JP2006162863A - 回折光学素子の成形型及び成形型の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】断面を鋸歯波状に加工したブレーズド型回折格子を有する回折光学素子において、回折格子の縦面に艶消し処理を施すことによりフレア光の発生を抑える。
【解決手段】回折光学素子の成形用金型において、表面粗さの異なる２層の炭素系膜を成膜することで、ブレーズド回折格子部分の縦面のみを微細構造化する。この形状を成形品に転写することで回折光学素子の縦面に艶消し処理が施される。
【選択図】 図１

Description

本発明はブレーズド回折格子を有する回折光学素子の成形型及びその製造方法に関するものである。

従来、光学系の色収差を補正する方法として、回折光学素子を用いた技術が知られている。

回折効率の波長依存性の仕組みを詳細に検討し、回折効率の波長依存性を低減した新しいタイプのレリーフ型回折光学素子は、例えば、特許文献１や特許文献２に提案されている。これらの回折光学素子は、分散や屈折率の異なる２種類又はそれ以上の種類の光学材料を組み合わせ、その異なる光学材料の境界面にブレーズド型回折格子を成すレリーフパターンを形成したものである。光学系に適用する回折光学素子は、レンズとして使用する場合が多いが、このような用途においては、複数の回折光が存在するのは一般に好ましくない。

そこで、回折光学素子（具体的には回折レンズ）においては、一般に、使用する波長で透明な基材に、凹凸構造の断面形状が左右非対称であり、傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子を形成することで、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。

ところで、回折光学素子の性能は、素子を構成する材料の光学特性と、格子の形状によって決定される。カメラなど光学機器への使用を考えると、回折光学素子の性能を十分に活用するためには、回折格子の凹凸の高さをある程度高くする必要がある。
特開平１１−０４４８１０号公報 特開平１１−０４４８０８号公報

しかしながら、断面を鋸歯波状に加工したブレーズド型回折格子を有する回折光学素子においては、加工上の問題や、光学系の配置上の制約からレリーフパターンのエッジ部に平行に入射しない光線があり、この光線がエッジ部を通過してフレア光となって像面に達し素子や光学系の光学性能を悪化させるという問題が生じる。

また上記のように凹凸の高さを高くすると、光学機器に入射してくる光に対して不必要な入射面、つまり縦面を大きくすることになるため、フレア光による光学性能がさらに悪化してしまう。

このようなフレア光を低減するために、光学材料の改善によって回折格子の凹凸の高さを低くする方法も考えられるが、現状ではこのような改善も思うに任せない。また、回折素子を球面上に形成することにより、有効光に対して極力影響がないような工夫もなされているが、一般撮影において避けきれない斜入射光への対策には十分ではなかった。

本発明の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、高性能で、且つ、フレア光が発生することが少ない回折光学素子を安価に成形する為の成形型を提供することにある。

本発明の他の目的は、上記従来技術の問題点を解決し、高性能で、且つ、フレア光が発
生することが少ない回折光学素子を安価に成形する為の成形型を製造する方法を提供することにある。

本発明の上記目的を達成する第１実施形態の回折光学素子の成形型は、傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子から成る凹凸が形成された金属の型上に、第一層として結晶構造を有するダイヤモンド膜、第二層としてアモルファス構造で平滑面を有するダイヤモンド状炭素膜（以下ＤＬＣ膜とする）を成膜されているものである。

上記第１実施形態の回折光学素子の成形型は、前記ブレーズド回折格子の傾斜面の中心線平均粗さが０〜０．５μｍの範囲内であり、縦面の中心線平均粗さが０〜１００ｎｍの範囲内に加工されているものである。

本発明の上記目的を達成する第２実施形態の回折光学素子の成形型の製造方法は、金属の型上に傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子を切削加工により形成する工程と、前記ブレーズド回折格子の傾斜面と縦面の全面に第一層として結晶構造を有するダイヤモンド膜を成膜する工程と、第二層としてアモルファス構造を有するＤＬＣ膜を成膜する工程とから成る。

