WO2003079061A1 - Diffraction optical element and method for manufacturing the same, and optical device - Google Patents

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WO2003079061A1
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optical element
layer
diffractive optical
optical
pattern
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PCT/JP2003/003241
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Toru Nakamura
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Nikon Corporation
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
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    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings

Definitions

  • the present invention relates to a phase-type diffractive optical element that exhibits various optical functions by utilizing the diffraction phenomenon of light, a method of manufacturing the same, and an optical device.
  • Diffractive optical elements use the diffraction phenomenon of light to perform various optical functions, such as lens functions (focusing and diverging), branching / multiplexing functions, light intensity distribution conversion functions, wavelength filter functions, and spectral functions. It is known as an optical element that performs the operation.
  • a diffractive optical element having a spectral function is called a grating
  • a diffractive optical element having a lens function is called a zone plate.
  • a phase-type diffractive optical element has a diffraction grating pattern formed on the surface of an optical material (eg, optical glass).
  • the optical function is determined by the shape of the pattern.
  • a grating such as a blazed grating (FIG. 9)
  • the uneven pattern is a straight line at equal intervals.
  • a zone plate FIG. 10
  • the concavo-convex pattern is concentric.
  • a method of preparing a plurality of diffractive optical elements having a single function different from each other and arranging the plurality of diffractive optical elements in series is usually used. Is adopted. According to this method, a plurality of optical functions by the diffractive optical element can be realized relatively easily at the same time.
  • the concavo-convex pattern that must be formed on one surface combines the linear pattern at equal intervals shown in Fig. 9 with the concentric pattern shown in Fig. 10.
  • Shape. The combination is performed by taking the sum of the phase modulation by each pattern, and the shape of the concavo-convex pattern after the combination is very complicated and low in symmetry as shown in Fig. 11. Disclosure of the invention
  • An object of the present invention is to provide a small-sized diffractive optical element excellent in productivity, a method of manufacturing the same, and an optical device, which can simultaneously realize a plurality of optical functions.
  • the diffractive optical element according to the present invention includes a multilayer member including a plurality of layers, each layer including an optical material. Adjacent layers of the multilayer member are in close contact with each other, and The refractive indices of the materials are different from each other, and the inside of the multilayer member includes one or more intimate boundary surfaces of the adjacent layers, and the one or more boundary surfaces and the surface of the multilayer member Of the three or more surfaces including at least two surfaces, at least two surfaces are each formed with a concavo-convex pattern that causes a desired diffraction effect on transmitted light, and the concavo-convex patterns formed on different surfaces are The shapes or dimensions of the multilayer members in the layer direction are different from each other.
  • this diffractive optical element the incident light is transmitted through the surface (at least two) on which the concavo-convex pattern is formed and is subjected to multiple diffraction actions, so that one element can simultaneously realize multiple optical functions. . Also, this diffractive optical element is compact and has excellent productivity.
  • Another diffractive optical element includes a multilayer member including three or more layers, each layer including an optical material, and adjacent layers of the multilayer member are adhered to each other. And the refractive indexes of the optical materials are different from each other; At least two of the two or more boundary surfaces are in contact with each other, and at least two of the two or more boundary surfaces each have an uneven pattern that causes a desired diffraction effect on transmitted light.
  • the concavo-convex patterns formed on different surfaces have different shapes or dimensions in the layer direction of the multilayer member.
  • the incident light undergoes multiple diffraction actions while sequentially transmitting through the surface (at least two) on which the concavo-convex pattern is formed, so that one element can simultaneously realize multiple optical functions. . Further, since the uneven pattern is formed inside the multilayer member, the uneven pattern can be surely protected. Furthermore, this diffractive optical element is small and has excellent productivity.
  • the multilayer member includes two or more resin layers formed of a resin optical material, and at least two of the two or more resin layers are adjacent to each other. At least one of the concavo-convex patterns is formed at a boundary surface between the resin layers closely adhered at the adjacent positions.
  • a concavo-convex pattern that causes a desired diffractive action on transmitted light is formed in each of two adjacent layers, and the shape or dimension of the concavo-convex pattern is in the layer direction.
  • a method of manufacturing a diffractive optical element wherein a first step of forming a first concavo-convex pattern on a surface of a layer composed of a predetermined optical material; and Forming a resin layer made of a resin optical material having a different refractive index from the optical material, and forming a second uneven pattern on the surface of the resin layer.
  • the second step includes a first auxiliary step of applying an uncured material of the resin optical material on the first uneven pattern, and an inverted shape of the second uneven pattern with respect to the uncured material.
  • the uncured material is cured by light irradiation.
  • An optical device of the present invention includes the above-described diffractive optical element, wherein the diffractive optical element is installed in a predetermined optical path of the optical device, and It is installed in the direction where the formation surfaces of the fins intersect.
  • the optical device of the present invention is a device that uses a laser beam, wherein the diffractive optical element is configured such that each layer is made of an optical material that is transparent in a wavelength range of the laser beam, and It is installed in such a direction that the forming surface intersects the optical path.
  • the wavelength range of the laser light used in the optical device is an infrared wavelength range of 1.4 ⁇ to 1.7 / m.
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing the entire configuration of the diffractive optical element 10 of the first embodiment.
  • FIG. 2 is an optical path diagram illustrating the optical function of the diffractive optical element 10.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the formation of the layer 12 of the diffractive optical element 10 and the uneven pattern 15.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing the entire configuration of the diffractive optical element 20 of the second embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic view of a diffractive optical element having an (11 + 1) layer structure.
  • FIG. 6 is a schematic view of a diffractive optical element having an (n-1) layer structure.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a procedure for manufacturing the diffractive optical element 10 according to the third embodiment.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a diffractive optical element 40 according to a modification.
  • Figure 9 is a diagram showing the continuous changes in the grating height for each of the grating patterns that exhibit the spectral function.
  • FIG. 10 is a diagram showing the continuous change of the grating height for each of the uneven patterns of the zone plate exhibiting the lens function.
  • FIG. 11 is a diagram showing a continuous change in the grating height of the concavo-convex pattern of the conventional multifunctional diffractive optical element after the composition, by classifying the change.
  • the diffractive optical element 10 of the first embodiment has a single multilayer member 10. It is composed of a.
  • the multilayer member 10a is composed of three layers 11, 12, 13 and 13.
  • the layer 11 is a low refractive index optical material
  • the layer 12 is a high refractive index optical material
  • the layer 13 Is made of an optical material having a low refractive index. That is, the adjacent layers 11 and 12 of the multilayer member 10a have different refractive indexes from each other, and the adjacent layers 12 and 13 also have different refractive indexes from each other. .
  • all of the optical materials constituting the three layers 11 to 13 are transparent in the wavelength range used by the diffractive optical element 10 (for example, in the infrared wavelength range from 1.4 / im to 1.7 ⁇ m).
  • Optical material Specifically, of the three layers 11 to 13, the material of the layer 11 is optical glass, and the material of the layers 12 and 13 is an optical resin. That is, the layer 11 is a glass layer, and the layers 12 and 13 are resin layers.
  • the optical glass which is the material of layer 1 1, the main component is S i O2-P b O- R2 0, S i O2-P b OB a 0-R 2 0 N S i 0 2 - B 2 ⁇ 3 - P b O one B a 0, (S i O2 ) -B2O3-L a zOs-P b O- A 1 2 0 3, (S i 0 2) -B 2 O 3-L a 2 O 3 -P b O—RO, (S i 0 2 ) -B 2 03-L a 2 O 3-Z n O—T i ⁇ 2 — Z r ⁇ 2 , B2O3-L a 2 O 3-G d 2O 3 -Y2O3-T a 2 Os, S i 0 2 — T i 0 2 — KF, S i O 2 — B 2 O 3 _R 2 O-S b 2 O 3 ⁇
  • So-called flint glass such as B 2 ⁇ 3- (Al 2 ⁇ 3 ) -PbO-R ⁇ , or the main component is S i O 2 ”RO—R z O, S i 0 2 ⁇ 1 B a O—R 2 ⁇ , S i O 2 _B 2 O 3 — B a 0, (S i 0 2 ) _B 2 ⁇ 3 — L a 2 0 3 RO 1 Z r ⁇ 2 , (S i ⁇ 2 ) — B 2 O 3 — L a 2 O 3 _Z n ⁇ — N b 2 ⁇ 5 , B 2 ⁇ 3 — L a 2 0 3 — G d 2 ⁇ Y 2 0 3 , S i O 2 -BO 3 -R OB a O, P 2 ⁇ 5- (A l 2 0 3 — B 2 ⁇ 3 ) — R 2 0_B a 0, S i 0 2 — B 2 ⁇
  • the optical resin which is the material of the layers 12 and 13 includes polycarbonate, polystyrene, polymethyl methacrylate, polytrifluoroethyl methacrylate, polyisobutyl methacrylate, polymethyl acrylate, methylethylene glycol bisarylcaponate, and polymethacryl.
  • various resin materials classified as acrylic resins, urethane resins, epoxy resins, phenolic resins, thiourethane resins, and photopolymers can be used.
