JP4411026B2 - 光学材料及び、光学素子、回折光学素子、積層型回折光学素子、光学系 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ、フィルター、ミラーとして使用される光学素子に関するものであり、特に屈折率分散が高い光学材料からなる回折光学素子及び屈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、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（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積層型回折光学素子を形成しており、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を組み合わせている。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（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝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（ｎｄ＝１．６９８，νｄ＝５５．５：オハラ製）、アクリル樹脂（ｎｄ＝１．４９，νｄ＝５７．７）、Ｃｙｔｏｐ（ｎｄ＝１．３４１４９，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５２５，νｄ＝５０．８：大日本インキ製）、ＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９１７，νｄ＝５７．４）、ＢＭＳ８１（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、ＰＳ（ｎｄ＝１．５９１８，νｄ＝３１．１）、等を用いている。
【０００８】
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（ｎｄ）、横軸はアッベ数（νｄ）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ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０を満たしている事がわかる。尚、図に示した直線はｎｄ＝−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０である。
【０００９】
【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
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
積層型回折光学素子の構成においては、屈折率分散の高い材料と低い材料における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。またそのため、回折光学素子の更なる機能向上を図るには、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。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。
【００１１】
しかしながら近年、光学素子において要求される特性はさらに厳しくなっている。そのため、回折光学素子において使用波長領域の光束が設計次数に集中させ、回折効率を高くするには、単に屈折率分散の高い材料と低い材料を使用する事により、使用波長領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における回折効率が９５％以上とするだけではなく、入射角１０°のおける光損失率が３．４０％以下の光学特性を示すことが必要となっている。アッペ数が１７．３であるポリビニルカルバゾール（ＰＶＣＺ）は、後述する比較例１で示すように、使用波長領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における回折効率９５％以上であるが、入射角１０°のおいて光損失率が３．４０％以下を満足する事ができない。即ち、使用波長領域の光束を特定次数に集中した、所望の高い回折効率を達成することができない。
【００１２】
本発明は、屈折率（ｎｄ）がｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、アッペ数（νｄ）がνｄ≦１６の光学材料からなる光学素子を使用することにより、可視領域全域における回折効率を向上させるとともに、各入射角度における次回折光の強度の光損失率が少なく、使用波長領域の光束を特定次数に集中している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、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である光学材料及びそれにより形成された光学素子を提供している。
【００１４】
また本発明は、第１の基板の表面に、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である第１の光学材料からなり、前記第１の基板の表面と逆の表面が回折形状を有する回折面である第１の光学部材が形成された第１の回折光学素子と、第２の基板の表面に、前記第１の光学材料よりもアッペ数が大きい第２の光学材料からなり、前記第２の基板の表面と逆の表面が回折形状を有する回折面である第２の光学部材が形成された第２の第２の回折光学素子とを有し、前記第１の回折光学素子と前記第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を提供している。
【００１５】
また本発明は、基板の表面に形成され、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である第１の光学材料からなり、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の層の回折面の上に形成され、前記第１の光学材料よりもアッペ数が大きい第２の光学材料からなる第２の層とを有することを特徴とする積層型回折光学素子を提供している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本発明者は、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、アッペ数が小さい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（ｎｄ＝２．２６５２，νｄ＝１１．８），Ｎｂ２Ｏ５（ｎｄ＝２．３６７，νｄ＝１４．０），ＩＴＯ（ｎｄ＝１．８５８１，νｄ＝５．５３），Ｃｒ２Ｏ３（ｎｄ＝２．２１７８，νｄ＝１３．４），ＢａＴｉＯ３（ｎｄ＝２．４３６２，νｄ＝１１．３）等が考えられる。
【００１７】
しかしこれらの無機酸化物は、通常反射防止膜を構成する材料であり、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、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により、非常に容易に光学材料として製造することができる。また容易に形状を整えることも可能であり、屈折光学素子や回折光学素子への適用が容易である。
【００１８】
また、無機酸化物を用いる際にはその粒径が２〜１００ｎｍであることが望ましい。粒径が１００ｎｍ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、無機酸化物の特性を示さなくなる。
【００１９】
また、無機酸化物を含有するポリマーとしては、微粒子を混合し均一に分散することのできるポリビニルカルバゾールが最も好適である。無機酸化物を含有したポリビニルカルバゾールは無機酸化物微粒子をＮ−ビニルカルバゾールに添加されたものを硬化させることにより得られる。但し、無機酸化物を含有するポリマーはポリビニルカルバゾールに限られるものではなく、光学材料としてｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０でかつ、νｄ≦１６を満足するものであれば良い。またアッベ数をνｄ≦１６とする事により、光学素子の開口数を上げる事ができ、光学素子の厚さをさらに薄くすることも可能となる。そのため、前述の無機酸化物を光学材料として使用することがより容易となる。
【００２０】
（実施例１）
図２乃至図６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ＴｉＯ２微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料２を製造した。
【００２１】
次に図２（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２（ｂ）に示すように、光学原料２上にガラス（ＢＫ７）平板３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図２（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。この光学原料２はＵＶ露光し硬化することにより重合が進み、ポリビニルカルバゾールとＴｉＯ２微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８２４，νｄ＝１５．１）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００２２】
