JP4266732B2

JP4266732B2 - 積層型回折光学素子

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Publication number: JP4266732B2
Application number: JP2003194939A
Authority: JP
Inventors: 秀雄宇久田
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Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2002-08-30
Filing date: 2003-07-10
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2023-07-10
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、屈折光学素子及び回折光学素子等の光学素子に使用される、光学材料に関するものである。特に屈折率分散が高い光学材料及びそれにより形成された光学素子、回折光学素子、積層型回折光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から光の屈折のみによって構成される屈折光学系においては、分散特性の異なる硝材を組み合わせることによって色収差を減らしている。例えば、望遠鏡等の対物レンズでは分散の小さい硝材を正レンズ、分散の大きい硝材を負レンズとし、これらを組み合わせて用いることで軸上に現れる色収差を補正している。この為、レンズの構成、枚数が制限される場合や使用される硝材が限られている場合などでは、色収差を十分に補正することが非常に困難である。
【０００３】
また、ＳＰＩＥＶｏｌ．１３５４ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＬｅｎｓＤｅｓｉｇｎＣｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（１９９０）には、レンズ面やあるいは光学系の一部に、回折格子を有する回折光学素子を用いることで色収差を減じる方法が開示されている。これは、光学素子としての屈折面と回折面とでは、ある基準波長の光線に対する色収差の発生する方向が、逆になるという物理現象を利用したものである。さらに、このような回折光学素子は、その回折格子の周期的構造の周期を変化させることで、非球面レンズと同等の効果を持たせることができる。そのため、色収差の低減に非常に大きな効果がある。
【０００４】
ここで、光線の回折作用について説明する。一般に屈折系の光学素子である球面及び非球面レンズに入射した１本の光線は、その球面及び非球面で屈折した後も１本の光線となる。これに対し、回折系の光学素子である回折光学素子に入射した１本の光線は、回折作用により各次数の複数の光に分かれる。
【０００５】
そのため、光学系として用いられた回折光学素子の特長を充分に発揮させるには、使用波長領域の光束を特定次数（以後設計次数とも言う）に集中させなければならない。使用波長領域の光束が設計次数に集中している場合は、それ以外の回折次数の回折光の強度は非常に低いものとなる。そのため、設計次数以外の光線が設計次数の光線とは別な所に結像してしまうフレア光となる事はない。
【０００６】
使用波長領域の光束が設計次数に集中するように、回折格子の格子構造をあらかじめ決定し、回折効率を十分に高くする構成は、特開平０９−１２７３２１号（特許文献１）、特開平０９−１２７３２２号（特許文献２）、特開平１１−０４４８０８号（特許文献３）、特開平１１−０４４８１０号（特許文献４）に開示されている。これらは複数の光学素子を組み合わせて構成されており、各光学素子の屈折率分散と光学素子の境界面に形成される格子の形状を最適に選ぶことで、広波長範囲で高い回折効率を有する構成となっている。具体的には基板上に複数の光学材料を積層し、その境界面の少なくとも１つにレリーフパターン、階段形状、キノフォーム等を形成することで、所望の回折光学素子を形成している。
【０００７】
これらの先行特許においては、広い波長範囲で高い回折効率を有する構成を得るために、相対的に屈折率分散の低い材料と屈折率分散の高い材料との組み合わせている。具体的には、特開平０９−１２７３２１号の場合は、屈折率分散の低い材料としてＢＭＳ８１（ｎ_ｄ＝１．６４，ν_ｄ＝６０．１：オハラ製）を、屈折率分散の高い材料としてプラスチック光学材料ＰＣ（ｎ_ｄ＝１．５８，ν_ｄ＝３０．５：帝人化成）を用いている。同様に特開平０９−１２７３２２号の場合は、屈折率分散の低い材料としてＬａＬ１４（ｎ_ｄ＝１．６９８，ν_ｄ＝５５．５：オハラ製）、アクリル樹脂（ｎ_ｄ＝１．４９，ν_ｄ＝５７．７）、Ｃｙｔｏｐ（ｎ_ｄ＝１．３４１４９，ν_ｄ＝９３．８：旭硝子製）を、屈折率分散の高い材料としてプラスチック光学材料ＰＣ（ｎ_ｄ＝１．５８，ν_ｄ＝３０．５：帝人化成）を用いている。特開平１１−０４４８０８号及び特開平１１−０４４８１０号の場合は、屈折率分散の低い材料としてＣ００１（ｎ_ｄ＝１．５２５，ν_ｄ＝５０．８：大日本インキ製）、ＰＭＭＡ（ｎ_ｄ＝１．４９１７，ν_ｄ＝５７．４）、ＢＭＳ８１（ｎ_ｄ＝１．６４，ν_ｄ＝６０．１：オハラ製）を、屈折率分散の高い材料としてプラスチック光学材料ＰＣ（ｎ_ｄ＝１．５８，ν_ｄ＝３０．５：帝人化成）、ＰＳ（ｎ_ｄ＝１．５９１８，ν_ｄ＝３１．１）、等を用いている。
【０００８】
また、屈折率分散の高い材料と低い材料において、屈折率分散の差が大きいほど構成される光学素子の回折効率は高くなり、光学素子の画角は広くなる。そのためには、より屈折率分散の高い（アッペ数が小さい）材料を使用する事が必要であり、それにより色収差をより正確に補正する事ができる。
【０００９】
図１は、光学材料として市販されている材料の、アッベ数と屈折率を示したグラフである。図１において縦軸は屈折率（ｎ_ｄ）、横軸はアッベ数（ν_ｄ）である。前述した特開平０９−１２７３２１号、特開平０９−１２７３２２号、特開平１１−０４４８０８号、特開平１１−０４４８１０号に記載された光学材料は図１に含まれている。図１からわかるように、一般の光学材料の屈折率はｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０を満たしている事がわかる。尚、図に示した直線はｎ_ｄ＝−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０である。また、図１に示されている有機高分子の光学材料の中でアッペ数が最も小さいのは、アッペ数が１７．３であるポリビニルカルバゾール（ＰＶＣＺ）である。
【００１０】
