JP4977273B2 - 回折光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子の製造方法に関する。より詳細には、材料間の相互作用を抑制し、光学特性が高い回折光学素子の製造方法に関する。

回折光学素子は、ガラスや樹脂等の光学材料からなる基材の表面に多くの溝状の格子構造を備えた光学素子である。

回折光学素子は、種々の光学系に用いられており、例えば、特定次数の回折光を１点に集めるように設計したレンズや、空間ローパスフィルタ、偏光ホログラム等として使用するもの等が知られている。

回折光学素子は、光学系をコンパクトにできるという特徴を有する。

また、屈折とは逆に長波長の光ほど回折は大きく発現することから、回折光学素子を屈折系の光学素子と組み合わせることにより、光学系の色収差や像面湾曲を改善することも可能である。

しかしながら、回折効率は理論的に光の波長に依存することから、特定の波長の光で回折効率が最適となるように回折光学素子を設計すると、その他の波長では回折効率が低下するという課題を有する。

例えば、カメラ用レンズ等の白色光を利用する光学系に回折光学素子を適用しようとした場合、この回折光学素子単独での適用には限界があるという問題がある。

そこで、この問題を解決するため、２種類の光学材料の境界面に回折格子を有する位相型の回折光学素子が提案されている（特許文献１）。

このような位相型の回折光学素子では、ガラスや樹脂基材からなる第１の光学材料に、紫外線硬化樹脂等からなる第２の光学材料が被覆されている。この被覆された樹脂層は光学調整層として機能する。そして、双方の光学特性がある特定の条件式を満たす光学材料を選択することで、設計次数での回折効率が波長によらず高くなるようにし、回折効率の波長依存を低減することができる。

特許文献１が開示する回折光学素子は、ガラス基材からなるガラスレンズ素子要素と、紫外線硬化樹脂からなる樹脂レンズ要素とを貼り合わせて構成され、このガラスレンズ素子要素と樹脂レンズ要素の貼り合わせ面に回折光学面が形成されている。

また、回折光学素子の製造方法としては、ガラス基材をガラス転移点以上で加熱し、そのガラス基材に回折格子溝を形成した金型を圧接することで、ガラスレンズ表面に回折格子溝が形成されたガラスレンズを作製する。そして、その回折格子溝を形成したガラスレンズ表面に、紫外線硬化型樹脂を所定量滴下する。紫外線硬化型樹脂の形状を規制する金型で紫外線硬化型樹脂を挟持しながら、ガラスレンズ側から紫外線を照射し、紫外線硬化型樹脂を硬化させて樹脂レンズ要素を形成し、回折光学素子が完成する。

特開２００４−１２６３９２号公報

特許文献１が開示する回折光学素子は、レンズ基材がガラスであることから、その表面に被覆する樹脂材料については、ガラスレンズ基材と光学特性的に合致するものを選択すればよい。

しかしながら、レンズ基材が樹脂の場合は、レンズ基材とレンズ基材に被覆する樹脂成形層（光学調整層）の材料との浸食反応を考慮する必要がある。特に、硬化前の樹脂材料と溶媒を含んだ液状材料が直接、レンズ基材と接触する製造方法では、材料間の浸食反応に起因した課題が発生することを本願発明者らは見出している。

レンズ基材が樹脂で、さらに、その基材表面に回折格子を形成した光学レンズでは、光学調整層形成用材料によるレンズ基材の浸食は、高精度で形成した回折格子そのものの形状劣化要因になる。

また、形状劣化が観察上見られない場合であっても、光学調整層形成用材料の樹脂成分がレンズ基材側に浸食する可能性が高い。その結果、レンズ基材の屈折率が変化し、回折特性が設計から変化してしまうことを本願発明者らは見出している。

本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、レンズ基材が樹脂の場合であっても、光学調整層を形成するための材料とレンズ基材の浸食反応を防止し、光学特性の優れた回折光学素子が得られる製造方法を提供する。

