JPWO2012114408A1 - 回折光学素子およびそれを備えた撮像装置 - Google Patents

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利昭 高野
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康次 藤井
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Abstract

回折光学素子の凸部のエッジ部分に割れが生じることを抑制する。回折光学素子（１０）は、回折面（１３）を備えている。回折面（１３）は、複数の凸部（１５）を有している。凸部（１５）は、回折機能を有する第１面（１６）と、立ち上がるように延びて、第１面（１６）に連結された第２面（１７）とを有している。光軸（Ｘ）に対する第２面（１７）の傾斜角度（θ）は、回折面（１３）の領域に応じて異なっている。

Description

ここに開示された技術は、少なくとも１つの光学面に回折面が形成された回折光学素子及びそれを備えた撮像装置に関するものである。
従来より、回折面を備えた回折光学素子が知られている（特許文献１参照）。例えば、特許文献１に記載された回折光学素子は、複数の光学部材が積層され、両者の境界面に回折面が形成されている。回折面は、断面鋸歯状の回折格子で形成されている。詳しくは、一方の光学部材の回折面は、複数の山形状の凸部を有し、全体としては凸部と凹部とが交互に繰り返された形状となっている。凸部は、光軸に対して傾斜し、回折機能を有する第１壁と、光軸方向に立ち上がるように形成され、該第１壁に連結された第２壁とを有している。他方の光学部材の回折面は、上記回折面の反転形状を有している。
特開平９−１２７３２１号公報
上記のような回折面を備えた回折光学素子を形成する場合、プレス成形等の成形技術が用いられる。しかし、従来の回折光学素子では、鋸歯形状の凸部の稜部や凹部の谷底部に割れが生じる虞がある。例えば、成形時の冷却工程においては回折光学素子の中央領域よりも外側領域の方が収縮量が大きいため、外側領域では回折光学素子の凸部が金型から受ける拘束力が大きくなる。その結果、回折光学素子の外側領域において割れが生じる虞がある。それ以外の場合であっても、様々な要因により、回折面の場所に応じて回折光学素子に割れが生じる虞がある。
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回折光学素子に生じる割れを抑えることにある。
ここに開示された回折光学素子は、回折面を備えた回折光学素子であって、上記回折面は、複数の凸部を有しており、上記凸部は、回折機能を有する第１面と、立ち上がるように延びて、該第１面に連結された第２面とを有し、光軸に対する上記第２面の傾斜角度は、上記回折面の領域に応じて異なっているものとする。
上記回折光学素子によれば、凸部の第２面の傾斜角度を領域に応じて異ならせているので、回折光学素子の割れを抑えることができる。
図１は、実施形態１に係る回折光学素子の概略断面図である。 図２は、実施形態１に係る回折光学素子を製造する概略工程図であって、（Ａ）は、成形型にガラス材料をセットした状態を示し、（Ｂ）は、成形型でガラス材料を押圧した状態を示す。 図３は、実施形態２に係る回折光学素子の概略断面図である。 図４は、実施形態３に係る回折光学素子の概略断面図である。 図５は、実施形態４に係る回折光学素子の概略断面図である。 図６は、実施形態４に係る回折光学素子の製造方法を示す概略工程図であって、（Ａ）は、成形型に樹脂材料をセットした状態を示し、（Ｂ）は、第１光学部材と成形型とで樹脂材料を押圧した状態を示し、（Ｃ）は、回折光学素子を離型した状態を示す。 図７は、実施形態５に係る回折光学素子の概略断面図である。 図８は、実施形態６に係る撮像装置の概略構成図である。
以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
《実施の形態１》
図１に、本実施形態に係る回折光学素子１０の概略断面図を示す。
回折光学素子１０は、光透過性を有する光学部材で構成されている。回折光学素子１０は、互いに対向する第１光学面１１と第２光学面１２とを備えている。第２光学面１２には、回折面１３が形成されている。すなわち、回折光学素子１０の少なくとも一方の光学面（第２光学面１２）に回折面１３が形成されている。回折光学素子１０は、ガラス材料や樹脂材料などの光学材料で形成される。尚、第１光学面１１は、球面又は非球面に形成されている。
回折面１３には、回折格子１４が形成されている。回折格子１４は、複数の凸部１５，１５，…を有している。凸部１５，１５，…は、ベース面１９上に形成されている。ベース面１９は、平面で形成されている。ベース面１９は、各凸部１５の下端縁を通る面で定義される。凸部１５，１５，…は、回折光学素子１０の光軸Ｘを中心として周方向に延び且つ、光軸Ｘを中心として同心円状に規則的に配列されている。各凸部１５の横断面は、略三角形状をしている。より詳しくは、各凸部１５は、光軸Ｘに対して傾斜し、回折機能を有する第１面１６と、ベース面１９から立ち上がるように延びて、第１面１６と連結された第２面１７とを有している。各凸部１５において、第１面１６は、光軸Ｘを中心とする半径方向外側に位置し、第２面１７は、半径方向内側に位置する。第１面１６と第２面１７との連結部は、稜部を形成している。
