JP2019012209A - 回折光学素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 回折光学素子の第２の層の成形工程で、強度分布を有する光を照射して、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減する。
【解決手段】 基材上に回折格子形状を有する第１の層と、第１の層に密着した第２の層を順に形成する回折光学素子の製造方法であって、第２の層の厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下であり、第２の層は光エネルギーを与えて硬化させて形成する。その光エネルギーの強度分布が、回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子の谷部からｍ＋１番目の格子の谷部までの距離をｐ（ｍｍ）、光軸から前記第２の層中の光強度が極大である位置までの距離をＩ（ｒ）ｍａｘ（ｍｍ）としたとき、ｂ≦Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．４ｐを満たすことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
【選択図】 図１

Description

本発明は、カメラやビデオ等の光学機器に使用される回折光学素子およびその製造方法に関するものである。また、回折光学素子を用いた光学機器に関する。

カメラやビデオ、またその他の光学機器の光学系には、基材（基板）の上に光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を成形することにより得られる複合型光学素子が広く用いられており、具体的には非球面レンズやピックアップレンズ、回折光学素子等が挙げられる。その中でも回折光学素子について様々な製法が提案されている。特許文献１の回折光学素子の製造方法は、まず、所定の形状を有した第１の型と基板の間に第１の材料を設ける工程と、光エネルギーを与えて第１の材料を硬化させる工程と、第１の型から第１の材料を離型して基材上に第１の層を形成する工程とを順に行う。その後、第２の型と第１の層の間に第２の材料を設ける工程と、光エネルギーを与えて第２の材料を硬化させる工程と、第２の型から第２の材料を離型して第１の層上に第２の層を形成する工程とを順に行うことが開示されている。

特開２０１２−２１８３９４号公報

しかしながら、特許文献１に記載された回折光学素子の製造方法では、第２の層に対して均一な強度の光が照射される。そのため、第２の層を硬化、形成する工程において、第１の層上に形成された第２の層の第１の層と接しない面（平坦面）に、第１の層の格子形状に起因した変形（うねり、凹み）が発生する。すなわち、本来は平坦平滑であるべき平坦面が凹凸形状に変形する。その結果、回折光学素子を透過する光の透過波面が位相ずれを起こしたまま光学系の撮像面に到達し、撮像された画像のボケ像（レンズの焦点の範囲外の領域における像）に同心円状の縞模様が発生するという課題があった。

本発明は、上述の課題に対処するためになされたものであり、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減する回折光学素子とその製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための回折光学素子の製造方法は、回折格子形状を反転した形状を有する第１の型と基材との間に光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料を設ける工程と、熱または光エネルギーを与えて前記第１の材料を硬化させ、前記基材上に第１の層を形成する工程と、前記第１の型から前記第１の層を離型する工程と、第２の型と前記第１の層の間に光硬化性樹脂を含む第２の材料を設ける工程と、光エネルギーを与えて前記第２の材料を硬化させ、前記第１の層上に前記第１の層と密着した厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下の第２の層を形成する工程と、前記第２の型から前記第２の層を離型する工程と、を有する回折光学素子の製造方法であって、前記第２の層を形成する工程において、前記光エネルギーが回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子の谷部からｍ＋１番目の格子の谷部までの距離をｐ（ｍｍ）、前記光軸から前記第２の層中の光強度が極大である位置までの距離をＩ（ｒ）ｍａｘ（ｍｍ）としたとき、ｂ≦Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．４ｐを満たすことを特徴とする。

上記課題を解決するための回折光学素子は、基材上に回折格子形状を有する第１の層と、前記第１の層の上に第２の層が密着して設けられた回折光学素子であって、前記第２の層の厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下であり、回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子の谷部からｍ＋１番目の格子の谷部までの距離をｐ（ｍｍ）、前記光軸から回折光学素子の径方向の距離をｒ（ｍｍ）、ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たすときの第２の層の屈折率をＫａ、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たすときの第２の層の屈折率をＫｂとしたときに、Ｋａ／Ｋｂが１．０００１から１．０００６までの範囲にあることを特徴とする。

本発明によれば、第２の層の変形を抑制し、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減した光学性能に優れた回折光学素子とその製造方法を提供することができる。

本発明の回折光学素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。 本発明の回折光学素子の製造方法の第２の材料を硬化させ、第２の層を形成する工程の一実施形態を示す概略図である。 本発明の回折光学素子の一実施形態の上面図と断面図である。 回折光学素子の部分拡大断面図である。 本発明の回折光学素子の製造方法の第２の材料を硬化させ、第２の層を形成する工程の一実施形態を示す概略図である。 本発明の光学機器の一実施形態を示す概略図である。

（回折光学素子の製造方法）
以下に本発明の回折光学素子の製造方法について説明する。

図１の（ａ）から（ｆ）は、本発明の回折光学素子の製造方法の一実施形態を示す工程図である。

図１に示すように、本発明の回折光学素子の製造方法は、回折格子形状を反転した形状を有する第１の型３と基材１との間に光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料２ａを設ける工程（ａ）を有する。また、熱または光エネルギーを与えて第１の材料２ａを硬化させ、基材上に第１の層２を形成する工程（ｂ）と、第１の型３から第１の層２を離型する工程（ｃ）とを有する。また、第２の型５と第１の層２の間に光硬化性樹脂を含む第２の材料４ａを設ける工程（ｄ）とを有する。さらに、光エネルギーを与えて第２の材料４ａを硬化させ、第１の層２上に第１の層２と密着した厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下の第２の層４を形成する工程（ｅ）と、第２の型５から第２の層４を離型する工程（ｆ）とを有する。

