JP5180411B2 - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子およびその製造方法に関する。特に、レンズ基体の表面に光学調整層を有し、回折効率の波長依存性を低減した回折光学素子およびその製造方法に関する。

回折光学素子は、ガラスや樹脂等の光学材料からなる基体の表面に、多数の格子構造を備えた光学素子である。

回折光学素子は、種々の光学系に用いられており、例えば、特定次数の回折光を１点に集めるように設計したレンズや、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等として使用するもの等が知られている。

回折光学素子は、光学系をコンパクトにできるという特徴を有する。

また、屈折とは逆に長波長の光ほど回折は大きく発現することから、回折光学素子を屈折系の光学素子と組み合わせることにより、光学系の色収差や像面湾曲を改善することも可能である。

一方、上述した回折光学素子においては、回折効率は理想的には光の波長に依存することから、特定の波長の光で回折効率を最適となるように回折光学素子を設計すると、その他の波長では回折効率が低下するという課題を有する。例えば、カメラ用レンズ等の白色光を利用する光学系に回折光学素子を適用しようとした場合、この回折光学素子単独での適用には限界があるという問題がある。

このような課題に対して、特許文献１は、光学材料からなり、表面に回折格子が設けられた基体と、基体と異なる光学材料からなり、回折格子を覆う光学調整層とを備えた、位相差型の回折光学素子を開示している。

この位相差型の回折光学素子は、回折光学素子を透過する光の波長をλとし、回折格子の深さをｄとした場合、下記式（１）を満たすと波長λの光に対するｍ次回折効率が１００％となる。

ここで、ｍは整数であり、回折次数を表す。

従って、使用する光の波長帯域内において、ｄがほぼ一定となるような波長依存性を持つ屈折率ｎ１（λ）の光学材料と屈折率ｎ２（λ）の光学材料とを組み合わせる事ができれば、回折効率の波長依存性を低減することができる。一般的には、屈折率が高く波長分散の低い材料と、屈折率が低く波長分散の高い材料とが組み合わされる。特許文献１は、基体を構成する光学材料として樹脂を用い、光学調整層を構成する光学材料として紫外線硬化樹脂を用いることを開示している。

このような位相差型の回折光学素子では、光学特性の最適化が求められる一方で、少なからず性質の異なる基体と光学調整層とを接合させる構造となるため、効率よく密着させる構造上の最適化も求められる。

特許文献１においても、密着強度を向上させる手段として、回折格子を形成した第１領域を囲む平面状の第２領域に、回折輪帯と軸中心を合致させた同心円形状の突起部を設け、その突起を覆うように光学調整層を形成する構造とすることで、基体と光学調整層の接触面積を増大させ、密着強度を向上させる方法が開示されている。

特開２０１０−１０２０００号公報

本願発明者の検討によると、特許文献１に記載のように、平面状の第２領域に突起部（凸部）を設けても、密着強度が十分でない場合があることがわかった。

本発明は、基体と光学調整層の密着強度を向上させ、光学調整層の基体からの剥離および光学調整層の乖離に起因するクラックを抑制することのできる回折光学素子およびその製造方法を提供する。

本発明の回折光学素子は、第１の樹脂を含む第１の光学材料からなり、表面に回折格子形状を有する基体と、第２の樹脂を含む第２の光学材料からなり、前記基体の前記回折格子形状上に形成された光学調整層と、を有する回折光学素子であって、前記基体は、表面に前記回折格子形状を有する第１領域と、前記第１領域よりも外側に位置する第２領域とを有し、前記光学調整層は、前記第１領域と、前記第２領域の少なくとも一部とを覆うように形成されており、前記第２領域には、複数のアンカー溝が形成されており、前記複数のアンカー溝のうち最も外側に位置するアンカー溝の深さは、最も内側に位置するアンカー溝の深さよりも浅いことを特徴とする。

ある実施形態によれば、前記複数のアンカー溝の中で、前記最も内側に位置するアンカー溝が最も深く、外側に位置する溝ほど浅くなっている。

ある実施形態によれば、前記複数のアンカー溝のうち最も深いアンカー溝の深さは０．０５ｍｍ以下である。

ある実施形態によれば、前記複数のアンカー溝は、前記回折格子形状と軸中心を略合致させた同心円形状である。

ある実施形態によれば、前記第２領域の表面の一部は平面形状であり、前記光学調整層の表面の断面形状は、前記第１領域においては前記回折格子形状の回折段差の先端を結ぶ包絡線と略同一形状であり、前記第２領域においては前記基体形状に沿った略平面形状である。

