JP5147693B2 - 複合光学素子 - Google Patents

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Description

本発明は、複合光学素子に関し、特に、第１光学部に第２光学部が接合された複合光学素子に関する。
従来より、２つ以上の光学部を有する複合光学素子が知られており、例えば２つの光学部を有する複合光学素子では、第１光学部に第２光学部が接合されている。このような複合光学素子は種々の光学系に用いられており、例えば接合面に回折構造を形成することによりレンズとして用いることができる。
接合面に形成される回折構造は、例えば特許文献１に開示されているように、微小間隔（約１ｍｍ）当たり数十〜数百本程度の細かい等間隔のスリット状もしくは溝状の格子構造である場合が多く、このような回折構造に光が入射されると、スリットや溝のピッチ（間隔）と光の波長とで定まる方向に回折光束が発生する。そして、この回折光束を一点に集めることにより、このような回折構造を有する複合光学素子をレンズとして使用することができる。
複合光学素子をレンズとして用いる場合、例えば、ガラスからなる第１光学部に樹脂からなる第２光学部が接合された複合光学素子を用いる。このような構造とすることにより、ガラス単体や樹脂単体からなる通常のレンズとは逆の波長特性、すなわち長波長ほど屈折率が高くなるという性質を利用して、ｈ線（４０４．７ｎｍ）からＣ線（６５６．３ｎｍ）までの広波長領域で回折効率を９０％以上とすることが可能になる。
特開平１１−２８７９０４号公報
上述のように、複合光学素子は２つ以上の光学部を有しており、それぞれの光学部は互いに異なる材質からなる場合が多いので、光学特性の向上を図ることが難しい。
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、光学特性の向上を図ることができる複合光学素子を提供することである。
本発明の複合光学素子は、第１光学部と第２光学部とを備えている。第１光学部は、第１光学機能表面を有しており、第１ガラスからなる。第２光学部は、第１ガラスとは異なる材質からなるとともに第１光学機能表面において第１光学部に接合されており、第１光学部に接合された第１接合面とは反対側に第２光学機能表面を有している。そして、第１および第２光学機能表面のそれぞれの一部には、第１および第２凹凸面部が存在している。
本発明によれば、光学特性の向上を図ることができる。
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に限定されない。
《発明の実施形態１》
実施形態１では、複合光学素子の具体例として複合レンズを挙げ、その構造および成形方法を示す。
図１は、本実施形態にかかる複合光学素子１の構造を示す概略断面図である。
本実施形態にかかる複合光学素子１では、第１光学部１０のレンズ面（第１光学機能表面）１２において第２光学部２０が第１光学部１０に接合されている。第１光学部１０は第１ガラスからなり、レンズ面１２の一部には第１凹凸面部１２ａが存在している。第２光学部２０は第１ガラス以外の材料（例えばエネルギー硬化樹脂）からなり、第１接合面とは反対側にレンズ面（第２光学機能表面）２２を有しており、レンズ面２２の一部には第２凹凸面部２２ａが存在している。本実施形態では、第１および第２凹凸面部１２ａ，２２ａはどちらも断面鋸歯状に形成された回折部である。
一般に、凹凸面部を回折部等として機能させるためにはその凹凸面部を精度良く成形する必要がある。本実施形態にかかる複合光学素子１では、第１および第２凹凸面部１２ａ，２２ａがそれぞれレンズ面１２，２２の一部に存在している。そのため、本実施形態にかかる複合光学素子１は、凹凸面部がレンズ面全体に存在している複合光学素子１に比べて、凹凸面部を所望の形状に精度良く成形させやすく、その結果、光学特性（収差や集光率など）の劣化を防止することができる。