（工程ａ）
前記第１の型３は、回折格子形状を反転した形状を有している。前記第１の型３の材質としては、金属や樹脂などの公知の材質を用いることができる。例えば、金属母材上にＮｉＰやＣｕ等のメッキ層を形成し、メッキ層を切削や研磨することで製造されたもの等が挙げられる。

前記第１の材料２ａを前記第１の型３と基材１との間に設ける方法としては、基材１または第１の型３、若しくは基材１と第１の型３の両方に第１の材料２ａを滴下し、基材１と第１の型３の間に材料２ａを広げる方法がある。第１の材料２ａを広げる方法としては、基材１や第１の型３を互いが接近する方向に近づけていく方法や、基材１や第１の型３に対して互いが接近する方向に荷重を与える方法等公知の手法を用いることができる。ここで、図１（ａ）は第１の型３に矢印方向へ荷重を加える手法を示している。また、基材１や第１の型３の自重で充填する方法、第１の材料２ａを加熱し粘度を下げることで充填させる方法等も用いることができる。

ここで、第１の材料２ａを、目的の厚さになるまで、且つ光学有効部内の格子形状を覆うまで押し広げる。第１の材料２ａは光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む。また、第１の材料２ａは低屈折率高分散の樹脂材料が好ましく、具体的には、フッ素系エポキシ樹脂、硫黄含有アクリル樹脂、酸化チタン、酸化インジウム錫、酸化ジルコニウム等を用いることができる。

（工程ｂ）
前記第１の材料２ａを硬化させるには、硬化に必要な熱または光エネルギーを第１の材料２ａに付与する必要がある。図１（ｂ）は基材１側から光源１２によって光エネルギーを材料２ａに付与する手法を示している。光エネルギーとしては、例えば、紫外光や可視光を用いることができる。ここで、第１の材料２ａを硬化させることにより、基材１上に第１の層２を形成することができる。また、光エネルギーと熱エネルギーを同時に与えても良いし、段階的に双方を使用しても良い。

（工程ｃ）
前記第１の型３から前記第１の層２を離型する方法としては、基材１の端部に対して第１の型３から離型する方向に荷重を加える方法、第１の型３に対して基材１から離型する方向に荷重を加える方法等の公知の方法を用いることができる。ここで第１の層２には、第１の型３によって高さがｚである回折格子７が転写される。

（工程ｄ）
前記第２の型５と前記第１の層２との間に前記第２の材料４ａを設ける方法としては、第１の層２または第２の型５、若しくは第１の層２と第２の型５の両方に第２の材料４ａを滴下し、第１の層２と第２の型５の間に第２の材料４ａを広げる方法がある。第２の材料を広げる方法としては、基材１や第２の型５を互いが接近する方向に近づけていく方法や、基材１や第２の型５に対して互いが接近する方向に荷重を与える方法等の公知の手法を用いることができる。また、基材１や第２の型５の自重で充填する方法、第２の材料４ａを加熱し粘度を下げることで充填させる方法等も用いることができる。ここで、図１（ｄ）は第２の型５に矢印方向へ荷重を加える手法を示している。

ここで、第２の材料４ａを、第２の層４の厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下になるよう、且つ光学有効部内の格子形状を覆うまで押し広げる。第２の材料４ａは、光硬化性樹脂を含む。また、第２の材料４ａは高屈折率低分散の樹脂材料が好ましく、具体的には、フッ素系エポキシ樹脂、硫黄含有アクリル樹脂、酸化チタン、酸化インジウム錫、酸化ジルコニウム等を用いることができる。また、第１の材料２ａと第２の材料４ａとは異なる材料であることが好ましい。

（工程ｅ）
第２の材料４ａを硬化させるには、硬化に必要な光エネルギーを第２の材料４ａに付与する必要がある。図１（ｅ）は、第２の型５側から光源１２によって光エネルギーを材料４ａに付与する手法を示している。光エネルギーとしては、例えば、紫外光や可視光等を第２の材料４ａに与えることができる。第２の材料４ａを硬化させることにより、第１の層２上に密着した第２の層４を形成することができる。第２の材料４ａを硬化する光エネルギーは、強度分布を持たせる。具体的には、回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子の谷部からｍ＋１番目の格子の谷部までの距離をｐ（ｍｍ）とする。また、前記光軸から前記第２の層４中の光強度が極大である位置までの距離をＩ（ｒ）ｍａｘ（ｍｍ）としたときに、関係式ｂ≦Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．４ｐを満たすような強度分布を持たせる。好ましくはｂ＜Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．２ｐであり、より好ましくはｂ＜Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．１ｐである。

または、第１の層２の回折格子の高さをｚ（ｍｍ）、前記光軸から回折光学素子の径方向の距離をｒ（ｍｍ）とする。そのときに、ｒ＝ｂ＋ｚの位置における前記第２の層４中の光強度が、ｒ＝ｂ＋ｐ−ｚの位置における前記第２の層４中の光強度より高くなるような強度分布を持たせる。

