JP5104220B2 - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は回折光学素子およびその製造方法に関し、より特定的には、光学特性に優れた回折光学素子およびその製造方法に関する。
近年、光の回折現象を利用して光の進行方向を変化させることにより集光等を行なう回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ；ＤＯＥ）が注目されている。この回折光学素子は、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成されており、その加工精度が光学特性に大きな影響を及ぼす。そのため、回折光学素子の加工方法に関しては多くの検討がなされ、種々の加工方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。
特開平１１−１９７９０２号公報
特開平１０−１３８００４号公報
国際公開第２００３／０５５８２６号パンフレット
しかしながら、上記特許文献１および２に開示された切削工具を用いた加工方法では、回折光学素子が硬質の素材、たとえばセラミックスからなっている場合、切削工具の摩耗が進行して加工精度が低下するため、回折光学素子の光学特性が低下する。また、切削工具が短期間で摩耗すると、切削工具を頻繁に交換する必要が生じ、生産効率が低下して製造コストが上昇するという問題も生じる。これに対し、特許文献１および２においては、切削工具にダイヤモンド工具を採用する対策等が開示されている。しかし、この対策により、切削工具の摩耗の進行がある程度抑制されるものの、加工精度の上昇は必ずしも十分とはいえない。また、ダイヤモンド工具が採用されることにより、製造コストが上昇するという問題も生じる。
一方、上記特許文献３に開示されたセラミックスからなる光学部品の製造方法によれば、セラミックスからなる光学部品が焼結および加圧成形されるため、上記切削工具の摩耗の問題を大幅に抑制することができる。しかしながら、セラミックスからなる回折光学素子の製造プロセスに焼結および加圧成形を採用するのみでは、必ずしも十分な加工精度が得られず、光学特性が十分に向上しない。
そこで、本発明の目的は、加工精度を向上させることにより、光学特性を向上させたセラミックスからなる回折光学素子、および製造コストを抑制しつつ、加工精度を向上させることにより、光学特性を向上させたセラミックスからなる回折光学素子を製造可能な回折光学素子の製造方法を提供することである。
本発明に従った回折光学素子は、赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子である。そして、当該表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値が０．０５μｍ以下であり、当該表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下である。また、上記回折光学素子は、セラミックスからなる粉末の焼結体である。そして、回折光学素子の光軸を含む断面における突出部の先端は、当該粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。
本発明者は、赤外線を透過可能なセラミックスからなる回折光学素子の加工精度と光学特性との関係を詳細に調査した。その結果、回折光学素子の表面粗さおよび当該表面粗さの部位によるばらつきが、回折光学素子の光学特性に大きな影響を及ぼすことを見出した。そして、回折光学素子の表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値を０．０５μｍ以下、当該表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差を０．０２μｍ以下とすることにより、回折光学素子の光学特性を大幅に向上させることが可能となることが分かった。したがって、本発明の回折光学素子によれば、光学特性が大幅に向上した回折光学素子を提供することができる。また、回折光学素子がセラミックスからなる粉末の焼結体である場合、突出部の先端の加工精度は当該粉末の粒径の影響を受ける。そして、上記突出部の先端が当該粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有していることにより、突出部の先端の加工精度が向上し、回折光学素子の光学特性が向上する。
ここで、光学有効領域とは、光学素子の表面のうち、光学素子の使用状態において光が入射または／および出射可能な領域をいう。また、上記面粗さＲａの平均値は、たとえば光学有効領域内の任意の５箇所の面粗さを測定し、その平均を算出することにより調査することができる。さらに、上記面粗さＲａの差は、たとえば光学有効領域内の任意の５箇所の面粗さを測定し、その最大値と最小値の差を算出することにより調査することができる。
上記回折光学素子において好ましくは、回折光学素子の光軸を含む断面における溝部の底は、上記粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。
回折光学素子がセラミックスからなる粉末の焼結体である場合、溝部の底の加工精度も、突出部の先端と同様に、当該粉末の粒径の影響を受ける。そして、上記溝部の底が当該粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有していることにより、溝部の底の加工精度が向上し、回折光学素子の光学特性が向上する。
