JP4378433B2 - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、白色光を効率よく集光できる量産性に富んだ回折光学素子およびその製造方法に関する。

近年、デジタル技術の進展に伴って画像情報をデジタル情報として取り込む、例えばカメラやビデオカメラなどの電子機器が、携帯情報機器や情報家電などの形態で、より一層高機能化している。これらのカメラやビデオカメラなどの電子機器の高機能化に伴い、使用されるレンズなどの光学部品および光学系の軽量化・薄型化・低コスト化が強く要望されている。

このようなカメラやビデオカメラなどの光学系に用いる集光レンズを回折光学素子として形成すると、複雑な面形状の非球面レンズを複数個使用する必要がない。従って、回折格子をレンズ基体の表面に設けることにより、集光レンズの薄型化や光学系の薄型化・軽量化が可能となる。さらに、広い波長領域（例えば、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の可視光域など）で用いる光ディスク用の集光レンズも、１個の回折光学素子で構成できる。従って、回折光学素子によれば、白色光なども効率よく集光できて、光学系も簡単化・軽量化・低コスト化することができる。

一方、白色光などの広い波長領域を含む光を、このような撮像用途のレンズに適用すると、不要な回折光が発生したり、フレアやゴーストとなって画像を劣化させたり、ＭＴＦ（Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ Ｔｒａｎｓｆｅｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎ：変調伝達関数）特性を劣化させたりすることがある。このような特性の劣化を避けるために、回折格子が形成されたレンズ基体の面上にレンズ基体とは異なる屈折率および屈折率分散を有する光学材料の層で被覆することがよく知られている。このような被覆層は、上記光学材料をレンズ基体の表面に塗布したり、あるいは、上記光学材料からなる膜をレンズ基体の表面に接合することによって形成され得る。

レンズ基体上に被覆層を有する回折光学素子において、１次回折効率が１００％となる回折格子深さｄは、理論上、下記（数式１）で与えられる。

ただし、ｎ１（λ）はレンズ基体を構成する材料の屈折率、ｎ２（λ）は被覆層を構成する材料の屈折率であり、いずれも波長λの関数である。

上記（数式１）の右辺が使用する波長領域で一定値になれば、理論上、その波長領域での回折効率の波長依存性がなくなることになる。従って、回折光学素子はレンズ基体と被覆層とを高屈折率低波長分散材料と低屈折率高波長分散材料との組合せで構成すれば、回折効率の波長依存性を小さくすることができ、例えば白色光なども効率よく集光するような集光レンズを回折光学素子により実現することができる。

このような例として、積層された複数の光学材料層を有し、その境界面にレリーフパターンを形成した回折光学素子において、回折効率の波長依存性を低減して、色むらや不要次数光によるフレアの発生などを有効に防止することができる構成が提案されている（例えば、特許文献１参照）。このような例におけるレンズ基体は、高屈折率低波長分散の材料からなる光学ガラスから構成され、被覆層は低屈折率高波長分散の材料からなる光学ガラスまたは樹脂の光学材料から構成される。

光ディスクの光ピックアップ用の光学系として、４００ｎｍ近傍、６５０ｎｍ近傍および７８０ｎｍ近傍のうちのいずれの波長領域でも高い光利用効率が得られる回折光学素子が対物レンズとして提案されている（例えば、特許文献２参照）。このような例におけるレンズ基体は、高屈折率低波長分散の材料からなる光学ガラスから形成され、被覆層は低屈折率高波長分散の材料からなる樹脂の光学材料から形成される。レンズ基体と被覆層との境界には、輪帯状の段差を有する位相構造が形成されている。このような構成を有する回折光学素子によれば、上記の３つの波長領域で高い光利用効率が得られる対物レンズが実現される。

上記の従来例に示す白色光を効率よく集光することができる回折光学素子（以下、「白色回折光学素子」とする）においては、高屈折率低波長分散の光学ガラスなどのレンズ基体の非球面形状に回折格子をプレス成形などにより形成したのち、低屈折率高波長分散の樹脂膜などを被覆することにより白色回折光学素子が作製されていた。このような従来の白色回折光学素子では、回折格子自体が正の集光パワーを有し、高屈折率のレンズ基体が低屈折率の樹脂層で被覆されるため、回折格子の断面は、光軸から離れるに従い減少関数となるブレーズ形状の段差で形成されている。