図５は第２の層４中に与える光エネルギーに強度分布をもたせる手法の一例を示した図である。図５のように例えば、光エネルギー１１を与える紫外線照射ランプ等の光源１２と第２の型５の間にグレイマスク１０を配置して、このグレイマスク１０を介して光を照射することによって強度分布をもたせることができる。また、グレイマスク１０を光源１２と基材１の間に配置して、基材１側から光を照射しても良い。

図２は、本発明の回折光学素子の製造方法の第２の材料を硬化させる工程の一実施形態を示す概略図である。図２において、回折光学素子の光軸８からの径方向の距離を示すｒ方向に強度分布を有する光強度Ｉ（ｒ）が、基材１上にある第１の層２上に設けられた第２の材料４ａに照射される。なお、説明の便宜上、図２においては第２の型５を省略している。ここで、回折光学素子の光軸８からｍ番目の格子の谷部１３までの距離ｂ、ｍ番目の格子からｍ＋１番目の格子までの距離ｐ、回折光学素子の光軸８から第２の層４中の光強度が極大である位置までの距離Ｉ（ｒ）ｍａｘをそれぞれ、図２のように定義する。

第２の材料４ａが硬化してなる第２の層４中において、強度の強い光を照射した部分（例えば、ｒ＝Ｉ（ｒ）ｍａｘの位置）では、硬化収縮や反応熱の膨張によって圧縮応力が発生する。反して、第２の層４層中で強度の弱い光を照射した部分では、相対的に引っ張り応力が発生する。続く第２の型５から第２の層４を離型する工程では、平坦面６で応力を拘束していた第２の型５が外れるので、第２の層４中の応力が多少なりとも開放される。第２の層４中で圧縮応力が発生した部分は、離型後の応力開放によって膨張するので、平坦面６は、凸形状へ向かう。反して、第２の層４中で引っ張り応力が発生した部分は、離型後の応力開放によって収縮するので、平坦面６は、凹形状へ向かう。

従来技術のように第２の層４に対して均一な強度の光を照射して離型する場合、平坦面６には、図４に示すような第１の層２の格子形状に倣ううねり形状が発生する。本明細書において、うねり厚とは図中のＵで示した長さをいう。うねり形状のレンズ径方向の間隔は、第１の層２の格子形状の間隔に倣うが、レンズ面法線方向のうねり厚は、光軸からの距離ｒと第２の層４の厚さと第１の層２の格子形状の格子高さｚに依存する。第２の層４の光軸からの距離が近いほどうねり厚は大きくなる。とりわけ、光軸を中心とするレンズ半径の２０％以内の距離にある第２の層４でうねり厚は顕著に大きくなる。また、第２の層４の厚みが薄いほどうねり厚は大きくなる。とりわけ、第２の層４の厚さが１００μｍ以下になると、うねり厚は顕著に大きくなる。また、格子形状の格子高さが高いほどうねり厚は大きくなる。ここで、好ましい第２の層４の厚さは２０μｍ以上である。

このような現象は、第２の層４を構成する光硬化性樹脂の硬化収縮によって引き起こされる。第２の層４の硬化収縮による応力は、レンズの光軸に近いほど大きくなるので、うねり厚も同時にレンズの光軸に近いほど大きくなる。また、同応力は、第２の層４の厚さが厚いほど層中に分散してしまうので、うねり厚も同時に第２の層４の厚さが厚いほど小さくなる。また、同応力は、格子高さｚが高いほど、応力のせん断成分が大きくなるので、うねり厚も同時に格子高さｚが高いほど大きくなる。

以下、うねり形状とその発生メカニズムについてより詳細に説明する。

図４は基材１上に第１の層と第１の層に密着した第２の層とが順に設けられた回折光学素子の部分拡大断面図である。ここで、密着とは隙間や空気層がないことをいう。図４に示すように、第２の層４の厚みは、下層の格子先端部で薄く、格子谷部で厚くなる。第２の材料４ａが一様に硬化収縮すると、第２の層４の厚さ方向の硬化収縮量は、格子先端部よりも格子谷部のほうが厚い分だけ大きくなる。さらに、レンズ径方向のうねり形状の凹部の位置は、第１の層２の格子形状の格子高さに依存する。うねり形状の凹部は、格子壁面近傍の第２の層４の厚さが厚い側に発生する。格子形状の格子高さをＸμｍとすると、うねり形状の凹部は、格子壁面からレンズ径方向へ凡そＸμｍの位置に発生する。本発明では、本来うねり形状の凹部が発生する当該部に対して、相対的に強い強度の光を照射することで、当該部に圧縮応力を発生させる。この圧縮応力を利用して、うねり形状の凹部を逆に膨張させることで、平坦面６をより平坦平滑に形成できる。一方で、うねり形状の凸部は、格子壁面近傍の第２の層４層の厚さが薄い側に発生する。このうねり形状の凸部が発生する当該部に対しては、相対的に弱い強度の光を照射することで、引っ張り応力を発生させる。この引っ張り応力を利用して、うねり形状の凸部を逆に収縮させることで、平坦面６をより平坦平滑に形成できる。すなわち、第２の材料４ａを硬化させる光エネルギーに、関係式ｂ≦Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．４ｐを満たすような強度分布を持たせることにより、平坦平滑である（うねり厚が少ない）平坦面６を得ることができる。