本実施形態では、凸部１５の高さ（以下、「格子高さ」ともいう）Ｈは、回折光学素子１０の全域に亘ってほぼ同じ高さである。ここで、凸部１５の高さとは、光軸Ｘ方向におけるベース面１９から凸部１５の頂部（稜部）までの距離である。凸部１５のピッチＰは、光軸Ｘを含む中央領域（以下、単に「中央領域」という）よりも、該中央領域よりも半径方向外側の外側領域（以下、単に「外側領域」という）の方が小さい。詳しくは、ピッチＰは、光軸Ｘから半径方向外側に向かうにしたがって小さくなる。ここで、凸部１５のピッチＰとは、凸部１５，１５の頂部間の、光軸Ｘを中心とする半径方向への距離である。例えば、凸部１５の格子高さＨは、５〜２０μｍである。また、凸部１５のピッチＰは、中央領域では４００〜２０００μｍであり、外側領域では１００〜４００μｍである。これらの値は、回折光学素子に求められる光学特性に応じて適宜設定され得る。
第１面１６は、光軸Ｘに対して傾斜する傾斜面であり、回折機能を有する。各凸部１５の第１面１６の傾斜角度は、回折面１３全体として所望の回折機能を発揮するように適宜設定される。
第２面１７は、ベース面１９から立ち上がるように延びて、第１面１６の先端縁（ベース面１９から離れた側の端縁）に連結されている。第２面１７は、回折面１３の場所によっては、光軸Ｘに対して傾斜している。すなわち、第２面１７の、光軸Ｘに対する傾斜角度（以下、単に「傾斜角度」ともいう）θは、回折面１３の領域に応じて異なっている。具体的には、第２面１７の傾斜角度θは、中央領域と外側領域とで大きさが異なる。例えば、中央領域においては、第２面１７は、光軸Ｘと平行に延びており、傾斜角度θは０である。一方、外側領域では、第２面１７は、ベース面１９から離れるほど、半径方向外側に位置するように傾斜している。つまり、外側領域における第２面１７の傾斜角度θは、中央領域における第２面１７の傾斜角度θよりも大きい。
さらに詳しくは、第２面１７の傾斜角度θは、中央領域から外側領域に向かうに従って（即ち、半径方向内側から外側に向かって）しだいに大きくなっている。例えば、図１に示すように、最外周の凸部１５の第２面１７の傾斜角度をθ１とし、それよりも１つ内側の凸部１５の第２面１７の傾斜角度をθ２とし、それよりもさらに１つ内側の凸部１５の第２面１７の傾斜角度をθ３とすると、θ１＞θ２＞θ３という関係になる。中央領域における第２面１７の傾斜角度θは、０°〜１０°であることが好ましく、外側領域における第２面１７の傾斜角度θは、１０°〜３０°であることが好ましい。
［製造方法]
次に、本実施形態に係る回折光学素子１０の製造方法について説明する。
まず、図２（Ａ）に示すような成形型２０（上型２１、下型２２、胴型２３）を用意する。上型２１の成形面には、回折面１３の反転形状が形成されている。下型２２の成形面は、球面または非球面形状で形成されている。下型２２の成形面上にガラス材料３０を配置する。次に、図２（Ｂ）に示すように、上型２１を胴型２３に沿って下型２２方向に降下させることで、ガラス材料３０を押圧する。成形温度や成形時間等のプロセス条件は適宜設定される。
押圧が終了すると、上型２１を上方向に移動させることでガラス材料３０を離型させる。ガラス材料３０を所定時間冷却することで、回折光学素子１０が得られる。
［効果］
本実施形態の回折光学素子１０では、第２面１７の傾斜角度θは、回折面１３の領域に応じて異なる角度で形成されているので、割れやすい領域の傾斜角度θを相対的に大きくすることができる。詳しくは、プレス成形後の冷却工程において、回折光学素子１０は収縮する。回折光学素子１０は、光軸Ｘ方向よりも半径方向に寸法が大きい形状をしているので、各凸部１５は、収縮時に光軸Ｘ方向よりも半径方向へ大きく変位する。このとき、回折光学素子１０の凸部１５は上型２１の凸部と噛合しているため、凸部１５の半径方向への移動は該上型２１の凸部に拘束される。そのため、凸部１５には半径方向外側への力が作用する。ここで、凸部１５の稜部（即ち、先端部）は強度が弱いため、割れが生じ易い。また、隣接する凸部１５，１５で形成される凹部の谷底部には応力が集中し易いため、この部分にも割れが生じ易い。そして、上記収縮量は、回折光学素子１０の中央領域に比べて外側領域の方が大きい。そのため、回折光学素子１０の外側領域ほど、前述の部分に割れが生じ易い。それに対して、本実施形態では、第２面１７の傾斜角度θを外側領域ほど大きくしている。第２面１７を光軸Ｘに対して傾斜させることによって、上型２１の凸部からの半径方向外側への力を光軸方向へも分散させることができる。それによって、回折光学素子１０の凸部１５の割れを抑制することができる。さらに、光軸方向へ分散させた力は、回折光学素子１０と上型２１とを離型させる力として作用するため、その点においても有利である。
尚、収縮量に関しては、概して、中央領域よりも外側領域の方が大きいため、凸部１５の割れは外側領域ほど生じ易い。しかし、凸部１５の割れが生じ易い領域は外側領域だけではない。成形条件や回折光学素子１０の形状によっては、外側領域ほど割れが生じ易いという傾向が当てはまらない場合もある。その場合には、割れが生じ易い領域の凸部１５の第２面１７の傾斜角度θをそれ以外の領域よりも大きくする。その結果、割れ易い領域の凸部１５の割れを抑制することができる。
《実施形態２》
次に、実施形態２に係る回折光学素子２１０について図面を参照しながら説明する。図３は、回折光学素子２１０を示す概略断面図である。