本実施形態にかかる複合光学素子１を詳細に示すと、第１光学部１０は非球面レンズからなる。第１光学部１０はレンズ面１２とは反対側にレンズ面（第３光学機能表面）１３を有しており、レンズ面１３は滑らかに形成されている。一方、レンズ面１２には、第１凹凸面部１２ａと滑らかに形成された第１滑面部（不図示）とが存在している。第１凹凸面部１２ａは、第１光学部１０の光軸周囲に存在しており、具体的にはその光軸上の一点を中心とする円周上に存在しており、回折部として機能する。第１滑面部は、第１凹凸面部１２ａよりも周縁に存在している。そのため、レンズ面１２では、光学的パワーが第１凹凸面部１２ａと第１滑面部とで相異なる。
第２光学部２０は、エネルギー硬化樹脂からなることが好ましい。エネルギー硬化樹脂は、所定のエネルギーを照射することにより固化する樹脂であり、例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂または電子線硬化樹脂である。また、レンズ面２２には、第２凹凸面部２２ａと滑らかに形成された第２および第３滑面部（どちらも不図示）とが存在している。具体的には、レンズ面２２には、第２滑面部、第２凹凸面部２２ａおよび第３滑面部が、光軸から周縁へ向かう方向に存在しており、光軸中心上の一点を中心とする同心円上に配置されている。そのため、レンズ面２２では、光学的パワーが第２滑面部および第３滑面部と第２凹凸面部２２ａとで相異なる。
複合光学素子１全体における凹凸面部および滑面部の配置を示すと、複合光学素子１の光軸方向において、第２凹凸面部２２ａが第１凹凸面部１２ａの一部に重なっている。そのため、図１の下方から複合光学素子１を見ると、複合光学素子１の光軸周辺では第２滑面部が第１凹凸面部１２ａに重なっており、それよりも周縁では第２凹凸面部２２ａが第１凹凸面部１２ａに重なっており、さらに周縁では第３滑面部が第１滑面部に重なっている。これにより、複合光学素子１の図１に示す下面には光学的パワーの異なる領域が３つ存在しているので、複合光学素子１は波長が互いに異なる３つの光を集光させることができる。
図２（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態にかかる複合光学素子１の製造方法を示す概略断面図である。本実施形態にかかる複合光学素子１の製造方法は、まず、図２（ａ）および（ｂ）に示す工程において第１光学部１０となる第１光学部材５５をプレス成形した後、図２（ｃ）および（ｄ）に示す工程において第１光学部材５５に樹脂プリフォーム６０をプレスさせて複合光学素子１を成形するというものである。このようにプレス成形法を用いて複合光学素子１を製造するので、非球面のレンズ面や断面鋸歯状の凹凸面部を一回の成形で成形することができ、また、容易にあ且つ成形精度良く成形することができる。以下には、その製造方法を具体的に示す。
まず、図２（ａ）に示すように、第１光学部材５５を成形するための成形型およびガラスプリフォーム５０を準備する。ガラスプリフォーム５０は、第１光学部材５５によく似た形状を有していることが好ましい。また、成形型は上型８１および下型８２を有しており、上型８１および下型８２にはそれぞれ成形面８１ａ，８２ａが形成されている。成形面８１ａは第１光学部材５５の上側レンズ面（第１光学部１０のレンズ面１３となるレンズ面）を成形するための面であるので、滑らかに形成されている。一方、成形面８２ａは第１光学部材５５の下側レンズ面（第１光学部１０のレンズ面１２となるレンズ面）を成形するための面であるので、成形面８２ａの一部には第１凹凸面部に対応する凹凸面が形成されている。そして、成形面８２ａを上向けて下型８２を配置した後、その成形面８２ａにガラスプリフォーム５０をセットし、成形面８１ａを下向けて上型８１を配置して、その成形面８１ａをガラスプリフォーム５０に接触させる。
次に、ガラスプリフォーム５０をそのガラス転移温度にまで加熱溶融させた後に、図２（ｂ）に示すようにプレスして第１光学部材５５を成形する。プレスする際、上型８１をガラスプリフォーム５０に押し当ててもよく、下型８２をガラスプリフォーム５０に押し当てても良く、上型８１および下型８２を同時にガラスプリフォーム５０に押し当ててもよい。そして、冷却する。これにより、第１光学部材５５を成形することができる。
