JP2021184049A - 回折光学素子、光学機器および撮像装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】素子端部と中心の回折効率の差が小さい回折光学素子を提供する。【解決手段】回折光学素子２０は、第１基材１上に、第１樹脂層２と、第２樹脂層３とが順に積層され、平面視した際に、第１樹脂層２と第２樹脂層３の界面の少なくとも一部に同心円状の回折格子が形成されている。回折格子は、平面視した際に、回折格子の中心を含む第１領域と、第１領域を囲み第１領域より低い高さの格子を有する第２領域と、を有する。第２領域の回折格子の格子高さは、回折格子の外縁に向かって低くなっている。【選択図】図１
Description
カメラやビデオ等にレンズとして使用される回折光学素子に関する。また、その回折光学素子を用いた光学機器および撮像装置に関する。
従来から、レンズなどに用いられる回折光学素子として、光学特性が異なる２種類の樹脂を密着して積層させた回折光学素子が知られている。このような回折光学素子は、特許文献１に開示されたような製造方法で製造される。具体的には、まず、格子形状を有する型を用いて、基材上に格子形状を有する第１樹脂層を形成する。次いで、第１樹脂層上に、平坦な型を用いて第１樹脂層とは光学特性が異なる第２樹脂層を形成する。
しかしながら、特許文献１に開示された製造方法で製造される回折光学素子は、格子の高さ、樹脂層の厚みによっては、素子の周縁部の回折効率が素子の中心の回折効率より大きく低下してしまうという課題があった。
上記課題を解決するための回折光学素子は、第１基材上に、第１樹脂層と、第２樹脂層とが順に積層され、平面視した際に、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層の界面の少なくとも一部に同心円状の回折格子が形成された回折光学素子であって、前記回折格子は、平面視した際に、前記回折格子の中心を含む第１領域と、前記第１領域を囲み前記第１領域より低い高さの格子を有する第２領域と、を有し、前記第２領域の回折格子の格子高さは、前記回折格子の外縁に向かって低くなっていることを特徴とする。
本発明によれば、素子端部と中心の回折効率の差が小さい回折光学素子を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。
［回折光学素子］
図１は、第１実施形態に係る回折光学素子を示した模式的平面図および模式的断面図である。図２は、図１の点線部分を拡大した回折光学素子の端部の拡大図である。図１および図２に示すように、回折光学素子２０は、第１基材１上に、第１樹脂層２と第２樹脂層３とが順に積層されている。
図１は、第１実施形態に係る回折光学素子を示した模式的平面図および模式的断面図である。図２は、図１の点線部分を拡大した回折光学素子の端部の拡大図である。図１および図２に示すように、回折光学素子２０は、第１基材１上に、第１樹脂層２と第２樹脂層３とが順に積層されている。
（第１基材）
第１基材１は、透明な樹脂や、透明なガラスを用いることができる。第１基材１は、ガラスを用いることが好ましく、例えば、珪酸ガラス、硼珪酸ガラスおよびリン酸ガラスに代表される一般的な光学ガラスや、石英ガラス、ガラスセラミックスを用いることができる。
第１基材１は、透明な樹脂や、透明なガラスを用いることができる。第１基材１は、ガラスを用いることが好ましく、例えば、珪酸ガラス、硼珪酸ガラスおよびリン酸ガラスに代表される一般的な光学ガラスや、石英ガラス、ガラスセラミックスを用いることができる。
第１基材１の形状は特に限定されず、第１樹脂層２と接する面の形状は、凹球面、凸球面、軸対称非球面、平面などから選択できる。また、第１基材１の外形は平面視した際に円形であることが好ましい。
（第１樹脂層・第２樹脂層）
第１樹脂層２および第２樹脂層３は異なる光学特性を有する透明な樹脂であり、回折光学素子２０が所望の光学特性となるように屈折率やアッベ数を設計する。広い波長帯域で高い回折効率を得るために、第１樹脂層２と第２樹脂層３の一方が低屈折率高分散であり、他方が高屈折率低分散であることが好ましい。ここで、低屈折率および高屈折率とは第１樹脂層２および第２樹脂層３の屈折率（ｄ線の屈折率）の相対的な関係を意味する。同様に、高分散および低分散とは第１樹脂層２および第２樹脂層３の分散特性（アッベ数νｄ）の相対的な関係を意味する。つまり、第１樹脂層２が第２樹脂層３に対して高屈折率低分散であるとは、第１樹脂層２の屈折率Ｎｄ１、アッベ数ν１、第２樹脂層３の屈折率Ｎｄ２及びアッベ数ν２が、Ｎｄ１＞Ｎｄ２及びν１＞ν２を満たすことを意味する。
第１樹脂層２および第２樹脂層３は異なる光学特性を有する透明な樹脂であり、回折光学素子２０が所望の光学特性となるように屈折率やアッベ数を設計する。広い波長帯域で高い回折効率を得るために、第１樹脂層２と第２樹脂層３の一方が低屈折率高分散であり、他方が高屈折率低分散であることが好ましい。ここで、低屈折率および高屈折率とは第１樹脂層２および第２樹脂層３の屈折率（ｄ線の屈折率）の相対的な関係を意味する。同様に、高分散および低分散とは第１樹脂層２および第２樹脂層３の分散特性（アッベ数νｄ）の相対的な関係を意味する。つまり、第１樹脂層２が第２樹脂層３に対して高屈折率低分散であるとは、第１樹脂層２の屈折率Ｎｄ１、アッベ数ν１、第２樹脂層３の屈折率Ｎｄ２及びアッベ数ν２が、Ｎｄ１＞Ｎｄ２及びν１＞ν２を満たすことを意味する。
第１樹脂層２および第２樹脂層３は樹脂組成物の硬化物である。第１樹脂層２の原料となる樹脂組成物は第１樹脂組成物２ａであり、第２樹脂層３の原料となる樹脂組成物は第２樹脂組成物３である。第１樹脂組成物２ａおよび第２樹脂組成物３ａは、エネルギー硬化性樹脂を含有することが好ましい。エネルギー硬化性樹脂のなかでも、紫外線硬化性樹脂であることがより好ましい。紫外線硬化性樹脂としては、例えば、アクリル樹脂、エポキシ樹脂を用いることができる。また、第１樹脂組成物２ａおよび第２樹脂組成物３ａは、光学物性や機械物性を調整するため、樹脂以外の他の有機物や無機物を含有してもよい。