回折光学素子２１０は、ベース面が凹面である点で実施形態１に係る回折光学素子１０と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態１と同様の機能や形状を有する構成には、同じ符号を付し、再度の説明を省略する場合がある。
回折光学素子２１０の回折面２１３は、ベース面２１９と、ベース面２１９上に形成された回折格子２１４とを有している。ベース面２１９は、凹面であって、より詳しくは、球面又は非球面であり得る。
回折格子２１４の凸部１５は、第１面１６と第２面１７とを有している。第２面１７の傾斜角度θは、実施形態１と同様に、外側領域の方が中央領域よりも大きくなっている。
回折光学素子２１０は、実施形態１と同様に成形型２０で成形される。上型２１は、回折面２１３の反転形状を有する成形面が形成されている。すなわち、上型２１の成形面は、凸状に湾曲したベース面上に複数の凸部が配列された形状をしている。
ここで、回折光学素子２１０のベース面２１９は凹状であるため、成形時には、回折面２１３が上型２１の成形面を外側から覆うような状態となる。そのため、冷却工程において回折光学素子２１０が収縮すると、回折光学素子２１０は、凸部１５と上型２１の凸部との噛合がよりきつくなるように収縮する。その結果、凸部１５にはより大きな力が作用し、割れが生じ易くなる。
それに対して、本実施形態では、実施形態１と同様に、凸部１５の第２面１７を傾斜させることによって、凸部１５の割れを抑制することができる。また、回折光学素子２１０の外周領域ほど収縮量が大きく、割れが生じ易いことは実施形態１と同様である。そのため、第２面１７の傾斜角度θを外側領域ほど大きくすることによって、実施形態１と同様に、外周領域での凸部１５の割れを抑制できると共に、容易に離型させることができる。
《実施形態３》
次に、実施形態３に係る回折光学素子３１０について図面を参照しながら説明する。図４は、回折光学素子３１０を示す概略断面図である。
回折光学素子３１０は、凸部の高さが中央領域から外側領域に向かうにつれて高くなる点で、実施形態１と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態１と同様の機能や形状を有する構成には、同じ符号を付し、再度の説明を省略する場合がある。
回折光学素子３１０の回折面３１３は、ベース面１９と、ベース面１９上に形成された回折格子３１４とを有している。回折格子３１４は、複数の凸部３１５，３１５，…を有している。凸部３１５の高さＨは、外側領域の方が中央領域よりも高くなっている。より詳しくは、凸部３１５の高さＨは、半径方向外側ほど高くなっている。そして、外側領域における凸部３１５の第２面３１７の傾斜角度θは、中央領域における凸部３１５の第２面３１７の傾斜角度θよりも大きくなっている。
凸部３１５の高さが高いほど、凸部３１５の強度が弱くなるため、プレス成形時等に凸部３１５に割れが発生しやすい。しかし、本実施形態では、高さが高い凸部３１５の第２面３１７の傾斜角度θを大きくしているため、凸部３１５の割れを抑制することができる。
《実施形態４》
次に、実施形態４に係る回折光学素子４１０について図面を参照しながら説明する。図５は、回折光学素子４１０を示す概略断面図である。
本実施形態に係る回折光学素子４１０は、複数の光学部材が積層されている点で、実施形態１と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態１と同様の機能や形状を有する構成には、同じ符号を付与し、再度の説明を省略する場合がある。
図５に示すように、回折光学素子４１０は、それぞれ光透過性を有する第１光学部材４３１及び第２光学部材４３２を積層させて構成された密着積層型回折光学素子である。
第１光学部材４３１と第２光学部材４３２とは相互に接合されている。第１光学部材４３１と第２光学部材４３２との境界面に、上記回折面１３が形成されている。回折面１３の光学的パワーは波長依存性を有するため、回折面１３は、波長の異なる光に対してほぼ同じ位相差を付与し、波長の異なる光を相互に異なる回折角で回折させる。
本実施形態では、第１光学部材４３１はガラス材料で形成され、第２光学部材４３２は樹脂材料で形成されている。樹脂材料としてはたとえば、紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂を用いることができる。
[製造方法]
以下、回折光学素子４１０の製造方法について説明する。
まず、第１光学部材４３１を用意する。第１光学部材４３１は、実施形態１と同様の製造方法により得ることができる。
続いて、図６（Ａ）に示すように、下型４２４を用意する。下型４２４は、第２光学部材４３２の、回折面１３とは反対側の面に対応する形状を有している。そして、下型４２４上に紫外線硬化型の樹脂材料４４０を配置する。その後、第１光学部材４３１を、回折面１３を下型４２４の方へ向けた状態で、下型４２４の方へ移動させる。
そして、図６（Ｂ）に示すように、第１光学部材４３１と下型４２４とで樹脂材料４４０を押圧して、樹脂材料４４０を第１光学部材４３１及び下型４２４に倣った形状に変形させる。その後、樹脂材料４４０に紫外線４５０を照射する。紫外線４５０を所定時間だけ照射すると、樹脂材料４４０が硬化して第２光学部材４３２が形成される。
その後、図６（Ｃ）に示すように、第１光学部材４３１及び第２光学部材４３２を下型４２４から離型することで、第１光学部材４３１及び第２光学部材４３２とが一体となった回折光学素子４１０を得ることができる。
