JP7106279B2 - Diffractive optical element and optical equipment - Google Patents

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Description

本発明は、カメラやビデオカメラ、顕微鏡、内視鏡等の光学機器に使用される回折光学素子に関するものである。 The present invention relates to a diffractive optical element used in optical instruments such as cameras, video cameras, microscopes and endoscopes.

回折光学素子の一つであるレリーフ型回折格子は、同心円状の複数の段差（レリーフパターン）を有しており、係る段差を形成する複数の壁面と、該壁面によって区画される複数の斜面とからなる。斜面は、光学素子として作用するいわゆる光学有効面であり、入射光を所望の位置に結像させる領域である。一方、壁面は光学素子としては作用しない領域である。壁面に入射した光は、該壁面で反射や屈折することにより、所望の結像位置からずれた位置に到達し、その結果、画像上にはフレアと呼ばれる現象が現れ、画質を大きく低下させてしまう。そのため、係るフレアを抑制するための方法が種々提案されている。
例えば、特許文献１には、壁面に、格子を形成している樹脂層よりも屈折率が高い材料からなる導波路層を形成することで回折効率を向上させた構成が開示されている。係る構成の回折光学素子に入射した光は、壁面での反射や屈折を起こすことなく導波路層内に入射し、該導波路内で全反射を繰り返しながら壁面に平行な方向に進んで導波路層先端から出力される。よって、原理上、フレアを低減することが可能である。 A relief-type diffraction grating, which is one of the diffractive optical elements, has a plurality of concentric steps (relief pattern), and includes a plurality of wall surfaces forming the steps and a plurality of slopes partitioned by the wall surfaces. consists of The oblique surface is a so-called optically effective surface that acts as an optical element, and is a region that forms an image of incident light at a desired position. On the other hand, the wall surface is a region that does not act as an optical element. Light incident on a wall surface is reflected or refracted by the wall surface, and reaches a position that is deviated from the desired imaging position. put away. Therefore, various methods for suppressing such flare have been proposed.
For example, Patent Literature 1 discloses a configuration in which a waveguide layer made of a material having a higher refractive index than a resin layer forming a grating is formed on a wall surface to improve the diffraction efficiency. Light incident on the diffractive optical element having such a configuration enters the waveguide layer without being reflected or refracted by the wall surface, travels in a direction parallel to the wall surface while repeating total reflection in the waveguide, and travels through the waveguide. Output from the tip of the layer . Therefore, in principle, flare can be reduced.

国際公開第２０１１／９９５５０号パンフレットWO 2011/99550 Pamphlet

特許文献１に開示された構成では、フレアを低減することは可能であるが、係る構成を密着二層型の回折格子に適用した場合には、導波路層を設けたことによる以下のような問題が発生する。
密着二層型の回折格子では、レリーフパターンが形成された格子界面を介して、第１の格子層と第２の格子層とを、密着させて一体化している。よって、係るレリーフパターンの壁面に上記導波路層を形成した場合には、係る壁面においては、第１の格子層と導波路層と第２の格子層と、の３種類の材料が互いに接した状態となる。透過型の回折格子の場合、第１の格子層及び第２の格子層はガラスや光学樹脂で構成されているが、少なくとも一方は光学樹脂が使用されている場合が多い。一方、導波路層には、第１の格子層や第２の格子層よりも高い屈折率が要求されている点、及び薄い膜厚で均一に形成する点から、無機材料が用いられる。
よって、密着二層型の回折格子に特許文献１の導波路層を設けた場合には、壁面において、有機材料と無機材料とが混在していることになる。有機材料と無機材料とでは、線膨張係数が大きく異なり、例えば、光学材料として一般的に使用されるアクリル樹脂では５×１０-5／℃であるのに対して、アルミナなどの無機材料では７×１０-6／℃と、一桁低い値となる。
密着二層型の回折格子を製造する際、一般的には、第１の格子層をレプリカ法などで成形し、その後、導波路層を壁面に形成してから、最後に第２の格子層を第１の格子層と密着する形で成形する手順を踏むと考えられる。第２の格子層は、第１の格子層に密着させた状態で樹脂を硬化させて形成するが、一般的な樹脂であれば硬化前後で５乃至１０％程度の体積変化を生じる。そのため、双方の材料の粘弾性特性にもよるが、第２の格子層の樹脂の硬化反応は、既に成形されている第１の格子層へも影響を及ぼすことになる。つまり、第２の格子層の成形時に第１の格子層が変形することになるが、壁面は形状的に応力が生じ易いため、該壁面において変形が大きくなり、格子層と導波路層との界面で剥離が生じ、格子層と導波路層との間に空気層が発生してしまう。格子層と導波路層との界面に空気層が存在すると、格子層と導波路層との界面での屈折率が設計値とは異なる値となってしまう。そのため、導波路層内に入射した光が導波路層内で全反射を行わずに、途中で格子層側に抜けてしまい、設計通りに導波路層端部から出力せず、フレアの低減効果が得られなくなってしまうおそれがある。
また、格子層と導波路層との界面で剥離が生じる現象は、高温や低温、高温高湿といった環境によっても引き起こされやすい。よって、初期には光学性能を満足していても、経時的に変化してしまうおそれもある。
本発明の課題は、壁面に導波路層を設けた密着二層型の回折光学素子において、導波路層と格子層との界面における剥離を抑制し、フレアの発生を初期から長期にわたって低減することにある。 With the configuration disclosed in Patent Document 1, flare can be reduced. a problem arises.
In the close contact two-layer type diffraction grating, the first grating layer and the second grating layer are brought into close contact and integrated via a grating interface on which a relief pattern is formed. Therefore, when the waveguide layer is formed on the wall surface of the relief pattern, the three materials of the first lattice layer, the waveguide layer, and the second lattice layer are in contact with each other on the wall surface. state. In the case of a transmission type diffraction grating, the first grating layer and the second grating layer are made of glass or optical resin, and at least one of them is often made of optical resin. On the other hand, an inorganic material is used for the waveguide layer because it is required to have a higher refractive index than the first grating layer and the second grating layer, and because it can be formed uniformly with a thin film thickness.
Therefore, when the waveguide layer of Patent Document 1 is provided on the double-layered diffraction grating, the organic material and the inorganic material are mixed on the wall surface. Organic materials and inorganic materials have significantly different linear expansion coefficients. For example, acrylic resin, which is generally used as an optical material, has a linear expansion coefficient of 5×10 −5 /° C., while inorganic materials such as alumina have a coefficient of 7×10 −5 /°C. ×10 -6 /°C, which is one digit lower value.
When manufacturing a close contact two-layer type diffraction grating, generally, a first grating layer is formed by a replica method or the like, a waveguide layer is then formed on the wall surface, and finally a second grating layer is formed. is formed so as to be in close contact with the first grating layer. The second lattice layer is formed by curing a resin in close contact with the first lattice layer. If it is a general resin, the volume changes by about 5 to 10% before and after curing. Therefore, depending on the viscoelastic properties of both materials, the curing reaction of the resin of the second lattice layer also affects the already formed first lattice layer. In other words, the first grating layer is deformed when the second grating layer is formed, but since stress is likely to occur on the wall surface due to its shape, the deformation of the wall surface becomes large, and the deformation between the grating layer and the waveguide layer becomes large. Delamination occurs at the interface, and an air layer is generated between the grating layer and the waveguide layer. If an air layer exists at the interface between the grating layer and the waveguide layer, the refractive index at the interface between the grating layer and the waveguide layer will be different from the designed value. As a result, the light that enters the waveguide layer does not undergo total reflection in the waveguide layer and escapes to the lattice layer side on the way. may not be obtained.
Moreover, the phenomenon of delamination at the interface between the grating layer and the waveguide layer is likely to be caused by environments such as high temperature, low temperature, and high temperature and high humidity. Therefore, even if the optical performance is initially satisfied, there is a possibility that it will change over time.
An object of the present invention is to suppress the peeling at the interface between the waveguide layer and the lattice layer in a contact two-layer diffractive optical element in which a waveguide layer is provided on the wall surface, and to reduce the occurrence of flare over a long period of time from the initial stage. It is in.

