JPWO2010140341A1 - Diffractive optical element - Google Patents
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Abstract
本発明の回折光学素子は、1樹脂を含む第1光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、第2樹脂および無機粒子を含む第2光学材料からなり、前記回折格子上に設けられた光学調整層とを備え、前記光学調整層の最大厚さは、15μm以上100μm以下であり、前記第2樹脂は、2官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物の重合体である。The diffractive optical element of the present invention comprises a first optical material containing one resin, a substrate having a diffraction grating on its surface, a second optical material containing a second resin and inorganic particles, and is provided on the diffraction grating. The optical adjustment layer has a maximum thickness of 15 μm to 100 μm, and the second resin is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer. .
Description
本発明は回折光学素子に関し、異なる樹脂を含む2つ以上の部材によって構成される回折光学素子に関する。 The present invention relates to a diffractive optical element, and relates to a diffractive optical element constituted by two or more members containing different resins.
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に光を回折させる回折格子が設けられた構造を備える。回折光学素子は、撮像装置や光学記録装置を含む種々の光学的機器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されたレンズや、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等が知られている。 The diffractive optical element has a structure in which a diffraction grating for diffracting light is provided on a base made of an optical material such as glass or resin. A diffractive optical element is used in an optical system of various optical devices including an imaging device and an optical recording device. For example, a lens designed to collect diffracted light of a specific order at one point, or a spatial low-pass filter A polarization hologram or the like is known.
回折光学素子は、光学系をコンパクトにできるという特長を有する。また、屈折とは逆に長波長の光ほど大きく回折することから、回折光学素子と屈折を利用する通常の光学素子とを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。 The diffractive optical element has a feature that the optical system can be made compact. In contrast to refraction, longer wavelength light diffracts more greatly, so it is possible to improve chromatic aberration and curvature of field of the optical system by combining a diffractive optical element and a normal optical element using refraction. It is.
しかし、回折効率は理論的に光の波長に依存することから、特定の波長の光における回折効率が最適となるように回折光学素子を設計すると、その他の波長の光では回折効率が低下するという課題が生じる。例えば、カメラ用レンズ等白色光を利用する光学系に回折光学素子を用いる場合、この回折効率の波長依存性によって、色むらや不要次数光によるフレアが生じ、回折光学素子だけで適切な光学特性を有する光学系を構成するのは困難である。 However, since the diffraction efficiency theoretically depends on the wavelength of light, designing a diffractive optical element so that the diffraction efficiency for light of a specific wavelength is optimal reduces the diffraction efficiency for light of other wavelengths. Challenges arise. For example, when a diffractive optical element is used in an optical system that uses white light, such as a camera lens, the wavelength dependence of this diffraction efficiency causes color unevenness and flare due to unnecessary order light. It is difficult to construct an optical system having
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。
In order to solve such a problem,
回折光学素子を透過する光の波長をλとし、2種類の光学材料の波長λにおける屈折率をn1(λ)およびn2(λ)とし、回折格子の深さをdとした場合、下記式(1)を満たす場合、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、回折次数を示す。
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ことができれば、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ガラスまたは樹脂を用い、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。
Accordingly, if an optical material having a refractive index n1 (λ) and an optical material having a refractive index n2 (λ) having a wavelength dependency such that d is substantially constant within the wavelength band of the light to be used can be combined, The wavelength dependency of diffraction efficiency can be reduced. In general, a material having a high refractive index and a low wavelength dispersion is combined with a material having a low refractive index and a high wavelength dispersion.
特許文献2は、同様の構造を有する位相差型の回折光学素子において、基体を構成する光学材料としてガラスを用い、光学調整層を構成する光学材料としてエネルギー硬化型樹脂を用いることを開示している。特許文献2は、この構造によって、回折効率の波長依存性を低減し、色むらや不要次数光によるフレア発生等を有効に防止できると開示している。
位相差型の回折光学素子において、基体を構成する光学材料としてガラスを用いる場合、樹脂と比較して微細加工が難しいため、回折格子のピッチを狭くし、回折性能を向上させることが容易ではない。このため、位相差型の回折光学素子の小型化を図りながら光学性能を高めることが困難である。また、ガラスの成形温度は樹脂より高温であるため、ガラスを成型するための金型の耐久性が樹脂を成形するための金型に比べて低く、生産性にも課題がある。 When glass is used as an optical material constituting a substrate in a retardation type diffractive optical element, it is difficult to make fine processing compared to resin, so it is not easy to narrow the diffraction grating pitch and improve diffraction performance. . For this reason, it is difficult to improve the optical performance while reducing the size of the retardation type diffractive optical element. In addition, since the glass molding temperature is higher than that of the resin, the durability of the mold for molding the glass is lower than that of the mold for molding the resin, and there is a problem in productivity.
一方、基体を構成する光学材料として樹脂を用いる場合、ガラスより回折格子加工および成形が容易である。しかし、ガラスと比べて種々の値の屈折率を実現することが難しく、また、基体を構成する光学材料と光学調整層を構成する光学材料との屈折率差が小さくなる。このため、式(1)から明らかなように、回折格子の深さdは大きくなる。 On the other hand, when a resin is used as the optical material constituting the substrate, diffraction grating processing and molding are easier than glass. However, it is difficult to achieve various values of refractive index compared to glass, and the difference in refractive index between the optical material constituting the substrate and the optical material constituting the optical adjustment layer is reduced. For this reason, as apparent from the equation (1), the depth d of the diffraction grating is increased.
その結果、基体自体の加工性は優れるものの、回折格子を形成するための金型を深く加工したり、金型に形成する溝の先端を鋭利な形状に成形したりする必要があり、金型の加工が困難になる。また、回折格子が深くなるほど、基体および金型の少なくとも一方の加工上の制約から回折格子のピッチを大きくする必要がある。このため回折格子の数を増やすことができず、回折光学素子の設計上の制約が大きくなる。 As a result, although the workability of the substrate itself is excellent, it is necessary to deeply process the mold for forming the diffraction grating or to form the tip of the groove formed in the mold into a sharp shape. It becomes difficult to process. Further, as the diffraction grating becomes deeper, it is necessary to increase the pitch of the diffraction grating due to processing restrictions on at least one of the base and the mold. For this reason, the number of diffraction gratings cannot be increased, and the restrictions on the design of the diffractive optical element increase.
このような課題を解決するため、本願発明者は、光学調整層として、マトリクス樹脂中に無機粒子が分散したコンポジット材料を用いることを検討した。コンポジット材料は、分散させる無機粒子の材料や無機粒子の添加量によって屈折率およびアッベ数を制御でき、従来の樹脂にはない屈折率およびアッベ数を得ることができる。したがって、コンポジット材料を光学調整層に用いることにより、基体である第1の光学材料として樹脂を用いた場合の回折格子の設計自由度を高くして、成形性を向上させ、かつ優れた回折効率の波長特性を得ることができると考えられる。 In order to solve such problems, the inventor of the present application examined the use of a composite material in which inorganic particles are dispersed in a matrix resin as the optical adjustment layer. In the composite material, the refractive index and the Abbe number can be controlled by the material of the inorganic particles to be dispersed and the addition amount of the inorganic particles, and the refractive index and the Abbe number that are not found in conventional resins can be obtained. Therefore, by using the composite material for the optical adjustment layer, the degree of freedom in designing the diffraction grating when resin is used as the first optical material as the substrate is increased, the moldability is improved, and the excellent diffraction efficiency is achieved. It is thought that the wavelength characteristic of can be obtained.
しかし、種々のコンポジット材料を用いて位相差型の回折光学素子を作製したところ、光学調整層の屈折率が安定しないという課題があることを見出した。 However, when a retardation type diffractive optical element was produced using various composite materials, it was found that there was a problem that the refractive index of the optical adjustment layer was not stable.
位相差型の回折光学素子において、光学調整層の屈折率が変化すると、式(1)におけるdの一定性が崩れるため、不要回折光が発生する。この結果、設計次数における回折効率が大きく低下することになる。例えば、回折効率のシミュレーションにおいて、光学調整層の屈折率が0.002下がると、波長640nmでの回折効率は、97.95%から94.90%まで3.05%低下し、光学調整層の屈折率が0.002上がると、波長440nmでの回折効率は、98.06%から93.07%まで4.98%低下する。 In the phase difference type diffractive optical element, when the refractive index of the optical adjustment layer changes, the constancy of d in the equation (1) is lost, and therefore unnecessary diffracted light is generated. As a result, the diffraction efficiency at the design order is greatly reduced. For example, in the diffraction efficiency simulation, when the refractive index of the optical adjustment layer decreases by 0.002, the diffraction efficiency at a wavelength of 640 nm decreases by 3.05% from 97.95% to 94.90%. When the refractive index increases by 0.002, the diffraction efficiency at the wavelength of 440 nm decreases by 4.98% from 98.06% to 93.07%.
本発明は、上述した課題を解決し、良好な光学特性を有する回折光学素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-described problems and provide a diffractive optical element having good optical characteristics.
本発明の回折光学素子は、1樹脂を含む第1光学材料からなり、表面に回折格子を有する基体と、第2樹脂および無機粒子を含む第2光学材料からなり、前記回折格子上に設けられた光学調整層とを備え、前記光学調整層の最大厚さは、15μm以上100μm以下であり、前記第2樹脂は、2官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物の重合体である。 The diffractive optical element of the present invention comprises a first optical material containing one resin, a substrate having a diffraction grating on its surface, a second optical material containing a second resin and inorganic particles, and is provided on the diffraction grating. The optical adjustment layer has a maximum thickness of 15 μm to 100 μm, and the second resin is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer. .
ある好ましい実施形態において、前記光硬化型樹脂組成物は、3官能以上のモノマーまたはオリゴマーをさらに含む。 In a preferred embodiment, the photocurable resin composition further includes a tri- or higher functional monomer or oligomer.
ある好ましい実施形態において、前記光硬化型樹脂組成物は、前記2官能のモノマーまたはオリゴマーを10wt%以上100wt%以下の割合で含む。 In a preferred embodiment, the photocurable resin composition contains the bifunctional monomer or oligomer in a proportion of 10 wt% to 100 wt%.
ある好ましい実施形態において、前記第1樹脂はポリカーボネートである。 In a preferred embodiment, the first resin is polycarbonate.
ある好ましい実施形態において、前記2官能のモノマーまたはオリゴマーは2官能エポキシアクリレートである。 In a preferred embodiment, the bifunctional monomer or oligomer is a bifunctional epoxy acrylate.
ある好ましい実施形態において、前記3官能以上のモノマーまたはオリゴマーは、3官能以上のアクリレートである。 In a preferred embodiment, the trifunctional or higher functional monomer or oligomer is a trifunctional or higher functional acrylate.
ある好ましい実施形態において、前記第2樹脂は脂肪族樹脂である。 In a preferred embodiment, the second resin is an aliphatic resin.