【特許文献１】
特開平０９−１２７３２１号
【特許文献２】
特開平０９−１２７３２２号
【特許文献３】
特開平１１−０４４８０８号
【特許文献４】
特開平１１−０４４８１０号
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、回折光学素子の更なる機能向上のためには、単に屈折率分散の高い（アッペ数が小さい）材料を使用するだけでは、可視領域全域の回折効率は高まるがものの、使用波長領域において部分的に回折効率の落ち込みが発生してしまう。図２は屈折率分散の高い材料としてポリビニルカルバゾールを使用した場合の、ポリビニルカルバゾールを用いた多層回折光学素子の回折効率を示すグラフである。図２の縦軸は回折効率、横軸は波長を示している。図２に示すように、使用波長領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）において、４００〜４２０ｎｍ、６３０〜７００ｎｍにおける回折効率は９８％以下の非常に低いものであり、特に短波長領域における回折効率の低下が顕著である。そのため更なる改良が必要となっている。
【００１２】
本発明は、単に屈折率分散の高い（アッペ数が小さい）材料を使用するだけでは、屈折率（ｎ_ｄ）、アッペ数（ν_ｄ）、２次分散（θ_ｇ，Ｆ）、及び屈折率（ｎ_ｄ）とアッペ数（ν_ｄ）との関係、アッペ数ν_ｄと２次分散θ_ｇ，Ｆとの関係を考慮した光学材料を使用することで、可視領域全域における回折効率を向上させるとともに、各波長域における部分的な回折効率の落ち込みが発生しない、光学材料及び光学素子を提供することを目的としている。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明においては前述の課題を解決するために、ｄ線の屈折率（ｎｄ）とアッペ数（νｄ）との関係が、ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、アッペ数（νｄ）と２次分散（θｇ，Ｆ）との関係がθｇ，Ｆ≦−２×１０−３νｄ＋０．５９である光学材料により形成され、一方の表面が回折形状を有する回折面である第１の回折光学素子と、該第１の回折光学素子よりもアッペ数が大きく、一方の表面が回折形状を有する回折面である第２の回折光学素子とを有し、該第１の回折光学素子と第２の回折光学素子は、お互いの回折面が対向して配置されている積層型回折光学素子を提供している。
【００１９】
また本発明は、前記光学材料から製造される光学素子を提供している。
【００２０】
前記光学材料からから製造され、表面に回折面が形成されている回折光学素子及び表面に屈折面が形成されている屈折光学素子を提供している。
【００２１】
また本発明は、ｄ線の屈折率（ｎ_d）とアッペ数（ν_d）との関係が、ｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０であり、アッペ数（ν_d）と２次分散（θ_g,F）との関係がθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９である光学材料により形成され、一方の表面が回折形状を有する回折面である第１の回折光学素子と、該第１の回折光学素子よりもアッペ数が大きく、一方の表面が回折形状を有する回折面である第２の回折光学素子とを有し、該第１の回折光学素子と第２の回折光学素子は、お互いの回折面が対向して配置されている積層型回折光学素子を提供している。
【００２２】
また本発明は、少なくとも２層からなり、各層が異なる光学材料から形成されている積層型回折光学素子において、ｄ線の屈折率（ｎ_d）とアッペ数（ν_d）との関係が、ｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０であり、アッペ数（ν_d）と２次分散（θ_g,F）との関係がθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９である光学材料により形成され、一方の表面が回折形状を有する回折面である第１の層と、該第１の光学材料よりもアッペ数が大きく、一方の表面が回折形状を有する回折面である第２層とを有する積層型回折光学素子を提供している。
【００２４】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
通常、光学素子による光の屈折率は、短波長になればなるほど急激に変化し、設計された屈折率と差が大きくなる。そのため、短波長になればなるほど設計次数に対する回折効率は低下する。本発明者はこの様な物質の波長分散の急激な変化が、屈折率の２次分散θ_ｇ，Ｆ＝（ｎ_ｇ−ｎ_Ｆ）／（ｎ_Ｆ−ｎ_ｃ）に起因し、屈折率の２次分散（θ_ｇ，Ｆ）が小さいほど回折効率が向上する事を見出した。
【００２５】
図３は、図１と同様に光学材料として市販されている材料のアッペ数と２次分散との関係を示したグラフである。図３において縦軸は２次分散（θ_ｇ，Ｆ）、横軸はアッベ数ν_ｄである。図３からわかるように、一般の光学材料の２次分散はθ_ｇ，Ｆ＞−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満たしている事がわかる。
【００２６】
本発明者は２次分散の値を下げることに着目し、通常光学材料には使用されないアッペ数の小さな無機酸化物の微粒子をポリマー等の光学材料に含有させる事で、屈折率の２次分散がθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満たす光学材料とすることができないかを検討した。アッペ数の小さな無機酸化物としては、ＴｉＯ２（ｎ_ｄ＝２．２６５２，ν_ｄ＝１１．８），Ｎｂ２Ｏ５（ｎ_ｄ＝２．３６７，ν_ｄ＝１４．０），ＩＴＯ（ｎ_ｄ＝１．８５８１，ν_ｄ＝５．５３），Ｃｒ２Ｏ３（ｎ_ｄ＝２．２１７８，ν_ｄ＝１３．４），ＢａＴｉＯ３（ｎ_ｄ＝２．４３６２，ν_ｄ＝１１．３）等が考えられる。検討の結果、ＩＴＯを使用することにより、ｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０、及び屈折率の２次分散がθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０−３ν_ｄ＋０．５９を満足する光学材料を得る事ができた。また、この時の光学材料のアッペ数ν_ｄは、３０以下であることが望ましい。３０よりも大きいと、屈折率分散の低い材料との屈折率分散の差が小さくなってしまい、所望の回折効率を得ることができなくなる。検討の結果。
【００２７】
