JP7346278B2 - 回折光学素子、光学機器および撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、撮像装置や光学機器に使用される回折光学素子に関する。

レンズなどに用いられる光学素子として、２つの基材の間に光学特性が異なる２種の樹脂を設け、その２種の樹脂の界面に回折格子が形成された回折光学素子が知られている。この回折光学素子は、レンズなどに用いられ、密着２層型の回折光学素子と呼ばれている。密着２層型の回折光学素子を高温環境下で長期に使用した場合、基材と樹脂との界面で剥がれが発生することが知られている。特許文献１には、回折光学素子の樹脂の外周部分の厚みと幅を所定の範囲にすることにより、基材と樹脂の界面における剥がれを抑制することが開示されている。

特開２０１６－０６１７９６号公報

しかしながら、特許文献１に開示された手段では、樹脂の種類や形状によっては、高温高湿環境に長時間放置すると、基材と樹脂との界面で剥がれが生じ、光学性能が低下してしまうことがあった。

上記課題を解決するための回折光学素子は、第１基材と、第１樹脂と、前記第１樹脂と異なる第２樹脂および第２基材がこの順に積層され、前記第１樹脂と前記第２樹脂とが接する界面に同心円状の回折格子を有する回折光学素子であって、前記回折格子を有する第１領域と、前記第１領域の外周に隣接する前記第１樹脂が設けられていない第２領域と、を有し、前記第２領域は、前記第２樹脂と前記第１基材が空隙を介して対向しており、前記第２樹脂の前記第２領域の径方向の長さをＵとしたときに、前記空隙は前記第１樹脂の外周から径方向に向かって、距離０．５Ｕの位置から距離Ｕの位置まで設けられ、前記空隙の高さをｔｖ、前記第１樹脂の外周の厚みをｔ１としたときに、前記ｔ１に対する前記ｔｖの割合が０．１以下であることを特徴とする。

本発明によれば、高温高湿環境下においても光学性能が変動しにくい回折光学素子を提供することができる。

（ａ）は実施形態に係る回折光学素子を示した模式的断面図である。（ｂ）は図１（ａ）の破線を囲んだ領域の拡大図である。 回折光学素子の第１領域と第２領域を説明する図である。 図１（ａ）の破線を囲んだ領域の図１（ｂ）とは異なる実施態様の拡大図である。 実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示す工程図である 実施形態に係る撮像装置を示した概略図である。 比較例の回折光学素子を示した模式的断面図である。

［回折光学素子］
以下、本発明を実施するための形態を、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る回折光学素子を示した模式的断面図である。図１（ａ）は全体図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の破線で囲んだ領域の拡大図である。図１（ｂ）において、回折光学素子１０の中心は図の左側に位置し、回折光学素子１０の端部は図の右側に位置している。図１（ａ）と（ｂ）に示すように、回折光学素子１０は、第１基材２と、第１樹脂３と、第２樹脂８および第２基材７が、この順に積層されている。

（基材）
第１基材２は、第１樹脂３が設けられる第１面２Ａを有する。第１基材２および第２基材７には、透明な樹脂や、透明なガラスを用いることができる。第１基材２および第２基材７は、ガラスを用いることが好ましく、例えば、珪酸ガラスや硼珪酸ガラス、リン酸ガラスに代表される一般的な光学ガラスや、石英ガラス、ガラスセラミックスを用いることができる。

第１基材２および第２基材７の形状は特に限定されず、樹脂と接する面の形状は、凹球面、凸球面、軸対称非球面、平面などから選択できる。ただし、第１基材２の第１樹脂３と接する面の形状と第２基材７の第２樹脂８と接する面の形状は、略同じ形状であることが好ましい。また、基材の外形は円形が好ましい。

（第１樹脂、第２樹脂）
図２は、回折光学素子１０の第１領域Ｓ１と、第２領域Ｓ２を説明するための図であり、回折光学素子の側面図及び平面図である。なお、説明の便宜上、図２においては第２基材を省略している。回折光学素子１０は、第１樹脂３と第２樹脂８が積層され、回折格子を有する第１領域Ｓ１を有する。また、回折光学素子１０は、第１領域Ｓ１の外周に隣接する回折格子を有しない第２領域Ｓ２を有する。第２領域Ｓ２は、第１樹脂と第２樹脂が積層されていない。すなわち、第２領域Ｓ２には第１樹脂が設けられていない。

第１領域Ｓ１は、回折光学素子１０の中心であるＯが位置する。ここで、第１領域Ｓ１は、平面視した際に半径ｒの円である。また、第２領域Ｓ２は、平面視した際に半径ｒの円の同心円である半径Ｒの円から前記半径ｒの円を除いた部分であり、図２の平面図において斜線で示された箇所である。なお、図２に示すＲおよびｒと図１に示すＵの間には、Ｕ＝Ｒ－ｒ＞０の関係が成り立つ。後述するが、Ｕは第２樹脂８の第２領域Ｓ２における径方向の長さのことである。

第２領域Ｓ２は非光学有効領域である。一方、第１領域Ｓ１は光学有効領域を有する。ただし、第１領域Ｓ１も非光学有効領域を有していても構わない。ここで、前記Ｒと前記ｒは、０．８０≦ｒ／Ｒ≦０．９９の関係を満たしていることが好ましい。ｒ／Ｒが０．８０未満であると、回折光学素子の光学有効領域が小さくなりすぎてしまう。一方、ｒ／Ｒが０．９９を超えると、第２領域Ｓ２に存在する第２樹脂８の量が少ないため、吸水した際に回折格子の形状が変化しやすくなってしまう。また、回折光学素子の製造時に第１樹脂の前駆体が第１基材の側面にあふれるおそれがある。