ここで、Ｉ（ｒ）ｍａｘがｂ＋０．４ｐよりも大きくなると、うねり形状の凹部の発生位置とは異なる位置の第２の層４中に圧縮応力を付加するので、うねり形状を十分に抑制できない。その結果、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを十分に低減できない。

また、前記光軸から半径ｒの位置（ただし、ｂ≦ｒ＜ｂ＋ｐとする。）における前記第２の層中の光強度の極小値に対する前記光強度の極大値との比は、１．２以上１０以下であることが好ましい。この範囲において、第２の層４中にはうねり形状を低減するのに適した圧縮応力と引っ張り応力が発生するためである。その結果、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれをより低減することができる。

さらに、光強度の極大値については、１０ｍＷ／ｃｍ^２以上５０ｍＷ／ｃｍ^２以下であることが好ましい。この範囲において、第２の層４中にはうねり形状を低減するのにより適した圧縮応力が発生するためである。その結果、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれをより低減することができる。ここで、光強度の値は、例えば、紫外線積算光量計を用いて測定することができる。

（工程ｆ）
最後に前記第２の層４を前記第２の型５から離型することで回折光学素子を得る。

（回折光学素子）
図３は本発明の回折光学素子の上面図と断面図である。本発明の回折光学素子は、基材１上に、回折格子形状を有する第１の層２と、第１の層２の上に第２の層４が光軸方向に密着して設けられた構造である。また、第２の層４は、厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下であり、平坦面６を有する。ここで、第２の層４の厚さは平坦面６に略垂直な方向の第２の層４の厚みとし、回折格子７の段差の高さ分は含めないこととする。すなわち、図３においてＴで示した厚みとする。

第２の層４の厚さを１００μｍ以下にすることで、第２の材料４ａを硬化させる工程において第２の層４に発生する硬化収縮による応力の分布を顕著にすることができる。第２の層４の厚さが１００μｍを超える場合、第２の層４の硬化収縮によって発生する応力が厚い第２の層４中に分散してしまうので、応力分布が顕著にならない。一方、第２の層４の厚さが０．５μｍ未満である場合、強度分布を有する光の照射による第２の層４中の強い圧縮応力や引っ張り応力がヒケ（材料の硬化収縮によって生じるへこみ、窪みのこと）を発生させる。特に、第２の層４の下層の格子先端部に近接する界面でヒケが発生しやすい。ヒケが発生すると回折光学素子の外観が悪化して、充分な光学性能を得ることができない。好ましい第２の層４の厚さは２０μｍ以上である。

また、本発明の回折光学素子は、回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子の谷部からｍ＋１番目の格子の谷部までの距離をｐ（ｍｍ）、前記光軸から回折光学素子の径方向の距離をｒ（ｍｍ）とする。そのとき、ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たすときの第２の層の屈折率をＫａとする。また、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たすときの第２の層の屈折率をＫｂとする。そのときに、Ｋａ／Ｋｂが１．０００１から１．０００６までの範囲にあることを特徴とする。この範囲を満たすとき、良好な光学性能を得ることができる。

Ｋａ／Ｋｂが１．０００１未満であると、第２の層中の圧縮応力や引っ張り応力の発生が小さくなり、うねり厚が大きくなる。一方、Ｋａ／Ｋｂが１．０００６を超えると、第２の層中の圧縮応力や引っ張り応力の発生が大きくなりヒケが発生しやすくなる。

ここで、屈折率は、例えば、顕微分光測定器を用いて測定することができる。

さらに、本発明の回折光学素子は、前記第２の層におけるうねり厚が８０ｎｍ以下であることが好ましい。うねり厚が８０ｎｍを超えると、回折光学素子を透過する光の透過波面が位相ずれを起こしたまま光学系の撮像面に到達し、撮像された画像に同心円状の縞模様が発生するおそれがある。

また、本発明の回折光学素子は、第２の層４中の強度の強い光を照射した部分の硬化反応率が、強度の弱い光を照射した部分の硬化反応率より高いことが好ましい。ここで、前記強度の強い光を照射した部分とはｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たす部分である。また、強度の弱い光を照射した部分とはｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たす部分である。硬化反応率が前記条件を満たすと、前記Ｋａ／Ｋｂを１．０００１から１．０００６までの範囲にすることが容易になるためである。硬化反応率は、例えば、顕微フーリエ変換赤外分光法を用いて、炭素二重結合部スペクトルの残存率より求めることができる。ここで、炭素二重結合部スペクトルが検出されない状態を硬化反応率１００％とする。なお、一般的な光硬化性樹脂の硬化収縮率は、５〜１０％程度である。

（回折光学素子の評価）
回折光学素子の透過波面の位相ずれは、光干渉計によって測定できるが、より簡易的に当該回折光学素子を用いて撮影した写真によっても評価することができる。具体的には、平坦面のうねり厚と撮影写真のボケ像中の明暗の縞模様における輝度差との関係により評価することができる。透過波面の位相ずれは、撮影写真のボケ像中に同心円状の明暗の縞模様として現れるが、その明暗の輝度差やコントラスト値が、透過波面の位相ずれの程度に等しくなるからである。写真ボケ像中の明暗の縞模様の輝度差は、一般的な画像処理ソフトを用いて解析できる。写真ボケ像中の縞模様の輝度差が６０程度であれば、縞模様が極薄く目立たないので、撮影した写真の見栄えは悪くならない。写真ボケ像中の縞模様の輝度差が１５０を越えると、縞模様が濃く目立つので、撮影した写真の見栄えは悪くなる。