  • the adjacent layers 11 and 12 of the multilayer member 1Oa are in close contact with each other, and the adjacent layers 12 and 13 are also in close contact with each other. Therefore, the inside of the multilayer member 10a includes two boundary surfaces, that is, a boundary surface 1Ob and a boundary surface 10c.
  • the two boundary surfaces 10b and 10c in the multilayer member 10a are provided with diffraction grating-like concave and convex patterns 14 and 15, respectively. These concavo-convex patterns 14 and 15 have different shapes and dimensions in the layer direction of the multilayer member 10a.
  • the layer directions are two directions perpendicular to the laminating direction.
  • the diffraction grating-shaped uneven pattern is an uneven pattern that causes a desired diffraction effect on transmitted light.
  • the concave-convex patterns 14 and 15 will be specifically described.
  • the concave-convex pattern 14 of the boundary surface 1Ob is a linear pattern at equal intervals in FIG. 9 and realizes a spectral function.
  • the concavo-convex pattern 15 of the boundary surface 10c is the concentric pattern of FIG. 10 and realizes the lens function.
  • the lens function and the spectral function can be simultaneously realized by one element. Therefore, the light transmitted through the diffractive optical element 10 is condensed by the lens function of the concavo-convex pattern 15 as shown in FIG. 2, and the zero-order diffracted light, the first-order diffracted light, It is divided into second-order diffracted light.
  • Zero-order light is light that travels straight along the optical axis.
  • the primary light, secondary light, etc. are lights that travel in the direction of 0, ⁇ 2 ... with respect to the optical axis.
  • FIG. 2 only the 0th-order diffracted light, the 1st-order diffracted light, and the 2nd-order diffracted light are shown.
  • the shorter the spacing between the lattice planes the better, and preferably 1 mm or less, and more preferably 500 / zm or less. If the lattice spacing D is larger than this, light will bend in unintended directions, and flare will increase. From the standpoint of optical performance, the shorter the lattice spacing, the better. However, considering ease of manufacture, it is desirable that the distance be at least 5 ⁇ , and more preferably about 10 ⁇ .
  • the lattice spacing is defined as the top of a certain grid (concavo-convex pattern 14) and the lattice laminated on top (concavo-convex pattern 15). Of the valley.
  • the lattice height of the concavo-convex pattern 14 is determined according to the refractive index difference between the adjacent layers 11 and 12, and the lattice height H 2 of the concavo-convex pattern 15 is the refractive index difference between the adjacent layers 12 and 13. Is determined according to.
  • Grating height Eta the Eta 2 corresponds to the height difference between the concave and convex portions of the concavo-convex pattern 14, 1 5.
  • the refractive index difference between adjacent layers is inversely proportional to the grating height of the pattern.
  • the grating height can be reduced by increasing the refractive index difference, and the grating height must be increased by decreasing the refractive index difference.
  • a lower grid height H Hz of 15 is preferred.
  • the refractive index difference between adjacent layers (11, 12) (12, 13) must be Desirably it is 0.01 or more.
  • the procedure for manufacturing the diffractive optical element 10 of the first embodiment is roughly as follows.
  • ⁇ 12 >> The layer 12 is formed on the concave-convex pattern 14, and the concave-convex pattern 15 is formed on the surface of the layer 12.
  • ⁇ 13 >> A layer 13 is formed on the uneven pattern 15.
  • the formation of the concavo-convex pattern 14 in the above procedure ⁇ 11 >> is a process for the glass layer (layer 11).
  • any of the following three methods (A) to (C) can be used as the processing method.
  • the glass layer is directly processed by mechanical force such as cutting or grinding, or plasma CVD (Chemical Vaporization Machining) to form an uneven pattern 14 on the surface.
  • a resist layer that has been finely processed by photolithography is formed on the glass layer, and then the pattern shape of the resist layer is transferred to the glass layer by ion etching, and an uneven pattern is formed on the surface.
  • the pattern shape is transferred to the glass layer using a mold such as a mold to form a concave-convex pattern 14 on the surface (glass molding method).
  • a mold such as a mold to form a concave-convex pattern 14 on the surface (glass molding method).
  • the optical properties of the glass layer If a low-melting glass having a yield point of 500 ° C or less is used as the material, the temperature during molding can be lowered, and the restriction on the heat resistance of the mold can be relaxed. Therefore, a metal material that can be easily processed by cutting or grinding can be used as a material for the mold.
  • the concavo-convex pattern 14 is a simple evenly-spaced linear pattern as shown in FIG. Surface can be easily and accurately processed.
  • the formation of the concavo-convex pattern 15 in the above procedure ⁇ 12 >> is processing for the resin layer (layer 12).
  • the processing method for example, any of the following three methods (D) to (F) can be used.
  • an uncured resin material 12a is applied on the concave / convex pattern 14 of the glass layer (layer 11) (a).
  • a mold 16 of an inverted shape (hereinafter, referred to as “inverted pattern 15a”) of the concavo-convex pattern 15 to be formed is brought into close contact with the uncured material 12a (b), and the mold 16 and the layer 11 During this time, the uncured material 12a is filled.
  • the uncured material 12a is spread so as to enter along the fine concave portions of the uneven pattern 14 of the layer 11 and the inverted pattern 15a of the mold 16.
  • the uncured material 12a is cured by irradiating light (for example, ultraviolet rays) from the side of the layer 11 or heating.
  • release (c) As a result, a resin layer (layer 12) is formed on the uneven pattern 14, and an uneven pattern 15 is formed on the surface of the layer 12.
  • the concavo-convex pattern 15 is a simple concentric pattern as shown in FIG. Therefore, it can be processed easily and with high precision.
  • the diffractive optical element 10 in which the two simple concavo-convex patterns 14, 15 are sequentially formed inside the multilayer member 10a.
  • the diffractive optical element 10 can simultaneously realize the lens function and the spectral function with one element, and is extremely small. That is, according to the first embodiment, the lens function and the spectral function can be simultaneously realized, and the small-sized diffractive optical element 10 excellent in productivity can be easily obtained.
  • the diffractive optical element 20 of the second embodiment is constituted by one multilayer member 20a.
  • the multilayer member 20a is composed of four layers 21, 22, 23, and 24, and the adjacent composite layers (21, 22) (22, 23) (23, 24)
  • the optical materials of the layers 21 to 24 are determined such that the refractive indices are different from each other.
  • Each of the optical materials of the layers 21 to 24 is an optical resin that is transparent in the wavelength range used by the diffractive optical element 20.
  • the specific examples of the optical resin are the same as those of the layers 12 and 13 described above.
  • the adjacent layers (21, 22), (22, 23) and (23, 24) of the multilayer member 20a are in close contact with each other. Therefore, the boundary surfaces 20b, 20C, and 20d are included in the interior of the multilayer member 20a.
  • the three boundary surfaces 20 b and 20 c 20 d in the multilayer member 20 a are respectively formed with diffraction grating-like concave and convex patterns 25, 26 and 27. These concavo-convex patterns 25, 26, and 27 have different shapes and dimensions in the layer direction of the multilayer member 20a.
  • the four convex patterns 25 and 27 of the boundary surfaces 20b and 20d are both linear patterns at equal intervals in Fig. 9 and realize the spectral function. I do. However, the orientation of M convex pattern 2 5, 27 are rotated 90 ° centered on the stacking direction. Further, the concavo-convex pattern 26 of the boundary surface 20c is the concentric pattern of FIG. 10 and realizes a lens function.
  • the diffractive optical element 20 of the second embodiment a lens function and two kinds of spectral functions can be simultaneously realized by one element. Therefore, the light passes through the diffractive optical element 20.
  • the converging pattern 26 is condensed by the lens function of the concavo-convex pattern 26, and is divided into two types of 0-order diffracted light, first-order diffracted light, and second-order diffracted light by the spectroscopic functions of the concavo-convex patterns 25 and 27.
  • the procedure for manufacturing the diffractive optical element 20 is roughly as follows.
  • "2 3" uneven pattern 2 6 forms a layer 2 3 on, to form an uneven pattern 2 7 to the surface of the layer 2 3.
  • each of the procedures ⁇ 21> to ⁇ 23> is performed in accordance with the above-described diffractive optical element 10. This is a repetition of the procedure ⁇ 12 >> for manufacturing the same, and the procedure ⁇ 24 >> is the same as the above procedure ⁇ 13 >>.
  • the diffractive optical element 20 in which three simple concavo-convex patterns 25 to 27 are sequentially formed inside the multilayer member 20a can be easily obtained.
  • the diffractive optical element 20 can simultaneously realize a lens function and two kinds of spectral functions with one element, and is extremely small. That is, according to the second embodiment, a lens function and two types of spectral functions can be simultaneously realized, and a small-sized diffractive optical element 20 excellent in production life can be easily obtained.
  • the diffractive optical elements 10 and 20 having a three-layer structure and a four-layer structure have been described as examples.
  • a diffractive optical element having a multi-layer structure of five or more layers has been described.