一方、もう一つの光学素子を形成するため、光学特性が（ｎｄ＝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３（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型５に光硬化樹脂６を流し込んだ。その上にガラス（ＢＫ７）平板７を乗せて、図３（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／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，３０秒）照射した後、図３（ｃ）に示すように、硬化した光硬化樹脂６を金型５から離型して回折光学素子８を製造した。
【００２３】
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４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９．８９μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子４の山の高さは２．７８μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．６１μｍである。
【００２４】
図５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５において、積層型回折光学素子１０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００２５】
また図６は、積層型回折光学素子１０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図６において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．２７％であり、３．４０％以下である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子１０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００２６】
（比較例１）
次に図７、図８、図９、図１０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、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２０２を製造した。
【００２７】
次に図７（ａ）に示すように光学原料２０２を金型２０１に供給した。その次に、図７（ｂ）に示すように、光学原料２０２上をガラス（ＢＫ７）平板２０３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／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）照射した。その後図７（ｃ）に示すように、光硬化樹脂２０２を金型２０１から離型して回折光学素子２０４を製造した。この光硬化樹脂２０２はＵＶ露光し硬化することにより重合が進みポリビニルカルバゾールからなる光学材料となる。この光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．７０２，νｄ＝１７．４）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０は満足するが、νｄ≦１６を満足するものではない。
【００２８】
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３（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。
【００２９】
次に回折光学素子２０４と回折光学素子８に反射防止膜を成膜した後、図８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２１０を製造した。２０９は回折光学素子２０４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２０４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２０４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１４の山の高さは３．９２μｍ、回折光学素子８の山の高さは６．４５μｍである。
【００３０】
図９は、製造された積層型回折光学素子２１０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９において、積層型回折光学素子２１０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００３１】
しかしながら、図１０は、積層型回折光学素子２１０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。尚比較のために実施例１の図６の値もあわせて表示している。図１０において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなり、入射角１０°のおける光損失率は３．５２％である。この値は、要求される光損失率の値である３．４０％以下である。従って積層型回折光学素子２１０は、積層型回折光学素子として特定次数に光線が充分に集中しているとはいえない。
【００３２】
（実施例２）
次に図１１、図１２、図１３、図１４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Ｎｂ２Ｏ３微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料１２を製造した。
【００３３】
次に図１１（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型１１に光学原料１２を供給した。次に、図１１（ｂ）に示すように、光学材料１２上にガラス（ＢＫ７）平板１３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図１１（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。この光学原料１２はＵＶ露光し硬化することにより、重合が進みポリビニルカルバゾールとＮｂ２Ｏ３微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子１２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８５０，νｄ＝１６．０）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００３４】
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３（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。
【００３５】
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１２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１０．４１μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子１４の山の高さは２．９２μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．９９μｍである。
【００３６】
図１３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１３において、積層型回折光学素子２０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００３７】
また図１４は、積層型回折光学素子２０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図１４において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．４０％である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子２０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００３８】
（実施例３）
次に図１５、図１６、図１７、図１８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Ｃｒ２Ｏ５微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１３０ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料２２を製造した。
【００３９】