特開平９−１２７３２１号公報 特開２００６−１２３９４号公報

このような従来の白色回折光学素子においては、レンズ基体が樹脂ではなく光学ガラスを用いているので、回折格子を成形するためのプレス成形金型の耐用回数を多くすることができず、また、レンズ基体に被覆する被覆層の樹脂とレンズ基体に形成された回折格子の密着性や密着の信頼性が十分でないという量産性に関する課題が生じていた。

このような課題を解決するために、レンズ基体に光学ガラスではなく加工が容易な樹脂材料を用いた場合、レンズ基体に使用する樹脂材料の屈折率よりも充分に小さく白色回折光学素子の被覆層として使用できる低屈折率の樹脂材料が要望される。この場合、レンズ基体も被覆層も樹脂から形成されるため、製造が容易になるはずである。しかしながら、光学ガラスの屈折率に比べてレンズ基体に使用する樹脂材料の屈折率は一般的に小さくなるため、被覆層として使用できる低屈折率の樹脂材料を見出すのは困難であった。

そこで、従来からの発想を変えて白色回折光学素子のレンズ基体を樹脂材料から形成するときに、レンズ基体に使用する樹脂材料よりも屈折率の大きい樹脂材料から被覆層を形成することを試みた。この樹脂材料としては、例えばナノコンポジット材料を樹脂ベースに混ぜたものが挙げられる。ただし、レンズ基体と被覆層との屈折率の大小関係が逆転するので、回折格子の断面は、光軸から離れるに従い増加関数となるブレーズ形状の段差で形成されている必要がある。

しかしながら、このような増加関数となるブレーズ形状の段差が形成された白色回折光学素子では、白色回折光学素子の光軸とこの光軸に最も近い段差との距離が大きく、回折格子のうち光軸に近い領域では被覆層で覆われる部分に面積の広い凹部が存在することになる。その結果、樹脂からなる被覆層のうち、上記の凹部を埋める部分の体積が大きくなる。このような構造の白色回折光学素子を製造しようとすると、被覆層のうち上記凹部内の位置する部分が製造工程中に変形することがある。特に、低コストで量産性に優れる「パッド印刷法」によって被覆層を形成しようとすると、上記凹部に位置する被覆層の一部が薄くなりやすいため、ＭＴＦ特性がばらつき、光学特性のよい白色回折光学素子が量産できないという課題を見出すに至った。

本発明は上記課題を解決し、白色光を効率よく集光することができる回折光学素子において、樹脂材料からなるレンズ基体に量産性に優れた方法で回折格子を成形することができ、しかもＭＴＦ特性などの光学特性が安定した回折光学素子を提供することを目的とする。

本発明の回折光学素子は、非球面の表面上にブレーズ型の回折格子が設けられたレンズ基体と、前記回折格子を覆う光学調整層とを有する回折光学素子であって、前記レンズ基体は第１材料から形成され、かつ、前記光学調整層は前記第１材料よりも屈折率が高い第２材料から形成されており、前記回折格子は、光軸を中心として同心円状に配列された複数の輪帯領域を有し、前記レンズ基体における前記非球面の表面に対する各輪帯領域の高さは、それぞれ、前記光軸からの距離ｒの増加関数によって表現されており、前記増加関数は、距離ｒを変数とする位相多項式で表現され、前記位相多項式は、距離ｒ＝０のときに３／４π以上７／４πの大きさを有する。

好ましい実施形態において、前記回折格子の段差の高さをｄとするとき、距離ｒ＝０の位置における前記輪帯領域の高さｄ₀は、３ｄ／８≦ｄ₀≦７ｄ／８の範囲内にある。

好ましい実施形態において、前記第１材料は第１樹脂材料から構成され、前記第２材料は第２の樹脂材料から構成されている。

好ましい実施形態において、前記第２材料は、前記第２樹脂材料中に分散された微粒子を含んでいる。

好ましい実施形態において、前記微粒子は無機粒子であり、前記第２の樹脂は光硬化樹脂である。

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、酸化アルミニウム、および酸化イットリウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成されている。

好ましい実施形態において、前記第１材料は、ポリカーボネート系樹脂、ポリスチレン系樹脂、およびフルオレン系ポリエステル樹脂からなる群から選択された少なくとも１つの材料である。