以上のように、第２の層４を形成する工程で発生する第２の層４の変形を抑制して、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減することにより、光学性能に優れた回折光学素子を提供することができる。

（光学機器）
次に本発明の光学機器に関して説明する。本発明の光学機器は、上記回折光学素子とレンズとを配置することを特徴とする。

図６は、本発明の光学機器の好適な実施形態の一例である一眼レフカメラの交換レンズ鏡筒の光学系の断面図である。レンズ鏡筒３０の光学系は、レンズ２１〜２８および回折光学素子２０が光軸Ｏに対して垂直に配列されている。ここでレンズ２１側がレンズ鏡筒の表面であり、レンズ２８側がカメラとの着脱マウント側である。

本発明の回折光学素子２０を光学系の適切な位置に配置させることにより、ボケ像が低減した、色収差が低減した小型かつ軽量のレンズ鏡筒を提供することができる。また、図６のように回折光学素子２０をレンズ２１の内側に設けることにより、回折光学素子２０に外光が直接当たることを防止できるため、フレアを抑制することができる。

以下に実施例を挙げて本発明の回折光学素子、およびその製造方法をより具体的に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
（回折光学素子の製造）
本実施例の回折光学素子の製造方法を、図１を用いて説明する。

基材１には、ガラス（オハラ株式会社製、製品名：Ｓ−ＦＰＬ）からなる半径３０ｍｍ、厚み３ｍｍの両面とも平面であるガラスを用いた。第１の材料２ａには無色透明な光硬化性のフッ素系エポキシ樹脂を用い、第２の材料４ａは無色透明な光硬化性の硫黄含有アクリル樹脂を用いた。

先ず、基材１の第１の層２を形成する面に、フッ素系エポキシ樹脂との密着を強くするためにシランカップリング処理を施した。

次に、基材１のシランカップリング処理面を第１の型３側に向けて配置した。第１の型３はステンレス鋼の土台にＮｉＰをメッキしたものであり、回折格子形状を反転した形状になるように切削加工によって製作した。

次に、第１の型３の中央付近に不図示のディスペンサーにて、フッ素系エポキシ樹脂を６００ｍｇ滴下した（図１（ａ））。なお、フッ素系エポキシ樹脂を基材１のシランカップリング処理面の中央付近に滴下しても良い。

次に、第１の型３を３ｋｇｆの力で１０秒間押圧して、基材１と第１の型３との間に、フッ素系エポキシ樹脂を押し広げ充填した（図１（ｂ））。この時、フッ素系エポキシ樹脂は基材１と第１の型３の間の厚さが２００μｍになるまで押し広げられ、且つ光学有効部内の格子形状を覆った。ここで、フッ素系エポキシ樹脂を基材１と第１の型３の間で同心円状に充填するため、基材１または第１の型３を光軸周りに回転させる工程を追加しても良い。

次に、紫外線照射ランプ（ＨＯＹＡ ＣＡＮＤＥＯ ＯＰＴＲＯＮＩＣＳ株式会社製、製品名：ＵＬ７５０）を用いてフッ素系エポキシ樹脂を硬化した。フッ素系エポキシ樹脂に対して、光強度１０ｍＷ／ｃｍ^２の紫外光を、基材１を通して１０分間照射した。ここで、光強度は紫外線積算光量計（ウシオ電機株式会社製、製品名：ＵＩＴ−２５０）を用いて測定した。

次に、基材１と一体になった第１の層２を第１の型３から離型して、基材１上に第１の層２を形成した。第１の層２には、第１の型３によって回折格子７が転写された（図１（ｃ））。

次に、基材１を第１の層２を第２の型５側に向けて配置した。第２の型５は、紫外線を透過する石英材料から成り、研磨加工によって製作した。

次に、第２の型５の中央付近に不図示のディスペンサーにて、硫黄含有アクリル樹脂を１５０ｍｇ滴下した（図１（ｄ））。なお、硫黄含有アクリル樹脂を基材１上の第１の層２の中央付近に滴下しても良い。

次に、基材１を１０ｋｇｆの力で１５秒間押圧して、基材１上の第１の層２と第２の型５の間に、硫黄含有アクリル樹脂を押し広げ充填した（図１（ｅ））。この時、硫黄含有アクリル樹脂は第１の層２と第２の型５の間の厚さが５０μｍになるまで押し広げられ、且つ光学有効部内の格子形状を覆った。ここで、硫黄含有アクリル樹脂を第１の層２と第２の型５の間で同心円状に充填するため、基材１または第２の型５を光軸周りに回転させる工程を追加しても良い。

次に、光源１２として紫外線照射ランプを用いて、硫黄含有アクリル樹脂に対して紫外光を第２の型５を通して１５分間照射して硬化させた。本実施例では、紫外光の強度分布は紫外線照射ランプと第２の型５の間にグレイマスクを配置して、このグレイマスクを介して光を照射することによって設けた（図５参照）。なお、グレイマスクを紫外線照射ランプと基材１の間に配置して、基材１側から光を照射しても良い。グレイマスクを介した光照射は、回折光学素子の光軸から２番目までの格子のみに対して行い、それ以外の格子に対してはグレイマスクを介さず、紫外線照射ランプからの光を直接照射した。