本発明の回折光学素子の製造方法は、第１の樹脂を含む第１の光学材料からなり、表面に回折格子形状を有する基材と、第２の樹脂を含む第２の光学材料からなり、前記基材の回折格子形成面に形成された光学調整層とを有する回折光学素子の製造方法であって、前記第２の光学材料を滴下するときの粘性を下げる溶媒と前記第２の光学材料とを混合した液状材料を型に滴下する工程と、前記型に滴下した前記液状材料を加熱し、前記溶媒を蒸発させて除去し、前記型上に前記第２の光学材料を残す工程と、前記溶媒を除去した後に前記型上に残った前記第２の光学材料に、前記基材の前記回折格子形成面を密着させる工程と、前記第２の光学材料と前記回折格子形成面とを密着させた状態で、前記第２の光学材料を硬化させ、前記基材に前記第２の光学材料を被覆させる工程と、前記基材に前記第２の光学材料を被覆させて形成された回折光学素子を前記型から分離する工程とを含むことを特徴とする。

ある実施形態によれば、前記第１の光学材料はポリカーボネートを含む樹脂である。

ある実施形態によれば、前記第２の光学材料は、樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料である。

ある実施形態によれば、前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカのうちの少なくとも１種類の酸化物を主成分とする。

ある実施形態によれば、前記第２の光学材料は、前記第１の光学材料基材よりも高屈折率低分散材料である。

ある実施形態によれば、前記型は、金属、ガラスまたは樹脂の基材からなる型である。

本発明によれば、光学調整層を形成するための第２の光学材料に溶媒を混合することで、滴下時の粘性を下げるので、材料の滴下の制御（滴下工程における滴下量および滴下位置の制御）を容易にすることができる。

また、本発明によれば、型に滴下した液状材料を加熱し、溶媒を蒸発させて除去した後に、光学レンズ基材と第２の光学材料とを接触させて光学調整層を成形する。このような加熱乾燥を行うことで、滴下した材料に含まれる溶媒を効率よく短時間で除去することができる。

また、硬化前でゲル状の第２の光学材料と光学レンズ基材とが、直接接触する時間を大幅に短縮できるため、光学レンズ基材と第２の光学材料の界面反応が抑制でき、回折光学素子の屈折率を安定させることができる。また、回折光学素子の光学特性を向上させることができる。

（ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態に係る回折光学素子の製造方法を示す図である。 本発明の実施形態に係る乾燥条件と屈折率の関係を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、本発明の実施形態に係る成形金型を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る加熱乾燥条件と１次回折光幅の関係を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、本発明の実施形態に係る回折光学素子を示す図である。 本発明の実施形態に係る回折効率を示す図である。 （ａ）から（ｃ）は、回折光学素子の製造方法を示す図である。 （ａ）および（ｂ）は、回折光学素子の製造方法を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態に係る回折光学素子の製造方法を説明する。

まず、樹脂のレンズ基材に光学調整層材料を滴下して回折光学素子を製造する方法を説明する。

図８および図９は、レンズ基材（以下、光学レンズ基材と記す）に樹脂（第１の光学材料）を用い、光学調整層材料（ナノコンポジット樹脂）に紫外線硬化型樹脂を用いた回折光学素子の製造方法の一例を示している。

図８（ａ）は、光学調整層（ナノコンポジット膜）を形成するための材料を滴下する滴下工程を示している。滴下する材料は、第２の光学材料（硬化前のナノコンポジット樹脂および無機粒子）と、溶媒とを混合した液状材料（ナノコンポジット膜原料４１）である。図８（ａ）は、ナノコンポジット膜原料４１の滴下工程を示している。

液状のナノコンポジット膜原料４１に圧縮空気や窒素などを用いて、ニードル４２内に圧力を印加し、ニードル４２先端より吐出させ、適量のナノコンポジット膜原料４１を光学レンズ基材４３の回折格子形成面４４に所定量滴下する。

滴下量は、膜成形する光学レンズのサイズおよび膜厚によって異なるが、この例では約４００ｎｌ滴下した。

図８（ｂ）は、ナノコンポジット膜原料の加熱乾燥工程を示している。

光学レンズ基材４３に滴下したナノコンポジット膜原料４１の溶媒成分を蒸発（図中の破線矢印で蒸発状態の様子を示す）させる目的で、オーブンまたは恒温槽などの装置４５に投入し、ナノコンポジット膜原料４１中の溶媒を蒸発させる。

ただし、材料間の溶解度パラメータ差によっても異なるが、室温に近い温度で放置して乾燥しても、ナノコンポジット膜原料４１と光学レンズ基材４３は、その界面で若干の浸食反応を示す恐れがある。浸食反応は処理温度によって加速されるため加熱は厳禁である。

