JP6536718B2 - Method of designing optical material of diffractive optical element and method of manufacturing diffractive optical element - Google Patents
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Description
本発明は、回折光学素子に用いられる光学材料に関する。 The present invention relates to an optical material used for a diffractive optical element.
回折光学素子(DOE:Diffractive Optical Element)は、薄いながらも所定の光
学特性を得られることから、光学機器によく用いられるようになってきている。一例を挙げれば、低屈折率高分散の光学材料と高屈折率低分散の光学材料とを回折格子溝を設けて積層して構成される密着複層型の回折光学素子が用いられている。密着複層型の回折光学素子においては、これを構成する低屈折率高分散の光学材料と高屈折率低分散の光学材料との屈折率の差および分散値の差が大きいほど、回折光学素子としての性能が得やすい。そのため、これら屈折率の差および分散値の差が大きくなる光学材料が求められている。これら屈折率の差および分散値の差を大きくするために、光学材料として無機微粒子を分散させた樹脂を用いることが提案されている(例えば、特許文献1参照)。
Diffractive optical elements (DOEs) are often used in optical instruments because they can obtain predetermined optical characteristics while being thin. As an example, a contact multi-layer diffractive optical element configured by laminating a low refractive index high dispersion optical material and a high refractive index low dispersion optical material with a diffraction grating groove is used. In the adhesive multilayer type diffractive optical element, the larger the difference between the refractive index and the dispersion value of the low refractive index / high dispersion optical material constituting this and the high refractive index / low dispersion optical material, the more the diffractive optical element It is easy to get the performance as Therefore, there is a demand for an optical material in which the difference in refractive index and the difference in dispersion value are large. In order to increase the difference between the refractive index and the dispersion value, it has been proposed to use a resin in which inorganic fine particles are dispersed as an optical material (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、無機微粒子を樹脂組成物に完全に均一に分散させることは難しく、無機微粒子を分散させた樹脂を用いて回折光学素子を安定して成形することは困難である。 However, it is difficult to completely disperse inorganic fine particles in a resin composition completely, and it is difficult to stably mold a diffractive optical element using a resin in which inorganic fine particles are dispersed.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、無機微粒子分散型の樹脂を用いず、有機化合物からなる樹脂成分を用いた光学材料で形成される回折光学素子であっても回折光学格子としての性能に優れた、低屈折率高分散の光学材料と高屈折率低分散の光学材料との組合せを見出すこと、また見出された光学材料の組合せを用いて性能の高い回折光学素子を得ることを課題とする。 The present invention has been made in view of such problems, and it is a diffractive optical element formed of an optical material using a resin component made of an organic compound without using an inorganic fine particle dispersion type resin. Finding a combination of low refractive index, high dispersion optical material and high refractive index, low dispersion optical material with excellent performance as an optical grating, and high performance diffractive optics using the combination of optical materials found The task is to obtain an element.
上記の課題を解決する回折光学素子の光学材料設計方法は、それぞれが有機化合物からなる樹脂を主成分とし無機微粒子を含まない低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とを回折格子溝を設けて積層して構成される密着複層型の回折光学素子の光学材料設計方法であって、前記回折光学素子が使用される光の波長をλ[nm]とし、前記波長の下限をλ1[nm]とし、前記波長の上限をλ2[nm]とし、前記回折光学素子に用いる候補の前記第1光学材料と前記第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、最大値が1となるように規格化されたイメージセンサの分光感度特性を示す関数をg(λ)としたとき、後述の式(3)で表される条件を満足するか否かを判定し、前記条件を満足する前記候補の前記第1光学材料および前記第2光学材料を、前記回折光学素子に用いることが可能な光学材料として決定するようになっている。 An optical material design method for a diffractive optical element that solves the above-mentioned problems comprises a first optical material having a low refractive index and a high dispersion, and a first optical material having a high refractive index and a low dispersion. 2. A method of designing an optical material of a contact multi-layer type diffractive optical element comprising a plurality of optical materials and a grating groove provided and stacked, wherein the wavelength of light for which the diffractive optical element is used is λ [nm] The lower limit of the wavelength is λ1 nm, the upper limit of the wavelength is λ2 nm, and the difference in refractive index between the first optical material and the second optical material as candidates for use in the diffractive optical element is Assuming that n 21 (λ) is a function indicating the spectral sensitivity characteristic of the image sensor standardized to have a maximum value of 1 as g (λ), the condition represented by the equation (3) described later is satisfied. To determine whether or not to be selected, and the above-mentioned An optical material and the second optical material, so as to determine an optical material that can be used for the diffractive optical element.
上記の課題を解決する回折光学素子の製造方法は、それぞれが有機化合物からなる樹脂を主成分とし無機微粒子を含まない低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とを回折格子溝を設けて積層して構成される密着複層型の回折光学素子の製造方法であって、前記回折光学素子が使用される光の波長をλ[nm]とし、前記波長の下限をλ1[nm]とし、前記波長の上限をλ2[nm]とし、前記回折光学素子に用いる候補の前記第1光学材料と前記第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、最大値が
1となるように規格化されたイメージセンサの分光感度特性を示す関数をg(λ)としたとき、後述の式(3)で表される条件を満足するか否かを判定し、前記条件を満足する前記候補の前記第1光学材料および前記第2光学材料を、前記回折光学素子に用いることが可能な光学材料として決定することを含んでいる。
The manufacturing method of the diffractive optical element which solves the above-mentioned subject is the 1st optical material of low refractive index and high dispersion, and the second optical of high refractive index and low dispersion, each of which is mainly composed of resin consisting of organic compound and does not contain inorganic fine particles. It is a manufacturing method of a contact multi-layer type diffractive optical element constituted by laminating a material and a diffraction grating groove provided, wherein the wavelength of light for which the diffractive optical element is used is λ [nm], and the wavelength And the upper limit of the wavelength is λ2 nm, and the difference in refractive index between the candidate first optical material and the second optical material used for the diffractive optical element is n 21 (λ Whether or not the condition represented by the equation (3) described later is satisfied, where g (λ) is a function that indicates the spectral sensitivity characteristic of the image sensor normalized so that the maximum value is 1. And the first optical material of the candidate that satisfies the condition and The serial second optical material, includes determining an optical material that can be used for the diffractive optical element.