《実施形態５》
次に、実施形態５に係る回折光学素子５１０について図面を参照しながら説明する。図７は、回折光学素子５１０を示す概略断面図である。
回折光学素子５１０は、実施形態４に係る回折光学素子４１０の第２光学部材４３２上に、さらに第３光学部材５３３が積層されている。第３光学部材５３３は、ガラス材料や樹脂材料で形成されている。
《実施形態６》
次に、実施形態６に係るカメラ６００について図面を参照しながら説明する。図８には、カメラ６００の概略図を示す。
カメラ６００は、カメラ本体６６０と、該カメラ本体６６０に取り付けられた交換レンズ６７０とを備えている。カメラ６００が撮像装置を構成する。
カメラ本体６６０は、撮像素子６６１を有している。
交換レンズ６７０は、カメラ本体６６０に着脱可能に構成されている。交換レンズ６７０は、例えば、望遠ズームレンズである。交換レンズ６７０は、光束をカメラ本体６６０の撮像素子６６１上に合焦させるための結像光学系６７１を有している。結像光学系６７１は、上記回折光学素子４１０と、屈折型レンズ６７２，６７３とで構成されている。回折光学素子４１０はレンズ素子として機能する。交換レンズ６７０が光学機器を構成する。
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
上記実施形態における回折格子１４，２１４，３１４の構成は一例であって、これに限られるものではない。例えば、各凸部１５において、半径方向外側の面が第１面１６となり、半径方向内側の面が第２面１７となっているが、これに限られるものではない。すなわち、各凸部１５において、半径方向外側の面が第２面１７となり、半径方向内側の面が第１面１６となっていてもよい。また、凸部１５の格子高さＨ及びピッチＰも、上記実施形態に限られるものではない。例えば、凸部１５の格子高さＨは、中央領域の方が外側領域よりも高くなっていてもよい。また、凸部１５のピッチＰは、中央領域の方が外側領域よりも狭くてもよいし、回折面の全域に亘って一定であってもよい。また、上記実施形態では、格子高さＨ及びピッチＰは、半径方向の位置に応じてしだいに変化しているが、回折面が複数の領域に分割され、各領域内では格子高さＨ又はピッチＰは一定で、領域ごとの格子高さＨ又はピッチＰは異なるように構成してもよい。
第２面１７の傾斜角度θは、回折面１３の場所に応じて異なっていれば、上記実施形態に限られるものではない。例えば、第２面１７の傾斜角度θは、中央領域の方が外側領域よりも大きくてもよい。また、第２面の１７の傾斜角度θは、半径方向に応じて、又は、凸部１５の高さに応じて徐々に変化するのではなく、半径方向の距離や凸部１５の高さに基づいて回折面１３が複数の領域に分割され、各領域内での傾斜角度θは一定で、領域ごとの傾斜角度θは異なるように構成してもよい。
ただし、凸部１５の割れが生じ易い領域ほど、第２面１７の傾斜角度θが大きくなっていることが好ましい。凸部１５の割れは、半径方向外側ほど、凸部１５の高さが高いほど、又は凸部１５のアスペクト比（幅に対する高さの比）が大きいほど生じ易い。つまり、第２面１７の傾斜角度θは、回折光学素子の中央から離れるにしたがって大きくなるように構成されていてもよい。第２面１７の傾斜角度θは、凸部１５の高さが高くなるほど大きくなるように構成されていてもよい。第２面１７の傾斜角度θは、凸部１５のアスペクト比が大きくなるほど大きくなるように構成されていてもよい。
それ以外であっても、凸部１５の割れが生じ易い要因は存在し、成形の条件によっては半径方向内側の方が凸部１５の割れが生じ易い場合もある。その場合には、半径方向内側ほど、第２面１７の傾斜角度θが大きくなっていてもよい。
上記実施形態２では、ベース面２１９が凹状に湾曲した構成について説明したが、これに限られるものではない。ベース面は、凸状に形成されていてもよい。つまり、ベース面は、平面、曲面に限らず、任意の形状とすることができる。
上記回折格子１４の凸部１５は、横断面三角形状をしているが、これに限られるものではない。第１面１６及び第２面１７は、横断面上では直線で表されているが、曲線で表されるような形状であってもよい。また、凸部１５は、矩形状又は階段状に形成されていてもよい。その場合、凸部１５は、光軸Ｘに対して略直交する面と、ベース面から概略光軸Ｘ方向へ立ち上がる面とを有する。前者が回折機能を有する第１面１６となり、後者がベース面から立ち上がっている第２面１７となる。
本発明は、上記実施形態に限定されず、その精神または主要な特徴から逸脱することなく他のいろいろな形で実施することができる。このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。
本発明は、回折面を備えた回折光学素子およびそれを備えた撮像装置に有用である。
１０ 回折光学素子
１１ 第1光学面
１２ 第２光学面
１３ 回折面
１４ 回折格子
１５ 凸部
１６ 第１面
１７ 第２面
１９ ベース面
２０ 成形型
２１ 上型
２２ 下型
２３ 胴型
３０ ガラス材料
２１０ 回折光学素子
２１３ 回折面
２１９ ベース面
３１０ 回折光学素子
３１５ 凸部
３１７ 第２面
４１０ 回折光学素子
４３１ 第１光学部材
４３２ 第２光学部材
５１０ 回折光学素子
５３３ 第３光学部材
６００ カメラ（撮像装置）
６６０ カメラ本体
６７０ 交換レンズ
６７１ 結像光学系
