JP2018136529A5

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Publication number: JP2018136529A5
Application number: JP2018010318A
Authority: JP
Filing date: 2018-01-25
Publication date: 2021-02-25
Anticipated expiration: 2038-01-25

Description

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。

本発明の第一は、一方の表面に、複数の壁面と前記壁面によって区画される複数の斜面と、を有する第１の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の前記一方の表面に密着して配置され、前記第１の樹脂層側の表面が複数の壁面と前記壁面によって区画される複数の斜面とを有し、前記壁面および前記斜面が前記第１の樹脂層の前記壁面及び前記斜面に対応する第２の樹脂層と、
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、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を有する回折光学素子であって、
前記高屈折率層は、前記第１の樹脂層の少なくとも１つの壁面から前記壁面と隣接する前記第１の樹脂層の斜面の一部に跨って設けら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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

Claims

一方の表面に、複数の壁面と前記壁面によって区画される複数の斜面と、を有する第１の樹脂層と、
前記第１の樹脂層の前記一方の表面に密着して配置され、前記第１の樹脂層側の表面が複数の壁面と前記壁面によって区画される複数の斜面とを有し、前記壁面及び前記斜面が前記第１の樹脂層の前記壁面及び前記斜面に対応する第２の樹脂層と、
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、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を有する回折光学素子であって、
前記高屈折率層は、前記第１の樹脂層の少なくとも１つの壁面から前記壁面と隣接する前記第１の樹脂層の斜面の一部に跨って設けら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の樹脂層の格子山部において、前記第１の樹脂層の斜面に占める前記高屈折率層の長さが０．１μｍ以上であり、前記第１の樹脂層の格子谷部において、前記第１の樹脂層の斜面に占める前記高屈折率層の長さより前記壁面に設けられた前記高屈折率層の厚さを除いた長さが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。
前記第１の樹脂層の格子山部における前記第１の樹脂層の斜面に占める前記高屈折率層の長さより、前記第１の樹脂層の格子谷部における前記斜面に占める前記高屈折率層の長さより前記第１の樹脂層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、前記第１の樹脂層の斜面に占める前記高屈折率層の長さより前記壁面に形成された前記高屈折率層の厚さを除いた長さの合計が、前記第１の樹脂層の斜面の長さの合計の５％以下であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項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の樹脂層の他方の表面が、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。