そこでＩＴＯに関して詳しく検証した。ＩＴＯは他の無機酸化物と異なり、電子遷移による屈折率の変化に加え、錫によるドーピングや酸素の空孔によりフリーキャリアが発生し屈折率が変化する。図４にＩＴＯの波長と屈折率の関係を示す。図４（ａ）は、電子遷移による各波長における屈折率の変化を示しており、図４（ｂ）は、フリーキャリアによる各波長における屈折率の変化を示している。また図４（ｃ）は、電子遷移による屈折率の変化とフリーキャリアによる屈折率の変化を組み合わせた、実際のＩＴＯの各波長における屈折率の変化を示している。図４（ａ）から分かるように、電子遷移による屈折率分散は可視域においては４００ｎｍ〜４５０ｎｍの短波長側で急激に変化する。また図４（ｂ）から分かるように、フリーキャリアによる屈折率分散は可視域においては６００ｎｍ〜７００ｎｍの長波長側でその変化が急激となる。その二つの影響が組み合わさることにより、屈折率の２次分散（θ_ｇ，Ｆ）は他の無機酸化物に比べ非常に小さくなる。従って、ＩＴＯと同様に透明でフリーキャリアの影響があるＳｎＯ２及びＡＴＯ（アンチモンをドーピングしたＳｎＯ２）等も使用する事ができる。
【００２８】
また、ＩＴＯは通常透明電極を構成する材料であり、通常、液晶表示素子、ＥＬ素子等に用いられている。その厚みは５０〜５００ｎｍの範囲で使用される事が多い。しかしながら、真空成膜により形状を整えることにより５０ｎｍ以下の厚さの回折光学素子に使用する事が可能である。また、ＩＴＯはホストポリマーとして市販のＵＶ硬化樹脂との組み合わせることができるため、非常に容易に光学材料として製造することができ、特に光硬化により製造する回折光学素子に適用が容易である。
【００２９】
尚、ＩＴＯ、ＳｎＯ２及びＡＴＯ等の無機酸化物粒子の２次分散（θ_ｇ，Ｆ）は０．４５以下であることが好ましい。これは０．４５よりも大きいと、屈折率分散の低い材料との屈折率分散の差が小さくなってしまい、所望の回折効率を得ることができなくなるためである。
【００３０】
また、ＩＴＯ微粒子を用いる際にはその粒径が２〜５０ｎｍであることが望ましい。粒径が５０ｎｍよりも大きくなると混合物の光散乱が大きくなり、光学素子として用いることができない。また、粒径が２ｎｍ以下になると表面の量子効果が大きくなり、ＩＴＯの特性を示さなくなる。
【００３１】
またＩＴＯを含有した光学材料は、アッペ数ν_ｄが同一である場合、ｎ_ｄ≦−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０の条件を満たす材料よりも、ｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０の条件を満たす材料の方が、２次分散（θ_ｇ，Ｆ）が小さいなる。そのため、設計次数以外の回折光を低減する効果が大きい。
【００３２】
また、ＩＴＯを含有するポリマーとしては、ＩＴＯ微粒子を混合し均一に分散することのできるポリスチレンが最も好適である。ＩＴＯを含有したポリスチレンはＩＴＯ微粒子をスチレンモノマーに添加されものを硬化させることにより得られる。但し、ＩＴＯを含有するポリマーはポリスチレンに限られるものではなく、光学材料としてｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０でかつ、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満足するものであれば良い。
【００３３】
以上説明したように、ＩＴＯ微粒子をポリマー等の光学材料に添加することで、ｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０でかつ、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９の特性の光学材料を用いることにより、色収差をより正確に補正された光学素子を提供できる。また部分的な回折効率の落ち込みは発生せず、各使用波長領域において回折効率が非常に安定した光学素子を提供できる。
【００３４】
尚本実施の形態では回折光学系についてのみ説明したが、本発明はこれに限定するものではない。屈折率分散の２次分散の小さな特性を用いた屈折光学系への利用も可能である。
【００３５】
（実施例１）
図５乃至８を参照して、実施例１における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。まず、平均粒径１０ｎｍのＩＴＯ微粒子を４．４ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにスチレンモノマーを１２ｇと光開始剤１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン０．１５ｇを添加した後、クロロフォルム溶液を減圧して除去し光学原料２を製造した。
【００３６】
次に図５（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型１に光学原料２を供給した。次に、図５（ｂ）に示すように、光学原料２上にガラス（ＢＫ７）平板３を乗せ、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，２００秒）で照射した。その後、図５（ｃ）に示すように、硬化した光学素子２’を金型１から離型して回折光学素子４を製造した。尚、この光学原料２はＵＶ露光し硬化することにより、スチレンの重合が進みポリスチレンとＩＴＯ微粒子の光学材料が形成される。従って光学素子２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎ_ｄ＝１．６０６，ν_ｄ＝２２．７，θ_ｇ，Ｆ＝０．４９５）であった。この光学特性はｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９をともに満足するものである。
【００３７】
一方、もう一つの光学素子を形成するため、光学特性が（ｎ_ｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を光学材料として準備した。図６（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型５を窒素雰囲気中で２８０℃に加熱した後、光硬化樹脂６を金型５に流し込んだ。その上にガラス（ＢＫ７）平板７を乗せて、図６（ｂ）に示すように加圧した。その後不図示のＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で３０００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，３０秒）照射した後、図６（ｃ）に示すように、硬化した光学素子６’を金型５から離型して回折光学素子８を製造した。
【００３８】