ある好ましい実施形態において、前記第1光学材料の屈折率は前記第2光学材料の屈折率より小さく、前記第1光学材料の波長分散性は前記第2光学材料の波長分散性より大きい。 In a preferred embodiment, the refractive index of the first optical material is smaller than the refractive index of the second optical material, and the wavelength dispersion of the first optical material is larger than the wavelength dispersion of the second optical material.
ある好ましい実施形態において、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、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも1つを主成分として含む。 In a preferred embodiment, the inorganic particles contain at least one selected from the group consisting of zirconium oxide, yttrium oxide, lanthanum oxide, hafnium oxide, scandium oxide, alumina, and silica as a main component.
ある好ましい実施形態において、前記無機粒子の実効粒径は、1nm以上100nm以下である。 In a preferable embodiment, the effective particle size of the inorganic particles is 1 nm or more and 100 nm or less.
本発明によれば、光学調整層を構成する第2光学材料であるコンポジット材料の第2樹脂が2官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物からなるため、硬化反応が十分に進行し、光学調整層の屈折率の低下や、膜厚分布に伴う屈折率分布が発生しない。また、紫外線を受けたり高温状態となる使用環境においても、光学調整層の屈折率の変動が抑制される。さらに、基体を構成する第1光学材料が、光学調整層を形成する際に用いられる紫外線によって、変質あるいは劣化することがない。このため不要回折光や迷光の発生を抑制し、良好な光学特性を有する回折光学素子を得ることができる。 According to the present invention, since the second resin of the composite material, which is the second optical material constituting the optical adjustment layer, is composed of the photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer, the curing reaction proceeds sufficiently. In addition, a decrease in the refractive index of the optical adjustment layer and a refractive index distribution accompanying the film thickness distribution do not occur. In addition, even in a use environment that receives ultraviolet rays or is in a high temperature state, fluctuations in the refractive index of the optical adjustment layer are suppressed. Furthermore, the first optical material constituting the substrate is not altered or deteriorated by the ultraviolet rays used when forming the optical adjustment layer. For this reason, generation | occurrence | production of unnecessary diffracted light and stray light can be suppressed, and the diffractive optical element which has a favorable optical characteristic can be obtained.
本願発明者は、光学調整層を構成する光学材料としてコンポジット材料を用いた場合、屈折率が安定しなくなる原因を詳細に検討した。図1は従来の回折光学素子111の断面構造を模式的に示している。従来の回折光学素子111は、第1光学材料からなり、表面に回折格子2が設けられた基体101、および、第2光学材料からなり、回折格子2を覆うように設けられた光学調整層103を備えている。
The inventor of the present application examined in detail the cause of the refractive index becoming unstable when a composite material is used as the optical material constituting the optical adjustment layer. FIG. 1 schematically shows a cross-sectional structure of a conventional diffractive
樹脂材料は、ガラスやセラミックなどの無機材料と比較して、選択可能な屈折率およびその波長依存性の範囲が狭い。このため、基体101として樹脂を使用する場合、通常の光学樹脂のみでは、式(1)を満たし、かつ、光学調整層として必要な屈折率特性を満足するものがほとんど存在しないため、広い波長領域にて高い回折効率を有する回折光学素子を実現するのは非常に困難である。
The resin material has a narrower range of selectable refractive index and wavelength dependency than inorganic materials such as glass and ceramic. For this reason, when a resin is used as the
本願発明者は、この課題を解決し、樹脂からなる基体を用いた位相差型回折光学素子において高い回折効率を得るために、光学調整層を構成する第2光学材料として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とを検討してきた。 In order to solve this problem and obtain high diffraction efficiency in a phase difference type diffractive optical element using a substrate made of resin, the present inventor dispersed inorganic particles in the resin as the second optical material constituting the optical adjustment layer. We have been studying the use of composite materials.
具体的には、基体101を構成する第1光学材料に樹脂を用い、光学調整層103を構成する第2光学材料に樹脂および無機粒子を含む種々のコンポジット材料を用い、回折光学素子の特性および光学調整層の屈折率を詳細に評価した。その結果、光学調整層103の厚さが15μm以上100μm以下であり、光学調整層103が、第2樹脂として多官能樹脂のみからなる紫外線硬化型樹脂を含むコンポジット材料によって構成されている場合、紫外線を十分に照射しても屈折率が設計値に到達しないという問題が発生することを見出した。
Specifically, resin is used for the first optical material constituting the
ここで、設計値とは、材料の配合比率から算出されるコンポジット材料の屈折率の設計値であり、コンポジット材料を2μm以下の厚さで形成した場合に実現する屈折率の値である。また、光学調整層の厚さとは、回折段差の一番深い部分における光学調整層の厚さ、すなわち光学調整層の最大膜厚のことである。 Here, the design value is a design value of the refractive index of the composite material calculated from the blending ratio of the materials, and is a value of the refractive index realized when the composite material is formed with a thickness of 2 μm or less. The thickness of the optical adjustment layer is the thickness of the optical adjustment layer at the deepest part of the diffraction step, that is, the maximum film thickness of the optical adjustment layer.
図2は、15μm以上の厚さを有する紫外線硬化型樹脂組成物および紫外線硬化型コンポジット材料組成物に紫外線を照射し、組成物を重合させることによって得られた樹脂及びコンポジット材料の屈折率を測定した結果を模式的に示している。図2において、横軸は照射した紫外線の積算光量を示し、縦軸は得られた樹脂及びコンポジット材料の屈折率を示している。 FIG. 2 shows the refractive indexes of the resin and composite material obtained by irradiating the ultraviolet curable resin composition and the ultraviolet curable composite material composition having a thickness of 15 μm or more with ultraviolet rays and polymerizing the composition. The results are shown schematically. In FIG. 2, the horizontal axis indicates the integrated light quantity of the irradiated ultraviolet rays, and the vertical axis indicates the refractive index of the obtained resin and composite material.
曲線C1は、多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを含む紫外線硬化型樹脂組成物を硬化させた場合における屈折率と紫外線の積算光量との関係を示している。また、曲線C2は、多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合における屈折率と紫外線の積算光量との関係を示している。図2に示すように、曲線C1において、領域R1では、積算光量が増加するにつれて屈折率も増加し、積算光量が領域R1の上限である所定量を超えると、屈折率が一定になる。 A curve C1 shows the relationship between the refractive index and the accumulated amount of ultraviolet light when an ultraviolet curable resin composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer is cured. Curve C2 shows the relationship between the refractive index and the cumulative amount of ultraviolet light when a composite material composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer as a resin component is cured. As shown in FIG. 2, in the curve C1, in the region R1, the refractive index increases as the integrated light amount increases. When the integrated light amount exceeds a predetermined amount that is the upper limit of the region R1, the refractive index becomes constant.
これは、積算光量の少ない領域では、モノマーやオリゴマーの重合反応や架橋反応が完全ではなく、未反応の官能基が残っているからであると考えられる。その結果、未反応の官能基が残った状態の光学調整層は、回折光学素子を使用中に、回折光学素子を透過する紫外線によって硬化が進み、屈折率が大きくなると考えられる。一方、屈折率が一定になるまで紫外線が照射された場合には、光学調整層に未反応の官能基はほとんど残っていないため、光学調整層の屈折率はほぼ設計値に達しており、さらに紫外線が照射されても屈折率が変化しないと考えられる。したがって、曲線C1における領域R1は屈折率が不安定な領域であり、領域R1よりも照射した紫外線の積算光量が多い領域では屈折率が安定している。 This is presumably because the polymerization reaction and crosslinking reaction of the monomers and oligomers are not complete and unreacted functional groups remain in the region where the integrated light quantity is small. As a result, it is considered that the optical adjustment layer in a state where the unreacted functional group remains is cured by ultraviolet rays that pass through the diffractive optical element while the diffractive optical element is used, and the refractive index is increased. On the other hand, when ultraviolet rays are irradiated until the refractive index becomes constant, the optical adjustment layer has almost no unreacted functional group, so the refractive index of the optical adjustment layer has almost reached the design value. It is considered that the refractive index does not change even when irradiated with ultraviolet rays. Accordingly, the region R1 in the curve C1 is a region where the refractive index is unstable, and the refractive index is stable in a region where the accumulated amount of ultraviolet rays irradiated is larger than that in the region R1.
これに対し、本願発明者による詳細な研究の結果、図2において曲線C2で示すように、多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合、紫外線の積算光量が増加しても、硬化した光学調整層の屈折率はなかなか一定にならず、屈折率が不安定な領域R2が曲線C1に比べて著しく広くなることが分かった。詳細な実験の結果によれば、曲線C2おいて屈折率が安定するための、紫外線の積算光量は、曲線C1の場合に比べて約10倍以上であることが分かった。 On the other hand, as a result of detailed research by the inventor of the present application, as shown by a curve C2 in FIG. 2, when a composite material composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer as a resin component is cured, the accumulated light quantity of ultraviolet rays As the refractive index increases, the refractive index of the cured optical adjustment layer does not readily become constant, and it has been found that the region R2 where the refractive index is unstable is significantly wider than the curve C1. According to the results of detailed experiments, it was found that the cumulative amount of ultraviolet light for stabilizing the refractive index in the curve C2 is about 10 times or more that in the case of the curve C1.
さらに、種々の実験を行った結果、2官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合あるいは、多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合、または、2官能のモノマーまたはオリゴマーおよび3官能以上のモノマーまたはオリゴマーを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合には、曲線C3で示すように、屈折率が不安定な領域R3は、屈折率が一定となる積算光量が多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物に比べて少ないことが分かった。つまり、2官能のモノマーまたはオリゴマーをコンポジット材料組成物の樹脂成分に含むことにより、少ない紫外線照射量でも屈折率が安定することが分かった。 Furthermore, as a result of various experiments, a composite material composition containing only a bifunctional monomer or oligomer as a resin component was cured, or a composite material composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer as a resin component was obtained. When cured, or when a composite material composition containing a bifunctional monomer or oligomer and a trifunctional or higher functional monomer or oligomer as a resin component is cured, the refractive index is unstable as shown by curve C3. It has been found that such a region R3 has a smaller integrated light amount with a constant refractive index than a composite material composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer as a resin component. That is, it was found that the refractive index is stabilized even with a small amount of ultraviolet irradiation by including a bifunctional monomer or oligomer in the resin component of the composite material composition.
これらの結果に基づき、コンポジット材料の樹脂成分が多官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物からなる場合、および、2官能および多官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物からなる場合の硬化反応のメカニズムを検討した。図3(a)から(c)を参照しながら具体的に説明する。 Based on these results, when the resin component of the composite material consists of a photocurable resin composition containing a polyfunctional monomer or oligomer, and from a photocurable resin composition containing a bifunctional and polyfunctional monomer or oligomer The mechanism of the curing reaction was investigated. This will be specifically described with reference to FIGS.