続いて、図２（ｃ）に示すように、第２光学部材６５を成形するための成形型および樹脂プリフォームを準備する。樹脂プリフォーム６０は、エネルギー硬化樹脂（例えば、紫外線硬化樹脂、熱硬化樹脂または電子線硬化樹脂）からなることが好ましく、予め溶融されたものを用いることが好ましい。また、樹脂プリフォーム６０の軟化温度は、第１ガラスのガラス転移温度よりも低いことが好ましい。成形型は下型９１を有しており、下型９１は成形面９１ａを有している。成形面９１ａは第２光学部材６５のレンズ面を成形するための面であるので、成形面９１ａの一部には第２凹凸面部に対応する凹凸部が形成されている。そして、溶融した樹脂プリフォーム６０を成形面９１ａにセットし、第１光学部材５５の光軸と成形面９１ａの中心軸とを一致させて第１光学部材５５を下型９１にセットする。
それから、図２（ｄ）に示すように、プレスして第１光学部材５５の下側レンズ面に第２光学部材６５を接合させる。このとき、樹脂プリフォーム６０の軟化温度が第１ガラスのガラス転移温度よりも低いので、第１光学部材５５に樹脂プリフォーム６０を接合させたときにその接合面における第１光学部材５５の溶融による下側レンズ面の変形を防止することができる。その後、所定のエネルギーを照射して第２光学部材６５を固化させる。所定のエネルギーは、例えば、紫外線硬化樹脂からなる樹脂プリフォーム６０を用いた場合には紫外線エネルギーである。これにより、図１に示す複合光学素子１を成形することができる。
以上説明したように、本実施形態にかかる複合光学素子１では、レンズ面１２の一部に第１凹凸面部１２ａが存在しており、レンズ面２２の一部に第２凹凸面部２２ａが存在しているので、レンズ面全体に凹凸面部が存在している複合光学素子に比べて、第１および第２凹凸面部１２ａ，２２ａを容易に且つ成形精度良く成形することができる。その結果、本実施形態にかかる複合光学素子１では、光学特性の向上を図ることができる。
また、本実施形態にかかる複合光学素子１はプレス法を用いて製造されるので、一回の成形で精度よく成形できる。そのため、プレス法以外の成形方法（例えば、研磨法や研削法）を用いて複合光学素子を成形する場合と異なり、複合光学素子を製造歩留まり良く製造できる。
このような複合光学素子１は、撮像装置、照明装置、光ディスク記録再生装置等の光学機器に搭載することができる。撮像装置は、被写体を撮影するための装置であり、例えばデジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラである。照明装置は、被照明対象物に光を照射するための装置であり、例えばプロジェクタである。また、光ディスク記録再生装置は、デジタルバーサタイルディスク（ 以下、ＤＶＤと称す） や、コンパクトディスク（ 以下、ＣＤと称す）や、ブルレイディスク（登録商標、以下ＢＤ（登録商標）と称す）などを記録再生する装置である。一般に、ＤＶＤ、ＣＤおよびＢＤでは、記録再生するための光源の波長や光ディスクの厚みなどが互いに異なるので、一台の光ディスク記録再生装置でＤＶＤとＣＤとＢＤとを記録再生可能とするためには光学系を工夫する必要があるが、本実施形態にかかる複合光学素子１を用いれば複数種類の情報記録媒体に対して互換性を有する光ディスク記録再生装置を実現することができる。
なお、第１および第２光学部の形状や第１および第２凹凸面部の形状は、上記記載に限定されない。その変形例を以下に示す。
（第１の変形例）
図３は、第１の変形例にかかる複合光学素子１０１の概略断面図である。本変形例にかかる複合光学素子１０１では、第１光学部１１０は板状に形成されており、第１凹凸面部１１２ａおよび第２凹凸面部１２２ａはどちらも断面階段状に形成された回折部である。
具体的には、第１光学部１１０は平面状のレンズ面１１２およびレンズ面１１３を有しており、レンズ面１１２において第２光学部１２０が第１光学部１１０に接合されている。そして、本変形例にかかる複合光学素子１０１は、上記実施形態１と同じく回折部として機能する第１および第２凹凸面部１１２ａ，１２２ａを有しているので、上記実施形態１と略同一の効果を奏する。