ここに開示された技術は、少なくとも１つの光学面に回折面が形成された回折光学素子及びそれを備えた撮像装置に関するものである。
従来より、回折面を備えた回折光学素子が知られている（特許文献１参照）。例えば、特許文献１に記載された回折光学素子は、複数の光学部材が積層され、両者の境界面に回折面が形成されている。回折面は、断面鋸歯状の回折格子で形成されている。詳しくは、一方の光学部材の回折面は、複数の山形状の凸部を有し、全体としては凸部と凹部とが交互に繰り返された形状となっている。凸部は、光軸に対して傾斜し、回折機能を有する第１壁と、光軸方向に立ち上がるように形成され、該第１壁に連結された第２壁とを有している。他方の光学部材の回折面は、上記回折面の反転形状を有している。
特開平９−１２７３２１号公報
上記のような回折面を備えた回折光学素子を形成する場合、プレス成形等の成形技術が用いられる。しかし、従来の回折光学素子では、鋸歯形状の凸部の稜部や凹部の谷底部に割れが生じる虞がある。例えば、成形時の冷却工程においては回折光学素子の中央領域よりも外側領域の方が収縮量が大きいため、外側領域では回折光学素子の凸部が金型から受ける拘束力が大きくなる。その結果、回折光学素子の外側領域において割れが生じる虞がある。それ以外の場合であっても、様々な要因により、回折面の場所に応じて回折光学素子に割れが生じる虞がある。
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、回折光学素子に生じる割れを抑えることにある。
ここに開示された回折光学素子は、回折面を備えた回折光学素子であって、上記回折面は、複数の凸部を有しており、上記凸部は、回折機能を有する第１面と、立ち上がるように延びて、該第１面に連結された第２面とを有し、光軸に対する上記第２面の傾斜角度は、上記回折面の領域に応じて異なっているものとする。
上記回折光学素子によれば、凸部の第２面の傾斜角度を領域に応じて異ならせているので、回折光学素子の割れを抑えることができる。
図１は、実施形態１に係る回折光学素子の概略断面図である。 図２は、実施形態１に係る回折光学素子を製造する概略工程図であって、（Ａ）は、成形型にガラス材料をセットした状態を示し、（Ｂ）は、成形型でガラス材料を押圧した状態を示す。 図３は、実施形態２に係る回折光学素子の概略断面図である。 図４は、実施形態３に係る回折光学素子の概略断面図である。 図５は、実施形態４に係る回折光学素子の概略断面図である。 図６は、実施形態４に係る回折光学素子の製造方法を示す概略工程図であって、（Ａ）は、成形型に樹脂材料をセットした状態を示し、（Ｂ）は、第１光学部材と成形型とで樹脂材料を押圧した状態を示し、（Ｃ）は、回折光学素子を離型した状態を示す。 図７は、実施形態５に係る回折光学素子の概略断面図である。 図８は、実施形態６に係る撮像装置の概略構成図である。
以下、実施形態について図面に基づいて詳細に説明する。
《実施の形態１》
図１に、本実施形態に係る回折光学素子１０の概略断面図を示す。
回折光学素子１０は、光透過性を有する光学部材で構成されている。回折光学素子１０は、互いに対向する第１光学面１１と第２光学面１２とを備えている。第２光学面１２には、回折面１３が形成されている。すなわち、回折光学素子１０の少なくとも一方の光学面（第２光学面１２）に回折面１３が形成されている。回折光学素子１０は、ガラス材料や樹脂材料などの光学材料で形成される。尚、第１光学面１１は、球面又は非球面に形成されている。
回折面１３には、回折格子１４が形成されている。回折格子１４は、複数の凸部１５，１５，…を有している。凸部１５，１５，…は、ベース面１９上に形成されている。ベース面１９は、平面で形成されている。ベース面１９は、各凸部１５の下端縁を通る面で定義される。凸部１５，１５，…は、回折光学素子１０の光軸Ｘを中心として周方向に延び且つ、光軸Ｘを中心として同心円状に規則的に配列されている。各凸部１５の横断面は、略三角形状をしている。より詳しくは、各凸部１５は、光軸Ｘに対して傾斜し、回折機能を有する第１面１６と、ベース面１９から立ち上がるように延びて、第１面１６と連結された第２面１７とを有している。各凸部１５において、第１面１６は、光軸Ｘを中心とする半径方向外側に位置し、第２面１７は、半径方向内側に位置する。第１面１６と第２面１７との連結部は、稜部を形成している。
本実施形態では、凸部１５の高さ（以下、「格子高さ」ともいう）Ｈは、回折光学素子１０の全域に亘ってほぼ同じ高さである。ここで、凸部１５の高さとは、光軸Ｘ方向におけるベース面１９から凸部１５の頂部（稜部）までの距離である。凸部１５のピッチＰは、光軸Ｘを含む中央領域（以下、単に「中央領域」という）よりも、該中央領域よりも半径方向外側の外側領域（以下、単に「外側領域」という）の方が小さい。詳しくは、ピッチＰは、光軸Ｘから半径方向外側に向かうにしたがって小さくなる。ここで、凸部１５のピッチＰとは、凸部１５，１５の頂部間の、光軸Ｘを中心とする半径方向への距離である。例えば、凸部１５の格子高さＨは、５〜２０μｍである。また、凸部１５のピッチＰは、中央領域では４００〜２０００μｍであり、外側領域では１００〜４００μｍである。これらの値は、回折光学素子に求められる光学特性に応じて適宜設定され得る。
第１面１６は、光軸Ｘに対して傾斜する傾斜面であり、回折機能を有する。各凸部１５の第１面１６の傾斜角度は、回折面１３全体として所望の回折機能を発揮するように適宜設定される。
