JP2008180963A - 回折光学素子及びそれを有する光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折格子の格子面へ蒸着される反射防止膜の膜厚が不均一であっても、高い回折効率が得られる回折光学素子を得ること。
【解決手段】 鋸歯状の格子面を備えた回折格子を有する透過型の回折光学素子において、前記格子面には反射防止膜が蒸着されており、該反射防止膜の膜厚が一定であるとして算出される参照面と前記格子面の任意の位置との間隔をＤｂ、前記回折格子の屈折率をＮｂ、前記格子面の格子の頂点における前記反射防止膜の膜厚をＤ、前記反射防止膜の任意の位置における膜厚をＤｘ、前記反射防止膜の屈折率をＮｃ、波長をλ、回折次数をｍとしたとき、
│（Ｎｂ−１）×Ｄｂ−（Ｎｃ−１）×（Ｄ−Ｄｘ）│＜ｍλ／５
を満足するように前記格子面の形状を前記参照面の形状とは異ならせたことを特徴とする回折光学素子。
【選択図】図４

Description

本発明は回折光学素子に関し、特に複数の波長あるいは帯域光で使用するのに好適な回折光学素子及びそれを用いた光学系に関する。

光学系の色収差を低減する方法として光学系の一部に回折光学素子を設ける方法が知られている（非特許文献１，特許文献１〜３）。

回折光学素子を光学系に用いるときには使用波長域全域において設計次数の光線の回折効率が十分に高いことが望ましい。設計次数とは異なる回折次数を持つ光線はフレア光になってしまうためである。

また、回折光学素子の表面における反射光がフレア光となることを防ぐために、回折格子の表面（格子面）には反射防止膜が蒸着される。しかし、回折格子の格子面に反射防止膜が不均一に付着すると、回折格子の凹凸パターンが変形して回折効率が低下してしまう。

このような回折格子の凹凸パターンの変形を補正するようにした回折光学素子の製造方法が知られている（特許文献４）。特許文献４では回折格子の型（凹凸パターン）を予め理想形状（設計形状）より歪ませておくことにより、膜を蒸着した後に回折格子の型形状が理想形状となるようにしている。
SPIE Vol.1354 International Lens Design Conference (1990) 特開平４−２１３４２１号公報 特開平６−３２４２６２号公報 米国特許第５０４４７０６号 特開平１１−４８３５５号公報

回折光学素子を光学系に用いると、特に空気と接している回折格子の表面から反射光が生じて、ゴースト光やフレア光となり画像を劣化させる。このため多くの回折光学素子では回折格子の格子面に反射防止膜を蒸着している。このとき、回折効率の低下を防ぐためには、格子面に反射防止膜を均一に蒸着することが必要である。

一般に、反射防止膜は、蒸着機を用いて回折格子の格子面に蒸着される。このとき、回折格子の谷部が蒸着機の蒸着源に対して影になることで、回折格子の谷部の膜厚が薄くなり、膜厚が不均一となる。特に、曲率半径が小さいレンズ面に回折格子が設けられる場合は、格子面全体に反射防止膜を均一に蒸着するのが困難である。

特許文献４では回折格子の保護膜が不均一になることを想定して、凹凸パターンに保護膜を形成した後の最終的な形状が理想形状となるように凹凸パターンを決定している。

しかし、反射防止膜の屈折率は、回折格子の屈折率とは異なるため、反射防止膜を蒸着した最終的な形状が理想形状であるとしても、透過型の回折光学素子においては、屈折率の違いによって光路長が設計からずれてしまい、回折効率が低下してしまう。

本発明は、回折格子の格子面への反射防止膜の蒸着が不均一であっても、高い回折効率が得られる回折光学素子を提供することを目的とする。

鋸歯状の格子面を備えた回折格子を有する透過型の回折光学素子において、前記格子面には反射防止膜が蒸着されており、該反射防止膜の膜厚が一定であるとして算出される参照面と前記格子面の任意の位置との間隔をＤｂ、前記回折格子の屈折率をＮｂ、前記格子面の格子の頂点における前記反射防止膜の膜厚をＤ、前記格子面の任意の位置における前記反射防止膜の膜厚をＤｘ、前記反射防止膜の屈折率をＮｃ、波長をλ、回折次数をｍとしたとき、
│（Ｎｂ−１）×Ｄｂ−（Ｎｃ−１）×（Ｄ−Ｄｘ）│＜ｍλ／５
を満足するように前記格子面の形状を前記参照面の形状とは異ならせたことを特徴とする。

