アッベ数をνｄＧとしたとき、式１．５５≦ｎｄＧ≦１．７０及び５０≦νｄＧ≦６５を満足し、且つ、両回折素子要素の他方のｄ線での屈折率をｎｄＲとし、アッベ数をνｄＲとしたとき、式１．５０≦ｎｄＲ≦１．６５及びνｄＲ≦４５を満足するように構成されることが好ましい。
【００１６】
また、回折格子溝の最小ピッチが５０μｍ以上であることが好ましい。
【００１７】
また、回折格子溝の壁の高さが２０μｍ以下であることが好ましい。
【００１８】
あるいは、本発明に係る回折光学素子は、互いに異なる材質からなる所定形状の第１の回折格子溝が形成された第１の回折素子要素と、この第１の回折格子溝の高さと異なる高さを有する所定形状の第２の回折格子溝が形成された第２の回折素子要素とを有し、第１の回折格子溝が形成された面と第２の回折格子溝が形成された面とが互いに対向し且つ所定間隔を有するように配設されており、第１の回折格子溝の壁の部分に遮光手段を有し、第２の回折格子溝の壁の部分に遮光手段を有するように構成される。
【００１９】
なお、第１の回折素子要素の材質と、第２の回折素子要素の材質が樹脂で構成されることが好ましい。
【００２０】
また、第１の回折格子溝と第２の回折格子溝の最小ピッチが５０μｍ以上であることが好ましい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好ましい実施形態について図面を参照して説明する。本発明は、上述のように回折格子溝の壁の部分に入射する光により発生するフレアーを減少させて回折光学素子の性能を向上させるものであり、この壁の部分に遮光処理（例えば遮光膜を形成）して、所望外の光路を辿るフレアーを抑えるように構成されたものである。まず、図１を用いてこの遮光処理について説明する。図１（Ａ）は密着複層型回折光学素子の場合を示しており、互いに異なる材質からなる第１の回折素子要素６と第２の回折素子要素７とが密着接合されて構成されている。これらの回折素子要素６，７のそれぞれの接合面に同一形状をした回折格子溝が形成されており、両回折素子要素６，７の一方の面の回折格子溝の山の部分と、他方の面の回折格子溝の谷の部分とが嵌合して、密着されており、その密着した部分に回折格子溝１が形成されている。この回折格子溝１は断面鋸歯波形状をしており、坂２と壁３で構成されている。そして、この回折格子溝１の壁３の部分でのフレアー発生を防ぐために、壁３に遮光膜５ａを形成して入射光を遮光しているため、入射光の入射角度の増加に対するフレアー発生率の増加を抑えることができる。
【００２２】
また、図１（Ｂ）は分離複層回折光学素子の場合を示しており、互いに異なる材質からなる、坂２１と壁３１から構成される鋸歯波形状の第１の回折格子溝１１を有した第１の回折素子要素１６と、坂２２と第１の回折格子溝１１の壁３１の高さｄ１１と異なる高さｄ１２を有する壁３２から構成される鋸歯波形状の第２の回折格子溝１２を有した第２の回折素子要素１７とから構成され、これらの回折格子溝１１，１２が互いに極めて近接した距離で対向して配置されている。この分離複層型回折光学素子でも、壁の部分で発生するフレアーを抑えるために、壁３１，３２に遮光膜５１ａ，５２ａをそれぞれ形成して入射光を遮光しているため、入射光の入射角度に対するフレアーの発生率を抑えることができる。なお、上述の回折格子溝１，１１，１２はいずれも鋸歯波形状をしているが、本発明がこれに限定されるわけではない。
【００２３】
次にこの遮光膜の形成方法について図２を用いて説明する。図２は密着複層型回折光学素子の回折格子溝１の壁３に遮光膜５ａを形成する工程を示している。なお、ここでは、遮光膜５ａの形成について説明し、回折素子要素６，７の製造方法については省略する。まず、第１の回折素子要素６の回折格子溝１を構成する坂２の部分に酸化タングステン（ＷＯ_３）等を材料とする剥離性の膜４を形成する。このとき、回折格子溝１を構成する壁３の部分にはこの剥離性の膜４は形成されず、回折格子溝１の坂２の部分のみに剥離性の膜４が形成されるように、膜形成条件を設定する（図２（Ａ））。次に、この回折格子溝１の全面に黒色塗料５を塗布する（図２（Ｂ））。そして、剥離性の膜４をアルカリ等で溶解させることで、坂２の部分に塗布された黒色塗料５を剥離性の膜４とともに除去すると、回折格子溝１の壁３の部分に黒色塗料５が残り遮光膜５ａが形成される（図２（Ｃ））。最後に、第２の回折格子要素７を組み合わせることにより回折格子溝１の壁３に遮光膜５ａを有した密着複層型回折光学素子を作ることができる（図２（Ｄ））。
【００２４】
なお、この遮光膜５ａは、筆や刷毛を用いて、回折格子溝１の壁３のみに黒色塗料を塗って遮光膜５ａを形成しても同様の効果を得ることができる。また、分離複層型回折光学素子についても同様の方法で遮光膜を形成することができる。
【００２５】