ある実施形態によれば、前記光学調整層の厚さは、前記回折格子形状の回折段差の先端を結ぶ包絡線から法線方向に沿った前記光学調整層の表面までの長さが０．０５ｍｍ以下となる厚さである。

ある実施形態によれば、前記第１の光学材料は、前記第２の光学材料よりも低屈折率高分散材料である。

ある実施形態によれば、前記第２の光学材料は、樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料である。

ある実施形態によれば、前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、アルミナおよびシリカのうちの少なくとも１種類の酸化物を主成分とする。

本発明の回折光学素子の製造方法は、第１の樹脂を含む第１の光学材料からなり、表面に回折格子形状を有する基体と、第２の樹脂を含む第２の光学材料からなり、前記基体の前記回折格子形状上に形成された光学調整層と、を有する回折光学素子の製造方法であって、表面に前記回折格子形状を有する第１領域と前記第１領域よりも外側に位置する第２領域とを有し、前記第２領域には複数のアンカー溝が形成されており、前記複数のアンカー溝のうち最も外側に位置するアンカー溝の深さは、最も内側に位置するアンカー溝の深さよりも浅い基体を準備する工程と、前記基体に前記第２の光学材料を被着するための金型に前記第２の光学材料の原料を滴下する工程と、前記第２の光学材料を挟み込むように前記基体と前記金型とを密着させる工程と、前記基体と前記金型とを密着させた状態で前記第２の光学材料の原料を硬化させる工程と、を包含することを特徴とする。

ある実施形態によれば、前記第２の光学材料の原料は光硬化性を有し、光を照射して前記第２の光学材料の原料を硬化させる。

ある実施形態によれば、前記第２の光学材料の原料は紫外線硬化性を有し、紫外線を照射して前記第２の光学材料の原料を硬化させる。

本発明によれば、基体の第２領域に形成された複数のアンカー溝のうち最も外側に位置するアンカー溝の深さは、最も内側に位置するアンカー溝の深さよりも浅い。これにより、基体と光学調整層の密着強度を大幅に向上させることができる。このため、製造時に発生する光学調整層の乖離に起因するクラック不良を抑制でき、生産性を大幅に高めることができる。また、環境の変化や長期使用などによって、光学調整層の端部から徐々に進行する基体と光学調整層の剥離を防止することができ、信頼性の高い回折光学素子を提供することができる。

（ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る回折光学素子の基体を示す図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子の基体を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態に係るアンカー溝の別の例を示す図である。 アンカー溝への光学調整層の侵入量を測定した結果を示す図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子を示す図である。 （ａ）から（ｄ）は、本発明の実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示す図である。 凹形状のアンカー溝の代わりに凸部を設けた基体を金型に当接したときの光学調整層の原料の流れを示す図である。 本発明の実施形態に係る凹形状のアンカー溝を設けた基体を金型に当接したときの光学調整層の原料の流れを示す図である。 アンカー溝を形成していない回折光学素子を示す図である。 アンカー溝を形成していない回折光学素子の膜剥離数の推移を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、アンカー溝を形成していない回折光学素子の第２領域における基体と光学調整層の状態を示す図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子を示す図である。 本発明の実施形態に係る回折光学素子の膜剥離数の推移を評価した図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る回折光学素子の第２領域における基体と光学調整層の状態を示す図である。 回折光学素子の光学調整層に発生したクラックを示す図である。

本願発明者は、回折格子形状を有する基体表面に、コンポジット材料を原料とする光学調整層を形成した回折光学素子における、光学調整層に発生するクラックについて詳細に検討するとともに、光学調整層と基体との膜剥離について詳細に検討した。その結果、基体の表面に形成された回折格子形状を有する第１領域と、第１領域を囲む第２領域の一部とを覆うように光学調整層を形成した場合、第２領域の平面部を起点とする光学調整層のクラックと、第１領域の端部で発生する基体と光学調整層の界面剥離とが高い確率で発生することが分かった。

この知見に基づき、本願発明者は以下に説明する回折光学素子に想到した。

具体的には、アンカー溝を第２領域の平面部に複数形成し、光学調整層は第１領域と第２領域のアンカー溝を覆う形で被着させる構成にした。これにより、アンカー溝による効果で基体と光学調整層の密着強度が向上し、第２領域における光学調整層の剥離を防止できる。また、密着強度向上は、第２領域における光学調整層の界面微動を抑制できるため、クラック対策としても有効である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態を説明する。

（実施形態１）
図１および図２は、本発明の第１の実施形態に係る回折光学素子の基体１を示す図である。

図１（ａ）は、回折格子２およびアンカー溝３が表面に形成された基体１の上面図であり、図１（ｂ）は、基体１の側断面図である。

第１の樹脂を含む第１の光学材料からなる基体１は、その表面に回折格子２およびアンカー溝３を備える。回折格子２とアンカー溝３は、形成軸中心４を略一致させて形成されている。