反射防止膜の膜厚が不均一であっても、高い回折効率が得られる透過型の回折光学素子を得ることができる。

図１は回折光学素子の正面図である。１は透過型の回折光学素子であり、２は格子部２ａが輪帯状に形成されている回折格子である。回折格子２は、格子部２ａのピッチを細かくすることで光学的パワーを強くすることができる。また、格子部２ａのピッチを輪帯の位置により変化させることで非球面効果を得ることもできる。Ｌａは光軸である。

図２は回折光学素子１の断面図である。３、４は共にレンズである。５は第１の回折格子であり、レンズ３に設けられている。６は第２の回折格子であり、レンズ４に設けられている。一般に、回折格子５、６はＵＶ硬化樹脂で形成されており、成形用の型を使用したレプリカ成型により製造される。７は空気層である。

図７は、従来の設計方法にて形成した第１の回折格子１０および第２の回折格子１１の説明図である。１０ｂは第１の回折格子１０の格子部１０ａの壁面、１１ｂは第２の回折格子１１の格子部１１ａの壁面である。１０ｃは格子部１０ａの谷部、１１ｃは格子部１１ａの谷部である。１０ｄは格子部１０ａの頂点、１１ｄは格子部１１ａの頂点である。１０５は入射光線である。１２は空気層である。

図１５は反射防止膜を回折格子に蒸着するための蒸着機１９１の概略図である。図７に示す第１の回折格子１０および第２の回折格子１１に反射防止膜を蒸着する場合には、格子部１０ａ、１１ｂが蒸着源に対向するように配置される。５は第１の回折格子１０や第２の回折格子１１などの蒸着対象物である。１９２は蒸着源、１９３は蒸着対象物を固定する蒸着笠、１９４は蒸着笠１９３の回転軸である。

蒸着源１９２は回転軸１９４から離れた位置に配置されており、通常の蒸着対象物５においては、蒸着笠１９３が回転して蒸着対象物の位置が変わることにより膜厚が均一化される。しかしながら、回折格子の表面（格子面）に蒸着を行う場合には、格子部による影の部分が蒸着笠１９３の回転によって伸びたり縮んだりするため、格子面の広い範囲で膜厚が不均一になる。特に、格子部の谷部１０ｃ、１１ｃでは蒸着源１９２に対して影になるために蒸着膜の膜厚が薄くなる。

図６は、第１の回折格子１０に反射防止膜を蒸着するときの拡大説明図である。８３は反射防止膜を構成するコーティング材料の第１の回折格子１０への入射方向である。このように、格子部１０ａの谷部１０ｃが頂点１０ｄの影になりコーティング材料が付着しにくい。

図３は、従来の設計方法にて形成した格子部１０ａの壁面１０ｂ付近の拡大図であって、反射防止膜が不均一に蒸着されている状態を示している。３１は反射防止膜である。格子部１０ａの谷部１０ｃに近づくにつれて反射防止膜３１の膜厚が薄くなり、谷部１０ｃ付近においては全く反射防止膜３１が付着しない部分３４が存在する。１０ｅは格子面である。

このような回折格子は、格子面の凹凸パターンが理想形状（設計形状）から変形してしまっているため、回折効率が低下して、不要回折光によるゴースト光が発生してしまう。

図５は回折格子１０の回折効率の説明図である。ほぼ１００％の回折効率を示している曲線７２は、反射防止膜が均一の膜厚で蒸着されたときの回折効率である。これに対して曲線７１は、膜厚が３００ｎｍの反射防止膜が幅８μｍにわたって不均一な膜厚で蒸着されたときの回折効率である。反射防止膜の膜厚が不均一であることによって、曲線７１の短波長側で８７％、長波長側で９４％程度に回折効率が低下する。