次に回折光学素子４と回折光学素子８の回折面に反射防止膜を成膜した後、図７に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子１０を製造した。９は回折光学素子４と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子４と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは共に８０．００μｍである。回折光学素子４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は２４．００μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子４の山の高さは９．７９μｍ、回折光学素子８の山の高さは１２．７１μｍである。
【００３９】
図８は、製造された積層型回折光学素子１０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図８において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９９．３％、波長５００ｎｍの時の回折効率は９９．７％、波長７００ｎｍの時の回折効率は９９．４％である。従って積層型回折光学素子１０の回折効率は、使用波長の全域において９９％以上になっており、非常に良好な強度の波長分布を示していると言える。
【００４０】
（実施例２）
次に図９、図６、図１０、図１１を参照して、実施例２における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。まず、平均粒径１０ｎｍのＩＴＯ微粒子を８．８ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにスチレンモノマーを１２ｇと光開始剤１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン０．１５ｇを添加した後、クロロフォルム溶液を減圧して除去し光学原料１２を製造した。
【００４１】
次に図９（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型１１に光学材料１２を供給した。次に、図９（ｂ）に示すように、光学材料１２上にガラス（ＢＫ７）平板１３を乗せ、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，２００秒）で照射した。その後、図９（ｃ）に示すように、硬化した光学素子１２’を金型１１から離型して回折光学素子１４を製造した。尚、この光学原料１２はＵＶ露光し硬化することにより、スチレンの重合が進みポリスチレンとＩＴＯ微粒子の光学材料が形成される。従って光学素子１２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎ_ｄ＝１．６２０，νｄ＝１８．２，θ_ｇ，Ｆ＝０．４４２）であった。この光学特性はｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９をともに満足するものである。
【００４２】
一方、もう一つの光学素子を形成するため光学材料としては、実施例１と同様に光学特性が（ｎｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を準備し、図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１と同様の方法により回折光学素子８を製造した。
【００４３】
次に回折光学素子１４と回折光学素子８の回折面に反射防止膜を成膜した後、図１０に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子２０を製造した。１９は回折光学素子１４と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子１４と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは共に８５．００μｍである。回折光学素子４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は１８．６７μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子１４の山の高さは７．２５μｍ、回折光学素子８の山の高さは９．９２μｍである。
【００４４】
図１１は、製造された積層型回折光学素子２０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図１１において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９９．３％、波長５００ｎｍの時の回折効率は９９．９％、波長７００ｎｍの時の回折効率は９９．９％である。従って積層型回折光学素子１０の回折効率は、使用波長の全域において９９％以上になっており、非常に良好な強度の波長分布を示していると言える。
【００４５】
（実施例３）
次に図１２、図６、図１３、図１４を参照して、実施例３における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。まず、平均粒径１０ｎｍのＩＴＯ微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に２００ｇにスチレンモノマーを１２ｇと光開始剤１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン０．１５ｇを添加した後、クロロフォルム溶液を減圧して除去し光学原料２２を製造した。
【００４６】
次に図１２（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型２１に光学原料２２を供給した。次に、図１２（ｂ）に示すように、光学原料２２上にガラス（ＢＫ７）平板２３を乗せ、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，２００秒）で照射した。その後、図１２（ｃ）に示すように、硬化した光学素子２２’を金型２１から離型して回折光学素子２４を製造した。尚、この光学原料２２はＵＶ露光し硬化することにより、スチレンの重合が進みポリスチレンとＩＴＯ微粒子の光学材料が形成される。従って光学素子２２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎ_ｄ＝１．６４８，ν_ｄ＝１３．３，θ_ｇ，Ｆ＝０．３８５）であった。この光学特性はｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９をともに満足するものである。