第１基材１上に積層される２つの樹脂層である第１樹脂層２および第２樹脂層３は、平面視した際に、その界面の少なくとも一部に同心円状の回折格子が形成されている。具体的には、第１樹脂層のベース部１１と、第２樹脂層のベース部１２との間に格子部１０が存在し、２つの樹脂層の積層方向に回折格子が形成されている。回折格子は、前記積層方向の界面の一部に形成されていても、全面に形成されていても構わない。回折格子の形状は、素子の中心Ｏ（第１樹脂層２および第２樹脂層３の中心）から外周（周縁）へ向かう径方向に緩やかに傾斜する傾斜面１５Ａと、所定の距離を進んだところで急激に傾斜の逆方向に変化する壁面１５Ｂの繰り返しパターンである。繰り返しパターンの間隔（ピッチ間隔）は中心から外周に向かって連続的に小さくなる。また、傾斜面は滑らかでなくてもよく、可視光の波長以下の微細な階段状の傾斜であってもよい。
（格子形状）
図３は従来技術の回折光学素子の端部を示す概略図である。回折光学素子２０Ｘは、第１基材１Ｘ上に、第１樹脂層２Ｘと第２樹脂層３Ｘとが順に積層されている。また、第１樹脂層２Ｘおよび第２樹脂層３Ｘは、平面視した際に、その界面の少なくとも一部に同心円状の回折格子が形成されている。具体的には、第１樹脂層のベース部１１Ｘと、第２樹脂層のベース部１２Ｘとの間に格子部１０Ｘが存在し、２つの樹脂層の積層方向に回折格子が形成されている。回折格子の形状は、第１樹脂層２Ｘおよび第２樹脂層３Ｘの中心から外周へ向かう径方向に緩やかに傾斜する傾斜面１５ＸＡと、所定の距離を進んだところで急激に傾斜の逆方向に変化する壁面１５ＸＢの繰り返しパターンである。ただし、回折光学素子２０Ｘは、回折格子の高さ（格子部１０Ｘの高さ）がほぼ一様な高さである点が回折光学素子２０と異なる。この回折光学素子２０Ｘの構成は、特許文献１で開示された回折光学素子の構成と同じである。
図３は従来技術の回折光学素子の端部を示す概略図である。回折光学素子２０Ｘは、第１基材１Ｘ上に、第１樹脂層２Ｘと第２樹脂層３Ｘとが順に積層されている。また、第１樹脂層２Ｘおよび第２樹脂層３Ｘは、平面視した際に、その界面の少なくとも一部に同心円状の回折格子が形成されている。具体的には、第１樹脂層のベース部１１Ｘと、第２樹脂層のベース部１２Ｘとの間に格子部１０Ｘが存在し、２つの樹脂層の積層方向に回折格子が形成されている。回折格子の形状は、第１樹脂層２Ｘおよび第２樹脂層３Ｘの中心から外周へ向かう径方向に緩やかに傾斜する傾斜面１５ＸＡと、所定の距離を進んだところで急激に傾斜の逆方向に変化する壁面１５ＸＢの繰り返しパターンである。ただし、回折光学素子２０Ｘは、回折格子の高さ（格子部１０Ｘの高さ）がほぼ一様な高さである点が回折光学素子２０と異なる。この回折光学素子２０Ｘの構成は、特許文献１で開示された回折光学素子の構成と同じである。
本願発明者は、回折光学素子２０Ｘが、格子部１０Ｘの高さ、第１樹脂層２Ｘおよび第２樹脂層３Ｘの厚みによっては、素子の周縁部の回折効率が中心の回折効率より大きく低下してしまうことを見出した。以下に、格子部の高さが高く、第１樹脂層及び第２樹脂層の厚みが薄いときを例として、そのメカニズムを説明する。
まず、第１基材１１Ｘ上に型を用いて、未硬化の樹脂を硬化させて第１樹脂層１Ｘを形成する。ここで第１樹脂層の格子部１０Ｘの高さが高すぎると、格子の頂点付近とベース部とでは硬化収縮量が大きく異なる。硬化収縮量が異なると樹脂の密度も変わるため、格子の頂点付近とベース部とで屈折率に差が生じる。このとき、ベース部の厚みが十分に厚ければ、生じる屈折率差を多少は緩和することができるが、格子部の高さに対しベース部の厚みが薄いと、生じる屈折率差が大きくなってしまう。
また、第１樹脂層を型で成形する場合は、この屈折率差は素子の中心を含む中心部より、中心部を囲む周縁部の方が大きく影響する。これは、格子形状の周縁部に厚みが薄い領域が存在すると、未硬化の樹脂を硬化した際に、周縁部からの未硬化樹脂の供給が少ないことによって周縁部の格子応力が増大するためである。さらに、屈折率差が生じるのみならず、回折格子の形状精度の悪化を引き起こすこともある。
これらの現象は、第２樹脂層においても同様である。第２樹脂層３Ｘのベース部の厚みが薄いと、第２樹脂部３Ｘの格子頂点付近とベース部において屈折率差が生じてしまう。
そこで本願発明は、回折格子の形状を、平面視した際に、回折格子の中心を含む第１領域と、その第１領域を囲む、第１領域より低い複数の高さの格子からなる第２領域と、を設けた。さらに、その第２領域の回折格子の格子高さを、回折格子の外縁に向かって低くする構成を採用した。
図２は図１の回折光学素子２０の点線で囲んだ端部の領域の拡大図である。図２において回折光学素子２０の中心Ｏは左側であり、右側が周縁を示す。第１領域１３は回折格子の中心を含む領域である。その半径方向の長さ（幅）はＡである。第２領域１４は、第１領域１３に隣接する第１領域１３を囲む領域である。第２領域１４の格子の高さは、第１領域１３の格子の高さより小さい。また、第２領域１４の格子は複数の高さの値を有し、中心から外縁に向かう方向に向かって、段階的に低くなっている。
回折光学素子２０は、回折格子の形状をこのような構成とすることにより、まず、第１樹脂層２を成形する際に第１樹脂層２の周縁部に発生する残留応力を抑制することができる。これは、第２領域１４の格子が段階的に低くなることによって、周縁部で生じる応力の影響を内側（中心方向）に緩やかに伝えることができるためである。また、第２領域１４に発生する応力が小さいため、回折格子の中心を有する第１領域１３に伝わる応力の影響も小さくなる。結果、第１樹脂層２の全体にわたって、残留応力に起因した屈折率分布が発生しにくくなる。
また、第２樹脂層３を成形する際に第２樹脂層３の周縁部に発生する残留応力を抑制することができる。これは、第２領域１４の格子が段階的に低くなることによって、周縁部で生じる応力の影響を内側に緩やかに伝えることができるためである。また、第２領域１４に発生する応力が小さいため、回折格子の中心を有する第１領域１３に伝わる応力の影響も小さくなる。結果、第２樹脂層３の全体にわたって、残留応力に起因した屈折率分布が発生しにくくなる。
