JP4077508B2 - レンズの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子とその製造方法、及びこれを用いた撮像装置に関する。

従来、表面が回折格子輪帯である回折光学素子（例えば非球面レンズ）が、像面湾曲や色収差（波長による結像点のずれ）等のレンズ収差を低減できることは広く知られている。また、その断面がブレーズ状又はブレーズに内接する細かい階段状の回折格子形状であれば、単一波長の光に対する特定次数の回折効率を、ほぼ１００％にすることができる。

理論上、波長に対して、１次回折光の回折効率（以下、「１次回折効率」という。）が１００％となる回折格子形状の溝の深さ（回折格子深さ）ｄは、下記数式１で与えられる。但し、λは波長、ｎ（λ）は屈折率であり、かつ波長の関数である。

数式１に従って、波長λの変化とともに回折効率が１００％となるｄの値も変化する。

図１２に示す回折光学素子１００は、従来の回折光学素子の一例である。基材１０１は、屈折率がｎ（λ）である材料からなり、その表面にブレーズ状の回折格子形状１０２が形成されている。

図１３は、基材１０１の材料をシクロオレフィン系樹脂（日本ゼオン社製“ＺＥＯＮＥＸ”）として、回折格子深さｄを０．９５μｍとした回折光学素子１００の波長による１次回折効率の変化を示すグラフである。

この１次回折効率は、波長５００ｎｍではほぼ１００％に近くなるが、波長４００ｎｍ及び波長７００ｎｍでは７５％程度となり、波長による回折効率の変化（波長依存性）が顕著である。この回折光学素子を広い波長帯域（例えば、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の可視光域等）で用いる撮像用途のレンズに適用すると、不要な回折光が発生し、フレアやゴーストとなって画像を劣化させたり、ＭＴＦ（Modulation Transfer Function：変調伝達関数）特性を低下させたりする。特に、単レンズ両面や光学系の多面に回折格子形状を形成する場合は、不要な回折光の発生がより顕著となる。

図１４に示す回折光学素子１１０は、従来の回折光学素子の別の一例である。基材１１１の回折格子形状１１２が形成された面上に、基材１１１とは異なる屈折率及び屈折率分散を有する光学材料を、被覆膜１１３として塗布又は接合することにより、不要な回折光の発生を抑制できる。以下の文献には、この回折光学素子が、より具体的に開示されている。

特許文献１には、回折格子形状が形成された基材の屈折率と、回折格子形状を覆うように形成された被覆膜の屈折率を特定の条件に設定することにより、回折効率の波長依存性を低減する例が開示されている。また、特許文献２には、特許文献１と同様の屈折率条件で、ＭＴＦ特性の波長依存性を低減する例が開示されている。

特許文献３には、基材及び被覆膜の材料として、所定の屈折率条件を満足する樹脂やガラス等を組み合わせた材料を用いることによって、回折効率の波長依存性を低減する例が開示されている。

特許文献４には、フルオレン誘導体を含有するエネルギー硬化型樹脂を用いることで同様の効果が得られることが開示されている。

回折光学素子１１０で用いられる材料は、大別すると樹脂又はガラスである。また、回折光学素子１１０の各部材の屈折率条件は、基本的には同様である。ここで、回折格子形状１１２が形成された基材１１１に、光学材料を被覆膜１１３として塗布、接合した場合、１次回折効率が１００％となる回折格子深さｄ´は、下記数式２で与えられる。但し、ｎ１（λ）は基材を構成する材料の屈折率、ｎ２（λ）は被覆膜を構成する材料の屈折率であり、いずれも波長の関数である。

数式２の右辺が、ある波長帯域で一定値になれば、その波長帯域での回折効率の波長依存性がなくなることになる。この条件を満たし、かつ回折格子深さｄ´を小さくするには、｜ｎ１（λ）−ｎ２（λ）｜の値を大きく、すなわち、基材と被覆膜を高屈折率かつ低分散材料と低屈折率かつ高分散材料の組合せで構成すればよい。なお、この構成において回折格子深さｄ´は、数式１の回折格子深さｄよりも大きくなる。

一方、これらの回折光学素子の製造方法としては、いくつか提案されているが、例えば、特許文献５及び特許文献６では、不要な回折光の発生原因となる気泡を除去するために、塗布される光学材料を低粘度に限定したり、塗布後に振動を加えたりする製造方法が開示されている。
特開平９−１２７３２１号公報 特開平３−１９１３１９号公報 特開平１０−２６８１１６号公報 特開平１１−２８７９０４号公報 特開２００１−２４９２０８号公報 特開２００１−２３５６０８号公報

しかしながら、図１２に示した回折光学素子は、回折効率に波長依存性があるため、ある広い波長帯域において不要な回折光が発生するという課題がある。また、図１４に示した回折光学素子は、回折効率の波長依存性を低減し、不要な回折光の発生を抑制できるものの、回折光学素子の材料として、ガラスを用いると成形が難しく、樹脂を用いると回折効率及びその波長依存性が温度変化の影響を受けやすいという課題や、材料が制限されるため回折格子深さを大きくしなければならないという課題がある。回折格子深さが大きいと、成形が困難となるおそれがある。

本発明は、成形しやすい回折光学素子、その回折光学素子を含む撮像装置及びその回折光学素子の製造方法を提供する。

本発明の回折光学素子は、樹脂を含む第１材料からなり、かつ、回折格子形状に形成された面を含む基材と、樹脂を含む第２材料からなり、かつ、前記面の前記回折格子形状部分に接して配置された被覆膜とを含む回折光学素子であって、
前記第１材料及び前記第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、無機粒子を含むコンポジット材料であることを特徴とする。

本発明の撮像装置は、光学系と、前記光学系を通過した被写体からの光を受光する撮像素子と、前記撮像素子によって検出された情報から被写体像を生成する演算回路とを含む撮像装置であって、
前記光学系は、前記本発明の回折光学素子を含むことを特徴とする。

本発明の回折光学素子の製造方法は、樹脂を含む第１材料からなり、かつ、回折格子形状に形成された面を含む基材と、樹脂を含む第２材料からなり、かつ、前記回折格子形状を覆う被覆膜とを含む回折光学素子の製造方法であって、
前記回折格子形状に形成された面を含む前記基材を形成する工程と、
前記回折格子形状を覆うように、前記被覆膜を形成する工程とを含み、
前記第１材料及び前記第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、無機粒子を含むコンポジット材料であることを特徴とする。

本発明の回折光学素子は、回折格子形状に形成された面を含む基材と、前記回折格子形状を覆う被覆膜とを含む。そして、前記基材は樹脂を含む第１材料からなり、前記被覆膜は樹脂を含む第２材料からなり、前記第１材料及び前記第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、無機粒子を含むコンポジット材料である。このような構成にすることによって、従来のガラス等を用いた場合に比べ成形性が向上する。また、被覆膜と基材との屈折率差が最適な値となるように、それぞれの材料に使用する樹脂や無機粒子を適宜選択することができる。これにより、従来の樹脂等を用いた場合に比べ材料選択の幅が拡がるため、例えば回折格子深さを浅くすることができる。よって、加工がより容易となる。

前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化亜鉛及び酸化アルミニウムから選ばれる少なくとも１つからなることが好ましい。本発明の回折光学素子における回折効率の波長依存性をより低減できるからである。

前記第１材料は、前記コンポジット材料であることが好ましく、この場合、前記コンポジット材料に占める前記無機粒子の体積含有率が、５体積％以上５０体積％以下の範囲にあることが好ましい。より高い成形性が得られる上、比較的浅い回折格子深さで、回折効率の波長依存性の少ない回折光学素子を設計できるからである。

前記第１材料は、前記第２材料よりも屈折率及びアッベ数の高い材料又は屈折率及びアッベ数の低い材料であることが好ましい。このような第１材料を用いることによって、回折効率の波長依存性を低減できるからである。第１材料と第２材料とのｄ線屈折率の差は、０．０３以上０．１３以下の範囲、アッベ数の差は、８以上の範囲であれば、回折効率の波長依存性をより低減できる。