光硬化型樹脂の本来特性を発現させるためには、硬化反応の段階において、樹脂のモノマーまたはオリゴマー(以下、「モノマー」と総称する)分子間の反応性官能基を反応可能な領域に接近させ、連鎖反応を効率的に進行させることにより、重合および架橋密度を高める必要がある。図2の曲線C1からC3に示される屈折率の変化の傾向は、重合および架橋による硬化反応の進行に伴う材料の収縮により密度が大きくなり、それに伴って屈折率が上昇することを示していると考えられる。このため、未反応の反応性官能基がなくなると材料の収縮が停止し、屈折率が一定となると考えられる。 In order to express the intrinsic properties of the photo-curable resin, in the curing reaction stage, the reactive functional groups between the monomers or oligomers of the resin (hereinafter collectively referred to as “monomer”) molecules are brought close to the reactable region. It is necessary to increase the polymerization and crosslinking density by advancing the chain reaction efficiently. The tendency of the change in the refractive index indicated by the curves C1 to C3 in FIG. 2 indicates that the density increases due to the shrinkage of the material accompanying the progress of the curing reaction due to polymerization and crosslinking, and the refractive index increases accordingly. it is conceivable that. For this reason, it is considered that when there is no unreacted reactive functional group, the shrinkage of the material stops and the refractive index becomes constant.
多官能樹脂は、モノマー分子内に反応性官能基を3以上有する樹脂であり、単官能および2官能樹脂と比較して、架橋密度の高い剛直なネットワーク構造を形成する。言い換えれば、多官能樹脂においては架橋点間の距離が相対的に小さく、硬化反応中において反応性官能基が運動できる自由度も小さいと考えられる。 The polyfunctional resin is a resin having three or more reactive functional groups in the monomer molecule, and forms a rigid network structure having a higher crosslink density compared to monofunctional and bifunctional resins. In other words, in the polyfunctional resin, the distance between the crosslinking points is relatively small, and it is considered that the degree of freedom in which the reactive functional group can move during the curing reaction is small.
図3(a)に示すように、多官能のモノマー分子Pmのみからなる光硬化型樹脂組成物においては、無機粒子などの硬化反応を阻害する物質が存在しないため、モノマー分子Pm間の反応性官能基は反応可能な領域まで容易に接近することが可能である。このため、一度開始した連鎖反応は効率的に進行する。つまり、少ない紫外線量で十分硬化が進行し、屈折率が安定する領域に到達する。硬化した樹脂において、モノマー分子Pmの反応性官能基teは、他のモノマー分子の反応性官能基teと互いに結合しており、未反応の反応性官能基が存在しない。 As shown in FIG. 3 (a), in the photocurable resin composition composed only of the polyfunctional monomer molecule Pm, there is no substance that inhibits the curing reaction such as inorganic particles, and therefore the reactivity between the monomer molecules Pm. The functional group can be easily accessed to the reactive region. For this reason, the chain reaction once started proceeds efficiently. That is, the curing proceeds sufficiently with a small amount of ultraviolet rays and reaches a region where the refractive index is stable. In the cured resin, the reactive functional group te of the monomer molecule Pm is bonded to the reactive functional group te of another monomer molecule, and there is no unreacted reactive functional group.
一方、多官能のモノマー分子のみを樹脂成分とし、無機粒子を分散させコンポジット材料組成物を硬化させた場合、図3(b)に示すように、無機粒子Fがモノマー分子Pm間の反応性官能基teの接近を物理的に妨害する。無機粒子Fによる妨害を受けると、モノマー分子Pm間の反応性官能基teは反応可能な領域まで接近することが困難となるため、開始した硬化連鎖反応は十分に進行する前に停止してしまい、未反応の官能基tuが多数残留した状態となる。 On the other hand, when only the polyfunctional monomer molecule is used as a resin component, the inorganic particles are dispersed and the composite material composition is cured, as shown in FIG. 3B, the inorganic particles F are reactive functional groups between the monomer molecules Pm. Physically obstruct the approach of the base te. When it is disturbed by the inorganic particles F, it becomes difficult for the reactive functional group te between the monomer molecules Pm to approach the reactive region, and thus the initiated curing chain reaction stops before it proceeds sufficiently. A large number of unreacted functional groups tu remain.
この結果、コンポジット材料組成物の硬化反応を完了させ、屈折率が安定する領域に到達させるには、多官能のモノマー分子のみを硬化させる場合と比較して紫外線照射量を増加し、硬化連鎖反応が開始する機会を増やすことが必要となる。この点は、膜厚が増加し、紫外線を照射する単位面積あたりに存在するモノマー分子数が多くなるとより顕著になる。 As a result, in order to complete the curing reaction of the composite material composition and reach the region where the refractive index is stable, the UV irradiation amount is increased compared with the case of curing only the polyfunctional monomer molecule, and the curing chain reaction Will need to increase the opportunity to start. This point becomes more remarkable as the film thickness increases and the number of monomer molecules present per unit area irradiated with ultraviolet rays increases.
特にコンポジット材料の樹脂成分、つまりマトリクス樹脂として多官能樹脂のモノマー分子のみを用いる場合、モノマー分子の反応性官能基が他のモノマー分子の反応性官能基と結合を形成することによって網目状に結合を形成し、硬化反応中における反応性官能基の運動自由度が小さくなり、また、分子間の距離も短くなる。このため、無機粒子がモノマー分子間の反応性官能基の接近を妨害する作用が、単官能樹脂や2官能樹脂のモノマー分子によりも相対的に大きく働く。その結果、未反応の反応性官能基を反応させ、硬化した樹脂の屈折率を一定となるまでに必要な紫外線照射量がますます増大すると考えられる。 In particular, when only the monomer component of the polyfunctional resin is used as the resin component of the composite material, that is, the matrix resin, the reactive functional group of the monomer molecule forms a bond with the reactive functional group of another monomer molecule to form a network. The degree of freedom of movement of the reactive functional group during the curing reaction is reduced, and the distance between molecules is also reduced. For this reason, the effect | action which the inorganic particle prevents the approach of the reactive functional group between monomer molecules acts comparatively largely also with the monomer molecule of monofunctional resin or bifunctional resin. As a result, it is considered that the amount of UV irradiation necessary to react the unreacted reactive functional group and to keep the refractive index of the cured resin constant will further increase.
基体として安価で生産性の高い樹脂を使用した場合に高い回折効率を得るためには、光学調整層としてコンポジット材料を使用することが好ましい。他方、樹脂材料はその分子構造上、光学用途に使用される無機材料と比較すると、紫外線への耐久性は高くない傾向にある。したがって、基体として樹脂材料を用いる場合には、コンポジット材料中のマトリクス樹脂を硬化させるために必要な紫外線による基体の変質を抑制することも重要である。 In order to obtain high diffraction efficiency when an inexpensive and highly productive resin is used as the substrate, it is preferable to use a composite material as the optical adjustment layer. On the other hand, resin materials tend not to have high durability against ultraviolet rays compared to inorganic materials used for optical applications because of their molecular structures. Therefore, when a resin material is used as the substrate, it is also important to suppress the substrate deterioration due to ultraviolet rays necessary for curing the matrix resin in the composite material.
上述したように、多官能のモノマー分子のみを樹脂成分とし、無機粒子を分散させコンポジット材料組成物を硬化させた場合、多量の紫外線を照射し、重合および架橋反応を完了させ、屈折率変化のない安定な状態までコンポジット材料組成物を硬化させる必要がある。しかし、本願発明者の検討によれば、コンポジット材料の屈折率が一定になるまで多量の紫外線を照射した場合、回折光学素子の基体を構成する樹脂に、変質、具体的には高極性の光分解物の発生による黄変や光線透過率の低下が起こったり、可視光領域にて使用する回折光学素子において、色再現性の劣化や明るさの低下が発生してしまうことが分かった。 As described above, when only a polyfunctional monomer molecule is used as a resin component, inorganic particles are dispersed and the composite material composition is cured, a large amount of ultraviolet rays are irradiated to complete the polymerization and crosslinking reaction, and the refractive index changes. There is a need to cure the composite material composition to a stable state. However, according to the study by the present inventor, when a large amount of ultraviolet rays is irradiated until the refractive index of the composite material becomes constant, the resin constituting the base of the diffractive optical element is changed in quality, specifically high-polarity light. It has been found that yellowing and light transmittance decrease due to generation of decomposition products, and color reproducibility and brightness decrease in a diffractive optical element used in the visible light region.
詳細な研究の結果、図2に示すように、回折光学素子の基体101を構成する樹脂の変質が生じる紫外線の積算光量の領域Rdは、多官能のモノマー分子のみを樹脂成分とし、無機粒子を分散させコンポジット材料組成物を硬化させて光学調整層103を形成した場合において、屈折率が不安定な領域R2と部分的に重なっていることが分かった。
As a result of detailed research, as shown in FIG. 2, the region Rd of the integrated light quantity of ultraviolet rays in which the resin constituting the
つまり、曲線C2より、多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を用いて光学調整層を形成しようとしても紫外線の照射量をかなり多くしないと、屈折率が一定にはならず、屈折率が一定となるように紫外線を照射した場合には、大積算量の紫外線が基体101に照射されることによって、基体101を構成している樹脂の変質または劣化が生じることが分かった。
In other words, from the curve C2, even if an optical adjustment layer is formed using a composite material composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer as a resin component, the refractive index will not be constant unless the irradiation amount of ultraviolet rays is increased considerably. However, it is understood that when the
このため、光学調整層を構成するコンポジット材料の樹脂成分として多官能樹脂のみを使用する場合、基体101を構成している樹脂の変質または劣化の抑制を優先させれば、屈折率が安定するように十分な量の紫外線をコンポジット材料組成物に照射することが困難となり、光学調整層の屈折率は所定の設計値を示さない。その結果、図2に示すように、基体と光学調整層との屈折率差が設計値よりも小さくなり、不要回折光が発生する。また仮に、光学調整層を構成するコンポジット材料の重合および架橋反応が不完全な状態で得られる屈折率が、上述した式(1)を満たすように、設計する場合、使用中に紫外線の照射を受けたり高温下に保持されたりすることにより、残留していた反応性官能基が反応し、屈折率が大きくなるため、不要回折光が発生してしまう。
For this reason, when only the polyfunctional resin is used as the resin component of the composite material constituting the optical adjustment layer, the refractive index is stabilized if priority is given to the suppression of the deterioration or deterioration of the resin constituting the
また、回折格子が鋸歯形状や段差形状を有する回折光学素子においては、光学調整層には回折格子の形状に対応した膜厚分布が必然的に生じる。一方、先述したとおり、コンポジット材料の屈折率を設計値に到達させるために必要な紫外線照射量は、厚さの増加に伴って増大する。このため、光学調整層が最大の厚さを有する部分における紫外線の照射光量がコンポジット材料の屈折率を設計値に到達させるのに十分なものでなければ、つまり、図2の曲線C2に対して、紫外線の照射光量がR2の領域にある場合、光学調整層内に屈折率のばらつきが発生することになり、さらなる回折効率の低下につながる。 Further, in a diffractive optical element in which the diffraction grating has a sawtooth shape or a step shape, a film thickness distribution corresponding to the shape of the diffraction grating inevitably occurs in the optical adjustment layer. On the other hand, as described above, the amount of ultraviolet irradiation necessary to reach the design value of the refractive index of the composite material increases as the thickness increases. For this reason, if the amount of ultraviolet irradiation at the portion where the optical adjustment layer has the maximum thickness is not sufficient to reach the design value of the refractive index of the composite material, that is, with respect to the curve C2 in FIG. When the ultraviolet light irradiation amount is in the R2 region, the refractive index varies within the optical adjustment layer, leading to a further decrease in diffraction efficiency.