【００４７】
一方、もう一つの光学素子を形成するための光学材料としては、実施例１と同様に光学特性が（ｎｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を準備し、図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１と同様の方法により回折光学素子８を製造した。
【００４８】
次に回折光学素子２４と回折光学素子８の回折面に反射防止膜を成膜した後、図１３に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子３０を製造した。２９は回折光学素子２４と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子２４と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは共に８０．００μｍである。回折光学素子２４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は１３．２１μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２４の山の高さは４．６６μｍ、回折光学素子８の山の高さは７．０５μｍである。
【００４９】
図１４は、製造された積層型回折光学素子３０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図１４において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９９．７％、波長５００ｎｍの時の回折効率は１００％、波長７００ｎｍの時の回折効率は１００％である。従って積層型回折光学素子７０の回折効率は、使用波長の全域において９９％以上になっており、非常に良好な強度の波長分布を示していると言える。
【００５０】
（実施例４）
次に図１５、図６、図１６、図１７を参照して、実施例４における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。まず、１％光開始剤１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトンを添加したメタクリル酸メチルをのせて光学原料３２を製造した。次に図１５（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型３１に光学原料３２を供給した。次に、図１５（ｂ）に示すように、光学原料３２上にガラス（ＢＫ７）平板３３を乗せ、ＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で３０００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，３０秒）照射した。その後、図１５（ｃ）に示すように、硬化した光学素子３２’を金型３１か離型して、図１５（ｄ）に示す回折光学素子３４を製造した。その後、図１５（ｅ）に示すように、真空度２×１０^−４Ｐａで光学素子３２’の上に光学材料としてＩＴＯ３５を蒸着により２μｍ成膜した。次に図１５（ｆ）に示すように、ＩＴＯの表面を研磨することによりニュートン線１本以下の平面にした。その後、図１５（ｇ）に示すように、シランカップリング剤を塗布したガラス板３６をＩＴＯ上に接着させた。その後、図１５（ｈ）に示すように、メチルイソブチルケトン溶媒につけることにより硬化したＰＭＭＡを溶解させることにより、図１５（ｉ）に示すＩＴＯの回折素子形状３７を作製した。この時の光学材料としてのＩＴＯの光学特性は（ｎ_ｄ＝１．８５７，ν_ｄ＝５．７，θ_ｇ，Ｆ＝０．２９１）であった。
【００５１】
一方、もう一つの光学素子を形成するための光学材料としては、実施例１と同様に光学特性が（ｎｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を準備し、図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１と同様の方法により回折光学素子８を製造した。
【００５２】
次に回折光学素子３７と回折光学素子８の回折面に反射防止膜を成膜した後、図１６に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子４０を製造した。３９は回折光学素子３７と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子３７と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは共に８０μｍである。回折光学素子３７と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は６．２２μｍ、山間の間隔は１．５μｍである。回折光学素子３７の山の高さは１．３４μｍ、回折光学素子８の山の高さは３．３８μｍである。
【００５３】
図１７は、製造された積層型回折光学素子１０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図１７において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９９．８％，波長５００ｎｍの時の回折効率は１００％，波長７００ｎｍの時の回折効率は１００％である。従って積層型回折光学素子７０の回折効率は、使用波長の全域において９９％以上になっており、非常に良好な強度の波長分布を示していると言える。
【００５４】
（比較例１）
次に図１８、図６、図１９、図２０を参照して、比較例１における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。比較例１としては、実施例１に示した光学原料２に代えて、光学特性（ｎ_ｄ＝１．６３６，ν_ｄ＝２２．８，θ_ｇ，Ｆ＝０．６９７）の光硬化樹脂１０２を光学材料として使用した。この光学特性はｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０は満足するものであるが、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満足するものではない。
【００５５】
図１８（ａ）に示すように光硬化樹脂１０２を金型１０１に供給した。その上を図１８（ｂ）に示すように、ガラス（ＢＫ７）平板１０３で押さえ込み、不図示のＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，２００秒）照射した。その後図１８（ｃ）に示すように、光硬化樹脂１０２を金型１０１から離型して回折光学素子１０４を製造した。