（第２の変形例）
図４は、第２の変形例にかかる複合光学素子２０１の概略断面図である。本変形例にかかる複合光学素子２０１では、上記第１の変形例にかかる複合光学素子１０１と同じく第１光学部１１０は板状であるが、第１凹凸面部２１２ａおよび第２凹凸面部２２２ａはどちらも複数の凹状レンズが配置されたレンズアレイ部である。
このように本変形例にかかる複合光学素子２０１では第１および第２凹凸面部２１２ａ，２２２ａがレンズアレイ部であるので、波長λ１の光を第１凹凸面部２１２ａに通過させて集光させ、波長λ２（≠λ１）の光を第１凹凸面部２１２ａと第２凹凸面部２２２ａとが重なっている箇所に通過させて集光させることができる。
（第３の変形例）
図５は、第３の変形例にかかる複合光学素子３０１の概略断面図である。本変形例にかかる複合光学素子３０１では、上記実施形態１にかかる複合光学素子１と略同一に形成されているが、第１凹凸面部１２ａおよび第２凹凸面部２２ａはどちらも断面階段状の位相段差部である。
このように本変形例にかかる複合光学素子３０１では、第１および第２凹凸面部１２ａ，２２ａが位相段差部であるので、第１凹凸面部１２ａや第１凹凸面部１２ａと第２凹凸面部２２ａとが重なっている箇所では、入射された光束の位相を変換することができる。
（第４の変形例）
図６は、第４の変形例にかかる複合光学素子４０１の概略断面図である。本変形例にかかる複合光学素子４０１では、上記実施形態１にかかる複合光学素子１と略同一に形成されているが、第１凹凸面部１２ａおよび第２凹凸面部２２ａはどちらも反射防止部である。具体的には、第１および第２凹凸面部１２ａ，２２ａにはそれぞれ錐体状の突起部が複数形成されており、突起部同士のピッチは反射を防止するための波長と略同一である。
このように本変形例にかかる複合光学素子４０１では、第１および第２凹凸面部１２ａ，２２ａがどちらも反射防止部であるので、上記ピッチ程度の波長の光の反射を防止することができるとともに、第１凹凸面部１２ａにおける上記ピッチと第２凹凸面部２２ａにおける上記ピッチとを相異なるようにすれば波長が互いに異なる２つの光の反射を防止することができる。
《発明の実施形態２》
図７は、実施形態２にかかる複合光学素子２の構成を示す概略断面図である。本実施形態にかかる複合光学素子２では、図７に示すように第１光学部３０のレンズ面３３の一部にも第３凹凸面部３３ａが存在している。そして、第３凹凸面部３３ａは、上記実施形態１と同じく断面鋸歯状に形成された回折部であってもよく、上記第１の変形例乃至上記第４の変形例のいずれかに記載の形状であってもよい。
《発明の実施形態３》
図８は、実施形態３にかかる複合光学素子３の構成を示す概略断面図である。本実施形態にかかる複合光学素子３は、図８に示すようにさらに第３光学部４０を備えている。
具体的には、第３光学部４０は、上記実施形態１に記載の第１光学部１０のレンズ面１３において第１光学部１０に接合されており、第２接合面４１とは反対側にレンズ面（第４光学機能表面）４２を有している。そして、レンズ面４２の一部には、第４凹凸面部４２ａが存在している。第４凹凸面部４２ａは、上記実施形態２に記載の第３凹凸面部３３ａと同じく、断面鋸歯状に形成された回折部であってもよく上記第１の変形例乃至上記第４の変形例のいずれかに記載の形状であってもよい。
《その他の実施形態》
本発明は、上記実施形態１乃至３について、以下のような構成としてもよい。
第１光学部のレンズ面は非球面であるとしたが、上記第１および第２の変形例に記載のように平面であってもよいし、球面、円筒面、楕球面およびトーリック面であってもよい。
第２光学部は、エネルギー硬化樹脂からなるとしたが、熱可塑性樹脂からなってもよい。熱可塑性樹脂を用いて第２光学部を成形する場合には、溶融した樹脂を下型の凹凸面部にセットしてから第１光学部を押し当て、成形が終了すれば冷却する。