よって、室温程度の環境中で放置するが、装置４５内を減圧し、乾燥したとしても、乾燥速度は格段に遅く、長時間の放置が必要である。本条件における乾燥時間としては、６時間程度（乾燥温度が２５℃の時）の放置が必要であることを発明者らは見出している。

次に、図８（ｃ）に示すような、乾燥したナノコンポジット膜原料が付着した光学レンズ基材と、金型４６とを当接させる当接工程（１）を行う。

乾燥工程後の、光学レンズ基材４３とナノコンポジット膜原料４１を反転させて（図８（ｃ）中、矢印で示す）、金型４６と対向させる。

次に、図９（ａ）に示すような、光学レンズ基材４３とナノコンポジット膜原料４１および金型４６の当接工程（２）を行う。

金型表面４７を基準に一定の隙間を空けた所定の停止位置４８まで光学レンズ基材４３を接近させ、ナノコンポジット膜原料４１を押し拡げる形で停止させる。

この位置を保持した状態で、光学レンズ基材４３の背面４９側から紫外線を照射し、ナノコンポジット膜原料４１を硬化させ、ナノコンポジット膜５１を成形する。

ナノコンポジット膜原料４１を硬化させると、光学レンズ基材４３の回折格子形成面４４に、所定厚のナノコンポジット膜５１が、金型形状を反映した曲率で固着する。

その後、金型３より光学レンズ基材４３を取り外すと、図９（ｂ）に示すような完成した回折光学素子５０が得られる。

図８および図９に示す製造方法で用いる光学レンズ基材４３上には高精度の回折格子４４が形成されている。しかし、この表面に硬化前のナノコンポジット膜原料４１を適量滴下し乾燥させると、光学レンズ基材４３とナノコンポジット膜原料４１が界面で反応し、乾燥条件によっても異なるが、光学レンズ基材４３上の回折格子４４の形状劣化が発生する。

また、形状劣化が観察上見られない場合であっても、ナノコンポジット膜原料４１の樹脂成分が光学レンズ基材４３側に浸食する可能性が高い。その結果、光学レンズ基材４３の屈折率が変化し、回折特性が設計から変化してしまうおそれがある。また、量産性を考えた場合、溶媒の乾燥に要する時間（この例では約６時間）は製造タクト上の障害になる。

次に、樹脂の光学レンズ基材とナノコンポジット膜原料との浸食反応を防止し、且つ製造時間を大幅に短縮した製造方法を説明する。

図１および図２は、本発明の実施形態による回折光学素子の製造方法を示す図である。本実施形態の製造方法で用いる光学レンズ基材上には、同心円の回折格子が複数形成されている。

図１（ａ）は、金型３にナノコンポジット膜原料１を滴下する工程を示した側断面図である。図１（ｂ）は、金型３に滴下したナノコンポジット膜原料１を加熱して乾燥させる工程を示す図である。図１（ｃ）は、金型３と光学レンズ基材７を対向させる工程を示す側断面図である。図２（ａ）は、金型方向に光学レンズ基材７をフェースダウンさせる工程を示す側断面図である。図２（ｂ）は、金型３と光学レンズ基材７を密着させた状態を示す側断面図である。図２（ｃ）は、完成した回折光学素子１２を示す側断面図である。

図１（ａ）は、ナノコンポジット膜原料１の滴下工程を示している。ナノコンポジット膜原料１は、第２の光学材料（硬化前のナノコンポジット樹脂および無機粒子）と、溶媒とを混合した液状材料である。

圧縮空気や窒素などを用いてニードル２内に圧力を印加し、ニードル２先端より液状のナノコンポジット膜原料１を吐出させ、適量のナノコンポジット膜原料１を金型３の凹面４に滴下する。

滴下量は、膜を成形する光学レンズのサイズおよび膜厚によって異なるので、特定の量には限定されない。好適には、本実施形態の回折光学素子の製造方法は、レンズ直径がミリメートルオーダーの小型の回折光学素子に適用される。レンズ直径は例えば２〜３ｍｍ、あるいはそれ以下である。そのような小型の回折光学素子表面に形成されるナノコンポジット膜の原料もごく微量となる。本実施形態では、約４００ｎｌのナノコンポジット膜原料１を金型３の凹面中心５を基準に滴下した。なお、レンズのサイズによっては、滴下量は例えば６０ｎｌ程度と、さらに微量となる場合もある。

