WO2021199707A1

WO2021199707A1 - 回折光学素子及び回折光学素子の製造方法

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Publication number: WO2021199707A1
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Abstract

所望の光学特性を容易に得ることのできる回折光学素子とその製造方法を提供する。　回折格子形状を有する第一材料層（１１）と、第一材料層（１１）に積層された第二材料層（１２）とを有し、上記回折格子形状は、第一材料層（１１）と第二材料層（１２）の積層方向（方向Ｄ）から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯Ｒ_ｎを形成しており、輪帯Ｒ_ｎのうちの最も内側の輪帯Ｒ_１の半径は、各輪帯Ｒ_ｎの間隔Ｐ_１～Ｐ_９のいずれか１つよりも小さい。

Description

回折光学素子及び回折光学素子の製造方法

　本発明は、回折光学素子及び回折光学素子の製造方法に関する。

　特許文献１には、回折レンズ構造が形成された走査レンズを射出成形により製造する場合において、段差面及びその近傍での形状の崩れを防ぎ、回折効率を高く保つ技術が開示されている。

　特許文献２には、回折光学素子が樹脂を硬化して作成される場合の樹脂の硬化収縮に起因するレンズ面の変形を低減する方法が開示されている。

　特許文献３には、回折光学素子を透過する光の透過波面の位相ずれを低減する技術が開示されている。

日本国特開２００７－０４１５４２号公報日本国特開２０１９－０３２５１８号公報日本国特開２０１５－０１１２９３号公報

　２つの材料を接合することで回折光学素子を作製する際には、材料の硬化時の収縮応力により、光学特性を所望の状態にすることが難しい。特許文献２と特許文献３では、製造工程が複雑になる。特許文献１は、射出成形によって回折レンズ構造を製造するものであり、２つの材料の接合によって回折光学素子を製造する技術に関するものではない。

　本発明は、所望の光学特性を容易に得ることのできる回折光学素子とその製造方法を提供することを目的とする。

　本発明の一態様の回折光学素子は、回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子であって、上記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径は、各輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さいものである。

　本発明の一態様の回折光学素子は、回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子であって、基準波長をλとし、上記第一材料層と上記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、各輪帯の半径をｒとし、上記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、上記位相差関数の開始位相をＣとし、φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、Ｃは０より大きく２π未満となっているものである。

　本発明の一態様の回折光学素子の製造方法は、回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子の製造方法であって、上記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径を、隣り合う上記輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さく形成するものである。

　本発明の一態様の回折光学素子の製造方法は、回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子の製造方法であって、基準波長をλとし、上記第一材料層と上記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、各輪帯の半径をｒとし、上記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、上記位相差関数の開始位相をＣとし、φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、Ｃを０より大きく２π未満の値として上記構造物を設計し、上記設計にしたがって上記回折格子形状を形成するものである。

　本発明によれば、所望の光学特性を容易に得ることができる。

本発明の回折光学素子の一実施形態である回折光学素子１００の構成を示す断面模式図である。図１に示す回折光学素子１００を方向Ｄに見た平面模式図である。図１に示す回折光学素子１００の変形例を示す断面模式図である。図１に示す回折光学素子１００の他の変形例を示す断面模式図である。位相差関数φ（ｒ）のグラフとそれに基づいて決められる構造物Ｓｎの形状の一例を説明するための模式図である。第一検証例の構成を説明する模式図である。第一検証例の結果を示す図である。第一検証例の結果を示す図である。第二検証例の構成を説明する模式図である。第二検証例の結果を示す図である。第二検証例の結果を示す図である。実施例の結果を示す図である。

　以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の回折光学素子の一実施形態である回折光学素子１００の構成を示す光軸を通る断面の模式図である。図２は、図１に示す回折光学素子１００を方向Ｄに見た平面模式図である。