上記回折光学素子において好ましくは、回折光学素子の光軸を含む断面における溝部の底において、光軸から遠い側の面は、底から離れるにしたがって光軸から離れるように傾斜するとともに、光軸から遠い側の面と光軸に平行な直線とは、７°以上７５°以下の角度をなしている。
これにより、回折光学素子の製造工程において、上記突出部および溝部が型による拘束により成形される場合、当該型による拘束が解除される際の型からの離脱（離型）が容易となる。
なお、セラミックスからなる上記回折光学素子は、セラミックスを主成分として含み、残部不純物からなるものであってもよいし、セラミックスを主成分とし、焼結助剤などの添加剤を含み、残部不純物からなるものであってもよい。
本発明に従った回折光学素子の製造方法は、赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子の製造方法である。この回折光学素子の製造方法は、セラミックスからなる原料粉末が成形されることにより、成形体が作製される工程と、成形体が熱処理されて焼結前駆体が作製される工程と、焼結前駆体が型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される工程とを備えている。当該型は、突出部を成形する突出部成形部と、溝部を成形する溝部成形部とを含んでいる。そして、加圧焼結体が作製される工程において型に拘束された焼結前駆体の光軸を含む断面における、型の突出部成形部の底は、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。また、上記回折光学素子の製造方法では、上記表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値が０．０５μｍ以下であり、上記表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下である前記回折光学素子が製造される。
本発明の回折光学素子の製造方法においては、回折光学素子の突出部および溝部が型により成形される。そして、当該型の突出部成形部の底が、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。そのため、上記焼結前駆体が型により拘束されて変形される際に、焼結前駆体の型への追従性が向上し、加工精度が向上する。さらに、作製された加圧焼結体が型から分離される際の、突出部の先端における欠けの発生が抑制されるため、回折光学素子の加工精度が向上するとともに、型の汚染や損傷が抑制され、型の耐久性が向上して製造コストが抑制される。以上のように、本発明の回折光学素子の製造方法によれば、製造コストを抑制しつつ、加工精度を向上させることにより光学特性を向上させた、セラミックスからなる回折光学素子を製造することができる。
なお、本発明の回折光学素子の製造方法においては、型の素材として、超硬合金あるいは超硬合金にダイヤモンド状カーボン（Ｄｉａｍｏｎｄ Ｌｉｋｅ Ｃａｒｂｏｎ；ＤＬＣ）や窒化クロム（ＣｒＮ）などをコーティングしたもの、炭化珪素（ＳｉＣ）あるいは炭化珪素にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）−ＳｉＣなどをコーティングしたもの、黒鉛、炭化硼素（Ｂ４Ｃ）、窒化珪素（Ｓｉ３Ｎ４）、立方晶窒化硼素（ｃＢＮ）、ガラス状炭素などの高温強度に優れた素材を採用することができる。
上記回折光学素子の製造方法において好ましくは、上記焼結前駆体の光軸を含む断面における型の溝部成形部の先端は、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。
本発明に従った回折光学素子の製造方法は、赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子の製造方法である。この回折光学素子の製造方法は、セラミックスからなる原料粉末が成形されることにより、成形体が作製される工程と、成形体が熱処理されて焼結前駆体が作製される工程と、焼結前駆体が、型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される工程とを備えている。当該型は、突出部を成形する突出部成形部と、溝部を成形する溝部成形部とを含んでいる。そして、加圧焼結体が作製される工程において型に拘束された焼結前駆体の光軸を含む断面における、型の溝部成形部の先端は、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。また、上記回折光学素子の製造方法では、上記表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値が０．０５μｍ以下であり、上記表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下である前記回折光学素子が製造される。
回折光学素子の突出部および溝部が型により成形される場合、型の溝部成形部の先端が、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有していることにより、上述の突出部成形部の場合と同様に、焼結前駆体の型への追従性が向上し、加工精度が向上する。さらに、焼結前駆体に対して型が接触する際、溝部成形部の先端への応力集中が緩和され、当該溝部成形部の先端における型の損傷が抑制されるため、回折光学素子の加工精度が向上するとともに、型の耐久性が向上して製造コストが抑制される。