第１領域１３における回折格子の高さは、以下に示す（式１）の関係が成り立つことが好ましい。
０．９９≦ｄｎ／ｄｎ−１≦１．０１ （式１）
ここで、をｄｎは回折格子の中心から外縁に向かってｎ番目（ｎは２以上の整数）の格子の高さである。すなわち、第１領域では、格子の高さが、中心に近い格子の高さに対し、隣り合う外周側の格子の高さが０．９９倍以上１．０１倍以下の範囲であり、ほぼ一定であることが好ましい。第１領域１３は光学有効領域であり、格子の高さがほぼ一定であると回折光学素子２０の光学性能を設計しやすいためである。
ここで、をｄｎは回折格子の中心から外縁に向かってｎ番目（ｎは２以上の整数）の格子の高さである。すなわち、第１領域では、格子の高さが、中心に近い格子の高さに対し、隣り合う外周側の格子の高さが０．９９倍以上１．０１倍以下の範囲であり、ほぼ一定であることが好ましい。第１領域１３は光学有効領域であり、格子の高さがほぼ一定であると回折光学素子２０の光学性能を設計しやすいためである。
また、第２領域１４における回折格子の高さは、以下に示す（式２）の関係が成り立つことが好ましい。
０．５０≦ｄｍ／ｄｍ−１≦０．９８ （式２）
ここで、ｄｍは回折格子の中心から外縁に向かってｍ番目（ｍはｎより大きい整数）の格子の高さである。すなわち、第２領域では、中心に近い格子の高さに対し、隣り合う外周側の格子の高さが０．５０倍以上０．９８倍以下の範囲であることが好ましい。この値が０．５０倍未満であると、格子高さの変化が大きすぎるため、格子の山部付近での硬化収縮量に差が出てしまい、屈折率分布が生じるおそれがある。一方、０．９８倍より大きいと、格子高さの変化が小さく応力を緩和する効果が小さくなり、周縁部から中心に向かって屈折率分布が生じるおそれがある。
ここで、ｄｍは回折格子の中心から外縁に向かってｍ番目（ｍはｎより大きい整数）の格子の高さである。すなわち、第２領域では、中心に近い格子の高さに対し、隣り合う外周側の格子の高さが０．５０倍以上０．９８倍以下の範囲であることが好ましい。この値が０．５０倍未満であると、格子高さの変化が大きすぎるため、格子の山部付近での硬化収縮量に差が出てしまい、屈折率分布が生じるおそれがある。一方、０．９８倍より大きいと、格子高さの変化が小さく応力を緩和する効果が小さくなり、周縁部から中心に向かって屈折率分布が生じるおそれがある。
また、第１領域１３の径方向の長さＡと、第２領域１４の径方向の長さＢは、以下に示す（式３）の関係が成り立つことが好ましい。
０．０１８≦Ｂ／Ａ≦０．１０ （式３）
ＡとＢとが（式３）を満たすと、十分な応力緩和効果が得られ、かつ、素子を小型にすることが容易となる。Ｂ／Ａが０．０１８未満であると、第２領域１４の領域が小さいため、十分な応力緩和効果を得ることできないおそれがある。一方、Ｂ／Ａが０．１０より大きいと、光学非有効領域を有する第２領域１４の領域が大きくなるため、素子が大型化してしまうおそれがある。
ＡとＢとが（式３）を満たすと、十分な応力緩和効果が得られ、かつ、素子を小型にすることが容易となる。Ｂ／Ａが０．０１８未満であると、第２領域１４の領域が小さいため、十分な応力緩和効果を得ることできないおそれがある。一方、Ｂ／Ａが０．１０より大きいと、光学非有効領域を有する第２領域１４の領域が大きくなるため、素子が大型化してしまうおそれがある。
なお、第２領域１４を囲む位置には、回折格子を有さない部分があっても構わない。この部分は、平坦な高さで形成される土手のような形状でも良いし、外周に向かって厚みが連続的に減少するテーパ形状（傾斜形状）であってもよい。
回折格子の高さ（格子部１０の高さ）は、５μｍ以上３０μｍ以下の範囲であることが好ましい。回折格子の高さがこの範囲であれば、十分な光学性能を得やすく、かつ、離型の際に格子の変形が生じにくい。また、回折格子のピッチの間隔は、例えば、１００μｍ以上５ｍｍ以下である。特に、第１領域の最外周の格子と、第２領域の最内周の格子の間隔は１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲であることが好ましい。間隔が１００μｍ未満であると、第２領域の応力の影響を大きく受けてしまい、第１領域の格子内部に屈折率差が生じてしまうおそれがある。間隔が５００μｍより大きいと、光学非有効領域を有する第２領域１４の領域が大きくなるため、素子が大型化してしまうおそれがある。
第１樹脂層２の格子形状を除いた部分であるベース部１１の平均厚みは、１μｍ以上５０μｍ以下の範囲であることが好ましい。１μｍ未満であると、第１樹脂層２を硬化して形成する際、格子の頂点とベース部の間に応力が過度に発生し、格子形状が不安定となった結果、回折効率が低下してしまうおそれがある。一方、５０μｍより厚いと、回折光学素子として樹脂層全体が厚くなり、温度変動により光学特性が変化しやすくなるおそれがある。
第２樹脂層３の格子形状を除いた部分のベース部１２の平均厚みは、１０μｍ以上４００μｍ以下の範囲であることが好ましい。１０μｍ未満であると、第２樹脂層３を硬化して形成する際、格子の段差部に応力が過度に発生し、形状が不安定となった結果、回折効率が低下してしまうおそれがある。一方、４００μｍより厚いと、回折光学素子として樹脂層全体が厚くなり、温度変動により光学特性が変化しやすくなるおそれがある。
（変形例）
本発明に適用可能な回折光学素子は図１および図２の形態に限定されない。例えば、第１樹脂層２と第２樹脂層３は、第１基材１上に、第２樹脂層３、第１樹脂層２の順に積層されていても構わない。
本発明に適用可能な回折光学素子は図１および図２の形態に限定されない。例えば、第１樹脂層２と第２樹脂層３は、第１基材１上に、第２樹脂層３、第１樹脂層２の順に積層されていても構わない。