また、回折光学素子のサイズが上述したぐらいに小型になってくると、サイズが小さすぎるため、ナノコンポジット膜を形成する方法としてスピンコート法を用いることは困難となる。そのため、本実施形態では、光学レンズ基材７と金型３でナノコンポジット膜原料１を押圧してナノコンポジット膜（光学調整層）を形成する。

図１（ｂ）は、金型３とナノコンポジット膜原料１の加熱乾燥工程を示している。金型３に滴下したナノコンポジット膜原料１は、溶媒成分を蒸発（図１（ｂ）中、破線矢印で蒸発状態を示す）させる目的で、オーブンまたは恒温槽などの加熱装置６に投入し、加熱温度や加熱時間および必要であれば雰囲気を制御および管理しながら所定条件で加熱乾燥する。金型３は金属から形成されているため、加熱を行っても、金型３とナノコンポジット膜原料１との間で浸食反応は起こらない。溶媒が除去された後には、硬化前のナノコンポジット樹脂および無機粒子が残る。

なお、型として金属からなる金型３を用いているが、金属に限定されずガラスからなる型を用いてもよい。また、ナノコンポジット膜原料１と浸食反応を示さない樹脂材料であれば、その樹脂材料からなる型を用いてもよい。

なお、加熱乾燥後のナノコンポジット膜原料１（硬化前のナノコンポジット樹脂および無機粒子を含む）は、溶媒が蒸発するとともに体積が減少し外観も変化するが、図では詳細を省略する。溶媒についての詳細な説明は後段に記述する。さらに、図では省略するが、加熱乾燥後の金型３およびナノコンポジット膜原料１はオーブンまたは恒温槽より取り出し、一旦室温まで冷却した後、次工程を実行する。

本実施形態における加熱乾燥条件の詳細は、製造方法の後段に記述する。

次に、図１（ｃ）に示すような、金型３と光学レンズ基材７とを当接させる当接工程（１）を行う。

光学レンズ基材７の凸側表面には、同心円の回折格子８が複数形成されている。その回折格子８形成面を反転させて（図１（ｃ）中、矢印で示す）、ナノコンポジット膜原料１および金型３と対向させる。

次に、図２（ａ）に示すような、光学レンズ基材７の当接工程（２）を行う。

反転させた光学レンズ基材７を、ナノコンポジット膜原料１および金型３の方向にフェースダウンして接近させる。

次に、図２（ｂ）に示すような、光学レンズ基材７と金型３の密着工程を行う。

金型表面８を基準に一定の隙間を空けた所定の停止位置９まで光学レンズ基材７を金型３へ接近させ、ナノコンポジット膜原料１を押し拡げる形で停止させる。本明細書中では、光学レンズ基材７と金型３でナノコンポジット膜原料１を押圧して押し拡げる位置にまで、光学レンズ基材７と金型３を接近させることを「密着」と表現する。

この位置を保持した状態で、光学レンズ基材７の背面側（ナノコンポジット膜を形成する面とは反対側の面）１０からエネルギー線（本実施形態では紫外線を用いた）１１を照射し、ナノコンポジット膜原料１を硬化させる。

尚、図では省略するが、前記密着させる際の加圧力は、例えばネジの締結で管理する。

この後、金型３より光学レンズ基材７を取り外すと、図２（ｃ）に示すような完成した回折光学素子１２が得られる。

得られた回折光学素子１２は、光学レンズ基材７の回折格子１３形成面に、ナノコンポジット膜１４が所定厚形成された構造となっている。

次に、上述の製造工程で金型３に滴下するナノコンポジット膜原料１についてより詳細に説明する。ナノコンポジット膜原料１は、硬化前のナノコンポジット樹脂と、無機粒子と、溶媒とを混合した液状材料である。

図１および図２の製造方法で示したナノコンポジット膜原料１には、無機粒子の分散性を確保するとともに作業性を改善する溶媒が多量に含まれている。この溶媒の共存に伴いナノコンポジット膜原料中における無機粒子の分散性を確保することが容易となる。このため、ナノコンポジット膜の透明性が増すとともに、ナノコンポジット膜原料１のポットライフも延長される。