【００５６】
一方、もう一つの光学素子を形成するための光学材料としては、実施例１と同様に光学特性が（ｎｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を準備し、図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１と同様の方法により回折光学素子８を製造した。
【００５７】
次に回折光学素子１０４と回折光学素子８に反射防止膜を成膜した後、図１９に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子１１０を製造した。１０９は回折光学素子１０４と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子１０４と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは８０μｍである。回折光学素子１０４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は１７．０６μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子１０４の山の高さは６．４３μｍ、回折光学素子８の山の高さは９．１３μｍである。
【００５８】
図２０は、製造された積層型回折光学素子１１０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図２０において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９７％、波長５００ｎｍの時の回折効率は９８．３％、波長７００ｎｍの時の回折効率は９５．３％であった。従って積層型回折光学素子１１０の回折効率は、実施例１〜４の積層型回折光学素子の回折効率に比べると、全体的に低くなっている。特に４００〜４１０ｎｍ、４５０〜５３００ｎｍ、６５０〜７００ｎｍにおける回折効率は著しく低くなっている。
【００５９】
（比較例２）
次に図２１、図６、図２２、図２３を参照して、比較例２における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。比較例２としては、まず、平均粒径１０ｎｍのＩＴＯ微粒子を４．８ｗ％分散させたＭＥＫ溶液に１００ｇにメタクリル酸メチルを１２ｇと光開始剤１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン０．１５ｇ添加した後、ＭＥＫを減圧して、除去したものを光学原料１１２を製造した。
【００６０】
次に図２１（ａ）に示すように光学原料１１２を金型１１１に供給した。その次に、図２１（ｂ）に示すように、光学原料１１２上をガラス（ＢＫ７）平板１１３で押さえ込み、不図示のＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，２００秒）照射した。その後図２１（ｃ）に示すように、光硬化樹脂１１２を金型１１１から離型して回折光学素子１１４を製造した。この時、光学原料１１２を硬化して形成される光学材料の光学特性は（ｎ_ｄ＝１．５２３，ν_ｄ＝２３．０，θ_ｇ，Ｆ＝０．５３）であった。この光学特性はθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９は満足するものであるが、ｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０を満足するものではない。
【００６１】
一方、もう一つの光学素子を形成するための光学材料としては、実施例１と同様に光学特性が（ｎｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を準備し、図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１と同様の方法により回折光学素子８を製造した。
【００６２】
次に回折光学素子１１４と回折光学素子８に反射防止膜を成膜した後、図２２に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子１２０を製造した。１１９は回折光学素子１１４と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子１１４と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは８０．００μｍである。回折光学素子１１４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は２３．５６μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子１４の山の高さは１２．４７μｍ、回折光学素子８の山の高さは１１．０９μｍである。
【００６３】
図２３は、製造された積層型回折光学素子１２０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図２３において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９９．１％，波長５００ｎｍの時の回折効率は９９．５％，波長７００ｎｍの時の回折効率は９８．６％であった。従って積層型回折光学素子１１０の回折効率は、実施例１〜４の積層型回折光学素子の回折効率に比べると、全体的に低くなっている。
【００６４】
（比較例３）
次に図２４、図６、図２５、図２６を参照して、比較例３における積層型回折光学素子の構成とその製造方法を説明する。比較例３としては、実施例１に示した光学原料２に代えて、光開始剤１−ヒドロキシ−シクロヘキシル−フェニル−ケトン１％添加したＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）からなる光学原料１２２を使用した。
【００６５】
次に図２４（ａ）に示すように光学原料１２２を金型１２１に供給した。次に図２４（ｂ）に示すように、光学原料１２２上にガラス（ＢＫ７）平板１２３で押さえ込み、型ごと７０℃に保った状態で不図示のＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ^２（１００ｍＷ／ｃｍ^２，２００秒）照射した。４時間かけて室温まで徐冷した後、図２４（ｃ）に示すように、硬化した光学素子１２２’を金型１２１から離型して回折光学素子１２４を製造した。この光学素子１２２を形成する光学材料の光学特性は（ｎ_ｄ＝１．６９９，ν_ｄ＝１７．４，θ_ｇ，Ｆ＝０．６９４）であり、この光学特性はｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０は満足するものであるが、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満足するものではない。