また、図４に示すように、回折光学素子２０は、第２樹脂層３の上に第２基材４を設け、２つの樹脂層を第１基材１および第２基材４との間に挟む構成でも構わない。このとき、第２基材４は第１基材１と同様に、透明な樹脂や、透明なガラスを用いることができる。第２基材４は、ガラスを用いることが好ましく、例えば、珪酸ガラスや硼珪酸ガラス、リン酸ガラスに代表される一般的な光学ガラスや、石英ガラス、ガラスセラミックスを用いることができる。第２基材４の形状は第１基材１と同様に、特に限定されず、第２樹脂層３と接する面の形状は、凹球面、凸球面、軸対称非球面、平面などから選択できる。ただし、第２基材４の第２樹脂層３と接する面の形状は、第１基材１の第１樹脂層２と接する面の形状と、略同じ形状であることが好ましい。また、平面視した際の第２基材４の外形は第１基材１と同様に円形が好ましい。なお、本発明の効果は、第２基材４がある回折光学素子の方が顕著に発揮される。これは、第２基材４があると、第２樹脂層３を硬化し形成する際、格子の段差（格子頂点とベース部の段差）に生じる応力が第２基材４に拘束され、緩和、開放し難く、より残留しやすくなるためである。
［回折光学素子の製造方法］
続いて、回折光学素子の製造方法について説明する。図５は本発明の回折光学素子の製造方法の一実施態様を示す概略図である。
続いて、回折光学素子の製造方法について説明する。図５は本発明の回折光学素子の製造方法の一実施態様を示す概略図である。
まず、第１基材１としてガラス基材を用意する。ガラス基材は、積層する樹脂層との密着性を向上させるため、樹脂層と密着する面に前処理をしておくことが好ましい。ガラス表面の前処理は、樹脂層との親和性が良いシランカップリング剤を用いてカップリング処理をすることが好ましい。具体的なカップリング剤としては、ヘキサメチルジシラザン、メチルトリメトキシシラン、トリメチルクロロシラン、トリエチルクロロシラン等が挙げられる。
次に、第１基材１上に第１樹脂層２を形成する。図５（ａ）に示すように格子型５の上に第１樹脂層２の前駆体である第１樹脂組成物２ａとしてエネルギー性硬化樹脂を滴下する。次いで、第１基材１をイジェクタ７に載せて格子型５に対向して配置する。ここで用いる格子型５は、表面に所望の回折格子形状の反転形状を有し、例えば、ステンレス材や鋼材などの金属母材上にＮｉＰメッキや無酸素銅メッキしたものを精密加工機で切削することで作製できる。
次に、図５（ｂ）に示すように、イジェクタ７を降下させて格子型５と第１基材１の間にエネルギー硬化性樹脂を充填する。その後、シャッター９を退避させてランプ８を用いてエネルギー硬化性樹脂にエネルギー線を照射し、エネルギー硬化性樹脂を硬化し、第１樹脂層２を形成する。
その後、図５（ｃ１）に示すように、イジェクタ７を上昇させて硬化した第１樹脂層２を格子型５から外すことにより離型する。なお、離型の前後において、加熱アニール、エネルギー線の追加照射、無酸素雰囲気での加熱やエネルギー線照射などを行ってもよい。ここで、形成される格子形状は、図５（ｃ１）に示すような凸形状格子形状であっても、図５（ｃ２）に示すような凹形状格子形状であっても良い。
次に、第２樹脂層３を形成する。図５（ｄ）に示すように、平坦型６の上に第２樹脂層３の前駆体である第２樹脂組成物３ａとしてエネルギー硬化性樹脂を滴下する。そして、イジェクタ７に第１基材１および第１樹脂層１２を載せて平坦型６に対向して配置する。次に、図５（ｅ）に示すようにイジェクタ７を降下させて平坦型６と第１樹脂層２の間にエネルギー線硬化性樹脂を充填する。その後、シャッター９を退避させてランプ８よりエネルギー線硬化性樹脂にエネルギー線を照射し、第２樹脂層３を形成する。以上の工程により、第１基材１上に、第一の樹脂層２と、第２樹脂層３とが密着積層されている回折光学素子２０を作製することができる。
なお、得られた回折光学素子２０は、未反応の樹脂を残存させないように、加熱アニール、エネルギー線の追加照射、無酸素雰囲気での加熱やエネルギー線照射などを行ってもよい。
また、第２樹脂層３の上に第２基材４を設ける場合は、平坦型６の代わりに第２基材４を用いてもよい。
［撮像装置］
図６は、本発明の撮像装置の好適な実施形態の一例である、一眼レフデジタルカメラの構成を示している。図６において、カメラ本体６０２と光学機器であるレンズ鏡筒６０１とが結合されているが、レンズ鏡筒６０１はカメラ本体６０２対して着脱可能ないわゆる交換レンズである。
図６は、本発明の撮像装置の好適な実施形態の一例である、一眼レフデジタルカメラの構成を示している。図６において、カメラ本体６０２と光学機器であるレンズ鏡筒６０１とが結合されているが、レンズ鏡筒６０１はカメラ本体６０２対して着脱可能ないわゆる交換レンズである。
被写体からの光は、レンズ鏡筒６０１の筐体６２０内の撮影光学系の光軸上に配置された複数のレンズ６０３、６０５などからなる光学系を通過し、撮像素子６１０に受光される。本発明の回折光学素子は例えば、レンズ６０５に用いることができる。
ここで、レンズ６０５は筐体内の内筒６０４によって支持されて、フォーカシングやズーミングのためにレンズ鏡筒６０１の外筒に対して可動支持されている。
撮影前の観察期間では、被写体からの光は、カメラ本体の筐体６２１内の主ミラー６０７により反射され、プリズム６１１を透過後、ファインダレンズ６１２を通して撮影者に撮影画像が映し出される。主ミラー６０７は例えばハーフミラーとなっており、主ミラーを透過した光はサブミラー６０８によりＡＦ（オートフォーカス）ユニット６１３の方向に反射され、例えばこの反射光は測距に使用される。また、主ミラー６０７は主ミラーホルダ６４０に接着などによって装着、支持されている。不図示の駆動機構を介して、撮影時には主ミラー６０７とサブミラー６０８を光路外に移動させ、シャッタ６０９を開き、撮像素子６１０にレンズ鏡筒６０１から入射した撮影光像を結像させる。また、絞り６０６は、開口面積を変更することにより撮影時の明るさや焦点深度を変更できるよう構成される。
以下に、実施例を用いてより詳細に本発明を説明する。まず、回折光学素子の評価方法について説明する。
（格子高さ、樹脂層の厚み、格子ピッチ、第１領域および第２領域の径方向の長さ）
回折光学素子の中心Ｏを通る面（光軸中心を通る面）を積層方向に切断した。切断した回折光学素子の断面を、金属顕微鏡（ニコン社製、ＥＣＬＩＰＳＥ ＭＥ６００Ｐ）で倍率１０００倍（接眼レンズ：１０倍、対物レンズ：１００倍）で観察した。ＸＹステージの送り量から、格子高さ、樹脂層の厚み、格子ピッチ、第１領域および第２領域の径方向の長さをそれぞれ測定した。