この時、第２の層４における光強度の極大値と極小値は、それぞれ１０ｍＷ／ｃｍ^２と２ｍＷ／ｃｍ^２であり、極小値に対する極大値の比は５であった。なお、光強度は紫外線積算光量計（ウシオ電機株式会社製、製品名：ＵＩＴ−２５０）を用いて測定した。回折光学素子の光軸に近接する１番目の格子（ｍ＝１、ｂ＝０ｍｍ）の距離ｐは３ｍｍ（ｂ＋０．４ｐ＝１．２ｍｍ）であった。また、同格子の第２の層中における光強度の極大値と極小値の位置は、それぞれ光軸上（Ｉ（ｒ）ｍａｘ＝０ｍｍ）と光軸から２．９８ｍｍの距離であった。また、回折光学素子の光軸から２番目の格子（ｍ＝２、ｂ＝３ｍｍ）の距離ｐは１．６ｍｍ（ｂ＋０．４ｐ＝３．６４ｍｍ）であった。また、同格子の第２の層中における平均の光強度の極大値と極小値の位置は、それぞれ光軸から３．０２ｍｍ（Ｉ（ｒ）ｍａｘ＝３．０２ｍｍ）と４．５８ｍｍの距離であった。

最後に、基材１と第１の層２と一体になった第２の層４を第２の型５から離型して、本発明の回折光学素子を得た（図１（ｆ））。

得られた回折格子は光軸に対して軸対称なブレ−ズ型回折格子であり、その格子高さは２０μｍ、レンズ径方向の格子の距離は０．２〜３ｍｍの範囲に分布していた。（図３参照）

第２の層４には、第２の型５によって平坦面６が転写されたが、平坦面６におけるうねり厚は５０ｎｍであった。

（回折光学素子の評価）
続いて、得られた回折光学素子を評価した。

本実施例の回折光学素子では、平坦面の５０ｎｍのうねり厚が、撮影写真のボケ像中の明暗の縞模様における６０の輝度差に相当した。

本実施例では、グレイマスクを用いて、第２の層４に対して強度分布を有する光を照射した。第２の層４中で強度の強い光を照射した部分では、硬化収縮や反応熱の膨張によって圧縮応力が発生する。反して、第２の層４中で強度の弱い光を照射した部分では、相対的に引っ張り応力が発生する。

本実施例の格子形状の格子高さは２０μｍであるから、仮に強度分布を有しない光を照射すると、うねり形状の凹部は、格子壁面からレンズ径方向へ凡そ２０μｍの位置に発生する。本実施例では、本来うねり形状の凹部が発生する当該部に対して、相対的に強い強度の光を照射することで、当該部に圧縮応力を発生させた。この圧縮応力を利用して、うねり形状の凹部を逆に膨張させることで、平坦面６をより平坦平滑に形成した。一方で、うねり形状の凸部は、図４に示すように格子壁面近傍の第２の層４層の厚みが薄い側に発生する。このうねり形状の凸部が発生する当該部に対しては、相対的に弱い強度の光を照射することで、引っ張り応力を発生させた。この引っ張り応力を利用して、うねり形状の凸部を逆に収縮させることで、平坦面６をより平坦平滑に形成した。

さらに、本実施例においては、特に大きなうねり形状が発生する光軸から２番目までの格子の第２の層４に対して、強度分布を有する光を照射することで、平坦面６の全面を平坦平滑に形成した。

本実施例の回折光学素子の第２の層４中の屈折率を顕微分光測定器を用いて測定した。その結果、光軸から回折光学素子の径方向の距離ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たすときの第２の層４の屈折率Ｋａが１．５５５９であった。また、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たすときの第２の層４の屈折率Ｋｂは１．５５５４であった。すなわち、Ｋａ／Ｋｂが１．０００３であった。

また、本実施例での回折光学素子の第２の層４中の硬化反応率を顕微フーリエ変換赤外分光法を用いて測定した。その結果、光軸から回折光学素子の径方向の距離ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たす部分の硬化反応率は８７％であった。また、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たす部分の硬化反応率は７６％であった。

本実施例の回折光学素子の製造方法によれば、第２の層４を形成する工程で発生する第２の層４の変形を抑制することができる。その結果、平坦面６のうねり厚を抑制して、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減できるので、光学性能に優れた回折光学素子を製造することができる。

（比較例１）
比較例１は、第２の層４の厚さが実施例１と異なるだけで、その他の条件は同じである。比較例１の第２の層４の厚さは１０５μｍであり、実施例１のそれよりも厚かった。

比較例１では、第２の層４の厚さが厚いので、強度分布を有する光の照射による第２の層４中の圧縮応力や引っ張り応力が顕著に発生しなかった。離型後の応力開放でもうねり形状の平坦平滑化が不十分なので、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを十分に低減できなかった。

（比較例２）
比較例２は、第２の層４の厚さが実施例１と異なるだけで、その他の条件は同じである。比較例２の第２の層４の厚さは０．４μｍであり、実施例１のそれよりも薄かった。

