JP2018045238A - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】回折光学素子における樹脂層の吸水による光学性能の劣化および高温下や低温下におかれた樹脂層の亀裂や界面での剥離の発生を防止する。
【解決手段】基材上に順次積層された第１の層と第２の層とを含み、第１の層と第２の層との界面が回折格子を形成する回折光学素子であって、その回折格子の格子部の高さｄ、第１の層の平均膜厚ｔ１、第２の層の平均膜厚ｔ２が、
１．１×ｄ≦ｔ１≦５０μｍ
３０μｍ≦ｔ２≦（４００μｍ−ｔ１−ｄ）
の関係を満たすことを特徴とする回折光学素子。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折光学素子およびその製造方法に関し、特にカメラやビデオ等の光学機器に使用される回折光学素子であって、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を用いたレプリカ成形により製造した素子、およびその製造方法に関するものである。

カメラやビデオ、またその他の光学機器の光学系には、基材（基板）の上に光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を成形することにより得られる複合型光学素子が広く用いられており、具体的には非球面レンズやピックアップレンズ、回折光学素子などが挙げられる。その中でも回折光学素子については様々な製法が提案されているが、例えば特許文献１には、レプリカ成形法による密着型の回折光学素子が、特に光学性能が高い素子として開示されている。特許文献１に記載されたレプリカ成形法による密着型の回折光学素子の製造においては、まず、微細形状をもつ型または基板に第１の材料を滴下して型と基板の間に充填する工程、次いで、エネルギーを与えて充填した第１の材料を硬化する工程、その後、硬化した第１の材料と基板を一体として型から剥離する工程を順次実行することにより、基板と硬化した第１の材料とが一体化した、表面に微細形状を有する素子を製造する。その後、得られた素子の上記表面に第２の材料が密着するように第２の層を成形することで密着型の回折光学素子が得られる。

特開２０１２−２１８３９４号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載された密着型の回折光学素子では、第１および第２の材料を硬化して得られる２つの樹脂層の少なくともいずれかが水分を吸水し膨張することで、それらの樹脂層の界面に形成された回折格子の光学的面形状の変形やそれらを構成する樹脂の屈折率変化が生じ、素子の光学性能が劣化するという課題がある。また、高温下や低温下で用いた場合には、基板と樹脂との熱膨張の違いにより、樹脂層の亀裂や界面での剥離が発生するという課題がある。

本発明は、樹脂層の吸水による性能の劣化および高温下や低温下におかれた樹脂層の亀裂や界面での剥離の発生を防止した密着型の回折光学素子およびその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決する本発明の密着型の回折光学素子は、基材と、該基材の上に設けられた第１の層と、該第１の層の上に密着して設けられた第２の層とを含み、該第１の層と該第２の層との界面に回折格子を形成した回折光学素子であって、前記回折格子の格子部の高さｄ、前記第１の層の平均膜厚ｔ１、前記第２の層の平均膜厚ｔ２が、
１．１×ｄ≦ｔ１≦５０μｍ
３０μｍ≦ｔ２≦（４００μｍ−ｔ１−ｄ）
の関係を満たすことを特徴とする。

上記の課題を解決する本発明の密着型の回折光学素子の製造方法は、転写する回折格子形状を反転した形状を有する型と基材との間に少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料を充填する工程、該第１の材料を熱または光エネルギーを与えて硬化させる工程、硬化した第１の材料を型から剥離して該基材の上に第１の層を形成する工程、少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含み該第１の材料とは異なる第２の材料を該第１の層の上に充填する工程、該第２の材料を熱または光エネルギーを与えて硬化させることにより該第１の層に密着した第２の層を形成する工程からなり、前記回折格子の格子部の高さｄ、前記第１の層の平均膜厚ｔ１、前記第２の層の平均膜厚ｔ２が、
１．１×ｄ≦ｔ１≦５０μｍ
３０μｍ≦ｔ２≦（４００μｍ−ｔ１−ｄ）
の関係を満たすことを特徴とする。

本発明によれば、樹脂層の吸水による性能の劣化、および高温下や低温下における樹脂層の亀裂や界面での剥離の発生が十分に抑制された回折光学素子およびその製造方法を提供することができる。

本発明の回折光学素子の断面図である。 本発明の回折光学素子の格子部の形状の一例を示す部分拡大断面図である。 本発明の回折光学素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。 本発明の回折光学素子の外周部の部分拡大断面図である。 本発明の回折光学素子の製造方法の別の実施形態を示す工程図である。

本実施の形態の光学機器は、光学素子を有する望遠鏡、双眼鏡、顕微鏡、カメラ、内視鏡等に用いることができる。
図１は、本発明の回折光学素子の断面図である。
図１の（ａ）に示す本発明の回折光学素子は、少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む異なる２種の材料を用いて形成された回折格子を有する回折光学素子であって、基材（基板）１の上に第１の材料からなる第１の樹脂層２が形成され、その上に第１の樹脂層に密着した第２の材料からなる第２の樹脂層３が形成された構成を有する。回折格子は第１の樹脂層２と第２の樹脂層３の界面に形成され、該界面は、基材１の表面に対してほぼ垂直な複数の壁面と隣接する壁面の下端と上端とをつなぐ複数の光学有効面とを交互に有することで該回折格子を形成する。ここで、第１の樹脂層２の平均膜厚４は、回折光学素子の格子部の高さ５の１．１倍以上５０μｍ以下であり、第２の樹脂層３の平均膜厚６は３０μｍ以上であり、格子部の高さ５と第１の樹脂層の平均膜厚４、第２の樹脂層の平均膜厚６の和である樹脂層の総膜厚は４００μｍ以下である。