回折光学素子の中心Ｏを通る面（光軸中心を通る面）を積層方向に切断した。切断した回折光学素子の断面を、金属顕微鏡（ニコン社製、ＥＣＬＩＰＳＥ ＭＥ６００Ｐ）で倍率１０００倍（接眼レンズ：１０倍、対物レンズ：１００倍）で観察した。ＸＹステージの送り量から、格子高さ、樹脂層の厚み、格子ピッチ、第１領域および第２領域の径方向の長さをそれぞれ測定した。
格子高さは、格子の頂点から、格子の頂点に隣り合う２つの底部（ベース部の２箇所）を結んだ直線に対して、第１基材の第１樹脂層と接する面（積層面）の法線方向の長さを測定した。その格子高さから第１領域と第２領域を特定した。
樹脂層の厚みは、格子の底部を結んだ直線から第１基材の積層面までの、第１基材の積層面の法線方向の長さを測定した。第１樹脂層の厚み、第２樹脂層の厚みは、第１領域と第２領域を合わせた樹脂幅（径方向の長さ）を１０等分に分割し、各分割領域の中央の樹脂厚みを測定し、その平均値から算出した。この算出した値と格子高さの差をベース部の厚みとした。
格子ピッチは、格子の頂部に隣り合う２つの底部の、光軸垂直方向の長さを測定した。
第１領域および第２領域の径方向の長さは、各領域に含まれる格子の格子ピッチを合計し算出した。
（ｄ線の屈折率測定）
実施例および比較例の回折光学素子から第１基材１１および／又は第２基材１４を剥がして樹脂を取り出して測定した。得られたサンプルに対し、精密屈折計（ＫＰＲ−３０、（株）島津製作所）を用いて、５８７．６ｎｍの波長（ｄ線）の屈折率を測定した。
実施例および比較例の回折光学素子から第１基材１１および／又は第２基材１４を剥がして樹脂を取り出して測定した。得られたサンプルに対し、精密屈折計（ＫＰＲ−３０、（株）島津製作所）を用いて、５８７．６ｎｍの波長（ｄ線）の屈折率を測定した。
（回折光学素子の回折効率）
回折効率は、格子形状の外周部に直径２ｍｍで波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの測定光を入射し、素子から出射される一次回折光の強度を検出することで平均回折効率を測定した。第１領域中央部の回折効率は、この測定で、回折光学素子の中心から外周に向かって８格子から１１格子までの領域で測定した。第１領域外周部の回折効率は、この測定で、第１の領域の外周から中央に向かって１格子から９格子までの領域で測定した。作製した回折光学素子で、第１領域中央部に対する第１領域外周部の回折効率の割合が、０．９９３未満のものをＣ、０．９９３以上０．９９５未満のものをＢ、０．９９５以上のものをＡと評価した。ＡとＢを合格とし、Ｃを不合格とした。
回折効率は、格子形状の外周部に直径２ｍｍで波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの測定光を入射し、素子から出射される一次回折光の強度を検出することで平均回折効率を測定した。第１領域中央部の回折効率は、この測定で、回折光学素子の中心から外周に向かって８格子から１１格子までの領域で測定した。第１領域外周部の回折効率は、この測定で、第１の領域の外周から中央に向かって１格子から９格子までの領域で測定した。作製した回折光学素子で、第１領域中央部に対する第１領域外周部の回折効率の割合が、０．９９３未満のものをＣ、０．９９３以上０．９９５未満のものをＢ、０．９９５以上のものをＡと評価した。ＡとＢを合格とし、Ｃを不合格とした。
（実施例１）
第１基材には、材質がＳ−ＴＩＭ８（オハラ社製）で直径６０ｍｍ、一方の面が平面で、他方の面の曲率半径Ｒが１９０ｍｍの凹球面形状のガラスレンズを用いた。第２基材４は、材質がＳ−ＦＳＬ５（オハラ社製）、直径５８ｍｍ、一方の面の曲率半径Ｒが７０ｍｍの凸球面形状、他方の面がＲ１９０ｍｍの凸球面形状のガラスレンズを用いた。格子型及び平坦型は、金属母材上にメッキしたＮｉＰ層を精密加工機で切削加工し、所望の格子形状と平坦形状及びその外周形状の反転形状を形成したものを用いた。
第１基材には、材質がＳ−ＴＩＭ８（オハラ社製）で直径６０ｍｍ、一方の面が平面で、他方の面の曲率半径Ｒが１９０ｍｍの凹球面形状のガラスレンズを用いた。第２基材４は、材質がＳ−ＦＳＬ５（オハラ社製）、直径５８ｍｍ、一方の面の曲率半径Ｒが７０ｍｍの凸球面形状、他方の面がＲ１９０ｍｍの凸球面形状のガラスレンズを用いた。格子型及び平坦型は、金属母材上にメッキしたＮｉＰ層を精密加工機で切削加工し、所望の格子形状と平坦形状及びその外周形状の反転形状を形成したものを用いた。
格子型５と第１基材１との間に、紫外線硬化型のアクリル樹脂の第１樹脂組成物２ａを充填した。その後、３６５ｎｍの強度が１０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を２００秒間全面に照射して第１樹脂組成物２ａを硬化し、離型して、第１基材１上に第１樹脂層２を形成した。
次に、離型して得られた中間体をオーブンに入れ、８０℃で２４時間加熱した。続いて、中間体と第２基材４との間に、紫外線硬化型のアクリル樹脂の第２樹脂組成物３ａを充填し、紫外線を２００秒間全面に照射して第２樹脂組成物３ａを硬化し、接合体を得た。その後、得られた接合体に対して３６５ｎｍの強度が３０ｍＷ／ｃｍ２の紫外線を１０００秒間全面に照射した。最後に、得られた接合体をオーブンに入れ、８０℃で７２時間加熱し、実施例１の回折光学素子を作製した。
実施例１の回折光学素子の第１樹脂層のｄ線の屈折率は１．６２、アッベ数νｄは４０．０、第２樹脂層のｄ線の屈折率は１．５９、アッベ数は２９．０であった。