次に図１５（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１２を供給した。次に、図１５（ｂ）に示すように、光学材料２２上にガラス（ＢＫ７）平板２３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図１５（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。この光学原料２２はＵＶ露光し硬化することにより、重合が進みポリビニルカルバゾールとＣｒ２Ｏ５微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子２２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８２４，νｄ＝１５．９）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００４０】
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３（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。
【００４１】
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１０．５０μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２４の山の高さは２．９４μｍ、回折光学素子８の山の高さは６．０６μｍである。
【００４２】
図１７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１７において、積層型回折光学素子３０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００４３】
また図１８は、積層型回折光学素子３０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図１８において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．４０％である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子３０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００４４】
（実施例４）
次に図１９、図２０、図２１、図２３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、平均粒径１０ｎｍのＢａＴｉＯ３微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料３２を製造した。
【００４５】
次に図１９（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１９（ｂ）に示すように、光学材料３２上にガラス（ＢＫ７）平板３３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図１９（ｃ）に示すように、硬化した光学素子３２’を金型３１から離型して回折光学素子３４を製造した。この光学原料３２はＵＶ露光し硬化することにより、重合が進みポリビニルカルバゾールとＢａＴｉＯ３微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子３２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８６７，νｄ＝１４．７）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００４６】
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３（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。
【００４７】
次に回折光学素子３４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２０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３４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３４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３４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は９．６０μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２４の山の高さは２．６４μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．４６μｍである。
【００４８】
図２１は、製造された積層型回折光学素子４０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２１において、積層型回折光学素子４０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００４９】
また図２２は、積層型回折光学素子４０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図１４において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．２４％であり、３．４０％以下である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子４０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００５０】
（比較例２）
次に図２３、図２４、図２５、図２６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、平均粒径１０ｎｍのＴｉＯ２微粒子を１０ｗ％分散させたフッ素系溶剤に１００ｇに、下記一般式（１）で表わされる化合物の構造の非晶性フッ素樹脂を１３．８ｇ添加し光学原料２１２を製造した。
【００５１】
一般式（１）
【００５２】
【化１】
【００５３】
次に図２３（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型２１１に光学原料２１２を流し込んだ。次に、図２３（ｂ）に示すように、光学原料２１２の溶剤成分を７０℃で加熱することにより７０％程蒸発させた。その後、図２３（ｃ）に示すように、光学原料２１２上にガラス（ＢＫ７）平板２１３を乗せ、図３９（ｄ）に示すように、真空チャンバー２１５内に配置し、金型２１１ごと７０℃に保った状態で２ｈＰａの真空状態で４８時間保持した。その後、図２３（ｅ）に示すように、硬化した光学素子２１２’を金型２１１から離型して回折光学素子２１４を作製した。尚、この光学素子２１２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．５８９，νｄ＝１５．０）であった。この光学特性はνｄ≦１６は満足しているが、ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、は満足していない。
【００５４】
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３（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。
【００５５】
次に回折光学素子２１４と回折光学素子８に反射防止膜を成膜した後、図２４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２２０を製造した。２１９は回折光学素子２１４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２１４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２１４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は１１．４９μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２１４の山の高さは４．１１μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．８７μｍである。
【００５６】
図２５は、製造された積層型回折光学素子２２０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２５において、製造された積層型回折光学素子２２０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６において、積層型回折光学素子２２０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００５７】
しかしながら、図２６は、積層型回折光学素子２２０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。尚比較のために実施例１の図６の値もあわせて表示している。図２６において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなり、入射角１０°のおける光損失率は３．４８％である。この値は、要求される光損失率の値である３．４０％以下である。従って積層型回折光学素子２２０は、積層型回折光学素子として特定次数に光線が充分に集中しているとはいえない。
【００５８】