上記回折光学素子の製造方法において好ましくは、上記型に拘束された焼結前駆体の光軸を含む断面における溝部成形部の先端において、光軸から遠い側の面は、先端から離れるにしたがって光軸から離れるように傾斜するとともに、光軸から遠い側の面と光軸に平行な直線とは、７°以上７５°以下の角度をなしている。
これにより、加圧成形体の型からの離脱（離型）が容易となる。ここで、上記光軸から遠い側の面と光軸に平行な直線とのなす角度が７°未満では、離型が十分に容易とはならず、７５°を超えると回折光学素子の光学特性が低下するため、当該角度は７°以上７５°以下とすることが好ましい。
上記回折光学素子の製造方法において好ましくは、上記型は、砥石または砥粒を用いて研削加工されている。
上記型の表面粗さは、製造される回折光学素子の表面粗さに大きな影響を及ぼす。上述のように、型、特に型のうち回折光学素子の光学有効領域を成形する領域が砥石または砥粒を用いて研削加工されていることにより、型、特に型のうち回折光学素子の光学有効領域を成形する領域の表面粗さが低減される。その結果、一層加工精度を向上させることにより光学特性を向上させた、セラミックスからなる回折光学素子を製造することができる。ここで、上記砥石または砥粒（遊離砥粒）としては、たとえばダイヤモンド、ｃＢＮ、炭化ケイ素、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、超硬、酸化セリウム等の硬質材料を含む砥石または砥粒を用いることができる。
なお、上記回折光学素子の製造方法において製造されるセラミックスからなる回折光学素子は、セラミックスを主成分として含み、残部不純物からなるものであってもよいし、セラミックスを主成分とし、焼結助剤などの添加剤を含み、残部不純物からなるものであってもよい。したがって、上記原料粉末は、セラミックスを主成分として含み、残部不純物からなる粉末であってもよいし、セラミックスを主成分として含み、焼結助剤などの添加剤が添加され、残部不純物からなる粉末であってもよい。
本発明に従った回折光学素子は、上述の回折光学素子の製造方法により製造されている。
製造コストを抑制しつつ、加工精度を向上させることにより光学特性を向上させたセラミックスからなる回折光学素子を製造することが可能な、上記本発明の回折光学素子の製造方法により製造されていることにより、本発明の回折光学素子は、セラミックスからなり、優れた光学特性を有する回折光学素子となっている。
以上の説明から明らかなように、本発明の回折光学素子によれば、加工精度を向上させることにより、光学特性を向上させたセラミックスからなる回折光学素子を提供することができる。また、本発明の回折光学素子の製造方法によれば、製造コストを抑制しつつ、加工精度を向上させることにより、光学特性を向上させたセラミックスからなる回折光学素子を製造することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。なお、以下の図面において同一または相当する部分には同一の参照番号を付しその説明は繰返さない。
図１は、本発明の一実施の形態における回折光学素子の構成を示す概略断面図である。また、図２は、図１の領域αを拡大して示す概略部分断面図である。図１および図２を参照して、本発明の一実施の形態における回折光学素子について説明する。
図１を参照して、本実施の形態における回折光学素子１は、赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部１１と溝部１２とが繰り返し形成された回折光学素子である。この回折光学素子１は、円盤状の形状を有し、一方の主面３１は凸形状、他方の主面３２は平面形状を有している。また、一方の主面３１は、突出部１１と溝部１２とが繰り返し形成された領域である光学有効領域１０を含んでいる。光学有効領域１０は、上記突出部１１と溝部１２とが形成されていない縁部２０により取り囲まれている。さらに、上記突出部１１および溝部１２は、光軸Ａを中心として一方の主面３１に同心円状に形成されている。ここで、回折光学素子１を構成する赤外線を透過可能なセラミックスとしては、たとえば硫化亜鉛（ＺｎＳ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ）、フッ化カルシウム（ＣａＦ）、フッ化リチウム（ＬｉＦ）、石英（ＳｉＯ２）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などの多結晶体を採用することができる。なお、本発明の回折光学素子において突出部と溝部とが繰り返し形成される主面の形状（回折光学素子形状）は、上記一方の主面３１の形状を含め、平面、球面または以下の式（１）で表記される非球面の上に、突出部と溝部とが繰り返し形成された形状とすることができる。
そして、回折光学素子１の表面のうち光学有効領域１０内の面粗さＲａの平均値は０．０５μｍ以下となっており、光学有効領域１０内における面粗さＲａの差は０．０２μｍ以下となっている。
上記構成により、本実施の形態における回折光学素子１は、加工精度を向上させることにより、光学特性を向上させたセラミックスからなる回折光学素子となっている。