すなわち、格子部の各壁面の下端と上端との垂直距離（基材の表面に対して垂直方向に測った距離）の算術平均を格子部の高さｄ、各壁面の下端と基材の表面との距離の算術平均を第１の樹脂層の平均膜厚ｔ１、各壁面の上端と第２の樹脂層の上面との距離の算術平均を第２の樹脂層の平均膜厚ｔ２とするとき、それらは
１．１×ｄ≦ｔ１≦５０μｍ
３０μｍ≦ｔ２≦（４００μｍ−ｔ１−ｄ）
の関係を満たす。

前記光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む材料としては、所望の光学特性と良好な成形性が得られるように、適切な屈折率、透過率、粘度、硬化収縮率等の材料特性を有するものを選択して用いることができる。例えば、熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂等が挙げられ、光硬化性樹脂としては、アクリル樹脂、エポキシ樹脂およびフッ素樹脂等が挙げられる。

前記回折格子は、光学系や材料特性から計算される所望の光学特性を満足する形状に形成されるが、カメラやビデオ等の光学機器に用いられる場合は、一般に同心円状に形成される。また、同心円状の回折格子の場合、個々の壁面の高さが、図１の（ａ）および（ｂ）に示すように中心から外周に向かって次第に高くなる形状でも良いし、逆に中心から外周に向かって次第に低くなる形状でも良い。なお、回折格子の光学有効面は、必ずしも平面とは限らず、基材の形状の如何とは別に、球面や非球面等の形状とされることもある。また、光学有効面以外の面の形状は、当該回折格子の光学特性を損なわない限り任意に設定することができる。

前記基材としては、平板ガラス、ガラスレンズ等、通常の光学機器に用いられる形状を有するものを用いることができ、特に平面や球面、非球面等の表面形状を有するものが好適に用いられる。また、基材の表面には反射防止膜や樹脂層との密着性を向上させる薄膜等が形成されていても良く、基材の端部には遮光の役割を持つ膜等が形成されていても良い。

前記第２の樹脂層は、前記第１の樹脂層の全面を覆っていても一部を覆っていても良い。また、第１の樹脂層と第２の樹脂層の間に薄膜が形成されていても良い。そのような薄膜としては、密着力を向上させるためのカップリング膜や反射率調整のための高屈折率膜あるいは低屈折率膜等が挙げられる。

前記第２の樹脂層の第１の樹脂層と密着していない面等の、光学性能に寄与する部分以外の面の形状は任意に設定することができる。更に、この面上には反射防止膜や封止膜等の薄膜が形成されていても良い。

また、図１の（ｂ）に示すように、第２の樹脂層の第１の樹脂層と密着している側と反対側の面８に、第２の基材７を密着させても良い。この構成では、第１および第２の樹脂層のうち一方の樹脂層が端部で両方の基材に接しているときは、この樹脂層を第２の樹脂層とし、両方の基材に接していない樹脂層を第１の樹脂層とみなすことができる。また、両方の基材に接する樹脂層が存在しないときは、広がり径の大きい樹脂層を第１の樹脂層とし、広がり径の小さい樹脂層を第２の樹脂層とみなすことができる。

図２は、本発明の回折光学素子の格子部の形状の一例を示す部分拡大断面図である。
ここで、格子部の高さ５、第１の樹脂層２の平均膜厚４および第２の樹脂層３の平均膜厚６について、図２を用いて述べる。格子部の高さ５とは、各壁面の下端（基材１に近い側の端点）９と上端（基材１から遠い側の端点）１０との垂直距離（基材１の表面に対して垂直な方向に測った距離）の全輪帯での算術平均である。また、第１の樹脂層の平均膜厚４とは、各壁面の下端９と基材１の表面との距離（交点１１と端点９との距離）の全輪帯での算術平均である。同様に、第２の樹脂層の平均膜厚６とは、各壁面の上端１０と第２の樹脂層３の上面（第１の樹脂層と密着する側と反対側の面）との距離（交点１２と端点１０との距離）の全輪帯での算術平均である。

第１の樹脂層の平均膜厚４を格子部の高さ５の１．１倍より小さくした場合、格子部の形状のばらつきが大きくなり、所望の光学性能を得ることができない。それは、格子部の上端（図２の端点１０）付近で、第１の樹脂層の平均膜厚が相対的に薄いことにより応力集中が顕著になり、形状不良が発生するからである。発生した形状不良はランダムな形状を有しているため、初期の型形状の補正等による対応は困難となる。また、第１の樹脂層の平均膜厚４を５０μｍより大きくした場合、第１の樹脂層を成形する過程で所望の形状の反転形状を有する型から第１の樹脂層を剥離させる際に、樹脂層に強く力がかかり、剥離後の樹脂層の格子形状の先端部が割れる等の不良が発生しやすくなる。

上述した理由から、第１の樹脂層の平均膜厚を格子部の高さの１．１倍以上、５０μｍ以下にすることで回折光学素子の光学性能を劣化させずに、基材上に所望の微細形状を有する第１の樹脂層を配置することができる。特に、第１の樹脂層の平均膜厚と格子部の高さの和を５０μｍ以下にすれば、型から第１の樹脂層を剥離する際に当該樹脂層の格子形状の先端部にかかる力が更に弱くなり、より好ましい。