本発明の第一は、複数の壁面と複数の斜面よりなる回折格子を有する第１の樹脂層と、複数の壁面と複数の斜面よりなる回折格子を有する第２の樹脂層とが、前記第１の樹脂層の斜面と前記第２の樹脂層の斜面が密着するように積層され、
前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層よりも屈折率が高い高屈折率層が、前記第１の樹脂層の壁面と前記第２の樹脂層の壁面との間に設けられた回折光学素子であって、
前記高屈折率層は、前記高屈折率層が接する前記第１の樹脂層の一の壁面より、前記第１の樹脂層の格子山部において前記一の壁面に隣接する前記斜面の一部と、前記第１の樹脂層の格子谷部において前記一の壁面に隣接する前記斜面の一部と、にそれぞれ延設されていることを特徴とする。
本発明の第二は、筐体と、該筐体内に複数のレンズを有する光学系を備える光学機器であって、前記複数のレンズの少なくとも１つが上記本発明の回折光学素子であることを特徴とする。 In a first aspect of the present invention, a first resin layer having a diffraction grating made up of a plurality of wall surfaces and a plurality of slopes, and a second resin layer having a diffraction grating made up of a plurality of wall surfaces and a plurality of slopes are combined into the Laminated so that the slope of the first resin layer and the slope of the second resin layer are in close contact,
A high refractive index layer having a higher refractive index than the first resin layer and the second resin layer is provided between the wall surface of the first resin layer and the wall surface of the second resin layer. an optical element,
The high refractive index layer extends from the one wall surface of the first resin layer with which the high refractive index layer is in contact with the part of the slope adjacent to the one wall surface in the lattice crest portion of the first resin layer. , and a part of the slope adjacent to the one wall surface in the lattice trough of the first resin layer .
A second aspect of the present invention is an optical instrument comprising a housing and an optical system having a plurality of lenses in the housing, wherein at least one of the plurality of lenses is the diffractive optical element of the present invention. and

本発明においては、壁面に高屈折率層を設けたことにより、導波路効果によって、該壁面に起因するフレアを低減することができる。さらに、本発明においては、高屈折率層を斜面と壁面との境界から斜面内にまで延設していることから、高屈折率層と第１の樹脂層及び第２の樹脂層との界面での剥離を抑制することができる。よって、本発明によれば、製造直後から長期にわたってフレアが低減された回折光学素子が提供され、該回折光学素子を用いて、優れた光学性能を長期にわたって得られる光学機器が得られる。 In the present invention, by providing the high refractive index layer on the wall surface, the flare due to the wall surface can be reduced by the waveguide effect. Furthermore, in the present invention, since the high refractive index layer extends from the boundary between the slope and the wall surface to the inside of the slope, the interface between the high refractive index layer and the first resin layer and the second resin layer It is possible to suppress peeling at. Therefore, according to the present invention, there is provided a diffractive optical element in which flare is reduced for a long period of time immediately after manufacture, and an optical instrument that provides excellent optical performance over a long period of time is obtained using the diffractive optical element.

本発明の回折光学素子の構成を模式的に示す図であり、（ａ）は厚さ方向の断面の全体図、（ｂ）は厚さ方向の断面の部分拡大図、（ｃ）は入射光側から見た平面図である。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS It is a figure which shows typically the structure of the diffraction optical element of this invention, (a) is the whole view of the cross section of a thickness direction, (b) is the partial enlarged view of the cross section of a thickness direction, (c) is incident light. It is the top view seen from the side. 図１の回折光学素子の壁面近傍の拡大図である。2 is an enlarged view of the vicinity of the wall surface of the diffractive optical element of FIG. 1; FIG. 図１の回折光学素子の製造方法を示す工程図である。1. It is process drawing which shows the manufacturing method of the diffraction optical element of FIG. 図１の回折光学素子の製造方法を示す工程図である。1. It is process drawing which shows the manufacturing method of the diffraction optical element of FIG. 図１の回折光学素子の製造方法を示す工程図である。1. It is process drawing which shows the manufacturing method of the diffraction optical element of FIG. 本発明の一実施形態に係る光学機器を示す概略図である。1 is a schematic diagram showing an optical instrument according to an embodiment of the invention; FIG.

本発明について、適宜図面を参照しながら実施形態について詳細に説明するが、本発明は以下に説明する実施形態に限定されるものではない。また以下の説明において特段説明されていない部分や、図面において特段図示されなかった部分に関しては、当該技術分野の周知或いは公知の技術を適用することができる。 The present invention will be described in detail with reference to the drawings as appropriate, but the present invention is not limited to the embodiments described below. In addition, well-known or well-known techniques in the technical field can be applied to the parts that are not particularly explained in the following description and the parts that are not particularly illustrated in the drawings.

図１は、本発明の回折光学素子の一実施形態の構成を模式的に示すであり、図１（ａ）は厚さ方向の断面の全体図であり、図１（ｂ）はその部分拡大図である。また、図１（ｃ）は入射光側から見た平面図である。図１（ａ）及び（ｂ）は、図１（ｃ）のＡ－Ａ’部分で切断した時の回折光学素子の断面を示した図であり、Ａ－Ａ’部分は回折光学素子の中心にある光軸を通る。即ち、厚さ方向断面とは、回折光学素子を上面（入射光側）から見た時の中心を通るように切断した時の、回折光学素子の断面のことである。図１に示すように、本発明の回折光学素子は、第１の樹脂層２と、第２の樹脂層３とを有する密着二層型である。第１の樹脂層（ブレーズド回折格子）２は、一方の表面側に、厚さ方向の断面が鋸歯状となる複数の段差が、光の入射方向から見た場合に同心円状となるように形成されている。また、係る段差は、壁面２ｂによって形成され、第１の樹脂層２の一方の表面は、係る壁面２ｂと、該壁面２ｂによって区画された斜面２ａとを、それぞれ複数備えている。即ち、壁面２ｂと斜面２ａとで、レリーフパターンが形成されている。第２の樹脂層３は、第１の樹脂層２と密着して配置されているため、第１の樹脂層側の表面に、第１の樹脂層２の段差に対応する段差を有している。そして、第１の樹脂層２の壁面２ｂと第２の樹脂層３の壁面３ｂとの間には、高屈折率層５が設けられている。
尚、本例においては、第１の樹脂層２に高屈折率層５を形成し、次いで、第１の樹脂層２及び高屈折率層５に対して密着するように樹脂を硬化させて第２の樹脂層３を形成したものとする。 1A and 1B schematically show the configuration of an embodiment of the diffractive optical element of the present invention, FIG. 1A is an overall view of the cross section in the thickness direction, and FIG. It is a diagram. FIG. 1(c) is a plan view seen from the incident light side. FIGS. 1(a) and 1(b) are diagrams showing a cross section of the diffractive optical element taken along the line AA' in FIG. 1(c), where AA' is the center of the diffractive optical element. passes through the optical axis at That is, the thickness direction cross section is a cross section of the diffractive optical element when cut so as to pass through the center when the diffractive optical element is viewed from above (incident light side). As shown in FIG. 1, the diffractive optical element of the present invention is of a two-layer contact type having a first resin layer 2 and a second resin layer 3 . The first resin layer (blazed diffraction grating) 2 has, on one surface side, a plurality of steps having sawtooth-shaped cross sections in the thickness direction, which are formed in concentric circles when viewed from the light incident direction. It is Moreover, such a step is formed by the wall surface 2b, and one surface of the first resin layer 2 includes a plurality of such wall surfaces 2b and slopes 2a partitioned by the wall surfaces 2b. That is, a relief pattern is formed by the wall surface 2b and the slope 2a. Since the second resin layer 3 is arranged in close contact with the first resin layer 2, it has steps corresponding to the steps of the first resin layer 2 on the surface on the first resin layer side. there is A high refractive index layer 5 is provided between the wall surface 2 b of the first resin layer 2 and the wall surface 3 b of the second resin layer 3 .
In this example, the high refractive index layer 5 is formed on the first resin layer 2, and then the resin is cured so as to adhere to the first resin layer 2 and the high refractive index layer 5. 2 resin layer 3 is formed.

図１の実施形態では、第１の樹脂層２の他方の表面側に第１のベース基板１が、第２の樹脂層３の第１の樹脂層２とは反対側の表面に第２のベース基板４が、それぞれ設けられている。これらベース基板１，４としては、透明性等、所望の光学特性を満足するものであれば、ガラス材料、光学樹脂材料のいずれでも用いることができるが、特性変動がしにくい（信頼性）という観点からはガラス材料の方が好適である。具体的には、ランタン系の高屈折率低分散ガラスである「Ｓ－ＬＡＨ５５」（（株）オハラ製）や超低分散ガラスである「Ｓ－ＦＰＬ５１」（（株）オハラ製）等が挙げられる。尚、第２のベース基板４はあってもなくても構わない。回折格子として得られる光学性能に大きな差が生じないためである。 In the embodiment of FIG. 1, the first base substrate 1 is provided on the other surface of the first resin layer 2, and the second resin layer 3 is provided on the surface of the second resin layer 3 opposite to the first resin layer 2. A base substrate 4 is provided, respectively. As the base substrates 1 and 4, any glass material or optical resin material can be used as long as it satisfies desired optical characteristics such as transparency. From the point of view, the glass material is more suitable. Specifically, lanthanum-based high refractive index low dispersion glass "S-LAH55" (manufactured by Ohara Co., Ltd.) and ultra-low dispersion glass "S-FPL51" (manufactured by Ohara Co., Ltd.), etc. be done. Incidentally, the second base substrate 4 may or may not be present. This is because there is no large difference in optical performance obtained as a diffraction grating.