表面に回折格子２が形成された第１領域５は、レンズ作用を有する凸状の断面形状を有する。第１領域５の外側に位置し、第１領域５を囲む平面形状を有する第２領域６には、複数のアンカー溝３が形成されている。なお、本実施形態１では第１領域５の断面形状を凸状としているが、本発明はこれに限定されず、凹状であってもよい。また、アンカー溝３の形状は、例えば、第１領域５に形成された回折格子２と軸中心を略一致させた同心円形状であるが、本発明はこれに限定されない。

アンカー溝３は、基体１の第２領域６の平面形状に対して窪んだ形状である。基体１は、第２領域６においてその平面形状に対して突出した形状を有さない。

第１の光学材料としては、使用する波長領域全体で、第２の光学材料および回折格子の深さｄとの間で式（２）の関係が成立するもので、且つ、光学素子として十分な透光性を有するものであれば用いることができる。

加工の容易性ならびに後述する第２の光学材料の選択範囲を考慮して、本実施形態１における基体１を構成する第１の光学材料は樹脂を含む。

第１の光学材料として樹脂を含む材料を使用するのは、レンズの生産において最も生産性が期待できる金型成形を考えた場合、ガラスを含む材料においては、金型の耐久性が樹脂に比べ大幅に悪化するため、回折格子形状を有した基体１の製造が容易でないのに対し、樹脂を含む材料は、射出成形等の量産性の高い製造方法を適用することができるからである。また、樹脂を含む材料は金型成形や他の加工法により微細加工を実施することが容易であるため、回折格子２のピッチや回折段差（図では省略）の形状変更に対応し易いという利点が有る。また、回折光学素子の小型化、軽量化に対しても有利である。

図２は、図１（ｂ）で図示したＡ部を拡大した図であり、アンカー溝３の詳細を示している。なお、本実施形態１の説明ではアンカー溝の数が３本の場合について説明するが、本発明はこれに限定されない。

図２では、３本のアンカー溝３を第１領域５に近い側（すなわち内周側）からそれぞれＤ１、Ｄ２、Ｄ３と表している。最も外側に位置するアンカー溝Ｄ３の深さは、最も内側に位置するアンカー溝Ｄ１の深さよりも浅くなっている。

図２に示す例では、アンカー溝Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３は、それぞれの深さが全て異なっている。その溝深さは、最も内側のアンカー溝Ｄ１が最も深く、最も外側のアンカー溝Ｄ３が最も浅く、中間のアンカー溝Ｄ２はそれらの中間の深さというように、外周側に位置する溝ほど徐々に浅くなっている構成となっている。

アンカー溝３に光学調整層９（図５）が充填されると、基体１と光学調整層９との接触面積が増加し、密着強度が向上する。このことから、光学調整層９がアンカー溝に隙間なく充填されることが好ましい。

本願発明者らは、アンカー溝３の形状と光学調整層９の侵入量との関係について詳細に検討を行った。

この結果、図２に示す通り、第１領域５側に近いアンカー溝３を深く、外周側ほど徐々に浅くなる構成をとることにより、外周側のアンカー溝３にまで、光学調整層９が十分に充填されうることを見出した。

具体的な一例としては、アンカー溝Ｄ１の溝深さを０．０１ｍｍ、アンカー溝Ｄ２を０．００７５ｍｍ、アンカー溝Ｄ３を０．００５ｍｍで形成した。最も深いアンカー溝Ｄ１の深さは０．０５ｍｍ以下であることが望ましく、この例では０．０１ｍｍとしている。

さらに、溝間の形成ピッチは第１領域５と第２領域６の界面７を基準に界面７から０．０１ｍｍ離れた位置にアンカー溝Ｄ１を形成した。そして、アンカー溝Ｄ１とＤ２の間隔およびアンカー溝Ｄ２とＤ３の間隔のそれぞれは０．０２５ｍｍピッチで形成した（寸法は図示する）。また、今回形成したアンカー溝３のそれぞれは一辺のみが４０°で傾斜した溝形状としている。

なお、本実施形態１では、アンカー溝数を３本とし、直角三角形状の断面を有した溝で説明しているが、２本から５本でも同様の効果が得られる。

ただし、図２に示すアンカー溝３の開口部８が大きくなる程、アンカー溝へ充填される後述する光学調整層原料が増大するため、開口部８の幅は、０．０５ｍｍ以下で設定するのが望ましい。また、アンカー溝３の開口部８が狭すぎると光学調整層原料が侵入できなくなるため、開口部８の幅は０．００５ｍｍ以上で設定するのが好ましい。