前記第２の樹脂層の平均膜厚を３０μｍより小さくした場合、図１の（ａ）に示される第２の樹脂層の上面（第１の樹脂層と密着していない側の面）８の平滑性が悪化し、所望の光学面を形成することが困難となるため、光学性能が劣化する。これは、平均膜厚が薄いことにより、第２の樹脂層を構成する材料が第１の樹脂層の格子形状に添った形で硬化収縮を起こすためである。平均膜厚を３０μｍ以上にすることで、第２の樹脂層を構成する材料の硬化中に格子形状以外の膜厚を構成している部分から材料が補完され、第２の樹脂層の上面での平滑性が維持されるため、所望の光学面を好ましく形成することができる。

図１の（ｂ）に示したように第２の樹脂層３と第２の基材７が密着している構成の場合には、第２の樹脂層の第２の基材と密着している面（すなわち上面）８の平滑性は第２の樹脂層の平均膜厚に因らずほぼ一定となる。しかしながら、第２の樹脂層の平均膜厚を３０μｍより小さくした場合には、第２の樹脂層の格子部に応力が蓄積された状態となり、格子形状の変形や格子部での樹脂層の屈折率分布を発生させることになるため、前述した第２の基材がない構成の回折光学素子と同様に光学性能が劣化することとなる。平均膜厚を３０μｍ以上にすることで、第２の材料の硬化中に格子形状以外の膜厚を構成している部分から材料が補完され、第２の樹脂層の格子部における応力の蓄積を十分に低減させることができるため、所望の満足すべき光学性能をもたらすことができる。

樹脂層の総膜厚を示す格子部の高さと第１の樹脂層の平均膜厚と第２の樹脂層の平均膜厚の和を４００μｍより大きくした場合、第１および第２の樹脂層の吸水により、第２の樹脂層の第１の樹脂層に密着していない面（すなわち上面）や、回折格子を形成する界面、第１の樹脂層と基材との密着面等の形状が大きく変化することがある。また、吸水により第１および第２の材料の屈折率も変化する。このため、樹脂層の総膜厚を４００μｍより大きくすると光学性能が著しく劣化する可能性がある。また、高温下や低温下においては、基材と樹脂層との熱膨張の違いにより、樹脂層内部に大きな応力が生まれる。この応力が、材料の降伏応力以上、あるいは、基材と第１の樹脂層、第１の樹脂層と第２の樹脂層もしくは第２の樹脂層と第２の基材の界面での密着力以上になると、樹脂の内部での亀裂や界面での剥離が発生する。

樹脂層の総膜厚を４００μｍ以下にすることで、吸水による性能劣化や高温下、低温下における樹脂層の亀裂や界面での剥離の発生を十分に抑制することができる。特に、樹脂層の総膜厚は、３００μｍ以下であると吸水や温度変化による影響がより低減され、光学性能の劣化や亀裂や剥離の発生を更に抑制できるためより好ましく、２００μｍ以下であることが最も好ましい。

吸水による面の変形や樹脂の屈折率分布の発生による光学性能の劣化や、高温下および低温下における亀裂や剥離の発生を防止するには、上に述べたように、樹脂層の総膜厚を薄くすることが有効となる。一方で、樹脂層を薄くしすぎると、回折光学素子としての光学性能の劣化や安定性の低下が見られる。本発明者らは、回折光学素子における格子形状不良の発生や内部応力による屈折率分布の発生と樹脂層の平均膜厚との関係を検討した結果、光学性能の劣化や安定性の低下が発生しない平均膜厚の範囲を見出した。特に、平均膜厚が光学性能に与える影響の度合いが第１の樹脂層と第２の樹脂層とで異なることを明らかにした。これにより、樹脂層の総膜厚を、光学性能の劣化を発生させず、かつ耐環境性（耐吸水性）が改善されるように調整された回折光学素子を製造することが可能になった。

また、本発明において、所望の満足できる光学特性を実現しようとした場合、現在回折格子に用いることができる公知の樹脂材料では、その光学特性上、格子部の高さは８μｍ以上となる。一方、格子部の高さが高すぎると、格子の壁面部に起因するフレアが発生し、光学性能が劣化するため、格子部の高さは８μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましい。

次に、本発明の回折光学素子の製造方法について、図３を用いて説明する。
図３の（ａ）から（ｆ）は、本発明の回折光学素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。
図３に示すように、本発明の回折光学素子の製造方法は、所望の回折格子形状を反転させた形状を有している型１３と基材１の間に少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料２ａを充填する工程（ａ）、第１の材料２ａを熱または光エネルギー１４を与えて硬化させる工程（ｂ）、硬化した第１の材料を型１３から剥離して基材１上に第１の樹脂層２を形成する工程（ｃ）、少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含み第１の材料とは異なる第２の材料３ａを第１の樹脂層２上に（対向材１５との間に）充填する工程（ｄ）、第２の材料３ａを熱または光エネルギー１４を与えて硬化させる工程（ｅ）、および硬化した第２の材料からなる第２の樹脂層３を対向材１５から剥離して完成した回折光学素子を得る工程（ｆ）からなる製造方法である。このとき、回折格子は第１の樹脂層２と第２の樹脂層３の界面に形成され、該界面は、基材１の表面に対してほぼ垂直な複数の壁面と隣接する壁面の下端と上端とをつなぐ複数の光学有効面とを交互に有することで該回折格子を形成する。このとき、第１の樹脂層２の平均膜厚４は、回折光学素子の格子部の高さ５の１．１倍以上５０μｍ以下であり、第２の樹脂層３の平均膜厚６は３０μｍ以上であり、格子部の高さ５と第１の樹脂層の平均膜厚４と第２の樹脂層の平均膜厚６の和である樹脂層の総膜厚は４００μｍ以下である。ただし、格子部の高さとは各壁面の下端と上端との垂直距離（基材１の表面に対して垂直方向に測った距離）の算術平均であり、第１の樹脂層の平均膜厚とは、各壁面の下端と基材の表面との距離の算術平均であり、第２の樹脂層の平均膜厚とは各壁面の上端と第２の樹脂層の上面との距離の算術平均である。