次に、前述の実施例１〜８及び比較例１〜２の、入射角１０°のおける光損失率を表１に示した。表１において条件１とはｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、条件２とはνｄ≦１６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。積層型回折光学素子に要求させるのは、入射角１０°のおける光損失率は３．４０％以下であるので、良否の判定は３．４０％以下かどうかにより決定した。
【００５９】
【表１】
【００６０】
表１から分かるように実施例１〜８の光学材料においては、比較例１、２の光学素子に比べ、入射角１０°のおける光損失率が小さく、特定次数に光線が集中していることが分かる。すなわち、条件１であるｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０及び条件２であるνｄ≦１６の少なくとも一方でも満足していないと、所望の光損失率を達成する事ができずで、特定次数に光線を集中させる事ができない。
【００６１】
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積層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９０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、８１は第１層、８２は第２層、８３は第３層である。第３層８３は前述の実施例１〜８に示したｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０でかつ、νｄ≦１６を満足する光学材料により形成されている。第１層８１、第２層８２を形成する光学材料は、そのアッペ数が第３層８３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。
【００６２】
［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９３を示す。図２８において９１は光源、９２はレチクル、９８のレンズ鏡筒、９４はレンズ、９５は本発明の回折光学素子、９６はウエハ、９７はウエハステージである。
【００６３】
回折光学素子９５は、レンズ９４の色収差を補正するように設けてある。ウエハステージ９７によってウエハ９６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９２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９１からの照明光によってレチクルを照明し、レチクル９２の上の回路パターンを投影光学系９８によってウエハ９６のレジスト上に投影露光する。
【００６４】
こうして露光したウエハ９６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。
【００６５】
［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１０８は回折光学素子１０５、屈折光学素子１０３、絞り１０４を各々少なくとも１つ以上有している。図２９では撮影光学系１０８に入射した物体からの光束が受光部（撮像手段）１０６に結像する状態を示している。
【００６６】
回折光学素子１０５の設計次数の回折光は、屈折光学素子１０３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１０６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１０６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。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、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および、アッペ数（νｄ）がνｄ≦１６である光学材料とする事により、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。また使用波長域全域で特定次数（設計次数）の光線が充分集中させ、回折次数の回折光の強度を高める事ができる。またそれにより、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の発生を防止することができる。
【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】 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３】 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４】 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５】 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６】 実施例１における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図７】 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８】 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９】 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１０】 比較例１における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図１１】 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１２】 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１３】 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１４】 実施例２における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図１５】 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１６】 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１７】 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１８】 実施例３における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図１９】 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２０】 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２１】 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２２】 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２３】 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２４】 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２５】 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２６】 比較例２における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図２７】 ３層の積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３の実施の形態における撮影光学系の模式図
【符号の説明】
１，５，１１，２１，３１，２０１，２１１ 金型
２，１２，２２，３２ 光学原料
２’，１２’，２２’，３２’，２１２’ 光学素子
３，７，１３，２３，３３， ガラス平板
４，８，１４，２４，３４，８５，９５，２０４，２１４ 回折光学素子
６ 光硬化樹脂
９，１９，２９，３９，２０９，２１９ スペーサ
１０，２０，３０，８０，９０，２１０，２２０ 積層型回折光学素子
２１５ 真空チャンバー
８１ 第１層
８２ 第２層
８３ 第３層
９２ レチクル
９３ レンズ鏡筒
９４ レンズ
９６ ウエハ
９７ ウエハステージ
９８ 投影光学系
１０３ 屈折光学素子
１０４ 絞り
１０６ 受光部
１０８ 撮影光学系