  • the present invention can be applied to any of them.
  • the optical material of each layer must be determined so that adjacent layers have different refractive indexes. It is also necessary to make the adjacent layers adhere to each other.
  • the multilayer member contains n closely-bounded interfaces between adjacent layers. A pattern can be formed. In other words, one diffractive optical element can simultaneously realize n kinds of optical functions.
  • the optical function that can be realized by the diffractive optical element is not limited to the combination of the lens function and the spectral function.
  • Concavo-convex pattern formed on the interface between adjacent layers By changing the shape or dimensions of the layer in the layer direction, it is possible to realize various optical functions such as a branching Z multiplexing function, a light intensity distribution converting function, a wavelength filter function, and a spectral function.
  • the desired function can be obtained by forming a simple and uneven pattern that is formed at the time of manufacture on any surface without forming a complicated pattern of unevenness to realize the desired function. .
  • the shapes of the n uneven patterns to be formed inside the multilayer member are all simple and symmetric.
  • the concavo-convex pattern sequentially by any of the above-mentioned methods (A) to (F)
  • a multifunctional and small-sized diffractive optical element can be easily obtained.
  • at least two types of optical materials having different refractive indices are required regardless of the number of layers in the multilayer structure of the diffractive optical element (that is, the number of uneven patterns). Becomes When two types of optical materials are used, the refractive index of adjacent layers can be made different from each other by alternately closely contacting and laminating one optical material and the other optical material.
  • the diffraction grating-like uneven pattern is formed on the boundary surface between adjacent layers inside the diffractive optical element.
  • a similar uneven pattern can be formed on the surface of the diffractive optical element.
  • the surface of the diffractive optical element is the interface between the layers at both ends and the surrounding atmosphere (for example, air), and usually has a different refractive index.
  • the diffractive optical element has a (n-1) layer structure, there are (n-2) interfaces between adjacent layers inside, and there are two surfaces.
  • NN different types of uneven patterns can be formed on the surface. That is, a single diffractive optical element can simultaneously realize n kinds of optical functions.
  • the uneven pattern is formed on the boundary surface inside the diffractive optical element.
  • each of the diffractive optical elements of the present invention is multifunctional and small, so that it can be easily mounted on various optical devices.
  • the diffractive optical element When mounted on an optical device, the diffractive optical element is installed in a predetermined optical path of the optical device, and is installed in such a direction that the surface on which the concavo-convex pattern is formed intersects this optical path.
  • each layer of the diffractive optical element is preferably made of an optical material that is transparent in the wavelength region of laser light.
  • optical devices in the field of optical communication such as repeaters and duplexers
  • a laser beam in an infrared wavelength range (1.4 / ⁇ to 1.7 ⁇ ) is used.
  • the diffractive optical element 10 shown in FIGS. 1 and 2 when the diffractive optical element 10 shown in FIGS. 1 and 2 is incorporated in an optical device used for optical communication, of the light transmitted through the diffractive optical element 10, the 0th-order light is spotted on a subsequent optical system. At the same time, it is possible to take out, for example, light in the primary light direction) as monitor light. This is because the primary light forms a different spot for each wavelength due to the spectral function of the diffractive optical element 10.
  • the third embodiment of the present invention more specifically shows the diffractive optical element 10 (FIG. 1) of the first embodiment described above.
  • one specific composition of the multilayer member 10a of the diffractive optical element 10 will be described, and its configuration and manufacturing procedure will be described.
  • the uneven pattern 14 formed on the boundary surface 10 b between the adjacent layers 11 and 12 of the multilayer member 1 O a has a lattice height of 15.88 ⁇ and a pitch of 17 // m (equal intervals) It is.
  • the uneven pattern 15 formed on the boundary surface 10 c between the adjacent layers 1 2 and 13 has a lattice height H 2 of 1.199 111 and a pitch of 187.8 ⁇ (center) to 5.0 ⁇ m (Outermost part).
  • the surface spacing D of the uneven patterns 14, 15 is 30 zm.
  • the procedure for manufacturing the diffractive optical element 10 of the third embodiment is roughly the same as the procedures ⁇ 11 >> to ⁇ 13 >> described in the above-described first embodiment.
  • the glass molding method of the above method (C) was used (Fig. 7 (a)).
  • method (E) is also used in procedure ⁇ 13 >> (Fig. 7 (c)). Details of the method (E) are as shown in FIGS. 3 (a) to 3 (c).
  • the procedure ⁇ 11 >> for manufacturing the diffractive optical element 10 of the third embodiment will be described.
  • two dies 31, 32 are used as shown in Fig. 7 (a).
  • one mold 31 has an inverted shape of the concavo-convex pattern 14 (hereinafter referred to as “inverted pattern 14 a”), and the other mold 32 is a flat plate having no concavo-convex pattern.
  • the production of the mold 31 is performed as follows. First, a Ni-P plating layer 31b having a thickness of about 150 is formed on the Starbucks material 31a as a mold material by an electroless plating method. Next, the Ni-P plating layer 31b is machined by cutting to form an inversion pattern 14a.
  • the mold 33 is manufactured in the same manner as the mold 31 described above. First, a Ni-P plating layer 33b (having a thickness of about 150 / zm) is formed on the mold material, Starbucks 33a, and then the NiP plating layer 33b is machined by cutting. To form an inverted pattern 15a.
  • a Ni-P plating layer 33b (having a thickness of about 150 / zm) is formed on the mold material, Starbucks 33a, and then the NiP plating layer 33b is machined by cutting. To form an inverted pattern 15a.
  • the optical material of the layer 12 (urethane acrylate ultraviolet curing resin) is placed on the concave / convex pattern 14 formed in the above procedure ⁇ 11 >>.
  • the uncured material is dropped, the mold 33 is brought close to the uncured material, and the uncured resin is filled between the mold 33 and the layer 11.
  • ultraviolet light was irradiated from the back side of layer 11.
  • the concavo-convex shape of the inverted pattern 15 a of the mold 33 is transferred to the surface of the layer 12.
  • an uneven pattern 15 is formed on the surface of the layer 12 (the state shown in FIG. 7B).
  • the optical material of the layer 13 fluorine-containing UV-curable resin such as a metal-containing resin
  • the mold 34 is brought close to the uncured material, and the uncured resin is filled between the mold 34 and the layer 12.
  • ultraviolet light is irradiated from the back side of the layer 11 to cure the optical material of the layer 13.
  • the planar shape of the mold 34 is transferred to the surface of the layer 13.
  • the surface of the layer 13 becomes a planar shape by releasing the mold (the state of FIG. 7 (c)).
  • the diffractive optical element 10 of the third embodiment in which the two concavo-convex patterns 14 and 15 are formed in the inside of the multilayer member 10a can be obtained.
  • the diffractive optical element 10 can simultaneously realize the lens function and the spectral function with one element.
  • the formation of the concave / convex patterns 14 and 15 of the diffractive optical element 10 is performed by using the molds 31 and By using 33, the inverted patterns 14a and 15a can be easily transferred.
  • the dies 31 and 33 can be easily manufactured. This is because the inverted pattern 14 a of the mold 3 1 is a simple linear pattern at regular intervals, the inverted pattern 15 a of the mold 3 3 is also a simple concentric pattern, and the Ni-P plating layer This is because cutting can be easily and accurately performed on 31b and 33b.
  • the lens function and the spectral function can be simultaneously realized (multi-function), and the small-sized diffractive optical element 10 excellent in productivity can be easily manufactured.
  • the fourth embodiment of the present invention shows the diffractive optical element 20 (FIG. 4) of the above-described second embodiment more specifically.
  • the diffractive optical element 20 FIG. 4
  • one specific composition of the multilayer member 20a of the diffractive optical element 20 will be given, and its configuration and manufacturing procedure will be briefly described.
  • the uneven pattern 25 formed on the boundary surface 20 b between the adjacent layers 21 and 22 of the multilayer member 20 a and the boundary surface 20 d between the adjacent layers 23 and 24 are formed.
  • the formed concavo-convex pattern 27 has the same shape as the concavo-convex pattern 14 of the third embodiment described above, and its orientation is rotated by 90 °.
  • the concavo-convex pattern 26 formed on the boundary surface 20c between the adjacent layers 22 and 23 has the same shape as the concavo-convex pattern 15 of the third embodiment described above.
  • the procedure for manufacturing the diffractive optical element 20 of the fourth embodiment is roughly the same as the procedures ⁇ 21 >> to ⁇ 24 >> described in the above-described second embodiment.
  • steps ⁇ 21 >> to ⁇ 23 >> the same steps as in step ⁇ 12 >> of the third embodiment described above are performed by respectively inverting molds of the concavo-convex patterns 25 to 27 to be formed. Use and repeat three times, changing the order.
  • the final procedure ⁇ 24 >> is performed using a flat mold similar to the procedure ⁇ 13 >> of the third embodiment described above.
  • the diffractive optical element 20 according to the fourth embodiment in which the three concavo-convex patterns 25 to 27 are sequentially formed inside the multilayer member 20a can be obtained.