前記型１３は、転写する回折格子の反転形状を有している。型の材質としては、金属や樹脂等の公知の材質を用いることができる。例えば、金属母材上にＮｉＰやＣｕ等のメッキ層を形成し、メッキ層を切削や研磨することで製造されたもの等が挙げられる。または、マスター型から樹脂材料を用いて成形した型等を用いることもできる。型の表面には、公知の薄膜が構成されていても良く、薄膜としては窒化膜やＤＬＣ（Diamond-Like Carbon）膜等の離型膜やシリコーン系、フッ素系、非シリコーン系等の離型剤をコーティングした膜等が挙げられる。

前記第１の材料２ａを前記型１３に充填する方法としては、基材または型、もしくは基材と型の両方に材料を滴下し、基材と型の間に材料を広げる方法がある。材料を広げる方法としては、基材や型を互いが接近する方向に近づけていく方法や、基材や型に対して互いが接近する方向に荷重を与える方法、基材や型の自重で充填する方法、材料を加熱し粘度を下げることで充填させる方法等の公知の手法を用いることができる。なお、光学特性にかかわる範囲に材料を充填すれば、その他の部分への充填は任意とすることができる。

本発明の材料を硬化するには、硬化に必要な熱または光エネルギー１４を材料に付与する必要がある。具体的には紫外光や可視光、熱エネルギー等を材料に与えることができる。材料を硬化する光エネルギーまたは熱エネルギーは、材料に均一に与えても、任意の分布を持って与えても良く、例えば格子形状や樹脂層の厚み等に依存した強度分布を持たせても良い。また、光エネルギーと熱エネルギーを同時に与えても良いし、段階的に双方を使用しても良い。

前記材料を型から剥離する方法として、基材の端部に対して型から剥離する方向に荷重を加える方法、型に対して基材から剥離する方向に荷重を加える方法等の公知の方法を用いることができる。

前記第２の材料を第１の樹脂層に密着するように充填する方法として、第１の樹脂層２または対向材１５、もしくはその両方に第２の材料を滴下し、第１の樹脂層と対向材の間に材料を広げる方法がある。また、第２の基材を対向材としても良く、この場合には第２の材料を第１の樹脂層と第２の基材の間に充填する（図１（ｂ）の形態）。

前記第２の材料を硬化させた第２の樹脂層を対向材から剥離することで回折光学素子が得られる。なお、対向材として第２の基材を用いた場合には剥離の必要はなく、第２の材料を硬化するだけで回折光学素子が得られる。

２つの基材を用いた回折光学素子では、基材に接している状態と樹脂層の広がり径により、第１の樹脂層と第２の樹脂層を判別することができる。図４は、本発明の回折光学素子の外周部の部分拡大断面図である。２つの基材を用いた回折光学素子の外周部の状態は、図４の（ａ）および（ｂ）の２種に大別される。図４（ａ）は、型を用いて成形した第１の樹脂層２の外周縁を超えて第２の樹脂層３を形成した場合を示し、この場合には、第１の樹脂層を超えて形成された第２の樹脂層は、２つの基材に接している。図４（ｂ）は、型を用いて成形した第１の樹脂層２の広がり径以下に第２の樹脂層３の広がり径を抑えた場合を示し、この場合には、２つの基材に接する樹脂層は存在しない。すなわち、２つの樹脂層のうち、２つの基材に接する樹脂層が存在する場合は、この樹脂層を第２の樹脂層とし、他方の樹脂層を第１の樹脂層とみなすことができる。また、２つの基材に接する樹脂層が存在しない場合は、広がり径が大きい樹脂層を第１の樹脂層とし、広がり径が小さい樹脂層を第２の樹脂層とみなすことができる。

上に述べたように、前記第１の材料を充填する際に、第１の樹脂層の平均膜厚が格子部の高さの１．１倍以下とした場合、格子部の形状ばらつきが大きくなり、所望の光学性能を得ることができない。樹脂層の平均膜厚を設定する方法としては、基材と型の間の端部に所望の厚みを有するスペーサーを入れる方法や、基材と型との距離を検知しながら充填する方法等の公知の方法を用いることができる。一般に、光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂は、硬化する際に収縮を伴う。このとき、第１の樹脂層の平均膜厚が格子部の高さの１．１倍以下であると、第１の樹脂層の格子部の先端付近で、硬化収縮による応力集中が顕著となり、格子部の形状不良が発生する。発生する形状不良はランダムな形状を有しており、初期の型補正等により対応することは困難となる。

また、第１の樹脂層の平均膜厚を５０μｍ以上にした場合、型から第１の樹脂層を剥離する際に、樹脂層に強く力がかかり、格子形状の先端部が割れる等の不良が発生しやすくなり、歩留まりが低下する。