実施例１の回折光学素子の格子形状は、Ｒ１９０ｍｍの凹球面に対して緩やかな凸形状の傾斜を有していた。素子の中心に最も近い第１格子の格子ピッチが３．５ｍｍであり、第２格子の格子ピッチが１．５ｍｍであり、以下格子ピッチが連続的に狭くなっていた。格子ピッチは、第１０格子が０．５４ｍｍ、第２０格子が０．３９ｍｍ、第３０格子が０．３２ｍｍ、第４０格子が０．２８ｍｍ、第５０格子が０．２５ｍｍ、第６０格子が０．２４ｍｍであった。最外周の格子は第６５格子で、格子ピッチは０．２３ｍｍであった。また、格子部の高さ１０は、第１格子が２３．８μｍ、第１０格子が２３．７μｍ、第２０格子が２３．６μｍ、第３０格子が２３．５μｍ、第４０格子が２３．３μｍ、第５０格子が２３．２μｍ、第６０格子が２３．０μｍであった。また、第６１格子が２０．７μｍ、第６２格子が１８．６μｍ、第６３格子が１６．８μｍ、第６４格子が１５．１μｍ、第６５格子が１３．６μｍであった。これより、第１領域が中心から第６０格子まで、第２領域が第６１格子から最外周までであった。また、第１領域の径方向の長さＡは２５．８ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは１．２ｍｍであった。
また、格子高さを除く第１樹脂層のベース部の平均厚みは２７．０μｍであった。また、格子高さを除く第２樹脂層のベース部の平均厚みは５０．０μｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例２）
実施例２は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例２の回折光学素子を作製した。
実施例２は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例２の回折光学素子を作製した。
実施例２の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２３．８μｍ、第６３格子が２３．０μｍ、第６４格子が２２．５μｍ、第６５格子が２２．１μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第６３格子まで、第２領域が第６４格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２６．５ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは０．５ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例３）
実施例３は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例３の回折光学素子を作製した。
実施例３は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例３の回折光学素子を作製した。
実施例３の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２３．８μｍ、第６３格子が２３．０μｍ、第６４格子が１１．５μｍ、第６５格子が５．８μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第６３格子まで、第２領域が第６４格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２６．５ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは０．５ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例４）
実施例４は実施例１と格子型の形状、第１樹脂層および第２樹脂層の組成が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例４の回折光学素子を作製した。
実施例４は実施例１と格子型の形状、第１樹脂層および第２樹脂層の組成が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例４の回折光学素子を作製した。
実施例４の回折光学素子の樹脂層の物性は、第１樹脂層の屈折率が１．６３、アッベ数が４４．０、第２樹脂層の屈折率が１．５７、アッベ数が１９．３であった。
実施例４の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子ピッチは、第１格子が３．１ｍｍ、第２格子が１．２ｍｍであり、以下連続的にピッチが狭くなり、第５５格子が０．１２ｍｍ、第６５格子が０．１１ｍｍであった。格子高さは、第１格子が８．２μｍ、第５５格子が８．０μｍ、第５６格子が７．７μｍ、第５７格子が７．４μｍ、第５８格子が７．１μｍ、第５９格子が６．８μｍ、第６０格子が６．５μｍ、第６１格子が６．３μｍ、第６２格子が６．０μｍ、第６３格子が５．８μｍ、第６４格子が５．５μｍ、第６５格子が５．３μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第５５格子、第２領域が第５６格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２５．８ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは１．２ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例５）
実施例５は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例５の回折光学素子を作製した。
実施例５は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例５の回折光学素子を作製した。
実施例５の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２３．８μｍ、第６３格子が２２．９μｍ、第６４格子が１１．５μｍで、第６５格子が４．６μｍあった。すなわち、第１領域が中心から第６３格子、第２領域が第６４格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２６．８ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは０．２ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例６）