第１領域Ｓ１は、第１樹脂３と第２樹脂８が接する界面において、平面視した際に同心円状の回折格子を有する。回折格子とは、複数の回折格子が連続して形成されている形状である。格子形状は、素子の中心から外周に向かって径方向に緩やかに傾斜する傾斜面３１Ａと、所定の距離を進んだところで急激に傾斜の逆方向に変化する壁面３１Ｂの繰り返しパターンである。繰り返しパターンの間隔は中心から外周に向かって（径方向に）連続的に小さくなり、段差はほぼ等しい。また、回折格子形状は、平面視した際に素子の中心Ｏを中心としたＮ個（Ｎは２以上の整数）の円からなる同心円状のレリーフパターンである。

第１樹脂３の外周の厚みはｔ１である。ここで外周の厚みとは、第１樹脂の外周面（外周端）３０から素子の中心Ｏに向かって１ｍｍまでの範囲における、第１基材の第１面２Ａの法線方向における第１樹脂の厚みの平均値である。

第２樹脂８は、第１樹脂３とは異なる樹脂であり、第１樹脂３の上および第１樹脂３の外周面３０の少なくとも一部に接して設けられる。また、第２樹脂７は第２基材８と接して設けられている。図１（ａ），（ｂ）において、第２樹脂８は第１樹脂３の外周面３０の全域と接して設けられているが、図３のように外周面３０の一部のみに接して設けられていても構わない。

第２樹脂８の径方向の端部は、第２領域Ｓ２において、第１基材２と空隙を介して対向している。空隙は、第２樹脂８の第２領域Ｓ２における径方向の長さをＵとしたときに、少なくとも第１樹脂の外周面３０から径方向に距離０．５Ｕの位置から距離Ｕの位置まで設けられている。そして、空隙により、第２樹脂８は第１基材の第１面２Ａの法線方向に対し、第１基材２と距離ｔｖ離間するよう設けられている。ここで、空隙の厚みｔｖは第１樹脂の外周の厚みｔ１の１０分の１以下である。換言すると、第１樹脂の外周の厚みｔ１に対する空隙の厚みｔｖの割合は０．１以下である。この割合を０．１以下とすることで、高温環境下においても光学性能が変動しにくい回折光学素子を提供することができる。なお、ｔｖは一定値である必要はない。また、ｔｖの値はこの離間した領域の平均値を採用することができる。

図６は、比較例の回折光学素子を示した模式的断面図であり、図６（ａ）は全体図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）の破線で囲んだ領域の拡大図である。

回折光学素子１０Ｘは、第１基材２Ｘと、第１樹脂３Ｘと、第２樹脂８Ｘおよび第２基材７Ｘが、この順に積層されている。回折光学素子１０Ｘは、第１樹脂３Ｘと第２樹脂８Ｘが積層され、同心円状の回折格子を有する第１領域Ｓ１Ｘを有する。また、回折光学素子１０Ｘは、第１領域Ｓ１Ｘの外周に隣接する回折格子を有しない第２領域Ｓ２Ｘを有する。ここで、第２領域Ｓ２Ｘは第１樹脂と第２樹脂が積層されておらず、第１樹脂が設けられていない。また、第２領域Ｓ２Ｘでは、第２樹脂８Ｘが第１基材２Ｘと空隙を介さずに直接的に、接している。この点において、回折光学素子１０Ｘは回折光学素子１０と構成が異なる。

しかしながら本願発明者は、回折光学素子１０Ｘを温度６０℃湿度８５％といった高温高湿環境に長時間（２０００時間）放置すると、第２基材７Ｘと第２樹脂８Ｘとの界面であるＺ部分を起点に、第２樹脂８Ｘが第２基材７Ｘから剥がれてしまうことを見出した。Ｚ部分を起点とした剥がれは、時間が経過するにつれ、素子の径方向のみならず中心方向にも伸展し、回折効率などの光学性能が低下してしまった。これは以下のことが原因だと考える。

まず、回折光学素子の第１樹脂３Ｘと第２樹脂８Ｘは材料が異なる。そのため、第１樹脂３Ｘと第２樹脂８Ｘは膨潤率が異なるため、吸水したときの体積膨張の量が異なる。第２樹脂８Ｘは第１樹脂３Ｘを完全に覆うように配置されているため、回折光学素子１０Ｘは、高温高湿環境に長時間放置されると、第２樹脂８Ｘから水分が外周から浸透する。また、第２樹脂８Ｘに浸透した水分は、第１樹脂３Ｘにも浸透していく。ここで、第１樹脂３Ｘと第２樹脂８Ｘは膨潤率が異なるため、第１樹脂３Ｘが体積膨張することにより、第２樹脂８Ｘは、自身が体積膨張するだけでなく、第１樹脂３Ｘから応力を受ける。そのため、第２樹脂８Ｘには、Ｚ部分において第２基材７Ｘから離れる方向に引っ張り応力が発生する。その引っ張り応力が第２基材７Ｘと第２樹脂８Ｘの密着力を上回ることにより、Ｚ部分を起点とした剥がれが発生してしまう。