前記第１材料及び前記第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、赤外線領域の波長の光を吸収する材料又は紫外線領域の波長の光を吸収する材料であることが好ましい。別途、赤外線遮蔽効果又は紫外線遮蔽効果を有する部材を用いる必要がなくなるからである。

前記回折格子形状の溝の深さは、２０μｍ以下であることが好ましい。溝の深さが２０μｍ以下であれば、回折格子形状のピッチの間隔を細かくすることができるので、ピッチ数を増やすことができるからである。これにより、例えば本発明の回折光学素子をレンズに適用した場合、ＭＴＦ特性の向上や色収差の低減等、光学素子の性能を向上させることができる。

また、本発明の回折光学素子は、前記被覆膜における前記回折格子形状側の反対面に配置され、かつ、第３材料からなる反射防止膜をさらに含むことが好ましい。回折光学素子に入射する光のうち、全反射する光を少なくすることができるので、回折効率をより高くすることができるからである。前記反射防止膜は、単層の膜であっても、複数層からなる膜であってもよい。前記第３材料は、前記第２材料よりも屈折率の低い材料であることがより好ましい。より反射光を低減できるからである。また、前記第３材料は、樹脂と、無機粒子（特に酸化シリコン）とを含む材料であることがより好ましい。回折効率の波長依存性をより低減できるからである。

前記第１材料、前記第２材料及び前記第３材料から選ばれる少なくとも１つに含まれる無機粒子の平均粒径は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にあることが好ましい。無機粒子の粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であれば、レーリー散乱のみとなり、コンポジット材料における分散性が向上し、透明性の高い材料となるからである。

本発明の撮像装置は、光学系と、前記光学系を通過した被写体からの光を受光する撮像素子と、前記撮像素子によって検出された情報から被写体像を生成する演算回路とを含む撮像装置であって、前記光学系は、上述した回折光学素子を含む。本発明の撮像装置は、光学系に成形性のよい本発明の回折光学素子を含むので、製造コストの低減が可能となる。

本発明の回折光学素子の製造方法は、樹脂を含む第１材料からなり、かつ、回折格子形状に形成された面を含む基材と、樹脂を含む第２材料からなり、かつ、前記回折格子形状を覆う被覆膜とを含む回折光学素子の製造方法であって、前記回折格子形状に形成された面を含む前記基材を形成する工程と、前記回折格子形状を覆うように、前記被覆膜を形成する工程とを含む。そして、前記第１材料及び前記第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料である。このような工程を含む製造方法によって、成形しやすい回折光学素子を提供できる。

また、前記被覆膜を形成する工程は、減圧下の雰囲気において、未硬化状態の樹脂を含む材料を、前記回折格子形状を覆うように配置して、前記雰囲気の圧力を上げることによって、前記回折格子形状と前記材料とを密着させて、前記樹脂を硬化させる工程を含むことが好ましい。被覆膜を回折格子形状の溝により密着させて形成できるからである。

また、前記第１材料は、前記第２材料よりも屈折率の低い材料であり、前記基材を形成する工程において、前記回折格子形状を模った型を用いて前記面を形成することが好ましい。第１材料が第２材料より屈折率が低い場合は、第１材料からなる基材の回折格子形状を模った型を、より形成しやすくなるので、前記回折格子形状のピッチ数を増やすことができるからである。これにより、回折格子形状による収差低減効果を大きくできる。

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

（実施形態１）
図１に、本発明の回折光学素子の一例として、両面に回折格子形状を形成したレンズ１０の断面図を示す。レンズ１０の基材１１は、輪帯状の回折格子形状１２ａが形成された面１１ａと、面１１ａと反対側で、かつ輪帯状の回折格子形状１２ｂが形成された面１１ｂとを含む。そして、これらの回折格子形状１２ａ，１２ｂを覆うように被覆膜１３ａ，１３ｂがそれぞれ形成されている。

回折格子形状１２ａ及び回折格子形状１２ｂは必ずしも同じ回折格子深さ、形状である必要はない。また、回折格子形状１２ａ内の輪帯状のピッチは同じである必要はない。また、輪帯である必要はなく直線状、曲線状の回折格子形状やホログラフィック回折格子形状でも構わない。また被覆膜１３ａ，１３ｂのそれぞれの材料、及びそれぞれの厚みも同じである必要はない。基材１１の形状は両面ともが凸面である必要はなく、凹面と凸面、両面凹面、両面平面、平面と凸面、平面と凹面等でもよい。また、回折格子形状は一方の片面のみに形成されていてもよい。

本実施形態のレンズ１０では、基材１１は第１材料からなり、被覆膜１３ａ，１３ｂは第２材料からなる。第１材料及び第２材料は樹脂を含む。また、第１材料及び第２材料から選ばれる少なくとも１つは、樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料である。

なお、前記コンポジット材料には樹脂及び無機粒子以外のものが含まれていてもよい。例えば、分散剤や硬化剤等が含まれていてもよい。樹脂及び無機粒子以外の材料の含有量は、通常、１０体積％未満であり、１体積％未満であることが好ましい。

前記無機粒子は、平均粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であることが好ましく、１ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲であることがより好ましい。なお、上記「平均粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲」とは、例えば、無機粒子全体を粒度分布計で測定したとき、粒度頻度分布の中心粒径が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあり、その平均粒子径を中心に頻度分布の５０％以上が１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲にあることを意味する。前記無機粒子の粒子径が光の波長よりも充分に小さいと、分散性がよく、前記コンポジット材料を屈折率のばらつきがない均一な媒体とみなすことができる。なお、光の波長の１／４以上、例えば無機粒子の平均粒子径が１００ｎｍを超えると、コンポジット材料中の無機粒子の散乱がミー散乱となるので、透明性が悪化する。また、無機粒子の平均粒子径が１ｎｍ未満であると、量子的な効果が発現する物質の場合、蛍光が生じる等といった光学性能に影響を及ぼすことがある。従って、前記無機粒子の粒子径が１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲であれば、レーリー散乱のみとなり、コンポジット材料における分散性がよく、透明性の高い材料となる。また、蛍光等の付加的な光学性能が発現することもない。

なお、前記無機粒子の平均粒子径は、ＴＥＭ（Transmission Electron Microscope）撮影等による画像処理法で測定することができる。

コンポジット材料は、特定の材料からなる１種類の無機粒子のみを含んでいてもよいし、異なる材料からなる複数種の無機粒子を含んでいてもよい。

前記無機粒子としては、例えば、酸化チタン、酸化タンタル、酸化亜鉛、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、酸化イットリウム、酸化シリコン、酸化ニオブ、酸化セリウム、酸化インジウム、酸化スズ、酸化ハフニウム等の金属酸化物を用いることができる。無機粒子はこれらの酸化物のいずれか１つで形成されていてもよいし、これらの酸化物の複合酸化物で形成されていてもよい。また、無機粒子の材料としては窒化シリコン等の金属窒化物や炭化シリコン等の金属炭化物、ダイヤモンドやダイヤモンドライクカーボン等の光透過性の炭素系材料を用いてもよい。また、硫化硫黄や硫化スズ等の硫化物や、金、白金、銀、パラジウム、銅、アルミニウム等の金属、シリコンやゲルマニウム等の半導体材料を用いてもよい。これらの無機粒子を適宜組み合わせて用いることによって、コンポジット材料の屈折率及びアッベ数を調整できるので、広い波長範囲で高い回折効率をもつ回折光学素子となる。

一方、樹脂としては熱可塑性樹脂、熱硬化性樹脂、光硬化性樹脂といった樹脂の中で、光透過性のよい樹脂を用いることができる。アクリル樹脂（例えば、ポリメタクリル酸メチル等）、エポキシ樹脂、ポリエステル樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリカプロラクトン等）、ポリスチレン樹脂（例えば、ポリスチレン等）、ポリオレフィン樹脂（例えば、ポリプロピレン等）、ポリアミド樹脂（例えば、ナイロン等）、ポリイミド樹脂（例えば、ポリイミド、ポリエーテルイミド等）、ポリビニルアルコール樹脂、ブチラール樹脂、フルオレン系樹脂、酢酸ビニル樹脂等を用いてもよい。また、ポリカーボネート、液晶ポリマー、ポリフェニレンエーテル、ポリスルホン、ポリエーテルスルホン、ポリアリレート、非晶質ポリオレフィン等のエンジニアリングプラスティックを用いてもよい。また、これらの樹脂、高分子の混合体や共重合体を用いてもよい。また、これらの樹脂を変性したものを用いてもよい。