好ましい実施形態において、前記非球面の表面は、光線が前記光軸に沿って進む方向の先に向かって凸状である。

好ましい実施形態において、前記レンズ基体のうち、前記回折格子が設けられていない面は、光線が前記光軸に沿って進む方向の先に向かって凹状の非球面形状である。

本発明による回折光学素子の製造方法は、非球面の表面上にブレーズ型の回折格子が設けられたレンズ基体であって、第１樹脂材料から形成されたレンズ基体を用意する工程と、前記第１樹脂材料よりも屈折率の高い第２樹脂材料から形成された光学調整層を、パッド印刷法により、前記回折格子上に形成する工程とを含む回折光学素子の製造方法であって、前記回折格子は、光軸を中心として同心円状に配列された複数の輪帯領域を有し、前記レンズ基体における前記非球面の表面に対する各輪帯領域の高さは、それぞれ、前記光軸からの距離ｒの増加関数によって表現されており、前記増加関数は、距離ｒを変数とする位相多項式で表現され、前記位相多項式は、距離ｒ＝０のときに３／４π以上７／４πの大きさを有する。

本発明によれば、レンズ基体の曲面に形成した回折格子上に樹脂からなる光学調整層を例えばパッド印刷法によって適切な形状に形成することができる。このため、本発明によれば、薄型化・軽量化が可能で、低コスト化・高信頼性の確保などができ量産性に富む回折光学素子を提供することができる。

また、本発明の回折光学素子を使用することにより、携帯情報機器や情報家電等の電子機器のより一層の薄型化・小型化・軽量化を実現でき、低コスト化・高信頼性の確保も図れるという効果を奏する。

（ａ）は、本発明による回折光学素子の実施形態の構成を模式的に示す平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の１Ａ−１Ａ線断面図である。 （ａ）は、回折光学素子の第１表面の近傍を拡大して示した模式図であり、（ｂ）は、白色回折格子の基本構成を示す図である。 （ａ）は、ブレーズ形状の従来の設計を示す図、（ｂ）は、本実施形態にかかる設計を示す図である。 （ａ）は、本発明の実施形態における回折光学素子の第１表面の近傍を拡大して示した模式図であり、（ｂ）は、従来の設計により形成した回折光学素子を示す図である。 本発明の実施形態における光学調整層１５として好適に使用される樹脂材料１９の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施形態にかかる白色回折光学素子の模式的な断面図である。 レンズ中央部の膜にすり鉢状の凹みを有する白色回折光学素子を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態にかかる回折光学素子の前半のプロセスフローを示す模式的な断面図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態にかかる回折光学素子の後半のプロセスフローを示す模式的な断面図である。

以下、図面を参照しながら、本発明による回折光学素子の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
まず、本発明による回折光学素子の実施形態を説明する。

図１を参照する。図１（ａ）は、本実施形態における回折光学素子１０の平面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）の１Ａ−１Ａ線断面図である。

本実施形態の回折光学素子１０は、図１（ａ）および（ｂ）に示すように、非球面の表面（第１表面１１ａ）上にブレーズ型の回折格子１３が設けられたレンズ基体１１と、回折格子１３を覆う光学調整層１５と備えている。また、レンズ基体１１は、第１材料１４ａから形成され、光学調整層１５は、第１材料１４ａよりも屈折率が高い第２材料１４ｂから形成されている。第１材料１４ａおよび第２材料１４ｂを、全体として、樹脂材料１４と呼ぶことがある。

回折格子１３は、光軸１２を中心として同心円状に配列された複数の輪帯領域を有している。本実施形態の回折格子１３は、レンズ基体１１と一体化されており、レンズ基体１１の実際の表面が回折格子１３の表面を構成していると考えることも可能である。しかし、本明細書では、レンズ基体１１の第１表面１１ａは、図１（ｂ）における破線で示すように緩やかにカーブする非球面の曲面であるものとする。従って、本明細書における「回折格子」は、レンズ基体１１の第１表面１１ａと回折格子１３の表面との間の部分から構成され、その部分は、レンズ基体１１と同じ材料から構成されている。

レンズ基体１１の第１表面１１ａから回折格子１３の表面までの距離を、回折格子１３の「高さ」と称することとする。回折格子１３の高さは、光軸１２からの距離ｒに依存して増減しており、各輪帯領域は、高さが極小となる位置で区分されている。なお、ある輪帯領域の高さが極小となる部分は、その輪帯領域に隣接する輪帯領域の高さが極大となる部分と接しており、その境界で「段差」が発生している。図１（ａ）に示すように、複数の段差１３ａが光軸１２を中心とする同心円状に形成されている。