こうした理由から、光学調整層101を構成するコンポジット材料の樹脂成分として多官能樹脂のみを使用する場合、設計通りの光学特性を有する回折光学素子111を実現することは困難である。
For these reasons, when only the polyfunctional resin is used as the resin component of the composite material constituting the
本願発明者はこの問題を解決するため、光学調整層を構成するコンポジット材料の樹脂成分に着目した。そして、樹脂成分が、2官能モノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物の重合体である場合には、コンポジット材料であっても、照射する紫外線の積算光量が従来より少なくても、モノマーやオリゴマーの反応性官能基をほとんど全て反応させることができ、硬化したコンポジット材料の屈折率を設計値に到達させることができることを見出した。 In order to solve this problem, the inventor of the present application paid attention to the resin component of the composite material constituting the optical adjustment layer. When the resin component is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer, even if it is a composite material, the monomer or It has been found that almost all reactive functional groups of the oligomer can be reacted, and the refractive index of the cured composite material can be reached to the design value.
2官能モノマーPdは反応性官能基teを2つしか有しないため、1つの反応性官能基teが他のモノマーの反応性官能基と結合を形成しても、他の1つの反応性官能基teの運動自由度は高い。このため、図3(c)に示すように、コンポジット材料の樹脂成分として多官能のモノマーPmに加えて、2官能モノマーPdを含む場合、硬化反応中における2官能モノマーPdの反応性官能基teの運動自由度が高いため、反応を阻害する無機粒子が共存していても、他の多官能性モノマーPmの反応性官能基teと近接する機会が多い。このため、モノマー同士の重合および架橋反応が十分連鎖的に進行できるため、未反応の官能基を減少させることができる。図2において、曲線C3で示すように、コンポジット材料の樹脂成分が、2官能モノマーおよび多官能モノマーを含む光硬化型樹脂組成物の重合体である場合、領域R3で示されるコンポジット材料の屈折率が一定にならない領域は、多官能モノマー分子のみを樹脂成分とするコンポジット材料組成物に比べて狭くなる。その結果、基体101を構成する樹脂が紫外線により変質する領域Rdは、コンポジット材料の屈折率が一定にならない領域R3と重ならないようになる。したがって、基体101を構成する樹脂が紫外線により変質しない紫外線の照射光量でも、コンポジット材料組成物を完全に硬化させ、光学調整層の屈折率を設計値に到達させることができる。その結果、使用環境において光学調整層の屈折率が実質的に変化することがなく、設計通りの光学性能を維持する回折光学素子を実現することができる。
Since the bifunctional monomer Pd has only two reactive functional groups te, even if one reactive functional group te forms a bond with the reactive functional group of another monomer, the other reactive functional group te's freedom of movement is high. Therefore, as shown in FIG. 3C, when the bifunctional monomer Pd is included in addition to the polyfunctional monomer Pm as the resin component of the composite material, the reactive functional group te of the bifunctional monomer Pd during the curing reaction is included. Therefore, even if inorganic particles that inhibit the reaction coexist, there are many opportunities to come close to the reactive functional group te of the other polyfunctional monomer Pm. For this reason, since the polymerization and crosslinking reaction between the monomers can proceed sufficiently in a chain, unreacted functional groups can be reduced. In FIG. 2, when the resin component of the composite material is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer and a polyfunctional monomer, as shown by a curve C3, the refractive index of the composite material indicated by the region R3. The region where the is not constant becomes narrower than the composite material composition having only the polyfunctional monomer molecule as the resin component. As a result, the region Rd in which the resin constituting the
以下、本発明による回折光学素子の実施形態を具体的に説明する。図4(a)および(b)は、本発明による回折光学素子の第1の実施形態を示す断面図および上面図である。図4(a)および(b)に示す回折光学素子21は、基体1と光学調整層3とを備える。
Hereinafter, embodiments of the diffractive optical element according to the present invention will be described in detail. FIGS. 4A and 4B are a cross-sectional view and a top view showing the first embodiment of the diffractive optical element according to the present invention. A diffractive optical element 21 shown in FIGS. 4A and 4B includes a
基体1は、第1樹脂を含む第1光学材料からなり、表面に回折格子2を有する。本実施形態では、第1光学材料は第1樹脂のみを含んでいる。回折格子2の断面形状、配置、ピッチおよび深さは、基体1および光学調整層3の光学特性および回折光学素子21に求められる光学特性に基づいて決定される。例えば、回折光学素子21にレンズ作用を持たせる場合には、鋸歯状の断面形状を有するリング状の回折格子を、ピッチがレンズの中心から周辺に向かって小さくなるように連続的に変化させながら同心円状に配置する。この場合の回折格子は、レンズ作用を有する断面形状、配置およびピッチとなっていればよく、図4(a)に示すように、回折格子2を曲面上に形成してもよいし、平面上に形成してもよい。特に、回折格子の溝を通る包絡面がレンズ作用を有する非球面となるように回折格子2を形成すると、屈折作用と回折作用の最適な組み合わせにより色収差や像面湾曲等をバランスよく改善し、高い撮像性能を有するレンズを得ることが可能となる。
The
回折格子2の深さは、式(1)を用いて決定することができる。樹脂を含む材料を使用した成形により基体を作製する場合、回折格子形状の深さ(段差)を20μm以下にすることが好ましい。これは、20μmを越える深さの回折格子形状を有する金型を加工する場合、金型を深く切削する必要があり、加工量の増大に伴うバイト先端の磨耗のため、精度の高い金型加工が困難になるからである。また、この場合、先端の曲率半径の大きなバイトで加工を行う必要が出るため、回折ピッチを狭くすることが困難となり、回折ピッチを大きくする必要が生じる。その結果、回折格子を設け収差を低減させる効果が得られにくくなる。
The depth of the
なお、図4(a)および(b)に示す回折光学素子21の基体1は、1つの面に回折格子2を有しているが、基体1の両面に回折格子2を設けてもよい。また、図4(a)に示すように、基体1は凸面と平面とを有し、凸面に回折格子2が設けられている。基体1の対向する2つの主面の形状はこの組み合わせに限られず、他の形状の組み合わせであってもよい。具体的には、基体1の対向する2つの主面が、両凸面、凸面と凹面、両凹面、凹面と平面、両平面であってもよい。この場合、回折格子2は1つの面のみに形成されていてもよいし、両面に形成されていてもよい。また、両面に回折格子が形成される場合、両面の回折格子の形状、配置、ピッチ、回折格子深さは、回折光学素子に要求される性能を満たすものであれば一致していなくてもよい。
Although the
第1光学材料を構成する第1樹脂としては、一般に光学素子の基体として使用される透光性の樹脂材料の中から、回折光学素子21の設計次数における回折効率の波長依存性を低減可能な屈折率特性と波長分散性を有する樹脂を選択する。基体1の材料として樹脂を使用することにより、成型加工が容易で生産性が高く、かつ最終的に得られる回折光学素子21の小型化、軽量化を図ることが可能となる。例えば、第1樹脂として、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い。このように第1樹脂は単一の樹脂のみを含んでいてもよいし、2以上の樹脂を含んでいてもよい。
As the first resin constituting the first optical material, the wavelength dependence of the diffraction efficiency in the design order of the diffractive optical element 21 can be reduced from among translucent resin materials generally used as the base of the optical element. A resin having refractive index characteristics and wavelength dispersion is selected. By using a resin as the material of the
第1光学材料は第1樹脂以外に、屈折率等の光学特性や、熱膨張性等の力学特性を調整するための無機粒子や、特定の波長領域の電磁波を吸収する染料や顔料等の添加剤を含んでいてもよい。これらの無機粒子や添加剤は第1光学材料を構成する主要な構成要素ではない。 In addition to the first resin, the first optical material includes inorganic particles for adjusting optical properties such as refractive index and mechanical properties such as thermal expansion, and dyes and pigments that absorb electromagnetic waves in a specific wavelength region. An agent may be included. These inorganic particles and additives are not main components constituting the first optical material.
光学調整層3は、第2樹脂4および無機粒子5を含む第2光学材料からなり、回折格子2を覆うように基体1の表面に設けられている。光学調整層3は、基体1による回折効率の波長依存性を低減する目的で設けられる。
The
光学調整層3は、少なくとも回折格子2の溝(段差)を完全に埋めるように形成することが好ましく、光学調整層3の厚さが最も大きい部分は、回折格子2の最深部(段差部分)の深さ(鋸歯形状の根元部分)より大きいことが好ましい。光学調整層3および基体1の主成分が樹脂で構成され、可視光領域で回折光学素子21を使用する場合、回折格子2の最深部の深さはおよそ10μm以上になるため、光学調整層3の最大厚さは、回折格子の段差を完全に埋めるためのマージンを含めて、15μm以上であることが好ましい。
The
光学調整層3が、回折格子2の溝(段差)を完全に埋めるかぎり、回折効率の波長依存性を低減させる効果を得ることができる。しかしながら、光学調整層3を厚くしすぎると、無機粒子によるレイリー散乱の影響が顕著に生じ、光学調整層3の光線透過率が低下する。また、マトリクス樹脂として光硬化型樹脂を使用する場合は、硬化収縮に伴い発生する応力により、クラックが発生する可能性も高まる。このため、光学調整層3の最大厚さは100μm以下であることが好ましい。つまり、光学調整層3の最大厚さは、15μm以上100μm以下が好ましい。
As long as the
回折格子2の溝を通る包絡面がレンズ作用を有する非球面となるように回折格子2を形成した基体1に対して光学調整層3を設置する場合は、光学調整層3の表面を、対応する非球面形状に一致させることにより、屈折作用と回折作用が融合され、色収差および像面湾曲を低減させてレンズ特性を向上させることができる。
When the
光学調整層3を構成している第2光学材料において、第2樹脂4は、マトリクス樹脂として機能し、無機粒子5は第2樹脂4に分散している。これにより、第2樹脂4および無機粒子5はコンポジット材料を構成している。第2樹脂4は、光硬化型樹脂である。
In the second optical material constituting the
第2樹脂4は、より具体的には、2官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物の重合体である。第2樹脂4は、2官能のモノマーまたはオリゴマーを含有する光硬化型樹脂組成物の重合体である限り、特に制限はない。2官能のモノマーまたはオリゴマーを含有する光硬化型樹脂組成物を含むことにより、図3を参照して説明したように、無機粒子の存在下にあっても反応性官能基の運動自由度が高く、硬化連鎖反応が効率的に進行する。このため、より少ない紫外線照射量でも光学調整層の屈折率がそれ以上増大しない値に到達する。また、単官能のモノマーまたはオリゴマーを使用した場合と比較すると、硬化後の光学調整層3の機械特性に優れている。すなわち、無機粒子を分散させたコンポジット材料として、回折光学素子の光学調整層に使用した場合、光学特性と機械特性との優れたバランスを実現できる。
More specifically, the second resin 4 is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer. The second resin 4 is not particularly limited as long as it is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer. By including a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer, the degree of freedom of movement of reactive functional groups is high even in the presence of inorganic particles, as described with reference to FIG. The curing chain reaction proceeds efficiently. For this reason, the refractive index of the optical adjustment layer reaches a value at which the refractive index of the optical adjustment layer does not increase any further even with a smaller UV irradiation amount. Moreover, compared with the case where a monofunctional monomer or oligomer is used, the mechanical properties of the
本願明細書において、「官能」「反応性官能基」とは、モノマーまたはオリゴマーが重合反応および架橋反応によって、他のモノマーまたはオリゴマーと結合を形成し得る部位を意味する。特に、本願発明では、光硬化型樹脂を用いるため、光、具体的には紫外線の照射によって、結合を形成する部位を言う。より具体的には、炭素−炭素間の二重結合または三重結合を言う。また、慣用的に、このような反応性官能基を1つ含むモノマー単官能モノマー、2つ含むモノマーを2官能モノマーと呼び、3以上の反応性官能基を含むモノマーを多官能モノマーと呼ぶ。 In the present specification, “functional” and “reactive functional group” mean a site where a monomer or oligomer can form a bond with another monomer or oligomer by a polymerization reaction or a crosslinking reaction. In particular, in the present invention, since a photocurable resin is used, it refers to a site where a bond is formed by irradiation with light, specifically, ultraviolet rays. More specifically, it refers to a carbon-carbon double or triple bond. Also, conventionally, such a monomer monofunctional monomer containing one reactive functional group, a monomer containing two reactive functional groups are called a bifunctional monomer, and a monomer containing three or more reactive functional groups is called a polyfunctional monomer.