　回折光学素子１００は、ガラスレンズ１０と、ガラスレンズ１０の光軸Ｋの方向である方向Ａの一方側の表面に積層された屈折率Ｎ１の第一材料層１１と、第一材料層１１に積層された屈折率Ｎ２の第二材料層１２と、第二材料層１２に積層されたガラスレンズ１３と、を備える。第一材料層１１と第二材料層１２は、それぞれ、樹脂を含む層である。第一材料層１１と第二材料層１２に用いる樹脂は、回折条件Δnd=λを満たすように選択される。ここで、λは光の波長であり、Δnは、波長λの光に対する第一材料層１１と第二材料層１２の屈折率差、dは回折格子の高さである。広い波長帯域で高い回折効率を得るため、第一材料層１１と第二材料層１２の一方には高屈折率で低分散の樹脂を用い、他方には低屈折率で高分散の樹脂を用いることが好ましい。第一材料層１１と第二材料層１２には、例えば、紫外線硬化樹脂を用いることができる。紫外線硬化樹脂としては、例えば、アクレート系樹脂、エポキシ系樹脂等が挙げられる。紫外線硬化樹脂としては、特にアクリレート系樹脂が好ましい。第一材料層１１と第二材料層１２は、それぞれ、金属又は金属酸化物の粒子が含まれていてもよい。第一材料層１１と第二材料層１２に含まれる粒子としては、例えば、酸化チタン、酸化ジルコニウム、酸化インジウムスズ、酸化アンチモンスズ等が挙げられる。一例として、屈折率Ｎ１は屈折率Ｎ２よりも低い。ガラスレンズ１０、第一材料層１１、第二材料層１２、及びガラスレンズ１３の積層方向は、光軸Ｋの延びる方向である方向Ａと一致している。方向Ａに直交する方向を方向Ｂと記載する。方向Ａにおけるガラスレンズ１３からガラスレンズ１０に向かう方向を方向Ｄと記載する。

　図１では、ガラスレンズ１０及びガラスレンズ１３がそれぞれ平板状にて示されているが、これらの形状は、回折光学素子１００に必要とされる光学特性又は用途等によって、凹レンズ形状又は凸レンズ形状等の任意の形状とすることができる。ガラスレンズ１０及びガラスレンズ１３は、それぞれ樹脂レンズであってもよい。

　回折光学素子１００は、表面に金型等によって第一材料層１１を形成したガラスレンズ１０と、表面に樹脂を塗布したガラスレンズ１３を準備し、ガラスレンズ１０の第一材料層１１側と、ガラスレンズ１３の樹脂側とを接合し、ガラスレンズ１３側の樹脂を硬化させることで製造される。第一材料層１１は、その形状を切削等によって型に作成し、紫外線硬化又は熱硬化、或いは射出成形等の成形プロセスによって樹脂に形状を転写する方法を例えば採用できる。

　第一材料層１１は、ガラスレンズ１０側と反対側の面に、凸状の複数（図１及び図２の例では１０個）の構造物Ｓ_ｎ（ｎは、１～１０）を有している。構造物Ｓ_ｎは、図１に示した方向Ａに垂直な想像線Ｌ１の位置から第二材料層１２に向けて突出する構成である。

　構造物Ｓ_１は、図２に示すように、平面視の形状が円状となっている。図１に示すように、構造物Ｓ_１は、外周縁において高さ（方向Ａにおける想像線Ｌ１からの距離）が最大となり、外周縁の内側中心において高さが最低値（０よりは大きい値）となっている。構造物Ｓ_１は、外周縁の内側に凹部Ｄ_１を有する構成となっている。

　構造物Ｓ_ｋ（ｋは、２～１０）は、図２に示すように、平面視の形状が円環状となっている。図１に示すように、構造物Ｓ_ｋは、外周縁において高さが最大となり、内周縁において高さが最低値（＝０）となっている。したがって、構造物Ｓ_ｋと、これの内周縁側に隣接する構造物Ｓ_ｋ－１との間には、凹部Ｄ_ｋが形成される。なお、図１の例では、構造物Ｓ_ｎの外周縁の高さは全て同じとなっており、この外周縁を結ぶ想像線Ｌ２を図示している。凹部Ｄ_ｎは、この想像線Ｌ２から想像線Ｌ１に向かって窪む領域である。この想像線Ｌ２から、凹部Ｄ_ｎのガラスレンズ１０側の端部（すなわち想像線Ｌ１）までの距離のことを、以下では、凹部Ｄ_ｎの深さと記載する。

　構造物Ｓ_ｎの外周縁によって、第一材料層１１の回折格子形状が形成されている。具体的には、図２に示すように、方向Ｄから平面視した状態にて、第一材料層１１には、同心円状の複数の輪帯Ｒ_ｎ（ｎは、１～１０）からなる回折格子形状が形成されている。輪帯Ｒ_ｎは、構造物Ｓ_ｎの外周縁によって構成されている。以下では、輪帯Ｒ_ｎの半径又は直径のことを総称して、輪帯Ｒ_ｎの径とも記載する。