前記樹脂の中でも特に、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、非晶質ポリオレフィン、ポリカーボネート樹脂、ポリイミド樹脂、ブチラール樹脂は透明性が高く、成形性も良好である。

前記コンポジット材料に占める前記無機粒子の種類及びその体積含有率を選択することによって、前記コンポジット材料の屈折率及びアッベ数を自由に制御することができる。例えば、前記コンポジット材料の屈折率は、マクスウェル−ガーネット理論に基づき、下記数式３により推定できる。但し、屈折率ｎ_avはコンポジット材料の平均屈折率、ｎ_pは無機粒子の屈折率、ｎ_mは樹脂の屈折率であり、Ｐはコンポジット材料に占める前記無機粒子の体積含有率である。また、前記無機粒子が光を吸収する場合や金属からなる場合には、複素屈折率として計算する。

また、前記コンポジット材料のアッベ数は、数式３を用いて、ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線波長（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線波長（６５６．３ｎｍ）の屈折率を算出することによって求めることができる。

なお、数式３の関係から、コンポジット材料の平均屈折率及びアッベ数は、無機粒子の体積含有率が増えるとともに、樹脂の屈折率及びアッベ数から無機粒子の屈折率及びアッベ数に近づくことがわかる。

なお、この明細書において、「コンポジット材料の屈折率」とは、コンポジット材料を１つの屈折率を有する媒体とみなしたときの、実効的な屈折率を意味する。また、前記コンポジット材料の実際の屈折率は、基材１１または被覆膜１３ａ，１３ｂの完成後に、例えばエリプソメトリ法、アベレス法、光導波路法、分光反射率法等を用いて測定することによって求めることができる。

前記コンポジット材料が、シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂に無機粒子として酸化ジルコニウムを体積含有率５０体積％で分散、混合した材料である場合、ｄ線屈折率は１．７９６、アッベ数は４１．９となる。酸化ジルコニウムは、ｄ線屈折率が２．０９６、アッベ数が３５．４であり、比較的高い屈折率と高いアッベ数とを備えた材料であり、酸化ジルコニウムの微粒子を樹脂に均一分散させることにより、高屈折率高アッベ数の材料を容易に実現することができる。樹脂はシクロオレフィン系樹脂に限定されないが、比較的アッベ数の大きな樹脂材料を組み合わせることが特に望ましい。また、このような高アッベ数を有する無機粒子としては、酸化アルミニウム、酸化イットリウム等もある。

一方、前記コンポジット材料が、ポリカーボネートを主成分とする樹脂に無機粒子として酸化亜鉛を体積含有率３０体積％で分散、混合した材料である場合、ｄ線屈折率は１．６８３、アッベ数は１８．９である。酸化亜鉛は、ｄ線屈折率が１．９２１、アッベ数が１２．２であり、透明な無機材料としては中程度の屈折率と、比較的低いアッベ数を備えた材料である。このため酸化亜鉛微粒子を樹脂に均一に分散させたコンポジット材料により、低屈折率低アッベ数の材料を容易に実現することができる。樹脂はポリカーボネート樹脂に限定されないが、比較的アッベ数の小さな樹脂材料を組み合わせることが特に望ましい。

第１材料がコンポジット材料の場合、回折格子形状１２ａ，１２ｂが形成された面１１ａ，１１ｂを含む基材１１は、金型による成形で容易に大量生産できる。金型の加工の一例としては、金型素材の表面にメッキ膜を形成し、このメッキ膜にダイヤモンドバイトによる旋削加工を用いて回折格子形状１２ａ，１２ｂを模った型を形成する方法が挙げられる。前記コンポジット材料に、例えばカーボネート、シクロオレフィン系樹脂等の熱可塑性樹脂が配合されている場合は、射出成形によってコンポジット材料からなる基材１１を容易に作製できる。また、前記コンポジット材料に、例えば光硬化性樹脂が配合されている場合は、紫外線や可視光を照射して光硬化性樹脂を硬化させ離型する方法、いわゆるフォトポリマー成形によって、コンポジット材料からなる基材１１を容易に作製できる。その際用いる型は、石英等の紫外線や可視光を透過する材料にドライエッチング等で階段状の形状（回折格子形状１２ａ，１２ｂの反転形状）を形成するとよい。

これに対して、上述した特許文献１や特許文献２に開示されている従来のレンズは、基材又は被覆膜の構成材料としてガラスを用いているので、製造するのが難しい。ガラスの部材と樹脂の部材とを組み合わせたレンズのうち、基材を樹脂で、被覆膜をガラスで形成するのは困難である。これは、樹脂に数μｍを越える厚さのガラスからなる被覆膜を形成すると、基材及び被覆膜のいずれかにクラックが発生するからである。また、ガラスからなる基材の形成は、樹脂からなる基材に比べて生産性が格段に劣る。最も生産性が期待できるのは金型によるプレス成形であるが、樹脂を用いた成形に比べて、金型の耐久性が１／１０〜１／１００しかなく、経済性及び量産性の観点から樹脂よりも極めて不利である。

また、上述した特許文献３に開示されている従来のレンズは、ポリカーボネートとポリスチレンを組み合わせることによって、特定の樹脂の組合せで回折効率の波長依存性をなくすもので、回折格子深さとして約２８０μｍを必要としている。通常、数十μｍを越える深さの回折格子形状の形成では、加工精度の高い金型加工が困難である。なぜなら、一般に金型加工はバイトを用いて行うが、回折格子深さが深いと加工量が増え、バイト先端が磨耗するため、加工精度が劣化する。同時に回折格子深さが深くなると格子ピッチを狭くすることができない。これは、回折格子深さが深くなると、先端の曲率半径が大きなバイトで金型を加工する必要があり、その結果、ある程度回折格子間のピッチを広げないと回折格子形状の加工ができないためである。これにより回折格子深さが深いほど回折格子形状の設計自由度が低減し、回折格子形状による収差低減効果がほとんどなくなってしまう。また、周辺温度の変化によりポリカーボネートとポリスチレンの屈折率差が変化するため、周辺温度の変化とともに回折効率の波長依存性が生じやすくなる。なお、金型加工の容易さと、レンズ性能面での回折格子形状１２ａ，１２ｂの寄与、および周辺温度に対する安定性を確保するには回折格子形状１２ａ，１２ｂの溝の深さを２０μｍ以下にすることが望ましい。

また、ダイヤモンドバイトによる旋削加工を用いて金型を加工し、この金型を用いた成形法で回折格子形状１２ａ，１２ｂを形成する場合、同一深さのブレーズ回折格子形状１２ａ，１２ｂであっても、ブレーズの傾斜方向により金型加工の難しさが異なるので、基材１１に低屈折率低アッベ数の材料を用い、被覆膜１３ａ，１３ｂに高屈折率高アッベ数の材料を用いることが好ましい。金型加工が容易となり、加工精度が高くなるので、例えブレーズ深さを深くしても回折格子間のピッチを狭くすることができ、ピッチ数を増やすことができる。これにより、回折格子形状１２ａ，１２ｂによる収差低減効果を大きくできる。

本実施形態のレンズ１０ように、樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料を、基材１１の材料及び被覆膜１３ａ，１３ｂの材料の少なくとも一方に用いることにより、製造が容易で光学性能に優れた回折光学素子が得られる。この場合、基材１１及び被覆膜１３ａ，１３ｂは少なくとも樹脂を含む材料からなる。