反応性官能基は、重合あるいは架橋することによって炭素−炭素結合に変化し、消滅する。このため、未反応の反応性官能基が残存しない限り、重合体である樹脂には反応性官能基は残存していない。しかし、樹脂の構造を解析することによって、モノマーやオリゴマーがいくつ反応性官能基を有していたかを特定し得る。このため、重合あるいは架橋した樹脂も2官能樹脂、多官能樹脂等と呼ぶ。 The reactive functional group changes to a carbon-carbon bond by polymerization or crosslinking and disappears. For this reason, unless the unreacted reactive functional group remains, the reactive functional group does not remain in the polymer resin. However, by analyzing the structure of the resin, it is possible to specify how many reactive functional groups the monomer or oligomer had. For this reason, a polymerized or crosslinked resin is also called a bifunctional resin, a polyfunctional resin, or the like.
第2樹脂を構成する光硬化型樹脂組成物は1種類の2官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分の原料として含んでいてもよいし、光学特性や機械特性等の要件を満たすために、他の2官能のモノマーまたはオリゴマー、単官能モノマーまたはオリゴマーおよび3官能以上のモノマーまたはオリゴマーのうち、いずれか1種以上をさらに含んでいてもよい。第2樹脂を構成する光硬化型樹脂組成物中、2官能のモノマーまたはオリゴマーを10wt%以上100wt%以下の割合で含むことが好ましい。第2光学材料を硬化させる硬化連鎖反応の効率を高めるためである。光硬化型樹脂組成物は、樹脂成分の原料のほかに光重合開始剤を含んでいる。また、第2光学材料は、特定の波長領域の電磁波を吸収する染料や顔料等の添加剤を含んでいてもよい。これらの添加剤は樹脂成分を構成する主要な構成要素ではない。 The photo-curable resin composition constituting the second resin may contain only one type of bifunctional monomer or oligomer as a raw material for the resin component, and in order to satisfy requirements such as optical properties and mechanical properties, etc. Any one or more of a bifunctional monomer or oligomer, a monofunctional monomer or oligomer, and a tri- or higher functional monomer or oligomer may be further included. In the photocurable resin composition constituting the second resin, it is preferable to contain a bifunctional monomer or oligomer at a ratio of 10 wt% to 100 wt%. This is to increase the efficiency of the curing chain reaction that cures the second optical material. The photocurable resin composition contains a photopolymerization initiator in addition to the resin component raw material. The second optical material may contain an additive such as a dye or a pigment that absorbs electromagnetic waves in a specific wavelength region. These additives are not main components constituting the resin component.
第2樹脂を構成する光硬化型樹脂組成物に用いることのできる2官能モノマーまたはオリゴマーとしては、具体的には、以下の化学式(1)、(2)、(3)で示されるエポキシアクリレートや、化学式(4)で示されるジメチロール−トリシクロデカンジアクリレート、化学式(5)で示されるトリエチレングリコールジアクリレートなどが挙げられる。
また、3官能以上のモノマーまたはオリゴマーとしては、具体的には、以下の化学式(6)で示すペンタエリスリトールトリアクリレート、化学式(7)で示すペンタエリスリトールテトラアクリレート、化学式(8)で示すペンタエリスリトールテトラメタクリレート、化学式(9)で示すトリメチロールプロパントリアクリレートなどが挙げられる。
これらの2官能のモノマーまたはオリゴマーおよび3官能以上のモノマーまたはオリゴマーの中でも、特に、ベンゼン環を有しない脂肪族樹脂が好ましい。これは、ベンゼン環の共役二重結合が紫外線を吸収して分解や変質が起こりうるためである。具体的には、上記化学式(4)、(5)で示されるジメチロール−トリシクロデカンジアクリレート、トリエチレングリコールジアクリレートなどを用いることが好ましい。 Among these bifunctional monomers or oligomers and tri- or higher functional monomers or oligomers, an aliphatic resin having no benzene ring is particularly preferable. This is because the conjugated double bond of the benzene ring absorbs ultraviolet rays and can be decomposed or altered. Specifically, it is preferable to use dimethylol-tricyclodecane diacrylate represented by the above chemical formulas (4) and (5), triethylene glycol diacrylate, or the like.
また、光学調整層3として高アッベ数を有すること好ましいため、第2樹脂も高アッベ数を示すものを使用することがより好ましい。特にアッベ数が40以上の樹脂を使用すれば、無機粒子を分散させたコンポジット材料とした場合に、式(1)を満足することが容易となる。したがって、上述した2官能のモノマーまたはオリゴマー、あるいは、3官能以上のモノマーまたはオリゴマーのうち、脂環式構造、シロキサン構造、フッ素原子等を有するものを選定することにより、重合した第2樹脂が高アッベ数を有することが可能である。
Moreover, since it is preferable that the
基体1による回折効率の波長依存性を低減するためには、基体1を構成する第1光学材料の波長λにおける屈折率をn1(λ)とし、光学調整層3を構成する第2光学材料の波長λにおける屈折率をn2(λ)とした場合、所望の範囲の波長λに対して、式(1)をほぼ満たす第1光学材料および第2光学材料を選択することが好ましい。具体的には、回折格子の深さdが下記式(2)を満足すれば、実用上十分な集光作用を有することができ、式(1)をほぼ満足すると言える。
このためには、例えば、第1光学材料における屈折率の波長依存性と逆の傾向を示す屈折率の波長依存性を有する材料を第2の光学材料として選択すればよい。より具体的には、回折光学素子21を使用する光の波長範囲において、第1光学材料の屈折率は第2光学材料の屈折率より小さく、かつ、第1光学材料の屈折率の波長分散性は第2光学材料の屈折率の波長分散性より大きい。つまり、第1光学材料は第2光学材料よりも低屈折率高分散材料である必要がある。 For this purpose, for example, a material having a wavelength dependency of the refractive index showing a tendency opposite to the wavelength dependency of the refractive index in the first optical material may be selected as the second optical material. More specifically, in the wavelength range of light using the diffractive optical element 21, the refractive index of the first optical material is smaller than the refractive index of the second optical material, and the wavelength dispersion of the refractive index of the first optical material. Is greater than the wavelength dispersion of the refractive index of the second optical material. That is, the first optical material needs to be a low refractive index and high dispersion material than the second optical material.