　また、以下では、ｎの上限値を９とした場合の輪帯Ｒ_ｎと輪帯Ｒ_ｎ＋１の間隔を間隔Ｐ_ｎと記載する。間隔Ｐ_ｎは、方向Ｂにおける凹部Ｄ_n＋1の幅に相当する。つまり、間隔Ｐ_１は方向Ｂにおける凹部Ｄ_２の幅に相当し、間隔Ｐ_２は方向Ｂにおける凹部Ｄ_３の幅に相当し、間隔Ｐ_３は方向Ｂにおける凹部Ｄ_４の幅に相当し、間隔Ｐ_４は方向Ｂにおける凹部Ｄ_５の幅に相当し、間隔Ｐ_５は方向Ｂにおける凹部Ｄ_６の幅に相当し、間隔Ｐ_６は方向Ｂにおける凹部Ｄ_７の幅に相当し、間隔Ｐ_７は方向Ｂにおける凹部Ｄ_８の幅に相当し、間隔Ｐ_８は方向Ｂにおける凹部Ｄ_９の幅に相当し、間隔Ｐ_９は方向Ｂにおける凹部Ｄ_１０の幅に相当する。

　回折光学素子としては、光軸の近傍に構造物が存在しないものがある。例えば、図１の回折光学素子１００における構造物Ｓ_１を削除した構成を参考構成と記載する。この参考構成は、最も内側に存在する輪帯Ｒ_２の径（換言すると、輪帯Ｒ_２の内側に形成される凹部Ｄ_２の幅）が、他の凹部Ｄ_３～Ｄ_１０の幅に相当する間隔Ｐ_２～Ｐ_９のそれぞれよりも大きい構成と捉えることができる。

　この参考構成では、最も内側に存在する構造物Ｓ_２の方向Ｂにおける凹部の幅が大きくなる。このため、この凹部に対し、第二材料層１２が硬化する際の樹脂の収縮応力が強く働く。この結果、ガラスレンズ１３の光軸付近が窪みやすくなり、所望の光学特性を得ることが難しい。

　一方、回折光学素子１００では、光軸付近に構造物Ｓ_１が設けられている。このため、参考構成と比較すると、構造物Ｓ_１によって、光軸付近に存在する凹部の体積を減らすことができる。このため、光軸付近における、第二材料層１２が硬化する際の樹脂の収縮を、構造物Ｓ_１によって抑制することができる。この結果、ガラスレンズ１３の光軸付近が窪むのを防いで、所望の光学特性を得ることができる。

　こういった構造物Ｓ_１による効果は、最も内側に存在する輪帯Ｒ_１の径（すなわち凹部Ｄ_１の幅）が、全ての凹部Ｄ_ｎの幅の中で最大となっていないことで得られる。換言すると、輪帯Ｒ_１の径が、他の凹部Ｄ_ｋの幅に相当する間隔Ｐ_１～Ｐ_９のいずれか１つよりも小さいことで、上記の効果を得ることができる。更に換言すると、輪帯Ｒ_１の径が、他の凹部Ｄ_ｋの幅に相当する間隔Ｐ_１～Ｐ_９のうちの最大値よりも小さいことで、上記の効果を得ることができる。

　なお、上記の効果は、凹部Ｄ_１の深さが、他の凹部Ｄ_ｋの深さと同じであっても得られる。しかし、回折光学素子１００のように、凹部Ｄ_１の深さが他の凹部Ｄ_ｋの深さよりも小さくなっていることが好ましい。このように構成することで、凹部Ｄ_１の体積を減らすことができ、収縮応力をより強力に緩和させることができる。また、回折光学素子１００の回折効率等の光学特性を良好なものとすることができる。

　また、回折光学素子１００では、間隔Ｐ_１が、輪帯Ｒ_１の半径よりも大きくなっている。このように構成することで、カメラ等のレンズ装置における特に被写体側に配置されるレンズに回折光学素子１００を適用する場合において、所望の光学特性を満足させることができる。

　また、回折光学素子１００では、間隔Ｐ_１が全ての間隔Ｐ_ｋの中で最大となっている。このように構成することで、上記のレンズ装置における特に被写体側に配置されるレンズに回折光学素子１００を適用する場合において、所望の光学特性を満足させることができる。

　なお、間隔Ｐ_ｎ（ただしｎの上限値は９）は、ｎの値が大きくなるにしたがって小さくしてもよい。このようにすることで、所望の光学特性を満足させることができる。

　図１の例では、構造物Ｓ_ｎの外周縁の高さは全て同じとしている。しかし、回折光学素子１００の光路長（位相ずれ）を調整するために、例えば、構造物Ｓ_１の外周縁の高さを、他の構造物Ｓ_ｋの外周縁の高さとは異ならせてもよい。

　例えば、回折光学素子１００において透過波面で凸３５ｎｍの誤差がある場合を想定する。この場合、透過波面の必要補正量ΔＷ（＝－３５ｎｍ）は、構造物Ｓ_１の外周縁の高さの調整量をΔｄとすると、以下の式（Ｆ０）により表される。