ここで、光学有効領域１０内の面粗さＲａは、たとえば突出部１１や溝部１２を乗り越えることなく、突出部１１および溝部１２に沿った方向、すなわち一方の主面３１において光軸Ａを中心とする径方向に垂直な方向に、任意の５箇所が測定される。そして、当該５箇所における測定値の平均値および最大値と最小値との差により、面粗さＲａの平均値および面粗さＲａの差を評価することができる。ただし、中心については、光軸Ａをまたぐ径方向に測定を行なう。
さらに、図１および図２を参照して、回折光学素子１は、上記セラミックスからなる粉末の焼結体であり、回折光学素子１の光軸Ａを含む断面における突出部１１の先端１１Ａは、当該粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。また、回折光学素子１の光軸Ａを含む断面における溝部１２の底１２Ａは、当該粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。ここで、平均粒径は、たとえば堀場製作所製レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置(ＬＡシリーズ)を用いて測定することができる。
これにより、突出部１１の先端１１Ａおよび溝部１２の底１２Ａの加工精度が向上し、回折光学素子の光学特性が一層向上している。
さらに、図２を参照して、回折光学素子１の光軸Ａを含む断面における溝部１２の底１２Ａにおいて、光軸Ａから遠い側の面１２Ｂは、底１２Ａから離れるにしたがって光軸Ａから離れるように傾斜するとともに、面１２Ｂと光軸Ａに平行な直線Ａ’とは、７°以上７５°以下の角度θをなしている。これにより、製造工程において、突出部１１および溝部１２が型による拘束により成形される場合、離型が容易となる。
次に、本発明の一実施の形態における回折光学素子の製造方法について説明する。図３は、本発明の一実施の形態における回折光学素子の製造方法の概略を示すフローチャートである。また、図４は、図３の加圧焼結工程を説明するための概略断面図である。また、図５〜図１１は、加圧焼結工程における図４の領域β付近を拡大して示す概略部分断面図である。
図３を参照して、本実施の形態における回折光学素子の製造方法においては、まず、セラミックスからなる原料粉末が準備される原料粉末準備工程が実施される。具体的には、原料粉末の主成分であるセラミックスの粉末、たとえばＺｎＳの粉末が準備される。
次に、図３を参照して、上記セラミックスからなる原料粉末が成形されることにより、成形体が作製される成形工程が実施される。具体的には、たとえば超硬合金、工具鋼などからなる硬質の金型を使用した油圧プレス法により上記粉末が成形されて、回折光学素子の概略形状を有する成形体が作製される。
次に、図３を参照して、上記成形体が熱処理されて焼結前駆体が作製される一次焼結工程が実施される。具体的には、上述のように作製された成形体に対して、たとえば３０Ｐａ以下の真空雰囲気下で５００℃以上１１００℃以下の温度に加熱され、１時間以上１０時間以下保持される熱処理が実施されて、焼結前駆体が作製される。この一次焼結工程における熱処理により、焼結前駆体の密度は５５〜８０体積％とされることが好ましい。このような条件の下では、原料粉末の粒径の変化はごく僅かとなっている。
次に、図３を参照して、上記焼結前駆体が、型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される加圧焼結工程が実施される。具体的には、図４を参照して、上述のように作製された焼結前駆体２が、回折光学素子１の突出部１１を成形する突出部成形部９１と、溝部１２を成形する溝部成形部９２とを含む型９により拘束されつつ、たとえば原料粉末の融点または昇華点の３０％以上原料粉末の融点または昇華点以下の温度に加熱され、１ＭＰａ以上３００ＭＰａ以下の圧力で加圧されて、焼結前駆体２よりも完成品である回折光学素子１に近い形状を有する加圧焼結体が作製される。
ここで、型９に拘束された焼結前駆体２の光軸Ａを含む断面における、突出部成形部９１の底９１Ａの曲率半径が、図５に示すように、原料粉末２１の平均粒径の２分の１以下である場合、焼結前駆体２が型９により拘束されて変形される際に、突出部１１の先端１１Ａ付近に空隙９９が形成されて、原料粉末２１から構成される焼結前駆体２の型９への追従性が低下する。その結果、突出部１１の先端１１Ａ付近の形状転写精度が低下するおそれがある。さらに、突出部成形部９１の底９１Ａ付近における原料粉末２１の充填が不十分となるため、突出部１１の先端１１Ａ付近の強度が低下し、図６に示すように、作製された加圧焼結体３が型９から離型される際に、突出部１１の先端１１Ａにおいて欠けが発生するおそれがある。その結果、突出部成形部９１の底９１Ａ付近に欠損部１１Ｃが残存し、型９が汚染されるとともに、再度型９が使用される際に、当該欠損部１１Ｃに起因して突出部成形部９１の底９１Ａ付近に損傷が発生するおそれがある。
これに対し、本実施の形態における回折光学素子の製造方法では、図４および図７を参照して、型９に拘束された焼結前駆体２の光軸Ａを含む断面における、型９の突出部成形部９１の底９１Ａは、原料粉末２１の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。そのため、図７に示すように、焼結前駆体２が型９により拘束されて変形される際に、原料粉末２１から構成される焼結前駆体２の型９への追従性が向上し、突出部１１の先端１１Ａ付近の形状転写精度が向上する。さらに、突出部成形部９１の底９１Ａ付近に原料粉末２１が十分に充填されるため、図８に示すように、作製された加圧焼結体３が型９から離型される際の、突出部１１の先端１１Ａにおける欠けの発生が抑制される。その結果、回折光学素子１の加工精度が向上するとともに、型９の汚染や損傷が抑制され、型９の耐久性が向上し、回折光学素子１の製造コストを抑制することができる。