図３（ａ）から図３（ｃ）は、上述したアンカー溝３の別の例として、上述した断面形状とは異なる形状を有するアンカー溝を示した図である。

図３（ａ）は、深さ方向に傾斜した２辺が交差する逆正三角形に近似した断面形状のアンカー溝２０を示している。この構成においても、上述と同様の密着強度が得られる。

図３（ｂ）は、平坦面２１に対しほぼ９０°の立ち壁２２、２３を有した四角形の断面形状のアンカー溝２４を示している。この構成においても、上述と同様の密着強度が得られる。

図３（ｃ）は、所定曲率を有した曲面の断面形状のアンカー溝２５を示している。この構成においても、上述と同様の密着強度が得られる。

図４は、複数のアンカー溝３の形成深さを互いに変えるに至った実験結果を示す図である。実験では、３本のアンカー溝深さを０．０１６ｍｍに揃えた基体１を用い光学調整層９を成形するとともに、膜成形後の光学調整層９を基体１より剥がし反転させ、底面から突起先端までの高さ（アンカー溝３への侵入量）をレーザ顕微鏡で実測した。その結果、第１領域５側のアンカー溝Ｄ１のみ溝形成深さと同等の高さまで充填された状態となっており、アンカー溝Ｄ１の底の先端部まで光学調整層９が侵入して硬化した様子が分かる。

それに対し、外周側のアンカー溝Ｄ２およびＤ３では、それぞれ０．０１５ｍｍ、０．０１４ｍｍと、アンカー溝への侵入量が徐々に少なくなっており、アンカー溝が完全に埋まる状態ではなかった。溝内部に光学調整層９が隙間なく充填された時に最大の付着強度が発揮されると考えると、そのような状態では、アンカー溝Ｄ２およびＤ３での付着強度はアンカー溝Ｄ１に対し劣るものと考えられる。

よって、アンカー溝深さを外周側ほど浅くし、侵入量不足を解消するのが本実施形態１のアンカー溝構成である。

図５は、本発明の第１の実施形態に係る回折光学素子１００を示す側断面図である。回折格子２およびアンカー溝３を備えた基体１上に、光学調整層９を後述する金型を用いて、第１領域５と第２領域６の少なくとも一部を覆うように膜成形したものである。

また、第２領域６での光学調整層９は、アンカー溝３を完全に埋め尽くすように光学調整層９の原料を秤量し膜成形した。

さらに、光学調整層９の表面は、回折格子２の形状が有する回折段差の先端を結ぶ包絡線と同等の非球面形状であり、金型形状を転写することで光学調整層９の表面が形成される。また、包絡線から法線方向に沿った光学調整層９の表面までの長さ（光学調整層９の膜厚）は０．０３ｍｍ以下としている。膜厚が極端に増加すると収差が増大するとともに、樹脂の硬化収縮にともない、表面形状の制御が難しくなる。このことから、膜厚は、回折格子段差の深さ以上、０．１ｍｍ以下、特に０．０５ｍｍ以下とすることが好ましい。また、第２領域６の表面の一部の平面部分では、光学調整層９の表面は、その基体形状に沿った略平面形状である。

さらに、光学調整層９を構成する材料は、式（２）の関係を満たすもので、かつ、設定された膜厚において十分な透光性を有するものを用いる。本実施形態１における光学調整層９を構成する第２の光学材料は、樹脂に無機粒子が分散したコンポジット材料を用いる。これにより、第２の光学材料の屈折率およびアッベ数を調整することが可能となる。調整した適切な屈折率およびアッベ数を有する第２の光学材料を光学調整層９に用いることにより、回折光学素子１００が用いられる光の波長帯域における回折効率を改善することができる。

また、屈折率の高い無機粒子を樹脂に分散させることにより、樹脂単体では達成し得ない高い屈折率を第２の光学材料は有することができる。

一般的に無機粒子は樹脂より高屈折率であることが多い。このため、基体１に第１の樹脂を含む第１光学材料を用い、光学調整層９として、第２の樹脂に無機粒子が分散した第２光学材料を用いる場合、第２光学材料は、第１光学材料よりも高屈折率低波長分散性を示すように調整することが、無機粒子として選択し得る材料が多くなるため好ましい。言い換えれば、第１光学材料は第２光学材料よりも低屈折率高波長分散性であることが好ましい。