　ΔＷ＝（Ｎ２－Ｎ１）×Δｄ　・・・（Ｆ０）

　第一材料層１１の屈折率Ｎ１が第二材料層１２の屈折率Ｎ２よりも小さい場合には、調整量Δｄはマイナスの値となる。つまり、図３に例示されるように、構造物Ｓ_１の外周縁の高さを、他の構造物Ｓ_ｋの外周縁の高さよりも調整量Δｄの絶対値だけ小さくすることで、透過波面の誤差をなくすことができる。一方、第一材料層１１の屈折率Ｎ１が第二材料層１２の屈折率Ｎ２よりも大きい場合には、調整量Δｄはプラスの値となる。つまり、図４に例示されるように、構造物Ｓ_１の外周縁の高さを、他の構造物Ｓ_ｋの外周縁の高さよりも調整量Δｄの絶対値だけ大きくすることで、透過波面の誤差をなくすことができる。

　図１の例では、間隔Ｐ_１～Ｐ_９のうち間隔Ｐ_１が最大となっている。したがって、輪帯Ｒ_１の径（すなわち凹部Ｄ_１の幅）が、全ての凹部Ｄ_ｎの幅の中で最大とならないようにするためには、輪帯Ｒ_１の半径が、間隔Ｐ_１未満となる条件を満たしていればよい。

　第一材料層１１の構造物Ｓ_ｎの形状Ｄ（Ｓ_ｎ）は、回折光学素子１００の用途等によって決められる基準波長をλとし、第一材料層１１と第二材料層１２の屈折率差（＝Ｎ１－Ｎ２）をΔｎとし、輪帯Ｒ_ｎの半径（以下、“ｒ_ｎ”と記載する）を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ_ｎ）とし、位相差関数の開始位相をＣとし、φ（ｒ_ｎ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ_ｎ）とした場合に、ＭＯＤ（ｒ_ｎ）×λを２π×Δｎにて除算した以下の式（Ｆ１）にて定義することができる。この式Ｄ（Ｓ_ｎ）にしたがって構造物Ｓ_ｎの形状を設計し、その設計結果に基づいて、金型等によって第一材料層１１をガラスレンズ１０上に形成可能である。

　Ｄ（Ｓ_ｎ）＝｛ＭＯＤ（ｒ_ｎ）×λ｝／｛２π×Δｎ｝・・・（Ｆ１）

　位相差関数φ（ｒ_ｎ）は、一例として、式（Ｆ２）により表される。式（Ｆ２）のＣ_２、Ｃ_４、Ｃ_６、Ｃ_８、及びＣ_１０は、それぞれ、予め定められる係数である。構造物Ｓ_ｎの形状の設計に用いる位相差関数は、式（Ｆ２）に例示されるもののように、回折光学素子１００の光学有効径範囲において極値を持たないものを用いるのが望ましい。このようにすると、色収差の補正を行うことができる。なお、例えば携帯電話機又は車載機器等に採用される小型撮像モジュールのような超低背レンズ、或いは、プロジェクタに採用される超広角レンズ等、回折光学素子１００として特殊な使い方を想定する場合には、位相差関数が極値を持ちうることに留意されたい。

　φ（ｒ_ｎ）＝Ｃ_２ｒ_ｎ ^２＋Ｃ_４ｒ_ｎ ^４＋Ｃ_６ｒ_ｎ ^６＋Ｃ_８ｒ_ｎ ^８＋Ｃ_１０ｒ_ｎ ^１０・・・（Ｆ２）

　図５は、位相差関数φ（ｒ_ｎ）のグラフとそれに基づいて決められる構造物Ｓ_ｎの形状の一例を説明するための模式図である。図５の横軸は、図１の回折光学素子１００の方向Ｂにおける光軸Ｋからの距離を示す。図５の縦軸は、位相差関数φ（ｒ_ｎ）の値を示す。図５中の太実線が、構造物Ｓ_ｎの形状を模式的に示している。なお、位相差関数のグラフは左右対称の形状となるため、図５では半分のみを図示している。

　図５の例では、位相差関数φ（ｒ_ｎ）の値が２πの倍数になる距離が、輪帯Ｒ_ｎの半径とされる。また、図５の例では、開始位相Ｃ（半径が０のときの値）が０よりも大きい１．８πとなっている。開始位相Ｃは、凹部Ｄ_１の深さに対応する値であり、この値が０よりも大きいことで、凹部Ｄ_１の深さを、他の凹部Ｄ_ｋの深さよりも小さくすることができる。