比較例２では、第２の層４の厚さが薄いので、強度分布を有する光の照射による第２の層４中の強い圧縮応力や引っ張り応力によりヒケが発生した。特に、第２の層４の下層の格子先端部に近接する界面でヒケが発生した。ヒケが発生したため、回折光学素子の外観が悪化して、充分な光学性能を得ることができなかった。

（実施例２）
本実施例の回折光学素子の製造方法は、第２の層４に対して強度分布を有する光を照射する工程における光強度の極大値と極小値とその照射範囲が実施例１と異なるだけで、その他の条件は同じである。

本実施例の第２の層４における光強度の極大値と極小値は、それぞれ５ｍＷ／ｃｍ^２と０．５ｍＷ／ｃｍ^２であり、極小値に対する極大値の比は１０であった。

さらに、実施例１では、強度分布を有する光を回折光学素子の光軸から２番目までの格子に対して照射したが、本実施例においては第２の層４の全面に対して照射した。

本実施例の格子形状の格子高さは１５μｍなので、うねり形状の凹部は、格子壁面から第２の層の厚みが厚い側へ凡そ１５μｍの位置に発生した。うねり形状の凹部が発生する当該部に対して、光強度の極大値５ｍＷ／ｃｍ^２の光を照射した。

得られた回折光学素子の構成は、第２の層４と回折格子７の形状が実施例１と異なるだけで、その他の構成は同じであった。第２の層４の厚さは２０μｍであり、平坦面６のうねり厚は、８０ｎｍであった。回折格子７の高さは、１５μｍであった。（図３参照）

本実施例の回折光学素子は、平坦面６の８０ｎｍのうねり厚が、写真ボケ像中の明暗の縞模様における１００の輝度差に相当した。

本実施例の回折光学素子の第２の層４中の屈折率を顕微分光測定器を用いて測定したところ、Ｋａが１．５５５３で、Ｋｂは１．５５４５であった。すなわち、Ｋａ／Ｋｂが１．０００５であった。

また、本実施例の回折光学素子の第２の層４中の硬化反応率を測定した。その結果、光軸から回折光学素子の径方向の距離ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たす部分の硬化反応率は８２％であった。また、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たす部分の硬化反応率は６８％であった。

このように本実施例では、第２の層４を形成する工程で発生する第２の層４の変形を抑制して、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減するので、光学性能に優れた回折光学素子を提供することができる。特に、第２の層４の厚さがより薄くなっても、第２の層４における光強度の極小値に対する極大値の比をより大きくすることで、うねり形状の抑制された良好な平坦面６を形成することができる。さらに、強度分布を有する光を第２の層４の全面に対して照射することで、うねり形状の抑制された良好な平坦面を第２の層４の全面に形成することができる。

（比較例３）
比較例３は、第２の層中における光強度の極大値の位置が実施例２と異なるだけで、その他の構成は同じである。

比較例３の光強度の極大値の位置は、各格子の距離に対して、格子壁面から第２の層の厚さが厚い側へ４５％の位置（Ｉ（ｒ）ｍａｘ＝ｂ＋０．４５ｐ）とした。具体的に、距離ｐが１ｍｍの格子に対して、光強度の極大値の位置は、格子壁面から第２の層の厚さが厚い側へ０．４５ｍｍの位置であった。

比較例３では、うねり形状の凹部の発生位置とは異なる位置の第２の層４中に圧縮応力を負荷するので、うねり形状を十分に抑制できなかった。よって、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを十分に低減できなかった。

（実施例３）
本実施例の回折光学素子の製造方法は、第１の材料２ａにＩＴＯ微粒子を分散した光硬化性樹脂を用いたこと、第２の材料４ａにＺｒＯ_２微粒子を分散した光硬化性アクリル樹脂を用いたことが異なる。また、第２の層４に対して強度分布を有する光を照射する工程における平均の光強度の極大値と極小値と、光の照射方向も実施例１と異なるが、その他の構成は実施例１と同じである。

本実施例の第２の層４における平均の光強度の極大値と極小値は、それぞれ１２ｍＷ／ｃｍ^２と１０ｍＷ／ｃｍ^２であり、極小値に対する極大値の比は１．２であった。また、実施例１では、紫外線を透過する第２の型５側からグレイマスクを介して強度分布を有する光を照射したが、本実施例においては、基材１側からグレイマスクを介して強度分布を有する光を照射した。この時、第１の層２による紫外線の減衰率も考慮して、照射する光強度を設定した。

本実施例の格子形状の格子高さは３０μｍなので、うねり形状の凹部は、格子壁面から第２の層の厚みが厚い側へ凡そ３０μｍの位置に発生する。うねり形状の凹部が発生する当該部に対して、光強度の極大値１２ｍＷ／ｃｍ^２の光を照射した。

得られた回折光学素子の構成は、第１の層２と第２の層４の材料と、第２の層４と回折格子７の形状が実施例１と異なるだけで、その他の構成は同じである。第２の層４の厚さは１００μｍであり、平坦面６のうねり厚は、２０ｎｍであった。回折格子７の格子高さは、３０μｍであった。（図３参照）

本実施例の回折光学素子では、平坦面６の２０ｎｍのうねり厚が、写真ボケ像中の明暗の縞模様における３０の輝度差に相当した。

本実施例での回折光学素子の第２の層４中の屈折率を顕微分光測定器を用いて測定したところ、Ｋａが１．６２０８で、Ｋｂは１．６２０５であった。すなわち、Ｋａ／Ｋｂが１．０００２であった。