そこで本実施形態の回折光学素子１０は、少なくとも第１樹脂の外周から径方向に距離０．５Ｕの位置から距離Ｕの位置まで、第１基材２と第２樹脂８とが、厚みｔｖの空隙を介して対向させる構成を採用した。そして、このｔｖを第１樹脂の外周の厚みｔ１の１０分の１以下とすることにより、回折光学素子１０Ｘと比べて、第１樹脂３の吸水膨張による第２樹脂８が受ける応力を低減させることができることを見出した。その結果、高温高湿環境下においても第２基材７と第２樹脂８との間には剥がれが発生しにくくなるため、光学性能が変動しにくい回折光学素子を提供することができる。なお、距離ｔｖが第１樹脂の外周の厚みｔ１の１０分の１より大きいと、第１樹脂３が吸水しやすくなるため、光学性能が変動するおそれがある。なお、ここでいう光学性能とは回折光学素子の透過波面のことである。また、空隙の厚みであるｔｖは２μｍ以下であることが好ましい。空隙の厚みｔｖが２μｍを超えると第１樹脂３が吸水しやすくなるため、光学性能が変動するおそれがある。

ここで、空隙の径方向における位置は、少なくとも第１樹脂３の外周から径方向に距離０．５Ｕの位置から距離Ｕの位置までである。より好ましくは第１樹脂３の外周から距離Ｕの位置まで全てに空隙があることが好ましい。一方、空隙が第１樹脂３の外周から距離０．５Ｕの位置まで存在しないと、第２樹脂８に発生する第２基材７から離れる方向の引っ張り応力を十分に低減できない。

また、図１（ｂ）に示した、第２領域Ｓ２における、第１基材２と第２樹脂８とが接する部分の径方向の距離ｗは１ｍｍ未満であることが好ましい。前記ｗが１ｍｍ以上であると、第２樹脂８に発生する第２基材７から離れる方向の引っ張り応力を十分に低減できないおそれがある。すなわち、空隙は第１樹脂の外周面３０から径方向に１ｍｍ以内の位置にあることが好ましい。

第１樹脂３および第２樹脂８は、無色透明な樹脂から構成され、回折光学素子が所望の光学特性となるように屈折率やアッベ数を設計することができる。広い波長帯域で高い回折効率を得るために、第１樹脂３と第２樹脂８は低屈折率高分散樹脂と高屈折率低分散樹脂で形成することが好ましい。ここで、低屈折率および高屈折率とは第１樹脂３および第２樹脂８の屈折率（ｄ線の屈折率ｎｄ）の相対的な関係を意味する。同様に、高分散および低分散とは第１樹脂３および第２樹脂８の分散特性（アッベ数νｄ）の相対的な関係を意味する。つまり、第１樹脂３が低屈折率高分散、第２樹脂８が高屈折率低分散であるとは、第１樹脂３の屈折率をｎｄ１、アッベ数をνｄ１、第２樹脂８の屈折率をｎｄ２、アッベ数をνｄ２としたときに、ｎｄ１＜ｎｄ２及びνｄ１＜νｄ２を満たすことを意味する。なお、所望の光学特性によっては、第１樹脂３を高屈折率低分散に、第２樹脂８は低屈折率高分散としても構わない。

第１樹脂３は、高屈折率低分散とするために、チオール化合物と、（メタ）アクリレート化合物と、を含有することが好ましい。第１樹脂３は、チオール化合物の単量体及び／又はそのオリゴマーと、（メタ）アクリレート系の単量体及び／又はそのオリゴマーと、を含有する未硬化の第１樹脂組成物３ａを硬化することによって得られる。第１樹脂組成物３ａは、エネルギー硬化性樹脂である。エネルギー硬化性樹脂とは、未硬化の状態から、光エネルギーおよび／又は熱エネルギーを与えることによって硬化する樹脂のことである。

第１樹脂３を形成するために用いる第１樹脂組成物３ａに含有されるチオール化合物としては、例えば、４－メルカプトメチル－３，６－ジチア－１，８－オクタンジチオール、４－メルカプトメチル－１，８－ジメルカプト－３，６－ジチアオクタン（４－メルカプトメチル－３，６－ジチア－１，８－オクタンジチオール）、４，８－ビス（メルカプトメチル）－１，１１－ジメルカプト－３，６，９－トリチアウンデカン（４，８－ジメルカプトメチル－１，１１－ジメルカプト－３，６，９－トリチアウンデカン）及び５，７－ビス（メルカプトメチル）－１，１１－ジメルカプト－３，６，９－トリチアウンデカン（５，７－ジメルカプトメチル－１，１１－ジメルカプト－３，６，９－トリチアウンデカン）が挙げられる。

第１樹脂３を形成するために用いる第１樹脂組成物３ａに含有される（メタ）アクリレート化合物としては、例えば、トリス（２－アクリロキシエチル）イソシアヌレート、オリゴエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジメチロールトリシクロデカンジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート及びジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレートが挙げられる。

第１樹脂３を形成するために用いる第１樹脂組成物３ａは、重合開始剤を含有する。重合開始剤は光重合開始剤でもよいし、熱重合開始剤であってもよく、選択する製造プロセスによって決定することができる。ただし、回折格子形状を製造しやすいレプリカ成形を行う場合は、光重合開始剤を含有していることが好ましい。光重合開始剤としては、例えば、例えば、２－ベンジル－２－ジメチルアミノ－１－（４－モルフォリノフェニル）－１－ブタノン、１－ヒドロキシ－シクロヘキシル－フェニル－ケトン、ビス（２，４６，－トリメチルベンゾイル）－フェニルフォスフィンオキサイド、４－フェニルベンゾフェノン、４－フェノキシベンゾフェノン、４，４’－ジフェニルベンゾフェノン、４，４’－ジフェノキシベンゾフェノンが挙げられる。光重合開始剤の含有量は、第１樹脂組成物３ａ全体に対して０．０１質量％以上１０質量％以下の範囲であることが好ましい。