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ、フィルター、ミラーとして使用される光学素子に関するものであり、特に屈折率分散が高い光学材料からなる回折光学素子及び屈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、ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．１３５４ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｌｅｎｓ Ｄｅｓｉｇｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（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積層型回折光学素子を形成しており、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を組み合わせている。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（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝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（ｎｄ＝１．６９８，νｄ＝５５．５：オハラ製）、アクリル樹脂（ｎｄ＝１．４９，νｄ＝５７．７）、Ｃｙｔｏｐ（ｎｄ＝１．３４１４９，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５２５，νｄ＝５０．８：大日本インキ製）、ＰＭＭＡ（ｎｄ＝１．４９１７，νｄ＝５７．４）、ＢＭＳ８１（ｎｄ＝１．６４，νｄ＝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（ｎｄ＝１．５８，νｄ＝３０．５：帝人化成）、ＰＳ（ｎｄ＝１．５９１８，νｄ＝３１．１）、等を用いている。
【０００８】
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（ｎｄ）、横軸はアッベ数（νｄ）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ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０を満たしている事がわかる。尚、図に示した直線はｎｄ＝−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０である。
【０００９】
【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
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
積層型回折光学素子の構成においては、屈折率分散の高い材料と低い材料における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。またそのため、回折光学素子の更なる機能向上を図るには、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。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。
【００１１】
しかしながら近年、光学素子において要求される特性はさらに厳しくなっている。そのため、回折光学素子において使用波長領域の光束が設計次数に集中させ、回折効率を高くするには、単に屈折率分散の高い材料と低い材料を使用する事により、使用波長領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における回折効率が９５％以上とするだけではなく、入射角１０°のおける光損失率が３．４０％以下の光学特性を示すことが必要となっている。アッペ数が１７．３であるポリビニルカルバゾール（ＰＶＣＺ）は、後述する比較例１で示すように、使用波長領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）における回折効率９５％以上であるが、入射角１０°のおいて光損失率が３．４０％以下を満足する事ができない。即ち、使用波長領域の光束を特定次数に集中した、所望の高い回折効率を達成することができない。
【００１２】
本発明は、屈折率（ｎｄ）がｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、アッペ数（νｄ）がνｄ≦１６の光学材料からなる光学素子を使用することにより、可視領域全域における回折効率を向上させるとともに、各入射角度における次回折光の強度の光損失率が少なく、使用波長領域の光束を特定次数に集中している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、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である光学材料及びそれにより形成された光学素子を提供している。
【００１４】
また本発明は、第１の基板の表面に、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である第１の光学材料からなり、前記第１の基板の表面と逆の表面が回折形状を有する回折面である第１の光学部材が形成された第１の回折光学素子と、第２の基板の表面に、前記第１の光学材料よりもアッペ数が大きい第２の光学材料からなり、前記第２の基板の表面と逆の表面が回折形状を有する回折面である第２の光学部材が形成された第２の第２の回折光学素子とを有し、前記第１の回折光学素子と前記第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を提供している。
【００１５】
また本発明は、基板の表面に形成され、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である第１の光学材料からなり、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の層の回折面の上に形成され、前記第１の光学材料よりもアッペ数が大きい第２の光学材料からなる第２の層とを有することを特徴とする積層型回折光学素子を提供している。
【００１６】
【発明の実施の形態】
［第１の実施の形態］
本発明者は、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、アッペ数が小さい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（ｎｄ＝２．２６５２，νｄ＝１１．８），Ｎｂ２Ｏ５（ｎｄ＝２．３６７，νｄ＝１４．０），ＩＴＯ（ｎｄ＝１．８５８１，νｄ＝５．５３），Ｃｒ２Ｏ３（ｎｄ＝２．２１７８，νｄ＝１３．４），ＢａＴｉＯ３（ｎｄ＝２．４３６２，νｄ＝１１．３）等が考えられる。
【００１７】
しかしこれらの無機酸化物は、通常反射防止膜を構成する材料であり、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、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により、非常に容易に光学材料として製造することができる。また容易に形状を整えることも可能であり、屈折光学素子や回折光学素子への適用が容易である。
【００１８】
また、無機酸化物を用いる際にはその粒径が２〜１００ｎｍであることが望ましい。粒径が１００ｎｍ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、無機酸化物の特性を示さなくなる。
【００１９】
また、無機酸化物を含有するポリマーとしては、微粒子を混合し均一に分散することのできるポリビニルカルバゾールが最も好適である。無機酸化物を含有したポリビニルカルバゾールは無機酸化物微粒子をＮ−ビニルカルバゾールに添加されたものを硬化させることにより得られる。但し、無機酸化物を含有するポリマーはポリビニルカルバゾールに限られるものではなく、光学材料としてｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０でかつ、νｄ≦１６を満足するものであれば良い。またアッベ数をνｄ≦１６とする事により、光学素子の開口数を上げる事ができ、光学素子の厚さをさらに薄くすることも可能となる。そのため、前述の無機酸化物を光学材料として使用することがより容易となる。
【００２０】
（実施例１）
図２乃至図６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ＴｉＯ２微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料２を製造した。
【００２１】
次に図２（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２（ｂ）に示すように、光学原料２上にガラス（ＢＫ７）平板３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図２（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。この光学原料２はＵＶ露光し硬化することにより重合が進み、ポリビニルカルバゾールとＴｉＯ２微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８２４，νｄ＝１５．１）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００２２】
一方、もう一つの光学素子を形成するため、光学特性が（ｎｄ＝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３（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型５に光硬化樹脂６を流し込んだ。その上にガラス（ＢＫ７）平板７を乗せて、図３（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／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，３０秒）照射した後、図３（ｃ）に示すように、硬化した光硬化樹脂６を金型５から離型して回折光学素子８を製造した。