　以下、回折光学素子１００について検証した結果を、図６から図１２を参照して説明する。以下に示す材料、使用量、割合、処理内容、処理手順等は、本発明の趣旨を逸脱しない限り適宜変更することができる。本発明の範囲は以下に示す具体例により限定的に解釈されるべきものではない。

　図６は、第一検証例の回折光学素子の構成を示す模式図である。図６に示すように、第一検証例においては、回折光学素子の直径を５４．５０ｍｍ（光学有効直径は４４ｍｍ）とし、光軸位置におけるガラスレンズ１０のガラスレンズ１３側と反対側の面と、ガラスレンズ１３におけるガラスレンズ１０側の面との距離を２．５ｍｍとしている。また、第一検証例では、式（Ｆ２）におけるＣ_２を－０．４５９３４とし、Ｃ_４を０．０００２７６とし、Ｃ_６、Ｃ_８、及びＣ_１０をそれぞれ０とした位相差関数φ（ｒ_ｎ）を用い、λを６３３ｎｍとし、Δｄを０．０６として、開始位相Ｃを０と２πの間で変化させて構造物Ｓ_ｎの形状設計を行っている。図７は、第一検証例における開始位相Ｃに対する輪帯Ｒ_１の半径及び間隔Ｐ_１の変化を示している。図８は、第一検証例において、開始位相Ｃを１．８πとしたときの、構造物Ｓ_ｎ同士の間隔Ｐ_ｊ（ｊ＝０、１、２、３、・・・）を示す図である。なお、間隔Ｐ_０に対応する値は、輪帯Ｒ_１の半径としている。

　図９は、第二検証例の回折光学素子の構成を示す模式図である。図９に示すように、第二検証例においては、回折光学素子の直径を７７．５０ｍｍ（光学有効直径は５６ｍｍ）とし、光軸位置におけるガラスレンズ１０のガラスレンズ１３側と反対側の面と、ガラスレンズ１３におけるガラスレンズ１０側の面との距離を２．２ｍｍとしている。また、第二検証例では、式（Ｆ２）におけるＣ_２を－０．１９８２４とし、Ｃ_４を２．３７×１０^－５とし、Ｃ_６を２．３１×１０^－９とし、Ｃ_８を－１．７３３６×１０^－１１とし、Ｃ_１０を１．０９×１０^－１４とした位相差関数φ（ｒ_ｎ）を用い、λを６３３ｎｍとし、
Δｄを０．０６として、開始位相Ｃを０と２πの間で変化させて構造物Ｓ_ｎの形状設計を行っている。図１０は、第二検証例における開始位相Ｃに対する輪帯Ｒ_１の半径及び間隔Ｐ_１の変化を示している。図１１は、第二検証例において、開始位相Ｃを１．８πとしたときの、構造物Ｓ_ｎ同士の間隔Ｐ_ｊ（ｊ＝０、１、２、３、・・・）を示す図である。なお、間隔Ｐ_０に対応する値は、輪帯Ｒ_１の半径としている。

　前述した、輪帯Ｒ_１の半径が、間隔Ｐ_１未満となる条件を満たすためには、図７及び図１０に示すように、輪帯Ｒ_１の半径と間隔Ｐ_１とが同じになる開始位相Ｃの値（図７（図１０）における２つのグラフの交点に対応する開始位相Ｃの値）よりも、開始位相Ｃを大きい値にすればよい。図７の例では、開始位相Ｃを１．３２６πより大きく２π未満とすることで、例えば図８に示すように、上記条件を満たすことができる。図１０の例では、開始位相Ｃを１．３２７πより大きく２π未満とすることで、例えば図１１に示すように、上記条件を満たすことができる。

　第一検証例において、ガラスレンズ１０とガラスレンズ１３の材料をそれぞれＢＳＣ７（HOYA株式会社製）とし、開始位相Ｃを１．８πとして回折光学素子１００を製造した結果を実施例１と記載する。実施例１の回折光学素子１００の光軸位置における設計値からの形状誤差は、凹２０ｎｍであり、この光軸位置の透過波面における設計値からの誤差は１０ｎｍ以下であった。

　第一検証例において、ガラスレンズ１０とガラスレンズ１３の材料をそれぞれＢＳＣ７とし、開始位相Ｃを０πとして回折光学素子１００を製造した結果を参考例１ａと記載する。参考例１ａの回折光学素子１００の光軸位置における設計値からの形状誤差は、凹６０ｎｍであり、この光軸位置の透過波面における設計値からの誤差は凸３０ｎｍであった。