上述したように、光学調整層９としてコンポジット材料からなる第２光学材料を用いる場合、第２光学材料は第１光学材料よりも高い屈折率を有し、かつ、第１光学材料よりも低い波長分散性を有することが必要である。このため、第２の樹脂に分散させる無機粒子も、低波長分散性、すなわち高アッベ数の材料を主成分とすることが好ましい。例えば、酸化ジルコニウム（アッベ数．３５）、酸化イットリウム（アッベ数．３４）、酸化ランタン（アッベ数．３５）、酸化ハフニウム（アッベ数．３２）、酸化スカンジウム（アッベ数．２７）、アルミナ（アッベ数．７６）、およびシリカ（アッベ数．６８）からなる群より選ばれる少なくとも１種類の酸化物を主成分とすることが特に好ましい。また、これらの複合酸化物を用いてもよい。

回折光学素子１００が用いられる光の波長帯域において、式（２）を満たす限り、さらにこれらの無機粒子に加えて、例えば、酸化チタンや酸化亜鉛等に代表される高屈折率を示す無機粒子等を共存させてもよい。

基体１の第１の光学材料としては、例えば、ポリカーボネート系樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、脂環式アクリル樹脂等のアクリル系樹脂、脂環式オレフィン樹脂等を選択することが、透光性が優れているという点で好ましい。これらの樹脂に対し、成形性や機械特性等を向上させる目的で他の樹脂と共重合させたり、他の樹脂とのアロイ化を行ったり、他の樹脂をブレンドしてもよく、１種類の樹脂のみならず２種類以上の樹脂を含んでもよい。

光学調整層９の第２の光学材料としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル、アクリレート、メタクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート等の（メタ）アクリル樹脂を用いることができる。また、エポキシ樹脂；オキセタン樹脂；エン−チオール樹脂を用いてもよいし、ポリエチレンテレフタレートおよびポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂を用いることもできる。また、ポリスチレン等のポリスチレン樹脂；ポリプロピレン等のオレフィン樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミドやポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂；ポリビニルアルコール；ブチラール樹脂；酢酸ビニル樹脂；脂環式ポリオレフィン樹脂等を用いることもできる。また、これらの樹脂の混合体や共重合体を用いてもよいし、これらの樹脂を編成したものを用いてもよい。

（実施形態２）
図６（ａ）から図６（ｄ）は、本発明の第２の実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示す図である。

図６（ａ）は、光学調整層９の原料１０を金型１１に滴下した状態を示す図である。光学調整層９の原料１０を光学調整層９の表面形状を規制する金型１１の湾曲部１２に所定量滴下する。この際、原料１０の滴下は、湾曲部１２の中心に滴下するのが望ましい。この金型１１を用いることで原料１０は基体１に被着させることができる。

また、湾曲部１２の形状は、回折光学素子１００の凸レンズ形状に対応した形状となっている。凹レンズ形状である場合は、そのレンズ形状に順じた形状に金型形状も変更する。

また、光学調整層９の原料１０を滴下するときには、原料１０と溶媒とを混合して滴下時の粘度を下げておくことが望ましい。そのような溶媒としては、例えば、基体１にポリカーボネートを使用する場合、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−プロパノール、１−ブタノール等に代表されるアルコール系溶媒を用いることができる。また、エチレングリコール、メチルセロソルブ等に代表されるグリコール系溶媒や、水等の溶媒を使用することもできる。

図６（ｂ）は、図１に示した基体１を金型１１に当接した状態を示す図である。基体１の回折格子２とアンカー溝３の形成面を、光学調整層９の原料１０側に対向させる。その後、金型１１方向に基体１をフェースダウンし、金型１１の基体当接面１３、１４に基体１を密着させる。

なお、本実施形態２では、基体１を金型１１方向にフェースダウンするとしているが、本発明はこれに限定するものではない。また、図６（ａ）では、光学調整層９の原料１０を金型１１に滴下するとしているが、基体１の回折格子２形成面に滴下しても、同様の工程で作製可能である。

図６（ｃ）は、光学調整層９の原料１０を硬化させる工程を示す図である。基体１と金型１１とを密着させた状態で、基体１を介して、光源１５から紫外線１６を原料１０に照射して硬化させる。原料１０は、例えば光硬化性を有しており、光を照射することで硬化させることができる。この例では、原料１０は紫外線硬化性を有しており、紫外線を照射することで硬化させる。

また、金型１１は、例えばガラス等の光線を透過する材料で形成されていてもよく、その場合は、金型１１を介して原料１０に所望の光線を照射することで原料１０を硬化させることができる。なお、原料１０が熱硬化性の場合は、熱を加えて硬化させる。

図６（ｄ）は、完成した回折光学素子１００を示す図である。光学調整層の原料１０の硬化後、金型１１を開放して基体１を取り出すと、基体１の回折格子２とアンカー溝３の形成面に、金型１１で曲率を規制された光学調整層９を備えた回折光学素子１００が完成する。