上述した理由から、第１の樹脂層の平均膜厚を格子部の高さの１．１倍以上、５０μｍ以下にすることで回折光学素子の光学性能を劣化させずに、好適に基材上に所望の格子形状を有する第１の樹脂層を配置することができる。また、第１の樹脂層の平均膜厚と格子部の高さの和を５０μｍ以下にすれば、第１の樹脂層の格子部の下端９における剥離時の力を一定以下に制御できるため、より好ましい。

前記第２の材料を充填する際に、第２の樹脂層の平均膜厚を３０μｍより小さくした場合、第２の樹脂層の第１の樹脂層と密着していない面（すなわち上面）８の平滑性が悪化し、所望の光学面を形成することが困難となり、製造された回折光学素子の光学性能が劣化する。これは、平均膜厚が薄いことにより、第２の材料が硬化する際に第１の樹脂層の格子形状に添った形で硬化収縮を起こすためである。平均膜厚を３０μｍ以上にすることで、第２の材料の硬化中に、膜厚を構成している格子形状以外の部分から材料が補完されるため、第２の樹脂層の第１の樹脂層と密着していない面での平滑性が維持され、所望の光学面を形成することができる。

また、第２の基材を用いた場合には、第２の樹脂層の第２の基材と密着している面の平滑性は、第２の樹脂層の平均膜厚に因らず、ほぼ一定となる。しかしながら、第２の樹脂層の平均膜厚を３０μｍより小さくした場合には、第２の材料の硬化収縮により第２の樹脂層の格子部に応力が蓄積された状態となる。この応力により、格子形状の変形や格子部での樹脂層の屈折率分布を発生し、第２の基材を用いない構成の素子と同様に光学性能が劣化することとなる。平均膜厚を３０μｍ以上にすることで、第２の材料の硬化中に膜厚を構成している格子形状以外の部分から材料が補完され、第２の樹脂層の格子部の応力を十分好適に低減させることができ、所望の光学性能を満足することができる。

樹脂層の総膜厚を示す格子部の高さと第１の樹脂層の平均膜厚と第２の樹脂層の平均膜厚の和が４００μｍより大きくなるよう製造された回折光学素子では、樹脂層が吸水することにより、第２の樹脂層の第１の樹脂層に密着していない面（すなわち上面８）や、回折格子を形成する界面、基材面等の形状が大きく変化することとなる。また、吸水により第１の材料および第２の材料の屈折率も変化するため、前述の通り光学性能が著しく劣化する。また、高温下や低温下においては、基材と樹脂層との熱膨張の違いにより、樹脂層内部に大きな応力が生まれる。この応力が、材料の降伏応力以上もしくは、基材と第１の樹脂層、第１の樹脂層と第２の樹脂層あるいは第２の樹脂層と第２の基材の界面での密着力以上となると、樹脂層での亀裂や界面での剥離が発生する。

樹脂層の総膜厚を４００μｍ以下にすることで、製造される回折光学素子の吸水による性能劣化や高温下、低温下における樹脂層の亀裂および界面の剥離の発生を十分に抑制することができる。特に、樹脂層の総膜厚は、３００μｍ以下であると更に吸水や温度変化による影響が低減され、性能劣化や亀裂や剥離の発生を更に抑制することができるため好ましく、２００μｍ以下であることが、最も好ましい。

製造される回折光学素子の吸水による面形状の変形や屈折率の変化による光学性能の劣化や、高温下、低温下における亀裂や剥離の発生を抑制するには、樹脂層の総膜厚を薄くすることが有効となる。一方で、樹脂層を薄くすると回折光学素子の格子形状を製造するにあたり、形状安定性の悪化や内部応力による屈折率分布の発生等が起こり、光学性能を悪化させる。本発明者らは、回折光学素子の製造において、格子形状不良の発生や内部応力による屈折率分布の発生が樹脂層の平均膜厚に依存していることを突き止め、光学性能の劣化や安定性の低下が発生しない平均膜厚の範囲を見出した。特に、平均膜厚が光学性能に与える影響の度合いが第１の樹脂層と第２の樹脂層とで異なることが明らかになった。これにより、樹脂層の総膜厚を好ましい範囲内に設定することで、光学性能の劣化を発生させず、かつ耐環境性が十分に改善された回折光学素子を製造することができる。

[実施例]
（実施例１）
本実施例における回折光学素子およびその製造方法（本発明の一実施形態）を、図３を用いて述べる。
基材１には、オハラ株式会社製ガラスＳ−ＢＳＬ７（製品名）からなる径５５ｍｍ、厚み３ｍｍの両面とも概ね平面であるレンズを用いた。第１の材料２ａおよび第２の材料３ａは、光硬化性アクリル樹脂を主成分とするものとし、第１の材料には第２の材料よりも屈折率が低いものを用いた。

製造する回折光学素子は、格子部の高さが１０．５μｍから１１．３μｍであり、格子幅は０．１５ｍｍから３．０ｍｍのブレーズ型回折格子である。格子は同心円状に形成されており、全７４輪帯である。型１３および対向材１５の表面は、それぞれ所望の回折格子の反転形状および平面形状を有し、ウッデホルム社製ＳＴＡＶＡＸ（製品名）からなる母材上に、ＮｉＰからなるメッキ層を１５０μｍ形成し切削することにより製造されたものである。