　第二検証例において、ガラスレンズ１０の材料をＳ－ＬＡＨ５５Ｖ（株式会社オハラ製）とし、ガラスレンズ１３の材料をＳ－ＦＰＬ５１（株式会社オハラ製）とし、開始位相Ｃを１．８πとして回折光学素子１００を製造した結果を実施例２と記載する。実施例２の回折光学素子１００の光軸位置における設計値からの形状誤差は、凹４０ｎｍであり、この光軸位置の透過波面における設計値からの誤差は凸３５ｎｍであった。

　第二検証例において、ガラスレンズ１０の材料をＳ－ＬＡＨ５５Ｖとし、ガラスレンズ１３の材料をＳ－ＦＰＬ５１とし、開始位相Ｃを０πとして回折光学素子１００を製造した結果を参考例２ａと記載する。参考例２ａの回折光学素子１００の光軸位置における設計値からの形状誤差は、凹１００ｎｍであり、この光軸位置の透過波面における設計値からの誤差は凸８０ｎｍであった。

　第二検証例において、ガラスレンズ１０の材料をＳ－ＬＡＨ５５Ｖとし、ガラスレンズ１３の材料をＳ－ＦＰＬ５１とし、開始位相Ｃを１．８πとし、更に、構造物Ｓ_１の高さを設計値よりも５８．４ｎｍ小さくして回折光学素子１００を製造した結果を実施例３と記載する。実施例３の回折光学素子１００の光軸位置における設計値からの形状誤差は、１０ｎｍ以下であり、この光軸位置の透過波面における設計値からの誤差は１０ｎｍ以下であった。

　以上の各実施例をまとめた結果を図１２に示す。なお、図１２の実施例と参考例では、ＩＴＯナノ粒子を分散させたアクリレートモノマーをガラスレンズ１３側の第二材料層１２として用い、ＺｒＯ２ナノ粒子を分散させたアクリレートモノマーをガラスレンズ１０側の第一材料層１１として用いた。この結果から、開始位相Ｃを０よりも大きくすることで、形状誤差と透過波面の誤差を減らせることが分かる。また、構造物Ｓ_１の高さを調整することで、形状誤差と透過波面の誤差を更に減らせることが分かる。

　ここまでの説明では、輪帯Ｒ_ｎの形状を円状として説明したが、本明細書における円状とは完全な真円だけではなく、公差を含む概念である。輪帯Ｒ_ｎの形状が真円でない場合の輪帯Ｒ_ｎの半径とは、平面視した場合の輪帯Ｒ_ｎ上の任意の一点と、その一点から最も離れた輪帯Ｒ_ｎ上の点の間の直線距離の半分をいう。輪帯Ｒ_ｎの形状が真円でない場合の輪帯Ｒ_ｎの直径とは、平面視した場合の輪帯Ｒ_ｎ上の任意の一点と、その一点から最も離れた輪帯Ｒ_ｎ上の点の間の直線距離をいう。

　同様に、同心円状の複数の輪帯Ｒ_ｎとは、各輪帯Ｒ_ｎの形状が真円だけではなく、公差を含む概念である。同心円状に配置された各輪帯Ｒ_ｎの中心は厳密に同じ位置ではなく、公差を含んでも良い。

　輪帯Ｒ_ｎの形状は、例えば楕円であってもよい。輪帯Ｒ_ｎの形状が楕円である場合の半径とは、平面視した場合の輪帯Ｒ_ｎ上の任意の一点と、その一点と楕円の中心とを結ぶ直線の延長線が楕円と交わる点の間の直線距離の半分を言う。輪帯Ｒ_ｎの形状が楕円である場合の直径とは、平面視した場合の輪帯Ｒ_ｎ上の任意の一点と、その一点と楕円の中心とを結ぶ直線の延長線が楕円と交わる点の間の直線距離を言う。

　回折光学素子１００は、必要に応じて切断して製品に適用してもよい。例えば、輪帯Ｒ_５よりも外側の部分を切断して最終品としてもよい。

　以上説明してきたように、本明細書には以下の事項が開示されている。なお、括弧内には、上記した実施形態において対応する構成要素等を示しているが、これに限定されるものではない。

（１）
　回折格子形状を有する第一材料層（第一材料層１１）と、上記第一材料層に積層された第二材料層（第二材料層１２）とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向（方向Ｄ）から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯（輪帯Ｒ_ｎ）を形成する回折光学素子（回折光学素子１００）であって、
　上記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯（輪帯Ｒ_１）の半径は、各輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さい回折光学素子。

（２）
　（１）記載の回折光学素子であって、
　上記第一輪帯の直径は、各輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さい回折光学素子。