なお、本願発明者は、アンカー溝の代わりに凸部を複数設けた基体を用いて、上述の製造方法で回折光学素子を作製した。しかし、完成した回折光学素子を光学顕微鏡で確認したところ、凸部を形成した箇所付近に光が進入し光って見えることを確認した。これは、原料１０が凸部の周辺、または凸部と凸部との間に十分に充填されていない状態で硬化されたことに起因する。つまり、光学調整層と基体の密着が不十分であることを意味する。また、凸部を設けた基体を用いて作製した回折光学素子は、製造時、高い確率で光学調整層にクラックが発生した。このような回折光学素子においては、光学調整層の端部が浮いていることも確認した。

図１５に、凸部を設けた基体を用いて作製した回折光学素子を上方から撮影した写真を示す。使用材料は後述するものと同じである。光学調整層に大きくクラック１５９が発生していることがわかる。

図７は、凹形状のアンカー溝３の代わりに凸部３ａを設けた基体１を金型１１に当接したときの原料１０の流れ１０ａを示す図である。基体１と金型１１に挟み込まれて押圧された原料１０は、金型１１に沿って内側から外側へ向かって流れていく。このとき、凸部３ａの先端部で流れ１０ａが遮られ、凸部３ａと凸部３ａの間には原料１０が充填されにくい状態になる。このため、凸部３ａと凸部３ａの間には原料１０が十分に充填されず、基体１に対して浮いた状態となる。その結果、基体１と光学調整層９との密着強度が低くなってしまうことになる。

図８は、凹形状のアンカー溝３を設けた基体１を金型１１に当接したときの原料１０の流れ１０ｂを示す図である。基体１と金型１１に挟み込まれて押圧された原料１０は、金型１１に沿って内側から外側へ向かって流れていく。このとき、アンカー溝３は凹部であるので、凸部３ａ（図７）のように原料１０の流れを遮ることはない。スムーズに流れる原料１０は、容易にアンカー溝３に充填されることになる。また、毛細管現象により、より確実に原料１０はアンカー溝３に充填されることも考察される。このように、アンカー溝３に原料１０が十分に充填された結果、基体１と光学調整層９との密着強度を強くすることができる。

以下、作製した回折光学素子の密着強度について説明する。以下に示す実験結果は、光学調整層９が基体から剥離して、光学調整層９から離れた回折輪帯の本数（膜剥離数）を評価したものである。また、現象を加速させるため、１１０℃の高温環境中で２４時間放置し評価した。

基体１を構成する樹脂として、ポリカーボネート樹脂（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８）を用いた。光学調整層９を構成する樹脂としては、アクリレート樹脂（ｄ線屈折率１．６００、アッベ数３３）に酸化ジルコニウムフィラーを分散させたものを用いた。

図９から図１１は、比較例として、アンカー溝を形成していない回折光学素子３０およびその膜剥離数の推移を表したものである。

図９は、回折光学素子３０の断面形状を示している。回折光学素子３０は、基体３１の第２領域３２において、基体３１と光学調整層３３は平面３４で密着する。このような回折光学素子３０を、高温環境中に投じると、材料同士の熱収縮率差で第２領域３２の基体３１と光学調整層３３が界面３４で最悪の場合剥離する。この現象は、第２領域３２に留まらず第１領域３５の表面に形成した回折格子３６と光学調整層３３の界面にも影響する。その影響は、第２領域３２に近接する回折格子３７から始まり第１領域３５の中心方向に進行する。

図１０は、基体３１に総数３７本の回折格子を形成した２サンプルを用い、高温環境中に投じた際に発生した膜剥離数の推移を評価した図である。図において、横軸が放置時間、縦軸が膜剥離数、放置０時間のデータは、放置試験前の膜剥離数である。

放置試験前の膜剥離は、両サンプルとも数本の膜剥離が認められるものの性能には影響しない程度に安定している。ただし、高温環境中に投じると放置２時間で、基体が有する回折輪帯のうち、７０％から８０％の回折輪帯で界面剥離が認められた。このような剥離は、画像品質に影響し、撮像すると画面全体で白が強調されたコントラストが劣化した低品質の画像となる。

図１１は、第２領域３２における基体３１と光学調整層３３の状態をレーザ顕微鏡で評価した図である。図１１（ａ）が放置試験前、図１１（ｂ）が２４時間放置後の状態を示している。さらに、測定箇所は図９のＢ部を評価したものであり、参照符号３８は基体表面を示しており、参照符号３９は光学調整層表面を示している。傾斜部４０は第１領域３５の光学調整層表面である。