第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３は、それぞれ回折格子であり、これらを形成する樹脂材料としては、光学特性、信頼性を満足する光学樹脂材料であれば特に制限は無く、製造が容易であることから、感光性樹脂材料が好ましい。具体的には、アクリレート系樹脂、ポリカーボネート樹脂、などが好適に使用される。この光学樹脂材料には要求される光学性能を達成するために、状況に応じて無機微粒子を内添させることも可能である。無機微粒子は要求される光学特性により選択される。具体的には、酸化ジルコニア、酸化チタン、酸化亜鉛、酸化インジウム、酸化錫、酸化アンチモン、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、アンチモンをドープした酸化スズ（ＡＴＯ）、亜鉛をドープした酸化インジウム（ＩＺＯ）等が挙げられる。 The first resin layer 2 and the second resin layer 3 are diffraction gratings, respectively, and the resin material for forming them is not particularly limited as long as it is an optical resin material that satisfies optical characteristics and reliability. Photosensitive resin materials are preferred because they are easy to use. Specifically, acrylate resins, polycarbonate resins, and the like are preferably used. In order to achieve the optical performance required for this optical resin material, it is also possible to internally add inorganic fine particles depending on the situation. Inorganic fine particles are selected according to the required optical properties. Specifically, zirconia oxide, titanium oxide, zinc oxide, indium oxide, tin oxide, antimony oxide, indium tin oxide (ITO), antimony-doped tin oxide (ATO), zinc-doped indium oxide (IZO). etc.

図１（ｂ）は、図１（ａ）の一部分を拡大したものである。図１（ｂ）に示すように、本発明においては、高屈折率層５は、第１の樹脂層２の壁面２ｂと第２の樹脂層３の壁面３ｂとの間に設けられているが、係る高屈折率層５は、それぞれの斜面２ａ、３ａにまで延設されている。より具体的には、第１の樹脂層２に着目して説明すると、壁面２ｂに形成された高屈折率層５は、該壁面２ｂと斜面２ａとの境界から斜面２ａの一部にまで連続して形成されている。本発明では、このように、高屈折率層５が、壁面２ｂのみならず、斜面２ａにまで延設されていることにより、高屈折率層５と第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３との界面における剥離が抑制される。 FIG. 1(b) is an enlarged view of a portion of FIG. 1(a). As shown in FIG. 1B, in the present invention, the high refractive index layer 5 is provided between the wall surface 2b of the first resin layer 2 and the wall surface 3b of the second resin layer 3. , the high refractive index layers 5 are extended to the respective slopes 2a and 3a. More specifically, focusing on the first resin layer 2, the high refractive index layer 5 formed on the wall surface 2b is continuous from the boundary between the wall surface 2b and the slope 2a to a part of the slope 2a. It is formed by In the present invention, the high refractive index layer 5 extends not only to the wall surface 2b but also to the slope 2a, so that the high refractive index layer 5, the first resin layer 2 and the second resin Delamination at the interface with the layer 3 is suppressed.

しかしながら、斜面２ａにまで高屈折率層５を延設すると、斜面２ａの実質的な面積が低減してしまい、本来、回折光学素子に要求されている光学特性が低下してしまうことになる。よって、本発明においては、剥離による光学特性の低下を抑制し得る範囲で、本来の光学特性が大きく低下しないように、高屈折率層５の斜面２ａに占める割合を設定することが望ましい。以下に、具体的に説明する。 However, if the high-refractive-index layer 5 is extended to the slope 2a, the substantial area of the slope 2a is reduced, and the optical properties originally required for the diffractive optical element are deteriorated. Therefore, in the present invention, it is desirable to set the ratio of the high refractive index layer 5 to the inclined surface 2a within a range in which deterioration of the optical characteristics due to peeling can be suppressed so that the original optical characteristics are not significantly deteriorated. A specific description will be given below.

図１（ｂ）において、壁面２ｂの頂部を第１の樹脂層２の格子山部２ｃ、壁面２ｂの底部を第１の樹脂層２の格子谷部２ｄと称する。格子山部２ｃ及び格子谷部２ｄはいずれも、斜面２ａと壁面２ｂとの境界である。また、Ｌ２は、回折光学素子の厚さ方向断面において、格子山部２ｃに隣接する斜面２ａに占める高屈折率層５の長さを示しており、Ｌ３は、格子谷部２ｄに隣接する斜面２ａに占める高屈折率層５の長さから厚さＬ４を除いた長さである。尚、以下の説明では、第１の樹脂層２の斜面２ａに占める高屈折率層５の長さについて説明するが、第２の樹脂層３についても、同様である。 In FIG. 1B, the top portion of the wall surface 2b is referred to as the lattice crest portion 2c of the first resin layer 2, and the bottom portion of the wall surface 2b is referred to as the lattice valley portion 2d of the first resin layer 2. As shown in FIG. Both the lattice peaks 2c and the lattice valleys 2d are boundaries between the slopes 2a and the wall surfaces 2b. Further, L2 indicates the length of the high refractive index layer 5 occupying the slope 2a adjacent to the grating ridges 2c in the cross section in the thickness direction of the diffractive optical element, and L3 indicates the length of the slope adjacent to the grating troughs 2d. It is the length obtained by subtracting the thickness L4 from the length of the high refractive index layer 5 occupying 2a. In the following description, the length of the high refractive index layer 5 occupying the slope 2a of the first resin layer 2 will be described, but the second resin layer 3 is the same.

上記したように、斜面２ａに占める高屈折率層５の長さＬ２及びＬ３は、回折光学素子として要求される光学性能と、剥離の低減とを同時に達成しうる範囲に調整される。回折光学素子として要求される光学性能の中で最も重要なものは回折効率である。回折効率は、設計回折次数の回折光が入射した光に対してどの程度の割合で所望の位置に出射しているかを示すものであり、斜面２ａに入射した光の全てが有効光線となる設計をしている。設計にもよるが、一般的には斜面２ａには格子界面を構成する二種類の材料のみが存在するのが前提で、異物は効率を低下させる要因となる。斜面２ａに界面を構成する材料よりも高屈折率の材料が存在した場合には、光学屈折系としては、光は設計とは異なる屈折角で進行していくことになり、結果的には所望の位置に光が集光しなくなってしまう。一方、回折光学系としては設計とは異なる屈折率間での回折現象となるので、所望の回折次数が得られなくなる。いずれにしても、本来の設計とは異なる現象が発現されて、回折効率及び画質を低下させることになってしまう。このため、光学性能の観点からは、斜面２ａに占める高屈折率層５の割合は極力少ない方が良い。 As described above, the lengths L2 and L3 of the high-refractive-index layer 5 occupying the slope 2a are adjusted within a range in which both the optical performance required for a diffractive optical element and the reduction in peeling can be achieved at the same time. Diffraction efficiency is the most important optical performance required for a diffractive optical element. The diffraction efficiency indicates the ratio of the diffracted light of the designed diffraction order to the incident light that is emitted to the desired position. doing Although it depends on the design, it is generally assumed that only two kinds of materials forming the lattice interface are present on the slope 2a, and foreign matter is a factor that reduces the efficiency. If there is a material with a higher refractive index than the material forming the interface on the slope 2a, the light will travel at a refraction angle different from the design as an optical refraction system. Light is no longer condensed at the position of . On the other hand, since the diffractive optical system causes a diffraction phenomenon between different refractive indices than designed, a desired diffraction order cannot be obtained. In any case, a phenomenon different from the originally designed phenomenon occurs, resulting in deterioration of diffraction efficiency and image quality. Therefore, from the viewpoint of optical performance, the ratio of the high refractive index layer 5 to the slope 2a should be as small as possible.