  • this diffractive optical element 20 can simultaneously realize a lens function and two kinds of spectral functions with one element.
  • the formation of the concave / convex patterns 25 to 27 of the diffractive optical element 20 is performed using a mold that has been manufactured in advance. It can be easily done by transferring the reverse pattern. Further, the mold reversal pattern is a simple linear pattern or a concentric pattern at equal intervals, so that the mold can be easily and accurately formed.
  • the lens function and the two types of spectral functions are simultaneously performed.
  • the diffractive optical element 20 which can be realized (multifunctional) and which is small and excellent in productivity can be easily manufactured.
  • the diffractive optical elements 10 and 20 constituted by one multilayer member (10 a or 20 a) have been described as examples, but the present invention is not limited to this. .
  • two multilayer members 40a and 40b can be provided.
  • the multilayer member 40a of the diffractive optical element 40 has a two-layer structure, and has a diffraction grating-like concave and convex pattern (patterns 1 and 2) on the boundary surface between the adjacent layers 41 and 42 and on the surface of the layer 42, respectively. Are formed.
  • the multilayer member 4 Ob also has a two-layer structure, and has a diffraction grating-like uneven pattern (patterns 3 and 4) on the boundary surface between adjacent layers 43 and 44 and on the surface of layer 43, respectively. Are formed.
  • the sealing member is provided between the two multilayer members 40a and 40b, that is, between the surface of the layer 42 (pattern 2) and the surface of the layer 43 (pattern 3).
  • the optical material 46 is filled with 4 5.
  • the sealing member 45 is an adhesive rubber or the like, and also has a role of integrating the two multilayer members 40a and 40b.
  • the optical material 46 is a gas or liquid having a different refractive index from that of the adjacent layers 42 and 43, and is sealed by the sealing member 45. Therefore, it is considered that there is almost no internal refractive index unevenness.
  • the liquid as the optical material 46 includes, for example, a common solvent classified into pure water, alcohols, ethers, esters, and the like, as well as a refraction liquid (the refractive index used in immersion observation with a microscope is known. Liquid) can be used.
  • the refraction liquid is, for example, promonaphthalene-di-n-butyl sebacate.
  • an inert gas such as nitrogen or argon can be used in addition to air.
  • a single small-sized diffractive optical element can simultaneously realize a plurality of optical functions and can be easily produced.

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Description

回折光学素子およびその製造方法、 並びに光学装置 技術分野
本努明は、 光の回折現象を利用して様々な光学的機能を発揮する位相型の回折 光学素子およびその製造方法、 並びに光学装置に関する。
背景技術
回折光学素子は、 光の回折現象を利用して、 レンズ機能 (集光や発散)、 分岐/ 合波機能、 光強度分布変換機能、 波長フィルタ機能、 分光機能など、 様々な光学 的機能を発揮する光学素子として知られている。 ちなみに、 分光機能を持つ回折 光学素子はグレーティング、 レンズ機能を持つ回折光学素子はゾーンプレートと も呼ばれている。
また、 位相型の回折光学素子は、 光学材料 （例えば光学硝子） の表面に回折格 子状の凹凸パターンを形成したものであり、 凹凸パターンの形状によって、 その 光学的機能が決まっている。 例えば、 ブレーズ格子などのグレーティングの場合 (図 9 ) 、 '凹凸パターンは、 等間隔の直線状である。 ゾーンプレートの場合 （図 1 0 ) 、 凹凸パターンは、 同心円状である。
回折光学素子を用いて複数の光学的機能を同時に実現するためには、 通常、 互 いに異なる単一の機能の回折光学素子を複数用意し、 これら複数の回折光学素子 を直列に配置する方法が採用される。 この方法によれば、 比較的容易に、 回折光 学素子による複数の光学的機能を同時に実現させることができる。
しかしながら、 単一の機能を持つ回折光学素子を直列に複数配置する方法では、 これら複数の回折光学素子からなる光学系の組み立て時に、 各々の回折光学素子 の位置合わせを正確に行わなければならず、 生産性が高いとは言えない。 さらに、 実現したい機能の数が増加すると、 必要な回折光学素子の数も増加するため、 そ の分だけ高精度に製造することが困難になり、 光学系を小さくすることも難しく なる。
そこで、 同時に実現したい複数の光学的機能の各々に対応する凹凸パターンを 合成し、 光学材料の 1つの表面に形成する方法が提案された。 この方法は、 小型 で多機能な回折光学素子を実現しょうとするものであるが、 合成した後の ω凸パ ターンは非常に複雑な形状となるため、 1つの表面に精度よく加工することは難 しい。
例えば、 レンズ機能と分光機能を同時に実現しようとした場合、 1つの表面に 形成しなければならない凹凸パターンは、 図 9に示す等間隔の線状パターンと図 1 0に示す同心円状パターンとを合成した形状となる。 合成は各々のパターンに よる位相変調の和をとることにより行われ、 合成した後の凹凸パターンの形状は、 図 1 1に示すように、 非常に複雑で対称性も低い。 発明の開示
本発明の目的は、 複数の光学的機能を同時に実現できると共に、 小型で生産性 にも優れた回折光学素子およびその製造方法、 並びに光学装置を提供することに める。
本発明の回折光学素子は、 複数の層からなり、 各々の層が光学材料にて構成さ れた複層部材を備え、 前記複層部材の隣り合う層同士は、 互いに密着され、 つ、 光学材料の屈折率が互いに異なり、 前記複層部材の内部には、 前記隣り合う層同 士の密着した境界面が 1つ以上含まれ、 前記 1つ以上の境界面と前記複層部材の 表面とを含めた 3つ以上の面のうち、 少なくとも 2つの面には、 各々、 透過光に 対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、 異なる面に形成さ れた前記凹凸パターン同士は、 前記複層部材の層方向に関する形状または寸法が 互いに異なるものである。
この回折光学素子では、 入射した光が凹凸パターンの形成面 (少なくとも 2つ） を順に透過しながら複数回の回折作用を受けるため、 1つの素子で複数の光学的 機能を同時に実現することができる。 また、 この回折光学素子は、 小型で生産性 にも優れている。
本発明の他の回折光学素子は、 3つ以上の層からなり、 各々の層が光学材料に て構成された複層部材を備え、 前記複層部材の隣り合う層同士は、 互いに密着さ れ、 かつ、 光学材料の屈折率が互いに異なり、 前記複層部材の内部には、 前記隣 り合う層同士の密着した境界面が 2つ以上含まれ、 前記 2つ以上の境界面のうち 少なくとも 2つには、 各々、 透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パ ターンが形成され、 異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、 前記複層部 材の層方向に関する形状または寸法が互いに異なるものである。
この回折光学素子では、 入射した光が凹凸パターンの形成面（少なくとも 2つ） を順に透過しながら複数回の回折作用を受けるため、 1つの素子で複数の光学的 機能を同時に実現することができる。 また、 凹凸パターンが複層部材の内部に形 成されるため、 確実に凹凸パターンを保護することができる。 さらに、 この回折 光学素子は、 小型で生産性にも優れている。
好ましくは、 本発明の回折光学素子は、 前記複層部材が、 樹脂製の光学材料に て構成された樹脂層を 2つ以上を含み、 前記 2つ以上の樹脂層のうち少なくとも 2つが、 隣り合う位置で互いに密着され、 前記凹凸パターンのうち少なくとも 1 つが、 前記隣り合う位置で密着された樹脂層同士の境界面に形成されたものであ る。
本発明の回折光学素子の製造方法は、 隣り合う 2つの層の各々に、 透過光に対 して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、 前記凹凸パターン同 士の形状または寸法が層方向に関して互いに異なる回折光学素子の製造方法であ つて、 所定の光学材料にて構成された層の表面に、 第 1の凹凸パターンを形成す る第 1工程と、 前記第 1の凹凸パターンの上に、 前記光学材料とは屈折率の異な る樹脂製の光学材料にて構成された樹脂層を形成し、 該樹脂層の表面に、 第 2の 凹凸パターンを形成する第 2工程とを備え、 前記第 2工程は、 前記第 1の凹凸パ ターンの上に前記樹脂製の光学材料の未硬化物を塗布する第 1補助工程と、 前記 未硬化物に対して前記第 2の凹凸パターンの反転形状の型を密着させる第 2補助 工程と、 前記型を密着させた状態で前記未硬化物を硬化させる第 3補助工程とを 含むものである。
好ましくは、 本発明の回折光学素子の製造方法は、 前記第 3補助工程で、 光照 射によつて前記未硬化物を硬化させるものである。
本発明の光学装置は、 上記の回折光学素子を備え、 前記回折光学素子が、 当該 光学装置の予め定めた光路中に設置され、 かつ、 該光路に対して前記凹凸パター ンの形成面が交差する向きで設置されるものである。
好ましくは、 本発明の光学装置は、 レーザ光を使用する装置であり、 前記回折 光学素子が、 各々の層が前記レーザ光の波長域で透明な光学材料にて構成され、 かつ、 前記レーザ光の光路に対して前記形成面が交差する向きで設置されるもの である。
また好ましくは、 本発明の光学装置は、 当該光学装置で使用される前記レーザ 光の波長域を、 1 . 4 μ ιη~ 1 . 7 / mの赤外波長域としたものである。 図面の簡単な説明
図 1は、 第 1実施形態の回折光学素子 1 0の全体構成を示す概略図である。 図 2は、 回折光学素子 1 0の光学的機能を説明する光路図である。
図 3は、 回折光学素子 1 0の層 1 2と凹凸パターン 1 5の形成を説明する図で める。
図 4は、 第 2実施形態の回折光学素子 2 0の全体構成を示す概略図である。 図 5は、 （11 + 1 )層構造の回折光学素子の概略図である。
図 6は、 （n— 1 )層構造の回折光学素子の概略図である。
図 7は、 第 3実施形態の回折光学素子 1 0を製造する手順を説明する図である。 図 8は、 変形例の回折光学素子 4 0の概略図である。
図 9は、 分光機能を発揮するグレーティングの凹凸パターンについて、 連続し た格子高の変化を階級分けして示した図である。
図 1 0は、 レンズ機能を発揮するゾーンプレートの凹凸パターンについて、 連 続した格子高の変化を階級分けして示した図である。
図 1 1は、 従来の多機能な回折光学素子における合成後の凹凸パターンについ て、 連続した格子高の変化を階級分けして示した図である。 発明を実施するための最良の形餱
以下、 図面を用いて本発明の実施形態を詳細に説明する。
(第 ]_実施形態）
第 1実施形態の回折光学素子 1 0は、 図 1に示すように、 1つの複層部材 1 0 aによって構成されている。 また、 この複層部材 1 0 aは、 3つの層 1 1， 1 2, 1 3からなり、 層 1 1は低屈折率の光学材料、 層 1 2は高屈折率の光学材料、 層 1 3は低屈折率の光学材料にて構成されている。 つまり、 複層部材 1 0 aの隣り 合う層 1 1, 1 2同士は互いに屈折率が異なり、 隣り合う層 1 2, 1 3同士も互い に屈折率が異なっている。 .