上記第２実施形態の回折光学素子の成形型の製造方法は、ダイヤモンド膜を中心線平均粗さ、結晶粒径を制御して成膜するものである。

上記第２実施形態の回折光学素子の成形型の製造方法は、ダイヤモンド膜上に成膜するＤＬＣ膜を、前記ブレーズド回折格子の傾斜面と縦面とで成膜レートを変化させて、傾斜面と縦面の中心線平均粗さを制御して成膜するものである。

本発明の上記目的を達成する第３実施形態の回折光学素子の製造方法は、傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子の傾斜面と縦面の全面に、第一層として結晶構造を有するダイヤモンド膜を成膜され、第二層としてアモルファス構造を有するＤＬＣ膜を成膜された成形型を用いて、基板上に、傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子を有する樹脂層を形成する工程時に、前記傾斜面と縦面の内、縦面にのみ成形型の微細構造を転写することによる艶消し処理を施すことを特徴とする。

本発明において、この発明の回折光学素子成形用成形型により回折光学素子を成形することで、ブレーズド回折格子の縦面にのみ艶消し処理を施すことが可能となり、高性能で且つフレア光が発生することが少ない回折光学素子が得られた。

以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。

（第１実施形態）
図１に、本発明の第１実施形態の回折光学素子の成形型の構成図を示す。

本実施例は、カメラ用の凸型レンズとして使用される回折光学素子の成形型の例を示したものである。この回折光学素子成形型は、基材となる金型１０と、金型１０表面の全面に第一層の膜として成膜された、結晶構造を有するダイヤモンド膜１３と、第一層のダイヤモンド膜１３上に第二層の膜として成膜されたアモルファス構造を有するＤＬＣ膜１４とから成る。

図１の回折光学素子成形型において、金型１０は鋼材、銅材などの切削加工が可能な金属であればいずれを用いても良い。金型１０の表面には、傾斜面１１と縦面１２とが交互に配されたブレーズド回折格子が切削加工により形成されている。ブレーズド回折格子上には、表面粗さの異なる二つの膜、ダイヤモンド膜１３及びＤＬＣ膜１４を成膜する。二層の膜構造により、傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子において、傾斜面１１と縦面１２の内、傾斜面１１の表面粗さは０〜０．１μｍの平滑な表面に形成し、縦面１２の表面粗さを中心線平均粗さ０〜０．５μｍの粗い表面に形成する。成形品には成形型の形状が転写される為、傾斜面１１及び縦面１２の表面粗さが成形品である回折光学素子の回折格子の傾斜面及び縦面の粗さになる。成形品である回折光学素子の傾斜面においては表面粗さが０〜０．１μｍと平滑であるため、光学的に入射した光は透過するが、縦面においては表面粗さが０〜０．５μｍと、艶消し加工が施された状態と同程度になっているため、縦面に入射した光は遮光されることになる。

図１で示すような回折光学素子成形型を利用して、回折光学素子を成形することにより、入射してくる光に対して不必要な入射面である縦面の遮光が可能となるため、フレア光による光学性能がさらに悪化を防ぐことができる。

また成形型の形状を転写することにより艶消し処理を施すという単純な方法であるため、成形品の遮光膜を施すなどといった後処理工程もなく安価に、高性能で且つフレア光の発生の少ない回折光学素子を得ることができる。

次に、図２で示すようなカメラ用の凸レンズとして使用する積層型回折光学素子のレプリカ成形法において、図１の回折光学素子成形型を応用した例について説明する。この回折光学素子は、第１の光学部材２０と第２の光学部材２１とを接着することによって形成されている。第１の光学部材２０は、第１の基板２２と、第１の基板２２上に形成され、表面に第１のブレーズド回折格子が形成された第１の樹脂層２３とから成る。第２の光学部材２１は、第２の基板２４と、第２の基板２４上に形成され、表面に第２のブレーズド回折格子が形成された第２の樹脂層２５とから成る。これらの光学部材は第１及び第２の樹脂層を内側にして、不図示の接着剤によって互いに貼り合わされている。

図１の回折光学素子において、第１の基板２２及び第２の基板２４はガラス基板から成る。第１の樹脂層２３は、高屈折率で分散の大きい変性ウレタンアクレリートを主成分とする光硬化樹脂から形成されている。また、第２の樹脂層２５は、低分散のアクレリート系紫外線硬化樹脂から成る。これらの樹脂層の材料は、用途に応じた光学設計によって、最適なコンビネーションとなるように任意に選択される。また、重ねる順序も任意に選択できる。