一般に、レリーフパターンを有する回折光学素子は、光軸中心から円の外周に近づくに従って格子ピッチを徐々に小さくすることにより、レンズ作用（光の収斂作用や発散作用）を有するように構成されている。斜面２ａを無効にするものが、ある一定距離で形成されている場合、その影響の大きさは斜面２ａの長さに反比例する。斜面２ａが長い、つまり格子ピッチの大きい場合は影響が小さく、逆に斜面２ａが短い、つまり格子ピッチの小さい場合は影響が大きくなる。 In general, a diffractive optical element having a relief pattern is configured to have a lens action (light convergence action or divergence action) by gradually decreasing the grating pitch from the center of the optical axis to the outer circumference of the circle. . If the disabling slope 2a is formed at a certain distance, the magnitude of the effect is inversely proportional to the length of the slope 2a. If the slope 2a is long, that is, if the grating pitch is large, the effect is small. Conversely, if the slope 2a is short, that is, if the grating pitch is small, the effect is large.

上記の高屈折率層５の場合で考えると、一般のレリーフパターンを有する回折光学素子では、光軸中心に近いほど高屈折率層５の影響が小さく、円の外周に近づくに従って高屈折率層５が画質を劣化させる影響は大きくなっていく。このため、高屈折率層５が斜面２ａに占める長さは、理想的にはピッチに比例して変化していることが望ましい。つまり、光軸中心から円の外周に近づくに従って斜面２ａに形成される距離が短くなっていくことが、理想である。 Considering the case of the above-mentioned high refractive index layer 5, in a diffractive optical element having a general relief pattern, the effect of the high refractive index layer 5 is smaller the closer to the center of the optical axis, and the higher the refractive index layer 5, the closer to the outer circumference of the circle 5 has an increasing influence on image quality. Therefore, ideally, it is desirable that the length of the slope 2a occupied by the high refractive index layer 5 varies in proportion to the pitch. In other words, it is ideal that the distance formed on the slope 2a becomes shorter as the distance from the center of the optical axis to the outer circumference of the circle approaches.

しかしながら、高屈折率層５を壁面２ｂに形成する方法にもよるが、通常想定される方法によれば斜面２ａに形成される長さは略一定になると推定される。その場合には、図１（ｂ）に示した上記Ｌ２が０．１μｍ以上、上記Ｌ３が０．２μｍ以上であることが好ましい。また、Ｌ２が０．１μｍ以上、Ｌ３が０．２μｍ以上で、且つ、Ｌ２＜Ｌ３が好ましい。 However, although it depends on the method of forming the high refractive index layer 5 on the wall surface 2b, it is presumed that the length formed on the slope 2a will be approximately constant according to a generally assumed method. In that case, it is preferable that the L2 shown in FIG. 1(b) is 0.1 μm or more and the L3 is 0.2 μm or more. Further, it is preferable that L2 is 0.1 μm or more, L3 is 0.2 μm or more, and L2<L3.

そして、回折光学素子全体で、Ｌ２及びＬ３の合計の、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合が、５％以下であることが好ましい。即ち、高屈折率層５によって阻害された斜面２ａの影響を５％以下にする、つまり設計値に対して９５％以上の回折効率を確保することを意味している。上記割合が５％を超えると、回折効率が低下して回折格子が本来要求されている色収差補正効果も小さくなり、結果的に撮影した画像は全体的にぼやけた感じになり、フレアの抑制効果も小さくなってしまう。 In the entire diffractive optical element, the ratio of the sum of L2 and L3 to the sum of length L1 of slope 2a is preferably 5% or less. That is, it means that the influence of the slope 2a hindered by the high refractive index layer 5 is reduced to 5% or less, that is, the diffraction efficiency is ensured to be 95% or more of the design value. If the above ratio exceeds 5%, the diffraction efficiency will decrease and the chromatic aberration correction effect that is originally required for the diffraction grating will also decrease, and as a result, the photographed image will appear blurry as a whole, and the effect of suppressing flare. becomes smaller.

一方で、第１の樹脂層２又は第２の樹脂層３と高屈折率層５との界面での剥離を抑制するためには、斜面２ａに占める高屈折率層５の長さＬ２，Ｌ３が長い方が好ましい。係る剥離は、例えば、温度や湿度といった環境変化による第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３の伸縮、及び、第２の樹脂層３を形成する際の樹脂の硬化収縮による第１の樹脂層２の変形が要因となって発生する。よって、これを抑制するには、第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３の伸縮を低減することが重要である。本発明において、第１の樹脂層２の格子山部２ｃ及び格子谷部２ｄが高屈折率層５で覆われていることで、係る伸縮が制限され、結果として、これら樹脂層２，３と高屈折率層５の界面における剥離を抑制することが可能となる。 On the other hand, in order to suppress peeling at the interface between the first resin layer 2 or the second resin layer 3 and the high refractive index layer 5, the lengths L2 and L3 of the high refractive index layer 5 occupying the slope 2a longer is preferred. Such peeling is caused by, for example, expansion and contraction of the first resin layer 2 and the second resin layer 3 due to environmental changes such as temperature and humidity, and curing shrinkage of the resin when the second resin layer 3 is formed. Deformation of the resin layer 2 is a factor. Therefore, in order to suppress this, it is important to reduce the expansion and contraction of the first resin layer 2 and the second resin layer 3 . In the present invention, since the lattice peaks 2c and the lattice valleys 2d of the first resin layer 2 are covered with the high refractive index layer 5, such expansion and contraction is restricted. It becomes possible to suppress peeling at the interface of the high refractive index layer 5 .

図２は、図１の壁面２ｂ、３ｂ近傍を拡大した図であり、図中のαは、厚さ方向断面において、第１の樹脂層２の格子山部２ｃのなす角度、βは第１の樹脂層２の格子谷部２ｄのなす角度を示している。また、ｈ１は、第１の樹脂層２の格子山部２ｃから第２のベース基板４までの距離（格子山部２ｃにおける第２の樹脂層３の厚さ）、ｈ２は第１の樹脂層２の格子谷部２ｄから第２のベース基板４までの距離（格子谷部２ｄにおける第２の樹脂層３の厚さ）である。尚、図２において、高屈折率層５は便宜上、省略した。 FIG. 2 is an enlarged view of the vicinity of the wall surfaces 2b and 3b in FIG. shows the angle formed by the lattice troughs 2d of the resin layer 2 of FIG. Further, h1 is the distance from the lattice ridges 2c of the first resin layer 2 to the second base substrate 4 (the thickness of the second resin layer 3 at the lattice ridges 2c), and h2 is the first resin layer. 2 (the thickness of the second resin layer 3 at the lattice valleys 2d) from the lattice valleys 2d of No. 2 to the second base substrate 4; Incidentally, in FIG. 2, the high refractive index layer 5 is omitted for convenience.

本例のように、レリーフパターンが入射した光を所望の位置に結像させる斜面２ａと、光学素子としては作用しない壁面２ｂとで構成されている回折格子の場合、（０＜）α≦１２０°、（２１０＜）β≦２７０°の範囲になることが一般的である。この様な形状の回折格子においては、格子谷部２ｄでは広角での収縮が１点に集中しており、格子山部２ｃに比較して大きな応力が発生する傾向にある。更にｈ１＜ｈ２の関係より、第２の樹脂層３を形成する際の樹脂材料の硬化収縮量の影響は、格子山部２ｃよりも格子谷部２ｄの方が大きくなる。つまり、格子山部２ｃに比較して格子谷部２ｄでは、応力が大きくなる傾向があり、第１の樹脂層２と高屈折率層５との界面での剥離が発生し易くなる。よって、斜面２ａにまで連続的に形成される高屈折率層５は、格子山部２ｃよりも格子谷部２ｄの方を長くすることが好ましく、具体的にはＬ２≧０．１μｍ、Ｌ３≧０．２μｍとすることで、層間での剥離を効果的に抑制し得ることが判った。 As in this example, in the case of a diffraction grating composed of an inclined surface 2a for forming an image of light incident on a relief pattern at a desired position and a wall surface 2b that does not act as an optical element, (0<)α≦120 °, (210<) β≤270°. In the diffraction grating having such a shape, contraction at a wide angle is concentrated at one point in the grating troughs 2d, and a larger stress tends to be generated than in the grating peaks 2c. Further, from the relationship of h1<h2, the influence of the hardening shrinkage amount of the resin material when forming the second resin layer 3 is greater on the lattice troughs 2d than on the lattice ridges 2c. In other words, stress tends to be greater in the lattice troughs 2d than in the lattice ridges 2c, and peeling at the interface between the first resin layer 2 and the high refractive index layer 5 is likely to occur. Therefore, in the high refractive index layer 5 continuously formed up to the slope 2a, it is preferable that the lattice troughs 2d are longer than the lattice peaks 2c. It was found that separation between layers can be effectively suppressed by setting the thickness to 0.2 μm.