【００２３】
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４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９．８９μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子４の山の高さは２．７８μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．６１μｍである。
【００２４】
図５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５において、積層型回折光学素子１０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００２５】
また図６は、積層型回折光学素子１０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図６において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．２７％であり、３．４０％以下である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子１０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００２６】
（比較例１）
次に図７、図８、図９、図１０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、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２０２を製造した。
【００２７】
次に図７（ａ）に示すように光学原料２０２を金型２０１に供給した。その次に、図７（ｂ）に示すように、光学原料２０２上をガラス（ＢＫ７）平板２０３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／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）照射した。その後図７（ｃ）に示すように、光硬化樹脂２０２を金型２０１から離型して回折光学素子２０４を製造した。この光硬化樹脂２０２はＵＶ露光し硬化することにより重合が進みポリビニルカルバゾールからなる光学材料となる。この光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．７０２，νｄ＝１７．４）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０は満足するが、νｄ≦１６を満足するものではない。
【００２８】
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３（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。
【００２９】
次に回折光学素子２０４と回折光学素子８に反射防止膜を成膜した後、図８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２１０を製造した。２０９は回折光学素子２０４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２０４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２０４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１４の山の高さは３．９２μｍ、回折光学素子８の山の高さは６．４５μｍである。
【００３０】
図９は、製造された積層型回折光学素子２１０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９において、積層型回折光学素子２１０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００３１】
しかしながら、図１０は、積層型回折光学素子２１０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。尚比較のために実施例１の図６の値もあわせて表示している。図１０において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなり、入射角１０°のおける光損失率は３．５２％である。この値は、要求される光損失率の値である３．４０％以下である。従って積層型回折光学素子２１０は、積層型回折光学素子として特定次数に光線が充分に集中しているとはいえない。
【００３２】
（実施例２）
次に図１１、図１２、図１３、図１４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Ｎｂ２Ｏ３微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料１２を製造した。
【００３３】
次に図１１（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型１１に光学原料１２を供給した。次に、図１１（ｂ）に示すように、光学材料１２上にガラス（ＢＫ７）平板１３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図１１（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。この光学原料１２はＵＶ露光し硬化することにより、重合が進みポリビニルカルバゾールとＮｂ２Ｏ３微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子１２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８５０，νｄ＝１６．０）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００３４】
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３（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。
【００３５】
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１２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１０．４１μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子１４の山の高さは２．９２μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．９９μｍである。
【００３６】
図１３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１３において、積層型回折光学素子２０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００３７】
また図１４は、積層型回折光学素子２０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図１４において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．４０％である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子２０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００３８】
（実施例３）
次に図１５、図１６、図１７、図１８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Ｃｒ２Ｏ５微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１３０ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料２２を製造した。
【００３９】
次に図１５（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１２を供給した。次に、図１５（ｂ）に示すように、光学材料２２上にガラス（ＢＫ７）平板２３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図１５（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。この光学原料２２はＵＶ露光し硬化することにより、重合が進みポリビニルカルバゾールとＣｒ２Ｏ５微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子２２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８２４，νｄ＝１５．９）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００４０】
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３（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。