以上のように形成された複層型回折光学素子は、回折格子溝１，１１，１２のピッチｐを５０μｍ以上の緩いピッチとすることが好ましい。このようにすることで、回折格子溝の壁３，３１，３２が高くても、回折格子溝を所望の光路で進んでいく領域（例えば、密着複層型回折光学素子の場合、図４における領域ｒ）が大きくなるため、入射光の入射角度に対する回折効率（角度特性）を向上させることが可能となる。なお、このピッチｐを８０μｍ以上にすると、さらに良い結果を得ることができる。
【００２６】
また、本発明では、図１（Ａ）に示す密着複層型回折光学素子の形状を採る場合には、回折格子溝１の壁３の高さｈを２０μｍ以下にすることが好ましい。回折格子溝１の壁３の高さｈが２０μｍより高くなると、回折格子溝１の壁２が高くなりすぎ上述の角度特性が悪化する。このとき、回折格子溝１の壁３の高さｈが２０μｍより大きくなると、密着複層型回折光学素子の形状を採るよりも、図１（Ｂ）に示す分離複層型回折光学素子の形状を採用した方が角度特性は良くなる。なお、上述の密着複層型回折光学素子の形状を採用する場合、回折格子溝１の壁３の高さｈを１８μｍ以下とすれば、さらに良い結果が得られる。
【００２７】
また、本発明では、密着複層型回折光学素子の場合は、その回折素子要素６，７にガラスモールド用のガラス及び紫外線硬化樹脂を用いることが好ましい。これらの材質は型押し成型が可能であり、その結果、量産性が向上するという効果がある。同様に、分離複層型回折光学素子の場合は、両方の回折素子要素１６，１７を樹脂とすることが好ましい。この構成により、量産性が向上する。
【００２８】
本発明の密着複層型回折光学素子において、より良い性能を得るための条件を式（１）〜（４）に示す。ここで、密着複層型回折光学素子を形成する２つの回折素子要素６，７のうち、一方の回折素子要素の材質のｄ線での屈折率をｎｄＧとし、アッベ数をνｄＧとしたとき、下の両式（１），（２）を満足し、且つ、他方の回折素子要素の材質のｄ線での屈折率をｎｄＲとし、アッベ数をνｄＲとしたとき、下の両式（３），（４）を満足することが好ましい。
【００２９】
【数１】
１．５５≦ｎｄＧ≦１．７０　…　（１）
５０≦νｄＧ≦６５　　　…　（２）
１．５０≦ｎｄＲ≦１．６５　…　（３）
νｄＲ≦４５　　　…　（４）
【００３０】
以上の条件式において、特に、条件式（１）及び（３）は、良好な角度特性を得るためのものである。条件式（１）の下限を外れるか、条件式（３）の上限を外れると、回折格子溝１の壁３の高さｈが非常に高くなってしまい、その結果、角度特性を悪くしてしまう。また、条件式（１）の上限を外れるか、条件式（３）の下限を外れると、互いに異なる物質が同一の回折格子溝１で接する密着複層型回折光学素子の形状を得ることが出来なくなる。
【００３１】
条件式（２）及び（４）は、特に、全波長域で良好な回折効率を得るためのものであり、それぞれの条件範囲を外れると、全波長域で良好な回折効率を得ることができなくなる。
【００３２】
ここで、条件式（１）の下限を１．５７、上限を１．６８、条件式（２）の下限を５２、上限を６３とする内の少なくとも一つに限定すると、さらに良い結果を得ることができる。また、条件式（３）の下限を１．５２、上限を１．６３、条件式（４）の下限を２０、上限を４３とする内の少なくとも一つに限定すると、さらに良い結果を得ることができる。
【００３３】
【実施例】
これらの実施例を以下に示す。なお、第１および第２実施例は図１（Ａ）に示すような密着複層型回折光学素子の場合であり、第３および第４実施例は図１（Ｂ）に示すような分離複層型回折光学素子の場合である。
【００３４】
（第１実施例）
本実施例は、図１（Ａ）に示す密着複層型回折光学素子で構成した場合であり、ガラスモールド用のガラス（第１の回折素子要素６）を住田光学ガラス社製ＶＣ７８（ｎｄＧ＝１．６６９１０，νｄＧ＝５５．４）とし、紫外線硬化樹脂（第２の回折素子要素７）をアデール社製ＨＶ１６（ｎｄＲ＝１．５９８０，νｄＲ＝２８．０）とし、回折格子溝１の高さｈを８．０μｍとした。このように構成することで、入射光の入射角度の増加に対するフレアー発生率の増加を抑えるとともに、ｇ線からＣ線までの波長領域で、高い回折効率を得ることができた。
【００３５】
（第２実施例）
本実施例は、図１（Ａ）に示す密着複層型回折光学素子で構成した場合であり、ガラスモールド用のガラス（第１の回折素子要素６）を住田光学ガラス社製Ｐ−ＳＫ５０（ｎｄＧ＝１．５９３８０，νｄＧ＝６１．４）とし、紫外線硬化樹脂（第２の回折素子要素７）を紫外線硬化樹脂ａ（ｎｄＲ＝１．５４９９，νｄＲ＝４１．６）とし、回折格子溝１の高さｈを１２．７μｍとした。このように構成することで、入射光の入射角度の増加に対するフレアー発生率の増加を抑えるとともに、ｇ線からＣ線までの波長領域で高い回折効率を得ることができた。
【００３６】
（第３実施例）