本実施形態では、基材１１がコンポジット材料の場合には、成形性の観点から、前記コンポジット材料に占める無機粒子の体積含有率が５体積％以上５０体積％以下の範囲であることが好ましく、１０体積％以上４０体積％以下の範囲であることがより好ましい。無機粒子の種類によっては、体積含有率５体積％未満の微量の無機粒子を含むコンポジット材料であっても、良好な光学特性を示す場合もある。しかし、一般的には、無機粒子の体積含有率が５体積％未満であると、従来の樹脂の屈折率・分散特性から逸脱した特性を示すコンポジット材料を構成できず、回折格子深さを小さくできない。また、無機粒子の体積含有率が５０体積％を超えると、コンポジット材料の光透過率が低下しその影響を無視できなくなる場合がある。前記範囲を満たすことにより、より高い成形性が得られる上、比較的浅い回折格子深さで、回折効率の波長依存性の少ない回折光学素子を設計できる。

前記コンポジット材料は、熱膨張係数や、屈折率の温度依存性について、樹脂と無機粒子の中間的な物性値を有する。このため、前記第１材料及び前記第２材料が樹脂である場合に、しばしば問題となる光学性能の温度依存性が低減され、信頼性、光学安定性の面で樹脂より格段に優れる。無機粒子は、一般的に、樹脂に比べて、熱膨張係数や、屈折率の温度依存性が小さいためである。

また、第２材料がコンポジット材料の場合には、ハードコート効果がある。すなわち、無機粒子を含み、表面が固い膜で保護されることにより、信頼性が向上し、かつ表面に傷がつきにくくなる。

また、第１材料が熱可塑性樹脂を含み、射出成形により回折格子形状１２ａ，１２ｂが形成された場合には、樹脂に無機粒子を分散させることで複屈折の発生を抑制できる効果がある。これは、無機粒子により射出成形時の樹脂の配向が妨げられるので、光学的な等方性が維持されるためである。

また、第１材料及び第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、赤外線領域の波長の光を吸収する材料であることが好ましい。赤外線遮蔽効果を有する回折光学素子を容易に得ることができるからである。この場合、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal-oxide Semiconductor）等の赤外線の遮蔽を必要とする撮像素子やセンサと組み合わせて使用する際、別途赤外線カットフィルタを使用する必要がなくなる。前記赤外線領域の波長の光を吸収する材料とは、例えば赤外線領域の波長の光を吸収する物質を含有する材料、例えば、銅イオン等の金属イオンの錯塩を混入した樹脂や、近赤外波長領域に吸収を有するシアニン色素等の染料を溶解させた樹脂、あるいは酸化スズインジウム（ＩＴＯ）等からなる無機粒子を含有する材料であればよい。

また、第１材料及び第２材料から選ばれる少なくとも１つの材料は、紫外線領域の波長の光を吸収する材料であることが好ましい。紫外線遮蔽効果を有する回折光学素子を容易に得ることができるからである。前記紫外線を吸収する材料としては、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、酸化セリウム、酸化タングステン等の無機粒子を適量分散させた材料であればよい。この場合、可視光領域の透明性を確保しながら紫外線領域の光を吸収させることができるため、耐光性確保や、樹脂からの不要な蛍光の発生を阻止できる。

なお、本発明の回折光学素子は、実施形態１のレンズ１０に限定されるものではなく、空間ローパスフィルターや偏光ホログラム等、回折格子形状が用いられている光学デバイスに広く適用できるものである。特に、可視波長全域（４００〜７００ｎｍ）で第１材料の屈折率が第２材料の屈折率より大きい場合や、可視波長全域（４００〜７００ｎｍ）で第１材料の屈折率が第２材料の屈折率より小さい場合に、回折効率の波長依存性をより低減できる。

被覆膜１３ａ及び被覆膜１３ｂから選ばれる少なくとも１つは、回折格子形状１２ａ，１２ｂ側とは反対側の表面が、ナノレベルの凹凸を有する反射防止形状であることが好ましい。光の反射をより軽減できるからである。この表面形状は、例えば、型による転写工法（ナノインプリント）等で容易に形成することができる。

（実施形態２）
次に、本発明の実施形態２に係る回折光学素子について説明する。なお、レンズの構成やコンポジット材料、製造上や性能上の効果等の説明について、実施形態１と重複する内容は省略する。

図２は、本発明の回折光学素子の一例であるレンズ２０の断面図である。本実施形態のレンズ２０は、上述したレンズ１０の構成要素に加え、被覆膜１３ａにおける回折格子形状１２ａ側の反対面に配置された反射防止膜１４ａと、被覆膜１３ｂにおける回折格子形状１２ｂ側の反対面に配置された反射防止膜１４ｂとをさらに含む。これにより、上述したレンズ１０と同様の効果を発揮させることができる上、レンズ２０に入射した光のうち、全反射する光を少なくすることができるので、回折効率を高くすることができる。

反射防止膜１４ａ，１４ｂはそれぞれ同じ材料である必要はなく、樹脂、または樹脂と無機粒子とのコンポジット材料のいずれか、あるいは真空蒸着等で形成された無機薄膜でもよい。

レンズ２０の使用波長帯域のほぼ中央の波長λｃでの被覆膜１３ａ（１３ｂ）の屈折率をｎ_cとすると、その被覆膜１３ａ（１３ｂ）上に形成される反射防止膜１４ａ（１４ｂ）の屈折率がｎ_cの平方根であって膜厚がλ_c／４ｎ_cのときに垂直光に対して反射率がほぼ０となる。一方で反射防止膜１４ａ（１４ｂ）がない場合、空気中から被覆膜１３ａ（１３ｂ）、あるいは逆に被覆膜１３ａ（１３ｂ）から空気中に抜ける光線に対して片面で｛（ｎ_c−１）／（ｎ_c＋１）｝²の反射損失を生じる。なお、反射防止膜１４ａ（１４ｂ）を付加した際の反射率は、反射防止膜１４ａ（１４ｂ）の膜厚や屈折率が理想値からずれると０にはならないが、反射防止膜１４ａ（１４ｂ）の屈折率が被覆膜１３ａ（１３ｂ）よりも低ければ、反射防止膜１４ａ（１４ｂ）がない場合の反射率、すなわち、｛（ｎ_c−１）／（ｎ_c＋１）｝²よりも反射率が増えることはない。従って、反射防止膜１４ａ（１４ｂ）の膜厚によらず、反射低減効果を有する。

反射防止膜１４ａ，１４ｂとしては、真空蒸着等で無機材料の単層膜や多層膜を形成してもよい。また、反射防止膜１４ａ，１４ｂは、前記コンポジット材料を用いることが好ましい。なぜなら製造が容易であるとともに、基材１１、及び被覆膜１３ａ，１３ｂの少なくともいずれかはコンポジット材料であるので、これらと反射防止膜１４ａ，１４ｂの熱膨張率を近くすることができ、周辺温度に対する特性安定性が向上し、クラックや膜の剥離が起こりにくくなるためである。前記コンポジット材料中の無機粒子として酸化シリコンを用いると光透過性に優れる上、酸化シリコンは無機材料として屈折率が低く、アッベ数が高いので好ましい（ｄ線屈折率１．４５６、アッベ数６８．４）。この場合、広い波長帯域で反射防止効果を得ることができる。

以下、実施形態２のレンズ２０の好適な製造方法について説明する。図３，４，５に、上記製造方法を工程別に表した断面図を示す。

まず、図３Ａに示すように、回折格子形状１２ａ，１２ｂ（図２参照）を模った型３１ａ，３１ｂを用意する。そして、図３Ｂに示すように、真空注入ノズル３２（図３Ａ参照）から、型３１ａ，３１ｂに未硬化状態の第１材料３３を流し入れて充填する。そして、図３Ｃに示すように、型３１ａ，３１ｂを外して、回折格子形状１２ａ，１２ｂが形成された面を含む基材１１を形成する。なお、第１材料からなる基材１１を形成する工程は、型を用いた成形プロセスに限定されないが、例えば第１材料が熱可塑性樹脂を主成分としている場合は射出成形、第１材料が光硬化性樹脂を主成分としている場合はフォトポリマー成形等を用いればよい。

次に、図４Ａに示すように、真空注液ノズル４２，４３を備えた気密容器４１の内部に基材１１を設置し、気密容器４１の内部を減圧する。気密容器４１内の圧力は、真空蒸着やＣＶＤ等の真空プロセスで求められるほど低くする必要はない。例えば、１Ｐａから５０００Ｐａ程度の圧力で十分に効果が得られ、１００Ｐａ以下が好ましい。