高屈折率層５の材料としては、樹脂層２，３を構成する材料にもよるが、これらの樹脂材料よりも高い屈折率を有していることと低い線膨張係数を有していることが重要である。高屈折率層５はその屈折率にもよるが膜厚は最大でも数百ｎｍの薄膜であり、設計からの形状ズレに関しても数十ｎｍレベルである。更に、設計によるが材料屈折率の許容ズレも０．０５以下程度であることを考慮すると、高屈折率層の形成には真空成膜プロセスが想定される。しかしながら、レンズなどの曲面に成膜する場合には、入射する角度によって屈折率が大きく変化してしまい、所望の効果が得られなくなる懸念がある。屈折率の成膜角依存は材料としての特性もあるが、狙い屈折率にも依存する。正対入射で成膜した時は、材料本来が持つ密度、屈折率になるが、入射角度が浅くなるにつれて密度が小さくなり、結果的に屈折率も小さくなる。正対入射時に高い屈折率を有する材料ほど、その変化が大きくなるので、安定的に製造する観点からは正対入射時の屈折率は高くない方が良い。樹脂で形成された回折格子間で導波路の効果を持ち、製造安定性も得られる屈折率範囲としては、正対入射時に１．６以上２．１以下程度までの無機材料が好適に使用される。無機材料として具体的にはＡｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｌａ2Ｏ3、などのガラス材料成分が挙げられ、更にその二種以上の混合物なども好適に使用される。 The material of the high refractive index layer 5 should have a higher refractive index and a lower coefficient of linear expansion than these resin materials, depending on the materials forming the resin layers 2 and 3. is important. The high refractive index layer 5 is a thin film with a maximum thickness of several hundred nanometers, depending on its refractive index, and the shape deviation from the design is also on the order of several tens of nanometers. Furthermore, considering that the permissible deviation of the refractive index of the material is about 0.05 or less depending on the design, a vacuum deposition process is assumed for forming the high refractive index layer. However, when forming a film on a curved surface such as a lens, there is a concern that the refractive index will change greatly depending on the angle of incidence, and the desired effect will not be obtained. The dependence of the refractive index on the film formation angle depends not only on the characteristics of the material, but also on the target refractive index. When the film is formed by direct incidence, the density and refractive index inherent in the material are obtained. The higher the refractive index of a material at the time of direct incidence, the greater the change in the refractive index. Therefore, from the viewpoint of stable production, the refractive index at the time of direct incidence should not be high. An inorganic material with a refractive index range of about 1.6 or more and about 2.1 or less at the time of direct incidence is preferably used as a refractive index range that has a waveguide effect between resin-formed diffraction gratings and provides manufacturing stability. be. Specific examples of inorganic materials include glass material components such as Al 2 O 3 , HfO 2 , ZrO 2 and La 2 O 3 , and mixtures of two or more thereof are also preferably used.

ここで、図１に例示した回折光学素子の製造方法の一例について図３乃至図５を用いて説明するが、本発明の回折光学素子は、その性能を満足するものであれば、係る製造方法には限定されない。
第１のベース基板１上に第１の樹脂層２をレプリカ法で成形する。具体的には、第１の樹脂材料１１を滴下したベース基板１（図３（ａ））を所望の形状を有する金型１２の上に配置して樹脂材料１１をベース基板１と金型１２の間に充填させる（図３（ｂ））。次いで、紫外線光源１３によってベース基板１を通して第１の樹脂材料１１を硬化させて（図３（ｃ））、所望の形状を有する第１の樹脂層２をベース基板１の上に形成する。ベース基板１と一体化した第１の樹脂層２を金型１２から外し（図４（ｄ））、更に、オーブン中で加熱処理することにより、樹脂を完全に硬化させる。 An example of a method for manufacturing the diffractive optical element illustrated in FIG. 1 will now be described with reference to FIGS. is not limited to
A first resin layer 2 is formed on a first base substrate 1 by a replica method. Specifically, the base substrate 1 ( FIG. 3A ) onto which the first resin material 11 is dropped is placed on a mold 12 having a desired shape, and the resin material 11 is applied to the base substrate 1 and the mold 12 . (Fig. 3(b)). Next, the first resin material 11 is cured through the base substrate 1 by the ultraviolet light source 13 (FIG. 3(c)) to form the first resin layer 2 having a desired shape on the base substrate 1 . The first resin layer 2 integrated with the base substrate 1 is removed from the mold 12 (FIG. 4(d)), and heat-treated in an oven to completely harden the resin.

次に、第１の樹脂層２の壁面に高屈折率層５を形成する。第１の樹脂層２の全面にリフトオフ用のネガ型レジストを塗布し、壁面に水平な方向（レンズ光軸方向）から紫外線を照射した後、炭酸ナトリウム溶液中で現像を行う。壁面では、壁面に水平な方向での膜厚が厚いため、十分な照射量が得られず、また格子谷部では壁面の影響を受けて十分な照射量が得られないため、レジストは現像されてしまう。また、格子山部では十分な照射は得られるが、形状的に現像液の置換効率が高くなるため、他の場所に比べてエッチングレートが大きくなる。よって、紫外線照射量と現像時間を最適化することでレジスト１４の残膜率を調整し、壁面及び格子山部、格子谷部ではレジストが現像されて残存していない状態にする（図４（ｅ））。レジストパターニングが完了した第１の樹脂層２を蒸着装置に入れ、壁面に正対する方向から高屈折率層材料１５を成膜した（図４（ｆ））後、強アルカリ溶液中でレジスト１４を剥離する。これにより、第１の樹脂層２の壁面及び斜面の一部にまで連続的に形成された高屈折率層５が得られる（図５（ｇ））。 Next, a high refractive index layer 5 is formed on the wall surface of the first resin layer 2 . A negative resist for lift-off is applied to the entire surface of the first resin layer 2, and the wall surface is irradiated with ultraviolet rays from the horizontal direction (lens optical axis direction), and then developed in a sodium carbonate solution. On the wall surface, the film thickness in the direction horizontal to the wall surface is thick, so a sufficient dose of irradiation cannot be obtained. end up In addition, although sufficient irradiation can be obtained at the lattice crests, the efficiency of replacement of the developing solution is high due to the shape, so the etching rate is higher than at other locations. Therefore, the residual film ratio of the resist 14 is adjusted by optimizing the amount of ultraviolet irradiation and the development time, so that the resist is developed and does not remain on the wall surfaces, the lattice crests, and the lattice troughs (FIG. 4 ( e)). The first resin layer 2 that has undergone resist patterning is placed in a vapor deposition apparatus, and a film of a high refractive index layer material 15 is formed from the direction directly facing the wall surface (FIG. 4(f)). exfoliate. As a result, the high refractive index layer 5 continuously formed on the wall surface and part of the slope of the first resin layer 2 is obtained (FIG. 5(g)).

最後に、上記の第１の樹脂層２と第２のベース基板４との間に第２の樹脂材料１６を充填し、第２のベース基板４を通して紫外線光源１３より紫外線を照射し（図５（ｈ））、樹脂材料１６を硬化させることで第２の樹脂層３を得ることができる。これにより、密着二層型の回折光学素子が得られる。
本発明の回折光学素子は、種々の光学機器に用いられ、具体的には、静止画像を撮影するカメラや動画を撮影するビデオカメラ、顕微鏡、内視鏡が挙げられる。 Finally, a second resin material 16 is filled between the first resin layer 2 and the second base substrate 4, and ultraviolet rays are irradiated from an ultraviolet light source 13 through the second base substrate 4 (FIG. 5). (h)), the second resin layer 3 can be obtained by curing the resin material 16 . As a result, a contact two-layer type diffractive optical element is obtained.
The diffractive optical element of the present invention is used in various optical instruments, and specific examples include cameras for capturing still images, video cameras for capturing moving images, microscopes, and endoscopes.

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は筐体３１とその内部に光学系を有する。光学系は、レンズ２１乃至２９及び回折光学素子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側が光学系の入射光側であり、レンズ２９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、色収差を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、フレアの発生を抑制することができる。 FIG. 6 is a cross-sectional view of an optical system of an interchangeable lens barrel of a single-lens reflex camera, which is an example of a preferred embodiment of the optical apparatus of the present invention. The lens barrel 30 has a housing 31 and an optical system therein. The optical system has lenses 21 to 29 and a diffractive optical element 20 arranged perpendicular to the optical axis O. As shown in FIG. Here, the lens 21 side is the incident light side of the optical system, and the lens 29 side is the detachable mount side of the camera. By arranging the diffractive optical element 20 of the present invention at an appropriate position in the optical system, it is possible to provide a compact and lightweight lens barrel with reduced chromatic aberration. Further, by providing the diffractive optical element 20 inside the lens 21 as shown in FIG. 6, it is possible to prevent external light from directly hitting the diffractive optical element 20, thereby suppressing the occurrence of flare.