第２面１７は、ベース面１９から立ち上がるように延びて、第１面１６の先端縁（ベース面１９から離れた側の端縁）に連結されている。第２面１７は、回折面１３の場所によっては、光軸Ｘに対して傾斜している。すなわち、第２面１７の、光軸Ｘに対する傾斜角度（以下、単に「傾斜角度」ともいう）θは、回折面１３の領域に応じて異なっている。具体的には、第２面１７の傾斜角度θは、中央領域と外側領域とで大きさが異なる。例えば、中央領域においては、第２面１７は、光軸Ｘと平行に延びており、傾斜角度θは０である。一方、外側領域では、第２面１７は、ベース面１９から離れるほど、半径方向外側に位置するように傾斜している。つまり、外側領域における第２面１７の傾斜角度θは、中央領域における第２面１７の傾斜角度θよりも大きい。
さらに詳しくは、第２面１７の傾斜角度θは、中央領域から外側領域に向かうに従って（即ち、半径方向内側から外側に向かって）しだいに大きくなっている。例えば、図１に示すように、最外周の凸部１５の第２面１７の傾斜角度をθ１とし、それよりも１つ内側の凸部１５の第２面１７の傾斜角度をθ２とし、それよりもさらに１つ内側の凸部１５の第２面１７の傾斜角度をθ３とすると、θ１＞θ２＞θ３という関係になる。中央領域における第２面１７の傾斜角度θは、０°〜１０°であることが好ましく、外側領域における第２面１７の傾斜角度θは、１０°〜３０°であることが好ましい。
［製造方法]
次に、本実施形態に係る回折光学素子１０の製造方法について説明する。
まず、図２（Ａ）に示すような成形型２０（上型２１、下型２２、胴型２３）を用意する。上型２１の成形面には、回折面１３の反転形状が形成されている。下型２２の成形面は、球面または非球面形状で形成されている。下型２２の成形面上にガラス材料３０を配置する。次に、図２（Ｂ）に示すように、上型２１を胴型２３に沿って下型２２方向に降下させることで、ガラス材料３０を押圧する。成形温度や成形時間等のプロセス条件は適宜設定される。
押圧が終了すると、上型２１を上方向に移動させることでガラス材料３０を離型させる。ガラス材料３０を所定時間冷却することで、回折光学素子１０が得られる。
［効果］
本実施形態の回折光学素子１０では、第２面１７の傾斜角度θは、回折面１３の領域に応じて異なる角度で形成されているので、割れやすい領域の傾斜角度θを相対的に大きくすることができる。詳しくは、プレス成形後の冷却工程において、回折光学素子１０は収縮する。回折光学素子１０は、光軸Ｘ方向よりも半径方向に寸法が大きい形状をしているので、各凸部１５は、収縮時に光軸Ｘ方向よりも半径方向へ大きく変位する。このとき、回折光学素子１０の凸部１５は上型２１の凸部と噛合しているため、凸部１５の半径方向への移動は該上型２１の凸部に拘束される。そのため、凸部１５には半径方向外側への力が作用する。ここで、凸部１５の稜部（即ち、先端部）は強度が弱いため、割れが生じ易い。また、隣接する凸部１５，１５で形成される凹部の谷底部には応力が集中し易いため、この部分にも割れが生じ易い。そして、上記収縮量は、回折光学素子１０の中央領域に比べて外側領域の方が大きい。そのため、回折光学素子１０の外側領域ほど、前述の部分に割れが生じ易い。それに対して、本実施形態では、第２面１７の傾斜角度θを外側領域ほど大きくしている。第２面１７を光軸Ｘに対して傾斜させることによって、上型２１の凸部からの半径方向外側への力を光軸方向へも分散させることができる。それによって、回折光学素子１０の凸部１５の割れを抑制することができる。さらに、光軸方向へ分散させた力は、回折光学素子１０と上型２１とを離型させる力として作用するため、その点においても有利である。
尚、収縮量に関しては、概して、中央領域よりも外側領域の方が大きいため、凸部１５の割れは外側領域ほど生じ易い。しかし、凸部１５の割れが生じ易い領域は外側領域だけではない。成形条件や回折光学素子１０の形状によっては、外側領域ほど割れが生じ易いという傾向が当てはまらない場合もある。その場合には、割れが生じ易い領域の凸部１５の第２面１７の傾斜角度θをそれ以外の領域よりも大きくする。その結果、割れ易い領域の凸部１５の割れを抑制することができる。
《実施形態２》
次に、実施形態２に係る回折光学素子２１０について図面を参照しながら説明する。図３は、回折光学素子２１０を示す概略断面図である。
回折光学素子２１０は、ベース面が凹面である点で実施形態１に係る回折光学素子１０と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態１と同様の機能や形状を有する構成には、同じ符号を付し、再度の説明を省略する場合がある。
回折光学素子２１０の回折面２１３は、ベース面２１９と、ベース面２１９上に形成された回折格子２１４とを有している。ベース面２１９は、凹面であって、より詳しくは、球面又は非球面であり得る。
回折格子２１４の凸部１５は、第１面１６と第２面１７とを有している。第２面１７の傾斜角度θは、実施形態１と同様に、外側領域の方が中央領域よりも大きくなっている。
回折光学素子２１０は、実施形態１と同様に成形型２０で成形される。上型２１は、回折面２１３の反転形状を有する成形面が形成されている。すなわち、上型２１の成形面は、凸状に湾曲したベース面上に複数の凸部が配列された形状をしている。