次に、図４Ｂに示すように、減圧された気密容器４１内において、真空注液ノズル４２から、第２材料からなる被覆膜１３ａを形成するための塗液４４ａを基材１１の回折格子形状１２ａが形成された面に塗布する。そして、気密容器４１内の圧力を減圧前の圧力に戻すことによって、塗液４４ａ内から気泡を除去して回折格子形状１２ａの微細部分に塗液４４ａを隙間なく密着させて、被覆膜１３ａ（図４Ｃ参照）を形成する。次に、図４Ｃに示すように、基材１１を反転させて、気密容器４１の内部を減圧し、真空注液ノズル４２から、第２材料からなる被覆膜１３ｂを形成するための塗液４４ｂを基材１１の回折格子形状１２ｂが形成された面に塗布する。そして、被覆膜１３ａと同様に、気密容器４１内の圧力を上げて、被覆膜１３ｂを形成する。

さらに、気密容器４１の内部を減圧して、図５Ａに示すように、真空注液ノズル４３から、第３材料からなる反射防止膜１４ｂを形成するための塗液４５ｂを、被覆膜１３ｂが形成された面に塗布する。そして、気密容器４１内の圧力を減圧前の圧力に戻すことによって、塗液４５ｂ内から気泡を除去して被覆膜１３ｂに密着させて、反射防止膜１４ｂ（図５Ｂ参照）を形成する。次に、図５Ｂに示すように、基材１１を反転させて、気密容器４１の内部を減圧し、真空注液ノズル４３から、第３材料からなる反射防止膜１４ａを形成するための塗液４５ａを、被覆膜１３ａが形成された面に塗布する。そして、反射防止膜１４ｂと同様に、気密容器４１内の圧力を上げて、反射防止膜１４ａを形成し、図５Ｃに示すレンズ２０が完成する。

被覆膜１３ａ，１３ｂを形成する工程においては、減圧下の雰囲気において、第２材料からなる被覆膜１３ａ，１３ｂを形成するための塗液４４ａ，４４ｂを回折格子形状１２ａ，１２ｂの表面に配置する工程と、前記雰囲気の圧力を増大させることによって塗液４４ａ，４４ｂを回折格子形状１２ａ，１２ｂに隙間なく密着させる工程とを含めばよい。このような方法を用いることによって、基材１１の表面の回折格子形状１２ａ，１２ｂの溝と被覆膜１３ａ，１３ｂとの間に隙間がなく、被覆膜１３ａ，１３ｂ内に気泡の残存がないレンズ２０を形成できる。また、被覆膜１３ａ，１３ｂ及び反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成する工程においては、スピンコートやディップコート等の塗布を用い、その後、加熱、光硬化、自然硬化等で硬化させる方法を用いてもよい。

第１材料及び第２材料は、少なくとも一方の材料がコンポジット材料であればよく、いずれの材料もコンポジット材料であることが好ましい。コンポジット材料の調製方法に限定はなく、物理的な方法で調製してもよいし化学的な方法で調製してもよい。例えば、以下の（１）〜（４）のいずれかの方法によりコンポジット材料を調製してもよい。

（１）樹脂または樹脂を溶解した溶液と１次粒径が１μｍ未満のサイズである無機粒子とを、機械的・物理的に混合する方法。

（２）樹脂の原料（単量体やオリゴマー等）と１次粒径が１μｍ未満のサイズである無機粒子とを、機械的・物理的に混合して混合物を得た後、樹脂の原料を重合する方法。重合は、混合物をレンズに塗布した後に行ってもよいし、塗布する前に行ってもよい。

（３）樹脂または樹脂を溶解した溶液と無機粒子の原料とを混合した後に無機粒子の原料を反応させ、樹脂中で無機粒子を形成する方法。

（４）樹脂の原料（単量体やオリゴマー等）と無機粒子の原料とを混合した後、無機粒子の原料を反応させて無機粒子を合成する工程と、樹脂の原料を重合して樹脂を合成する工程とを行う方法。

以上のうち、（１）及び（２）の方法では、予め形成された様々な無機粒子を用いることができ、汎用の分散装置によってコンポジット材料を調製できるという利点がある。

一方、（３）及び(４)の方法では、化学的な反応を行うことが必要であるため、材料に制限がある。しかし、これらの方法は原料を分子レベルで混合し、無機粒子の分散性を高めることができるという利点を有する。

上述の方法において、無機粒子または無機粒子の原料と、樹脂または樹脂の原料とを混合する順序に特に限定はなく、好ましい順序を適宜選択すればよい。例えば、１次粒径が実質的に１ｎｍ〜１００ｎｍの範囲のサイズである無機粒子を分散した溶液に、樹脂、樹脂の原料、またはそれらを溶解した溶液を加えて機械的・物理的に混合してもよい。

また、第３材料は、特に限定されないが、第２材料よりも屈折率が低いことが好ましく、例えば、樹脂と無機粒子とを含む材料を用いればよい。

以下、第２材料として前記コンポジット材料を用いた場合の被覆膜１３ａ，１３ｂの形成方法の一例について説明する。被覆膜１３ａ，１３ｂは、コンポジット材料を形成するための物質を含む混合物（例えば、塗液）を用いて形成できる。この混合物（塗液）は、樹脂または樹脂の原料と、無機粒子と、溶媒（分散媒）とを含む。また、溶媒を含まない混合物を用いて被覆膜１３ａ，１３ｂを形成してもよい。この場合、熱可塑性樹脂を用い、昇温によって低粘度化させた混合物を用いるか、あるいは膜状の混合物を用いればよい。塗液は、例えば、以下の（１）〜（４）のいずれかの方法で調製できる。

（１）コンポジット材料を溶剤によって希釈して塗液を調製する方法。この塗液を用いる場合、塗液を塗布したのちに溶剤を除去する。

（２）樹脂の単量体やオリゴマー、低分子量体等と無機粒子とを混合して塗液を調製する方法。この塗液を用いる場合、単量体やオリゴマー、低分子量体等の原料を反応させて樹脂を合成することが必要となる。

（３）無機粒子の原料と樹脂と溶媒とを混合して塗液を調製する方法。この塗液を用いる場合、塗液を塗布したのちに無機粒子の原料をゾルゲル法等によって反応させて塗膜中で無機粒子を合成する。

（４）加温して低粘度化した樹脂に無機粒子を分散させて塗液を調製する方法。この方法では、塗膜の温度が低下することによって塗膜が固化し、被覆膜１３ａ，１３ｂが形成される。

これらの方法は、樹脂や無機粒子の材質や、塗布方法等に応じて適宜選択すればよい。なお、必要に応じて、塗液は、架橋剤、重合開始剤、分散剤等を含んでいてもよい。

この混合物を回折格子形状１２ａ，１２ｂの表面に配置する方法に限定はなく、例えば公知の方法を適用できる。具体的にはディスペンサ等の注液ノズルを用いた塗布、インクジェット法等の噴射塗布、スピンコーティング等の回転による塗布、印刷等のスキージングによる塗布、転写等を適用してもよい。このような方法は既存の設備を用いて行うことができる。

塗液を塗布したのち、溶媒を除去することによって被覆膜１３ａ，１３ｂを形成できる。なお、塗液が樹脂の材料（単量体やオリゴマー等）や無機粒子の材料を含む場合、必要に応じて塗布後にそれらを反応させて樹脂や無機粒子を合成してもよい。また、塗液を塗布することによって形成された膜を硬化させて被覆膜１３ａ，１３ｂを形成してもよい。硬化処理は、光硬化、熱硬化、乾燥処理等で行うことができる。

以下、被覆膜１３ａ，１３ｂ及び反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成する別の方法を、図６，７を用いて説明する。

図６Ａに示すように、気密容器５１の内部に回折格子形状１２ａ，１２ｂが形成された面を含む基材１１を設置し、気密容器５１の内部を減圧する。また、第２材料からなる被覆膜１３ａ，１３ｂを形成するための塗膜５３ａ，５３ｂが形成された転写プレート５２ａ，５２ｂを準備する。