まず、図１１（ａ）に示す放置試験前の状態は、基体表面３８と光学調整層表面３９がほぼ平行で、基体表面が３８が平坦であっても隙間なく密着している様子が確認できる。

それに対し、図１１（ｂ）に示す２４時間放置後の状態は、光学調整層表面３９が０．０１９ｍｍ程度反り上がっており、基体表面３８との界面で剥離した様子が認識できる。さらに、この膜剥離過程で応力均衡が著しく崩れるとクラックに繋がるものと考えられる。

ただし、このような傾向は、光学調整層に用いる樹脂によっても状況は若干異なる。

図１２から図１４は、実施形態１で詳細を説明したアンカー溝仕様の回折光学素子５０について、同様の試験を行った結果を示す図である。回折光学素子５０の構成は回折光学素子１００と同じである。

図１２は、回折光学素子５０の断面形状を示している。基体５１の第２領域５２には、図２で詳細を説明したアンカー溝５３が、光学調整層５４との界面に形成されている。

図１３は、膜剥離数の推移を評価した図である。２４時間放置後で１から３本程度の膜剥離数の増加が認められるものの、図１０の結果と比べると、膜剥離に対して格段に抑制効果があることが確認できた。また、この程度であれば撮像性能には直接影響しない。

図１４は、第２領域５２における基体５１と光学調整層５４の状態をレーザ顕微鏡で評価した図である。図１４（ａ）が放置試験前、図１４（ｂ）が２４時間放置後の状態を示している。参照符号５８は基体表面を示しており、参照符号５５は光学調整層表面を示している。図１４（ｂ）の２４時間放置後の状態と、図１１（ｂ）の状態とは顕著な差が認められる。

図１４（ｂ）において、光学調整層表面５５を注視すると、光学調整層５４の先端５６は０．００５ｍｍ弱の反り上がりが認められるものの、アンカー溝形成面５７は基材表面５８と平行であり、図１４（ａ）の放置試験前に比べても変化しておらず良く密着している状態が確認できる。つまり、アンカー溝部では、基体と光学調整層が強固に密着していると判断できる。

以上のように、本発明のアンカー溝を形成した回折光学素子は、膜剥離とクラック対策として有用な構造である。

次に、回折光学素子の実施例と比較例とを説明する。

（実施例１）
本発明の具体的な一例として、図１および図２に示す基体１を作製した。

基体１を構成する第１光学材料の第１樹脂として、ポリカーボネート樹脂（ｄ線屈折率１．５８５、アッベ数２８）を用い、第１光学材料を射出成形することにより、基体１を作製した。

アンカー溝Ｄ１の溝深さは０．０１ｍｍ、アンカー溝Ｄ２の溝深さは０．０７５ｍｍ、アンカー溝Ｄ３の溝深さは０．００５ｍｍとした。さらに、溝間の形成ピッチは第１領域５と第２領域６の界面７を基準に、界面７から０．０１ｍｍ離れた位置にアンカー溝Ｄ１を形成した。アンカー溝Ｄ１とＤ２の間隔およびアンカー溝Ｄ２とＤ３の間隔はそれぞれ０．０２５ｍｍピッチで形成した（寸法は図示する）。また、今回形成したアンカー溝３は一辺のみが４０°で傾斜した溝形状としている。

本基体１上に、紫外線硬化樹脂中に酸化ジルコニウムフィラーを分散させた光学調整層９を、金型成形により形成した。紫外線硬化樹脂として、アクリレート樹脂（ｄ線屈折率１．６００、アッベ数３３）を使用した。

光学調整層９は、アンカー溝３に隙間なく充填されており、基体１と光学調整層９は良好な密着強度を示した。

（比較例１）
実施例１と同様の方法により、比較例１の回折光学素子を作製した。実施例１との差異は、３本のアンカー溝の深さを０．０１６ｍｍに揃えたことである。

実験では、３本のアンカー溝深さを０．０１６ｍｍに揃えた基体を用い光学調整層を成形するとともに、膜成形後の光学調整層を基体より剥がし反転させ、底面から突起先端までの高さ（アンカー溝への侵入量）をレーザ顕微鏡で実測した。

その結果、図４に示すように、第１領域側のアンカー溝Ｄ１のみ溝形成深さと同等の高さまで充填された状態となっており、アンカー溝Ｄ１の底の先端部まで光学調整層が侵入して硬化した様子が分かる。

それに対し、外周側のアンカー溝Ｄ２およびＤ３では、それぞれ０．０１５ｍｍ、０．０１４ｍｍと、アンカー溝への侵入量が徐々に少なくなっており、アンカー溝が完全に埋まる状態ではなかった。溝内部に光学調整層９が隙間なく充填された時に最大の付着強度が発揮されると考えると、そのような状態では、アンカー溝Ｄ２およびＤ３での付着強度はアンカー溝Ｄ１に対し劣るものと考えられる。