【００４１】
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１０．５０μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２４の山の高さは２．９４μｍ、回折光学素子８の山の高さは６．０６μｍである。
【００４２】
図１７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１７において、積層型回折光学素子３０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００４３】
また図１８は、積層型回折光学素子３０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図１８において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．４０％である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子３０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００４４】
（実施例４）
次に図１９、図２０、図２１、図２３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、平均粒径１０ｎｍのＢａＴｉＯ３微粒子を１０ｗ％分散させたクロロフォルム溶液に１００ｇにＮ−ビニルカルバゾール（東京化成工業製）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、クロロフォルムを減圧して除去し光学原料３２を製造した。
【００４５】
次に図１９（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１９（ｂ）に示すように、光学材料３２上にガラス（ＢＫ７）平板３３を乗せ、型ごと７０℃に保った状態でＵＶ露光機（ＥＸ２５０：ＨＯＹＡ−ＳＣＨＯＴＴ社製）で２００００ｍＪ／ｃｍ２（１００ｍＷ／ｃｍ２，２００秒）で照射した。その後、図１９（ｃ）に示すように、硬化した光学素子３２’を金型３１から離型して回折光学素子３４を製造した。この光学原料３２はＵＶ露光し硬化することにより、重合が進みポリビニルカルバゾールとＢａＴｉＯ３微粒子の光学材料が形成される。尚、この光学素子３２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．８６７，νｄ＝１４．７）であった。この光学特性はｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、νｄ≦１６をともに満足するものである。
【００４６】
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３（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。
【００４７】
次に回折光学素子３４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２０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３４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３４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３４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は９．６０μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２４の山の高さは２．６４μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．４６μｍである。
【００４８】
図２１は、製造された積層型回折光学素子４０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２１において、積層型回折光学素子４０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００４９】
また図２２は、積層型回折光学素子４０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。図１４において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなるが、入射角１０°のおける光損失率は３．２４％であり、３．４０％以下である。従ってこの値は非常に良好な特性を示しており、積層型回折光学素子４０は、特定次数に光線が充分集中していると言うことができる。
【００５０】
（比較例２）
次に図２３、図２４、図２５、図２６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、平均粒径１０ｎｍのＴｉＯ２微粒子を１０ｗ％分散させたフッ素系溶剤に１００ｇに、下記一般式（１）で表わされる化合物の構造の非晶性フッ素樹脂を１３．８ｇ添加し光学原料２１２を製造した。
【００５１】
一般式（１）
【００５２】
【化１】
【００５３】
次に図２３（ａ）に示す様に、回折格子形状に加工された金型２１１に光学原料２１２を流し込んだ。次に、図２３（ｂ）に示すように、光学原料２１２の溶剤成分を７０℃で加熱することにより７０％程蒸発させた。その後、図２３（ｃ）に示すように、光学原料２１２上にガラス（ＢＫ７）平板２１３を乗せ、図３９（ｄ）に示すように、真空チャンバー２１５内に配置し、金型２１１ごと７０℃に保った状態で２ｈＰａの真空状態で４８時間保持した。その後、図２３（ｅ）に示すように、硬化した光学素子２１２’を金型２１１から離型して回折光学素子２１４を作製した。尚、この光学素子２１２’を形成する光学材料の光学特性は（ｎｄ＝１．５８９，νｄ＝１５．０）であった。この光学特性はνｄ≦１６は満足しているが、ｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０、は満足していない。
【００５４】
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３（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。
【００５５】
次に回折光学素子２１４と回折光学素子８に反射防止膜を成膜した後、図２４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２２０を製造した。２１９は回折光学素子２１４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２１４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２１４と回折光学素子８のお互いの回折格子の谷間の間隔は１１．４９μｍ、山間の間隔は１．５０μｍである。回折光学素子２１４の山の高さは４．１１μｍ、回折光学素子８の山の高さは５．８７μｍである。
【００５６】
図２５は、製造された積層型回折光学素子２２０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２５において、製造された積層型回折光学素子２２０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６において、積層型回折光学素子２２０の回折効率は、使用波長の全域である波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲において９５％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。
【００５７】
しかしながら、図２６は、積層型回折光学素子２２０への入射角度を変異させた際の、各入射角度における次回折光の強度の低下する比率を示したグラフである。横軸は入射角、縦軸は光の損失率である。尚比較のために実施例１の図６の値もあわせて表示している。図２６において、入射角が大きくなればなるほど損失率は高くなり、入射角１０°のおける光損失率は３．４８％である。この値は、要求される光損失率の値である３．４０％以下である。従って積層型回折光学素子２２０は、積層型回折光学素子として特定次数に光線が充分に集中しているとはいえない。
【００５８】
次に、前述の実施例１〜８及び比較例１〜２の、入射角１０°のおける光損失率を表１に示した。表１において条件１とはｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０であり、条件２とはνｄ≦１６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。積層型回折光学素子に要求させるのは、入射角１０°のおける光損失率は３．４０％以下であるので、良否の判定は３．４０％以下かどうかにより決定した。
【００５９】
【表１】
【００６０】
表１から分かるように実施例１〜８の光学材料においては、比較例１、２の光学素子に比べ、入射角１０°のおける光損失率が小さく、特定次数に光線が集中していることが分かる。すなわち、条件１であるｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０及び条件２であるνｄ≦１６の少なくとも一方でも満足していないと、所望の光損失率を達成する事ができずで、特定次数に光線を集中させる事ができない。
