衍射光学元件以及使用衍射光学元件的摄像装置 本发明是基于 2006 年 8 月 24 日申请的名称为 “衍射光学元件及制造方法、 使用衍 射光学元件的摄像装置” 、 国内申请号为 200680031939.8 的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及衍射光学元件及其制造方法、 以及使用该衍射光学元件的摄像装置。背景技术 在现有技术中， 已经广泛知道表面为衍射光栅环形的衍射光学元件 ( 例如非球面 透镜 ) 等， 能够降低像面弯曲和色像差 ( 基于波长的成像点偏移 ) 等透镜像差。此外， 若其 截面为闪烁 (blaze) 状或内接闪烁形状的较细阶梯状的衍射光栅形状， 则能够使对于单一 波长的特定级数的衍射效率为大致 100％。
在理论上， 对于波长， 1 级衍射光的衍射效率 ( 下面， 称作 “1 级衍射效率” ) 成为 100％的衍射光栅形状的槽的深度 ( 衍射光栅深度 )d， 能够按照以下数学式 1 来给出。其 中， λ 为波长， n(λ) 为折射率且是波长的函数。
数学式 1 ：
按照数学式 1， 随着波长 λ 的变化， 衍射效率成为 100％的 d 的值也变化。
图 12 所示的衍射光学元件 100 是现有的衍射光学元件的一个例子。基材 101 由 折射率为 n(λ) 的材料构成， 在其表面形成有闪烁形状的衍射光栅形状 102。
图 13 是将环烯烃类树脂 ( 日本ゼオン公司制造， 商品名称为 “ZEONEX480R” ) 用作 基材 101 的材料且衍射光栅深度 d 设成 0.95μm 的衍射光学元件 100 的、 基于波长的 1 级 衍射效率的变化的图表。
该 1 级衍射效率在波长 500nm 时大致接近 100％， 但是在波长 400nm 和波长 700nm 时则成为 75 ％左右， 基于波长的衍射效率的变化 ( 波长依赖性 ) 显著。若将该衍射光学 元件应用于在较宽的波段 ( 例如波长 400nm ～ 700nm 左右的可见光区 ) 中使用的摄像用 途的透镜， 则会产生不需要的衍射光， 产生反射光斑和双重图像而降低图像质量， 或者降低 MTF(Modulation Transfer Function ： 调制传递函数 ) 特性。 尤其， 在单透镜的两面或光学 系统的多面上形成衍射光栅形状的情况下， 则不需要衍射光的产生更显著。
图 14 所示的衍射光学元件 110 是现有的衍射光学元件的另一个例子。 在基材 111 的形成有衍射光栅形状 112 的面上， 通过将具有与基材 111 不同的折射率和折射率分散特 性的光学材料作为被覆膜 13 涂敷或接合， 能够抑制产生不需要的衍射光。在下面的文献 中， 更具体地公开了该衍射光学元件。
专利文献 1 公开的例子是， 通过按照特定的条件来设定形成有衍射光栅形状的基 材的折射率和覆盖衍射光栅形状而形成的被覆膜的折射率， 降低了衍射效率的波长依赖 性。此外， 专利文献 2 公开的例子是， 按照同专利文献 1 相同的折射率条件， 降低 MTF 特性
的波长依赖性。
专利文献 3 公开的例子是， 通过将组合了满足规定的折射率条件的树脂或玻璃等 的材料用作基材和被覆膜的材料， 降低了衍射效率的波长依赖性。
专利文献 4 公开了通过使用含有芴 (fluorene) 类电介质的能量固化型树脂来得 到相同效果的技术。
用于衍射光学元件 110 的材料大体分为树脂和玻璃。 此外， 衍射光学元件 110 的各 部件的折射率条件基本相同。在此， 在形成有衍射光栅形状 112 的基材 111 上， 作为被覆膜 13 而涂敷、 接合了光学材料的情况下， 可按照以下数学式 2 来给出 1 级衍射效率成为 100％ 的衍射光栅深度 d’ 。其中， n1(λ) 为构成基材的材料的折射率， n2(λ) 为构成被覆膜的材 料的折射率， 且都是波长的函数。
数学式 2 ：
若数学式 2 的右边在某个波长带下成为一定值， 则在该波长带下的衍射效率的波 长依赖性消失。为了满足该条件、 且将衍射光栅深度 d’ 设成较小， 只要将 |n1(λ)-n2(λ)| 的值设置为较大， 即以基材为高折射率且低分散材料、 被覆膜为低折射率且高分散材料的 组合来构成就可以。此外， 在该结构中， 衍射光栅深度 d’ 成为比数学式 1 的衍射光栅深度 d 大。
另一方面， 作为这些衍射光学元件的制造方法提出有多种方案， 例如， 在专利文献 5 和专利文献 6 中提出的制造方法， 为了除去成为不需要衍射光的产生原因的气泡， 限定所 涂敷的光学材料为低粘度， 或者在涂敷后施加振动。