さらに、図９を参照して、型９に拘束された焼結前駆体２の光軸Ａを含む断面における、溝部成形部９２の先端９２Ａの曲率半径が、原料粉末２１の平均粒径の２分の１以下である場合、上述の突出部成形部９１の場合と同様に、焼結前駆体２の型９への追従性が低下し、回折光学素子１の形状転写精度が低下するおそれがある。さらに、焼結前駆体２に対して型９が接触する際、溝部成形部９２の先端９２Ａに応力が集中する。その結果、当該溝部成形部９２の先端９２Ａにおいて型９の損傷が発生するおそれがある。
これに対し、本実施の形態における回折光学素子の製造方法では、図４および図１０を参照して、型９に拘束された焼結前駆体２の光軸Ａを含む断面における型９の溝部成形部９２の先端９２Ａは、原料粉末２１の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している。そのため、上述の突出部成形部９１の場合と同様に、焼結前駆体２の型９への追従性が向上し、回折光学素子１の形状転写精度が向上するとともに、図１０に示すように、焼結前駆体２に対して型９が接触する際、溝部成形部９２の先端９２Ａへの応力集中が緩和される。その結果、当該溝部成形部９２の先端９２Ａにおける型９の損傷が抑制されるため、型９の耐久性が向上し、回折光学素子１の製造コストを抑制することができる。
さらに、図４および図１１を参照して、型９に拘束された焼結前駆体２の光軸Ａを含む断面における溝部成形部９２の先端９２Ａにおいて、光軸Ａから遠い側の面９２Ｂは、先端９２Ａから離れるにしたがって光軸Ａから離れるように傾斜するとともに、光軸Ａから遠い側の面９２Ｂと光軸Ａに平行な直線Ａ’とは、７°以上７５°以下の角度θをなしている。そのため、焼結前駆体２が変形されて作製された加圧焼結体の型９からの離脱（離型）が容易となっている。
以上のように、本実施の形態における回折光学素子の製造方法によれば、製造コストを抑制しつつ、形状転写精度を向上させることにより、光学特性を向上させた回折光学素子１を製造することができる。
以下、本発明の実施例１について説明する。焼結により得られたセラミックスの焼結体に対して、型を用いた成形を実施して回折光学素子の突出部および溝部を形成した場合と、切削加工により当該突出部および溝部を形成した場合とにおける表面の粗さを比較する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
まず、図３に基づいて説明した上記本発明の実施の形態における回折光学素子の製造方法と同様に、原料粉末準備工程、成形工程および一次焼結工程を実施することにより、焼結前駆体を作製した。原料粉末の主成分となるセラミックスとしては、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＭｇＦ２およびＣａＦ２を採用した。そして、本発明の実施例として、当該焼結前駆体に対して、上記実施の形態と同様の方法で型による成形（上記実施の形態における加圧焼結工程）を実施し、直径φ１０ｍｍのレンズ形状を有し、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子を作製した（実施例Ａ〜Ｄ）。
ここで、型による成形においては、表面がダイヤモンドを含む砥石で研削された炭化ケイ素またはガラス状炭素からなる型が用いられ、真空加圧焼結炉において加圧および加熱されつつ上記焼結前駆体が変形されて成形が実施され、回折光学素子が作製された。加熱温度および圧力は、焼結前駆体の材質に応じて６００〜１６００℃および５〜３００ＭＰａの範囲から適宜選択された。
一方、本発明の範囲外の比較例として、上記焼結前駆体に対して、単結晶ダイヤモンドバイトを用いた切削加工による成形を実施し、直径φ１０ｍｍのレンズ形状を有し、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子を作製した（比較例Ａ〜Ｄ）。
そして、作製された上記実施例および比較例の回折光学素子（サンプル）に対して、表面粗さ（Ｒａ）の測定を行なった。測定箇所は中心からの距離が半径方向に０ｍｍ（中心）、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ、４ｍｍおよび５ｍｍの個所を測定領域とした。ここで、表面粗さＲａとは、粗さ曲線から、その平均線の方向に一定の基準長さを抜き取り、この抜き取り部分の平均線から粗さ曲線までの距離（偏差の絶対値）を合計してそれを基準長さで平均した値をいう。なお、表面粗さＲａの測定は、ＪＩＳ Ｂ ０６０１に準拠した測定方法で、たとえばフォータムリサーフ（Ｔａｙｌｏｒ Ｈｏｂｓｏｎ社製ＰＧＩシリーズ）を用いて行なうことができる。