【００６６】
一方、もう一つの光学素子を形成するための光学材料としては、実施例１と同様に光学特性が（ｎｄ＝１．５１３，νｄ＝５１．０）の光硬化樹脂６を準備し、図６（ａ）〜（ｃ）に示す実施例１と同様の方法により回折光学素子８を製造した。
【００６７】
次に回折光学素子１２４と回折光学素子８の回折面に反射防止膜を成膜した後、図２５に示す様に、お互いの回折格子が対向する様に組み合わせて積層型回折光学素子１３０を製造した。１２９は回折光学素子１２４と回折光学素子８の間隔を決定するスペーサである。回折光学素子１２４と回折光学素子８のそれぞれの格子間ピッチは共に８０．００μｍである。回折光学素子１２４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は１１．８７μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子３４の山の高さは３．９１μｍ、回折光学素子８の山の高さは６．４５μｍである。
【００６８】
図２６は、製造された積層型回折光学素子１３０における、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における強度を示したグラフである。横軸は波長、縦軸は回折効率を示している。図２６において、波長４００ｎｍの時の回折効率は９５．０％、波長５００ｎｍの時の回折効率は９８．４％，波長７００ｎｍの時の回折効率は９５．４％である。従って積層型回折光学素子１３０の回折効率は、実施例１〜４の積層型回折光学素子の回折効率に比べると、全体的に低くなっている。
【００６９】
ここで、実施例１〜４及び比較例１〜３の、入射角度０°の一次回折光の各波長（４００ｎｍ，５００ｎｍ，７００ｎｍ）における回折効率を表１に示した。表１において条件１とはｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０であり、条件２とはθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９である。各光学材料が条件を満足している場合には○、満足していなければ×で示してある。一般に積層型回折光学素子の回折効率は、９９％以上であれば良好であると言える。そこで今回実験におけるの良否の判定は４００ｎｍ〜７００ｎｍの可視領域全域に亙って、回折効率が９９％以上かどうかにより決定した。
【００７０】
【表１】
表１

【００７１】
表１から分かるように実施例１〜４の光学材料においては、比較例１〜４の光学材料に比べ、可視領域全域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における各使用波長領域の回折効率が非常に安定していることが分かる。
【００７２】
また、本実施の形態においては２つの回折光学素子を、それらの回折面を対向して配置した２層型回折光学素子について述べるが、本発明はこれに限られるものではなく、３つ以上の回折光学素子または層を積層して配置した積層型回折光学素子に使用することもできる。図２７は、３層の積層型回折光学素子５０の一例を示す断面図である。図２７において、７はガラス基板であり、４１は第１層、４２は第２層、４３は第３層である。第３層４３は前述の実施例１〜４に示したｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０であり、θ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満足する光学材料により形成されている。第１層４１、第２層４２を形成する光学材料は、そのアッペ数が第３層４３を形成する光学材料のアッベ数よりも大きな値を有している。回折光学素子の層数を増やすことにより、より複雑な機能を有する光学素子とする事ができる。
【００７３】
［第２の実施の形態］
第２の実施の形態は、前述の第１の実施の形態で示した回折光学素子を投影光学系に使用したものである。図２８に投影光学系を示す。図２８において７１は光源、７２はレチクル、７３は投影光学系７８のレンズ鏡筒、７４はレンズ、７５は本発明の回折光学素子、７６はウエハ、７７はウエハステージである。
【００７４】
回折光学素子７５は、レンズ７４の色収差を補正するように設けてある。ウエハステージ７７によってウエハ７６を所望の位置に位置決めし、不図示のフォーカス検出手段により、ウエハ高さをフォーカス位置に調整する。ここで、場合に応じて不図示の検出系によって、ウエハにすでに露光されている下のレイヤーのマークに対してレチクルをアライメントする。フォーカスとアライメントが完了したとき、不図示のシャッターを開き、光源７１からの照明光によってレチクルを照明し、レチクル７２の上の回路パターンを投影光学系７８によってウエハ７６のレジスト上に投影露光する。
【００７５】
こうして露光したウエハ７６は公知の現像処理工程やエッチング工程等を介して複数のデバイスとなる。本発明に係る光学素子を有した光学系は画像形成用の光学機器や照明用の照明装置等にも同様に適用することができる。また本発明の光学素子としては、回折光学素子以外にも所望の形状を有する光学素子を使用する事ができる。
【００７６】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態は、前述の第１の実施の形態で示した回折光学素子を撮影光学系に使用したものである。図２９に撮影光学系を示す。図２９において撮影光学系８８は回折光学素子８５、屈折光学素子８３、絞り８４を各々少なくとも１つ以上有している。図８では撮影光学系８８に入射した物体からの光束が受光部（撮像手段）８６に結像する状態を示している。
【００７７】
回折光学素子８５の設計次数の回折光は、屈折光学素子８３との合成で特定の波長域で良好な光学性能が得られるように収差補正されている。受光部８６は異なる分光感度を有する複数の受光体から構成され、異なる分光感度の受光体からの画像を合成することでカラー画像が得られる構成となっている。尚受光部８６としてはＣＣＤ、銀塩フィルム、感光体、そして人眼の眼などが通常は用いられる。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、ｄ線の屈折率（ｎ_ｄ）とアッペ数（ν_ｄ）との関係がｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０およびであり、アッペ数（ν_ｄ）と２次分散（θ_ｇ，Ｆ）の関係がθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９である光学材料を用いることにより、波長による部分的な回折効率の落ち込みが発生せず、可視領域全域における各使用波長領域の回折効率が良好な光学素子を提供することができる。言い換えれば、屈折率が大きくｎ_ｄ＞−６．６６７×１０^−３ν_ｄ＋１．７０の光学材料であっても、２次分散（θ_ｇ，Ｆ）がθ_ｇ，Ｆ≦−２×１０^−３ν_ｄ＋０．５９を満足していれば、回折効率が安定した光学材料となり、色収差をより正確に補正された光学素子を提供することができる。