本発明は、回折光学素子およびその製造方法の分野において特に有用である。

１、３１、５１ 基体
２、３６ 回折格子
３、５３、Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ アンカー溝
３ａ 凸部
４ 軸中心
５、３５ 第１領域
６、３２、５２ 第２領域
７ 界面
８ 開口部
９、３３、５４ 光学調整層
１０ 光学調整層の原料
１０ａ、１０ｂ 光学調整層の原料の流れ
１１ 金型
１２ 湾曲部
１３、１４ 基体当接面
１５ 光源
１６ 紫外線
２０ 逆正三角形に近似した形状のアンカー溝
２１ 平坦面
２２ 立ち壁
２３ 立ち壁
２４ 四角形のアンカー溝
２５ 曲面のアンカー溝
３０、５０、１００ 回折光学素子
３４ 平面
３７ 第２領域に近接する回折格子
３８、５８ 基体表面
３９、５５ 光学調整層表面
４０ 傾斜部
５６ 光学調整層の先端
５７ アンカー溝形成面

Claims (12)

1. 第１の樹脂を含む第１の光学材料からなり、表面に回折格子形状を有する基体と、
   第２の樹脂を含む第２の光学材料からなり、前記基体の前記回折格子形状上に形成された光学調整層と、
   を有する回折光学素子であって、
   前記基体は、表面に前記回折格子形状を有する第１領域と、前記第１領域よりも外側に位置する第２領域とを有し、
   前記光学調整層は、前記第１領域と、前記第２領域の少なくとも一部とを覆うように形成されており、
   前記第２領域には、複数のアンカー溝が形成されており、
   前記複数のアンカー溝のうち最も外側に位置するアンカー溝の深さは、最も内側に位置するアンカー溝の深さよりも浅い、回折光学素子。
2. 前記複数のアンカー溝の中で、前記最も内側に位置するアンカー溝が最も深く、外側に位置する溝ほど浅くなっている、請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記複数のアンカー溝のうち最も深いアンカー溝の深さは０．０５ｍｍ以下である、請求項１または２に記載の回折光学素子。
4. 前記複数のアンカー溝は、前記回折格子形状と軸中心を略合致させた同心円形状である、請求項１から３のいずれかに記載の回折光学素子。
5. 前記第２領域の表面の一部は平面形状であり、
   前記光学調整層の表面の断面形状は、前記第１領域においては前記回折格子形状の回折段差の先端を結ぶ包絡線と略同一形状であり、前記第２領域においては前記基体形状に沿った略平面形状である、請求項１から４のいずれかに記載の回折光学素子。
6. 前記光学調整層の厚さは、前記回折格子形状の回折段差の先端を結ぶ包絡線から法線方向に沿った前記光学調整層の表面までの長さが０．０５ｍｍ以下となる厚さである、請求項１から５のいずれかに記載の回折光学素子。
7. 前記第１の光学材料は、前記第２の光学材料よりも低屈折率高分散材料である、請求項１から６のいずれかに記載の回折光学素子。
8. 前記第２の光学材料は、樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料である、請求項１から７のいずれかに記載の回折光学素子。
9. 前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、アルミナおよびシリカのうちの少なくとも１種類の酸化物を主成分とする、請求項８に記載の回折光学素子。
10. 第１の樹脂を含む第１の光学材料からなり、表面に回折格子形状を有する基体と、第２の樹脂を含む第２の光学材料からなり、前記基体の前記回折格子形状上に形成された光学調整層と、を有する回折光学素子の製造方法であって、
    表面に前記回折格子形状を有する第１領域と前記第１領域よりも外側に位置する第２領域とを有し、前記第２領域には複数のアンカー溝が形成されており、前記複数のアンカー溝のうち最も外側に位置するアンカー溝の深さは、最も内側に位置するアンカー溝の深さよりも浅い基体を準備する工程と、
    前記基体に前記第２の光学材料を被着するための金型に前記第２の光学材料の原料を滴下する工程と、
    前記第２の光学材料を挟み込むように前記基体と前記金型とを密着させる工程と、
    前記基体と前記金型とを密着させた状態で前記第２の光学材料の原料を硬化させる工程と、
    を包含する、回折光学素子の製造方法。
11. 前記第２の光学材料の原料は光硬化性を有し、
    光を照射して前記第２の光学材料の原料を硬化させる、請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。
12. 前記第２の光学材料の原料は紫外線硬化性を有し、
    紫外線を照射して前記第２の光学材料の原料を硬化させる、請求項１０に記載の回折光学素子の製造方法。

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