（３）
　（１）記載の回折光学素子であって、
　上記第一輪帯の半径は、各輪帯の間隔の最大値よりも小さい回折光学素子。

（４）
　（１）から（３）のいずれか１つに記載の回折光学素子であって、
　上記第一輪帯の隣の第二輪帯（輪帯Ｒ_２）と上記第一輪帯との第一間隔（間隔Ｐ_１）は、上記第一輪帯の半径よりも大きい回折光学素子。

（５）
　（４）記載の回折光学素子であって、
　上記第一間隔は、各輪帯の間隔の中で最も大きい回折光学素子。

（６）
　（１）から（５）のいずれか１つに記載の回折光学素子であって、
　上記第一輪帯を形成する構造物（構造物Ｓ_１）における上記第一輪帯の内側の凹部（凹部Ｄ_１）の深さは、各輪帯を形成する構造物同士の間の凹部の深さよりも小さい回折光学素子。

（７）
　（１）から（６）のいずれか１つに記載の回折光学素子であって、
　基準波長をλとし、
　上記第一材料層と上記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、
　各輪帯の半径をｒ（ｒ_ｎ）とし、
　上記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）（φ（ｒ_ｎ））とし、
　上記位相差関数の開始位相をＣとし、
　φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）（ＭＯＤ（ｒ_ｎ））とし、
　各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、
　Ｃは０より大きく２π未満となっている回折光学素子。

（８）
　（１）から（７）のいずれか１つに記載の回折光学素子であって、
　上記第一輪帯を形成する構造物の高さは、上記第一輪帯を除く各輪帯を形成する構造物の高さと異なっている回折光学素子。

（９）
　（８）記載の回折光学素子であって、
　上記第一材料層の屈折率は、上記第二材料層の屈折率よりも小さくなっており、
　上記第一輪帯を形成する構造物の高さは、上記第一輪帯を除く各輪帯を形成する構造物の高さよりも小さい回折光学素子。

（１０）
　（８）記載の回折光学素子であって、
　上記第一材料層の屈折率は、上記第二材料層の屈折率よりも大きくなっており、
　上記第一輪帯を形成する構造物の高さは、上記第一輪帯を除く各輪帯を形成する構造物の高さよりも大きい回折光学素子。

（１１）
　（１）から（１０）のいずれか１つに記載の回折光学素子であって、
　各輪帯の間隔は、中心から外側に行くに従い狭くなっている回折光学素子。

（１２）
　回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子であって、
　基準波長をλとし、
　上記第一材料層と上記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、
　各輪帯の半径をｒとし、
　上記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、
　上記位相差関数の開始位相をＣとし、
　φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、
　各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、
　Ｃは０より大きく２π未満となっている回折光学素子。

（１３）
　（１２）記載の回折光学素子であって、
　Ｃは、上記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径と、上記第一輪帯と上記第一輪帯の隣の第二輪帯の間隔と、が同じになるＣの値よりも大きくなっている回折光学素子。

（１４）
　（１２）又は（１３）記載の回折光学素子であって、
　上記位相差関数は、光学有効径範囲において極値を持たない回折光学素子。

（１５）
　回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子の製造方法であって、
　上記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径を、隣り合う上記輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さく形成する回折光学素子の製造方法。

（１６）
　回折格子形状を有する第一材料層と、上記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、上記回折格子形状は、上記第一材料層と上記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子の製造方法であって、
　基準波長をλとし、
　上記第一材料層と上記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、
　各輪帯の半径をｒとし、
　上記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、
　上記位相差関数の開始位相をＣとし、
　φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、
　各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、
　Ｃを０より大きく２π未満の値として上記構造物を設計し、
　上記設計にしたがって上記回折格子形状を形成する回折光学素子の製造方法。

（１７）
　（１６）記載の回折光学素子の製造方法であって、
　Ｃを、上記複数の輪帯のうちの最も径の小さい第一輪帯の半径と、上記第一輪帯と上記第一輪帯の隣の第二輪帯の間隔と、が同じになるＣの値よりも大きくする回折光学素子の製造方法。

　以上、図面を参照しながら各種の実施の形態について説明したが、本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。また、発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上記実施の形態における各構成要素を任意に組み合わせてもよい。

　なお、本出願は、２０２０年３月３１日出願の日本特許出願（特願２０２０－０６３８０３）に基づくものであり、その内容は本出願の中に参照として援用される。

Ｌ１、Ｌ２　想像線Ｌ
Ｓ_１～Ｓ_１０　構造物
Ｒ_１～Ｒ_１０　輪帯
Ｄ_１～Ｄ_１０　凹部
Ｐ_１～Ｐ_９　間隔
１０、１３　ガラスレンズ
１１　第一材料層
１２　第二材料層
１００　回折光学素子
Ｋ　光軸