【００７９】
また、アッペ数（ν_ｄ）が３０以下の光学材料を使用する事により、回折効率の高い光学材料を得ることができる。また、硬化時の２次分散（θ_ｇ，Ｆ）が０．４５以下であり、無機微粒子との混合体からなるの光学材料を使用することにより、回折効率の高い光学材料を得ることができる。また、ポリスチレンとＩＴＯ微粒子、特に粒径が２〜５０ｎｍのＩＴＯ微粒子を含んでいる光学材料使用することにより、光散乱が発生や、表面の量子効果が増大によりＩＴＯの特性を示さなくなる事のない、回折効率の高い光学材料を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一般の光学材料における屈折率とアッペ数の分布を示すグラフ。
【図２】ＰＶＣＺを用いた多層回折光学素子の可視波長領域の回折効率を示すグラフ。
【図３】一般の光学材料におけるアッペ数と２次分散の分布を示すグラフ。
【図４】ＩＴＯの可視波長領域の屈折率を示すグラフ。
【図５】実施例１における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図６】実施例１における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図７】実施例１における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図８】実施例１における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図９】実施例２における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図１０】実施例２における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図１１】実施例２における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図１２】実施例３における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図１３】実施例３における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図１４】実施例３における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図１５】実施例４における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図１６】実施例４における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図１７】実施例４における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図１８】比較例１における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図１９】比較例１における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図２０】比較例１における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図２１】比較例２における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図２２】比較例２における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図２３】比較例２における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図２４】比較例３における光学素子の成形プロセスを示す断面図。
【図２５】比較例３における多層回折光学素子の構造を示す断面図。
【図２６】比較例３における多層回折光学素子の一次回折光強度を示すグラフ。
【図２７】３層の多層型回折光学素子の断面図。
【図２８】第２の実施の形態における投影光学系の模式図。
【図２９】第１の実施の形態における撮影光学系の模式図。
【符号の説明】
１、５、１１、２１、３１、１０１、１１１、１２１、１３２金型
２、１２、２２、３２、１０２、１１２、１２２、１３２光学原料
２’、１２’、２２’、３２’、１０２’、１１２’、１２２’、１３２’ 光学素子
３、７、１３、２３、３３、３６ガラス平板
４、８、１４、２４、３４、３７回折光学素子
６光硬化樹脂
９、１９．２９、３９、１０９、１１９、１２９、１３９スペーサ
１０、２０、４０、５０、１１０、１２０、１３０、１４０積層型回折光学素子
４１第１層
４２第２層
４３第３層
７２レチクル
７３レンズ鏡筒
７４レンズ
７６ウエハ
７７ウエハステージ
７８投影光学系
８３屈折光学素子
８４絞り
８６受光部
８８撮影光学系

Claims

ｄ線の屈折率（ｎｄ）とアッペ数（νｄ）との関係が、ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、アッペ数（νｄ）と２次分散（θｇ，Ｆ）との関係がθｇ，Ｆ≦−２×１０−３νｄ＋０．５９である光学材料により形成され、一方の表面が回折形状を有する回折面である第１の回折光学素子と、該第１の回折光学素子よりもアッペ数が大きく、一方の表面が回折形状を有する回折面である第２の回折光学素子とを有し、該第１の回折光学素子と第２の回折光学素子は、お互いの回折面が対向して配置されていることを特徴とする積層型回折光学素子。
少なくとも２層からなり、各層が異なる光学材料から形成されている積層型回折光学素子において、ｄ線の屈折率（ｎｄ）とアッペ数（νｄ）との関係が、ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、アッペ数（νｄ）と２次分散（θｇ，Ｆ）との関係がθｇ，Ｆ≦−２×１０−３νｄ＋０．５９である光学材料により形成され、一方の表面が回折形状を有する回折面である第１の層と、該第１の光学材料よりもアッペ数が大きく、一方の表面が回折形状を有する回折面である第２層とを有することを特徴とする積層型回折光学素子。