JP7106279B2 - 回折光学素子及び光学機器 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。 - 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。
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