さらに、 3つの層 1 1~1 3を構成する光学材料は、 何れも、 回折光学素子 1 0の使用波長域 （例えば 1. 4 /i m〜 1， 7 μ mの赤外波長域） で透明な光学材料 である。 具体的には、 3つの層 1 1〜1 3のうち、 層 1 1の材料は光学硝子、 層 1 2, 1 3の材料は光学樹脂である。 つまり、 層 1 1は硝子層であり、 層 1 2， 1 3は樹脂層である。
ここで、 層 1 1の材料である光学硝子としては、 主成分が S i O2-P b O-R2 0、 S i O2-P b O-B a 0-R20N S i 02— B2〇3— P b O一 B a 0、 (S i O2) -B2O3-L a zOs-P b O— A 1203、 (S i 02)-B 2 O 3-L a 2 O 3-P b O— RO、 (S i 02)-B203-L a 2 O 3-Z n O— T i〇2— Z r〇2、 B2O3-L a 2 O 3-G d 2O 3-Y2O3-T a 2Os, S i 02— T i 02— KF、 S i O 2— B 2 O 3_R 2 O- S b 2 O 3ヽ
B2〇3- (Al 2〇3)- P bO- R〇などである所謂フリント硝子や、 主成分が S i O 2」RO— RzO、 S i 02一 B a O— R2〇、 S i O 2_B 2 O 3— B a 0、 （S i 02)_B2 〇3— L a 203一 RO一 Z r〇2、 （ S i〇2)— B 2 O 3— L a 2 O 3_Z n〇— N b 2〇5、 B 2〇3— L a 203— G d 2〇 一 Y203、 S i O 2-B O 3-R O-B a O, P2〇5-(A l 203— B2〇3)— R20_B a 0、 S i 02— B 2〇3— K2 O— K F、 S i O2-R2O-Z 11 〇などである'クラウン硝子、 石英硝子、 蛍石など、 様々な硝子材料を用いること ができる。
層 1 2, 1 3の材料である光学樹脂としては、 ポリカーボネート、 ポリスチレン、 ポリメタタリル酸メチル、 ポリメタタリル酸トリフルォロェチル、 ポリメタクリ ル酸ィソブチル、 ポリアタリル酸メチル、 ジェチレングリコールビスァリルカー ポネート、 ポリメタクリル酸メチル、 ポリ Q;—ブロムアクリル酸メチル、 ポリメ タクリル酸一 2, 3—ジブロムプロピル、 フタル酸ジァリル、 ポリメタクリル酸 フエ-ル、 ポリ安息香酸ビニル、 ポリメタクリル酸ペンタクロルフエニル、 ポリ クロノレスチレン、 ポリビニノレナフタレン、 ポリビニノレ力ノレパゾーノレ、 シリコーン ポリマーの他に、 アクリル系樹脂、 ウレタン系樹脂、 エポキシ系樹脂、 ェンーチ オール系樹脂、 チォウレタン系樹脂などに分類される様々な樹脂材料や、 フォト ポリマーを用いることができる。
また、 回折光学素子 1 0において、 複層部材 1 O aの隣り合う層 1 1， 1 2同士 は互いに密着され、 隣り合う層 1 2 , 1 3同士も互いに密着されている。 このため、 複層部材 1 0 aの内部には、 2つの境界面である境界面 1 O bと境界面 1 0 cと が含まれることになる。
そして、 複層部材 1 0 a内の 2つの境界面 1 0 b， 1 0 cには、 各々、 回折格子 状の凹凸パターン 1 4 , 1 5が形成されている。 これらの凹凸パターン 1 4 , 1 5 同士は、 複層部材 1 0 aの層方向に関する形状おょぴ寸法が互いに異なる。 なお、 層方向とは、 積層方向に垂直な 2方向である。 回折格子状の凹凸パターンとは、 透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹凸パターンのことである。
凹凸パターン 1 4 , 1 5について具体的に説明すると、 境界面 1 O bの凹凸パタ ーン 1 4は、 図 9の等間隔の線状パターンであり、 分光機能を実現する。 また、 境界面 1 0 cの凹凸パターン 1 5は、 図 1 0の同心円状パターンであり、 レンズ 機能を実現する。
つまり、 第 1実施形態の回折光学素子 1 0では、 1つの素子で、 レンズ機能と 分光機能を同時に実現することができる。 このため、 回折光学素子 1 0を透過す る光は、 図 2に示すように、 凹凸パターン 1 5のレンズ機能によって集光され、 凹凸パターン 1 4の分光機能によって 0次回折光， 1次回折光， 2次回折光…に分 けられる。 0次光は光軸に沿って直進する光である。 1次光， 2次光…は光軸に対 して 0 ， Θ 2…の方向に進む光である。 なお、 図 2では、 0次回折光， 1次回折光， 2次回折光のみを示している。
良好な光学性能を実現するために、 各々の格子面間隔 は、 短いほど良く、 1 mm以下、 さらには 5 0 0 /z m以下であることが望ましい。 格子面間隔 D がこれ より大きいと、 意図しない方向に光が曲げられるため、 フレアが増大する。 光学 性能上、 格子面間隔 は、 短いほど良いが、 製造の容易さを考慮すると、 5 μ πι 以上、 さらには 1 0 μ πι程度離れている方が望ましい。 なお、 格子面間隔 は、 ある格子（凹凸パターン 1 4 )の頂上とその上に積層した格子（凹凸パターン 1 5 ) の谷部との間隔に相当する。
また、 凹凸パターン 14の格子高 は、 隣り合う層 1 1, 12同士の屈折率差 に応じて決定され、 凹凸パターン 1 5の格子高 H2は、 隣り合う層 12， 13同士 の屈折率差に応じて決定される。 格子高 Η ，Η2とは、 凹凸パターン 14, 1 5の 凹部と凸部との高低差に相当する。
一般的に、 同じ光学的機能を持つ回折格子状の凹凸パターンを考える場合、 隣 り合う層同士の屈折率差と凹凸パターンの格子高とは反比例の関係にある。 つま り、 屈折率差を大きくすると格子高を低くすることができ、 屈折率差が小さくな ると格子高を高くする必要がある。
そして、 凹凸パターン 14， 15の加工精度を考慮すると、 凹凸パターン 14,
15の格子高 H Hzは、 低い方が好ましい。 また、 光軸に対して傾いて入射する 光線による像への悪影響を低減する点でも、 低くすることが好ましい。 格子高 H ^HUを実用的な範囲とする （凹凸パターン 14, 15を精度良く加工する） ため には、 隣り合う層（1 1, 12)(12， 1 3)同士の屈折率差が、 0.01以上あるこ とが望ましい。
また、 第 1実施形態の回折光学素子 10を製造する手順は、 概略、 次のように なっている。 《1 1》層 1 1の表面に凹凸パターン 14を形成する。 《12》 凹 凸パターン 14上に層 12を形成し、 層 1 2の表面に凹凸パターン 1 5を形成す る。 《1 3》 凹凸パターン 1 5上に層 1 3を形成する。
上記の手順《1 1》 における凹凸パターン 14の形成は、 硝子層 （層 1 1) に 対する加工である。 その加工方法としては、 例えば、 次の 3つの方法（A)〜（C) の何れかを使用することができる。
(A) 切削加工や研削加工などの機械力卩ェ、 あるいはプラズマ CVD (Chemic al Vaporization Machining) により硝子層を直接加工し、 表面に凹凸パターン 1 4を形成する。 （B) フォトリソグラフィ一により微細加工したレジス ト層を硝 子層の上に形成し、 その後、 イオンエッチングすることによりレジス ト層のパタ ーン形状を硝子層に転写して、 表面に凹凸パターン 14を形成する。
(C) 金型などのモールドを用いて硝子層にパターン形状を転写し、 表面に凹 凸パターン 14を形成する （ガラスモールド法） 。 この方法では、 硝子層の光学 材料として、 屈伏点が 500°C以下の低融点硝子を用いると、 成形時の温度を下 げることができ、 金型の耐熱性に関する制限を緩和できる。 このため、 金型の材 料として、 切削や研削で容易に加工できる金属材料を用いることができる。
これら 3つの方法（A)〜（C)の何れを用いるにしても、 凹凸パターン 14は、 図 9に示すように、 単純な等間隔の線状パターンであるため、 硝子層 （層 1 1) の表面に対し、 容易かつ高精度に加工することができる。
上記の手順《1 2》 における凹凸パターン 15の形成は、 樹脂層 （層 12) に 対する加工である。 その加工方法としては、 例えば、 次の 3つの方法（D)〜（F) の何れかを使用することができる。