屈折率の波長分散性は、例えば、アッベ数によって表される。アッベ数が大きいほど屈折率の波長分散性は小さい。したがって、第1光学材料の屈折率は第2光学材料の屈折率より小さく、かつ、第1光学材料のアッベ数は第2光学材料のアッベ数よりも小さいことが必要である。第2樹脂4をマトリクスとして無機粒子5が分散されたコンポジット材料を用いることにより、第2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。そして、適切な屈折率およびアッベ数を有する第2光学材料を光学調整層3に用いることにより、回折光学素子を使用する波長帯域における回折効率を改善することができる。
The wavelength dispersion of the refractive index is expressed by, for example, the Abbe number. The larger the Abbe number, the smaller the wavelength dispersion of the refractive index. Therefore, the refractive index of the first optical material needs to be smaller than the refractive index of the second optical material, and the Abbe number of the first optical material needs to be smaller than the Abbe number of the second optical material. By using the composite material in which the
第2樹脂に分散させる無機粒子5が高屈折率を有していれば、第2樹脂単体では達成し得ない高い屈折率を第2光学材料は有することができる。このため、第1光学材料と第2光学材料との屈折率差を拡大することができ、式(1)から明らかなように、回折格子2の深さを低減することが可能となる。この結果、基体1を成形により作製する場合、回折格子2の転写性が改善する。また、回折格子2の段差を浅くできるため、段差の間隔を狭くしても転写が容易となる。したがって、回折格子2の狭ピッチ化による回折性能の向上を図ることができる。さらに、第2樹脂にも様々な物性を有する材料を使用することが可能となり、光学以外の特性と両立させることもより容易となる。
If the
基体1に第1樹脂を含む第1光学材料を用い、光学調整層3として、第2樹脂4および無機粒子5を含むコンポジット材料からなる第2光学材料を用いる場合、一般に無機粒子5は樹脂より高屈折率であることが多い。このため、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であることが、無機粒子5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分散性であることが好ましい。
When the first optical material containing the first resin is used for the
コンポジット材料である第2光学材料の屈折率は、マトリクス樹脂である第2樹脂および無機粒子5の屈折率から、例えば下記式(3)にて表されるマックスウェル−ガーネット理論により推定できる。
式(3)において、nCOMλはある特定波長λにおける第2光学材料の平均屈折率であり、npλ、nmλはそれぞれこの波長λにおける無機粒子および第2樹脂の屈折率である。Pは、第2光学材料全体に対する無機粒子の体積比である。(式2)において、波長λとしてフラウンホーファーのD線(589.2nm)F線(486.1nm)C線(656.3nm)における屈折率をそれぞれ推定することにより、さらにコンポジット材料のアッベ数を推定することも可能である。逆にこの理論に基づく推定から、第2樹脂4と無機粒子5との混合比を決めてもよい。In Formula (3), n COM λ is the average refractive index of the second optical material at a specific wavelength λ, and n p λ and n m λ are the refractive indexes of the inorganic particles and the second resin at this wavelength λ, respectively. . P is a volume ratio of the inorganic particles to the entire second optical material. In (Expression 2), the Abbe number of the composite material is further calculated by estimating the refractive index of the D-line (589.2 nm), the F-line (486.1 nm), and the C-line (656.3 nm) of Fraunhofer as the wavelength λ. It is also possible to estimate. Conversely, the mixing ratio between the second resin 4 and the
なお、式(3)において、無機粒子5が光を吸収する場合や無機粒子5が金属を含む場合には、式(3)の屈折率を複素屈折率として計算する。なお、式(3)はnpλ≧nmλの場合に成立する式であり、npλ<nmλの場合は以下の式(4)を用いて屈折率を推定する。
光学調整層3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樹脂に分散させる無機粒子5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。特に第1樹脂としてポリカーボネート系樹脂を使用する場合、無機粒子5としてはアッベ数が30以上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つ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22が用いられる光の波長帯域において、式(1)または(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。
When a second optical material made of a composite material is used as the
無機粒子5の実効粒径は、1nm以上100nm以下であることが好ましい。実効粒径が100nm以下であることにより、レイリー散乱による損失を低減させ、光学調整層3の透明性を高くすることができる。また、実効粒径を1nm以上とすることにより、量子効果による発光等の影響を抑制することができる。第2光学材料は、必要に応じて、無機粒子の分散性を改善する分散剤や、重合開始剤、レベリング剤等の添加剤をさらに含んでいてもよい。
The effective particle size of the
ここで実効粒径について図5を参照しながら説明する。図5において、横軸は無機物粒子の粒径を表し、左側の縦軸は横軸の粒径に対する無機粒子の頻度を示す。また、右側の縦軸は粒径の累積頻度を表している。実効粒径とは、無機物粒子全体のうち、その粒径頻度分布において、累積頻度が50%となる粒径を中心粒径(メジアン径:d50)とし、その中心粒径を中心として累積頻度が50%の範囲Aにある粒径範囲Bのことを指す。したがって、無機粒子5のこのように定義される実効粒径の範囲が1nm以上100nm以下の範囲内であることが好ましい。実効粒径の値を精度よく求めるためには、例えば、200個以上の無機物粒子を測定することが好ましい。
Here, the effective particle diameter will be described with reference to FIG. In FIG. 5, the horizontal axis represents the particle size of the inorganic particles, and the left vertical axis represents the frequency of the inorganic particles with respect to the particle size on the horizontal axis. The vertical axis on the right represents the cumulative frequency of particle size. The effective particle size means that the particle size at which the cumulative frequency is 50% in the particle size frequency distribution of the entire inorganic particles is the central particle size (median diameter: d50), and the cumulative frequency is centered on the central particle size. It refers to the particle size range B in the range A of 50%. Therefore, it is preferable that the range of the effective particle size of the
回折光学素子21は例えば以下の方法によって作製することができる。まず基体1を構成する第1光学材料を用いて、射出成形することにより、回折格子2が片面に設けられた基体1を作製する。
The diffractive optical element 21 can be produced, for example, by the following method. First, the
次に光学調整層3の原料となる第2光学材料を調製する。第2樹脂として、上述したように、2官能のモノマーまたはオリゴマー、あるいは、2官能のモノマーまたはオリゴマーおよび多官能のモノマーまたはオリゴマーと、無機粒子が溶媒に分散した分散液と、光重合開始剤とを混合する。
Next, the 2nd optical material used as the raw material of the
この第2光学材料の原料を基体1上にディスペンサーを用いて滴下し、真空乾燥機などで溶媒を乾燥させた後、金型に入れ、基体1の裏面から、紫外線を照射し原料を、硬化させる。金型から硬化した光学調整層3が設けられた基体1を分離することにより、回折光学素子21が得られる。
The raw material of the second optical material is dropped onto the
このように本実施形態の回折光学素子によれば、光学調整層を構成する第2光学材料であるコンポジット材料の第2樹脂が2官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物からなるため、硬化反応が十分に進行し、光学調整層の屈折率の低下や、膜厚分布に伴う屈折率分布が発生しない。また、紫外線を受けたり高温状態となる使用環境においても、光学調整層の屈折率の変動が抑制される。さらに、基体を構成する第1光学材料が、光学調整層を形成する際に用いられる紫外線によって、変質あるいは劣化することがない。このため所望の高い回折効率ならびに集光特性を達成し得る回折光学素子を得ることができる。 As described above, according to the diffractive optical element of this embodiment, the second resin of the composite material, which is the second optical material constituting the optical adjustment layer, is composed of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer. The curing reaction proceeds sufficiently, and the refractive index of the optical adjustment layer does not decrease and the refractive index distribution accompanying the film thickness distribution does not occur. In addition, even in a use environment that receives ultraviolet rays or is in a high temperature state, fluctuations in the refractive index of the optical adjustment layer are suppressed. Furthermore, the first optical material constituting the substrate is not altered or deteriorated by the ultraviolet rays used when forming the optical adjustment layer. Therefore, it is possible to obtain a diffractive optical element that can achieve a desired high diffraction efficiency and condensing characteristics.
なお、回折光学素子をレンズ等、他の光学素子と組み合わせて、広角の光学系を構成する場合、回折格子の段差面を通過した斜入射光により撮影画像にフレアが発生し、画像のコントラストが大幅に悪化することがある。このような場合には高さの異なる回折段差を複数設け、高さの大きい回折段差にのみ、光学調整層を形成する構成にすることで、フレアを抑制することができる。 When a diffractive optical element is combined with another optical element such as a lens to form a wide-angle optical system, flare occurs in the captured image due to the oblique incident light that has passed through the step surface of the diffraction grating, and the contrast of the image is reduced. May be significantly worse. In such a case, flare can be suppressed by providing a plurality of diffraction steps having different heights and forming the optical adjustment layer only on diffraction steps having a large height.
図6はこのような回折光学素子22の断面構造を模式的に示している。回折光学素子22は、基体11と光学調整層13とを備えている。基体11の片方の面には、第1の回折格子12aおよび第2の回折格子12bが設けられている。第1の回折格子12aおよび第2の回折格子12bは、それぞれ、光軸10を中心とする同心円形状の複数の輪帯を含み、第2の回折格子12bは第1の回折格子12aよりも外周側に設けられている。第1の回折格子12aの段差は、第2の回折格子12bの段差より高い。第1の回折格子12aおよび第2の回折格子12bの段差の高さは、それぞれにおいて、光軸10から離れるにしたがって、小さくしてもよい。
FIG. 6 schematically shows a cross-sectional structure of such a diffractive
光学調整層13は第1の回折段差12aを覆っており、第2の回折格子12bは光学調整層13に覆われていない。基体11の回折段差が設けられていない面16は非球面形状を有している。
The
回折光学素子22によれば、外周側に設けられた第2の回折格子12bは光学調整層13に覆われていない。式(1)から分かるように、第2の回折格子12bの段差の深さdを小さくすることができる。これにより、回折光学素子22の光軸10に対して斜めから光を入射させた場合、光軸に対しより大きな角度で入射しやすい外周側の回折格子、つまり、第2の回折格子12bの段差の面積を小さくし、回折格子の段差面を通過する光の量を少なくすることができる。このような光は、回折に寄与せず、フレアの発生の原因となるため、段差面を通過する光の量を少なくすることによってフレアの発生を抑制することができる。
According to the diffractive
なお、上記実施形態の回折光学素子21、22において、光学調整層3、13の表面にさらに反射防止層を設けてもよい。反射防止層は、光学調整層3、13より屈折率が低い材料の膜からなる単層構造、あるいは、光学調整層3、13より屈折率が低い材料の膜と高い材料の膜による多層構造を有する。反射防止層に用いる材料としては、例えば、樹脂、樹脂と無機粒子とのコンポジット材料、あるいは真空蒸着、スパッタリング、CVD法等にて形成された無機薄膜等が挙げられる。反射防止層としてコンポジット材料用いる場合には、無機物粒子として、屈折率の低いシリカ、アルミナ、酸化マグネシウム等を用いることができる。
In the diffractive
また、回折光学素子21、22は、光学調整層3、13の表面にナノ構造の反射防止形状を有していてもよい。ナノ構造の反射防止形状は、例えば型による転写工法(ナノインプリント)によって容易に形成することができる。
The diffractive
さらに、回折光学素子21、22は、光学調整層3、13または反射防止層の表面に、耐摩擦性、熱膨張性等の力学特性を調整する作用を有する表面層を別途備えていてもよい。
Furthermore, the diffractive
以下に、本発明による回折光学素子を作製し、特性を評価した結果を具体的に説明する。 Hereinafter, the results of producing the diffractive optical element according to the present invention and evaluating the characteristics will be described in detail.
(実施例1)
図4に示す構造を備えた回折光学素子21を次の方法により作製した。回折光学素子21はレンズ作用を有し、1次回折光を利用するように設計されている。この点は以下の実施例についても同様である。Example 1
A diffractive optical element 21 having the structure shown in FIG. 4 was produced by the following method. The diffractive optical element 21 has a lens action and is designed to use first-order diffracted light. The same applies to the following embodiments.