回折光学素子を、カメラなどの光学機器に用いる場合、使用波長領域の光束が特定次数に集中する形状に回折格子を形成する必要がある。本実施例においては、ｃ線波長（５６５．２７ｎｍ）とｇ線波長（４３５．８３ｎｍ）において、積層回折光学素子が高い回折効率を得るようにそれぞれの樹脂層の格子形状を決定した。

図２において、第１の光学部材２０の樹脂層２３に形成されたブレーズド回折格子の格子高さは６．７４μｍ、第２光学部材２１の樹脂層２５に形成されたブレーズド回折格子の格子高さは９．５０μｍである。これらのブレーズド回折格子は入射光に対してレンズ作用を生ずるように構成されている。このため、格子ピッチは回折格子の中心から離れるにしたがって小さくなっており、最小ピッチは４０μｍ弱である。また、両ブレーズド回折格子において、格子ピッチは同一である。

図２において、第１の光学部材２０の樹脂層２３の表面には、ブレーズド回折格子が形成されている。このブレーズド回折格子の外周部には円環上の凹部２６が形成されている。

同様に第２の光学部材２１の樹脂層２５の表面にも、ブレーズド回折格子が形成されている。このブレーズド回折格子の外周部には円環上の凸部２７が形成されている。

次に図２の第１の光学部材２０を形成する方法を図３（ａ）〜（ｄ）の概略断面図を用いて説明する。第１の光学部材を作製するには、まず図３（ａ）に示す成形型３３を用意する。本実施例において成形型３３の基材となる金型３０の表面に第１の樹脂層２３に形成される凹凸パターンを反転した形状の凹凸パターンが形成されている。この凹凸パターンの形状は、コンピュータを用いた計算によって設計され、鋼材の表面をバイトで切削することによって形成される。

本実施例においてはこの凹凸パターンは、傾斜面と縦面が交互に配されたブレーズド回折格子となっている。金型３０の基材となる材料は切削加工が可能な金属材料であれば、鋼材、銅材などのいずれを用いても良い。金型３０の表面に形成されている前記ブレーズド回折格子の傾斜面と縦面の全面に、第一層として結晶構造を有するダイヤモンド膜３１が成膜されており、第二層としてアモルファス構造を有するＤＬＣ膜３２が成膜されている。ダイヤモンド膜３１は膜の平均結晶粒径が０〜０．５μｍの範囲内で成膜されている。ＤＬＣ膜３２は、ダイヤモンド膜３１層の上に成膜され、傾斜面と縦面が交互に配されたブレーズド回折格子において、縦面と傾斜面の内、金型の垂直方向に当たる傾斜面上へのＤＬＣ膜３２の成膜速度が、縦面への成膜速度よりも早くなるような方法及び条件下で成膜され、最終的に回折光学素子成形用金型において、傾斜面は中心線表面粗さが０〜０．１μｍの平滑な表面に形成されており、縦面は表面粗さが中心線平均粗さ０〜０．５μｍの粗い表面に形成されている。

上記の金型３０、ダイヤモンド膜３１、ＤＬＣ膜３２から成る成形型３３を図３（ｂ）のように型保持枠３４に固定し、上からディスペンサー３５によって紫外線（ＵＶ）硬化樹脂３６を滴下する。ここで、樹脂３６が成形型３３の凹凸パターンが形成された領域まで広がったのち、真空容器内で約１０ｍｍＨｇに減圧し脱泡をおこなうのが望ましい。これは、格子形状がピッチ４０μｍで格子高さが１０μｍ近いものでは、樹脂が型上で広がる際に微細形状内に空気をためてしまうことが確認さているため、成形品の形状欠陥を防止するためである。

次に、ガラス基板から成る第１の基板３７を用意する。第１の基板３７は、樹脂との密着性を高めるためその表面にシランカップリング剤をスピンナーで塗布した後、オーブンで乾燥させる処理が施されている。この第１の基板３７の中心にごく少量の樹脂を滴下し、その樹脂滴と成形型３３上の樹脂３６を最初に接触させた後、図３（ｃ）に示すように、ゆっくりと第１の基板３７を降下させ所望の位置で固定する。