以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。まず、本実施形態の回折光学素子(DOE)およびこれを用いた光学レンズの例を説明する。図2は、密着複層型の回折光学素子DOEの構造(断面構造)を示している。この回折光学素子DOEは、それぞれが有機化合物からなる樹脂を主成分とし無機微粒子を含まない低屈折率高分散の第1光学材料からなる第1回折光学要素1と、高屈折率低分散の第2光学材料からなる第2回折光学要素2とから構成され、第1および第2回折光学要素1,2の間に鋸歯状のレリーフパターン5(回折格子を形成する溝パターン)が形成されている。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. First, an example of the diffractive optical element (DOE) of the present embodiment and an optical lens using the same will be described. FIG. 2 shows the structure (cross-sectional structure) of the contact multi-layer diffractive optical element DOE. The diffractive optical element DOE includes a first diffractive
図3は、上述の回折光学素子DOEを用いた光学レンズ(以下、PFレンズ10と称する)の例を示している。このPFレンズ10は、第1レンズ要素11と第2レンズ要素12との間に回折光学素子DOEを挟んで構成される。第1および第2レンズ要素11,12は、一般的なガラス、樹脂等から所定のレンズ形状に形成されたものである。
FIG. 3 shows an example of an optical lens (hereinafter referred to as a PF lens 10) using the above-described diffractive optical element DOE. The
上述の回折光学素子DOEにおいて、それぞれが有機化合物からなる樹脂を主成分とし無機微粒子を含まない第1光学材料と第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、回折光学素子DOEが使用される光の波長をλ(λ1≦λ≦λ2)とし、所定の重み付け関数をg(λ)としたとき、次式(1)の条件を満足している。
式(1)は、屈折率の差n21(λ)で規定される第1光学材料と第2光学材料において
、回折効率の観点から適正な組み合わせの範囲を示すもので、第1光学材料と第2光学材料との組み合わせにおいてフレア総量Fが最小となる場合のフレア総量Fmを規定したものである。式(1)の上限値としてフレア総量Fm=0.23という値は、フレアが十分抑えられた値である。しかしながら、さらに、回折光学素子を搭載する光学系用途に応じたフレア色(回折光により生じるフレアの色)を実現するために、格子高さの調整しろが必要となる場合がある。回折光学素子を構成する第1光学材料と第2光学材料とが式(1)の条件を満足するように材料を選択することにより、フレア色の色調調整を施す為に格子高さを僅かに修正した場合であっても、フレアの増加を最小限に抑えつつ、回折フレア結像性能の優れた回折光学素子を提供することができる。
Formula (1) shows the range of an appropriate combination from the viewpoint of diffraction efficiency in the first optical material and the second optical material defined by the difference in refractive index n 21 (λ), and In the combination with the second optical material, the total flare amount Fm in the case where the total flare amount F is minimized is defined. The value of the total amount of flare Fm = 0.23 as the upper limit value of the equation (1) is a value at which the flare is sufficiently suppressed. However, in some cases, it may be necessary to adjust the grating height in order to realize a flare color (a color of flare generated by diffracted light) according to the application of the optical system on which the diffractive optical element is mounted. By selecting the material so that the first optical material and the second optical material constituting the diffractive optical element satisfy the condition of the equation (1), the grating height is slightly increased in order to adjust the color tone of the flare color. Even when corrected, it is possible to provide a diffractive optical element with excellent diffractive flare imaging performance while minimizing the increase in flare.
上述の回折光学素子DOEにおいて、それぞれが有機化合物からなる樹脂を主成分とし無機微粒子を含まない第1光学材料と第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、回折光学素子DOEが使用される光の波長をλ(λ1≦λ≦λ2)とし、所定の重み付け関数をg(λ)としたとき、次式(2)の条件を満足している。
式(2)は、屈折率の差n21(λ)で規定される第1光学材料と第2光学材料において、格子高さの観点から適正な組み合わせの範囲を示すものである。式(2)の上限値を上回ると、回折光学素子DOEを成形する際、光学材料を押し広げるときに気泡が混入しやすくなるため、成形が難しくなる。また、金型(成形型)を剥離する際にパターンの欠け等が生じ易くなる。 Formula (2) shows the range of a proper combination from the viewpoint of the grating height in the first optical material and the second optical material defined by the difference in refractive index n 21 (λ). When the value exceeds the upper limit value of the formula (2), when forming the diffractive optical element DOE, air bubbles are likely to be mixed in when the optical material is spread, so that the forming becomes difficult. In addition, when the mold (molding die) is peeled, chipping or the like of the pattern is likely to occur.
さらに、上述の回折光学素子DOEにおいて、それぞれが有機化合物からなる樹脂を主成分とし無機微粒子を含まない第1光学材料と第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、回折光学素子DOEが使用される光の波長をλ(λ1≦λ≦λ2)とし、所定の重み付け関数をg(λ)としたとき、次式(3)の条件を満足している。
式(3)は、屈折率の差n21(λ)で規定される第1光学材料と第2光学材料において、回折効率の観点からさらに適正な組み合わせの範囲を示すもので、第1光学材料と第2光学材料との組み合わせにおいてフレア総量Fが最小となる場合のさらに好ましいフレア総量Fmを規定したものである。 Formula (3) shows the range of a more appropriate combination from the viewpoint of diffraction efficiency in the first optical material and the second optical material defined by the refractive index difference n 21 (λ), and the first optical material In the combination of the second optical material and the second optical material, a further preferable total flare amount Fm is defined when the total flare amount F is minimized.
上述の式(1)〜(3)を利用して、回折光学素子DOEに用いられる第1光学材料と第2光学材料を決定することができる。 The first optical material and the second optical material to be used for the diffractive optical element DOE can be determined by using the above formulas (1) to (3).
以下、式(1)〜(3)の導出およびこの式を利用した光学材料設計方法について説明する。まず、本実施形態の光学材料設計方法で用いられるフレア比率について説明する。光学分野におけるスカラー理論によれば、m次回折光(m:整数)の回折効率ηm(λ)
は次式(4)〜(6)で表される。
Is expressed by the following equations (4) to (6).
ここで、n1(λ)は波長λの光に対する第1光学材料の屈折率であり、n2(λ)は波長λの光に対する第2光学材料の屈折率である。また、dはレリーフパターン5の高さ(以下、格子高さと称する)であり、φ(λ)は波面段差を波長単位で表したものである。φ(λ)について理想的には、使用する全ての波長に対して次式(7)であることが求められる。
このとき、1次回折光の回折効率η1(λ)は次式(8)で表される。
またこのとき、0次回折光の回折効率η0(λ)は次式(9)で表される。
またこのとき、2次回折光の回折効率η2(λ)は次式(10)で表される。
本実施形態では、φ(λ)が理想からわずかにずれている場合を想定する。この場合、φ(λ)は次式(11)、(12)で表される。
ここで、Δn(λ)は波長λにおける理想的な屈折率差からのずれ量であり、次式(13)で表される。
Δφ(λ)が1に比べて十分に小さいとき、1次回折光の回折効率η1(λ)は次式(
14)で表される。
It is represented by 14).
またこのとき、0次回折光の回折効率η0(λ)は次式(15)で表される。
またこのとき、2次回折光の回折効率η2(λ)は次式(16)で表される。
ここで、1次回折光に対する0次回折光および2次回折光の比率として、フレア比率fR(λ)を次式(17)のように定義する。
この式(17)に前述の式(14)〜(16)を代入すると、フレア比率fR(λ)は
次式(18)で表される。
さらに、Δφ(λ)が1に比べて十分に小さいとして近似すると、フレア比率fR(λ
)を次式(19)のように表すことができる。
Can be expressed as in the following equation (19).
一例として、低屈折率高分散である第1光学材料としてフッ素系のアクリル酸エステルとフルオレン系のアクリル酸エステルとの混合物を主成分とする組成物を硬化させたものを用い、高屈折率低分散である第2光学材料としてトリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルを反応させて得られたオリゴマーの硬化物(後述の第8グループに相当)を用いて、フレア比率をスカラー計算した結果と式(19)により近似計算した結果とを比較したグラフを図4に示す。なお、図4(a)はブレーズ波長がd線(587.56nm)の回折光学素子における計算結果であり、図4(b)はブレーズ波長がe線(546.07nm)の回折光学素子における計算結果である。図4に示すように、式(19)による近似精度は高いことがわかる。 As an example, as a first optical material having a low refractive index and a high dispersion, one obtained by curing a composition containing a mixture of a fluorine-based acrylic acid ester and a fluorene-based acrylic acid ester as a main component is used. The result of scalar calculation of the flare ratio using a cured product of an oligomer obtained by reacting an acrylic ester having a tricyclodecane skeleton as a second optical material to be dispersed (corresponding to the eighth group described later) A graph comparing the result of approximate calculation according to (19) is shown in FIG. FIG. 4 (a) shows the calculation result in the diffractive optical element having the blaze wavelength of d line (587.56 nm), and FIG. 4 (b) shows the calculation in the diffractive optical element having the blaze wavelength of e line (546.07 nm). It is a result. As shown in FIG. 4, it can be seen that the approximation accuracy by the equation (19) is high.