【００６１】
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積層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９０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、８１は第１層、８２は第２層、８３は第３層である。第３層８３は前述の実施例１〜８に示したｎｄ＞−６．６６７×１０−３νｄ＋１．７０でかつ、νｄ≦１６を満足する光学材料により形成されている。第１層８１、第２層８２を形成する光学材料は、そのアッペ数が第３層８３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。
【００６２】
［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９３を示す。図２８において９１は光源、９２はレチクル、９８のレンズ鏡筒、９４はレンズ、９５は本発明の回折光学素子、９６はウエハ、９７はウエハステージである。
【００６３】
回折光学素子９５は、レンズ９４の色収差を補正するように設けてある。ウエハステージ９７によってウエハ９６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９２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９１からの照明光によってレチクルを照明し、レチクル９２の上の回路パターンを投影光学系９８によってウエハ９６のレジスト上に投影露光する。
【００６４】
こうして露光したウエハ９６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。
【００６５】
［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１０８は回折光学素子１０５、屈折光学素子１０３、絞り１０４を各々少なくとも１つ以上有している。図２９では撮影光学系１０８に入射した物体からの光束が受光部（撮像手段）１０６に結像する状態を示している。
【００６６】
回折光学素子１０５の設計次数の回折光は、屈折光学素子１０３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１０６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１０６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。
【００６７】
【発明の効果】
本発明によれば、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および、アッペ数（νｄ）がνｄ≦１６である光学材料とする事により、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。また使用波長域全域で特定次数（設計次数）の光線が充分集中させ、回折次数の回折光の強度を高める事ができる。またそれにより、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の発生を防止することができる。
【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】 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３】 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４】 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５】 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６】 実施例１における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図７】 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８】 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９】 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１０】 比較例１における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図１１】 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１２】 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１３】 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１４】 実施例２における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図１５】 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１６】 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１７】 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１８】 実施例３における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図１９】 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２０】 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２１】 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２２】 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２３】 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２４】 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２５】 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２６】 比較例２における多層回折光学素子の光損失率を示すグラフ。
【図２７】 ３層の積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３の実施の形態における撮影光学系の模式図
【符号の説明】
１，５，１１，２１，３１，２０１，２１１ 金型
２，１２，２２，３２ 光学原料
２’，１２’，２２’，３２’，２１２’ 光学素子
３，７，１３，２３，３３， ガラス平板
４，８，１４，２４，３４，８５，９５，２０４，２１４ 回折光学素子
６ 光硬化樹脂
９，１９，２９，３９，２０９，２１９ スペーサ
１０，２０，３０，８０，９０，２１０，２２０ 積層型回折光学素子
２１５ 真空チャンバー
８１ 第１層
８２ 第２層
８３ 第３層
９２ レチクル
９３ レンズ鏡筒
９４ レンズ
９６ ウエハ
９７ ウエハステージ
９８ 投影光学系
１０３ 屈折光学素子
１０４ 絞り
１０６ 受光部
１０８ 撮影光学系
Claims (5)
- 平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６であることを特徴とする光学材料。
- 請求項１に記載の光学材料により形成された光学部材と、該光学部材をその表面に形成した基板からなることを特徴とする光学素子。
- 請求項２に記載の光学部材の表面は、回折形状が形成された回折面であることを特徴とする回折光学素子。
- 第１の基板の表面に、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である第１の光学材料からなり、前記第１の基板の表面と逆の表面が回折形状を有する回折面である第１の光学部材が形成された第１の回折光学素子と、
第２の基板の表面に、前記第１の光学材料よりもアッペ数が大きい第２の光学材料からなり、前記第２の基板の表面と逆の表面が回折形状を有する回折面である第２の光学部材が形成された第２の第２の回折光学素子とを有し、
前記第１の回折光学素子と前記第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。 - 基板の表面に形成され、平均粒径が２〜１００ｎｍのＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｃｒ２Ｏ３、ＢａＴｉＯ３のうちの少なくとも一つの無機物質と、ポリビニルカルバゾールとを含み、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）がνｄ≦１６である第１の光学材料からなり、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の層の回折面の上に形成され、前記第１の光学材料よりもアッペ数が大きい第２の光学材料からなる第２の層とを有することを特徴とする積層型回折光学素子。
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