第２樹脂８は、低屈折率高分散とするために、官能基にフルオレンを備える芳香族ジオール化合物と、（メタ）アクリレート化合物及び／又はフッ素系の（メタ）アクリレート化合物と、を含有することが好ましい。第２樹脂８は、官能基にフルオレンを備える芳香族ジオール化合物の単量体及び／又はそのオリゴマーを含有する未硬化の第２樹脂組成物８ａを硬化することによって得られる。また第２樹脂組成物８ａには、（メタ）アクリレート化合物の単量体及び／又はオリゴマー、及び／又は、フッ素系の（メタ）アクリレート化合物の単量体及び／又はそのオリゴマーが含有される。第２樹脂組成物８ａは、第１樹脂組成物３ａと同様にエネルギー硬化性樹脂である。

第２樹脂８を形成するために用いる第２樹脂組成物８ａに含有される官能基にフルオレンを備える芳香族ジオール化合物としては、例えば、９，９－ビス［４－（２－アクリロイルオキシエトキシ）フェニル］フルオレン等が挙げられる。

第２樹脂８を形成するために用いる第２樹脂組成物８ａに含有される（メタ）アクリレート化合物としては、例えば、トリス（２－アクリロキシエチル）イソシアヌレート、オリゴエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、ジメチロールトリシクロデカンジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート及びジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレートが挙げられる。

第２樹脂８を形成するために用いる第２樹脂組成物８ａは、重合開始剤を含有する。その重合開始剤は第１樹脂組成物３ａと同様に、重合開始剤は光重合開始剤でもよいし、熱重合開始剤であってもよく、選択する製造プロセスによって決定することができる。ただし、回折格子形状を製造しやすいレプリカ成形を行う場合は、光重合開始剤を含有していることが好ましい。光重合開始剤としては、例えば、例えば、２－ベンジル－２－ジメチルアミノ－１－（４－モルフォリノフェニル）－１－ブタノン、１－ヒドロキシ－シクロヘキシル－フェニル－ケトン、ビス（２，４６，－トリメチルベンゾイル）－フェニルフォスフィンオキサイド、４－フェニルベンゾフェノン、４－フェノキシベンゾフェノン、４，４’－ジフェニルベンゾフェノン、４，４’－ジフェノキシベンゾフェノンが挙げられる。光重合開始剤の含有量も第１樹脂組成物３ａと同様に、第２樹脂組成物８ａ全体に対して０．０１質量％以上１０質量％以下の範囲であることが好ましい。

第１樹脂３および第２樹脂８の膨潤率は特に限定されないが、第１樹脂３の膨潤率αが第２樹脂８の膨潤率βの１．１倍以上であると、本実施形態において引っ張り応力の低減効果が顕著となる。第１樹脂３の膨潤率αが、第２樹脂８の膨潤率βの１．１倍以上であると、第１樹脂３の吸水膨張による第２樹脂８に与える応力がより大きくなる。そのため、比較例の回折光学素子１０Ｘのような構造は、第１樹脂の膨潤率αが第２樹脂の膨潤率βより大きければ大きいほど、第２樹脂が第２基材からはがれやすくなる。なお、膨潤率とは、樹脂が吸水したことによって生じる体積変化を百分率で表わしたものである。なお、第１樹脂３の膨潤率αが、第２樹脂８の膨潤率βの１．５倍以上であると、引っ張り応力の低減効果はより顕著なものとなる。

第１樹脂３と第２樹脂８の厚みは特に限定されないが、第２樹脂８の厚みｔ２が第１樹脂３の外周の厚みｔ１の１．５倍以上であると、本実施形態において引っ張り応力の低減効果は顕著となる。第２樹脂８の厚みｔ２が、第１樹脂３の外周の厚みｔ１の１．５倍以上であると、吸水膨張により第２樹脂８に生じる体積変動が大きくなり、第２樹脂８に発生する引っ張り応力がより大きくなる。そのため、比較例の回折光学素子１０Ｘのような構造は、第２樹脂の厚みが第１樹脂の厚みより大きければ大きいほど、第２樹脂が第２基材からはがれやすくなる。なお、厚みｔ２とは、図１（ｂ）に示した厚みのことである。具体的には、第１樹脂３の外周と接する部分の第２樹脂８の厚みであり、その厚みの平均値である。なお、第１樹脂３の外周とは、外周面３０から素子の中心に向かって１ｍｍまでの範囲のことである。さらに、第２樹脂８の厚みｔ２が第１樹脂３の外周の厚みｔ１の１．７倍以上であると、本実施形態において引っ張り応力の低減効果はより顕著となる。

なお、以下の観点においては、第１樹脂の外周の厚みｔ１は５μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。ｔ１が５μｍ未満であると、第１樹脂組成物３ａを硬化して第１樹脂３を得る際に、格子の山部と谷部と差である段差に応力が過度に発生し、格子形状を良好に転写することができないおそれがある。一方、ｔ１が１００μｍを超えると、吸水した際に体積変動が大きくなり、光学特性が変動するおそれがある。