その後、図３（ｄ）に示すように、不図示のランプを用いて第１の基板３７を通して紫外線光３８をＵＶ硬化樹脂３６に照射し、この樹脂を硬化させる。

ＵＶ硬化樹脂３６が硬化したら、図３（ｅ）に示すように、第１の基板３７に外力を加え、硬化した樹脂を成形型３３から離型する。

以上説明したようにして、図２に示す第１の光学部材２０が形成される。一方、図２に示す第２の光学部材２１も、図３（ａ）〜（ｅ）で説明した方法と全く同様にして形成される。

上記のように形成された第１及び第２の光学部材の一方を固定治具にセットし、図２に示す凹部２６又は凸部２７より外側に、流動性の小さいチキソ系光硬化接着剤を周方向の複数箇所に滴下する。次に、もう一方の光学部材をブレーズド回折格子が形成された面が互いに向き合うように、かつ凡そ互いに中心が合うよう重ね合わせる。そのとき、ブレーズド回折格子が形成された領域には干渉縞が見られ、それを目安に中心への粗調整をしても良い。周辺部に施した凹部２６と凸部２７が嵌合するようにして組み込んだ後、紫外線を照射し接着剤を硬化させる。このようにして図２に示す積層型回折光学素子が製造される。

（第２実施形態）
図４に、本発明の第２実施形態の回折光学素子成形型の製造プロセスを示す。

図４（ａ）に示す工程において、基材となる金属材料を切削加工により、傾斜面と縦面が交互に配されたブレーズド回折格子をもつ金型４０へと加工する。金型４０に使用する金属材料は切削加工が可能な鋼材、銅材などの金属であればいずれを用いても良い。

図４（ｂ）に示す工程において、前記ブレーズド回折格子を有する金型４０を成膜用チャンバー内に入れて結晶構造を有するダイヤモンド膜４１を金型表面の全面に成膜する。ダイヤモンド膜４１の成膜方法及び成膜ガスは、ダイヤモンド膜の平均結晶粒径が０〜０．５μｍの範囲内で制御可能な成膜方法であればいずれの方法を用いても良い。例えば、マイクロ波を用いたプラズマＣＶＤ法があげられる。原料ガスとしてはメタン、アセチレン、水素などが好適に用いられる。

本実施例においては、プラズマＣＶＤ法によりダイヤモンド膜を、平均結晶粒径０．２μｍに制御して成膜した例について示す。

次に図４（ｃ）に示す工程において、アモルファス構造を有するＤＬＣ膜４２を、ダイヤモンド膜４１層の上に成膜する。

図５は図４で示す回折光学素子成形型の表面の一部を拡大して示す概略断面図である。５０は金型の基材となる金属部で、５３がダイヤモンド膜である。ブレーズド回折格子においては、傾斜面（第１の格子面）５１と縦面（第２の格子面）５２とが交互に配されている。傾斜面５１は不図示の基板表面に対し、比較的緩やかな角度を有している。これに対し、縦面５２は基板表面に対して垂直か、もしくは基板表面に対し第１の傾斜面５１よりも急峻な角度をなす面である。

基板の表面を蒸着源に向けてセットし、上記のようなブレーズド回折格子上に、真空蒸着を行うと、傾斜面５１上においてＤＬＣ膜５４の成膜レートが速いが、縦面５２においてはＤＬＣ膜５４の成膜レートが遅くなる。この理由は、蒸着源からの蒸着粒子の飛来方向に対して縦面５２はほとんど角度を持たないからである。成膜レートの差があるため、成膜後の成形型表面は傾斜面についてはＤＬＣ膜５４によりダイヤモンド膜５３の結晶構造による粗さが埋められ平滑な面となる。しかし、縦面については、ダイヤモンド膜５３の結晶構造による粗さが埋められるほどのＤＬＣ膜５４厚さがないため、ダイヤモンド膜５３の粗い面が維持される。