なお、Δφ(λ)は、第1光学材料と第2光学材料の屈折率差および格子高さがわかれば、式(12)および式(13)を用いて算出することができる。Δφ(λ)の計算結果を図5に示す。なお、図5(a)はブレーズ波長がd線の回折光学素子における計算結果であり、図5(b)はブレーズ波長がe線の回折光学素子における計算結果である。 Note that Δφ (λ) can be calculated using Equations (12) and (13), if the refractive index difference between the first optical material and the second optical material and the grating height are known. The calculation result of Δφ (λ) is shown in FIG. FIG. 5 (a) shows the calculation result in the diffractive optical element of which the blaze wavelength is d-line, and FIG. 5 (b) shows the calculation result in the diffractive optical element of which the blaze wavelength is e-line.
次に、式(19)で近似されるフレア比率を利用した格子高さの最適化方法について説明する。図4、5で用いた従来の回折光学素子における第1光学材料と第2光学材料との屈折率差と波長との関係を図6に示す。また、従来の回折光学素子におけるフレア比率と波長との関係を図7に示す。図6において、第1光学材料と第2光学材料との屈折率差を示す理想直線の傾きは、式(13)からも分かるように格子高さの逆数(1/d)である。そのため、理想的な屈折率差からのずれ量Δn(λ)は、格子高さdに依存する。また、式(19)より、フレア比率についても同様のことがいえる。すなわち、フレア(回折光学素子DOEを使用する際に不要となる0次回折光および2次回折光)の波長特性は、第1光学材料の屈折率n1(λ)と、第2光学材料の屈折率n2(λ)と、格子高さdで決まる。したがって、フレア比率を抑えるには、格子高さdを最適化する必要がある。なお、フレア比率fR(λ)は改めてfRとして次式(20)のように表すこともできる。
波長λがλ1(例えば、400nm)からλ2(例えば、700nm)までの範囲で生
じるフレア比率の総和(以下、フレア総量と称する)Fは、フレア比率fR(λ)の積分
値として次式(21)のように表すことができる。
なお、本実施形態においては、回折光学素子をデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、一眼レフカメラの交換レンズ等、可視光を用いる撮像光学系として使用する場合、使用波長領域として前記波長の下限値λ1を400nm、前記波長の上限値λ2を700nmと設定する。
In the present embodiment, when the diffractive optical element is used as an imaging optical system using visible light, such as a digital still camera, a digital video camera, an interchangeable lens of a single-lens reflex camera, etc. Is set to 400 nm, and the upper limit λ2 of the wavelength is set to 700 nm.
ここで、g(λ)は、光学系のスペクトル分布、光学系の透過率、撮像系の感度など、或いはこれらの積で表される重み付け関数(波長λの関数)である。式(20)を用いて式(21)を展開すると、フレア総量Fは次式(22)で表される。
ここで、式(22)の各項A,B,C,Dはそれぞれ、次式(23)〜(26)で表される。
フレア総量Fが最小となる条件は、次式(27)で表される。 The condition for minimizing the total amount of flare F is expressed by the following equation (27).
式(27)より、フレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmは、次式(28)で表される。
また、式(28)より、フレア総量Fが最小となる場合のフレア総量Fmは、次式(29)で表される。
この式(28)および式(29)が、フレア総量Fが最小になるように格子高さdを最適化するための条件式となる。なお、光学系のスペクトル分布、光学系の透過率、撮像系の感度などを考慮しない場合、すなわち、g(λ)=1のとき、フレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmは、次式(30)で表される。
また、g(λ)=1のとき、フレア総量Fが最小となる場合のフレア総量Fmは、次式(31)で表される。
一例として、低屈折率高分散である第1光学材料としてフッ素系のアクリル酸エステルとフルオレン系のアクリル酸エステルとの混合物を主成分とする組成物を硬化させたものを用い、高屈折率低分散である第2光学材料としてトリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルを反応させて得られたオリゴマーの硬化物(後述の第8グループに相当)を用い、格子高さdを22.8μmから24.8μmまで変化させてそれぞれ算出したフレア比率fR(λ)を図8に示す。また、波長λが400nm〜700nmの範囲で算出した
フレア総量Fと格子高さdとの関係を図9に示す。なお、図9では、g(λ)=1としている。図9に示すように、格子高さdが23.8μm近傍の条件で、フレア総量Fが最小
になることがわかる。また、図8に示すように、フレア総量Fが最小になる格子高さdが23.8のときに、可視光における波長分布が最も均一になり、フレアの色が赤色や青色、あるいは緑色などに極端に偏るのを防ぐことができる。
As an example, as a first optical material having a low refractive index and a high dispersion, one obtained by curing a composition containing a mixture of a fluorine-based acrylic acid ester and a fluorene-based acrylic acid ester as a main component is used. A cured product of an oligomer obtained by reacting an acrylic acid ester having a tricyclodecane skeleton as a second optical material to be dispersed (corresponding to an eighth group described later) is used, and the lattice height d is 22.8 μm to 24. FIG. 8 shows flare ratios f R (λ) calculated with changing to 8 μm. Further, FIG. 9 shows the relationship between the total amount of flare F calculated in the wavelength range of 400 nm to 700 nm and the grating height d. In FIG. 9, g (λ) = 1. As shown in FIG. 9, it can be seen that the total amount of flare F is minimized under the condition that the grating height d is around 23.8 μm. Also, as shown in FIG. 8, when the grating height d at which the total amount of flare F becomes minimum is 23.8, the wavelength distribution in visible light becomes most uniform, and the color of the flare is red, blue, green, etc. You can prevent extreme bias.
このように、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料の屈折率の差が分かれば、式(28)〜(29)(もしくは、式(30)〜(31))を利用して、フレア総量Fが最小になるように格子高さdを最適化することができる。フレア総量Fが最小となる場合のフレア総量Fmについては、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とが、次式(32)の条件を満足することが好ましい。
すなわち、先に述べた式(1)の条件を満足していることが好ましい。以下に示すように、最小となるフレア総量Fmが0.23以下であれば回折光学素子DOEから生じるフレアが抑えられるため、回折光学素子DOEの光学性能を良好に保つことができる。本来、式(32)の上限値としてフレア総量Fm=0.23という値は、フレアが十分に抑えられた値である。しかしながら、回折光学素子を搭載する光学系の用途に応じ、わずかに残存するフレア光の色調の調整が必要となる場合がある。図8に示すように、格子高さが式(30)で表されるdmからプラス側またはマイナス側にずれると、フレア光の色調は変化する。この変化を利用し、格子高さを調整することによりフレア光の色調を調整することができる。フレア光の色調の調整のために、調整される格子高さの範囲は、通常約±0.05μmの範囲から±約0.5μmの範囲である。 That is, it is preferable to satisfy the condition of Formula (1) described above. As described below, when the total amount of flare Fm to be minimized is 0.23 or less, the flare generated from the diffractive optical element DOE can be suppressed, so that the optical performance of the diffractive optical element DOE can be maintained well. Essentially, the value of the total amount of flare Fm = 0.23 as the upper limit value of the equation (32) is a value at which the flare is sufficiently suppressed. However, depending on the application of the optical system on which the diffractive optical element is mounted, it may be necessary to adjust the color tone of the slightly remaining flare light. As shown in FIG. 8, when the lattice height deviates from dm expressed by equation (30) to the plus side or the minus side, the color tone of flare light changes. The color tone of flare light can be adjusted by adjusting the grid height using this change. The range of grating height to be adjusted is usually in the range of about ± 0.05 μm to ± about 0.5 μm for adjusting the color tone of flare light.