本実施例は、図１（Ｂ）に示す分離複層型回折光学素子で構成した場合であり、第１の回折素子要素１６を紫外線硬化樹脂ｂ（ｎｄ＝１．６３５，νｄ＝２２．８）とし、第２の回折素子要素１７を紫外線硬化樹脂ｃ（ｎｄ＝１．５２４，νｄ＝５０．８）とし、回折格子溝１１の高さｄ１１を７．９０μｍとし、回折格子溝１２の高さｄ１２を１０．７１μｍとした。このように構成することで、入射光の入射角度に対するフレアー発生率の増加を抑えるとともに、ｇ線からＣ線までの波長領域で高い回折効率を得ることができた。なお、ｎｄは各々の回折素子要素の屈折率であり、νｄはアッベ数である。この定義は第４実施例でも同様である。
【００３７】
（第４実施例）
本実施例は、図１（Ｂ）に示す分離複層型回折光学素子で構成した場合であり、第１の回折素子要素１６をＰＣ（ポリカーボネート）（ｎｄ＝１．５８３１，νｄ＝３０．２）とし、第２の回折素子要素１７をＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）（ｎｄ＝１．４９１７，νｄ＝５７．４）とし、回折格子溝１１の高さｄ１１を３．３４μｍとし、回折格子溝１２の高さｄ１２を１５．１６μｍとした。このように構成することで、入射光の入射角度に対するフレアー発生率の増加を抑えるとともに、ｇ線からＣ線までの波長領域で高い回折効率を得ることができた。
【００３８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る回折光学素子のように、回折格子溝の壁に遮光手段を有する（例えば遮光膜を形成する）ことで、フレアーの発生を抑え、回折光学素子の性能を向上させた複層型回折光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る回折光学素子の一実施形態を示す複層型回折光学素子の模式断面図であり、（Ａ）は密着複層型回折光学素子を示す模式断面図であり、（Ｂ）は分離複層型回折光学素子を示す模式断面図である。
【図２】本発明に係る回折光学素子の遮光膜の形成方法を（Ａ）から（Ｄ）の順で示す図である。
【図３】従来の回折光学素子の構成を示す模式断面図であり、（Ａ）は密着複層型回折光学素子を示す模式断面図であり、（Ｂ）は分離複層型回折光学素子を示す模式断面図である。
【図４】回折光学素子の回折格子溝を所望の光路で進む領域を示す模式断面図であり、（Ａ）は複層型回折光学素子の場合であり、（Ｂ）は単層型回折光学素子の場合である。
【符号の説明】
１　回折格子溝
２　坂
３　壁
５ａ　遮光膜
６　第１の回折素子要素
７　第２の回折素子要素

Claims (8)

1. 互いに異なる材質からなる第１の回折素子要素と第２の回折素子要素とが密着接合され、前記回折素子要素の接合面に所定形状の回折格子溝が形成されている回折光学素子であって、
   前記回折格子溝の壁の部分に遮光手段を有することを特徴とする回折光学素子。
2. 前記両回折素子要素の一方の材質がガラスモールド用のガラスであり、前記両回折素子要素の他方の材質が樹脂であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記両回折素子要素の一方のｄ線での屈折率をｎｄＧとし、アッベ数をνｄＧとしたとき、両式
   １．５５≦ｎｄＧ≦１．７０
   ５０≦νｄＧ≦６５
   を満足し、且つ、前記両回折素子要素の他方のｄ線での屈折率をｎｄＲとし、アッベ数をνｄＲとしたとき、両式
   １．５０≦ｎｄＲ≦１．６５
   νｄＲ≦４５
   を満足することを特徴とする請求項１または２に記載の回折光学素子。
4. 前記回折格子溝の最小ピッチが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の回折光学素子。
5. 前記回折格子溝の壁の高さが２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の回折光学素子。
6. 互いに異なる材質からなる所定形状の第１の回折格子溝が形成された第１の回折素子要素と、前記第１の回折格子溝の高さと異なる高さを有する所定形状の第２の回折格子溝が形成された第２の回折素子要素とを有し、前記第１の回折格子溝が形成された面と前記第２の回折格子溝が形成された面とが互いに対向し且つ所定間隔を有して配設された回折光学素子であって、
   前記第１の回折格子溝の壁の部分に遮光手段を有し、前記第２の回折格子溝の壁の部分に遮光手段を有することを特徴とする回折光学素子。
7. 前記第１の回折光学素子要素の材質と前記第２の回折光学素子要素の材質がともに樹脂であることを特徴とする請求項６に記載の回折光学素子。
8. 前記第１の回折格子溝と前記第２の回折格子溝の最小ピッチが５０μｍ以上であることを特徴とする請求項６または７に記載の回折光学素子。

Images