まず、基材１の第１の材料と接する面（図３（ａ）では下側の面）に、第１の材料との密着を強くするためのシランカップリング処理を施した。次に、基材のシランカップリング処理面の中央付近に、第１の材料２ａを１８０ｍｇ滴下した。続いて、型の上部に第１の材料を滴下した基材を配置し、徐々に型と基材を近づけることで第１の材料を基材と型の間に充填した。この際に、第１の樹脂層の平均膜厚を所望の値に制御するため、基材と型との距離を±３μｍの精度で位置センサで検知しながら充填を行い、第１の樹脂層の平均膜厚が３０〜３６μｍになるよう充填を行った。図３（ａ）参照。

充填された第１の材料にＨＯＹＡ ＣＡＮＤＥＯ ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ株式会社製ＵＬ−７５０（製品名）を用いて紫外光１４を１５０秒間照射し、第１の材料を光硬化させた。図３（ｂ）参照。

その後、基材１の外周部に型１３から剥離する方向に力を加えることで、硬化した第１の樹脂層２と基材１を一体として型１３から剥離した。基材上に成形された第１の樹脂層の平均膜厚は、３２μｍであった。得られた第１の樹脂層の格子形状にランダムな形状不良は観察されず、格子形状の先端部の割れも発生しなかった。図３（ｃ）参照。

次いで、基材上の第１の樹脂層の中央付近に、第２の材料を２５０ｍｇ滴下し、対向材１５と第２の材料を滴下した基材１とを徐々に近づけることで充填を行った。この際の第２の樹脂層の平均膜厚を所望の値に制御する方法は、前述した第１の樹脂層の充填方法と同様であり、第２の樹脂層の平均膜厚が４０〜４６μｍになるよう総膜厚を制御しながら充填を行った。図３（ｄ）参照。

充填された第２の材料に第１の樹脂層の成形と同様にして紫外光１４を１５０秒間照射し、第２の材料を硬化させた。図３（ｅ）参照。

その後、基材１の外周部に対向材１５から剥離する方向に力を加えることで、硬化した第２の樹脂層３を基材１および第１の樹脂層２と一体的に対向材１５から剥離することで、回折光学素子を得た。図３（ｆ）参照。得られた回折光学素子の第２の樹脂層の平均膜厚は、総膜厚と格子部の高さと第１の樹脂層の平均膜厚とから４６μｍであると計算された。また、得られた回折光学素子の回折効率は所望の性能を満足した。

製造された回折光学素子の環境耐久性を確認するため、６０℃・湿度９０％の環境下で２０日間保持したが、保持前後で光学特性である回折効率に変化は見られなかった。また、温度変化による耐久性を確認するため、−３０℃で１時間放置した後、６０℃まで１℃／分の速さで昇温させたのち、６０℃で１時間放置し、さらに−３０℃まで１℃／分の速さで降温させる工程を１０度繰り返す試験を行ったが、樹脂層での亀裂発生や界面の剥離は見られなかった。

このように、本実施例によれば、吸水による光学性能の劣化や高温下低温下における亀裂および剥離の発生が抑えられ、かつ、満足すべき光学性能を備えた回折光学素子が得られた。これにより、カメラやビデオ等の光学機器に本実施例の回折光学素子を搭載することができる。

（実施例２）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第１の樹脂層の平均膜厚を１４μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化なく、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化や、温度変化による亀裂や剥離の発生も見られなかった。

（実施例３）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第１の樹脂層の平均膜厚を４５μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化なく、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化や、温度変化による亀裂や剥離の発生も見られなかった。

（比較例１）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第１の樹脂層の平均膜厚を１０μｍとした。得られた回折光学素子の第１の樹脂層には、格子形状にランダムな不良が発生し、その変形量は最大５０ｎｍであった。この形状不良により、回折効率が実施例１と比較して１％低下した。

（比較例２）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第１の樹脂層の平均膜厚を７μｍとした。得られた回折光学素子の第１の樹脂層には、格子形状にランダムな不良が発生し、その変形量は最大１３５ｎｍであった。この形状不良により、回折効率が実施例１と比較して１．３％低下した。

（比較例３）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第１の樹脂層の平均膜厚を５２μｍから５５μｍとした。得られた回折光学素子の第１の樹脂層の格子部先端で、割れが１０個中１個の素子で発生した。この先端部の割れにより、回折効率は実施例１と比較して０．６％低下した。

下記の表１に、第１の樹脂層の平均膜厚と初期の光学性能（回折効率）を示す。格子部の高さは全て１０．５μｍから１１．３μｍであり、第２の樹脂層の平均膜厚は全て４０μｍから４６μｍである。表１から第１の樹脂層の平均膜厚を格子部の高さの１．１倍以上５０μｍ以下にすることで、形状不良の発生が無く所望の光学性能を有する回折光学素子が製造できることが分かる。

（実施例４）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を３９μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化なく、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化や、温度変化による亀裂や剥離の発生も見られなかった。

（実施例５）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を１５０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化なく、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化や、温度変化による亀裂や剥離の発生も見られなかった。

（実施例６）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を２４０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化が無かった。高温高湿下に保持した後の回折効率は、実施例１と比較して０．２％の低下が見られたが、０．５％以内の変化であれば製品性能に大きな影響を与えないため使用することができる。また、温度変化による亀裂や剥離の発生は見られなかった。