レンズ基体１１における非球面の第１表面１１ａに対して、各輪帯領域の高さは、それぞれ、光軸１２からの距離ｒの増加関数によって表現される。本実施形態では、輪帯領域の高さを規定する増加関数が、距離ｒを変数とする位相多項式で表現され、距離ｒ＝０のときに位相多項式が３／４π以上７／４πの大きさを有する点に重要な特徴点を有している。この特徴点から生じる作用効果については、後に詳述する。

光学調整層１５の下面は、図１（ｂ）に示すように、回折格子１３の表面と接触し、光学調整層１５の上面（表面）１５ａは、レンズ基体１１の非球面の表面１１ａに対して実質的に平行な形状を有している。

レンズ基体１１の第１表面１１ａに対向する第２表面１１ｂも非球面の形状を有しているが、レンズ基体１１の第２表面１１ｂには回折格子が形成されておらず、低波長分散材料から形成されたコーティング膜１６が設けられている。

次に、図２（ａ）および（ｂ）を参照する。図２（ａ）は、図１（ｂ）に示す回折光学素子１０における第１表面１１ａの近傍を拡大した模式図であり、図２（ｂ）は、回折光学素子１０の基本構成を示す図である。

回折格子１３と光学調整層１５との間には屈折率差が存在しており、レンズ基体１１の第１表面１１ａが平坦であると仮定した場合、基本的には、図２（ｂ）に示す構成が実現されている。すなわち、ブレーズ形状の凹凸が形成された第１材料１４ａからなる部分１７ａと、これに密着する第２材料１４ｂからなる部分１７ｂとにより、図２（ｂ）に示すような白色回折格子１７が実現されている。第１材料１４ａの屈折率をｎ１（λ）、第２材料１４ｂの屈折率をｎ２（λ）、段差の高さをｄ、波長をλとするとき、本実施形態では、前述の数式１の関係が成立している。数式１の関係が成立していることにより、回折光学素子１０は白色光を高効率で集光することができる。

本実施形態の回折光学素子１０では、レンズ基体１１が樹脂材料から形成されているため、ガラス材料からなるレンズ基体に比べ、回折格子１３をレンズ基体１１に形成することが容易になる。また、回折格子１３の形状を規定する型を用いて、レンズ基体１１の表面に回折格子１３の形状を転写する工程を行うことにより、寸法精度の高い回折格子１３を再現性良く形成することが可能になる。このような型を用いて転写工程を繰り返しても、成形の対象が樹脂であるため、型の劣化が少なく、その耐用回数が増加する利点もある。従って、量産化する場合においても、回折格子１３が設計どおりに形成されるため、パッド印刷法によっても、密着性よく光学調整層１５で被覆することができる。

このように本実施形態の回折光学素子１０は、薄型化・軽量化に適した構成を有するとともに、製造コストの低減、信頼性の向上にも寄与し、量産性に富む。

なお、１次回折光を利用して白色光を高効率で集光するため、本実施形態では、光学調整層１５を形成する第２材料１４ｂの屈折率を、レンズ基体１１を形成する第１材料１４ａの屈折率より高くし、各輪帯領域の高さが光軸１２から離れるに従って増加するブレーズ形状によって回折格子１３を形成している。

次に、図３（ａ）および（ｂ）を参照して、本実施形態における回折格子１３の断面形状を詳細に説明する。図３（ａ）は、従来のブレーズ形状の設計方法を示す図であり、図３（ｂ）は、本実施形態におけるブレーズ形状の設計方法を示す図である。

図３（ａ）および（ｂ）の縦軸は位相φ、横軸は光軸１２（図２（ａ））からの距離ｒである。これらの図に示される曲線は、回折格子による位相のシフト量を示し、距離ｒを変数とする位相多項式ｆ（ｒ）で表現される。２πだけ異なる位相φは光学的には等価であるため、実際の回折格子の断面は、位相φのシフト量が０〜２πの範囲に収まるように曲線を変換することによって得られる。図３（ａ）及び（ｂ）には、矢印の先に「形状変換」によって得られるブレーズ形状を記載している。ブレーズ形状は、距離ｒの増加に伴って位相φが０から２πまで単調に増加する複数の部分（輪帯領域）から構成されている。距離ｒがゼロよりも大きな領域では、複数の位置で位相φがゼロとなる。位相φがゼロとなる部分は輪帯領域の境界であり、その部分に段差が存在する。図３（ａ）からわかるように、距離ｒが大きくなるほど、輪帯領域の幅（隣接する段差の間隔）は狭くなっている。