また、本実施例の回折光学素子の第２の層４中の硬化反応率を測定した。その結果、光軸から回折光学素子の径方向の距離ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たす部分の硬化反応率は８８％であった。また、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たす部分の硬化反応率は８１％であった。

このように本実施例では、第２の層４を形成する工程で発生する第２の層４の変形を抑制して、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減するので、光学性能に優れた回折光学素子を提供することができる。特に、第２の層４の厚さがより厚い場合に、第２の層４中における光強度の極小値に対する極大値の比をより小さくすることで、うねり形状の抑制された良好な平坦面６を形成することができる。さらに、基材１側から強度分布を有する光を照射できるので、第２の型５を仕様やコストを考慮した任意の材質で製作することができる。

１ 基材
２ 第１の層
２ａ 第１の材料
３ 第１の型
４ 第２の層
４ａ 第２の材料
５ 第２の型
６ 平坦面
７ 回折格子
８ 光軸
９ 格子壁面
１０ グレイマスク
１１ 光エネルギーの強度
１２ 光源
１３ ｍ番目の格子の谷部
２０ 回折光学素子
２１ レンズ
２２ レンズ
２３ レンズ
２４ レンズ
２５ レンズ
２６ レンズ
２７ レンズ
２８ レンズ
３０ レンズ鏡筒

Claims (7)

1. 回折格子形状を反転した形状を有する第１の型と基材との間に光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料を設ける工程と、
   熱または光エネルギーを与えて前記第１の材料を硬化させ、前記基材上に第１の層を形成する工程と、
   前記第１の型から前記第１の層を離型する工程と、
   第２の型と前記第１の層との間に光硬化性樹脂を含む第２の材料を設ける工程と、
   光エネルギーを与えて前記第２の材料を硬化させ、前記第１の層上に前記第１の層と密着した厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下の第２の層を形成する工程と、
   前記第２の型から前記第２の層を離型する工程と、
   を有する回折光学素子の製造方法であって、
   前記第２の層を形成する工程において、前記光エネルギーが回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子からｍ＋１番目の格子までの距離をｐ（ｍｍ）、前記光軸から前記第２の層中の光強度が極大である位置までの距離をＩ（ｒ）ｍａｘ（ｍｍ）としたとき、
   ｂ≦Ｉ（ｒ）ｍａｘ≦ｂ＋０．４ｐ
   を満たすことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
2. 前記光軸から回折光学素子の径方向の距離ｒの位置（ただし、ｂ≦ｒ＜ｂ＋ｐとする。）における前記第２の層中の光強度の極小値に対する前記光強度の極大値との比が、１．２以上１０以下である請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
3. 前記光強度の極大値が、１０ｍＷ／ｃｍ^２以上５０ｍＷ／ｃｍ^２以下である請求項２に記載の回折光学素子の製造方法。
4. 回折格子形状を反転した形状を有する第１の型と基材との間に光硬化性樹脂または熱硬化性樹脂を含む第１の材料を設ける工程と、
   熱または光エネルギーを与えて前記第１の材料を硬化させ、前記基材上に高さｚ（ｍｍ）の回折格子形状を有する第１の層を形成する工程と、
   前記第１の型から前記第１の層を離型する工程と、
   第２の型と前記第１の層との間に光硬化性樹脂を含む第２の材料を設ける工程と、
   光エネルギーを与えて前記第２の材料を硬化させ、前記第１の層上に前記第１の層と密着した厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下の第２の層を形成する工程と、
   前記第２の型から前記第２の層を離型する工程と、
   を有する回折光学素子の製造方法であって、
   前記第２の層を形成する工程において、前記光エネルギーが回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子からｍ＋１番目の格子までの距離をｐ（ｍｍ）、前記光軸から回折光学素子の径方向の距離をｒ（ｍｍ）としたときに、ｒ＝ｂ＋ｚの位置における前記第２の層中の光強度が、ｒ＝ｂ＋ｐ−ｚの位置における前記第２の層中の光強度より高いことを特徴とする回折光学素子の製造方法。
5. 基材上に回折格子形状を有する第１の層と、前記第１の層の上に第２の層が密着して設けられた回折光学素子であって、
   前記第２の層の厚さが０．５μｍ以上１００μｍ以下であり、
   回折光学素子の光軸からｍ番目（ｍは整数）の格子の谷部までの距離をｂ（ｍｍ）、前記ｍ番目の格子の谷部からｍ＋１番目の格子の谷部までの距離をｐ（ｍｍ）、前記光軸から回折光学素子の径方向の距離をｒ（ｍｍ）、ｒがｂ≦ｒ≦ｂ＋０．４ｐを満たすときの第２の層の屈折率をＫａ、ｒがｂ＋０．４ｐ＜ｒ＜ｂ＋ｐを満たすときの第２の層の屈折率をＫｂとしたときに、Ｋａ／Ｋｂが１．０００１から１．０００６までの範囲にあることを特徴とする回折光学素子。
6. 前記第２の層におけるうねり厚が８０ｎｍ以下である請求項５に記載の回折光学素子。
7. 請求項５または６に記載の回折光学素子とレンズとを配置することを特徴とする光学機器。

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