(D) 射出成形法により、 表面に凹凸パターン 15を転写する。 （E) 熱硬化 性あるいは光硬化性樹脂と金型などのモールドを用いて樹脂層にパターン形状を 転写し、 表面に回凸パターン 15を形成する。 （F) 樹脂層がフォトポリマーで ある場合には、 干渉光を照射してホログラムを作製することにより、 表面に凹凸 パターン 15を形成する。
ここで、 方法 （E) について、 図 3 (a)〜(； c)を用いて詳しく説明する。 まず、 硝子層 （層 1 1) の凹凸パターン 14の上に樹脂材料の未硬化物 12 aを塗布す る（a)。 次に、 これから形成する凹凸パターン 15の反転形状 （以下 「反転パタ ーン 1 5 a」 という） の型 1 6を未硬化物 12 aに対して密着させ（b)、 型 16 と層 1 1の間に未硬化物 12 aを充填させる。
このとき、 層 1 1の凹凸パターン 14と型 16の反転パターン 15 aの微細な 凹部に沿って未硬化物 12 aが入り込むように、 押し広げることが好ましい。 そ して、 押し広げた後の状態で、 層 1 1の側から光 （例えば紫外線） を照射するか、 あるいは加熱することにより、 未硬化物 12 aを硬化させる。 最後に、 離型する (c)。 その結果、 凹凸パターン 14上に樹脂層 （層 1 2) が形成され、 この層 1 2の表面に凹凸パターン 1 5が形成される。
これら 3つの方法（D)〜（F)の何れを用いるにしても、 凹凸パターン 15は、 図 10に示すように単純な同心円状パターンであるため、 樹脂層 （層 12) の表 面に対して、 容易かつ高精度に加工することができる。
なお、 上記の手順《13》 における層 13の形成は、 図 3に示す方法 （E) に おいて、 反転パターン 1 5 aを持つ型 1 6の代わりに、 凹凸パターンを持たない 平板状の型を用いることで、 同様に行うことができる。
その結果、 複層部材 1 0 aの内部に 2つの単純な凹凸パターン 14, 1 5が順に 形成された回折光学素子 1 0を容易に得ることができる。 この回折光学素子 1 0 は、 上述したように、 1つの素子でレンズ機能と分光機能を同時に実現できるも のであり、 かつ、 非常に小型である。 すなわち、 第 1実施形態によれば、 レンズ 機能と分光機能を同時に実現できると共に、 小型で生産性にも優れた回折光学素 子 10を容易に得ることができる。
(第 2実施形態）
第 2実施形態の回折光学素子 20は、 図 4 (a), (b)に示すように、 1つの複層 部材 20 aによって構成されている。 また、 この複層部材 20 aは、 4つの層 2 1， 22, 2 3, 24カ らなり、 隣り合ぅ層（2 1, 22) (22, 23) (2 3， 24)同 士の屈折率が互いに異なるように、 層 2 1〜24の光学材料が決定されている。 層 21〜 24の光学材料は、 何れも、 回折光学素子 20の使用波長域で透明な光 学樹脂である。 なお、 光学樹脂の具体例は、 前述した層 12， 1 3と同様である。 また、 回折光学素子 20において、 複層部材 20 aの隣り合う層（2 1， 2 2) (22， 2 3) (23, 24)同士は、 互いに密着されている。 このため、 複層部材 2 0 aの内部には、 境界面 20 b, 20 C, 20 dが含まれることになる。
そして、 複層部材 20 a内の 3つの境界面 20 b, 20 c 20 dには、 各々、 回折格子状の凹凸パターン 2 5, 26, 27が形成されている。 これらの凹凸パタ ーン 2 5， 26， 2 7同士は、 複層部材 20 aの層方向に関する形状おょぴ寸法が 互いに異なる。
凹凸パターン 2 5, 26, 2 7について具体的に説明すると、 境界面 20 b, 20 dの四凸パターン 25， 27は、 共に、 図 9の等間隔の線状パターンであり、 分光 機能を実現する。 ただし、 M凸パターン2 5， 27の方位は、 積層方向を中心とし て 90° 回転している。 また、 境界面 20 cの凹凸パターン 26は、 図 1 0の同 心円状パターンであり、 レンズ機能を実現する。
つまり、 第 2実施形態の回折光学素子 20では、 1つの素子で、 レンズ機能と 2種類の分光機能を同時に実現可能である。 このため、 回折光学素子 20を透過 する光は、 凹凸パターン 2 6のレンズ機能によって集光され、 凹凸パターン 2 5 , 2 7の分光機能によって 2種類の 0次回折光， 1次回折光， 2次回折光…に分けら れる。
また、 この回折光学素子 2 0を製造する手順は、 概略、 次のようになっている。 《2 1》層 2 1の表面に凹凸パターン 2 5を形成する。 《2 2》 凹凸パターン 2 5上に層 2 2を形成し、 層 2 2の表面に凹凸パターン 2 6を形成する。 《2 3》 凹凸パターン 2 6上に層 2 3を形成し、 層 2 3の表面に凹凸パターン 2 7を形成 する。 《2 4》 凹凸パターン 2 7上に層 2 4を形成する。
上記したように、 回折光学素子 2 0の層 2 1〜2 4は何れも光学樹脂にて構成 されるため、 手順《2 1》 〜《2 3》 の各々は、 前述した回折光学素子 1 0を製 造する手順《1 2》 の繰り返しであり、 手順《2 4》 は前述の手順《1 3》 と同 じである。
その結果、 複層部材 2 0 aの内部に 3つの単純な凹凸パターン 2 5〜2 7が順 に形成された回折光学素子 2 0を容易に得ることができる。 この回折光学素子 2 0は、 上述したように、 1つの素子でレンズ機能と 2種類の分光機能を同時に実 現できるものであり、 かつ、 非常に小型である。 すなわち、 第 2実施形態によれ ば、 レンズ機能と 2種類の分光機能を同時に実現できると共に、 小型で生産十生に も優れた回折光学素子 2 0を容易に得ることができる。
なお、 上記した第 1実施形態と第 2実施形態では、 3層構造と 4層構造の回折 光学素子 1 0， 2 0を例に説明したが、 5層以上の複層構造を持つ回折光学素子に も本発明を適用できる。 ただし、 複層構造の層数に関わらず、 各層の光学材料は、 隣り合う層同士の屈折率が互いに異なるように決定しなければならない。 隣り合 う層同士を互いに密着させることも必要である。
図 5に示すように、 回折光学素子が（11 + 1 )層構造の場合、 複層部材の内部に は、 隣り合う層同士の密着した境界面が n個含まれるため、 n種類の異なる凹凸 パターンを形成することができる。 すなわち、 1つの回折光学素子で、 n種類の 光学的機能を同時に実現可能である。
また、 回折光学素子によって実現可能な光学的機能は、 レンズ機能と分光機能 との組み合わせに限らない。 隣り合う層同士の境界面に形成される凹凸パターン の層方向の形状または寸法を変えることにより、 分岐 Z合波機能、 光強度分布変 換機能、 波長フィルタ機能、 分光機能など、 様々な光学的機能を実現させること が可能である。 ちなみに、 目的の機能を実現するために複雑な形状の凹凸パター ンを形状せずに、 何れの面でも単純で製造時に形成しゃすい凹凸パターンを形成 することで、 目的の機能を得ることができる。
さらに、 回折光学素子の複層構造の層数 （つまり凹凸パターンの数） に拘わら ず、 複層部材の内部に形成すべき n個の凹凸パターンの形状は何れも単純で対称 なため、 これらの凹凸パターンを前述した方法（ A)〜（ F )の何れかによつて順に 形成することにより、 多機能で小型な回折光学素子を容易に得ることができる。 また、 上記のような回折光学素子を構成するためには、 回折光学素子の複層構 造の層数 （つまり凹凸パターンの数） に拘わらず、 屈折率の異なる少なくとも 2 種類の光学材料が必要となる。 2種類の光学材料を用いる場合、 一方の光学材料 と他方の光学材料を交互に密着積層させることで、 隣り合う層同士の屈折率を互 いに異ならせることができる。
さらに、 上記した実施形態では、 回折光学素子の内部の隣り合う層同士の境界 面に回折格子状の凹凸パターンを形成したが、 同様の凹凸パターンを回折光学素 子の表面に形成することもできる。 回折光学素子の表面とは、 両端の層と周囲の 雰囲気 （例えば空気） との境界面であり、 通常、 屈折率が互いに異なっている。 図 6に示すように、 回折光学素子が（n— 1 )層構造の場合、 内部の隣り合う層 同士の境界面は（n— 2 )個あり、 表面は 2つあるため、 境界面おょぴ表面に n種 類の異なる凹凸パターンを形成できる。 すなわち、 1つの回折光学素子で、 n種 類の光学的機能を同時に実現することができる。 ただし、 凹凸パターンの保護を 考えれば、 凹凸パターンは、 回折光学素子の内部の境界面に形成することが好ま しい。