図9は、図8の結果に比視感度を掛けたときの、格子高さとフレア総量の関係を表した図である。例えば図9においては、Fm=0.102が最小値であり、その時の格子高さが約±0.5μmの範囲にわたり変化した場合であっても、フレア総量Fmは0.23以下となる。したがって、この格子高さの範囲内であれば使用用途に応じてフレア光の色調を自由に調整することができる。つまり、式(32)の条件を満足することにより、色調の調整を実施した場合であっても十分な光学性能を保った回折光学素子を提供することができる。さらに、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折低分散の第2光学材料とのフレア総量の最小値Fmを基準として色調の調整を実施するので、格子高さの変化に対するフレア総量の変化率を最小限に抑えることが可能となる。このように、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料との屈折率の差が分かれば、式(28)〜(29)(もしくは、式(30)〜(31))を利用して、フレア総量Fが最小になるように最適な第1光学材料と第2光学材料との組み合わせを選択することができる。 FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the grating height and the total amount of flare when the result of FIG. 8 is multiplied by the relative visual sensitivity. For example, in FIG. 9, Fm = 0.102 is the minimum value, and the total amount of flare Fm is 0.23 or less even when the lattice height at that time changes over a range of about ± 0.5 μm. Therefore, the color tone of the flare light can be freely adjusted according to the usage within the range of the lattice height. That is, by satisfying the condition of Formula (32), it is possible to provide a diffractive optical element that maintains sufficient optical performance even when the color tone is adjusted. Furthermore, since the color tone adjustment is performed based on the minimum value Fm of the total flare amount of the low refractive index high dispersion first optical material and the high refractive low dispersion second optical material, the total flare amount relative to the change in grating height is It is possible to minimize the rate of change. Thus, if the difference in refractive index between the low refractive index high dispersion first optical material and the high refractive index low dispersion second optical material is known, the equations (28) to (29) (or the equation (30)) (31) can be used to select the optimum combination of the first optical material and the second optical material so as to minimize the total amount of flare F.
さらに、フレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmについて、式(33)の条件を満足することが好ましい。
すなわち、先に述べた式(2)の条件を満足していることが好ましい。格子高さdmが式(33)の条件を満足していれば、回折光学素子DOEを容易に成形することができる。なお、式(33)の上限値を上回ると、回折光学素子DOEを成形する際、光学材料を押し広げるときに気泡が混入しやすくなり成形が難しくなる。また、金型(成形型)を剥離する際にパターンの欠け等が生じ易くなる等の問題も生じるため、成形条件等の制約が
大きくなる。
That is, it is preferable to satisfy the condition of Formula (2) described above. If the grating height dm satisfies the condition of Formula (33), the diffractive optical element DOE can be easily shaped. When the value exceeds the upper limit value of the expression (33), when the diffractive optical element DOE is molded, air bubbles are likely to be mixed in when the optical material is spread, and the molding becomes difficult. In addition, since problems such as chipping of a pattern are likely to occur when peeling a mold (molding die), restrictions such as molding conditions become large.
さらに、フレア総量Fが最小となる場合のフレア総量Fmについては、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とが、次式(34)の条件を満足することが好ましい。
式(34)は、屈折率の差n21(λ)で規定される第1光学材料と第2光学材料において、回折効率の観点からさらに適正な組み合わせの範囲を示すもので、第1光学材料と第2光学材料との組み合わせにおいてフレア総量Fが最小となる場合のさらに好ましいフレア総量Fmを規定したものである。式(34)の条件式を満足する第1光学材料と第2光学材料を選択することにより、フレア総量Fをさらに抑えられるとともに、フレア光の色調の調整自由度および製造条件の自由度を格段に増やすことができる。 Formula (34) shows the range of a more appropriate combination from the viewpoint of diffraction efficiency in the first optical material and the second optical material defined by the difference in refractive index n 21 (λ), and the first optical material In the combination of the second optical material and the second optical material, a further preferable total flare amount Fm is defined when the total flare amount F is minimized. By selecting the first optical material and the second optical material which satisfy the conditional expression of the equation (34), the total amount of flare F can be further suppressed, and also the degree of freedom in adjusting the color tone of flare light and the degree of freedom in manufacturing conditions Can be increased.
続いて、式(1)〜(2)を利用した光学材料の設計フローについて、図10のフローチャートを参照しながら説明する。まず、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料の組み合わせの候補を決める(ステップST101)。候補となる組み合わせとして、第1光学材料と第2光学材料の両方が新規に創製された光学材料であってもよく、第1光学材料と第2光学材料のうち一方が新規に創製された光学材料で他方が既存の光学材料であってもよい。また、第1光学材料と第2光学材料の両方が既存の光学材料であってもよい。 Subsequently, a design flow of an optical material using the equations (1) and (2) will be described with reference to the flowchart of FIG. First, candidates for combinations of the low refractive index high dispersion first optical material and the high refractive index low dispersion second optical material are determined (step ST101). As a candidate combination, both the first optical material and the second optical material may be newly created optical materials, and one of the first optical material and the second optical material may be newly created optical The other of the materials may be an existing optical material. Also, both the first optical material and the second optical material may be existing optical materials.
次に、先のステップST101で決めた第1光学材料と第2光学材料の屈折率および屈折率の差を求める(ステップST102)。このとき、第1光学材料の屈折率n1(λ)
については、h線(405nm)、g線(436nm)、F線(486.1nm)、e線(546.07nm)、d線(587.56nm)、C線(656.3nm)等の複数の波長に対する屈折率をそれぞれ測定し、次式(35)で表される屈折率の分散曲線における各項の係数A0〜A5を算出して、各波長に対する屈折率を求める。
For the h-line (405 nm), g-line (436 nm), f-line (486.1 nm), e-line (546.07 nm), d-line (587.56 nm), c-line (656.3 nm), etc. The refractive index for each wavelength is measured, and the coefficients A 0 to A 5 of each term in the dispersion curve of refractive index represented by the following equation (35) are calculated to determine the refractive index for each wavelength.
また、第2光学材料の屈折率n2(λ)については、第1光学材料の屈折率n1(λ)と同様に複数の波長に対する屈折率をそれぞれ測定し、次式(36)で表される屈折率の分散曲線における各項の係数B0〜B5を算出して、各波長に対する屈折率を求める。
そして、式(35)および式(36)を用いて、各波長に対する屈折率の差(n21(λ):式(6)を参照)を求める。なお、式(35)の係数A0〜A5と式(36)の係数B0〜B5は同義であるが、本実施形態では説明容易化のために区別して記載している。 Then, using the equations (35) and (36), the difference in refractive index (n 21 (λ): see equation (6)) for each wavelength is determined. Although the coefficient B 0 .about.B 5 coefficients A 0 to A 5 and of the formula (35) (36) are as defined, in this embodiment, it is stated separately for explanation easier.