また、ナノコンポジット膜原料１中に含まれる樹脂あるいは添加剤の種類によっては、ナノコンポジット膜原料１の粘度が高くなり、滴下工程における滴下量および滴下位置が安定しなくなったり、滴下工程そのものが実施できなくなったりする課題がある。この場合、溶媒はナノコンポジット膜原料１の粘性を下げて、ナノコンポジット膜原料１の滴下の制御（滴下工程における滴下量および滴下位置の制御）を容易にする役割を果たす。

特に、レンズ直径がミリメートルオーダー（例えば直径２〜３ｍｍかそれ以下）の小型の回折光学素子を製造する場合は、上述したように滴下量はナノリットルオーダーとごく微量となる。通常目視できるレベルの量の滴下とは異なり、ナノリットルオーダーの滴下には高精度な制御が必要となり、そのためには、原料の粘度を適切に調整することが必要となる。

溶媒をナノコンポジット膜原料１中に共存させることにより、粘度の調整が容易となり、滴下工程が安定に実施できるとともに、樹脂等の選択肢も広がる。

光学レンズ基材７の材料としては、例えば、ポリカーボネート系樹脂、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、脂環式アクリル樹脂等のアクリル系樹脂、脂環式オレフィン樹脂等を選択することが、透光性が優れているという点で好ましい。これらの樹脂に対し、成形性や機械特性等を向上させる目的で他の樹脂と共重合させたり、他の樹脂とのアロイ化をおこなったり、他の樹脂をブレンドしてもよく、１種類の樹脂のみならず２種類以上の樹脂を含んでもよい。本実施形態では、ポリカーボネートを用いた。

ナノコンポジット樹脂としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル、アクリレート、メタクリレート、ウレタンアクリレート、エポキシアクリレート、ポリエステルアクリレート等の（メタ）アクリル樹脂を用いることができる。また、エポキシ樹脂；オキセタン樹脂；エン−チオール樹脂を用いてもよいし、ポリエチレンテレフタレート、ポリエチレンテレフタレートおよびポリカプロラクトン等のポリエステル樹脂を用いることもできる。また、ポリスチレン等のポリスチレン樹脂；ポリプロピレン等のオレフィン樹脂；ナイロン等のポリアミド樹脂；ポリイミドやポリエーテルイミド等のポリイミド樹脂；ポリビニルアルコール；ブチラール樹脂；酢酸ビニル樹脂；脂環式ポリオレフィン樹脂等を用いることもできる。本実施形態では、紫外線硬化型のアクリレート樹脂を用いた。また、これらの樹脂の混合体や共重合体を用いてもよいし、これらの樹脂を編成したものを用いてもよい。

ナノコンポジット膜原料１に含有させる無機粒子としては、例えば、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つの酸化物を主成分とすることが好ましい。本実施形態では、酸化ジルコニウムを主成分とした。また、これらの複合酸化物を用いてもよい。

ナノコンポジット膜原料１に含有させる溶媒は、例えば、光学レンズ基材７にポリカーボネートを使用する場合、メタノール、エタノール、２−プロパノール、１−プロパノール、１−ブタノール、等に代表されるアルコール系溶媒を用いることができる。また、エチレングリコール、メチルセロソルブ、等に代表されるグリコール系溶媒や、水、等の溶媒を使用することもできる。本実施形態では、２−プロパノールを用いた。

また、２−プロパノールの濃度は、配合比５０ｗｔ％とした。

ただし、２−プロパノールの濃度は、ナノコンポジット膜原料の配合および滴下工程に支障をきたさない濃度であれば、それに限定されるものではない。

なお、ナノコンポジット膜原料１の配合時に添加する溶媒は、配合品質の確保や前記滴下工程においては、作業の安定化を図るのに重要な物質である。しかし、膜成形後のナノコンポジット膜中に溶媒が残存すると、ナノコンポジット膜の屈折率を変化させたり、光学レンズ基材と反応して基材そのものの屈折率を変化させるなど、光学調整層としての機能が損なわれる場合がある。よって、膜成形の前にほぼ完全に除去しなくてはならない。なお、本発明の実施形態における「溶媒の除去」とは、完全な除去という意味と、悪影響を及ぼさないレベルまでほぼ完全に除去するという意味の両方の意味を含む。