まず基体1を構成する第1光学材料の第1樹脂として、ビスフェノールA系ポリカーボネート樹脂(d線屈折率1.585、アッベ数28)を射出成形することにより、回折格子の根元の包絡面が非球面形状であり、深さ15μmの輪帯状を有する回折格子2が片面に設けられた基体1を作製した。レンズ部の有効半径は0.828mmであり、輪帯数は29本であり、最小輪帯ピッチは14μmであり、回折面の近軸R(曲率半径)は−1.0144mmである。ビスフェノールA系ポリカーボネート樹脂は以下の化学式(10)で示される。
次に光学調整層3の原料となる第2光学材料を次のように調製した。第2樹脂として、2官能のアクリレート樹脂B(d線屈折率1.531、アッベ数52、上記化学式(4))を用い、これに酸化ジルコニウム(一次粒径3〜10nm、光散乱法による実効粒径20nm、シラン系表面処理剤含有)のPGME(プロピレングリコールモノメチルエーテル)分散液を、分散媒であるPGMEを除いた全固形分中における酸化ジルコニウムの重量比が56重量%となるように分散し、光重合開始剤とともに混合した。なお、この第2光学材料の乾燥・硬化後の光学特性は、d線における屈折率が1.623であり、アッベ数43であり、波長400〜700nmにおける光線の透過率が90%以上(膜厚30μm)である。なお、屈折率については、平板上に光学調整層3の原料を用い、同条件で膜を形成し、プリズムカプラー(メトリコン社製、MODEL2010)を用いて測定を行った。測定は、3波長(405nm、532nm、633nm)で行い、それぞれの屈折率測定値を用いて、近似式にて他波長の屈折率およびアッベ数を算出するという方法で行った。
Next, the 2nd optical material used as the raw material of the
この第2光学材料を、基体1上にディスペンサーを用いて0.4μL滴下し、真空乾燥機にて乾燥(25℃、真空乾燥機の内圧1300Pa、3時間)させた後、金型(ステンレス系合金表面にニッケルめっき膜形成)に設置し、基体1の裏面(コンポジット材料を滴下した面と反対の面)から、紫外線(照度120mW/cm2、積算光量4000mJ/cm2)を照射することによって第2樹脂を硬化させた。その後、金型から分離し、光学調整層3として形成した。なお、光学調整層3の表面形状は、回折格子2の根元の包絡面形状に沿った非球面形状と一致するように形成した。また光学調整層3の厚さは、最も厚い部分(すなわち回折光学素子の最深部に対応する部分)において30μm、最も薄い部分(すなわち回折光学素子の先端部に対応する部分)において15μmとなるように形成した。0.4 μL of this second optical material was dropped on the
以上の工程によって作製した回折光学素子21の回折効率を測定した。白色光源からの光線を回折光学素子21に透過させ、各回折次数に対応する集光点における最大輝度を、超精密3次元測定装置(三鷹光器(株)製)を用いて測定し、以下の式(5)に示す計算によって1次回折効率を算出した。なお、以下の実施例ならびに比較例において、3次回折光以上の高次の回折光は検出されなかった。
本実施例の回折光学素子21の1次回折効率は、全波長において92%以上であった。なお、一般的な用途である場合、1次回折効率が90%以上であれば、回折光学素子は十分に実用的である。 The first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element 21 of this example was 92% or more at all wavelengths. In a general application, if the first-order diffraction efficiency is 90% or more, the diffractive optical element is sufficiently practical.
さらに、本実施例の回折光学素子に、紫外線を4000mJ/cm2を照射してから、再度回折効率を調べたところ、光学調整層の屈折率変化による回折効率の低下はなかった。Further, when the diffraction efficiency was examined again after irradiating the diffractive optical element of this example with ultraviolet rays of 4000 mJ / cm 2 , there was no decrease in diffraction efficiency due to the refractive index change of the optical adjustment layer.
また、本実施例から、光学調整層3を構成する第2樹脂に2官能のモノマーを含むことで、厚さが15μmから30μmの範囲で、屈折率が安定するという効果が得られることが分かった。
In addition, it can be seen from this example that when the second resin constituting the
(実施例2)
本発明の実施例として、実施例1と同じ構成の回折光学素子21を、実施例1と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層3を構成する第2光学材料の第2樹脂として、多官能アクリレート樹脂A(d線屈折率1.529、アッベ数50、上記化学式(6)と化学式(7)の混合物)と、2官能のエポキシアクリレート樹脂D(d線屈折率1.569、アッベ数35、上記化学式(3))とを重量比4:1の割合で混合し、溶媒として2−プロパノール(IPA)を用いた点が実施例1と異なっている。また光学調整層3の厚さは、30μmとなるように形成した。(Example 2)
As an example of the present invention, a diffractive optical element 21 having the same configuration as that of Example 1 was produced by the same method as that of Example 1. However, the polyfunctional acrylate resin A (d-line refractive index 1.529,
本実施例の回折光学素子の1次回折効率を実施例1と同様の方法で算出したところ、全波長において、91%以上であった。 When the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element of this example was calculated by the same method as in Example 1, it was 91% or more at all wavelengths.
さらに、本実施例の回折光学素子に、紫外線を4000mJ/cm2を照射してから、再度回折効率を調べたところ、光学調整層の屈折率変化による回折効率の低下はなかった。Further, when the diffraction efficiency was examined again after irradiating the diffractive optical element of this example with ultraviolet rays of 4000 mJ / cm 2 , there was no decrease in diffraction efficiency due to the refractive index change of the optical adjustment layer.
(実施例3)
本発明の実施例として、実施例2と同じ構成の回折光学素子21を、実施例2と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層3を構成する第2光学材料の第2樹脂として実施例2に使用したアクリレート樹脂Aと、エポキシアクリレート樹脂D(d線屈折率1.569、アッベ数35、上記化学式(3))とを重量比3:1の割合で混合した点が実施例2と異なっている。また光学調整層3の厚さは、40μmとなるように形成した。(Example 3)
As an example of the present invention, a diffractive optical element 21 having the same configuration as that of Example 2 was produced by the same method as that of Example 2. However, the acrylate resin A used in Example 2 as the second resin of the second optical material constituting the
本実施例の回折光学素子の1次回折効率を実施例1と同様の方法で算出したところ、全波長において、91%以上であった。さらに、本実施例の回折光学素子に、紫外線を4000mJ/cm2を照射してから、再度回折効率を調べたところ、光学調整層の屈折率変化による回折効率の低下はなかった。When the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element of this example was calculated by the same method as in Example 1, it was 91% or more at all wavelengths. Further, when the diffraction efficiency was examined again after irradiating the diffractive optical element of this example with ultraviolet rays of 4000 mJ / cm 2 , there was no decrease in diffraction efficiency due to the refractive index change of the optical adjustment layer.
(実施例4)
本発明の実施例として、実施例2と同じ構成の回折光学素子21を、実施例2と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層3を構成する第2光学材料の第2樹脂として実施例2に使用したアクリレート樹脂Aと、エポキシアクリレート樹脂D(d線屈折率1.569、アッベ数35、上記化学式(3))とを重量比9:1の割合で混合した点が実施例2と異なっている。また光学調整層3の厚さは、40μmとなるように形成した。Example 4
As an example of the present invention, a diffractive optical element 21 having the same configuration as that of Example 2 was produced by the same method as that of Example 2. However, the acrylate resin A used in Example 2 as the second resin of the second optical material constituting the
本実施例の回折光学素子の1次回折効率を実施例1と同様の方法で算出したところ、全波長において、92%以上であった。さらに、本実施例の回折光学素子に、紫外線を4000mJ/cm2を照射してから、再度回折効率を調べたところ、光学調整層の屈折率変化による回折効率の低下はなかった。When the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element of this example was calculated by the same method as that of Example 1, it was 92% or more at all wavelengths. Further, when the diffraction efficiency was examined again after irradiating the diffractive optical element of this example with ultraviolet rays of 4000 mJ / cm 2 , there was no decrease in diffraction efficiency due to the refractive index change of the optical adjustment layer.
(実施例5)
本発明の実施例として、図6に示す構造を備えた回折光学素子22を次の方法により作成した。回折光学素子22はレンズ作用を有し、1次回折光を利用するように設計されている。(Example 5)
As an example of the present invention, a diffractive
まず基体11を構成する第1光学材料の第1樹脂として、ビスフェノールA系ポリカーボネート樹脂(d線屈折率1.585、アッベ数28、上記化学式(10))を射出成形することにより、回折格子の根元の包絡面が非球面形状であり、第1の回折段差の深さが15μm、第2の回折段差の深さが1μmの輪帯状回折格子12a、12bを片面に有する基体11を作製した。レンズ部の有効半径は0.828mmであり、輪帯数は第1の回折段差が26本、第2の回折段差が3本であり、最小輪帯ピッチは14μmであり、回折面の近軸R(曲率半径)は−1.0144mmである。
First, a bisphenol A-based polycarbonate resin (d-line refractive index 1.585, Abbe number 28, the above chemical formula (10)) is injection-molded as a first resin of the first optical material constituting the
光学調整層13を構成する第2光学材料としては、実施例2と同様の材料を用い、同様の方法で光学調整層13を形成した。また光学調整層13の厚さは、最も厚い部分(すなわち回折光学素子22の最深部に対応する部分)において30μm、最も薄い部分(すなわち回折光学素子の先端部に対応する部分)において15μmとなるように形成した。
As a 2nd optical material which comprises the
本実施例の回折光学素子22の1次回折効率を実施例1と同様の方法で算出したところ、全波長において、94%以上であった。
When the first-order diffraction efficiency of the diffractive
さらに、本実施例の回折光学素子22に、紫外線を4000mJ/cm2を照射してから、再度回折効率を調べたところ、光学調整層13の屈折率変化による回折効率の低下はなかった。Further, when the diffraction efficiency was examined again after irradiating the diffractive
(比較例1)
比較例1として、実施例2と同じ構成の回折光学素子21を、実施例2と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層3を構成する第2光学材料の第2樹脂として、多官能のアクリレート樹脂Aのみを用い、実施例2の紫外線照射量(照度120mW/cm2、積算光量4000mJ/cm2)で、第2光学材料のd線に置ける屈折率が1.623、アッベ数が40となるように酸化ジルコニウムの重量比を増やして作製した点が実施例2と異なっている。また光学調整層3の厚さは、最も厚い部分(すなわち回折光学素子の最深部に対応する部分)において30μm、最も薄い部分(すなわち回折光学素子の先端部に対応する部分)において15μmとなるように形成した。(Comparative Example 1)
As Comparative Example 1, a diffractive optical element 21 having the same configuration as that of Example 2 was produced by the same method as that of Example 2. However, the as 2 resin, using only polyfunctional acrylate resin A, the amount of ultraviolet irradiation in Example 2 of the second optical material composing the optical adjustment layer 3 (illuminance 120 mW / cm 2, accumulated light quantity 4000 mJ / cm 2) Thus, the second optical material is different from the second embodiment in that the second optical material is manufactured by increasing the weight ratio of zirconium oxide so that the refractive index at the d-line is 1.623 and the Abbe number is 40. The thickness of the
本比較例の回折光学素子の1次回折効率を実施例1と同様の方法で算出したところ、全波長において、93%以上であった。 When the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element of this comparative example was calculated by the same method as in Example 1, it was 93% or more at all wavelengths.
しかしながら、本回折光学素子に紫外線を4000mJ/cm2照射してから、再度回折効率を測定したところ、86%に低下した。これは、紫外線を追加照射したことにより、光学調整層の屈折率が変化したためである。However, when the diffraction efficiency was measured again after irradiating the diffractive optical element with ultraviolet rays of 4000 mJ / cm 2 , it decreased to 86%. This is because the refractive index of the optical adjustment layer is changed by additional irradiation with ultraviolet rays.