次に、実験結果について説明する。上記実験における表面粗さの測定結果を表１に示す。表１には、各測定位置における表面粗さＲａ（単位：μｍ）が記載されている。表１を参照して、単結晶ダイヤモンドバイトを用いた切削加工により作製された比較例Ａ〜Ｄのサンプルにおいては、表面粗さＲａはいずれも０．０６μｍ以上となっており、６箇所の測定値の平均値は０．０８２〜０．０９３μｍ、最大値と最小値との差（ばらつき）は０．０３９〜０．０４３μｍとなっている。すなわち、比較例Ａ〜Ｄは、本発明の光学回折素子における面粗さＲａの平均値：０．０５μｍ以下、面粗さの差：０．０２μｍ以下との条件を満たしていない。これは、切削加工による作製方法では、単結晶ダイヤモンドバイトを用いた場合でも、十分に面粗さの平均値およびばらつきを低減できないことを示している。
これに対し、型を用いた成形により作製された実施例Ａ〜Ｄのサンプルにおいては、表面粗さＲａはいずれも０．０３５μｍ以下となっており、６箇所の測定値の平均値は０．０２９〜０．０３２μｍ、最大値と最小値との差（ばらつき）は０．００４〜０．００６μｍとなっている。すなわち、実施例Ａ〜Ｄは、本発明の光学回折素子における面粗さＲａの平均値：０．０５μｍ以下、面粗さの差：０．０２μｍ以下との条件を満たしている。このことから、型を用いた成形を採用した本発明の実施例における製造方法によれば、十分に面粗さの平均値およびばらつきを低減することにより光学特性を向上させた、回折光学素子が製造可能であることが確認された。
以下、本発明の実施例２について説明する。型を用いて回折光学素子の突出部を形成した場合の、原料粉末の粒径および使用された型の突出部成形部の底における曲率直径と、焼結前駆体の型への追従性、突出部の先端の破損および型の汚染の状態との関係を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
まず、図３に基づいて説明した上記本発明の実施の形態における回折光学素子の製造方法と同様に、原料粉末準備工程、成形工程および一次焼結工程を実施することにより、焼結前駆体を作製した。原料粉末の主成分となるセラミックスとしては、硫化亜鉛を採用した。そして、当該焼結前駆体に対して、上記実施の形態と同様の方法で型による成形（上記実施の形態における加圧焼結工程）を実施し、直径φ１０ｍｍのレンズ形状を有し、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子を作製した。ここで、原料粉末には、平均粒径が１μｍのものおよび２μｍのものを採用した。また、型は、突出部成形部の底における曲率直径が０．５〜４μｍのものを使用した。そして、焼結前駆体の型への追従性、突出部の先端の破損および型の汚染の状態を調査した。
次に、実験結果について説明する。上記実験における調査結果を表２に示す。表２の「追従性」では、型の突出部成形部の底における曲率直径に対する、作製された回折光学素子の突出部の先端における曲率直径の誤差が５％未満である場合を○、５％以上である場合を×と表示した。また、表２の「先端の破損」では、回折光学素子を２０個作製した場合に、回折光学素子の突出部の先端に破損（先端の欠損）が確認されなかった場合を○、確認された場合を×と表示した。さらに、表２の「型の汚染」では、回折光学素子を２０個作製した後、型の突出部成形部の底に回折光学素子を構成するセラミックスの付着が確認されなかった場合を○、付着が確認されたが洗浄にて除去可能な場合を△、付着が確認され、洗浄にて除去不可能な場合を×と表示した。
表２を参照して、突出部成形部の底の曲率直径が原料粉末の平均粒径未満（突出部成形部の底の曲率半径が原料粉末の平均粒径の１／２未満）である条件３、６および７では、「追従性」および「先端の破損」において良好な結果が得られない一方、突出部成形部の底の曲率直径が原料粉末の平均粒径以上（突出部成形部の底の曲率半径が原料粉末の平均粒径の１／２以上）である条件１、２、４および５においては、「追従性」および「先端の破損」において良好な結果が得られた。このことから、突出部成形部の底は、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有していることが好ましいといえる。さらに、「型の汚染」をより確実に回避する観点から、突出部成形部の底は、原料粉末の平均粒径のよりも大きい曲率半径を有していることがより好ましいといえる。
以下、本発明の実施例３について説明する。型を用いて回折光学素子の溝部を形成した場合の、原料粉末の粒径および使用された型の溝部成形部の先端における曲率直径と、焼結前駆体の型への追従性、および型の耐久性との関係を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
まず、上記実施例２と同様に焼結前駆体を作製した。そして、当該焼結前駆体に対して、上記実施の形態と同様の方法で型による成形（上記実施の形態における加圧焼結工程）を実施し、直径φ１０ｍｍのレンズ形状を有し、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子を作製した。ここで、原料粉末には、平均粒径が１μｍのものおよび２μｍのものを採用した。また、型は、溝部成形部の先端における曲率直径が０．５〜４μｍのものを使用した。そして、焼結前駆体の型への追従性、および型の耐久性を調査した。
次に、実験結果について説明する。上記実験における調査結果を表３に示す。表３の「追従性」では、型の溝部成形部の底における曲率直径に対する、作製された回折光学素子の溝部の先端における曲率直径の誤差が５％未満である場合を○、５％以上である場合を×と表示した。また、表３の「耐久性」では、溝部成形部の先端に損傷がない状態で、回折光学素子が１００個以上作製できた場合を○、１０個以上９９個以下作製できた場合を△、９個以下である場合を×と表示した。