そこで、本製造方法では、金型にナノコンポジット膜原料１を滴下し、その状態で、加熱乾燥する製造方法で溶媒を除去した。この例で用いる金型３は金属から形成されているため、加熱を行っても、金型３とナノコンポジット膜原料１との間で浸食反応は起こらない。

図３は、加熱乾燥条件の絞り込みに際し検討した、加熱乾燥条件とナノコンポジット膜屈折率の関係を示したグラフである。

尚、屈折率の測定は、プリズムカプラを用いて測定した。

図３の縦軸がナノコンポジット膜の屈折率、横軸が乾燥時間である。

また、本実施形態におけるナノコンポジット膜の屈折率は、１．６２３程度（図３中に示したライン）を狙いとした。

加熱温度条件としては、ナノコンポジット膜原料が樹脂であることから、樹脂を前提に任意に４条件（図中示した６０°、８０℃、１００℃、１２０℃）選択して加熱し、加熱温度と加熱時間との関係を表した。

結果から、加熱温度と加熱時間には強い相関があり、加熱温度が高いほど加熱時間は短くなると言う傾向が得られた。図３から導出される加熱乾燥条件は、加熱温度が６０℃と８０℃では３０〜３５分、１００℃では１０〜２０分、１２０℃では４〜５分であり、いずれの場合でも所望の屈折率を得ることが可能であった。ただし、生産性を考え処理時間短縮を前提とした場合は、１２０℃で乾燥するのが最も好ましい。尚、本加熱乾燥条件は、樹脂の可用温度上限以下であればいずれの条件で処理しても構わず、前記条件に限定するものではない。

図４は、図１および図２の製造方法で用いた成形金型の全体構成を示した模式図である。図４を用いて、成形時の光学レンズ基材７と金型３の関係を説明する。図４（ａ）は、成形時の金型３と光学レンズ基材７を組み立てた状態を示す側断面図である。

全体の金型構成は、光学レンズ基材７表面に形成するナノコンポジット膜原料１の形状を決定する図１で説明した金型３と、光学レンズ基材７を嵌入しＸ・Ｙ方向（図中に示す）を規制するとともに金型３と光学レンズ基材７の中心３２を合致させる規制型３３と、光学レンズ基材７のＺ方向（図中に示す）への浮き上がりを防止し、且つ金型３方向に光学レンズ基材７を押し付ける機能を有した上型３４とで構成されている。

図４（ｂ）は、規制型３３の側断面図であり、規制型３３は、２方向に開口した窓３５、３６を有し、成形時に光学レンズ基材７の停止位置を規制する停止面３７を備えたものである。この停止面３７の位置によって、ナノコンポジット膜原料１の膜厚が決定される（図示した金型背面３８と停止面３７位置で膜厚を決定する）。

図４（ｃ）は、上型３４の断面図であり、規制型３３の上面に配置され、所定のエネルギー線を導入する開口窓３９、４０を備える。これら、３つの金型３、３３、３４を組み合わせることで回折光学素子が製造される。

図５（ａ）は、図１および図２に示す製造方法で製造した回折光学素子の１次回折光の光軸方向の輝度分布を、波長の異なる赤（６４０ｎｍ）と緑（５５０ｎｍ）と青（４９５ｎｍ）の光線ごとに評価した結果を示すグラフである。縦軸が最大輝度、横軸がレンズ表面からの光軸方向の距離である。この結果は、光学レンズにおける収差特性を示すものである。通過する光の波長によってレンズ媒質の屈折率は異なるため、焦点深度方向の結像位置も波長によって異なる。設計上、各波長の１次回折光幅が小さい程、波長間の結像位置の違いも小さくなる。また単色光の特性としても、１次回折光幅が小さいことは、より多くの光束が一点に集中することに等しい。よって、光学特性的には、１次回折光幅が小さい（狭い）ほど光学系としては好ましい。

図５（ａ）の矢印で示した部分は、１次回折光幅を評価した位置を示している。１次回折光幅は、赤（６４０ｎｍ）の光線の最大輝度５０位置を評価し、その寸法を求めたものである。