专利文献 1 ： 日本特开平 9-127321 号公报
专利文献 2 ： 日本特开平 3-191319 号公报
专利文献 3 ： 日本特开平 10-268116 号公报
专利文献 4 ： 日本特开平 11-287904 号公报
专利文献 5 ： 日本特开 2001-249208 号公报
专利文献 6 ： 日本特开 2001-235608 号公报
但是， 图 12 所示的衍射光学元件具有如下的问题， 即由于衍射效率具有波长依赖 性， 所以在某个较宽的波段中， 产生不需要的衍射光。此外， 图 14 所示的衍射光学元件降低 衍射效率的波长依赖性， 能够抑制发生不需要的衍射光， 但是存在有如下的问题 ： 若作为衍 射光学元件的材料采用玻璃， 则不容易成型， 若采用树脂， 则衍射效率和其波长依赖性容易 受到温度变化的影响 ； 由于受到材料的限制， 衍射光栅深度必须加大。若衍射光栅深度较 大， 则会造成成型困难。
发明内容
本发明提供易于成型的衍射光学元件、 包含该衍射光学元件的摄像装置和该衍射 光学元件的制造方法。
本发明的衍射光学元件， 包括 ： 基材， 由含有树脂的第 1 材料构成， 并且包含形成 为衍射光栅形状的面 ； 和被覆膜， 由含有树脂的第 2 材料构成， 并且与上述面的上述衍射光栅形状部分接触而配置， 从上述第 1 材料和上述第 2 材料选择的至少一个材料是包含无机 粒子的复合材料。
本发明的摄像装置， 其特征在于，
包括 ： 光学系统 ； 摄像元件， 接收通过了上述光学系统的来自被摄体的光 ； 以及运 算电路， 根据由上述摄像元件检测到的信息生成被摄体像， 上述光学系统包含上述本发明 的衍射光学元件。
本发明的衍射光学元件的制造方法中， 上述衍射光学元件包括 ： 基材， 由含有树脂 的第 1 材料构成， 并且包含形成为衍射光栅形状的面 ； 和被覆膜， 由含有树脂的第 2 材料构 成， 并且与上述面的上述衍射光栅形状部分接触而配置， 该制造方法包括 ： 形成上述基材的 工序， 上述基材包含形成为上述衍射光栅形状的面 ； 以及形成上述被敷膜的工序， 以便覆盖 上述衍射光栅形状， 从上述第 1 材料和上述第 2 材料选择的至少一个材料是包含无机粒子 的复合材料。 附图说明 图 1 是本发明的实施方式 1 的衍射光学元件的剖视图。
图 2 是本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的剖视图。
图 3A ～图 3C 是表示本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的较佳制造方法的各工 序的剖视图。
图 4A ～图 4C 是表示本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的较佳制造方法的各工 序的剖视图。
图 5A ～图 5C 是表示本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的较佳制造方法的各工 序的剖视图。
图 6A ～图 6C 是表示本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的另一较佳制造方法的 各工序的剖视图。
图 7A ～图 7C 是表示本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的另一较佳制造方法的 各工序的剖视图。
图 8 是在本发明的实施方式 2 的衍射光学元件的制造方法中使用的较佳的制造装 置的结构图。
图 9 是本发明的实施方式 3 的摄像装置的结构图。
图 10 是表示本发明的实施例 1 的衍射光学元件的波长所引起的 1 级衍射效率的 变化的图表。
图 11 是表示本发明的实施例 2 的衍射光学元件的波长所引起的 1 级衍射效率的 变化的图表。
图 12 是表示现有的衍射光学元件的一例的剖视图。
图 13 是表示图 12 所示的衍射光学元件的波长所引起的 1 级衍射效率的变化的图 表。
图 14 是表示现有的衍射光学元件的其它一例的剖视图。
具体实施方式
本发明的衍射光学元件包括 ： 基材， 包含形成为衍射光栅形状的面 ； 和被覆膜， 覆 盖上述衍射光栅形状。此外， 上述基材由含有树脂的第 1 材料构成， 上述被覆膜由包含树脂 的的第 2 材料构成， 从上述第 1 材料和上述第 2 材料选择的至少一个材料是包含无机粒子 的复合材料。通过这样的结构， 与现有的采用玻璃等的情况相比， 能够提高成型性。此外， 能够适当选择用在各材料中的树脂和无机粒子， 以使被覆膜和基材的折射率差成为适当的 值。由此， 与使用现有的树脂等的情况相比， 能够拓宽材料选择的宽度， 因此能够使衍射光 栅深度变浅。从而加工更加容易。