表３を参照して、溝部成形部の先端の曲率直径が原料粉末の平均粒径未満（溝部成形部の先端の曲率半径が原料粉末の平均粒径の１／２未満）である条件３、６および７では、「追従性」において良好な結果が得られない一方、溝部成形部の先端の曲率直径が原料粉末の平均粒径以上（溝部成形部の先端の曲率半径が原料粉末の平均粒径の１／２以上）である条件１、２、４および５においては、「追従性」において良好な結果が得られた。このことから、溝部成形部の先端は、原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有していることが好ましいといえる。さらに、「耐久性」をより向上させる観点から、溝部成形部の先端は、２μｍ以上であることが好ましいといえる。
以下、本発明の実施例４について説明する。型を用いて回折光学素子を成形した場合の、回折光学素子の光軸を含む断面における光軸から遠い側の面と光軸に平行な直線とのなす角θ（図１１参照）である抜きテーパと、成形された回折光学素子の離型の容易性（離型性）および光学特性との関係を調査する実験を行なった。実験の手順は以下の通りである。
まず、上記実施例２および３と同様に焼結前駆体を作製した。そして、当該焼結前駆体に対して、上記実施の形態と同様の方法で型による成形（上記実施の形態における加圧焼結工程）を実施し、直径φ１０ｍｍのレンズ形状を有し、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子を作製した。そして、回折光学素子の成形に際し、型の抜きテーパを０〜８０°の範囲で変化させ、離型性を調査するとともに、得られた回折光学素子のＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ；変調伝達関数）を測定した。ＭＴＦとは、空間周波数分解能力を表し、高いほど良質な画像が得られる。このＭＴＦは、たとえば赤外線レンズ用ＭＴＦ測定装置（ユーカリ光学製ＹＹ−３０５）を用いて測定することができる。
次に、実験結果について説明する。上記実験の結果を表４に示す。表４の「離型性」では、型による成形後、真空ピンセットの吸引力により回折光学素子を型から分離可能であった場合を○、分離できなかった場合を×と表示した。また、「ＭＴＦの低下率」では、抜きテーパが０°の場合を基準として、測定されたＭＴＦの低下率を表示した。ここで、ＭＴＦの低下が４．５％未満であれば当該光学ロスは、実用上、画像に影響しない。
表４を参照して、離型性は抜きテーパが７°以上において良好であったのに対し、抜きテーパが大きくなるほどＭＴＦの低下率が上昇していることが分かる。そして、抜きテーパが７５°を超えるとＭＴＦの低下率が４．５％を超えている。したがって、離型性の向上と抜きテーパによる画像への影響の抑制とを両立する観点から、抜きテーパは７°以上７５°以下とすることが好ましいといえる。また、離型性を確実に確保する観点から、抜きテーパは１０°以上とすることが好ましく、１５°以上とすることがより好ましい。一方、抜きテーパによる画像への影響を一層抑制する観点から、抜きテーパは６０°以下とすることが好ましく、４５°以下とすることがより好ましい。
なお、上記実施の形態および実施例においては、本発明の回折光学素子の形状の一例として、平凸球面の形状を図示し、これに基づいて回折光学素子を説明したが、本発明の回折光学素子はこれに限られない。
図１２は、本発明の回折光学素子の形状の一例である平凸レンズの形状を示す概略断面図である。また、図１３は、本発明の回折光学素子の形状の一例である平凹レンズの形状を示す概略断面図である。また、図１４は、本発明の回折光学素子の形状の一例である両凸レンズの形状を示す概略断面図である。また、図１５は、本発明の回折光学素子の形状の一例である両凹レンズの形状を示す概略断面図である。また、図１６および図１７は、本発明の回折光学素子の形状の一例である凹凸レンズの形状を示す概略断面図である。
図１２〜図１７を参照して、本発明の回折光学素子の形状としては、たとえば、図１２に示すように、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成される回折面としての一方の主面３１が凸形状の球面または非球面であり、他方の主面３２が平面である平凸レンズ、図１３に示すように、回折面としての一方の主面３１が凹形状の球面または非球面であり、他方の主面３２が平面である平凹レンズ、あるいは図１４に示すように、回折面としての一方の主面３１が凸形状の球面または非球面であり、他方の主面３２も凸形状の球面または非球面である両凸レンズを採用することができる。さらに、本発明の回折光学素子の形状としては、図１５に示すように、回折面としての一方の主面３１が凹形状の球面または非球面であり、他方の主面３２も凹形状の球面または非球面である両凹レンズ、図１６に示すように、回折面としての一方の主面３１が凸形状の球面または非球面であり、他方の主面３２が凹形状の球面または非球面である凹凸レンズ、あるいは図１７に示すように、回折面としての一方の主面３１が凹形状の球面または非球面であり、他方の主面３２が凸形状の球面または非球面である凹凸レンズを採用してもよい。