図５（ｂ）は、図８および図９の製造方法において、２５℃で６時間乾燥を行った回折光学素子の１次回折光幅と、図１および図２の製造方法において、本実施形態の３条件（１００℃で１０分、１００℃で１５分、１００℃で２０分）で作製した回折光学素子の１次回折光幅とを示している。

本実施形態の３条件（１００℃で１０分、１００℃で１５分、１００℃で２０分）で加熱乾燥して作製した回折光学素子は、２５℃で６時間乾燥した回折光学素子よりも、１次回折光の幅は狭く特性的にも優れていた。

得られた特性は、色収差特性に優れた回折光学素子であることを示している。このように、製造工程において、ナノコンポジット膜原料中に含まれる溶媒をレンズ基材と接する前に除去し、且つ、硬化前の樹脂とレンズ基材との接触時間を短縮することにより、光学レンズ基材とナノコンポジット材料の浸食反応に係る欠陥を最大限抑制し、高性能の回折光学素子を提供することができる。

上述したように、基材とナノコンポジット膜が界面で反応すると、光学レンズ基材の屈折率が低下し所望の光学特性が得られなくなる。

図６は、本発明の実施形態で説明した製造方法によって得られた回折光学素子を示す図である。図６（ａ）は回折光学素子の平面図であり、図６（ｂ）は回折光学素子の断面図である。図６（ａ）および図中示したＡ−Ａ’断面の図６（ｂ）を用いて、本実施形態の回折光学素子をさらに説明する。

本実施形態の回折光学素子１２は、同心円で複数の回折格子１３を表面に形成した光学レンズ基材７に、第２の光学材料からなり所定曲率７４の光学調整層（以下、ナノコンポジット膜１４と記す）を、回折格子１３全面を覆う形で形成したものである。回折格子１３を含む光学レンズ基材７は、第１の樹脂を含む第１の光学材料からなる。第１の樹脂としては、一般に光学樹脂として使用される透光性の樹脂を使用することができる。例えば、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、脂環式オレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂などが挙げられる。

光学調整層１４として、後述のコンポジットを使用する場合は、光学レンズ基材７は低アッベ数を要求されることから、第１の樹脂として、ポリカーボネートを含むことが特に好ましい。また、回折格子１３を形成した光学レンズ基材７は、射出成形などの手法で製造するのが一般的であるが、それ限定するものではなく、切削加工や研磨加工などの手法で形成するものであってもよい。

回折格子１３は、光学レンズ基材７の中心７６を基準に形成するものであり、それぞれが所定の段差を有し、直径の異なる複数の同心円で環状のものからなる。

このような配置により、レンズ作用を付与できる。尚、回折格子１３の配置形状は、回折光学素子に要求される回折特性を満たすものであれば、同心円形状に限定されるものではない。

ナノコンポジット膜１４は、例えば樹脂と無機粒子を含んだコンポジット材料であり、光学特性的には、光学レンズ基材７に対し高屈折率低分散材料を選択し用いている。このような構成をとることにより、回折効率の波長依存性が低減され、可視光領域全体において、高い回折効率を得ることが可能となる。ナノコンポジット膜１４の樹脂としては、粒子の分散性やプロセスにおける取り扱い性などの観点から、熱硬化性樹脂あるいはエネルギー線（紫外線、電子線）硬化型樹脂が好ましい。例えば、アクリレート樹脂、メタクリレート樹脂、オキセタン樹脂、エンチオール樹脂などが挙げられる。無機粒子としては、低分散すなわち高アッベ数が要求されることから、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカからなる群より選ばれる少なくとも１つの酸化物を主成分としている。

さらに、図６のように、回折格子１３が同心円状に配置される場合は、光学レンズ基材７とナノコンポジット膜１４は、その中心７６が合致するよう偏芯を制御しなくてはならないが、本実施形態では、金型で成形する製造方法によって偏芯精度を高精度化している。