ここで、回折光学素子２１０のベース面２１９は凹状であるため、成形時には、回折面２１３が上型２１の成形面を外側から覆うような状態となる。そのため、冷却工程において回折光学素子２１０が収縮すると、回折光学素子２１０は、凸部１５と上型２１の凸部との噛合がよりきつくなるように収縮する。その結果、凸部１５にはより大きな力が作用し、割れが生じ易くなる。
それに対して、本実施形態では、実施形態１と同様に、凸部１５の第２面１７を傾斜させることによって、凸部１５の割れを抑制することができる。また、回折光学素子２１０の外周領域ほど収縮量が大きく、割れが生じ易いことは実施形態１と同様である。そのため、第２面１７の傾斜角度θを外側領域ほど大きくすることによって、実施形態１と同様に、外周領域での凸部１５の割れを抑制できると共に、容易に離型させることができる。
《実施形態３》
次に、実施形態３に係る回折光学素子３１０について図面を参照しながら説明する。図４は、回折光学素子３１０を示す概略断面図である。
回折光学素子３１０は、凸部の高さが中央領域から外側領域に向かうにつれて高くなる点で、実施形態１と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態１と同様の機能や形状を有する構成には、同じ符号を付し、再度の説明を省略する場合がある。
回折光学素子３１０の回折面３１３は、ベース面１９と、ベース面１９上に形成された回折格子３１４とを有している。回折格子３１４は、複数の凸部３１５，３１５，…を有している。凸部３１５の高さＨは、外側領域の方が中央領域よりも高くなっている。より詳しくは、凸部３１５の高さＨは、半径方向外側ほど高くなっている。そして、外側領域における凸部３１５の第２面３１７の傾斜角度θは、中央領域における凸部３１５の第２面３１７の傾斜角度θよりも大きくなっている。
凸部３１５の高さが高いほど、凸部３１５の強度が弱くなるため、プレス成形時等に凸部３１５に割れが発生しやすい。しかし、本実施形態では、高さが高い凸部３１５の第２面３１７の傾斜角度θを大きくしているため、凸部３１５の割れを抑制することができる。
《実施形態４》
次に、実施形態４に係る回折光学素子４１０について図面を参照しながら説明する。図５は、回折光学素子４１０を示す概略断面図である。
本実施形態に係る回折光学素子４１０は、複数の光学部材が積層されている点で、実施形態１と異なる。以下、実施形態１と異なる点を中心に説明する。実施形態１と同様の機能や形状を有する構成には、同じ符号を付与し、再度の説明を省略する場合がある。
図５に示すように、回折光学素子４１０は、それぞれ光透過性を有する第１光学部材４３１及び第２光学部材４３２を積層させて構成された密着積層型回折光学素子である。
第１光学部材４３１と第２光学部材４３２とは相互に接合されている。第１光学部材４３１と第２光学部材４３２との境界面に、上記回折面１３が形成されている。回折面１３の光学的パワーは波長依存性を有するため、回折面１３は、波長の異なる光に対してほぼ同じ位相差を付与し、波長の異なる光を相互に異なる回折角で回折させる。
本実施形態では、第１光学部材４３１はガラス材料で形成され、第２光学部材４３２は樹脂材料で形成されている。樹脂材料としてはたとえば、紫外線硬化型樹脂や熱硬化型樹脂を用いることができる。
[製造方法]
以下、回折光学素子４１０の製造方法について説明する。
まず、第１光学部材４３１を用意する。第１光学部材４３１は、実施形態１と同様の製造方法により得ることができる。
続いて、図６（Ａ）に示すように、下型４２４を用意する。下型４２４は、第２光学部材４３２の、回折面１３とは反対側の面に対応する形状を有している。そして、下型４２４上に紫外線硬化型の樹脂材料４４０を配置する。その後、第１光学部材４３１を、回折面１３を下型４２４の方へ向けた状態で、下型４２４の方へ移動させる。
そして、図６（Ｂ）に示すように、第１光学部材４３１と下型４２４とで樹脂材料４４０を押圧して、樹脂材料４４０を第１光学部材４３１及び下型４２４に倣った形状に変形させる。その後、樹脂材料４４０に紫外線４５０を照射する。紫外線４５０を所定時間だけ照射すると、樹脂材料４４０が硬化して第２光学部材４３２が形成される。
その後、図６（Ｃ）に示すように、第１光学部材４３１及び第２光学部材４３２を下型４２４から離型することで、第１光学部材４３１及び第２光学部材４３２とが一体となった回折光学素子４１０を得ることができる。
《実施形態５》
次に、実施形態５に係る回折光学素子５１０について図面を参照しながら説明する。図７は、回折光学素子５１０を示す概略断面図である。
回折光学素子５１０は、実施形態４に係る回折光学素子４１０の第２光学部材４３２上に、さらに第３光学部材５３３が積層されている。第３光学部材５３３は、ガラス材料や樹脂材料で形成されている。
《実施形態６》
次に、実施形態６に係るカメラ６００について図面を参照しながら説明する。図８には、カメラ６００の概略図を示す。
カメラ６００は、カメラ本体６６０と、該カメラ本体６６０に取り付けられた交換レンズ６７０とを備えている。カメラ６００が撮像装置を構成する。
カメラ本体６６０は、撮像素子６６１を有している。
交換レンズ６７０は、カメラ本体６６０に着脱可能に構成されている。交換レンズ６７０は、例えば、望遠ズームレンズである。交換レンズ６７０は、光束をカメラ本体６６０の撮像素子６６１上に合焦させるための結像光学系６７１を有している。結像光学系６７１は、上記回折光学素子４１０と、屈折型レンズ６７２，６７３とで構成されている。回折光学素子４１０はレンズ素子として機能する。交換レンズ６７０が光学機器を構成する。