すなわち、本発明の回折光学素子の形状としては、上記図１２〜図１７に示した形状を含め、平凸球面、平凸非球面、平凹球面、平凹非球面、両凸球面、両凸非球面、両凹球面、両凹非球面、メニスカス球面、メニスカス非球面など、種々の形状を選択することができる。
今回開示された実施の形態および実施例はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味、および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
本発明の回折光学素子およびその製造方法は、高い光学特性が要求される回折光学素子およびその製造方法に特に有利に適用され得る。
１ 回折光学素子、２ 焼結前駆体、３ 加圧焼結体、９ 型、１０ 光学有効領域、１１ 突出部、１１Ａ 先端、１１Ｃ 欠損部、１２ 溝部、１２Ａ 底、１２Ｂ 光軸から遠い側の面、２０ 縁部、２１ 原料粉末、３１ 一方の主面、３２ 他方の主面、９１ 突出部成形部、９１Ａ 底、９２ 溝部成形部、９２Ａ 先端、９２Ｂ 光軸Ａから遠い側の面、９９ 空隙。
Claims (9)
- 赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子であって、
前記表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値が０．０５μｍ以下であり、
前記表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下であり、
前記回折光学素子は、前記セラミックスからなる粉末の焼結体であり、
前記回折光学素子の光軸を含む断面における前記突出部の先端は、前記粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している、回折光学素子。 - 前記回折光学素子の光軸を含む断面における前記溝部の底は、前記粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している、請求項１に記載の回折光学素子。
- 前記回折光学素子の光軸を含む断面における前記溝部の底において、前記光軸から遠い側の面は、前記底から離れるにしたがって前記光軸から離れるように傾斜するとともに、前記面と前記光軸に平行な直線とは、７°以上７５°以下の角度をなしている、請求項１または２に記載の回折光学素子。
- 赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子の製造方法であって、
前記セラミックスからなる原料粉末が成形されることにより、成形体が作製される工程と、
前記成形体が熱処理されて焼結前駆体が作製される工程と、
前記焼結前駆体が、型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される工程とを備え、
前記型は、前記突出部を成形する突出部成形部と、前記溝部を成形する溝部成形部とを含み、
前記加圧焼結体が作製される工程において前記型に拘束された前記焼結前駆体の光軸を含む断面における、前記型の前記突出部成形部の底は、前記原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有し、
前記表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値が０．０５μｍ以下であり、前記表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下である前記回折光学素子が製造される、回折光学素子の製造方法。 - 前記断面における前記型の前記溝部成形部の先端は、前記原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有している、請求項４に記載の回折光学素子の製造方法。
- 赤外線を透過可能なセラミックスからなり、表面に突出部と溝部とが繰り返し形成された回折光学素子の製造方法であって、
前記セラミックスからなる原料粉末が成形されることにより、成形体が作製される工程と、
前記成形体が熱処理されて焼結前駆体が作製される工程と、
前記焼結前駆体が、型により拘束されつつ加圧され、かつ加熱されることにより変形されて、加圧焼結体が作製される工程とを備え、
前記型は、前記突出部を成形する突出部成形部と、前記溝部を成形する溝部成形部とを含み、
前記加圧焼結体が作製される工程において前記型に拘束された前記焼結前駆体の光軸を含む断面における、前記型の前記溝部成形部の先端は、前記原料粉末の平均粒径の２分の１よりも大きい曲率半径を有し、
前記表面のうち光学有効領域内の面粗さＲａの平均値が０．０５μｍ以下であり、前記表面のうち光学有効領域内における面粗さＲａの差が０．０２μｍ以下である前記回折光学素子が製造される、回折光学素子の製造方法。 - 前記断面における前記溝部成形部の先端において、前記光軸から遠い側の面は、前記先端から離れるにしたがって前記光軸から離れるように傾斜するとともに、前記面と前記光軸に平行な直線とは、７°以上７５°以下の角度をなしている、請求項４〜６のいずれか１項に記載の回折光学素子の製造方法。
- 前記型は、砥石または砥粒を用いて研削加工されている、請求項４〜７のいずれか１項に記載の回折光学素子の製造方法。
- 請求項４〜８のいずれか１項に記載の回折光学素子の製造方法により製造された、回折光学素子。
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