実施例６は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例６の回折光学素子を作製した。
実施例６は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例６の回折光学素子を作製した。
実施例６の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２３．８μｍ、第６３格子が２３．０μｍ、第６４格子が２２．８μｍ、第６５格子が２２．５μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第６３格子、第２領域が第６４格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２６．５ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは０．５ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例７）
実施例７は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例７の回折光学素子を作製した。
実施例７は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例７の回折光学素子を作製した。
実施例７の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２３．８μｍ、第６３格子が２３．０μｍ、第６４格子が９．２μｍ、第６５格子が３．７μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第６３格子、第２領域が第６４格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２６．５ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは０．５ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例８）
実施例８は実施例１と格子型の形状が異なる。また、第２基材は用いず、Ｒ１９０ｍｍ凸球面の平坦型を用いて第２樹脂層を形成した。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例８の回折光学素子を作製した。
実施例８は実施例１と格子型の形状が異なる。また、第２基材は用いず、Ｒ１９０ｍｍ凸球面の平坦型を用いて第２樹脂層を形成した。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、実施例８の回折光学素子を作製した。
実施例８の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２４．５μｍ、第６０格子が２３．７μｍ、第６１格子が２１．３μｍ、第６２格子が１９．２μｍ、第６３格子が１７．３μｍ、第６４格子が１５．５μｍ、第６５格子が１４．０μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第６０格子、第２領域が第６１格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２５．８ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは１．２ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（実施例９）
実施例９は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は、実施例８と同様の方法で、実施例９の回折光学素子を作製した。
実施例９は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は、実施例８と同様の方法で、実施例９の回折光学素子を作製した。
実施例９の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子が２４．５μｍ、第６３格子が２３．７μｍ、第６４格子が２３．２μｍ、第６５格子が２２．８μｍであった。すなわち、第１領域が中心から第６３格子、第２領域が第６４格子から最外周までであった。第１領域の径方向の長さＡは２６．５ｍｍ、第２領域の径方向の長さＢは０．５ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（比較例１）
比較例１は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、比較例１の回折光学素子を作製した。
比較例１は実施例１と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例１と同様の方法で、比較例１の回折光学素子を作製した。
比較例１の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子から第６５格子までいずれも２２．９μｍであった。すなわち、比較例１の回折光学素子には第２領域が存在しなかった。第１領域は中心から最外周までで径方向の長さＡは２７．０ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（比較例２）
比較例２は実施例８と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例８と同様の方法で、比較例２の回折光学素子を作製した。
比較例２は実施例８と格子型の形状が異なる。それ以外の点は実施例８と同様の方法で、比較例２の回折光学素子を作製した。
比較例２の回折光学素子は、次のような格子形状であった。