図７は、本実施形態の製造方法によって完成した回折光学素子の回折効率を測定し、得られた結果を示すグラフである。

グラフの縦軸が各集光点の最大輝度、横軸がレンズ頂点からそれぞれの集光点距離（μｍ）を示している。図７中に示した０次回折光、１次回折光、２次回折光は、それぞれが回折光学素子によって結像された回折光である。また、０次回折光と２次回折光が不要光となるが、理想的には、０次回折光および２次回折光が小さく、中間の１次回折光がシャープに立ち上がっているかが評価のポイントとなる。さらに、ナノコンポジット膜１４の屈折率が設計値よりも低いと０次回折光が増加し、高いと２次回折光が増加する。また、光学レンズ基材７とナノコンポジット膜原料１が反応すると、ナノコンポジット膜原料１中の低分子量成分（硬化前の樹脂あるいは残存溶媒）が基材７へ浸透し、光学レンズ基材７の屈折率が低下して２次回折光が発生する。

以上の事項と図７のグラフから結果を判断すると、０次回折光および２次回折光が若干増加する部分が見られるものの、許容範囲に収まっており、最も特徴的なことは、１次回折光の立ち上がりが急峻であることである。

このように本発明の実施形態の製造方法によれば、表面に回折格子形状を有した光学レンズ基材が樹脂であっても、そのレンズ基材上に、安定してナノコンポジット膜（光学調整層）を形成することができる。

本発明は、回折光学素子およびその製造方法の分野において特に有用である。得られた回折光学素子は、例えば、被写体の画像情報を生成する技術分野において用いられる。

１ ナノコンポジット膜原料
２ ニードル
３ 金型
４ 凹面
５ 凹面中心
６ 加熱装置
７ 光学レンズ基材
８ 回折格子
９ 停止位置
１０ 背面
１１ エネルギー線
１２ 回折光学素子
１３ 回折格子
１４ ナノコンポジット膜
３２ 中心
３３ 規制型
３４ 上型
３５ 開口した窓
３６ 開口した窓
３７ 停止面
３８ 金型背面
３９ 開口窓
４０ 開口窓
４１ ナノコンポジット膜原料
４２ ニードル
４３ 光学レンズ基材
４４ 回折格子形成面
４５ 装置
４６ 金型
４７ 金型表面
４８ 停止位置
４９ 背面
５０ 回折光学素子
５１ ナノコンポジット膜
６１ 光学用樹脂
６２ ニードル
６３ 金型
６４ 光学レンズ
６５ 凸面
６６ 金型表面
６７ 停止位置
６８ 背面
６９ 光学用樹脂膜

Claims (5)

1. 第１の樹脂を含む第１の光学材料からなり、表面に回折格子形状を有する基材と、
   第２の樹脂と無機粒子とを含むコンポジット材料である第２の光学材料からなり、前記基材の回折格子形成面に形成された光学調整層と、
   を有する回折光学素子の製造方法であって、
   所定形状の成形面を有する型を準備する工程と、
   前記第２の光学材料を滴下するときの粘性を下げる溶媒と前記第２の光学材料とを混合した液状材料を、前記型の前記成形面の一部に接触するように滴下する工程と、
   前記液状材料を、前記型の前記成形面の一部に接触した状態で加熱し、前記溶媒を蒸発させて除去し、前記型上に前記第２の光学材料を残す工程と、
   前記溶媒を除去した後に、前記基材の前記回折格子形成面を、前記型の前記成形面に対向させた状態で接近させながら前記型上に残った前記第２の光学材料を押し広げることによって、前記基材の前記回折格子形成面に前記第２の光学材料を密着させるとともに、前記成形面の所定形状を前記第２の光学材料の前記回折格子形成面と密着する面と異なる表面に反映させる工程と、
   前記第２の光学材料と前記回折格子形成面とを密着させた状態で、前記第２の光学材料を硬化させ、前記基材に前記第２の光学材料を被覆させる工程と、
   前記基材に前記第２の光学材料を被覆させて形成された回折光学素子を前記型から分離する工程と、
   を含む、回折光学素子の製造方法。
2. 前記第１の光学材料はポリカーボネートを含む樹脂である、請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
3. 前記無機粒子は、酸化ジルコニウム、酸化イットリウム、酸化ランタン、酸化ハフニウム、酸化スカンジウム、アルミナおよびシリカのうちの少なくとも１種類の酸化物を主成分とする、請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
4. 前記第２の光学材料は、前記第１の光学材料基材よりも高屈折率低分散材料である、請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。
5. 前記型は、金属、ガラスまたは樹脂の基材からなる型である、請求項１に記載の回折光学素子の製造方法。

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