また、第２樹脂の厚みｔ２は５μｍ以上１００μｍ以下の範囲であることが好ましい。ｔ２が５μｍ未満であると、第２樹脂組成物８ａを硬化して第２樹脂８を得る際に、格子形状が変形しやすく、変形してしまうと回折効率が低下するおそれがある。一方、ｔ２が１００μｍを超えると、吸水を生じた際に体積変動が大きくなり、光学特性が変動するおそれがある。

［回折光学素子の製造方法］
回折光学素子の製造方法は、特に限定されないが、以下に２枚のガラス基材の間に紫外線硬化性樹脂を用いて２つの樹脂を形成する回折光学素子の製造工程の一例を説明する。回折光学素子の形状は上述した形態と同じであるため、以下、［回折光学素子］の項で用いた符号を用いて説明する。

ガラス基材は、樹脂との密着性を向上させるため、樹脂と密着する面に前処理をしておくことが好ましい。ガラス表面（第１面）の前処理は、樹脂との親和性が良いシランカップリング剤を用いてカップリング処理をすることが好ましい。具体的なカップリング剤としては、ヘキサメチルジシラザン、メチルトリメトキシシラン、トリメチルクロロシラン、トリエチルクロロシラン等が挙げられる。

初めに、第１樹脂３を形成する。まず、図４（ａ）に示すように、金型１の上に第１樹脂の前駆体である第１樹脂組成物として未硬化の紫外線硬化性樹脂３ａを滴下する。また、第１基材２をイジェクタ４に乗せて金型１に対向するよう配置する。ここで用いる金型１は、表面に所望の回折格子形状の反転形状を有し、例えば、ステンレス材や鋼材などの金属母材上にＮｉＰメッキや無酸素銅メッキしたものを精密加工機で切削することで作製できる。

次に、図４（ｂ）に示すように、イジェクタ４を降下させて金型１と第１基材２の間に未硬化の紫外線硬化樹脂３ａを充填させたのちに、紫外線光源５を用いて第１基材２側から紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂３ａを硬化させる。

その後、図４（ｃ）に示すように、硬化した紫外線硬化樹脂を金型１から離型することにより、第１基材２上に回折格子形状を有する第１樹脂３を形成する。なお第１樹脂３を形成した後に、大気中もしくは無酸素雰囲気で紫外線の追加照射や熱処理を行っても構わない。

次いで、第２樹脂８を形成する。まず、図４（ｄ）に示すように、第１樹脂３の上に第２樹脂の前駆体である第２樹脂組成物である未硬化の紫外線硬化樹脂８ａを滴下する。また、第２基材７をイジェクタ９に乗せて第１基材２に対向するよう配置する。このとき、第１基材２の第１樹脂３が形成された領域を囲うように、離型剤１１を塗布する。離型剤１１の種類は特に限定されないが、例えば、フッ素コーティング剤、シリコーンオイルである。離型剤１１を塗布した後、温度８０℃で乾燥する。図１（ｂ）におけるｗは、この離型剤１１を塗布する領域の位置および大きさによって調整することが可能である。なお、離型剤１１を塗布する代わりに、第２樹脂の硬化後に取り外しが可能なスペーサー（例えば、ガラス製）を用いてもよい。第２樹脂を形成した後に、第１基材２を変形させて第１樹脂３を部分的にはがす方法でも良い。

次に、図４（ｅ）に示すように、イジェクタ９を降下させて第１基材２および第１樹脂３と第２基材７の間に、第２樹脂組成物として未硬化の紫外線硬化樹脂８ａを充填させる。その後、紫外線光源５を用いて第２基材７側から紫外線を照射し、紫外線硬化樹脂８ａを硬化させて第２樹脂８を形成することにより、回折光学素子１０が得られる。このとき、紫外線照射により第２樹脂が硬化収縮する際に、離型剤１１が塗布された領域において、第２樹脂８が第１基材２から離れる。そして、第２樹脂８の径方向の端部において、第１基材２の第１面と垂直な方向に、第２樹脂が第１基材と距離ｔｖだけ離間することにより空隙が形成される。

ここで、距離ｔｖは例えば、紫外線硬化樹脂８ａの充填量で調整することが可能である。充填量を多くすることで距離ｔｖを小さくすることができ、充填量を少なくすることで距離ｔｖを大きくすることができる。また、離型剤１１を塗布する代わりに、スペーサーを用いる場合は、用いるスペーサーの厚みによっても距離ｔｖを調整することが可能である。なお、第２樹脂８を形成した後に、大気中もしくは無酸素雰囲気で紫外線の追加照射や熱処理を行っても構わない。

［光学機器］
本発明の回折光学素子の具体的な適用例としては、カメラやビデオカメラ用の光学機器（撮影光学系）を構成するレンズや液晶プロジェクター用の光学機器（投影光学系）を構成するレンズ等が挙げられる。また、ＤＶＤレコーダー等のピックアップレンズに用いることもできる。これらの光学系は、筐体と、該筐体内に配置された複数のレンズからなり、それらの複数のレンズの少なくとも１つを本発明の回折光学素子とすることができる。

［撮像装置］
図５は、本発明の回折光学素子を用いた撮像装置の好適な実施形態の一例である、一眼レフデジタルカメラ６００の構成を示している。図５において、カメラ本体６０２と光学機器であるレンズ鏡筒６０１とが結合されているが、レンズ鏡筒６０１はカメラ本体６０２に対して着脱可能ないわゆる交換レンズである。