（実施例１、比較例１）
図１に例示した密着二層型の回折光学素子を、図３乃至図５に示した工程で作製した。凸形状を有する第１のベース基板１と凹形状を有する第２のベース基板４は、いずれもホウ素とシリコンを含有した光学ガラス（（株）オハラ製「Ｓ－ＢＳＬ７」）レンズであり、大きさはベース基板１がφ５８ｍｍ、ベース基板４がφ６１ｍｍのものを準備した。 (Example 1, Comparative Example 1)
The contact two-layer type diffractive optical element illustrated in FIG. 1 was manufactured by the steps shown in FIGS. The first base substrate 1 having a convex shape and the second base substrate 4 having a concave shape are both lenses of optical glass containing boron and silicon (“S-BSL7” manufactured by Ohara Co., Ltd.). A base substrate 1 with a diameter of 58 mm and a base substrate 4 with a diameter of 61 mm were prepared.

第１のベース基板１と第２のベース基板４の間には、第１のベース基板１側から第１の樹脂層２、第２の樹脂層３が形成されている。第１の樹脂層２は、不飽和官能基を有するウレタン変性ポリエステルアクリレートとジシクロペンテニルオキシエチルメタクリレートを主成分とする紫外線硬化型アクリル樹脂に酸化インジウム錫微粒子を分散させた紫外線硬化型樹脂で形成した。第２の樹脂層３は、不飽和官能基を有するウレタン変性ポリエステルアクリレートとジシクロペンテニルオキシエチルメタクリレートを主成分とする紫外線硬化型アクリル樹脂に酸化ジルコニア微粒子を分散させて用いた。第１の樹脂層２、第２の樹脂層３の屈折率は、ｄ線基準でそれぞれ１．５７と１．６２であった。第１の樹脂層２の格子高さは１０μｍであり、隣接する格子の間隔は光軸中心から円の外周に近づくに従って３．０ｍｍから０．１ｍｍまで徐々に小さくなっており、壁面の数は全部で８０である。 A first resin layer 2 and a second resin layer 3 are formed between the first base substrate 1 and the second base substrate 4 from the first base substrate 1 side. The first resin layer 2 is formed of an ultraviolet curable resin in which indium tin oxide fine particles are dispersed in an ultraviolet curable acrylic resin mainly composed of urethane-modified polyester acrylate having an unsaturated functional group and dicyclopentenyloxyethyl methacrylate. did. The second resin layer 3 is formed by dispersing zirconia fine particles in an ultraviolet curable acrylic resin mainly composed of urethane-modified polyester acrylate having an unsaturated functional group and dicyclopentenyloxyethyl methacrylate. The refractive indices of the first resin layer 2 and the second resin layer 3 were 1.57 and 1.62, respectively, based on the d-line. The grating height of the first resin layer 2 is 10 μm, the interval between adjacent gratings gradually decreases from 3.0 mm to 0.1 mm as it approaches the circumference of the circle from the center of the optical axis, and the number of wall surfaces is 80 in all.

本実施例の高屈折率層５は、Ａｌ2Ｏ3とＺｒＯ2の混合酸化物であり、ｄ線基準での屈折率が１．７０で、厚さは１７０ｎｍとした。高屈折率層５が斜面２ａに占める長さは、第１の樹脂層２の格子山部２ｃに隣接した面内ではＬ２＝０．２５μｍであり、格子谷部２ｄに隣接した面内ではＬ３＝０．３５μｍであった。この時の、Ｌ２及びＬ３の合計が、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合は０．２８％であった。 The high refractive index layer 5 of this example is a mixed oxide of Al 2 O 3 and ZrO 2 and has a refractive index of 1.70 with respect to the d-line and a thickness of 170 nm. The length of the slope 2a occupied by the high refractive index layer 5 is L2=0.25 μm in the plane adjacent to the lattice peaks 2c of the first resin layer 2, and L3=0.25 μm in the plane adjacent to the lattice valleys 2d. = 0.35 µm. At this time, the ratio of the sum of L2 and L3 to the sum of length L1 of slope 2a was 0.28%.

本実施例の回折光学素子をフレア測定用に改造を施した撮像光学系（キヤノン（株）製 ＥＦレンズ鏡筒）に組み込んで、壁面によるフレアの測定を行った。壁面によるフレアの測定は、光軸中心から数えて１０番目の輪帯の格子部分にのみ赤（６３５ｎｍ）、緑（５３２ｎｍ）、青（４７３ｎｍ）のレーザー光線を入射させ、得られる回折光をＣＣＤで捉えて、入射した光に対する不要回折光の割合として算出した。レーザー光線は、昭和オプトロニクス（株）製のレーザー「ＪＵＮＯ－Ｃｏｍｐａｃｔ」を用いて照射した。本実施例の回折光学素子では、＋１次回折光を使用する設計なので、それ以外の回折光は設計想定外の不要光であるが、有効画素内で結像してしまうのは０、＋２次光、－１、＋３次光の位置に現れる回折光であるため、その不要回折光量を測定することとした。具体的には、ＣＣＤセンサーの直前に０、＋２次光、－１、＋３次光のみを透過させるスリットを配することで、ＣＣＤセンサーに入射する光は所望の回折光のみである状態を作った。尚、測定の精度を保証するため、測定は温度が２３±０．５℃、湿度が５０±１０％の環境下で実施し、更に外部の光の影響を無くすために、実験系は遮光幕の中に設定した。測定の結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００２％であった。 The diffractive optical element of this example was incorporated into an imaging optical system (EF lens barrel manufactured by Canon Inc.) modified for flare measurement, and flare caused by a wall surface was measured. The flare caused by the wall surface was measured by illuminating red (635 nm), green (532 nm), and blue (473 nm) laser beams only on the lattice portion of the 10th annular zone counting from the center of the optical axis, and measuring the resulting diffracted light with a CCD. It was captured and calculated as a ratio of unnecessary diffracted light to incident light. The laser beam was irradiated using a laser "JUNO-Compact" manufactured by Showa Optronics Co., Ltd. Since the diffractive optical element of this embodiment is designed to use the +1st order diffracted light, the other diffracted light is unnecessary light that is not assumed in the design. , -1, and +3 diffracted light, the amount of unnecessary diffracted light was measured. Specifically, by arranging a slit that transmits only the 0th, +2nd order, -1st and +3rd order light immediately before the CCD sensor, a state is created in which only the desired diffracted light is incident on the CCD sensor. rice field. In addition, in order to guarantee the accuracy of the measurement, the measurement was carried out in an environment with a temperature of 23 ± 0.5 ° C and a humidity of 50 ± 10%. set in As a result of the measurement, the flare caused by the wall surface of the diffractive optical element of this example was 0.002%.

また、回折光学素子の回折効率を測定した。具体的には、格子間隔が１００μｍとなる領域に光軸方向から回折光学素子に光を入射させて、回折光の出射側に設計次数の回折光のみを通過させるスリットを配して、分光光度計で回折光量を計測し、回折光量の入射光に対する比率として回折効率とした。分光光度計としては、（株）日立ハイテクノロジーズ製の分光光度計「Ｕ－４０００」を用いた。測定の結果、本実施例における回折効率は９８．７％以上となった。 Also, the diffraction efficiency of the diffractive optical element was measured. Specifically, light is made incident on the diffractive optical element from the optical axis direction in a region where the grating interval is 100 μm, and a slit that allows only the diffracted light of the design order to pass through is arranged on the output side of the diffracted light. The amount of diffracted light was measured with a meter, and the ratio of the amount of diffracted light to the incident light was defined as the diffraction efficiency. As a spectrophotometer, a spectrophotometer “U-4000” manufactured by Hitachi High-Technologies Corporation was used. As a result of measurement, the diffraction efficiency in this example was 98.7% or higher.

比較例１として、壁面に高屈折率層５が形成されていないこと以外は、上記と全く同様の回折光学素子を準備し、上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行ったところ、壁面によるフレアは０．０１８％であり、回折効率は９９．０％以上であった。
よって、本実施例では、高屈折率層５の形成により、回折効率の低下を抑えながら、壁面によるフレアを１／９にまで減少させることができた。 As Comparative Example 1, the same diffractive optical element as described above was prepared except that the high refractive index layer 5 was not formed on the wall surface, and the same flare measurement and diffraction efficiency measurement were performed. The flare was 0.018% and the diffraction efficiency was 99.0% or higher.
Therefore, in this example, formation of the high refractive index layer 5 reduced the flare due to the wall surface to 1/9 while suppressing the deterioration of the diffraction efficiency.