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
上記実施形態における回折格子１４，２１４，３１４の構成は一例であって、これに限られるものではない。例えば、各凸部１５において、半径方向外側の面が第１面１６となり、半径方向内側の面が第２面１７となっているが、これに限られるものではない。すなわち、各凸部１５において、半径方向外側の面が第２面１７となり、半径方向内側の面が第１面１６となっていてもよい。また、凸部１５の格子高さＨ及びピッチＰも、上記実施形態に限られるものではない。例えば、凸部１５の格子高さＨは、中央領域の方が外側領域よりも高くなっていてもよい。また、凸部１５のピッチＰは、中央領域の方が外側領域よりも狭くてもよいし、回折面の全域に亘って一定であってもよい。また、上記実施形態では、格子高さＨ及びピッチＰは、半径方向の位置に応じてしだいに変化しているが、回折面が複数の領域に分割され、各領域内では格子高さＨ又はピッチＰは一定で、領域ごとの格子高さＨ又はピッチＰは異なるように構成してもよい。
第２面１７の傾斜角度θは、回折面１３の場所に応じて異なっていれば、上記実施形態に限られるものではない。例えば、第２面１７の傾斜角度θは、中央領域の方が外側領域よりも大きくてもよい。また、第２面の１７の傾斜角度θは、半径方向に応じて、又は、凸部１５の高さに応じて徐々に変化するのではなく、半径方向の距離や凸部１５の高さに基づいて回折面１３が複数の領域に分割され、各領域内での傾斜角度θは一定で、領域ごとの傾斜角度θは異なるように構成してもよい。
ただし、凸部１５の割れが生じ易い領域ほど、第２面１７の傾斜角度θが大きくなっていることが好ましい。凸部１５の割れは、半径方向外側ほど、凸部１５の高さが高いほど、又は凸部１５のアスペクト比（幅に対する高さの比）が大きいほど生じ易い。つまり、第２面１７の傾斜角度θは、回折光学素子の中央から離れるにしたがって大きくなるように構成されていてもよい。第２面１７の傾斜角度θは、凸部１５の高さが高くなるほど大きくなるように構成されていてもよい。第２面１７の傾斜角度θは、凸部１５のアスペクト比が大きくなるほど大きくなるように構成されていてもよい。
それ以外であっても、凸部１５の割れが生じ易い要因は存在し、成形の条件によっては半径方向内側の方が凸部１５の割れが生じ易い場合もある。その場合には、半径方向内側ほど、第２面１７の傾斜角度θが大きくなっていてもよい。
上記実施形態２では、ベース面２１９が凹状に湾曲した構成について説明したが、これに限られるものではない。ベース面は、凸状に形成されていてもよい。つまり、ベース面は、平面、曲面に限らず、任意の形状とすることができる。
上記回折格子１４の凸部１５は、横断面三角形状をしているが、これに限られるものではない。第１面１６及び第２面１７は、横断面上では直線で表されているが、曲線で表されるような形状であってもよい。また、凸部１５は、矩形状又は階段状に形成されていてもよい。その場合、凸部１５は、光軸Ｘに対して略直交する面と、ベース面から概略光軸Ｘ方向へ立ち上がる面とを有する。前者が回折機能を有する第１面１６となり、後者がベース面から立ち上がっている第２面１７となる。
本発明は、上記実施形態に限定されず、その精神または主要な特徴から逸脱することなく他のいろいろな形で実施することができる。このように、上述の実施形態はあらゆる点で単なる例示に過ぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲によって示すものであって、明細書本文には何ら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、すべて本発明の範囲内のものである。
本発明は、回折面を備えた回折光学素子およびそれを備えた撮像装置に有用である。
１０ 回折光学素子
１１ 第1光学面
１２ 第２光学面
１３ 回折面
１４ 回折格子
１５ 凸部
１６ 第１面
１７ 第２面
１９ ベース面
２０ 成形型
２１ 上型
２２ 下型
２３ 胴型
３０ ガラス材料
２１０ 回折光学素子
２１３ 回折面
２１９ ベース面
３１０ 回折光学素子
３１５ 凸部
３１７ 第２面
４１０ 回折光学素子
４３１ 第１光学部材
４３２ 第２光学部材
５１０ 回折光学素子
５３３ 第３光学部材
６００ カメラ（撮像装置）
６６０ カメラ本体
６７０ 交換レンズ
６７１ 結像光学系

Claims (5)

  1. 回折面を備えた回折光学素子であって、
    上記回折面は、複数の凸部を有しており、
    上記凸部は、回折機能を有する第１面と、立ち上がるように延びて、該第１面に連結された第２面とを有し、
    光軸に対する上記第２面の傾斜角度は、上記回折面の領域に応じて異なっている回折光学素子。
  2. 上記第２面の傾斜角度は、上記回折面における中央領域と外側領域とで異なる、請求項１に記載の回折光学素子。
  3. 上記第２面の傾斜角度は、上記回折面における、中央領域よりも外側領域の方が大きい、請求項２に記載の回折光学素子。
  4. 上記第２面の傾斜角度は、上記凸部の高さが高い領域の方が上記凸部の高さが低い領域よりも大きい、請求項１に記載の回折光学素子。
  5. 請求項１〜４に記載の回折光学素子を備える撮像装置。
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