次に、図６Ｂに示すように、減圧された気密容器５１内において、転写プレート５２ａ，５２ｂに塗布された塗膜５３ａ，５３ｂを、減圧下で基材１１表面の回折格子形状１２ａ，１２ｂに密着させて転写する。次に、図６Ｃに示すように、気密容器５１の内部の圧力を減圧前の圧力に戻すことによって、塗膜５３ａ，５３ｂに含まれる溶媒を除去して被覆膜１３ａ，１３ｂを得る。

さらに、図７Ａに示すように、第３材料からなる反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成するための塗膜５５ａ，５５ｂが形成された転写プレート５４ａ，５４ｂを準備し、図７Ｂに示すように、転写プレート５４ａ，５４ｂを被覆膜１３ａ，１３ｂが形成された面に密着させることによって塗膜５５ａ，５５ｂを転写する。最後に、図７Ｃに示すように、大気下で塗膜５５ａ，５５ｂに含まれる溶媒を除去して反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成し、レンズ２０が完成する。

塗膜５３ａ，５３ｂ，５５ａ，５５ｂを形成する際は、例えば転写プレート５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂへスピンコーティング等の方法で塗布すれば膜厚の調整が可能となる。膜厚を数十μｍ程度の薄い膜にしておけば、塗膜５３ａ，５３ｂ，５５ａ，５５ｂ内からの気泡の除去がさらに容易となる。転写プレート５２ａ，５２ｂ，５４ａ，５４ｂを密着させる際には、適宜圧力を加えて押し付けてもよい。

上述した被覆膜１３ａ，１３ｂ及び反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成する工程は、比較的低温で行うことができる。そのため、低温プロセスが求められるレンズ等の回折光学素子を製造する場合に特に好ましい。

以下、上述したレンズ２０の製造方法で用いる好適な製造装置について説明する。図８は、上記製造装置を示す構成図である。

製造装置６１は、気密容器６２と、基材１１を保持する基板保持ステージ６３と、基板回転機構６４と、真空注液ノズル６５ａ，６５ｂと、真空注液器（ヘッド）６６ａ，６６ｂと、塗液タンク６７ａ，６７ｂと、圧力制御バルブ６８と、制御装置６９とを含む。

気密容器６２は、減圧状態を保持できる容器であり、真空ポンプ等の減圧装置（図示せず）が接続されている。基板保持ステージ６３は、基板回転機構６４により回転させることが可能である。真空注液ノズル６５ａと、真空注液器（ヘッド）６６ａと、塗液タンク６７ａとは、被覆膜１３ａ，１３ｂを形成する塗布装置を構成し、塗液タンク６７ａ内には被覆膜１３ａ，１３ｂを形成するための塗液が配置される。また、真空注液ノズル６５ｂと、真空注液器（ヘッド）６６ｂと、塗液タンク６７ｂとは、反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成する塗布装置を構成し、塗液タンク６７ｂ内には反射防止膜１４ａ，１４ｂを形成するための塗液が配置される。圧力制御バルブ６８は気密容器６２内の圧力を調整する。気密容器６２と前記減圧装置と圧力制御バルブ６８とは、圧力調整装置を構成する。これらの装置は制御装置６９によって制御される。

製造装置６１を用いて、レンズ２０を製造する方法の一例を説明する。まず、回折格子形状１２ａ，１２ｂの形成された面を含む基材１１を基板保持ステージ６３に固定する。固定方法は公知の方法、例えば接着や粘着剤による貼り付け、治具による固定、静電気による固定、あるいは真空チャックでもよい。真空チャックの場合はチャック内の圧力を、気密容器６２内の圧力よりも低くする必要がある。

次に、前記減圧装置と圧力制御バルブ６８によって気密容器６２を減圧したのち、真空注液ノズル６５ａと、真空注液器（ヘッド）６６ａとによって、基材１１の回折格子形状１２ａが形成された面上に塗液を塗布する。このとき、基板回転機構６４によって基板保持ステージ６３を低速で回転させながら塗液を均一に塗布する。次に基板回転機構６４によって基材１１を高速で回転することによって、前記面上に配置された余分な塗液を除去する。そして、気密容器６２内の減圧を解除して塗液の硬化処理を行い、被覆膜１３ａが形成される。これらの減圧プロセス、塗布プロセス、減圧解除プロセスといった一連のプロセスは制御装置６９によって制御される。次に、基材１１を反転させて、被覆膜１３ａと同様に、被覆膜１３ｂを基材１１の回折格子形状１２ｂが形成された面上に形成する。

次に、前記減圧装置と圧力制御バルブ６８によって気密容器６２を減圧したのち、真空注液ノズル６５ｂと、真空注液器（ヘッド）６６ｂとによって、基材１１の被覆膜１３ａが形成された面上に塗液を塗布する。このとき、基板回転機構６４によって基板保持ステージ６３を低速で回転させながら塗液を均一に塗布する。次に基板回転機構６４によって基材１１を高速で回転することによって、前記面上に配置された余分な塗液を除去する。そして、気密容器６２内の減圧を解除して塗液の硬化処理を行い、反射防止膜１４ａが形成される。次に、基材１１を反転させて、反射防止膜１４ａと同様に、反射防止膜１４ｂを基材１１の被覆膜１３ｂが形成された面上に形成し、レンズ２０が完成する。

製造装置６１は、例えば被覆膜１３ａ，１３ｂを形成する第２材料がコンポジット材料である場合、上記コンポジット材料を形成するための物質を含む塗液を減圧下で所定の位置に塗布するための塗布装置と、塗液の塗布を行う際の雰囲気の圧力を減圧するための圧力調整装置とを備えればよい。前記塗布装置には、上述した塗布方法を実施するための装置を適用でき、例えば真空注液装置や、スピンコーティング装置、スクリーン印刷装置、ディスペンサ装置、インクジェット装置等を用いることができる。また、圧力調整装置には、公知の装置を適用でき、例えば気密状態を解除可能な気密容器と、気密容器に接続された減圧装置とを備える装置を適用できる。

（実施形態３）
図９に、本発明の撮像装置の一例である撮像装置７０の構成図を示す。

図９に示すように、本実施形態の撮像装置７０は、上述した実施形態１及び２から選ばれた１つの形態に係るレンズを含む光学系７１と、撮像素子７２と、撮像素子７２により検出された情報から被写体像を形成する演算回路７３とを備える。

撮像装置７０では、被写体（図示せず）からの光が光学系７１で集光され、撮像素子７２上に結像される。そして、撮像素子７２で受光された光が電気信号に変換され、演算回路７３でカラー合成等の処理がなされ、適当な表示手段を接続することにより、画像として表示される。

従来、カラー画像用途の撮像素子として、各画素にベイヤー配列等の特定の規則で緑、赤、青の色フィルタを配列し、隣接する画素による演算でカラー画像を得るものが知られている。

このようなカラー画像を得る場合には、２〜３枚程度の非球面レンズを光軸上に配列した光学系を用いるのが一般的であった。これは、１枚の非球面レンズでは色収差、すなわち波長による集光特性のずれを解消することができないため、解像度の高いカラー画像を得ることが困難となるためである。

一方、本実施形態の撮像装置７０では、屈折作用に加えて、回折作用をも合わせ持つ１枚のレンズからなる光学系７１を用いているため、１枚のレンズで高い解像度を有するカラー画像を得ることが可能である。

したがって、本実施形態の撮像装置７０は、薄型及び小型化が可能になるとともに、光学系７１に含まれるレンズ枚数を削減できるため各レンズの位置決め調整工程が簡略化し、生産性、経済性に優れる撮像装置７０とすることができる。この撮像装置７０は、携帯電話用、車載用、監視用あるいは医療用のカメラとして特に好適である。

なお、本実施形態では、１枚のレンズで構成した撮像装置７０を説明したが、複数枚のレンズからなる光学系の一部に、本発明の回折光学素子を組み入れた撮像装置としてもよい。この場合は、レンズ枚数を削減できるので有用である。

また、複数レンズからなる撮像レンズ系の１面に、一般的な回折格子形状を形成し、色収差を低減することが最近行われている。その場合、不要な回折光によるフレアやゴーストが発生しないように回折輪帯数は多くしないようにしているが、周辺に比べて輝度の高い被写体を撮影する場合には、本発明の回折光学素子を組み入れると、フレアやゴーストが発生せず有用である。