図３（ａ）の曲線を示す位相多項式ｆ（ｒ）は、光路差を示す多項式を２π／λ倍することによって得られる。この光路差は、以下の多項式Ｆ（ｒ）によって与えられる。

ここで、ａ₁、ａ₂、ａ₃・・・は、それぞれ、１次、２次、３次・・・の係数である。

位相多項式ｆ（ｒ）は、上記のＦ（ｒ）を用いて、以下の数式２で表すことができる。

ここで、λは設計波長（典型的には可視光域の中心波長）である。従来の設計では、図３（ａ）に示すように、光軸１２に最も近い段差が位置する距離ｒ₁は、他の輪帯領域の幅よりも大きく、半径ｒ₁の凹部が光軸１２を中心に形成されている。

このような形状を有する回折格子上に樹脂から形成された光学調整層を、例えばパッド印刷法によって形成すると、光軸１２の近傍において光学調整層の表面に凹部が形成されやすい。

本実施形態では、光路差が下記のＦ´（ｒ）によって規定される。

ここで、αは距離ｒに依存しない定数項である。位相多項式ｆ´（ｒ）は、以下の数式３によって表される。

ｆ´（ｒ）は、ｆ（ｒ）に定数項２πα／λを加えたものである。ｆ（０）＝０であるので、ｆ´（０）＝２πα／λが成立する。本実施形態では、αの大きさを３λ／８以上７λ／８以下に調整することにより、ｆ´（０）を３／４π以上７／４π以下の大きさに設定する。すなわち、本実施形態における回折格子は、光軸１２（ｒ＝０）上において、２πの位相差（＝設計中心波長）に対して３／８以上７／８以下の割合の高さを有することになる。

この位相多項式ｆ´（ｒ）に対して形状変換を行うことにより、全ての距離ｒにおいて位相を０〜２πの範囲内に調整する。この形状変換によって得られるブレーズ波形は、図３（ｂ）に示すように、光軸１２の近傍における凹部の半径が小さい。言い換えると、光軸１２に最も近い段差が位置する距離ｒ₁は、本実施形態では、図３（ａ）に示す従来例に比べて小さくなる。

このように位相多項式ｆ´（ｒ）が、距離ｒに依存しない定数項２πα／λを含むことにより、図３（ｂ）に示すように光軸１２から最も近い段差までの距離ｒ１を短くすることができる。その結果、このような回折格子を覆う樹脂からなる光学調整層を、例えばパッド印刷法によって形成しても、光学調整層の表面形状が適切に維持される。また、このような回折光学素子を多数生産すると、この光学調整層の表面形状が揃った均一な形状の回折光学素子が生産され得る。

図４（ａ）は本実施形態にかかる設計により形成した回折光学素子を示す図であり、図４（ｂ）は、従来の設計により形成した回折光学素子を示す図である。

従来の設計によれば、図４（ｂ）に示すように光軸１２から最も近い段差１８ｂまでの距離ｒｂが長くなるため、光軸１２の近傍の光学調整層１５にディップ１５ｂが発生して回折光学素子の光学特性を損なうこととなる。

一方、本実施形態では、図４（ａ）に示すように光軸１２から最も近い段差１８ａまでの距離ｒａが短くなるため、光軸１２の近傍において光学調整層１５の表面１５ａは、レンズ基体１１の第１表面１１ａに平行な形状を有し、白色光を高効率で集光することができる。さらに、光軸近傍の光学調整層の厚さのばらつきを減らすことができるため、光学特性のばらつきの少ない白色回折光学素子を量産性よく作製することができる。

図５は、光学調整層１５として好適に使用される樹脂材料１９の一例を示す図である。樹脂材料１９は、樹脂母材１９ａに無機粒子１９ｂを分散した構造を有している。樹脂母材１９ａは、例えば光硬化樹脂から形成され、無機粒子１９ｂは、例えば無機ナノ粒子から構成される。無機粒子１９ｂは、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウムおよび酸化イットリウムからなる群から選ばれた少なくとも１つの材料からなる形成されていてもよい。