格子高さは、第１格子から第６５格子までいずれも２３．７μｍであった。こすなわち、比較例１の回折光学素子には第２領域が存在しなかった。第１領域は中心から最外周までで径方向の長さＡは２７．０ｍｍであった。
表１に回折光学素子の形状の測定結果、表２に回折光学素子の評価結果をまとめた。
（評価）
表１および表２から実施例１〜９の回折光学素子は、いずれも第１領域中央部の回折効率に対する第１領域外周部の回折効率の割合が０．９９３以上であった。また、回折効率の割合が０．９９５以上と特に良好であった実施例１〜３、８および９は、いずれも以下の式を満たしていた。
表１および表２から実施例１〜９の回折光学素子は、いずれも第１領域中央部の回折効率に対する第１領域外周部の回折効率の割合が０．９９３以上であった。また、回折効率の割合が０．９９５以上と特に良好であった実施例１〜３、８および９は、いずれも以下の式を満たしていた。
０．９９≦ｄｎ／ｄｎ−１≦１．０１ （式１）
０．５０≦ｄｍ／ｄｍ−１≦０．９８ （式２）
０．０１８≦Ｂ／Ａ≦０．１０ （式３）
一方、比較例１および２は、いずれも第１領域中央部の回折効率に対する第１領域外周部の回折効率の割合が０．９９３未満であった。比較例１および２の回折光学素子は、回折格子の外縁に向かって回折格子が低くなる第２領域を有していなかった。そのため回折光学素子の外周方向から内部に向かって発生する屈折率変動が大きく、結果、中心付近の回折効率と周縁部における回折効率の差が大きくなったと考えられる。
０．５０≦ｄｍ／ｄｍ−１≦０．９８ （式２）
０．０１８≦Ｂ／Ａ≦０．１０ （式３）
一方、比較例１および２は、いずれも第１領域中央部の回折効率に対する第１領域外周部の回折効率の割合が０．９９３未満であった。比較例１および２の回折光学素子は、回折格子の外縁に向かって回折格子が低くなる第２領域を有していなかった。そのため回折光学素子の外周方向から内部に向かって発生する屈折率変動が大きく、結果、中心付近の回折効率と周縁部における回折効率の差が大きくなったと考えられる。
本発明の回折光学素子は、カメラ用のレンズや液晶プロジェクター用レンズ、ＤＶＤやＣＤなどのピックアップレンズ等のレンズに用いることができる。
１ 第１基材
２ 第１樹脂層
２ａ 第１樹脂組成物
３ 第２樹脂層
３ａ 第２樹脂組成物
４ 第２基材
５ 格子型
６ 平坦型
７ イジェクタ
８ ランプ
９ シャッター
１０ 格子部
１１ 第１樹脂層のベース部
１２ 第２樹脂層のベース部
１３ 第１領域
１４ 第２領域
２０ 回折光学素子
６００ 撮像装置（デジタルカメラ）
６０１ 光学機器（レンズ鏡筒）
６０２ カメラ本体
６０３ レンズ
６０５ レンズ
２ 第１樹脂層
２ａ 第１樹脂組成物
３ 第２樹脂層
３ａ 第２樹脂組成物
４ 第２基材
５ 格子型
６ 平坦型
７ イジェクタ
８ ランプ
９ シャッター
１０ 格子部
１１ 第１樹脂層のベース部
１２ 第２樹脂層のベース部
１３ 第１領域
１４ 第２領域
２０ 回折光学素子
６００ 撮像装置（デジタルカメラ）
６０１ 光学機器（レンズ鏡筒）
６０２ カメラ本体
６０３ レンズ
６０５ レンズ
Claims (11)
- 第１基材上に、第１樹脂層と、第２樹脂層とが順に積層され、平面視した際に、前記第１樹脂層と前記第２樹脂層の界面の少なくとも一部に同心円状の回折格子が形成された回折光学素子であって、
前記回折格子は、平面視した際に、前記回折格子の中心を含む第１領域と、前記第１領域を囲み前記第１領域より低い高さの格子を有する第２領域と、を有し、
前記第２領域の回折格子の格子高さは、前記回折格子の外縁に向かって低くなっていることを特徴とする回折光学素子。 - 前記第１領域において、前記回折格子の中心から外縁に向かってｎ番目（ｎは２以上の整数）の格子の高さをｄｎとすると、
０．９９≦ｄｎ／ｄｎ−１≦１．０１
の関係を満たし、
前記第２領域において、前記回折格子の中心から外縁に向かってｍ番目（ｍはｎより大きい整数）の格子の高さをｄｍとすると、
０．５０≦ｄｍ／ｄｍ−１≦０．９８
の関係を満たす請求項１に記載の回折光学素子。 - 平面視した際に、前記第１領域の径方向の長さをＡ、前記第２領域の径方向の長さをＢとしたときに、
０．０１８≦Ｂ／Ａ≦０．１０
の関係を満たす請求項１または２に記載の回折光学素子。 - 前記第１領域の格子の高さが５μｍ以上３０μｍ以下の範囲である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
- 前記第１領域の前記第２領域と接する格子である最外周の格子と、前記最外周の格子との間隔が１００μｍ以上５００μｍ以下の範囲である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
- 前記第１樹脂層のベース部の厚みが１μｍ以上５０μｍ以下の範囲である請求項１乃至５のいずれか一項に記載の回折光学素子。
- 前記第２樹脂層のベース部の厚みが１０μｍ以上４００μｍ以下の範囲である請求項１乃至６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
- 前記回折光学素子は第２基材を有し、
前記第２基材が、前記第２樹脂層上に設けられている請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。 - 筐体と、該筐体内に複数のレンズを有する光学系を備える光学機器であって、
前記複数のレンズの少なくとも１つが請求項１乃至８のいずれか１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。 - 筐体と、該筐体内に複数のレンズを有する光学系と、該光学系を通過した光を受光する撮像素子と、を備える撮像装置であって、
前記複数のレンズの少なくとも１つが請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回折光学素子であることを特徴とする撮像装置。 - 前記撮像装置がカメラである請求項１０に記載の撮像装置。
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