また、本実施形態では、一対のレンズ及び撮像素子７２からなる撮像装置７０を例に説明したが、これを複数対、あるいは並列に配置した複眼型撮像装置としてもよい。この場合は複数画像を合成処理できる演算回路を用いればよい。

以下、本発明の回折光学素子の実施例について説明する。

（実施例１）
実施例１は、上述した実施形態１のレンズ１０（図１参照）の実施例である。なお、基板は両面とも凸面であり、回折格子形状は、光軸中心から同心円状となるような輪帯状である。

以下、図１を参照しながら説明する。なお、本実施例のレンズの製造方法は、上述した実施形態２のレンズの製造方法と同様である（但し、本実施例のレンズは、反射防止膜１４ａ，１４ｂを製造する工程を含まない。）。

まず、第１材料として、ポリカーボネートを主成分とする樹脂（帝人化成社製、商品名“パンライトＡＤ−５５０３”）に酸化亜鉛を３０体積％混合したコンポジット材料を用いて、基材１１を射出成形で形成した。この際、基材１１の両面には、それぞれ深さ５．２０μｍの回折格子形状１２ａ，１２ｂを形成した。なお、上記コンポジット材料は、ｄ線屈折率１．６８３、アッベ数１８．９であった。

次に、第２材料として、シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂（日本ゼオン社製、商品名“ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ”）に無機粒子として酸化ジルコニウムを５０体積％で分散、混合したコンポジット材料を用いて、前記回折格子形状を覆うように、基材１１の両面に被覆膜１３ａ，１３ｂを形成した。なお、上記コンポジット材料は、ｄ線屈折率１．７９６、アッベ数４１．９であった。被覆膜１３ａ，１３ｂを形成する際は、スピンコートで塗布を行い、これを自然硬化させた。

図１０は、実施例１のレンズの片面における波長による１次回折効率の変化を表すグラフである。図１０より、波長４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下の可視光の全領域において、回折効率は９５％以上であることがわかった。

なお、実施例１のレンズで用いた基材１１を形成する材料と、被覆膜１３ａ，１３ｂを形成する材料とを入れ替えて、同様のレンズを形成しても、図１０で示した特性と同じ特性が得られた。

（実施例２）
実施例２は、上述した実施形態２のレンズ２０（図２参照）の実施例である。なお、基板は両面とも凸面であり、回折格子形状は、基材の両面に対して輪帯状である。

以下、図２を参照しながら説明する。なお、本実施例のレンズの製造方法は、上述した実施形態２の回折光学素子の製造方法と同様である。

まず、第１材料として、ポリカーボネートを主成分とする樹脂（帝人化成社製、商品名“パンライトＡＤ−５５０３”）に酸化タンタルを４０体積％混合したコンポジット材料を用いて、基材１１を射出成形で形成した。この際、基材１１の両面には、それぞれ深さ５．７１μｍの回折格子形状１２ａ，１２ｂを形成した。なお、上記コンポジット材料は、ｄ線屈折率１．８０９、アッベ数１７．６であった。

次に、第２材料として、シクロオレフィン系樹脂を主成分とする樹脂（日本ゼオン社製、商品名“ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ”）に無機粒子として酸化ジルコニウムを７０体積％で分散、混合したコンポジット材料を用いて、回折格子形状１２ａ，１２ｂを覆うように、基材１１の両面に被覆膜１３ａ，１３ｂをスピンコートで形成した。なお、上記コンポジット材料は、ｄ線屈折率１．９１２、アッベ数３８．９であった。

反射防止膜１４ａ，１４ｂとしては、非晶性パーフルオロ樹脂（旭硝子社製、商品名“ＣＹＴＯＰ”）に酸化シリコンを３８体積％で分散、混合したコンポジット材料からなるものを用いた。このときのｄ線屈折率は１．３８３であり、被覆膜１３ａ，１３ｂの屈折率１．９１２の平方根にほぼ等しい。また、その膜厚は０．１１μｍであった。反射防止膜１４ａ，１４ｂのコーティングはスピンコートで行った。

図１１に、実施例２のレンズの片面における１次回折効率の波長依存性を示す。図１１より、波長４００〜７００ｎｍの可視光の全領域において、回折効率は９０％以上であることがわかった。図１１の特性には現れていないが、被覆膜１３ａ，１３ｂと空気の界面では、片面で約１０％、両面で約２０％の反射が生じるが、反射防止膜１４ａ，１４ｂを設けることによって、両面で約２０％生じていた反射をほぼ０％にまで低減できた。反射防止膜１４ａ，１４ｂが、反射損失を低減する効果を有するからである。

（実施例３）
表１に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１〜３７）を作製した。本実施例のレンズは、実施例１で説明したレンズと同様の形状を有する。また、本実施例のレンズの製造方法は、実施例１の製造方法と同様である。なお、表１の体積含有率とは、第１材料又は第２材料に占める無機粒子の割合である。また、ＰＣ１とはポリカーボネート樹脂（帝人化成社製、商品名“パンライトＡＤ−５５０３”）、ＣＯＰとはシクロオレフィン系樹脂（日本ゼオン社製、商品名“ＺＥＯＮＥＸ４８０Ｒ”）、ＯＫＰとはフルオレン系ポリエステル樹脂（大阪ガスケミカル社製、商品名“ＯＫＰ４”）、ＰＣ２とはポリカーボネート系樹脂、ＰＳとはポリスチレン系樹脂（ｄ線屈折率１．６００、アッベ数３０）をそれぞれ示している。

ここでは、第１材料に酸化ジルコニウムを無機粒子として含むコンポジット材料を、第２材料にコンポジット材料又は樹脂を使用した。

次に、本実施例のレンズの１次回折効率を、波長４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍにおいて、自記分光光度計（日立製作所製Ｕ３４１０型）により測定した。結果を表１に示す。

表１より、実施例３は、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が８０％を超えていた。また、表１には示していないが、波長帯域４００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で１次回折効率が８０％を超えていた。実施例３は、全てのレンズが回折格子深さ１５μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。

このように、無機粒子として酸化ジルコニウムを含むコンポジット材料を第１材料に用いることで、回折効率の波長依存性を低減できた。

（実施例４）
表２に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１〜３７）を作製した。本実施例のレンズは、実施例３のレンズと比較して、第１材料及び第２材料と、回折格子形状が反転した形状であることのみ異なる。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表２に示す。

表２より、実施例４は、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が８０％を超えていた。また、表２には示していないが、波長帯域４００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で１次回折効率が８０％を超えていた。実施例４は、全てのレンズが回折格子深さ１５μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。このように、無機粒子として酸化ジルコニウムを含むコンポジット材料を第２材料に用いることで、回折効率の波長依存性を低減できた。

（実施例５）
表３に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１〜７）を作製した。本実施例のレンズは、実施例３で説明したレンズと同様の形状を有し、その製造方法は、実施例１の製造方法と同様である。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表３に示す。

表３より、実施例５は、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が８０％を超えていた。また、表３には示していないが、波長帯域４００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で１次回折効率が８０％を超えていた。実施例５は、全てのレンズが回折格子深さ１５μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。このように第１材料に含まれる無機粒子として酸化亜鉛を用いることで、回折効率の波長依存性を低減できた。

（実施例６）
表４に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１〜７）を作製した。本実施例のレンズは、実施例５のレンズと比較して、第１材料及び第２材料と、回折格子形状が反転した形状であることのみ異なるものである。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表４に示す。

表４より、実施例６は、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が８０％を超えていた。また、表４には示していないが、波長帯域４００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で１次回折効率が８０％を超えていた。実施例６は、全てのレンズが回折格子深さ１５μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。このように、無機粒子として酸化亜鉛を含むコンポジット材料を第２材料に用いることで、回折効率の波長依存性を低減できた。

（実施例７）
表５に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１）を作製した。本実施例のレンズは、実施例３で説明したレンズと同様の形状を有し、その製造方法は、実施例１の製造方法と同様である。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表５に示す。