Claims

　回折格子形状を有する第一材料層と、前記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、前記回折格子形状は、前記第一材料層と前記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子であって、
　前記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径は、各輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さい回折光学素子。
　請求項１記載の回折光学素子であって、
　前記第一輪帯の直径は、各輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さい回折光学素子。
　請求項１記載の回折光学素子であって、
　前記第一輪帯の半径は、各輪帯の間隔の最大値よりも小さい回折光学素子。
　請求項１から３のいずれか１項記載の回折光学素子であって、
　前記第一輪帯の隣の第二輪帯と前記第一輪帯との第一間隔は、前記第一輪帯の半径よりも大きい回折光学素子。
　請求項４記載の回折光学素子であって、
　前記第一間隔は、各輪帯の間隔の中で最も大きい回折光学素子。
　請求項１から５のいずれか１項記載の回折光学素子であって、
　前記第一輪帯を形成する構造物における前記第一輪帯の内側の凹部の深さは、各輪帯を形成する構造物同士の間の凹部の深さよりも小さい回折光学素子。
　請求項１から６のいずれか１項記載の回折光学素子であって、
　基準波長をλとし、
　前記第一材料層と前記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、
　各輪帯の半径をｒとし、
　前記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、
　前記位相差関数の開始位相をＣとし、
　φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、
　各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、
　Ｃは０より大きく２π未満となっている回折光学素子。
　請求項１から７のいずれか１項記載の回折光学素子であって、
　前記第一輪帯を形成する構造物の高さは、前記第一輪帯を除く各輪帯を形成する構造物の高さと異なっている回折光学素子。
　請求項８記載の回折光学素子であって、
　前記第一材料層の屈折率は、前記第二材料層の屈折率よりも小さくなっており、
　前記第一輪帯を形成する構造物の高さは、前記第一輪帯を除く各輪帯を形成する構造物の高さよりも小さい回折光学素子。
　請求項８記載の回折光学素子であって、
　前記第一材料層の屈折率は、前記第二材料層の屈折率よりも大きくなっており、
　前記第一輪帯を形成する構造物の高さは、前記第一輪帯を除く各輪帯を形成する構造物の高さよりも大きい回折光学素子。
　請求項１から１０のいずれか１項記載の回折光学素子であって、
　各輪帯の間隔は、中心から外側に行くに従い狭くなっている回折光学素子。
　回折格子形状を有する第一材料層と、前記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、前記回折格子形状は、前記第一材料層と前記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子であって、
　基準波長をλとし、
　前記第一材料層と前記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、
　各輪帯の半径をｒとし、
　前記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、
　前記位相差関数の開始位相をＣとし、
　φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、
　各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、
　Ｃは０より大きく２π未満となっている回折光学素子。
　請求項１２記載の回折光学素子であって、
　Ｃは、前記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径と、前記第一輪帯と前記第一輪帯の隣の第二輪帯の間隔と、が同じになるＣの値よりも大きくなっている回折光学素子。
　請求項１２又は１３記載の回折光学素子であって、
　前記位相差関数は、光学有効径範囲において極値を持たない回折光学素子。
　回折格子形状を有する第一材料層と、前記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、前記回折格子形状は、前記第一材料層と前記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子の製造方法であって、
　前記複数の輪帯のうちの最も内側の第一輪帯の半径を、隣り合う前記輪帯の間隔のいずれか１つよりも小さく形成する回折光学素子の製造方法。
　回折格子形状を有する第一材料層と、前記第一材料層に積層された第二材料層とを有し、前記回折格子形状は、前記第一材料層と前記第二材料層の積層方向から平面視した状態にて、同心円状の複数の輪帯を形成する回折光学素子の製造方法であって、
　基準波長をλとし、
　前記第一材料層と前記第二材料層の屈折率差をΔｎとし、
　各輪帯の半径をｒとし、
　前記半径を変数とした偶数次の位相差関数をφ（ｒ）とし、
　前記位相差関数の開始位相をＣとし、
　φ（ｒ）とＣの加算値を２πで除算して得られる余りをＭＯＤ（ｒ）とし、
　各輪帯を形成する構造物の形状を、ＭＯＤ（ｒ）×λを２π×Δｎにて除算した式にて定義した場合に、
　Ｃを０より大きく２π未満の値として前記構造物を設計し、
　前記設計にしたがって前記回折格子形状を形成する回折光学素子の製造方法。
　請求項１６記載の回折光学素子の製造方法であって、
　Ｃを、前記複数の輪帯のうちの最も径の小さい第一輪帯の半径と、前記第一輪帯と前記第一輪帯の隣の第二輪帯の間隔と、が同じになるＣの値よりも大きくする回折光学素子の製造方法。