このような構成を採用することにより、高屈折率低波長分散の光学調整層を量産性よく回折格子上に形成することができ、高信頼性の回折光学素子を実現することができる。

次に、（数式３）の位相多項式における定数項２πα／λの数値範囲の重要性について、白色回折光学素子の試作結果を基に具体的に説明する。

図６は、本発明の実施例である白色回折光学素子３０の模式的な断面を示す。図６に示すように、白色回折光学素子３０は、レンズ基体３１と、このレンズ基体３１に形成された回折格子３３を覆う光学調整層３５とを備えている。レンズ基体３１の第１表面３１ａは、光線（図示せず）が光軸３２に沿って進む方向に向かって凸状の非球面形状を有している。

図６に示すように、レンズ基体３１の第１表面３１ａに対向する第２表面３１ｂは、光軸３２に沿って進む方向に向かって凹状の非球面形状を有している。白色回折光学素子３０は樹脂材料３４から形成されており、レンズ基体３１は第１材料３４ａから形成されている。また、光学調整層３５は第２材料３４ｂから形成されている。第１材料３４ａは、ポリカーボネート系樹脂、ポリスチレン系樹脂およびフルオレン系ポリエステル樹脂から選ばれる少なくとも１つの材料からなる。

本実施形態におけるレンズ基体３１の第１材料３４ａは、ｄ線屈折率が１．５８５でアッベ数２８のポリカーボネートである。一方、光学調整層３５の第２材料３４ｂは、ｄ線屈折率が１．６２３でアッベ数４２のアクリル系紫外線硬化樹脂を主成分とする樹脂に直径３ｎｍ〜１０ｎｍの酸化ジルコニウムのナノ粒子を分散させたものである。この光学調整層３５には、ナノ粒子の分散性を高めるため、樹脂系の分散剤や、紫外線硬化開始剤なども含有されている。

回折格子３３の段差３６の高さは１５μｍである。可視波長域である４００〜７００ｎｍにおいて、本実施形態の１次回折効率は９５％以上となる。光学調整層３５は、膜厚３０μｍで非球面形状に沿って膜厚がほぼ一定となるように形成されている。

図６に示す白色回折光学素子３０の回折格子３３の形状は、前述の（数式２）の位相多項式ｆ（ｒ）で表される。なお、（数式２）においてＦは光路差多項式、ｆは位相多項式、ｒは光軸から半径方向の距離、λは設計波長であり、ａ₁、ａ₂、ａ₃・・・はサフィックスの次数の係数である。

表１は、白色回折光学素子３０のレンズ数値データ、表２は非球面係数、表３はレンズ基体の第２表面面の回折係数を示している。白色回折光学素子３０の設計中心波長はλ＝５５０ｎｍであり、波長４００ｎｍ〜波長７００ｎｍまでの波長範囲をカバーしている。

回折格子の輪帯領域は、第２表面３１ｂの有効半径５１１．５μｍの中に２０本存在する。光軸から数えて第ｎ番目の段差に対して、光軸からの半径方向の距離をｒ_nとすると、ｒ_nおよび近接する光軸よりの段差との距離は、以下の表４に示すようになる。

これらのデータにより設計された白色回折光学素子３０のレンズの撮像性能指標であるＭＴＦは設計上、空間周波数８０ｌｐ／ｍｍ、画角０°において、６１．４％である。

次に、白色回折光学素子３０の回折格子３３の形状を規定する位相多項式におけるαの値を所定の範囲で変化させた。光学調整層の表面形状を評価したところ、αの値が所望の範囲内から外れた場合には、図７に示すように、レンズ中央部で光学調整層３５にすり鉢状の凹みが形成された。図７に示すように、凹部の最も深い位置における光学調整層の厚さと理想厚さ（設計厚さ）とズレ量をδとし、凹部の直径をＷとする。

以下の表５は、αの値と、光軸から半径方向の距離、およびレンズのＭＴＦの評価結果との関係を示している。

表５からわかるように、例えばαが３λ／８のとき、光軸から最も近い回折格子の段差と光軸との距離ｒ１は１０８．３μｍであり、δは３μｍ、幅Ｗは１４０μｍであった。なお、膜厚Ｔは３０μｍ、回折格子の段差ｄは１５μｍであった。