本実施例の回折光学素子に対して、耐久試験として熱衝撃試験（－４０℃と４０℃にそれぞれ２０分維持を３０サイクル）を実施した後に上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行った。その結果、壁面によるフレアは０．００２％であり、回折効率は９８．８％以上となり、熱衝撃試験前後での光学特性に変化は認められなかった。また、外観上も特に変化は認められなかった。
回折光学素子の形状は成形段階で干渉計（Ｚｙｇｏ社製 ３次元光学プロファイラ「Ｎｅｗ－Ｖｉｅｗ」）を使用して計測したものであり、高屈折率層５の形状に関しては、熱衝撃試験完了後に切断して断面をＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｎｉｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）によって観察、測定した結果である。 The diffractive optical element of this example was subjected to a thermal shock test (30 cycles of -40° C. and 40° C. maintained for 20 minutes each) as an endurance test, and then flare measurement and diffraction efficiency measurement were performed in the same manner as above. . As a result, the flare caused by the wall surface was 0.002%, the diffraction efficiency was 98.8% or more, and no change was observed in the optical properties before and after the thermal shock test. Also, no particular change was observed in appearance.
The shape of the diffractive optical element was measured using an interferometer (Zygo three-dimensional optical profiler "New-View") at the molding stage. It is the result of cutting and observing and measuring the cross section by SEM (Scanning Electron Microscope).

（実施例２、比較例２）
第１のベース基板１がφ３４ｍｍ、第２のベース基板４がφ３８ｍｍのものを用い、実施例１と同様にして第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３を形成して密着二層型の回折光学素子を作製した。第１の樹脂層２及び第２の樹脂層３の屈折率は、ｄ線基準でそれぞれ１．５７と１．６２であった。第１の樹脂層２の格子高さは１０μｍであり、隣接する格子の間隔は光軸中心から円の外周に近づくに従って３．９ｍｍから０．２ｍｍまで徐々に小さくなっており、壁面の数は全部で６５である。 (Example 2, Comparative Example 2)
A first base substrate 1 of φ34 mm and a second base substrate 4 of φ38 mm were used, and a first resin layer 2 and a second resin layer 3 were formed in the same manner as in Example 1 to form a two-layer adhesion structure. A diffractive optical element was produced. The refractive indices of the first resin layer 2 and the second resin layer 3 were 1.57 and 1.62, respectively, based on the d-line. The grating height of the first resin layer 2 is 10 μm, the interval between adjacent gratings gradually decreases from 3.9 mm to 0.2 mm as it approaches the circumference of the circle from the center of the optical axis, and the number of wall surfaces is 65 in all.

本実施例の高屈折率層５は、Ａｌ2Ｏ3とＬａ2Ｏ3の混合酸化物であり、ｄ線基準での屈折率が１．６８で、厚さは１４０ｎｍとした。高屈折率層５が斜面２ａに占める長さは、第１の樹脂層２の格子山部２ｃに隣接した面内ではＬ２＝６．５μｍであり、格子谷部２ｄに隣接した面内ではＬ３＝９．０μｍであった。この時の、Ｌ２及びＬ３の合計が、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合は４．９７％であった。
実施例１と同様にして、本実施例の回折光学素子を撮像光学系に組み込んで、壁面によるフレアの測定及び回折効率の測定を行った。その結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００３％、回折効率は９５．０％以上となった。 The high refractive index layer 5 of this example is a mixed oxide of Al 2 O 3 and La 2 O 3 and has a refractive index of 1.68 on the d-line basis and a thickness of 140 nm. The length of the slope 2a occupied by the high refractive index layer 5 is L2=6.5 μm in the plane adjacent to the lattice peaks 2c of the first resin layer 2, and L3=6.5 μm in the plane adjacent to the lattice valleys 2d. = 9.0 µm. At this time, the ratio of the sum of L2 and L3 to the sum of length L1 of slope 2a was 4.97%.
In the same manner as in Example 1, the diffractive optical element of this example was incorporated into an imaging optical system, and the measurement of flare due to the wall surface and the diffraction efficiency were performed. As a result, the flare due to the wall surface of the diffractive optical element of this example was 0.003%, and the diffraction efficiency was 95.0% or more.

比較例２として、壁面に高屈折率層５が形成されていないこと以外は、上記と全く同様の回折光学素子を準備し、上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行ったところ、壁面によるフレアは０．０３０％であり、回折効率は９９．０％以上であった。
よって、本実施例では、高屈折率層５の形成により、回折効率の低下を５％以内に抑えながら、壁面によるフレアは１／１０にまで減少させることができた。 As Comparative Example 2, a diffractive optical element that was exactly the same as the above except that the high refractive index layer 5 was not formed on the wall surface was prepared, and the same flare measurement and diffraction efficiency measurement were performed. The flare was 0.030% and the diffraction efficiency was 99.0% or higher.
Therefore, in this example, by forming the high refractive index layer 5, it was possible to reduce the flare due to the wall surface to 1/10 while suppressing the decrease in the diffraction efficiency within 5%.

本実施例の回折光学素子に対して実施例１と同様の熱衝撃試験を実施した後に、上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行った。その結果、壁面によるフレアは０．００３％であり、回折効率は９５．０％以上となり、熱衝撃試験前後での光学特性に変化は認められなかった。また、外観上も特に変化は認められなかった。 After the same thermal shock test as in Example 1 was performed on the diffractive optical element of this example, flare measurement and diffraction efficiency measurement were performed in the same manner as described above. As a result, the flare due to the wall surface was 0.003%, the diffraction efficiency was 95.0% or more, and no change was observed in the optical properties before and after the thermal shock test. Also, no particular change was observed in appearance.

（実施例３）
斜面に占める高屈折率層５の長さを、Ｌ２＝１０μｍ、Ｌ３＝１５μｍとした以外は実施例２と同様にして密着二層型の回折光学素子を作製した。本実施例の回折光学素子において、Ｌ２及びＬ３の合計が、斜面２ａの長さＬ１の合計に対する割合は８．０２％であった。
実施例１と同様にして、本実施例の回折光学素子を撮像光学系に組み込んで、壁面によるフレアの測定及び回折効率の測定を行った。その結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００３％、回折効率は９１．８％以上となった。 (Example 3)
A contact two-layer type diffractive optical element was produced in the same manner as in Example 2, except that the length of the high refractive index layer 5 occupying the slope was set to L2=10 μm and L3=15 μm. In the diffractive optical element of this example, the ratio of the sum of L2 and L3 to the sum of length L1 of slope 2a was 8.02%.
In the same manner as in Example 1, the diffractive optical element of this example was incorporated into an imaging optical system, and the measurement of flare due to the wall surface and the diffraction efficiency were performed. As a result, the flare caused by the wall surface of the diffractive optical element of this example was 0.003%, and the diffraction efficiency was 91.8% or more.

比較例２（フレア：０．０３０％、回折効率：９９．０％）と比較すると、本実施例の回折光学素子は、高屈折率層５の形成により、壁面によるフレアを１／１０にまで減少させることができた。しかしながら、回折効率は斜面への成膜の影響もあり８％程度減少していた。尚、回折光学素子を使用していないレンズと比較すると、色収差が改善されており、回折光学素子として十分な性能を発揮していることが確認された。 Compared to Comparative Example 2 (flare: 0.030%, diffraction efficiency: 99.0%), the diffractive optical element of this example reduces flare due to the wall surface to 1/10 by forming the high refractive index layer 5. could be reduced. However, the diffraction efficiency was reduced by about 8% partly due to the effect of film formation on the slope. In addition, it was confirmed that chromatic aberration was improved when compared with a lens not using a diffractive optical element, and sufficient performance was exhibited as a diffractive optical element.

本実施例の回折光学素子に対して実施例１と同様の熱衝撃試験を実施した後に上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行った。その結果、壁面によるフレアは０．００３％であり、回折効率は９１．８％以上となり、熱衝撃試験前後での光学特性に変化は認められなかった。また、外観上も特に変化は認められなかった。 After the same thermal shock test as in Example 1 was performed on the diffractive optical element of this example, flare measurement and diffraction efficiency measurement were performed in the same manner as described above. As a result, the flare due to the wall surface was 0.003%, the diffraction efficiency was 91.8% or more, and no change was observed in the optical properties before and after the thermal shock test. Also, no particular change was observed in appearance.