そこで、本発明の実施例にかかる回折光学素子１は、鋸歯状の格子部５ａ、５ｂを有する第１の回折格子５および第２の回折格子６をそれぞれレンズ３およびレンズ４上に形成した透過型の回折光学素子であって、以下に説明される特徴を有する。

図４は本発明の実施例１にかかる回折光学素子１の格子部５ａの拡大説明図である。格子部５ａの格子面５ｅには反射防止膜４１が蒸着されている。５ｆは壁面５ｂ付近の補正部であって、反射防止膜４１が回折格子の格子面５ｅに均一な膜厚で蒸着されるとして設計される参照面（破線で図示されている）とは格子面５ｅの形状を異ならせている部分である。格子面５ｅの参照面に対する距離Ｄｂは、頂点５ｄから谷部５ｃに向かって減少し、谷部５ｃの近傍（壁面５ｂの近傍）で増大する。

これは、蒸着される反射防止膜の不均一な膜厚を予め補正するように、格子面５ｅの形状を谷部５ｃに近づくにつれて変形させて補正部５ｆを形成したものである。格子面５ｅの形状を、回折格子５の材料の屈折率を考慮して変化させることにより、不均一な膜厚により生じる光路長の誤差を正確に補正することができる。

具体的には、以下の条件式を満足するように格子面５ｅの形状を参照面の形状と異ならせて補正するのがよい。
│（Ｎｂ−１）×Ｄｂ−（Ｎｃ−１）×（Ｄ−Ｄｘ）│＜ｍλ／５
なお、反射防止膜の膜厚が一定であるとして算出される参照面と格子面の任意の位置との間隔をＤｂとする。回折格子５の屈折率をＮｂとする。頂点５ｄにおける反射防止膜４１の膜厚をＤとする。反射防止膜４１の任意の位置における膜厚をＤｘとする。反射防止膜４１の屈折率をＮｃとする。波長をλ、回折次数をｍとする。

反射防止膜４１の屈折率Ｎｃは格子部５ａの材料の屈折率Ｎｂより高いため、補正部５ｆの頂点近傍の厚さは、反射防止膜４１の膜厚Ｄよりも厚くなっている。

また、反射防止膜４１は頂点５ｄから途中までは、蒸着時に頂点５ｄの影になる影響がほとんどないため、ほぼ一定の膜厚Ｄとなり、途中から谷部５ｃに向けて徐々に膜厚Ｄｘが減少する。

数式２において、左辺が０の時に回折効率が最大となるが、式の範囲を超えると、回折効率が低下し、フレアが生じるためよくない。

本実施例においては、第１の回折格子５と第２の回折格子６を有する積層型の回折光学素子について説明したが、回折格子が一つである単層型の回折光学素子に本発明を適用することもできる。

図８は本発明の実施例２の回折光学素子の説明図である。１１１は第１の回折格子、１１２は第２の回折格子である。１１３は第１の回折格子１１１の格子部１１１ａの格子面である。１１４は第２の回折格子１１２の格子部１１２ａの格子面である。１１７は回折光学素子１の空気層である。１１５は第1の回折格子１１１の格子部１１１ａの一部を変形させた補正部であり、１１６は第２の回折格子１１２の格子部１１２ａの一部を変形させた補正部である。

本実施例の回折光学素子は、広い波長域にわたり良好な回折効率を得ることができる積層型の回折光学素子であって、空気層１１７と接する回折格子１１１、１１２の格子面１１３、１１４に対して反射防止膜を蒸着する必要がある。回折効率の低下を防ぐために、実施例１と同様に、第１の回折格子１１１および第２の回折格子１１２の谷部の格子面を予め変形している。

本実施例では、谷部１１１ｃ、１１２ｃが浅くなる方向に補正しており、型加工の上で有利であることを特徴としている。この理由を回折光学素子の製造過程に基づいて説明する。