αが３λ／８以上であれば、光学調整層に形成される凹部は小さく、問題がない。

なお、α＞７λ／８のときは、光軸から１番目の段差までの距離が小さすぎるため、金型加工が困難となり、回折格子を試作することができなかった。αがλに近づくほど、今度は１番目の段差と２番目の段差の間隔が広がるため、光学調整層に凹みができやすく、撮像性能の劣化が生じやすい。

以上の結果から、３λ／８≦α≦７λ／８の範囲において、良好な撮像性能が得られることがわかる。なお、このときのｒ＝０での回折段差の高さをｄとすると、ｄ・α／λがｒ＝０での輪帯領域の高さを示している。これをｄ₀とすると、ｄ₀は、３ｄ／８≦ｄ₀≦７ｄ／８の関係を満足する。また、αのより好ましい範囲は、λ／２≦α≦７λ／８であり、このときのｒ＝０での輪帯領域の高さｄ₀は、ｄ／２≦ｄ₀≦７ｄ／８の関係を満足する。

なお、図７におけるδが３μｍよりも小さければ、撮像性能の劣化は少なく、実用上問題ないことも実験により判明した。また、δ≧３μｍであっても、下記の数式４におけるβが０．１以下であれば、同様に撮像性能の劣化は少なく、実用上問題ないこともわかった。

なお、数式４における△ｒ_nは、光軸から（ｎ−１）番目の段差とｎ番目の段差との間の距離であり、△ｒ_n＝ｒ_n−ｒ_n-1で与えられる。なお、ｒ₀＝０とする。

（第２の実施形態）
次に、図８（ａ）から（ｃ）、および図９（ａ）から（ｃ）を参照しながら、図１の回折光学素子１０における光学調整層１５を形成する方法の一例を説明する。図８（ａ）から（ｃ）、および図９（ａ）から（ｃ）は、本実施形態にかかる回折光学素子１０の製造方法を模式的に示す工程断面図である。

まず、図８（ａ）に示すように、上面に凹部２０ａを有する版２０を用意し、この版２０の凹部２０ａに、例えばディスペンサ２１から液体状の樹脂材料１９を流し込む。樹脂材料１９は平面状に伸ばされ、ほぼ均一な厚さに調整する。本実施形態では、図５に示す樹脂材料１９の樹脂母材１９ａに例えばＵＶ硬化樹脂などの光硬化樹脂を使用し、無機粒子１９ｂには例えば酸化ジルコニウム材料からなる無機ナノ粒子を使用している。

次に、図８（ｂ）に示すパッド２２を版２０上の樹脂材料１９に接近させ、パッド２２の主面に樹脂材料１９を付着させる。

一方、回折格子１３が形成されたレンズ基体１１を用意し、図８（ｃ）に示す固定治具２３にレンズ基体１１を固定する。このとき、レンズ基体１１の回折格子１３が形成された面は、固定治具２３から上方に露出した状態にある。本実施形態では、レンズ基体１１が例えばポリオレフィン系の樹脂材料から形成され、レンズ基体１１の回折格子１３は、図４（ａ）に示す断面構成を有している。

次に、主面に樹脂材料１９が付着した状態のパッド２２を固定治具２３の上方に配置し、レンズ基体１１の回折格子１３が形成された面に樹脂材料１９を押し付ける。このとき、レンズ基体１１に対して樹脂材料１９を押し付ける位置を調整して光学特性が良好となるようにする。

次に、図９（ａ）に示すように、パッド２２の弾力を利用してレンズ基体１１の回折格子１３を隙間なく覆い、かつ密着するように樹脂材料１９を押し付け、それによって光学調整層１５を形成する。

パッド２２を固定治具２３から引き離した後、固定治具２３に固定された状態で回折光学素子１０を定乾炉に配置する。定乾炉では、１００から１５０℃程度の乾燥した雰囲気２４の中に回折光学素子１０を配置し、１２時間程度の乾燥を行う。こうして、光学調整層１５および回折格子１３の境界面での密着性を良くするとともに、レンズ基体１１および光学調整層１５を構成している樹脂材料を安定化させる。

本実施形態では、レンズ基体１１の屈折率に比べて光学調整層１５の屈折率は大きくなる。乾燥が終わった後、図９（ｃ）に示すようにＵＶ光源２５から回折光学素子１０にＵＶ光２５ａを照射する。こうして、樹脂母材１９ａを含む光学調整層１５の全体が硬化される。