第１および第２光学部の材質はどちらも上記材質に限定されない。材質はどちらもガラスであってもよく、樹脂であっても良い。また、第１および第２光学部にはそれぞれ、光学特性に影響を与えない不純物が混入されていてもよい。
第１光学部は、プレス成形法により成形されたものに限定されず、エッチングにより成形されたものであってもよく、射出成形により成形されたものであっても良い。また、第２光学部は、スピンコーティング法やスクイージング法等の塗布法により第１光学部のレンズ面に塗布された後に硬化されたものであってもよい。
第１および第２凹凸面部は光軸周囲に存在しているとしたが、光軸周囲に限定されず、例えば周縁に存在していてもよい。また、同一のレンズ面に２種以上の凹凸面部が存在していてもよい。
以上説明したように、本発明は、光ディスク記録再生装置に搭載可能であり、それ以外にも、撮像装置（デジタルスチルカメラやデジタルビデオカメラ等）や表示装置（プロジェクター等）にも搭載可能である。
図１は、実施形態１にかかる複合光学素子の概略断面図である。 図２の（ａ）から（ｄ）は実施形態１にかかる複合光学素子の製造方法を示す断面図である。 図３は、実施形態１の第１の変形例にかかる複合光学素子の概略断面図である。 図４は、実施形態１の第２の変形例にかかる複合光学素子の概略断面図である。 図５は、実施形態１の第３の変形例にかかる複合光学素子の概略断面図である。 図６は、実施形態１の第４の変形例にかかる複合光学素子の概略断面図である。 図７は、実施形態２にかかる複合光学素子の概略断面図である。 図８は、実施形態３にかかる複合光学素子の概略断面図である。
符号の説明
１，２，３，１０１，２０１，３０１，４０１ 複合光学素子
１０，３０，１１０ 第１光学部
１２，１１２ レンズ面（第１光学機能表面）
１２ａ，１１２ａ，２１２ａ 第１凹凸面部
１３，３３，１１３ レンズ面（第３光学機能表面）
２０，１２０ 第２光学部
２１，１２１ 第１接合面
２２，１２２ レンズ面（第２光学機能表面）
２２ａ，１２２ａ 第２凹凸面部
３３ａ 第３凹凸面部
４０ 第３光学部
４１ 第２接合面
４２ レンズ面（第４光学機能表面）
４２ａ 第４凹凸面部

Claims (4)

  1. 第１光学機能表面を有し、第１ガラスからなる第１光学部と、
    前記第１ガラスとは異なる材質からなるとともに前記第１光学機能表面において前記第１光学部に接合されており、該第１光学部に接合された第１接合面とは反対側に第２光学機能表面を有する第２光学部とを備え、
    前記第１および前記第２光学機能表面のそれぞれの一部には、第１および第２凹凸面部が存在しており、
    前記第１光学部は、前記第１光学機能表面とは反対側に第３光学機能表面を有しており、
    前記第３光学機能表面の一部には、第３凹凸面部が存在していることを特徴とする複合光学素子。
  2. 第１光学機能表面を有し、第１ガラスからなる第１光学部と、
    前記第１ガラスとは異なる材質からなるとともに前記第１光学機能表面において前記第１光学部に接合されており、該第１光学部に接合された第１接合面とは反対側に第２光学機能表面を有する第２光学部とを備え、
    前記第１および前記第２光学機能表面のそれぞれの一部には、第１および第２凹凸面部が存在しており、
    前記第１光学部は、前記第１光学機能表面とは反対側に第３光学機能表面を有しており、
    前記第３光学機能表面において前記第１光学部に接合されており、当該第１光学部に接合された第２接合面とは反対側に第４光学機能表面を有する第３光学部をさらに備えており、
    前記第４光学機能表面の一部には、第４凹凸面部が存在していることを特徴とする複合光学素子。
  3. 前記第１および前記第２凹凸面部は、それぞれ、回折部、複数の凹状または凸状のレンズ面からなるレンズアレイ部、位相段差部および反射防止部のうちの少なくとも一つであることを特徴とする請求項１に記載の複合光学素子。
  4. 前記第２光学部は、エネルギー硬化樹脂からなることを特徴とする請求項１に記載の複合光学素子。
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