ＤＬＣ膜５４の成膜方法及び成膜ガスは、傾斜面と縦面が交互に配されたブレーズド回折格子において、縦面と傾斜面の内、金型の垂直方向に当たる傾斜面上へのＤＬＣ膜５４の成膜速度が、縦面への成膜速度よりも早い方法であればいずれの方法を用いても良い。成膜速度は成形品である回折光学素子の前記傾斜面と縦面において、傾斜面の平均粗さが
０〜０．１μｍで、縦面の平均粗さが０〜０．５μｍとなる程度の差があればよく、例えば、プラズマＣＶＤ法を用いての合成方法であれば比較的低めの圧力下でかつ低出力で合成すると良い。

このようにして金型４０、ダイヤモンド膜４１、ＤＬＣ膜４２から成る、回折光学素子成形型４３が製造される。

本発明の第１実施形態の回折光学素子の成形型の一実施例を示す概略断面図である。 図１の回折光学素子成形型を応用してカメラ用の凸レンズとして使用する積層型回折光学素子のレプリカ成形を行った場合の、成形品である回折光学素子の断面概略図である。 図１の回折光学素子の成形型を用いて、図２の回折光学素子を製造する工程を示した図である。 本発明の第２実施形態の回折光学素子の成形型を製造する工程を示した図である。 図４で示す回折光学素子の成形型の表面の一部を拡大して示す概略断面図である。

符号の説明

１０ 金型
１１ 傾斜面
１２ 縦面
１３ ダイヤモンド膜
１４ ＤＬＣ膜
２０ 光学部材１
２１ 光学部材２
２２ 第１の基板
２３ 第１の樹脂層
２４ 第２の基板
２５ 第２の樹脂層
２６ 凹部
２７ 凸部
３０ 金型
３１ ダイヤモンド膜
３２ ＤＬＣ膜
３３ 成形型
３４ 型保持枠
３５ ディスペンサー
３６ 紫外線（ＵＶ）硬化樹脂
３７ 第１の基板
３８ 紫外線光
４０ 金型
４１ ダイヤモンド膜
４２ ＤＬＣ膜
４３ 回折光学素子成形型
５０ 金型
５１ 傾斜面
５２ 縦面
５３ ダイヤモンド膜
５４ ＤＬＣ膜

Claims (6)

1. 傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子から成る回折光学素子の樹脂層を成形するための成形型において、前記傾斜面及び縦面から成る凹凸が形成された金属の型上に、第一層として結晶構造を有するダイヤモンド膜、第二層としてアモルファス構造で平滑面を有するダイヤモンド状炭素膜（以下ＤＬＣ膜とする）を成膜することを特徴とした回折光学素子の成形型。
2. 前記回折光学素子の成形型において、前記ブレーズド回折格子の傾斜面の中心線平均粗さが０〜０．５μｍの範囲内であり、縦面の中心線平均粗さが０〜１００ｎｍの範囲内であることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子の成形型。
3. 金属の型上に傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子を切削加工により形成する工程と、前記ブレーズド回折格子の傾斜面と縦面の全面に第一層として結晶構造を有するダイヤモンド膜を成膜する工程と、第二層としてアモルファス構造を有するＤＬＣ膜を成膜する工程とから成る回折光学素子の成形型の製造方法。
4. 前記回折光学素子の成形型の製造方法において、ダイヤモンド膜を中心線平均粗さ、結晶粒径を制御して成膜する方法であることを特徴とする請求項３記載の回折光学素子の成形型の製造方法。
5. 前記回折光学素子の成形型の製造方法において、ダイヤモンド膜上に成膜するＤＬＣ膜を、前記ブレーズド回折格子の傾斜面と縦面とで成膜レートを変化させて、傾斜面と縦面の中心線平均粗さを制御して成膜する方法であることを特徴とする請求項３記載の回折光学素子の成形型製造方法。
6. 請求項２記載の回折光学素子の成形型を用いて、傾斜面と縦面とが交互に配されたブレーズド回折格子から成る回折光学素子において、前記傾斜面と縦面の内、縦面にのみ成形型の微細構造を転写することによる艶消し処理を施すことを特徴とする回折光学素子の製造方法。

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