表５より、実施例７は、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が９０％を超えていた。また、表５には示していないが、波長帯域４００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で１次回折効率が９０％を超えていた。実施例７は、回折格子深さ１０μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。このように、無機粒子として酸化アルミニウムを含むコンポジット材料を第２材料に用いることで、回折効率の波長依存性を低減できた。

（実施例８）
表６に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１）を作製した。本実施例のレンズは、実施例７のレンズと比較して、第１材料及び第２材料と、回折格子形状が反転した形状であることのみ異なるものである。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表６に示す。

表６より、実施例８は、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が９０％を超えていた。また、表６には示していないが、波長帯域４００ｎｍ〜７００ｎｍの全域で１次回折効率が９０％を超えていた。実施例８は、回折格子深さ１０μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。このように、無機粒子として酸化アルミニウムを含むコンポジット材料を第１材料に用いることで、回折効率の波長依存性を低減できた。

（実施例９）
表７に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１〜３）を作製した。本実施例のレンズは、実施例３で説明したレンズと同様の形状を有し、その製造方法は、実施例１の製造方法と同様である。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表７に示す。

表７より、Ｎｏ．１のレンズは、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が９５％を超えていたものの、４００ｎｍの１次回折効率が３２．９％と急減しており、可視光全域で回折効率を維持できていなかった。また、Ｎｏ．１のレンズは、回折格子深さが２１μｍであった。一方、Ｎｏ．２，３のレンズは、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が９５％を超えていた。また、Ｎｏ．２，３のレンズは、回折格子深さが１５μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。

（実施例１０）
表８に示す材料及び回折格子深さで、本実施例のレンズ（Ｎｏ．１〜３）を作製した。本実施例のレンズは、実施例９のレンズと比較して、第１材料及び第２材料と、回折格子形状が反転した形状であることのみ異なるものである。また、本実施例のレンズの１次回折効率を、実施例１と同様に測定した。結果を表８に示す。

表８より、Ｎｏ．１のレンズは、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が９５％を超えていたものの、４００ｎｍの１次回折効率が３２．９％と急減しており、可視光全域で回折効率を維持できていなかった。また、Ｎｏ．１のレンズは、回折格子深さが２１μｍであった。一方、Ｎｏ．２，３のレンズは、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ及び７００ｎｍのいずれの場合も１次回折効率が９５％を超えていた。また、Ｎｏ．２，３のレンズは、回折格子深さが１５μｍ以下であり、製造しやすく格子ピッチの小さい回折格子形状であった。

なお、基材がコンポジット材料の場合には、無機粒子の体積含有率を５０体積％以下にすると、回折格子形状を成形しやすくなる。

実施例３〜１０のレンズにおいて基材及び被覆膜の材料として用いた第１材料及び第２材料を、基材の材料として前記第２材料を、被覆膜の材料として前記第１材料を用いても、同じ回折効率の波長依存性が得られた。

本発明の回折光学素子によれば、成形性を向上させることができる上、幅広い波長域で不要光の発生を抑制でき、回折効率の波長依存性を少なく設計することができる。また、本発明の回折光学素子は、製造も容易であるため、カメラ等の撮像用途の光学系に特に好適な回折光学素子を提供できる。この回折光学素子は、例えばレンズ、空間ローパスフィルター、偏光ホログラム等であり、一般的な回折格子形状が用いられている撮像装置等の光学デバイスに広く適用できるものである。

本発明の撮像装置によれば、成形性の良好な回折光学素子を含む撮像装置、特に回折効率の波長依存性が少ない回折光学素子を含む撮像装置を提供できる。この撮像装置は、例えば高画角で撮像可能な撮像装置、解像度の高い撮像装置等であり、薄型化及び小型化が可能なので、携帯電話用、車載用、監視用あるいは医療用カメラに適用できる。

本発明の回折光学素子の製造方法によれば、成形性のよい回折光学素子を提供できる。

図１は、本発明の実施形態１における回折光学素子の断面図である。 図２は、本発明の実施形態２における回折光学素子の断面図である。 図３Ａ〜Ｃは、本発明の実施形態２における回折光学素子の好適な製造方法を示す工程別の断面図である。 図４Ａ〜Ｃは、本発明の実施形態２における回折光学素子の好適な製造方法を示す工程別の断面図である。 図５Ａ〜Ｃは、本発明の実施形態２における回折光学素子の好適な製造方法を示す工程別の断面図である。 図６Ａ〜Ｃは、本発明の実施形態２における回折光学素子の別の好適な製造方法を示す工程別の断面図である。 図７Ａ〜Ｃは、本発明の実施形態２における回折光学素子の別の好適な製造方法を示す工程別の断面図である。 図８は、本発明の実施形態２における回折光学素子の製造方法で用いる好適な製造装置の構成図である。 図９は、本発明の実施形態３における撮像装置の構成図である。 図１０は、本発明の実施例１の回折光学素子の波長による１次回折効率の変化を表すグラフである。 図１１は、本発明の実施例２の回折光学素子の波長による１次回折効率の変化を表すグラフである。 図１２は、従来の回折光学素子の一例を示す断面図である。 図１３は、図１２に示す回折光学素子の波長による１次回折効率の変化を表すグラフである。 図１４は、従来の回折光学素子の別の一例を示す断面図である。

Claims (11)

1. 第１の樹脂からなり、かつ、回折格子形状に形成された面を含む基材と、第２の樹脂及び無機粒子を含むコンポジット材料からなり、かつ、前記面の前記回折形状を覆う被覆膜と、を含むレンズの製造方法であって、
   前記第１の樹脂として、ポリカーボネート系樹脂、ポリスチレン系樹脂、フルオレン系ポリエステル樹脂から選ばれる少なくとも１つを用いて、溝の深さが２０μｍ以下の前記回折格子形状に形成された面を含む前記基材を形成する工程と、
   下記（数式３）から得られる前記コンポジット材料の屈折率が前記第１の樹脂の屈折率よりも大きく、且つ、下記（数式３）を用いて、ｄ線波長（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線波長（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線波長（６５６．３ｎｍ）の屈折率を算出することによって求めた前記コンポジット材料のアッベ数が前記第１の樹脂のアッベ数よりも大きくなるように前記コンポジット材料を調製する工程と、
   前記調製された前記コンポジット材料を用いて、前記面の前記回折格子形状を覆うように、前記被覆膜を形成する工程と、
   を有するレンズの製造方法。
   

   

   （但し、ｎ_avはコンポジット材料の屈折率、ｎ_Pは無機粒子の屈折率、ｎ_mは第２の樹脂の屈折率、Ｐはコンポジット材料に占める無機粒子の体積含有率である。）
2. 前記第１の樹脂及び前記コンポジット材料から選ばれる少なくとも１つは、赤外線領域の波長の光を吸収する請求項１に記載のレンズの製造方法。
3. 前記第１の樹脂及び前記コンポジット材料から選ばれる少なくとも１つは、紫外線領域の波長の光を吸収する請求項１に記載のレンズの製造方法。
4. 前記無機粒子の平均粒径が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にある請求項１に記載のレンズの製造方法。
5. 前記被覆膜上に反射防止膜を形成する工程をさらに含む請求項１に記載のレンズの製造方法。
6. 前記反射防止膜は、前記コンポジット材料よりも屈折率の低い材料からなる請求項５に記載のレンズの製造方法。
7. 前記反射防止膜は、樹脂と無機粒子とを含む請求項５に記載のレンズの製造方法。
8. 前記反射防止膜に含まれる前記無機粒子は、酸化シリコンからなる請求項７に記載のレンズの製造方法。
9. 前記反射防止膜に含まれる前記無機粒子の平均粒径が、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲にある請求項７に記載のレンズの製造方法。
10. 前記コンポジット材料を調製する工程において、前記第１の樹脂と前記コンポジット材料とのｄ線波長（５８７．６ｎｍ）における屈折率の差が０．０３以上０．１３以下であり、アッベ数の差が８以上となるように前記コンポジット材料を調製する請求項１に記載のレンズの製造方法。
11. 前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム及び酸化イットリウムから選ばれる少なくとも一つからなる請求項１に記載のレンズの製造方法。

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