以下、低屈折率高分散の第1光学材料および高屈折率低分散の第2光学材料の候補として合成した複数の樹脂について、以下14組の樹脂の組み合わせを選択し、上記計測を行
い、フレア総量Fm、最適格子高さdmを算出した。表1に樹脂の組み合わせを示す。樹脂の組み合わせは便宜的に第1〜第14グループと称する。以下において、低屈折率高分散の第1光学材料である樹脂を記号A、高屈折率低分散の第2光学材料である樹脂を記号Bでそれぞれ示すとともに、その記号の下位に、組成の樹脂に応じた番号をつけている。さらに、組成の樹脂が同じであっても配合比が異なるものについてはハイフン(−)1からハイフン(−)3を付与して区別している。
Hereinafter, with respect to a plurality of resins synthesized as candidates for the low refractive index high dispersion first optical material and the high refractive index low dispersion second optical material, the following 14 combinations of resins are selected, and the above measurement is performed to obtain flare The total amount Fm and the optimal grid height dm were calculated. Table 1 shows combinations of resins. The combination of resins is conveniently referred to as first to fourteenth groups. In the following, a resin which is a first optical material of low refractive index and high dispersion is denoted by symbol A, and a resin which is a second optical material of high refractive index and low dispersion is denoted by symbol B. It has a number according to. Furthermore, hyphens (−) 1 to hyphens (−) 3 are added to distinguish one having a different composition ratio even if the resins of the composition are the same.
(表1)
グループ名 第1光学材料 第2光学材料
第1グループ 樹脂A1 樹脂B1
第2グループ 樹脂A2 樹脂B2
第3グループ 樹脂A3 樹脂B3
第4グループ 樹脂A1−1 樹脂B2−1
第5グループ 樹脂A1−1 樹脂B2−2
第6グループ 樹脂A1−2 樹脂B2−3
第7グループ 樹脂A1−2 樹脂B3−1
第8グループ 樹脂A1−2 樹脂B4
第9グループ 樹脂A4 樹脂B1
第10グループ 樹脂A4 樹脂B4−1
第11グループ 樹脂A2 樹脂B5
第12グループ 樹脂A2 樹脂B5−1
第13グループ 樹脂A4 樹脂B4−2
第14グループ 樹脂A2 樹脂B1
(Table 1)
Group name First optical material Second optical material First group Resin A1 Resin B1
Second Group Resin A2 Resin B2
Third Group Resin A3 Resin B3
Fourth Group Resin A1-1 Resin B2-1
Fifth Group Resin A1-1 Resin B2-2
Sixth Group Resin A1-2 Resin B2-3
Seventh Group Resin A1-2 Resin B3-1
Eighth group resin A1-2 resin B4
Ninth Group Resin A4 Resin B1
Tenth group resin A4 resin B4-1
Eleventh Group Resin A2 Resin B5
The 12th group resin A2 resin B5-1
The 13th group resin A4 resin B4-2
Fourteenth group resin A2 resin B1
第1グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、フッ素系のアクリル酸エステルとフルオレン系のアクリル酸エステルとの混合物を主成分とする組成物を硬化させた樹脂である。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、チオールと、トリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルを反応させて得られたオリゴマーを硬化させた樹脂である。
第2グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、ビスフェノール骨格をもつ樹脂である。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、チオールと、トリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルを反応させて得られたオリゴマーを硬化させた樹脂である。
第3グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、ビスフェノール骨格をもつ樹脂である。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、2種のチオールと、トリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルを反応させて得られたオリゴマーを硬化させた樹脂である。
第4グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第1グループにおける第1光学材料と同様で、配合比を変えたものである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第2グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
In the first group, the low refractive index and high dispersion first optical material is a resin obtained by curing a composition containing as a main component a mixture of a fluorine-based acrylic acid ester and a fluorene-based acrylic acid ester. The second optical material of high refractive index and low dispersion is a resin obtained by curing an oligomer obtained by reacting a thiol and an acrylic ester having a tricyclodecane skeleton.
In the second group, the low refractive index and high dispersion first optical material is a resin having a bisphenol skeleton. The second optical material of high refractive index and low dispersion is a resin obtained by curing an oligomer obtained by reacting a thiol and an acrylic ester having a tricyclodecane skeleton.
In the third group, the low refractive index and high dispersion first optical material is a resin having a bisphenol skeleton. The second optical material of high refractive index and low dispersion is a resin obtained by curing an oligomer obtained by reacting two types of thiol and an acrylic ester having a tricyclodecane skeleton.
In the fourth group, the low-refractive-index high-dispersion first optical material is the same as the first optical material in the first group, and the compounding ratio is changed. Further, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the second group, and the compounding ratio is changed.
第5グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第4グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第2グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
第6グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第1グループにおける第1光学材料と同様で、配合比を変えたものである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第2グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
第7グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第6グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第3グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
第8グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第6グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、2種のチオール(1つ
はトリシクロデカン骨格をもつチオール)と、トリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルを反応させて得られたオリゴマーを硬化させた樹脂である。
In the fifth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the fourth group. Further, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the second group, and the compounding ratio is changed.
In the sixth group, the low-refractive-index high-dispersion first optical material is the same as the first optical material in the first group, and has a different blending ratio. Further, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the second group, and the compounding ratio is changed.
In the seventh group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the sixth group. Further, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the third group, and the compounding ratio is changed.
In the eighth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the sixth group. Further, the second optical material of high refractive index and low dispersion comprises an oligomer obtained by reacting two types of thiol (one is a thiol having a tricyclodecane skeleton) with an acrylic ester having a tricyclodecane skeleton. It is a cured resin.
第9グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、ビスフェノール骨格を持つアクリル酸エステルとフッ素系のアクリル酸エステルとの混合物を硬化させた樹脂である。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第1グループにおける第2光学材料と同じである。
第10グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第9グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第8グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
第11グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第2グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、トリシクロデカン骨格をもつチオールと、トリシクロデカン骨格をもつアクリル酸エステルとを反応させて得られたオリゴマーを硬化させた樹脂である。
第12グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第2グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第11グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
第13グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第9グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第10グループにおける第2光学材料と同様で、配合比を変えたものである。
第14グループにおいて、低屈折率高分散の第1光学材料は、第2グループにおける第1光学材料と同じである。また、高屈折率低分散の第2光学材料は、第1グループにおける第2光学材料と同様である。
In the ninth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is a resin obtained by curing a mixture of an acrylic ester having a bisphenol skeleton and a fluorine-based acrylic ester. In addition, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the first group.
In the tenth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the ninth group. In addition, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the eighth group, and the compounding ratio is changed.
In the eleventh group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the second group. The second optical material of high refractive index and low dispersion is a resin obtained by curing an oligomer obtained by reacting a thiol having a tricyclodecane skeleton with an acrylic ester having a tricyclodecane skeleton.
In the twelfth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the second group. In addition, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the eleventh group, and the compounding ratio is changed.
In the thirteenth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the ninth group. Further, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the tenth group, and the compounding ratio is changed.
In the fourteenth group, the low refractive index and high dispersion first optical material is the same as the first optical material in the second group. In addition, the second optical material of high refractive index and low dispersion is the same as the second optical material in the first group.
なお、上述した第1〜第14グループの樹脂はそれぞれ、光重合開始材を0.1〜0.5重量%含んでいる。 In addition, resin of the 1st-14th group mentioned above contains 0.1-0.5 weight% of photoinitiators, respectively.