(比較例2)
比較例2として、実施例2と同じ構成の回折光学素子21を、実施例2と同様の方法により作製した。ただし、光学調整層3を構成する第2光学材料の第2樹脂として、多官能のアクリレート樹脂Aのみを用いた点が実施例2と異なっている。また光学調整層3の厚さは、最も厚い部分(すなわち回折光学素子の最深部に対応する部分)において30μm、最も薄い部分(すなわち回折光学素子の先端部に対応する部分)において15μmとなるように形成した。(Comparative Example 2)
As Comparative Example 2, a diffractive optical element 21 having the same configuration as that of Example 2 was produced by the same method as that of Example 2. However, the second embodiment is different from the second embodiment in that only the polyfunctional acrylate resin A is used as the second resin of the second optical material constituting the
本比較例の回折光学素子の1次回折効率を実施例1と同様の方法で算出したところ、全波長において、87%であった。なお、光学調整層の屈折率は1.618であり、設計値の1.623には達していなかった。つまり、紫外線が追加照射されることにより、光学調整層の屈折率が変化するため、光学素子としては好ましくない。 When the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element of this comparative example was calculated in the same manner as in Example 1, it was 87% at all wavelengths. The refractive index of the optical adjustment layer was 1.618, which did not reach the design value of 1.623. That is, since the refractive index of the optical adjustment layer is changed by additional irradiation with ultraviolet rays, it is not preferable as an optical element.
(結果の考察)
以下の表1に、実施例1〜5および比較例1、2の光学調整層に用いたマトリクス樹脂の組成と配合の割合とを示す。また、光学調整層の最大及び最小厚さ、作製した回折光学素子における回折効率の測定結果を示す。(Consideration of results)
Table 1 below shows the composition of the matrix resin used in the optical adjustment layers of Examples 1 to 5 and Comparative Examples 1 and 2 and the ratio of the blending. Further, the measurement results of the maximum and minimum thicknesses of the optical adjustment layer and the diffraction efficiency of the produced diffractive optical element are shown.
表1の最大膜厚とは、光学調整層3、13の、回折格子の鋸刃形状の根元の位置における厚さである。また、最小膜厚とは、光学調整層3、13の、回折格子の鋸刃形状の先端の位置における厚さである。
The maximum film thickness in Table 1 is the thickness of the
表1の実施例1から5の回折光学素子では、紫外線を追加照射する前において90%以上の1次回折効率が得られている。これは、実施例1から5の回折光学素子では、ほぼ設計値に等しい屈折率を有する光学調整層3、13が形成されているためであると考えられる。また、実施例1から5の回折光学素子の1次回折効率は紫外線を追加照射しても変化しない。つまり、光学調整層3、13の屈折率が安定しており、回折光学素子の特性に変動のないことが分かる。
In the diffractive optical elements of Examples 1 to 5 in Table 1, a first-order diffraction efficiency of 90% or more is obtained before additional irradiation with ultraviolet rays. This is presumably because the
比較例2の回折光学素子の1次回折効率は90%以下であることから、第2樹脂を構成する光硬化型樹脂組成物に2官能のモノマーまたはオリゴマーが含まれることによって、光学調整層3、13の屈折率をほぼ設計値に等しい値に到達させることができると考えられる。また、紫外線を追加照射しても1次回折効率が変化しないことから、第2の樹脂において、未反応の反応性官能基はほとんど残っていないと考えられる。
Since the first-order diffraction efficiency of the diffractive optical element of Comparative Example 2 is 90% or less, the
また、実施例1から5の結果から、上述した効果は、2官能のモノマーまたはオリゴマーの含有量が、第2樹脂を構成する光硬化型樹脂組成物において10wt%以上100wt%以下であればよいことが分かる。 In addition, from the results of Examples 1 to 5, the above-described effects can be obtained when the content of the bifunctional monomer or oligomer is 10 wt% or more and 100 wt% or less in the photocurable resin composition constituting the second resin. I understand that.
一方、比較例2の結果から分かるように、第2樹脂が多官能のモノマーまたはオリゴマーのみ含む光硬化型樹脂組成物の重合体である場合、1次回折効率が設計値より10%以上も低い。これは、実施例1から5と同じ積算光量の紫外線を照射しても、第2樹脂の重合および架橋反応が不十分であるため、屈折率が設計値よりも小さいため、1次回折効率が低下していると考えられる。 On the other hand, as can be seen from the results of Comparative Example 2, when the second resin is a polymer of a photocurable resin composition containing only a polyfunctional monomer or oligomer, the first-order diffraction efficiency is 10% or more lower than the design value. . This is because the refractive index is smaller than the design value because the polymerization and crosslinking reaction of the second resin is insufficient even when irradiated with ultraviolet rays having the same integrated light amount as in Examples 1 to 5. It is thought that it has declined.
また、比較例1の結果から分かるように、第2樹脂の重合および架橋反応が不十分であっても、分散させる無機粒子を増加させると、光学調整層を構成する第2光学材料の屈折率を設計値と一致させることができるため、作製した回折光学素子は実用的な範囲にある1次回折効率を示す。しかし、紫外線を追加照射することにより、1次回折効率が低下している。これは、紫外線の照射により、未反応の反応性官能基が反応し、第2樹脂の屈折率が高くなることにより、光学調整層を構成する第2光学材料の屈折率が設計値を超えて大きくなり、1次回折効率が低下したものと考えられる。 Further, as can be seen from the results of Comparative Example 1, even if the polymerization and crosslinking reaction of the second resin are insufficient, if the inorganic particles to be dispersed are increased, the refractive index of the second optical material constituting the optical adjustment layer is increased. Therefore, the manufactured diffractive optical element exhibits a first-order diffraction efficiency in a practical range. However, the first-order diffraction efficiency is reduced by additional irradiation with ultraviolet rays. This is because an unreacted reactive functional group reacts by irradiation with ultraviolet rays, and the refractive index of the second resin increases, so that the refractive index of the second optical material constituting the optical adjustment layer exceeds the design value. It is considered that the first-order diffraction efficiency is lowered and the first-order diffraction efficiency is lowered.
以上のように本実施例による回折光学素子によれば、素子を構成する材料の屈折率変化が抑制できるため、不要回折光の発生がなく、良好な光学特性を有しかつ量産性の高い回折光学素子を得ることが可能となる。 As described above, according to the diffractive optical element according to the present embodiment, since the change in the refractive index of the material constituting the element can be suppressed, there is no generation of unnecessary diffracted light, excellent optical characteristics and high productivity An optical element can be obtained.
本発明の回折光学素子は、種々の光学系に好適に用いることが可能であり、例えばカメラのレンズ、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等として好適に用いることができる。 The diffractive optical element of the present invention can be suitably used for various optical systems, and can be suitably used as, for example, a camera lens, a spatial low-pass filter, a polarization hologram, and the like.
1,11,101 基体
2,12a,12b 回折格子
3,13,103 光学調整層
4,14 マトリクス樹脂
5,15 無機粒子
21,22 回折光学素子1,11,101
【0008】
な領域R2が曲線C1に比べて著しく広くなることが分かった。詳細な実験の結果によれば、曲線C2おいて屈折率が安定するための、紫外線の積算光量は、曲線C1の場合に比べて約10倍以上であることが分かった。
[0038]
さらに、種々の実験を行った結果、2官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合あるいは、2官能のモノマーまたはオリゴマーおよび3官能以上のモノマーまたはオリゴマーを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物を硬化させた場合には、曲線C3で示すように、屈折率が不安定な領域R3は、屈折率が一定となる積算光量が多官能のモノマーまたはオリゴマーのみを樹脂成分として含むコンポジット材料組成物に比べて少ないことが分かった。つまり、2官能のモノマーまたはオリゴマーをコンポジット材料組成物の樹脂成分に含むことにより、少ない紫外線照射量でも屈折率が安定することが分かった。
[0039]
これらの結果に基づき、コンポジット材料の樹脂成分が多官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物からなる場合、および、2官能および多官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物からなる場合の硬化反応のメカニズムを検討した。図3(a)から(c)を参照しながら具体的に説明する。
[0040]
光硬化型樹脂の本来特性を発現させるためには、硬化反応の段階において、樹脂のモノマーまたはオリゴマー(以下、「モノマー」と総称する)分子間の反応性官能基を反応可能な領域に接近させ、連鎖反応を効率的に進行させることにより、重合および架橋密度を高める必要がある。図2の曲線C1からC3に示される屈折率の変化の傾向は、重合および架橋による硬化反応の進行に伴う材料の収縮により密度が大きくなり、それに伴って屈折率が上昇することを示していると考えられる。このため、未反応の反応性官能基がなくなると材料の収縮が停止し、屈折率が一定となると考えられる。
[0041]
多官能樹脂は、モノマー分子内に反応性官能基を3以上有する樹脂であり[0008]
It has been found that the region R2 is significantly wider than the curve C1. According to the results of detailed experiments, it was found that the cumulative amount of ultraviolet light for stabilizing the refractive index in the curve C2 is about 10 times or more that in the case of the curve C1.
[0038]
Furthermore, as a result of various experiments, when a composite material composition containing only a bifunctional monomer or oligomer as a resin component is cured, or a bifunctional monomer or oligomer and a tri- or higher functional monomer or oligomer are used as a resin component. When the composite material composition is cured, as shown by the curve C3, the region R3 where the refractive index is unstable has only a polyfunctional monomer or oligomer whose refractive index is constant and whose integrated light quantity is constant. It was found to be less than the composite material composition contained as That is, it was found that the refractive index is stabilized even with a small amount of ultraviolet irradiation by including a bifunctional monomer or oligomer in the resin component of the composite material composition.
[0039]
Based on these results, when the resin component of the composite material consists of a photocurable resin composition containing a polyfunctional monomer or oligomer, and from a photocurable resin composition containing a bifunctional and polyfunctional monomer or oligomer The mechanism of the curing reaction was investigated. This will be specifically described with reference to FIGS.
[0040]
In order to express the intrinsic properties of the photo-curable resin, in the curing reaction stage, the reactive functional groups between the monomers or oligomers of the resin (hereinafter collectively referred to as “monomer”) molecules are brought close to the reactable region. It is necessary to increase the polymerization and crosslinking density by advancing the chain reaction efficiently. The tendency of the change in the refractive index indicated by the curves C1 to C3 in FIG. 2 indicates that the density increases due to the shrinkage of the material accompanying the progress of the curing reaction due to polymerization and crosslinking, and the refractive index increases accordingly. it is conceivable that. For this reason, it is considered that when there is no unreacted reactive functional group, the shrinkage of the material stops and the refractive index becomes constant.
[0041]
A polyfunctional resin is a resin having three or more reactive functional groups in the monomer molecule.
Claims (10)
第2樹脂および無機粒子を含む第2光学材料からなり、前記回折格子上に設けられた光学調整層と
を備え、
前記光学調整層の最大厚さは、15μm以上100μm以下であり、
前記第2樹脂は、2官能のモノマーまたはオリゴマーを含む光硬化型樹脂組成物の重合体である回折光学素子。A substrate made of a first optical material containing a first resin and having a diffraction grating on its surface;
An optical adjustment layer made of a second optical material containing a second resin and inorganic particles, and provided on the diffraction grating;
The maximum thickness of the optical adjustment layer is 15 μm or more and 100 μm or less,
The diffractive optical element, wherein the second resin is a polymer of a photocurable resin composition containing a bifunctional monomer or oligomer.
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