図１３及び図１４は回折光学素子のレプリカ成形による製造過程の説明図である。

図１３において１６１は紫外線光源（ＵＶ光源）である。１６２は第１の回折格子１１１の材料である第1のＵＶ硬化樹脂である。１６３は回折格子１１１を成型するための金型である。

１６４は回折格子１１１の谷部１１１ｃ、１６５は回折格子１１１の頂点１１１ｄに対応している。ＵＶ硬化樹脂１６２の滴下装置により回折格子１１１の金型１６３上に未硬化状態のＵＶ硬化樹脂１６２を滴下し、回折格子１１１のベースガラス（基板）を、基板表面をカップリング処理した上でＵＶ硬化樹脂１６２に押し付ける。これにより未硬化のＵＶ硬化樹脂１６２を平坦化する。この状態で高圧水銀ランプ等の紫外線光源１６１により、紫外線を照射することでＵＶ硬化樹脂１６２を硬化させる。

図１４は図１３において、金型１６３とＵＶ硬化樹脂１６２の離型後の第1の回折格子１１１の状態を示した説明図である。１１１ｃは第1の回折格子１１１の格子部１１１ａの谷部である。１１１ｄは第1の回折格子１１１の格子部１１１ａの頂点である。

回折格子１１１用の金型１６３は、回折格子１１１の谷部１１１ｃが浅くなる方向に変形されている。つまり、金型１６３は、格子部１１１ａの頂点１６３ｄを低くする方向へ変形されている。

一般に、金型はダイヤモンドバイトの切削加工により加工されるため、金型の格子部１６３ａの頂点１６３ｄを低くする加工はダイヤモンドバイトと金型の干渉の問題も無く比較的容易である。逆に、金型１６３の谷部１６３ｃを加工することにより回折効率を補正する方法も考えられる。しかしながら、この方法は型加工を行う上では金型を掘り込む方向に加工する必要があり、ダイヤモンドバイトと金型の干渉により、掘り込める深さ及び角度に制限が生じ、加工が比較的困難となる。

図１０は本発明の実施例３の説明図である。図１０において１３１は第１の回折格子、１３２は第２の回折格子である。１３１ｃは第１の回折格子１３１の格子部１３１ａの谷部、１３２ｃは格子部１３２ａの谷部、１３１ｄは格子部１３１ａの頂点、１３２ｄは格子部１３２ａの頂点である。

第１の回折格子１３１においては谷部１３１ｃも頂点（山部）１３１ｄのいずれについても格子部１３２ａの格子面の形状は設計値（参照面の形状）から変更していない。

一方、第２の回折格子１３２は、その谷部１３２ｃと頂点１３２ｄのいずれについても格子形状を変形させている。頂点１３２ｄはより高くする方向に変形させ、谷部１３２ｃはより深くする方向に変形させている。

本実施例では、第１の回折格子１３１において反射防止膜の膜厚が不均一になっているところを、第２の回折格子１３２において、第１の回折格子１３１により生じる補正を含めて予め補正していることを特徴としている。

すなわち、第１の回折格子１３１の谷部１３１ｃの反射防止膜が薄くなることにより生じる光路長の誤差を第２の回折格子１３２の頂点１３２ｄを高くすることで補正し、回折効率の低下を良好に補正している。本実施例によれば、一方の金型を加工するだけで補正することができるため有効である。

図９は本発明の実施例４の説明図である。１２１は実施例４の回折格子の成型用いられる金型である。１２２は金型１２１の変形部分、１２３は金型１２１の変形部分１２２の幅、１２４は金型１２１の変形部分の高さである。

実施例４においては、回折格子の格子部の谷部を浅くする方向に補正するため、金型１２１の格子部１２１ａの頂点１２２を取り除く方向に加工する。

図１１は輪帯番号に対する格子部の変形部分の幅１２３の変化を示すグラフである。なお、輪帯番号は、回折格子の格子部の内側の輪帯から外側の輪帯に向かって増加する。

図１２は輪帯番号に対する金型の頂点の高さ１２４の変形量を示すグラフである。

図１１、図１２に示したように輪帯番号が増加するにしたがって変形部分の幅１２３と変形部分の高さ１２４の変形量のいずれも増加している。これは、回折格子の格子部の輪帯番号が増加するにしたがって、蒸着時における格子部の影が増加し、反射防止膜の膜厚の誤差が増加することによる。