（比較例３）
高屈折率層５を壁面にのみ形成し、斜面に延設していない、即ちＬ２＝Ｌ３＝０とした以外は、実施例１と同様にして密着二層型の回折光学素子を作製した。
実施例１と同様にして、本比較例の回折光学素子を撮像光学系に組み込んで、壁面によるフレアの測定及び回折効率の測定を行った。その結果、本実施例の回折光学素子の壁面によるフレアは０．００２％、回折効率は９９．０％以上となった。
比較例１（フレア：０．０１８％、回折効率：９９．０％）と比較すると、高屈折率層５の形成により、回折効率の低下を抑えながら、壁面によるフレアを１／９にまで減少させることができた。 (Comparative Example 3)
A contact two-layer type diffractive optical element was produced in the same manner as in Example 1, except that the high refractive index layer 5 was formed only on the wall surface and not extended on the slope, that is, L2=L3=0.
In the same manner as in Example 1, the diffractive optical element of this comparative example was incorporated into an image pickup optical system, and flare caused by a wall surface and diffraction efficiency were measured. As a result, the flare due to the wall surface of the diffractive optical element of this example was 0.002%, and the diffraction efficiency was 99.0% or more.
Compared to Comparative Example 1 (flare: 0.018%, diffraction efficiency: 99.0%), the formation of the high refractive index layer 5 reduces flare due to the wall surface to 1/9 while suppressing a decrease in diffraction efficiency. I was able to

本比較例の回折光学素子に対して実施例１と同様の熱衝撃試験を実施した後に上記と同様のフレア測定と回折効率測定を行ったところ、回折効率は９８．９％以上となり、熱衝撃試験前後での変化は認められなかった。一方、壁面によるフレアは０．０１０％となり、フレア抑制の効果が１／２にまで低減してしまった。また、外観確認用のＬＥＤ光源を回折光学素子に照射して外観を確認したところ、耐久前には見られなかった輝線が格子の輪帯に沿って発生しているのが確認された。 The same thermal shock test as in Example 1 was performed on the diffractive optical element of this comparative example, and then the flare measurement and diffraction efficiency measurement were performed in the same manner as above. No changes were observed before and after the test. On the other hand, the flare due to the wall surface was 0.010%, and the effect of suppressing flare was reduced to 1/2. Further, when the diffractive optical element was irradiated with an LED light source for appearance confirmation to confirm the appearance, it was confirmed that bright lines, which were not seen before the endurance test, were generated along the annular zones of the grating.

熱衝撃試験で光学性能及び外観の変化した回折光学素子を切断して、断面をＳＥＭ観察したところ、壁面で第１の樹脂層２又は第２の樹脂層３と、高屈折率層５との間での剥離が確認された。以下の表１に、上記実施例及び比較例の結果をまとめて示す。 When the diffractive optical element whose optical performance and appearance changed in the thermal shock test was cut and the cross section was observed with an SEM, it was found that the first resin layer 2 or the second resin layer 3 and the high refractive index layer 5 formed on the wall surface. Delamination was confirmed between them. Table 1 below summarizes the results of the above examples and comparative examples.

Figure 0007106279000001
Figure 0007106279000001

１，４：ベース基板、２：第１の樹脂層、２ａ，３ａ：斜面、２ｂ，３ｂ：壁面、３：第２の樹脂層、５：高屈折率層 1, 4: base substrate, 2: first resin layer, 2a, 3a: slope, 2b, 3b: wall surface, 3: second resin layer, 5: high refractive index layer

Claims (11)

複数の壁面と複数の斜面よりなる回折格子を有する第１の樹脂層と、複数の壁面と複数の斜面よりなる回折格子を有する第２の樹脂層とが、前記第１の樹脂層の斜面と前記第２の樹脂層の斜面が密着するように積層され、
前記第１の樹脂層及び前記第２の樹脂層よりも屈折率が高い高屈折率層が、前記第１の樹脂層の壁面と前記第２の樹脂層の壁面との間に設けられた回折光学素子であって、
前記高屈折率層は、前記高屈折率層が接する前記第１の樹脂層の一の壁面より、前記第１の樹脂層の格子山部において前記一の壁面に隣接する前記斜面の一部と、前記第１の樹脂層の格子谷部において前記一の壁面に隣接する前記斜面の一部と、にそれぞれ延設されていることを特徴とする回折光学素子。 A first resin layer having a diffraction grating made up of a plurality of wall surfaces and a plurality of slopes, and a second resin layer having a diffraction grating made up of a plurality of walls and a plurality of slopes, the slopes of the first resin layer Laminated so that the slope of the second resin layer is in close contact,
A high refractive index layer having a higher refractive index than the first resin layer and the second resin layer is provided between the wall surface of the first resin layer and the wall surface of the second resin layer. an optical element,
The high refractive index layer extends from the one wall surface of the first resin layer with which the high refractive index layer is in contact with the part of the slope adjacent to the one wall surface in the lattice crest portion of the first resin layer. , and a portion of the slope adjacent to the one wall surface in the grating troughs of the first resin layer . 厚さ方向断面において、
前記第１の樹脂層の前記格子山部において前記一の壁面に隣接する前記斜面に占める前記高屈折率層の長さＬ２が０．１μｍ以上であり、
前記第１の樹脂層の前記格子谷部において前記一の壁面に隣接する前記斜面に占める前記高屈折率層の長さから前記一の壁面に設けられた前記高屈折率層の厚さを除いた長さＬ３が０．２μｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。 In the thickness direction cross section,
a length L2 of the high refractive index layer occupying the slope adjacent to the one wall surface in the grating peak portion of the first resin layer is 0.1 μm or more;
The thickness of the high refractive index layer provided on the one wall surface from the length of the high refractive index layer occupying the slope adjacent to the one wall surface in the lattice troughs of the first resin layer 2. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the length L3 excluding the is 0.2 μm or more. 前記Ｌ２より前記Ｌ３が長いことを特徴とする請求項２に記載の回折光学素子。 3. The diffractive optical element according to claim 2, wherein said L3 is longer than said L2. 厚さ方向断面において、
前記Ｌ２及び前記Ｌ３の合計が、前記第１の樹脂層の前記斜面の長さＬ１の合計の５％以下であることを特徴とする請求項２又は３に記載の回折光学素子。 In the thickness direction cross section,
4. The diffractive optical element according to claim 2 , wherein the sum of L2 and L3 is 5% or less of the sum of length L1 of the slope of the first resin layer. 前記回折光学素子を平面視した際に、前記壁面は同心円状に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の回折光学素子。 5. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the wall surfaces are concentrically arranged when the diffractive optical element is viewed from above. 前記第１の樹脂層の前記第２の樹脂層とは反対側の表面が、第１のベース基板と接していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の回折光学素子。 6. The diffraction optics according to any one of claims 1 to 5, wherein the surface of the first resin layer opposite to the second resin layer is in contact with the first base substrate. element. 前記第２の樹脂層の前記第１の樹脂層とは反対側の表面が、第２のベース基板と接していることを特徴とする請求項６に記載の回折光学素子。 7. The diffractive optical element according to claim 6, wherein the surface of said second resin layer opposite to said first resin layer is in contact with said second base substrate. 前記高屈折率層が、無機材料を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の回折光学素子。 8. The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 7, wherein the high refractive index layer contains an inorganic material. 前記無機材料が、Ａｌ2Ｏ3、ＨｆＯ2、ＺｒＯ2、Ｌａ2Ｏ3のうちの一種或いは二種以上の混合物であることを特徴とする請求項８に記載の回折光学素子。 9. The diffractive optical element according to claim 8, wherein the inorganic material is one or a mixture of two or more of Al2O3 , HfO2 , ZrO2 and La2O3 . 筐体と、該筐体内に複数のレンズを有する光学系を備える光学機器であって、
前記複数のレンズの少なくとも１つが請求項１乃至９のいずれか１項に記載の回折光学素子であることを特徴とする光学機器。 An optical device comprising a housing and an optical system having a plurality of lenses in the housing,
An optical instrument, wherein at least one of the plurality of lenses is the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 9. 前記光学機器は、カメラ、ビデオカメラ、顕微鏡、内視鏡及び交換レンズからなる群より選ばれる少なくとも１つであることを特徴とする請求項１０に記載の光学機器。 11. The optical instrument according to claim 10, wherein said optical instrument is at least one selected from the group consisting of a camera, a video camera, a microscope, an endoscope and an interchangeable lens.
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