また、 本発明の回折光学素子は、 上述したように、 各々が多機能で小型なため、 様々な光学装置に対して容易に実装することができる。 光学装置に実装する際、 回折光学素子は、 光学装置の予め定めた光路中に設置され、 かつ、 この光路に対 して凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置される。
特にレーザ光を使用する光学装置に組み込む場合、 回折光学素子は、 レーザ光 の光路に対して凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置される。 また、 回折 光学素子の各々の層は、 レーザ光の波長域で透明な光学材料にて構成することが 好ましい。
さらに、 光通信分野の光学装置 （中継器や分波器など） では、 光学素子の多機 能化や小型化や薄型化が強く要求されているため、 このような光学装置に対して 本発明の回折光学素子を組み込むことは特に有用である。 この光通信分野の光学 装置では、 赤外波長域 （1.4 /ιη~1. 7 μπι) のレーザ光が使用される。
例えば、 図 1，図 2に示す回折光学素子 10を光通信に用いられる光学装置に組 み込んだ場合、 回折光学素子 10を透過した光のうち、 0次光を後段の光学系に スポットとして入射させることができると同時に、 例えば 1次光 方向の光） をモニター用の光として取り出すことができる。 1次光は、 回折光学素子 10の 分光機能によって、 波長ごとに異なるスポットを形成するからである。
(第 3実施形態）
本発明の第 3実施形態は、 上述した第 1実施形態の回折光学素子 10 (図 1) をより具体的に示すものである。 ここでは、 回折光学素子 10の複層部材 10 a の具体的な組成を 1つ挙げて、 その構成および製造手順を説明する。
第 3実施形態では、 層 11の光学材料として、 住田光学ガラス製の低融点硝子 P-SK60 (n d= 1. 59 1、 At (屈伏点） =404°C) を用い、 層 12の光 学材料として、 ウレタンアタリレート系の紫外線硬化樹脂 （n d = 1. 554) を 用レ、、 層 13の光学材料として、 フッ素含有メタクリレート系の紫外線硬化樹月旨 (n d = l.505) を用い、 これらを順に積層する。
また、 複層部材 1 O aの隣り合う層 1 1, 12同士の境界面 10 bに形成された 凹凸パターン 14は、 格子高 が 1 5. 88 μιη、 ピッチが 17 //m (等間隔） である。 隣り合う層 1 2, 13同士の境界面 10 cに形成された凹凸パターン 1 5 は、 格子高 H2が 1 1. 99 111、 ピッチが 187. 8 μιη (中心部）〜 5. 0 μ m (最 外周部）である。 凹凸パターン 14， 1 5の面間隔 D は 30 zmである。
この第 3実施形態の回折光学素子 10を製造する手順は、 概略、 上述の第 1実 施形態で説明した手順《1 1》〜《1 3》 と同じである。 また、 手順《1 1》 で は上記方法（C)のガラスモールド法を用い （図 7 (a)) 、 手順《1 2》 では上記 方法（E)を用い （図 7 (b)) 、 手順《1 3》 でも方法（E)を用いる （図 7 (c)) 。 方法（E)の詳細は図 3 (a)〜（c)の通りである。
まず、 第 3実施形態の回折光学素子 10を製造する手順《1 1》 について説明 する。 この手順《1 1》 では、 図 7 (a)に示すように、 2つの金型 31, 32を使 用する。 ここで、 一方の金型 31には、 凹凸パターン 14の反転形状 （以下 「反 転パターン 14 a」 という） が形成され、 他方の金型 32は、 凹凸パターンを持 たない平板状である。
金型 3 1の製作は、 次のように行われる。 金型材料としてスタバックス材 31 aを用い、 まず、 その上に無電解めつき法で約 1 50 の厚さの N i -Pめっき 層 31 bを形成する。 次に、 この N i- Pめっき層 31 bを切削により加工し、 反 転パターン 14 aを形成する。
そして、 2つの金型 31, 32を用いた手順《1 1》 では、 層 1 1の光学材料 (低融点硝子 P-SK60) を、 窒素雰囲気中で加熱しながら （最高 420°C) 、 2つの金型 31， 32により挟んで加圧する。 これにより、 金型 3 1の反転パター ン 14 aの凹凸形状が、 層 1 1の光学材料の表面に転写される （ガラスモールド 法） 。 その後、 離型することにより、 層 1 1の表面には、 凹凸パターン 14が形 成される （図 7 (a)の状態） 。
次に、 第 3実施形態の回折光学素子 10を製造する手順《12》 について説明 する。 この手順《12》では、'図 7(b)に示すように、 1つの金型 33を使用す る。 この金型 33には、 凹凸パターン 1 5の反転形状に相当する反転パターン 1 5 aが形成されている。
金型 33の製作は、 上記した金型 31の作製と同様に行われる。 まず、 金型材 料であるスタバックス材 33 aの上に N i -Pめっき層 33 b (厚さは約 150 /z m) を形成し、 次に、 N i-Pめっき層 33 bを切削により加工して、 反転パター ン 1 5 aを形成する。
そして、 金型 33を用いた手順《12》 では、 上記の手順《1 1》 で形成され た凹凸パターン 14の上に、 層 1 2の光学材料 (ウレタンァクリレート系の紫外 線硬化樹脂） の未硬化物を滴下し、 これに対して金型 33を近接させ、 金型 33 と層 1 1の間に未硬化樹脂を充填させる。 次に、 層 1 1の裏面側から紫外線を照 射し、 層 1 2の光学材料を硬化させる。 これにより、 金型 3 3の反転パターン 1 5 aの凹凸形状が、 層 1 2の表面に転写される。 その後、 離型することにより、 層 1 2の表面には、 凹凸パターン 1 5が形成される （図 7 ( b )の状態） 。
最後に、 第 3実施形態の回折光学素子 1 0を製造する手順《1 3》 について説 明する。 この手順《1 3》 では、 図 7 ( c )に示すように、 1つの金型 3 4を使用 する。 この金型 3 4は、 凹凸パターンを持たない平板状である。
そして、 金型 3 4を用いた手順《1 3》 では、 上記の手順《1 2》で形成され た凹凸パターン 1 5の上に、 層 1 3の光学材料 （フッ素含有メタタリレート系の 紫外線硬化樹脂） の未硬化物を滴下し、 これに対して金型 3 4を近接させ、 金型 3 4と層 1 2の間に未硬化樹脂を充填させる。 次に、 層 1 1の裏面側から紫外線 を照射し、 層 1 3の光学材料を硬化させる。 これにより、 金型 3 4の平面形状が 層 1 3の表面に転写される。 その後、 離型することにより、 層 1 3の表面は平面 形状となる （図 7 ( c )の状態） 。
このようにして、 複層部材 1 0 aの内部に 2つの凹凸パターン 1 4， 1 5が 1 に 形成された第 3実施形態の回折光学素子 1 0を得ることができる。 この回折光学 素子 1 0は、 上述したように、 1つの素子でレンズ機能と分光機能を同時に実現 できるものである。
また、 上記した第 3実施形態の手順《1 1》〜《1 3》 において、 回折光学秦 子 1 0の凹凸パターン 1 4， 1 5の形成は、 各々、 予め作製された金型 3 1 , 3 3 を用い、 その反転パターン 1 4 a， 1 5 aを転写することにより、 容易に行うこと ができる。
さらに、 金型 3 1 , 3 3の作製も容易である。 これは、 金型 3 1の反転パターン 1 4 aが単純な等間隔の線状パターンであり、 金型 3 3の反転パターン 1 5 aも 単純な同心円状パターンであり、 N i - Pめっき層 3 1 b， 3 3 bに対する切削加 ェを容易かつ高精度に行えるからである。
したがって、 第 3実施形態によれば、 レンズ機能と分光機能を同時に実現でき る （多機能） と共に、 小型で生産性にも優れた回折光学素子 1 0を容易に製造す ることができる。
(第 4実施形態） 本発明の第 4実施形態は、 上述した第 2実施形態の回折光学素子 2 0 (図 4 ) をより具体的に示すものである。 ここでは、 回折光学素子 2 0の複層部材 2 0 a の具体的な組成を 1つ挙げて、 その構成おょぴ製造手順を簡単に説明する。