被写体からの光は、レンズ鏡筒６０１の筐体６２０内の撮影光学系の光軸上に配置された複数のレンズ６０３、６０５などからなる光学系を介して撮影される。本発明の回折光学素子は例えば、レンズ６０３、６０５に用いることができる。ここで、レンズ６０５は内筒６０４によって支持されて、フォーカシングやズーミングのためにレンズ鏡筒６０１の外筒に対して可動支持されている。

撮影前の観察期間では、被写体からの光は、カメラ本体の筐体６２１内の主ミラー６０７により反射され、プリズム６１１を透過後、ファインダレンズ６１２を通して撮影者に撮影画像が映し出される。主ミラー６０７は例えばハーフミラーとなっており、主ミラーを透過した光はサブミラー６０８によりＡＦ（オートフォーカス）ユニット６１３の方向に反射され、例えばこの反射光は測距に使用される。また、主ミラー６０７は主ミラーホルダ６４０に接着などによって装着、支持されている。不図示の駆動機構を介して、撮影時には主ミラー６０７とサブミラー６０８を光路外に移動させ、シャッタ６０９を開き、撮像素子６１０がレンズ鏡筒６０１から入射して撮影光学系を通過した光を受光して撮影光像を結像するようにする。また、絞り６０６は、開口面積を変更することにより撮影時の明るさや焦点深度を変更できるよう構成される。

なお、ここでは、一眼レフデジタルカメラを用いて本発明の回折光学素子を用いた撮像装置を説明したが、本発明の回折光学素子はスマートフォンやコンパクトデジタルカメラなどにも同様に用いることができる。

以下、実施例および比較例を挙げて本発明をさらに具体的に説明をする。まず、実施例および比較例の評価方法について説明する。

（評価方法）
＜ｄ線の屈折率ｎｄ／アッベ数νｄ＞
実施例および比較例の回折光学素子の第１樹脂および第２樹脂の屈折率およびアッベ数は、光学特性評価用のサンプルを作成して評価した。なお、光学特性評価用のサンプルを用いずとも、回折光学素子から基材を剥がして樹脂を取り出して評価することも可能である。まず、光学特性評価用サンプルの作成方法について説明する。

厚さ１ｍｍのガラス（Ｓ－ＴＩＨ１１）の上に、厚さ５００μｍのスペーサーと測定対象である樹脂の原料である未硬化の樹脂組成物を配置した。その上に厚み１ｍｍの石英ガラスをスペーサーを介して載せ、未硬化の樹脂組成物を押し広げた。次に、スペーサーを外し、石英ガラスの上から、高圧水銀ランプ（ＨＯＹＡ ＣＡＮＤＥＯ ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ製：ＵＬ７５０）を用いて、２０ｍＷ／ｃｍ^２（＝石英ガラスを通した照度）で２５００秒の条件（５０Ｊ）で光を照射した。樹脂組成物を硬化させ、石英ガラスをはがした後に、８０℃１６時間でアニールしたものを光学特性評価用のサンプルとした。硬化した樹脂の形状は、厚みが５００μｍ、ガラス面内の大きさは５ｍｍ×２０ｍｍであった。

得られたサンプルに対し、屈折計（ＫＰＲ－３０、（株）島津製作所）を用いて、ガラス側から、ｆ線（４８６．１ｎｍ）、ｄ線（５８７．６ｎｍ）及びｃ線（６５６．３ｎｍ）の各波長の屈折率を測定した。

また、測定した各波長の屈折率からアッベ数を算出した。アッベ数νｄは、以下の式（１）により算出した。
アッベ数νｄ＝（ｎｄ－１）／（ｎｆ－ｎｃ） （１）

＜膨潤率＞
実施例および比較例の回折光学素子の第１樹脂の膨潤率αおよび第２樹脂の膨潤率βは、膨潤率評価用のサンプルを作成して評価した。なお、膨潤率評価用のサンプルを用いずとも、回折光学素子から基材を剥がして樹脂を取り出して評価することも可能である。膨潤率評価用のサンプルは光学特性評価用のサンプルと同じ手順で作成した。

まず、出来上がったサンプルの寸法を光学顕微鏡で測定し、体積を算出した。続いて、このサンプルを純水が入ったビーカーに入れて、２４時間浸漬させた。その後、再度、サンプルの寸法を光学顕微鏡で測定し、体積を算出した。そして純水に浸した後の体積を、純水に浸す前の体積で除した百分率表記したものを膨潤率とした。

＜樹脂厚みｔ１，ｔ２、空隙の厚みｔｖ、距離ｗ＞
製造した実施例および比較例の回折光学素子を素子中心Ｏを通る面で積層方向に切断した。その断面を、金属顕微鏡（ニコン社製、ＥＣＬＩＰＳＥ ＭＥ６００Ｐ）で倍率１０００倍（接眼レンズ：１０倍、対物レンズ：１００倍）で観察した。観察像のＸＹステージの送り量から、空隙の厚みｔｖを測定した。このとき、ｔｖは１０箇所測定し、その平均値を採用した。第１樹脂３の外周の厚みｔ１は、第１樹脂３の外周面３０から素子中心Ｏに向かう方向に１ｍｍの領域を測定した。その１ｍｍの領域を１０等分に分割し、各領域の中央の厚みの平均値を第１樹脂の外周の厚みｔ１とした。このとき、外周面から内側へ１ｍｍの領域に回折格子が存在する場合は、格子も含めた距離を厚みｔ１とした。第２樹脂の厚みｔ２についても第１樹脂と同様に測定を行った。距離ｗについても、第１樹脂３の外周面３０から外周に向かう径方向への第２樹脂の距離を顕微鏡の観察像から測定した。