また、回折格子の基板(レンズ等)の曲率半径と蒸着機の配置によっては、光軸付近の膜厚が厚く、光軸から離れるに従って薄くなる場合もある。このような場合には格子部の谷部に発生する膜厚の誤差は光軸から離れるに従って小さくなる。このような場合には、光軸から離れるに従って補正する厚みを薄くすればよい。

以上のように、各実施例の回折光学素子では、格子面上にコーティング材料（反射防止膜）を蒸着している。そして反射防止膜の膜厚の誤差を補正するように、予め回折格子の格子面（特に、格子部の頂点又は谷部）の形状を膜厚の誤差により生じる光路長差に基づいて参照面の形状から変形させている。

このときの変形は反射防止膜の屈折率及び膜厚の誤差から算出される光路差が補正される形状としている。

また、回折光学素子の光軸から周辺に向けて発生した反射防止膜による膜厚分布の変化分を補正する方向に格子部の谷部の形状を変形させている。

例えば、形状の補正は格子部の谷部の格子厚を厚くなる方向に補正している。

又、このとき補正形状は光軸中心から周辺に向けて、輪帯が外側に行くに従って、補正量を増している。

回折光学素子が積層型の回折格子であるときは、一方の回折格子の反射防止膜の膜厚が不均一であることに対して、他方の回折格子の格子面の形状を変形させても良い。

各実施例の回折光学素子は、このように透過型の回折光学素子において、反射防止膜の膜厚がの不均一であることにより生じる光路差を、予め格子面の形状を補正しておくことによって使用波長全域において良好な回折効率を得ている。

本発明にかかる回折光学素子を備えた光学系は、回折光学素子の高い回折効率によりフレアが生じにくい点で有用である。

本発明の実施例１の要部概略図 本発明の実施例１の要部断面図 従来の回折格子の壁面付近の拡大図 本発明の実施例１の壁面付近の拡大図 回折効率を比較する説明図 反射防止膜の蒸着における拡大図 積層型の回折光学素子の断面図 本発明の実施例２の説明図 本発明の実施例４の説明図 本発明の実施例３の説明図 本発明の実施例４の格子部の変形幅の説明図 本発明の実施例４の格子部の変形高さの説明図 回折格子の製造過程の説明図 回折格子の製造過程の説明図 蒸着機の要部概略図

符号の説明

１ 回折光学素子
２ 回折格子
２ａ 格子部
３ 基板
４ 基板
５ 第１の回折格子
６ 第２の回折格子
７ 空気層
５ａ、６ａ 格子部
５ｂ、６ｂ 壁面
５ｃ、６ｃ 谷部
５ｄ、６ｄ 頂点
５ｅ、６ｅ 格子面
３１、４１、５１、６１ 反射防止膜
１４１ 回折光学素子
１４２ 基板
１４４ 回折格子
１４４ａ 格子部
１９１ 蒸着機
１９２ 蒸着源
１９３ 蒸着笠
１９４ 回転軸

Claims (2)

1. 鋸歯状の格子面を備えた回折格子を有する透過型の回折光学素子において、前記格子面には反射防止膜が蒸着されており、該反射防止膜の膜厚が一定であるとして算出される参照面と前記格子面の任意の位置との間隔をＤｂ、前記回折格子の屈折率をＮｂ、前記格子面の格子の頂点における前記反射防止膜の膜厚をＤ、前記格子面の任意の位置における前記反射防止膜の膜厚をＤｘ、前記反射防止膜の屈折率をＮｃ、波長をλ、回折次数をｍとしたとき、
   │（Ｎｂ−１）×Ｄｂ−（Ｎｃ−１）×（Ｄ−Ｄｘ）│＜ｍλ／５
   を満足するように前記格子面の形状を前記参照面の形状とは異ならせたことを特徴とする回折光学素子。
2. 請求項１の回折光学素子を有する光学系。