次に、表1に示した第1光学材料と第2光学材料の組合せからなる回折光学素子DOEについて算出した屈折率(係数A0〜A5および係数B0〜B5)を次の表2に示す。 Next, the refractive index (coefficient A 0 to A 5 and coefficient B 0 to B 5 ) calculated for the diffractive optical element DOE made of the combination of the first optical material and the second optical material shown in Table 1 is shown in Table 2 below. Shown in.
(表2)
グループ名 A0/B0 A1/B1 A2/B2 A3/B3 A4/B4 A5/B5
第1グループ 2.277981 -0.00464 0.014612 0.00261 -0.00036 0.0000342
2.367936 0.002708 0.02193 -0.00162 0.000288 -0.000016
第2グループ 2.275591 -0.00316 0.016172 0.002251 -0.00039 0.0000322
2.376195 -0.00692 -0.00014 0.005781 -0.00083 0.0000462
第3グループ 2.275591 -0.00316 0.016172 0.002251 -0.00039 0.0000322
2.319678 0.038251 0.045709 -0.00671 0.000793 -0.000035
第4グループ 2.265189 -0.0138 0.009935 0.001919 -0.0000018 -0.0000007
2.379781 -0.00406 0.003001 0.005383 -0.00083 0.000047
第5グループ 2.265189 -0.0138 0.009935 0.001919 -0.0000018 -0.0000007
2.317441 0.027186 0.054526 -0.01405 0.002489 -0.00016
第6グループ 2.29366 0.00071 0.019114 0.001897 -0.00028 0.0000304
2.329237 0.037535 0.063875 -0.01449 0.002227 -0.00013
第7グループ 2.286323 -0.00444 0.036998 -0.00791 0.001758 -0.00011
2.333714 0.040432 0.068656 -0.01621 0.002526 -0.00015
第8グループ 2.29366 0.00071 0.019114 0.001897 -0.00028 0.0000304
2.435204 -0.02572 -0.01407 0.009837 -0.0014 0.0000783
第9グループ 2.365574 -0.03098 -0.0153 0.011076 -0.00151 0.0000853
2.367936 0.002708 0.02193 -0.00162 0.000288 -0.000016
第10グループ 2.365574 -0.03098 -0.0153 0.011076 -0.00151 0.0000853
2.343431 0.019152 0.04043 -0.00727 0.001102 -0.00006
第11グループ 2.277563 -0.0031 0.016484 0.001416 -0.00014 0.0000123
2.314673 0.027899 0.049493 -0.00998 0.001438 -0.000076
第12グループ 2.277563 -0.0031 0.016484 0.001416 -0.00014 0.0000123
2.347063 0.002701 0.023477 -0.00291 0.000549 -0.000034
第13グループ 2.365574 -0.03098 -0.0153 0.011076 -0.00151 0.0000853
2.370312 0.004577 0.023047 -0.00194 0.000333 -0.000018
第14グループ 2.277563 -0.0031 0.016484 0.001416 -0.00014 0.0000123
2.367936 0.002708 0.02193 -0.00162 0.000288 -0.000016
(Table 2)
Group name A 0 / B 0 A 1 / B 1 A 2 / B 2 A 3 / B 3 A 4 / B 4 A 5 / B 5
First group 2.277981-0.00464 0.01461 2 0.00261-0.00036 0.0000342
2.367936 0.002708 0.02193-0.00162 0.000288-0.000016
The second group 2.275591 -0.00316 0.016172 0.002251 -0.00039 0.0000322
2.376195 -0.00692 -0.00014 0.005781 -0.00083 0.0000462
The third group 2.275591 -0.00316 0.016172 0.002251 -0.00039 0.0000322
2.319678 0.038251 0.045709-0.00671 0.000793-0.000035
The fourth group 2.265189-0.0138 0.009935 0.001919-0.0000018-0.0000007
2.379781-0.00406 0.003001 0.005383 -0.00083 0.000047
The fifth group 2.265189-0.0138 0.009935 0.001919-0.0000018-0.0000007
2.317441 0.027186 0.054526-0.01405 0.002489-0.0001
Sixth group 2.29366 0.00071 0.019114 0.001897 -0.00028 0.0000304
2.329237 0.037535 0.063875-0.01449 0.002227-0.00013
The seventh group 2.286323 -0.00444 0.036998 -0.00791 0.001758 -0.000111
2.333714 0.04042 0.068656-0.01621 0.002526-0.00015
The eighth group 2.29366 0.00071 0.019114 0.001897 -0.00028 0.0000304
2.435204 -0.02572-0.01407 0.009837-0.0014 0.0000783
The ninth group 2.365574-0.03098-0.0153 0.011076-0.00151 0.0000853
2.367936 0.002708 0.02193-0.00162 0.000288-0.000016
The tenth group 2.365574-0.03098-0.0153 0.011076-0.00151 0.0000853
2.343431 0.019152 0.04043 -0.00727 0.001102 -0.00006
The eleventh group 2.277563 -0.0031 0.016484 0.001416 -0.00014 0.0000013
2.314673 0.027899 0.049493-0.00998 0.001438-0.000076
The twelfth group 2.277563-0.0031 0.016484 0.001416-0.0001 4 0.0000013
2.347063 0.002701 0.023477 -0.00291 0.000549 -0.000034
The thirteenth group 2.365574-0.03098-0.0153 0.011076-0.00151 0.0000853
2.370312 0.004577 0.023047-0.00194 0.000333-0.000018
The 14th group 2.277563 -0.0031 0.016484 0.001416 -0.00014 0.0000013
2.367936 0.002708 0.02193-0.00162 0.000288-0.000016
次に、先のステップST102で求めた屈折率の差から、式(28)〜式(29)を利用して、フレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmおよびフレア総量Fmを求める(ステップST103)。ここで、フレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmおよびフレア総量Fmの算出例を次の表3および図1に示す。なお、表3および図1に示す各グループは、表1の各グループと同じである。また、格子高さdmおよびフレア総量Fmを算出する際、重み付け関数g(λ)として、図11に示すように、最大値が1となるように規格化された明所での比視感度曲線の式を用いている。 Next, from the difference in refractive index determined in the previous step ST102, the grating height dm and the total flare amount Fm in the case where the total flare amount F is minimized are determined using Equations (28) to (29) Step ST103). Here, an example of calculation of the grid height dm and the total amount of flare Fm when the total amount of flare F is minimized is shown in the following Table 3 and FIG. Each group shown in Table 3 and FIG. 1 is the same as each group in Table 1. In addition, when calculating the grid height dm and the total amount of flare Fm, as shown in FIG. 11 as the weighting function g (λ), the relative luminosity curve at a bright place standardized so that the maximum value is 1 The formula of is used.