＜回折光学素子の樹脂剥がれの評価＞
製造した実施例および比較例の回折光学素子を高温高湿環境下（６０℃、８５ＲＨ％、２０００時間）での耐久試験を行い、耐久試験後の素子の樹脂剥がれの有無を目視および光学顕微鏡で観察した。

＜透過波面の測定＞
製造した実施例および比較例の回折光学素子を高温高湿環境下（６０℃、８５ＲＨ％、２０００時間）での耐久試験を行い、耐久試験前後の透過波面をそれぞれ測定、比較した。素子は回折レンズとして、１次回折光が焦点を結ぶように設計した。まず、干渉計（ＺＹＧＯ社製：ＧＰＩ）を用いて、干渉計に対して、被計測物、反射ミラーの順で配置した。そして、反射ミラーを素子の焦点位置に調整して、素子の透過波面を計測して、その変化量を算出した。

＜総合評価＞
高温高湿耐久試験後で樹脂の剥がれが確認されず、かつ高温高湿耐久試験前後の透過波面変形量が１５０ｎｍ未満のものをＡとした。樹脂剥がれが確認されたもの、もしくは透過波面変形量が１５０ｎｍ以上のものをＢと評価した。

（実施例１）
図４に示した製造方法で、実施例１の回折光学素子を作製した。第１基材２は、直径６０ｍｍの光学ガラス（オハラ社製、晶種：Ｓ－ＴＩＭ８）を用いた。形状は、一方の面が平面で、他方の面がＲ１９０ｍｍの凹球面形状であった。第２基材７は、直径５８ｍｍの光学ガラス（オハラ社製、晶種：Ｓ－ＦＳＬ５）を用いた。形状は、一方の面がＲ７０ｍｍの凸球面形状、他方の面がＲ１９０ｍｍの凸球面形状であった。金型１は、金属母材上にメッキしたＮｉＰ層を精密加工機で切削加工し、第１樹脂３の回折格子形状を反転した形状を形成したものを用いた。

金型１と第１基材２との間に、第１樹脂の前駆体である未硬化の紫外線硬化型のアクリル樹脂３ａを充填した。その後、アクリル樹脂３ａを硬化させるために、波長３６５ｎｍの強度が１０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線を２００秒間全面に照射した。金型１を離型した後に、８０℃で２４時間加熱することにより、第１基材２上に第１樹脂３を形成した。

その後、第１基材２の第１樹脂３が形成された領域を囲うように離型処理を施した。離型処理は、フッ素コーティング剤であるＤＵＲＡＳＵＲＦ（株式会社ハーベス）を塗布後、８０℃のオーブンで乾燥させることで行った。

続いて、第１樹脂３と第２基材７の間に、第２樹脂８の前駆体である未硬化の紫外線硬化型のアクリル樹脂８ａを充填した。その後、アクリル樹脂８ａを硬化させるために、波長３６５ｎｍの強度が３０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外線を全面に１０００秒間照射した。最後に、８０℃で７２時間加熱することにより、実施例１の回折光学素子１０を得た。

実施例１の回折光学素子の第１樹脂３のｄ線の屈折率ｎｄ１は１．６２、アッベ数νｄ１は４０．０、第２樹脂８のｄ線の屈折率ｎｄ２は１．５９、アッベ数νｄ２は２９．０であった。また、第１樹脂の膨潤率αは０．０４２％であり、第２樹脂の膨潤率βは０．０２８％であった。すなわち、第１樹脂の膨潤率は第２樹脂の膨潤率より１．５倍大きかった。

実施例１の回折光学素子の格子形状は、ベースとなるＲ１９０ｍｍの凹球面に対して緩やかな凸形状の傾斜を有していた。回折格子は、素子中心Ｏを囲む円である第１輪帯の輪帯幅が３．５ｍｍであり、第２輪帯の輪帯幅が１．５ｍｍであり、以下輪帯幅が連続的に狭くなり、最外周の輪帯は第４０輪帯で、輪帯幅は０．３０ｍｍであった。また第２樹脂８の第２領域Ｓ２における径方向の長さＵは２．０ｍｍであった。第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝３０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝０．３μｍ、ｗ＝０ｍｍであった。

（実施例２）
実施例２では、第１基材に対し離型処理は行わず、厚さ１．１μｍのガラス製のスペーサーを第１樹脂３に突き当てるように挿入した。また、第１樹脂３の厚みが薄くなるよう第１樹脂組成物３ａの使用量を減らした。この点以外は、実施例１と同様の方法で実施例２の回折光学素子を作製した。実施例２の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝２０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝１．０μｍ、ｗ＝０ｍｍであった。

（実施例３）
実施例３では、厚さ２．０μｍのガラス製のスペーサーを第１樹脂３に突き当てるように挿入した。この点以外は、実施例２と同様の方法で実施例３の回折光学素子を作製した。実施例３の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝２０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝１．８μｍ、ｗ＝０ｍｍであった。

（実施例４）
実施例４では、第１基材２の離型処理を素子外周から１．５ｍｍの位置まで行った点以外は実施例１と同様の方法で、実施例４の回折光学素子を作製した。実施例４の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝３０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝０．３μｍ、ｗ＝０．５ｍｍであった。

（実施例５）
実施例５では、第１基材２の離型処理を素子外周から１．１ｍｍの位置まで行った点以外は実施例１と同様の方法で、実施例５の回折光学素子を作製した。実施例５の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝３０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝０．３μｍ、ｗ＝０．９ｍｍであった。