（実施例７）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を３３０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化が無かった。高温高湿下に保持した後の回折効率は、実施例１と比較して０．４％の低下が見られたが、０．５％以内の変化であれば製品性能に大きな影響を与えないため使用することができる。また、温度変化による亀裂や剥離の発生は見られなかった。

（比較例４）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を２５μｍとした。得られた第２の樹脂層の空気と接する面は格子形状に沿った凹凸が見られ、凹凸の高さは最大で１００ｎｍであった。この形状不良により、回折効率は実施例１と比較して２％低下した。

（比較例５）
実施例１の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を４１０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例１と変化が無かった。高温高湿下に保持した後の回折効率は、実施例１と比較して１．３％の低下が見られた。また、温度変化による亀裂や剥離の発生は見られなかった。

下記の表２に、第２の樹脂層の厚みと初期の光学性能および高温高湿下に放置後の光学性能を示す。表２から、第２の樹脂層の平均膜厚を３０μｍ以上とし樹脂層の総膜厚を４００μｍ以下にすることで、所望の光学性能を有し、耐環境性の高い回折光学素子が製造できることが分かる。また、樹脂層の総膜厚が３００μｍ以下である回折光学素子では、高温高湿下に保持した後の光学性能の変化がより少なくなり、２００μｍ以下である回折光学素子では光学性能に変化が見られないため、より好ましい。

（実施例８）
本実施例における回折光学素子およびその製造方法（本発明の別の実施形態）を、図５を用いて述べる。

第１の基材１には、オハラ株式会社製ガラスＳ−ＦＳＬ５（製品名）からなる径６３ｍｍ、中心の厚みが３ｍｍのレンズを用いた。回折格子を形成する面は、４０ｍｍの曲率半径を有する凹面である。また、第２の基材７には、オハラ株式会社製ガラスＳ−ＢＳＬ７（製品名）からなる径５８ｍｍ、中心の厚みが１３ｍｍのメニスカスレンズを用いた。回折格子を形成する面は、４０ｍｍの曲率半径を有する凸面である。第１の材料２ａには、光硬化性アクリル系樹脂を主成分とする材料を用い、第２の材料３ａには、光硬化性フッ素系樹脂を主成分とする材料を用いた。

製造する回折光学素子は、格子部の高さが１０．５μｍから１２．８μｍであり、格子幅は０．１２ｍｍから３．０ｍｍのブレーズ型回折格子である。格子は同心円状に形成されており、全８９輪帯である。型１３は、所望の回折格子の反転形状を有し、ウッデホルム社製ＳＴＡＶＡＸ（製品名）からなる母材上に、共和産業株式会社製オプトカッパー（製品名）を１５０μｍ形成し、切削することにより製造されている。

まず、第１および第２の基材に、第１の材料および第２の材料との密着を強くするためのシランカップリング処理を施した。次に、第１の基材１のシランカップリング処理面（凹面側）の中央付近に、第１の材料２ａを３００ｍｇ滴下した。続いて、型１３の上部に第１の材料２ａを滴下した第１の基材１を配置し、徐々に型１３と第１の基材１を近づけ、第１の樹脂層の平均膜厚が３０μｍから３６μｍになるよう充填を行った。図５（ａ）参照。

充填された第１の材料に実施例１と同様にして紫外光１４を３００秒間照射し、第１の材料を光硬化させて第１の樹脂層２とした。図５（ｂ）参照。

その後、基材１の外周部に型１３から剥離する方向に力を加えることで、第１の樹脂層２と基材１とを一体として型１３から剥離した。基材１上に成形された第１の樹脂層２の平均膜厚は、３２μｍであった。得られた第１の樹脂層の格子形状にランダムな形状不良は観察されず、格子形状の先端部の割れも発生しなかった。図５（ｃ）参照。

次に、基材上の第１の樹脂層２の中央付近に、第２の基材７のシランカップリング処理面（凸面側）の中央付近に、第２の材料３ａを１９０ｍｇ滴下し、第２の材料３ａを滴下した第２の基材７と第１の樹脂層２を形成した第１の基材１とを徐々に近づけることで第２の材料の充填を行った。この際に第２の樹脂層の平均膜厚が４２μｍから４８μｍになるよう充填を行った。第１の樹脂層の成形と同様にして紫外光１４を照射することで、第２の材料を硬化して回折光学素子を得た。得られた回折光学素子の第２の樹脂層の平均膜厚は、総膜厚と格子部の高さと第１の樹脂層の平均膜厚とから４６μｍであると計算された。また、得られた回折光学素子の回折効率は所望の性能を満足した。

製造された回折光学素子の環境耐久性を確認するため、高温高湿の環境下で２０日間保持したが、保持前後で光学特性である回折効率に変化は見られなかった。また、高温下低温下を２時間以内に１０回繰り返すことで温度変化による耐久性を確認したが、樹脂層での亀裂発生や界面の剥離は見られなかった。

このように、本実施例によれば、吸水による光学性能の劣化や高温下低温下における亀裂および剥離の発生が抑えられ、かつ、満足すべき光学性能を備えた回折光学素子が得られた。これにより、カメラやビデオ等の光学機器に本実施例の回折光学素子を搭載することができる。

（実施例９）
実施例８の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を１５０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例８と変化なく、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化や、温度変化による亀裂や剥離の発生も見られなかった。

（実施例１０）
実施例８の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を２４０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例８と変化が無く、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化も見られなかった。温度変化を与える試験では、回折光学素子の外周部において、第２の樹脂層と第２の基材の間で１ｍｍ弱の剥離が発生したが、光学性能に変化は見られなかった。