(表3)
グループ名 dm[μm] Fm
第1グループ 19.6 0.224
第2グループ 24.57 0.259
第3グループ 19.32 0.276
第4グループ 15.82 0.489
第5グループ 15.75 0.436
第6グループ 19.87 0.183
第7グループ 17.61 0.282
第8グループ 22.85 0.102
第9グループ 34.64 0.111
第10グループ 32.11 0.135
第11グループ 22.1 0.26
第12グループ 25.78 0.16
第13グループ 31.81 0.138
第14グループ 19.26 0.421
(Table 3)
Group name dm [μm] Fm
First group 19.6 0.224
The second group 24.57 0.259
The third group 19.32 0.276
The fourth group 15.82 0.489
The fifth group 15.75 0.436
The sixth group 19.87 0.183
Seventh group 17.61 0.282
The eighth group 22.85 0.102
The ninth group 34.64 0.111
The tenth group 32.11 0.135
The eleventh group 22.1 0.26
The twelfth group 25.78 0.16
The thirteenth group 31.81 0.138
The 14th group 19.26 0.421
次に、先のステップST103で求めたフレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmおよびフレア総量Fmが、前述の式(32)および式(33)の条件を満足しているか否か、すなわち、式(1)および式(2)の条件を満足しているか否かを判定する(ステップST104)。判定がYesの場合、候補である第1光学材料および第2光学材料を、回折光学素子DOEに使用可能な(適した)光学材料として決定する(ステップST105)。一方、判定がNoの場合、候補である第1光学材料および第2光学材料を、回折光学素子DOEに不適な光学材料として決定する(ステップST106)。例えば、上述の表3および図1の例において、第1、第6、第8、第12グループの第1光学材料および第2光学材料の組み合わせが回折光学素子DOEに用いることが可能な光学材料として決定される。これら4組の樹脂の組合せを用いることにより、無機微粒子分散型の樹脂を用いずとも有機化合物からなる樹脂のみでフレア光量を十分に小さい値に抑えられる。さらに、これらの樹脂の組合せからなる回折光学素子は、回折光学素子の用途に応じてフレア光の色調を調整した場合であっても、フレア光量の増加を十分に小さい値に抑えることができる。 Next, whether or not the grating height dm and the total flare amount Fm in the case where the total amount of flare F obtained in the previous step ST103 is minimum satisfy the conditions of the above-mentioned equations (32) and (33) That is, it is determined whether the conditions of Formula (1) and Formula (2) are satisfied (step ST104). If the determination is Yes, the candidate first optical material and second optical material are determined as optical materials usable (suitable) for the diffractive optical element DOE (step ST105). On the other hand, if the determination is No, the candidate first optical material and second optical material are determined as optical materials unsuitable for the diffractive optical element DOE (step ST106). For example, in the example of Table 3 and FIG. 1 described above, an optical material which can be used for the diffractive optical element DOE in which the combination of the first optical material and the second optical material of the first, sixth, eighth and twelfth groups is used. It is determined as By using a combination of these four sets of resins, the amount of flare light can be suppressed to a sufficiently small value with only the resin composed of an organic compound without using the inorganic fine particle dispersion type resin. Furthermore, the diffractive optical element made of a combination of these resins can suppress the increase in the amount of flare light to a sufficiently small value even when the color tone of the flare light is adjusted according to the application of the diffractive optical element.
なお、上述の表3および図1の例において、第9、第10、第13グループについても、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料の組み合わせとして式(1)の条件を満足している。このように式(1)の条件のみを満足している場合、成形条件は制約されるものの、フレア光量を十分に抑えることができ、回折光学素子の用途に応じてフレア光の色調を調整した場合であっても、フレア光量の増加を十分に小さい値に抑えた回折光学素子を実現することができる。 In the example of Table 3 and FIG. 1 described above, also for the ninth, tenth, and thirteenth groups, the formula is used as a combination of the first optical material of low refractive index and high dispersion and the second optical material of high refractive index and low dispersion. The condition of (1) is satisfied. As described above, when only the condition of the equation (1) is satisfied, although the molding condition is restricted, the flare light amount can be sufficiently suppressed, and the color tone of the flare light is adjusted according to the application of the diffractive optical element Even in this case, it is possible to realize a diffractive optical element in which the increase in the amount of flare light is suppressed to a sufficiently small value.
また、前述のステップST104において、先のステップST103で求めたフレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmおよびフレア総量Fmが、前述の式(34)および式(33)の条件を満足しているか否か、すなわち、式(3)および式(2)の条件を満足しているか否かを判定するようにしてもよい。このようにすれば、さらにフレア光量を抑えることができるとともに、回折光学素子の用途に応じたフレア光の色調の調整自由度および製造条件の自由度を格段に向上させることができる。例えば、上述の表3および図1の例において、第6、第8、第12グループの第1光学材料および第2光学材料の組み合わせが回折光学素子DOEに用いることが可能な光学材料として決定される。 Further, in step ST104 described above, the grid height dm and the total amount of flare Fm in the case where the total amount of flare F obtained in the previous step ST103 is minimum satisfy the conditions of the above-described equations (34) and (33). It may be determined whether the conditions of Equation (3) and Equation (2) are satisfied. In this way, it is possible to further suppress the flare light quantity, and to significantly improve the adjustment freedom of the color tone of flare light and the manufacturing condition according to the application of the diffractive optical element. For example, in the example of Table 3 and FIG. 1 described above, the combination of the first optical material and the second optical material of the sixth, eighth and twelfth groups is determined as an optical material that can be used for the diffractive optical element DOE Ru.
もちろん、式(3)の条件のみを満足することを判定条件として、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料との組み合わせを選択するようにしてもよい。このようにすれば、成形条件は制約されるものの、フレア光量をさらに抑えることができ、回折光学素子の用途に応じてフレア光の色調を調整した場合であっても、フレア光量の増加をさらに小さい値に抑えた回折光学素子を実現することができる。 Of course, the combination of the first optical material with low refractive index and high dispersion and the second optical material with high refractive index and low dispersion may be selected based on the condition that only the condition of equation (3) is satisfied. . In this way, although the molding conditions are restricted, it is possible to further suppress the flare light quantity, and even if the color tone of the flare light is adjusted according to the application of the diffractive optical element, the flare light quantity is further increased. A diffractive optical element suppressed to a small value can be realized.
図12に、本実施形態の密着複層型の回折光学素子(DOE)を搭載した光学機器の一例として撮像装置51を示す。この撮像装置51はいわゆるデジタル一眼レフカメラであり、カメラボディ52のレンズマウント(不図示)にレンズ鏡筒53が着脱自在に取り付けられる。そして、レンズ鏡筒53の撮像レンズ54を通した光がカメラボディ52の背面側に配置されたマルチチップモジュールのセンサチップ(固体撮像素子)55上に結像される。撮像レンズ54を構成する少なくとも1つのレンズ群56は、上述した密着複層型の回折光学素子(DOE)を含んでいる。
FIG. 12 shows an
以上説明したように、本実施形態によれば、前述の式(1)の左辺において、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料の屈折率の差から、フレア総量Fが最小となる場合のフレア総量Fmを求めることができる。また、前述の式(2)の左辺において、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料の屈折率の差から、フレア総量Fが最小となる場合の格子高さdmを求めることができる。そして、このフレア総量Fmが式(1)の条件を満足する第1光学材料と第2光学材料の組み合わせを見つけるようにすれば、簡便な方法で、回折光学素子DOEに適した低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とを得ることができる。さらに、格子高さdmが式(2)の条件を満足する第1光学材料と第2光学材料の組み合わせを見つけるようにすれば、簡便な方法で、加工上の制約が少ない回折光学素子DOEに適した低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とを得ることができる。 As described above, according to the present embodiment, on the left side of the above-mentioned equation (1), the difference between the refractive indices of the low refractive index high dispersion first optical material and the high refractive index low dispersion second optical material The total flare amount Fm can be obtained when the total flare amount F is minimum. Further, in the left side of the above-mentioned equation (2), a grating in the case where the total amount of flare F is minimized, due to the difference in refractive index between the low refractive index high dispersion first optical material and the high refractive index low dispersion second optical material The height dm can be determined. Then, if a combination of the first optical material and the second optical material in which the total amount of flare Fm satisfies the condition of the equation (1) is found, a low refractive index and a high height suitable for the diffractive optical element DOE by a simple method. A first optical material of dispersion and a second optical material of high refractive index and low dispersion can be obtained. Further, if a combination of the first optical material and the second optical material in which the grating height dm satisfies the condition of the equation (2) is found, the diffractive optical element DOE with few processing restrictions can be obtained by a simple method. A suitable low refractive index high dispersion first optical material and a high refractive index low dispersion second optical material can be obtained.