（比較例１）
比較例１では、第１基材に対し離型処理は行わなかった。また、第１樹脂の厚みが薄くなるよう第１樹脂組成物の使用量を減らした。この点以外は、実施例１と同様の方法で比較例１の回折光学素子を作製した。比較例１の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝２０μｍ、ｔ２＝５０μｍであった。なお、第２樹脂と第１基材との間に空隙は存在していなかった。

（比較例２）
比較例２では、第１基材２の外周から０．９ｍｍの位置まで厚さ１．１μｍのガラス製のスペーサーを挿入した。この点以外は比較例１と同様の方法で、比較例２の回折光学素子を作製した。比較例２の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝２０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝１．０μｍ、ｗ＝１．１ｍｍであった。

（比較例３）
比較例３では厚さ４．０μｍのガラス製のスペーサーを第１樹脂に突き当てるように挿入した。この点以外は実施例１と同様の方法で、比較例３の回折光学素子を作製した。比較例３の回折光学素子は、第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗが、それぞれｔ１＝３０μｍ、ｔ２＝５０μｍ、ｔｖ＝３．６μｍ、ｗ＝０ｍｍであった。

表１に、得られた回折光学素子の第１樹脂の厚みｔ１、第２樹脂の厚みｔ２、空隙の厚みｔｖおよび距離ｗ等の測長結果をまとめた。

また、表２に得られた回折光学素子の評価結果をまとめた。

表２に示すように、比較例１および比較例２の回折光学素子は樹脂剥がれが発生した。これは比較例１の回折光学素子は第２樹脂と第１基材が密着していたため、第１樹脂の外周端の上部において第２樹脂に過剰な応力がかかったためだと推測される。また、比較例２の回折光学素子はｗが１．１ｍｍ（０．５５Ｕ）と大きかったため、第１樹脂の外周端の上部に位置する第２樹脂にかかる応力を十分に低減できなかったためだと推測される。

また、比較例３の回折光学素子は、樹脂剥がれは確認されなかったものの透過波面の変化が１６０ｎｍと大きくなってしまった。これは空隙の厚みｔｖが第１樹脂の厚みｔ１に対して大きかったために、第１樹脂が吸水により光学性能が変化したためだと考えられる。

一方、ｗがＵに対して０．５Ｕ以下であり、かつ、第１樹脂厚ｔ１と空隙の厚みｔｖの関係がｔｖ／ｔ１≦０．１を満たした実施例１～５は樹脂剥がれが発生せず、透過波面の変化も小さい結果となった。

２ 第１基材
３ 第１樹脂
７ 第２基材
８ 第２樹脂
１０ 回折光学素子
６００ 一眼レフデジタルカメラ（撮像装置）
６０１ レンズ鏡筒（交換レンズ、光学機器）
６０２ カメラ本体
６０３ レンズ
６０４ 内筒
６０５ レンズ
６０６ 絞り
６０７ 主ミラー
６０８ サブミラー
６０９ シャッタ
６１０ 撮像素子
６１１ プリズム
６２１ 筐体
Ｓ１ 第１領域
Ｓ２ 第２領域

Claims (11)

1. 第１基材と、第１樹脂と、前記第１樹脂と異なる第２樹脂および第２基材がこの順に積層され、前記第１樹脂と前記第２樹脂とが接する界面に同心円状の回折格子を有する回折光学素子であって、
   前記回折格子を有する第１領域と、前記第１領域の外周に隣接する前記第１樹脂が設けられていない第２領域と、を有し、
   前記第２領域は、前記第２樹脂と前記第１基材が空隙を介して対向しており、
   前記第２樹脂の前記第２領域の径方向の長さをＵとしたときに、前記空隙は前記第１樹脂の外周から径方向に向かって、距離０．５Ｕの位置から距離Ｕの位置まで設けられ、
   前記空隙の高さをｔｖ、前記第１樹脂の外周の厚みをｔ１としたときに、前記ｔ１に対する前記ｔｖの割合が０．１以下であることを特徴とする回折光学素子。
2. 前記第２領域において前記第２樹脂と前記第１基材が接している部分の径方向の距離であるｗが、１ｍｍ未満である請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記第２領域において前記第２樹脂が前記第１基材と接していない請求項１に記載の回折光学素子。
4. 前記空隙の高さｔｖは２μｍ以下である請求項１乃至３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
5. 前記第２領域は非光学有効領域である請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
6. 前記第１樹脂の外周の厚みｔ１が、５μｍ以上１００μｍ以下の範囲である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
7. 前記第１樹脂の膨潤率αが、前記第２樹脂の膨潤率βより１．１倍以上である請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
8. 前記第２樹脂の前記第１樹脂と接する部分の厚みであるｔ２が、前記第１樹脂の厚みｔ１の１．５倍以上である請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
9. 筐体と、該筐体内に配置された複数のレンズを有する光学系と、を有する光学機器であって、前記レンズの少なくとも１つが請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回折光学素子であることを特徴とする光学機器。
10. 筐体と、該筐体内に配置された複数のレンズを有する光学系と、該光学系を通過した光を受光する撮像素子と、を有する撮像装置であって、
    前記レンズの少なくとも１つが請求項１乃至８のいずれか１項に記載の回折光学素子であることを特徴とする撮像装置。
11. 前記撮像装置がカメラであることを特徴とする請求項１０に記載の撮像装置。

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