第 4実施形態では、 層 2 1，層 2 3の光学材料として、 6官能環状ウレタンァク リレートとイソポルニルメタタリレートの混合物 （n d = l . 4 9 0 ) を用い、 層 2 2，層 2 4の光学材料として、 ェトキシ化ビスフエノール Aジメタクリレート ( n d = 1 . 5 4 1 ) を用い、 これらを交互に 4層積層する。
また、 複層部材 2 0 aの隣り合う層 2 1 , 2 2同士の境界面 2 0 bに形成された 凹凸パターン 2 5と、 隣り合う層 2 3 , 2 4同士の境界面 2 0 dに形成された凹凸 パターン 2 7は、 上記した第 3実施形態の凹凸パターン 1 4と同じ形状であり、 その方位は 9 0 ° 回転している。 隣り合う層 2 2， 2 3同士の境界面 2 0 cに形成 された凹凸パターン 2 6は、 上記した第 3実施形態の凹凸パターン 1 5と同じ形 状である。
この第 4実施形態の回折光学素子 2 0を製造する手順は、 概略、 上述の第 2実 施形態で説明した手順《2 1》 〜 《2 4》 と同じである。 なお、 手順《2 1》 〜 《2 3》では、 上記した第 3実施形態の手順《1 2》 と同様の工程が、 形成した い凹凸パターン 2 5〜2 7の反転形状の金型を各々用い、 順に変えながら 3回繰 返される。 そして最後の手順《2 4》 は、 上記した第 3実施形態の手順《1 3》 と同様の平板状の金型を用いて行われる。
このようにして、 複層部材 2 0 aの内部に 3つの凹凸パターン 2 5〜2 7が順 に形成された第 4実施形態の回折光学素子 2 0を得ることができる。 この回折光 学素子 2 0は、 上述したように、 1つの素子でレンズ機能と 2種類の分光機能を 同時に実現できるものである。
また、 上記した第 4実施形態の手順《2 1》 〜《2 4》 において、 回折光学素 子 2 0の凹凸パターン 2 5〜2 7の形成は、 各々、 予め作製された金型を用いて 反転パターンを転写することで、 容易に行うことができる。 さらに、 金型の反転 パターンは、 単純な等間隔の線状パターンや同心円状パターンであり、 金型の作 製も容易かつ高精度に行える。
したがって、 第 4実施形態によれば、 レンズ機能と 2種類の分光機能を同時に 実現できる （多機能） と共に、 小型で生産性にも優れた回折光学素子 20を容易 に製造することができる。
なお、 上記した実施形態や実施例では、 1つの複層部材（1 0 aまたは 20 a) によって構成された回折光学素子 1 0, 20を例に説明したが、 本発明はこれに限 定されない。 例えば、 図 8に示す回折光学素子 40のように、 2つの複層部材 4 0 a, 40 bを設けることもできる。
回折光学素子 40の複層部材 40 aは、 2層構造であり、 隣り合う層 4 1, 42 同士の境界面と層 42の表面に、 各々、 回折格子状の凹凸パターン （パターン 1， 2) が形成されている。 また、 複層部材 4 O bも、 2層構造であり、 隣り合う層 4 3， 44同士の境界面と層 4 3の表面に、 各々、 回折格子状の凹凸パターン （パ ターン 3， 4) が形成されている。
さらに、 この回折光学素子 40では、 2つの複層部材 40 a, 40 bの間、 つま り、 層 42の表面（パターン 2)と層 43の表面 (パターン 3)との間に、 封止部材 4 5によって光学材料 46が充填されている。 封止部材 45は、 接着ゴムなどで あり、 2つの複層部材 40 a, 40 bを一体化する役目も担っている。
光学材料 46は、 隣り合う層 42, 43とは屈折率の異なる気体や液体であり、 封止部材 4 5によって封止されるため、 内部の屈折率むらがほとんど無いと考え ら る。
光学材料 46としての液体には、 例えば、 純水、 アルコール類、 エーテル類、 エステル類などに分類される一般的な溶剤の他、 屈折液 （顕微鏡の液浸観察など で用いられる屈折率が既知の液体） を用いることができる。 屈折液は、 プロモナ フタレンゃセバシン酸ジ nプチルなどである。 また、 光学材料 46としての気体 には、 空気の他、 窒素、 アルゴンなどの不活性ガスを用いることができる。 産業上の利用の可能性
本発明によれば、 1つの小型の回折光学素子で複数の光学的機能を同時に実現 できると共に、 容易に生産することもできる。

Claims

請求の範囲
( 1 ) 複数の層からなり、 各々の層が光学材料にて構成された複層部材を備え、 前記複層部材の隣り合う層同士は、 互いに密着され、 かつ、 光学材料の屈折率
5 が互いに異なり、
前記複層部材の内部には、 前記隣り合う層同士の密着した境界面が 1つ以上含 まれ、
前記 1つ以上の境界面と前記複層部材の表面とを含めた 3つ以上の面のうち、 ' 少なくとも 2つの面には、 各々、 透過光に対して所望の回折作用を引き起こす凹0 凸パターンが形成され、
異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、 前記複層部材の層方向に関す る形状または寸法が互レ、に異なる
ことを特徴とする回折光学素子。
( 2 ) 3つ以上の層からなり、 各々の層が光学材料にて構成された複層部材を備5 え、
前記複層部材の隣り合う層同士は、 互いに密着され、 力つ、 光学材料の屈折率 が互いに異なり、
前記複層部材の内部には、 前記隣り合う層同士の密着した境界面が 2つ以上含 まれ、
0 前記 2つ以上の境界面のうち少なくとも 2つには、 各々、 透過光に対して所望 の回折作用を引き起こす凹凸パターンが形成され、
異なる面に形成された前記凹凸パターン同士は、 前記複層部材の層方向に関す る形状または寸法が互いに異なる
ことを特徴とする回折光学素子。
5
( 3 ) 請求項 1または請求項 2に記載の回折光学素子において、
前記複層部材は、 樹脂製の光学材料にて構成された樹脂層を 2つ以上含み、 前記 2つ以上の樹脂層のうち少なくとも 2つは、 隣り合う位置で、 互いに密着 され、
前記凹凸パターンのうち少なくとも 1つは、 前記隣り合う位置で密着された樹 脂層同士の境界面に形成される
ことを特徴とする回折光学素子。
( 4 ) 隣り合う 2つの層の各々に、 透過光に対して所望の回折作用を引き起こす 凹凸パターンが形成され、 前記凹凸パターン同士の形状または寸法が層方向に関 して互いに異なる回折光学素子の製造方法であって、
所定の光学材料にて構成された層の表面に、 第 1の凹凸パターンを形成する第 1工程と、
前記第 1の凹凸パターンの上に、 前記光学材料とは屈折率の異なる樹脂製の光 学材料にて構成された樹脂層を形成し、 該樹脂層の表面に、 第 2の凹凸パターン を形成する第 2工程とを備え、
前記第 2工程は、 前記第 1の凹凸パターンの上に前記樹脂製の光学材料の未硬 化物を塗布する第 1補助工程と、 前記未硬化物に対して前記第 2の凹凸パターン の反転形状の型を密着させる第 2補助工程と、 前記型を密着させた状態で前記未 硬化物を硬化させる第 3補助工程とを含む
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
( 5 ) 請求項 4に記載した回折光学素子の製造方法において、
前記第 3補助工程では、 光照射によつて前記未硬化物を硬化させる
ことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
( 6 ) 請求項 1から請求項 3の何れか 1項に記載の回折光学素子を備えた光学装 置において、
前記回折光学素子は、 当該光学装置の予め定めた光路中に設置され、 かつ、 該 光路に対して前記凹凸パターンの形成面が交差する向きで設置される
ことを特徴とする光学装置。
( 7 ) 請求項 6に記載の光学装置において、
当該光学装置は、 レーザ光を使用する装置であり、
前記回折光学素子は、 各々の層が前記レーザ光の波長域で透明な光学材料にて 構成され、 かつ、 前記レーザ光の光路に対して前記形成面が交差する向きで設置 される
ことを特徴とする光学装置。 - ( 8 ) 請求項 7に記載の光学装置において、
当該光学装置で使用される前記レーザ光の波長域は、 1 . 4 / m〜 1 . 7 μ mの 赤外波長域である
ことを特徴とする光学装置。
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