さらに、本実施形態により、作成した回折光学素子を、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、一眼レフカメラの交換レンズ等の撮像光学系や顕微鏡等に使用することにより、フレア光量が少なく、かつ色収差を抑えた光学像を得ることができる。 Further, by using the diffractive optical element created according to this embodiment for an imaging optical system such as a digital still camera, digital video camera, interchangeable lens of single-lens reflex camera, microscope, etc., the amount of flare light is small and chromatic aberration is reduced. It is possible to obtain a suppressed optical image.
なお、重み付け関数g(λ)を、最大値が1となるように規格化された比視感度特性を示す関数とすることで、顕微鏡や双眼鏡等、目視で観察するための観察光学系に用いられる回折光学素子DOEに適した、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2
光学材料とを得ることができる。また、比視感度には、図11に示すように、明所での比視感度と暗所での比視感度があり、用途に応じて使い分けることで、柔軟な光学材料設計が可能になる。
The weighting function g (λ) is used as an observation optical system for visual observation such as a microscope or binoculars by setting it as a function indicating a relative luminosity characteristic standardized so that the maximum value is 1. Low refractive index and high dispersion first optical material and high refractive index and low dispersion second suitable for the diffractive optical element DOE
Optical materials can be obtained. Further, as shown in FIG. 11, there are relative luminosity in the bright place and relative luminosity in the dark place in the relative visual sensitivity, and it is possible to design a flexible optical material by using properly according to the application. .
上述の実施形態において、重み付け関数g(λ)として、最大値が1となるように規格化された比視感度特性を示す関数を例示しているが、これに限られるものではなく、例えば、最大値が1となるように規格化されたイメージセンサ(図示せず)の分光感度特性を示す関数を用いるようにしてもよい。これにより、デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ、一眼レフカメラの交換レンズ等の、撮像光学系に用いられる回折光学素子DOEに適した、低屈折率高分散の第1光学材料と高屈折率低分散の第2光学材料とを得ることができる。 In the above-described embodiment, as the weighting function g (λ), a function showing relative luminosity characteristics standardized so that the maximum value is 1 is exemplified, but it is not limited to this. For example, A function indicating spectral sensitivity characteristics of an image sensor (not shown) standardized so that the maximum value is 1 may be used. Thereby, a low-refractive-index, high-dispersion first optical material and a high-refractive-index low-dispersion suitable for a diffractive optical element DOE used for an imaging optical system such as a digital still camera, a digital video camera, or an interchangeable lens of a single lens reflex camera And the second optical material of
上述の実施形態において、回折光学素子DOEの断面構造が鋸歯状であるが、これに限られるものではなく、例えば、矩形状であってもよく、回折格子溝が形成されていればよい。 In the above-described embodiment, the cross-sectional structure of the diffractive optical element DOE is a sawtooth shape, but is not limited to this. For example, it may be a rectangular shape, as long as a diffraction grating groove is formed.
上述の実施形態において、式(1)および式(2)の条件を満足する光学材料の組み合わせとして、第1、第6、第8、第12グループの第1光学材料および第2光学材料を例示しているが、これに限られるものではなく、式(1)および式(2)の条件を満足する樹脂材料の組み合わせであればよい。 In the above embodiment, the first optical material and the second optical material of the first, sixth, eighth and twelfth groups are exemplified as a combination of optical materials satisfying the conditions of the equations (1) and (2). However, the present invention is not limited to this, and any combination of resin materials satisfying the conditions of formulas (1) and (2) may be used.
上述の実施形態において、光学材料の使用波長域として、400nm〜700nmの可視域を例示しているが、これに限られるものではなく、例えば、赤外線撮像装置や蛍光顕微鏡等、紫外域や赤外域の波長域に対応した光学材料を設計することも可能である。 In the above embodiment, the visible wavelength range of 400 nm to 700 nm is exemplified as the working wavelength range of the optical material, but the present invention is not limited thereto. For example, an ultraviolet range or infrared range such as an infrared imaging device or a fluorescence microscope It is also possible to design an optical material corresponding to the wavelength range of
DOE 回折光学素子
1 第1回折光学要素 2 第2回折光学要素
5 レリーフパターン(回折格子溝)
51 撮像装置(光学機器)
DOE diffractive
51 Imaging device (optical equipment)
Claims (4)
前記回折光学素子が使用される光の波長をλ[nm]とし、前記波長の下限をλ1[nm]とし、前記波長の上限をλ2[nm]とし、前記回折光学素子に用いる候補の前記第1光学材料と前記第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、最大値が1となるように規格化されたイメージセンサの分光感度特性を示す関数をg(λ)としたとき、次式
前記条件を満足する前記候補の前記第1光学材料および前記第2光学材料を、前記回折光学素子に用いることが可能な光学材料として決定する回折光学素子の光学材料設計方法。 A low-refractive-index, high-dispersion first optical material and a high-refractive-index, low-dispersion second optical material, each of which is mainly composed of a resin composed of an organic compound and does not contain inorganic fine particles It is an optical material design method of a contact multi-layer type diffractive optical element,
The wavelength of light for which the diffractive optical element is used is λ [nm], the lower limit of the wavelength is λ 1 [nm], the upper limit of the wavelength is λ 2 [nm], and The function representing the spectral sensitivity characteristic of the image sensor standardized to have a difference of the refractive index between the one optical material and the second optical material as n 21 (λ) and the maximum value being 1 is g (λ) When you
An optical material design method for a diffractive optical element, wherein the candidate first optical material and the second optical material satisfying the conditions are determined as optical materials that can be used for the diffractive optical element.
前記回折光学素子が使用される光の波長をλ[nm]とし、前記波長の下限をλ1[nm]とし、前記波長の上限をλ2[nm]とし、前記回折光学素子に用いる候補の前記第1光学材料と前記第2光学材料との屈折率の差をn21(λ)とし、最大値が1となるように規格化されたイメージセンサの分光感度特性を示す関数をg(λ)としたとき、次式
前記条件を満足する前記候補の前記第1光学材料および前記第2光学材料を、前記回折光学素子に用いることが可能な光学材料として決定することを含む回折光学素子の製造方法。 A low-refractive-index, high-dispersion first optical material and a high-refractive-index, low-dispersion second optical material, each of which is mainly composed of a resin composed of an organic compound and does not contain inorganic fine particles A method of manufacturing a contact multi-layer diffractive optical element
The wavelength of light for which the diffractive optical element is used is λ [nm], the lower limit of the wavelength is λ 1 [nm], the upper limit of the wavelength is λ 2 [nm], and The function representing the spectral sensitivity characteristic of the image sensor standardized to have a difference of the refractive index between the one optical material and the second optical material as n 21 (λ) and the maximum value being 1 is g (λ) When you
A method of manufacturing a diffractive optical element, comprising determining the candidate first optical material and the second optical material satisfying the conditions as optical materials that can be used for the diffractive optical element.
料を、前記回折光学素子に用いることが可能な光学材料として決定することを含む請求項3に記載の回折光学素子の製造方法。
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