本実施形態の方法によれば、レンズ基体１１に形成された回折格子１３の断面が図４（ａ）に示す構造を有しているため、光学調整層１５の中央部が窪まず、適切な形状の光学調整層１５を得ることができる。

本発明は、高集光効率の白色回折光学素子を実現することができるので、薄型化・軽量化が可能で、低コスト化・高信頼性の確保などができ量産性に富む回折光学素子とすることができる。従って、本発明の回折光学素子を使用することにより、携帯情報機器や情報家電等の電子機器の薄型化・小型化・軽量化をさらに進め、製造コストの低減・信頼性の向上を図れる。

１０，３０ 回折光学素子
１１，１７ａ，３１ レンズ基体
１１ａ，３１ａ レンズ基体の第１表面
１１ｂ，３１ｂ レンズ基体の第２表面
１２，３２ 光軸
１３，３３ 回折格子
１３ａ ブレーズ形状の段差
１４，１９，３４ 樹脂材料
１４ａ，３４ａ 第１材料
１４ｂ，３４ｂ 第２材料
１５，３５ 光学調整層
１５ａ 光学調整層の表面
１６ コーティング膜
１７ 白色回折格子
１８ａ，１８ｂ，３６ 段差
１９ａ 樹脂母材
１９ｂ 無機粒子
２０ 版
２０ａ 凹部
２１ ディスペンサ
２２ パッド
２３ 固定治具
２４ 雰囲気
２５ ＵＶ光源
２５ａ ＵＶ光

Claims (10)

1. 非球面の表面上にブレーズ型の回折格子が設けられたレンズ基体と、
   前記回折格子を覆う光学調整層と、
   を有する回折光学素子であって、
   前記レンズ基体は第１材料から形成され、かつ、前記光学調整層は前記第１材料よりも屈折率が高い第２材料から形成されており、
   前記回折格子は、光軸を中心として同心円状に配列された複数の輪帯領域を有し、前記レンズ基体における前記非球面の表面に対する各輪帯領域の高さは、それぞれ、前記光軸からの距離ｒの増加関数によって表現されており、
   前記増加関数は、距離ｒを変数とする位相多項式で表現され、前記位相多項式は、距離ｒ＝０のときに３／４π以上７／４πの大きさを有する、回折光学素子。
2. 前記回折格子の段差の高さをｄとするとき、距離ｒ＝０の位置における前記輪帯領域の高さｄ₀は、３ｄ／８≦ｄ₀≦７ｄ／８の範囲内にある請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記第１材料は第１樹脂材料から構成され、前記第２材料は第２の樹脂材料から構成されている請求項１に記載の回折光学素子。
4. 前記第２材料は、前記第２樹脂材料中に分散された微粒子を含んでいる請求項３に記載の回折光学素子。
5. 前記微粒子は無機粒子であり、前記第２の樹脂は光硬化樹脂である請求項４に記載の回折光学素子。
6. 前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化アルミニウム、および酸化イットリウムからなる群から選択された少なくとも１つの材料から形成されている請求項５に記載の回折光学素子。
7. 前記第１材料は、ポリカーボネート系樹脂、ポリスチレン系樹脂、およびフルオレン系ポリエステル樹脂からなる群から選択された少なくとも１つの材料である請求項３に記載の回折光学素子。
8. 前記非球面の表面は、光線が前記光軸に沿って進む方向の先に向かって凸状である請求項１に記載の回折光学素子。
9. 前記レンズ基体のうち、前記回折格子が設けられていない面は、光線が前記光軸に沿って進む方向の先に向かって凹状の非球面形状である請求項８に記載の回折光学素子。
10. 非球面の表面上にブレーズ型の回折格子が設けられたレンズ基体であって、第１樹脂材料から形成されたレンズ基体を用意する工程と、
    前記第１樹脂材料よりも屈折率の高い第２樹脂材料から形成された光学調整層を、パッド印刷法により、前記回折格子上に形成する工程と、
    を含む回折光学素子の製造方法であって、
    前記回折格子は、光軸を中心として同心円状に配列された複数の輪帯領域を有し、前記レンズ基体における前記非球面の表面に対する各輪帯領域の高さは、それぞれ、前記光軸からの距離ｒの増加関数によって表現されており、
    前記増加関数は、距離ｒを変数とする位相多項式で表現され、前記位相多項式は、距離ｒ＝０のときに３／４π以上７／４πの大きさを有する、回折光学素子の製造方法。

Images