（実施例１１）
実施例８の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を３３０μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例８と変化が無く、高温高湿下に保持した後の光学特性の変化も見られなかった。温度変化を与える試験では、回折光学素子の外周部において、第２の樹脂層と第２の基材の間の剥離の発生および第２の樹脂層に亀裂の発生が１ｍｍ弱の範囲で見られたが、光学性能に変化は無かった。

（比較例６）
実施例８の回折光学素子およびその製造方法において、第２の樹脂層の平均膜厚を４００μｍとした。得られた回折光学素子の光学性能は実施例８と変化が無く、高温高湿下に保持した後での光学特性の変化も見られなかった。温度変化を与える試験では、素子全面で第１の樹脂層と第２の樹脂層に亀裂が発生し、回折光学素子として機能を果たさない状態となった。

下記の表３に第２の樹脂層の平均膜厚と温度変化による亀裂や剥離の発生状況を示す。表２から、樹脂層の総膜厚を４００μｍ以下にすることで、高温下低温下でも回折光学素子として使用できることが分かる。また、樹脂層の総膜厚が３００μｍ以下である回折光学素子では、高温下低温下における耐久性が上がり、２００μ以下である回折光学素子では剥離や亀裂の発生が見られないため、より好ましい。

（実施例１２）
実施例８の回折光学素子およびその製造方法において、格子部の高さを２２μｍから２３μｍとした。得られた回折光学素子の耐環境性は、実施例８の回折光学素子と変わらなかった。また、格子部に光を意図的に当てることでフレアの影響を検討したが、製品性能に影響を与えないことを確認した。

（比較例７）
実施例８の回折光学素子およびその製造方法において、格子部の高さを２７μｍから２８μｍとした。得られた回折光学素子の耐環境性は、実施例８の回折光学素子と変わらなかった。格子部に光を意図的に当てることでフレアの影響を検討したところ、製品性能に影響があり使用できないことが分かった。

以上より、回折光学素子の格子部の高さを２５μｍ以下とすることで、光学機器に用いる際のフレアの影響が少ないことが確認された。

１ 基材（基板）
２ 第１の樹脂層
３ 第２の樹脂層
４ 第１の樹脂層の平均膜厚
５ 格子部の高さ
６ 第２の樹脂層の平均膜厚
７ 第２の基材
８ 第２の樹脂層の上面
９ 格子を構成する各壁面の下端
１０ 格子を構成する各壁面の上端
１１ 壁面の下端から基材の表面に引いた垂線と基材表面との交点
１２ 壁面の上端から第２の樹脂層の上面に引いた垂線と第２の樹脂層の上面との交点
１３ 格子形状を反転させた形状を有する型
１４ 熱または光エネルギー
１５ 対向材

Claims (12)

1. 基材と、該基材の上に設けられた第１の層と、該第１の層の上に密着して設けられた第２の層とを含み、該第１の層と該第２の層の界面に回折格子を形成した回折光学素子であって、前記回折格子の格子部の高さｄ、前記第１の層の平均膜厚ｔ１、前記第２の層の平均膜厚ｔ２が、
   １．１×ｄ≦ｔ１≦５０μｍ
   ３０μｍ≦ｔ２≦（４００μｍ−ｔ１−ｄ）
   であることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記第１の層の平均膜厚ｔ１と前記格子部の高さｄの和が５０μｍ以下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. ｔ２≦（３００μｍ−ｔ１−ｄ）
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の回折光学素子。
4. ｔ２≦（２００μｍ−ｔ１−ｄ）
   であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の回折光学素子。
5. 前記格子部の高さｄが８μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の回折光学素子。
6. 第１の層と第２の層との界面に回折格子を形成した回折光学素子の製造方法において、転写する回折格子形状を反転した形状を有する型と基材の間に少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料を充填する工程、該第１の材料を熱または光エネルギーを与えて硬化させる工程、硬化した第１の材料を型から剥離して該基材の上に第１の層を形成する工程、少なくとも光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含み該第１の材料とは異なる第２の材料を該第１の層の上に充填する工程、該第２の材料を熱または光エネルギーを与えることにより硬化させて該第１の層に密着した第２の層を形成する工程からなり、前記回折格子の格子部の高さｄ、前記第１の層の平均膜厚ｔ１、前記第２の層の平均膜厚ｔ２が、
   １．１×ｄ≦ｔ１≦５０μｍ
   ３０μｍ≦ｔ２≦（４００μｍ−ｔ１−ｄ）
   の関係を満たすことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
7. 前記第１の層の平均膜厚ｔ１と前記格子部の高さｄの和が５０μｍ以下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の製造方法。
8. ｔ２≦（３００μｍ−ｔ１−ｄ）
   であることを特徴とする請求項６又は７に記載の回折光学素子の製造方法。
9. ｔ２≦（２００μｍ−ｔ１−ｄ）
   であることを特徴とする請求項６乃至８のいずれか一項に記載の回折光学素子の製造方法。
10. 前記格子部の高さｄが８μｍ以上２５μｍ以下であることを特徴とする請求項６乃至９のいずれか一項に記載の回折光学素子の製造方法。
11. 少なくとも１つの光学素子を有する光学機器であって、
    前記光学素子は、請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回折光学素子であることを特徴とする光学機器。
12. 前記回折光学素子がレンズであり、前記光学機器がカメラであることを特徴とする請求項１１に記載の光学機器。

Images