上述无机粒子优选由从氧化锆、 氧化锌和氧化铝中选择的至少一种构成。这是因 为， 能够使本发明的衍射光学元件的衍射效率的波长依赖性进一步降低。
上述第 1 材料优选为上述复合材料， 此时， 上述复合材料中所占的上述无机粒子 的体积含有率， 优选在 5％以上 50％以下的范围。这是因为在提高成型性的基础上， 能够以 较浅的衍射光栅深度设计衍射效率的波长依赖性较少的衍射光学元件。
上述第 1 材料优选是折射率和阿贝数比上述第 2 材料高的材料。这是因为， 通过 采用这样的第 1 材料， 能够降低衍射效率的波长依赖性。若第 1 材料和第 2 材料的 d 线折 射率之差在 0.03 以上 0.13 以下的范围、 阿贝数之差在 8 以上的范围， 则能够进一步降低衍 射效率的波长依赖性。 从上述第 1 材料和上述第 2 材料选择的至少一个材料， 优选是吸收红外线区域的 波长的光的材料或吸收紫外线区域的波长的光的材料。这是因为， 没有必要单独采用具有 红外线遮蔽效果或紫外线遮蔽效果的部件。
上述衍射光栅形状的槽的深度优选为 20μm 以下。若槽的深度为 20μm 以下， 则 能够使衍射光栅形状的间隔变小， 所以能够增加间隔数。 因此， 例如将本发明的衍射光学元 件应用于透镜的情况下， 能够提高 MTF 特性或降低色像差等， 提高光学元件的性能。
此外， 本发明的衍射光学元件优选包含有防反射膜， 该防反射膜配置在上述被覆 膜的上述衍射栅格形状一侧的相反面上， 并且由第 3 材料构成。由于能够使入射到衍射光 学元件的光中全反射的光较少， 所以能够进一步提高衍射效率。上述反射防止膜可以是单 层膜， 也可以是由多层构成的膜。上述第 3 材料优选折射率比上述第 2 材料低的材料。这 是因为， 能够进一步减少反射光。此外， 上述第 3 材料优选包含树脂和无机粒子 ( 尤其是氧 化硅 )。这是因为能够进一步降低衍射效率的波长依赖性。
在从上述第 1 材料、 上述第 2 材料和上述第 3 材料中选择的至少一个中包含的无机 粒子的平均粒径优选在 1nm 以上 100nm 以下的范围内。 这是因为， 若无机粒子的粒径在 1nm 以 上 100nm 以下的范围， 则成为瑞利散射， 能够提高复合材料的分散性， 成为透明性高的材料。
本发明的摄像装置， 包括 ： 光学系统 ； 摄像元件， 接收通过了上述光学系统的来自 被摄体的光 ； 以及运算电路， 根据由上述摄像元件检测到的信息生成被摄体像 ； 上述光学 系统包含上述的衍射光学元件。本发明的摄像装置， 在光学系统中包含成型性较好的本发 明的衍射光学元件， 所以制造成本能够降低。
本发明的衍射光学元件的制造方法， 其中上述衍射光学元件包括 ： 基材， 由含有树 脂的第 1 材料构成， 并且包含形成为衍射光栅形状的面 ； 和被覆膜， 由含有树脂的第 2 材料 构成， 并且覆盖上述衍射光栅形状。该制造方法包括 ： 形成上述基材的工序， 上述基材包含
形成为上述衍射光栅形状的面 ； 以及形成上述被敷膜的工序， 上述被敷膜覆盖上述衍射光 栅形状。此外， 从上述第 1 材料和上述第 2 材料选择的至少一个材料是包含树脂和无机粒 子的复合材料。通过包含这样工序的制造方法， 能够提供容易成型的衍射光学元件。
此外， 在上述形成被覆膜的工序中， 优选包括如下的工序 ： 在减压下的气体氛围 中， 将含有未固化状态的树脂的材料配置成覆盖上述衍射光栅形状， 通过提高上述气体氛 围的压力， 将上述衍射光栅形状和上述材料贴紧， 使上述树脂固化。这是因为， 能够进一步 贴紧衍射光栅形状的槽来形成被覆膜。
此外， 上述第 1 材料是折射率比上述第 2 材料低的材料， 在形成上述基材的工序 中， 利用模拟上述衍射光栅形状的模具形成上述面。在第 1 材料的折射率比第 2 材料低的 情况下， 能够更容易形成由第 1 材料构成的基材的模仿衍射光栅形状的模具， 所以能够增 加上述衍射光栅形状的间隔数。从而能够增大衍射光栅形状的像差降低效果。
下面， 参照附图， 说明本发明的优选方式。 此外， 本发明不限定于下面的实施方式。
( 实施方式 1)
在图 1， 作为本发明的衍射光学元件的一例， 示出在两面形成有衍射光栅形状的透 镜 10 的剖视图。透镜 10 的基材 11 包括 ： 形成有环状的衍射光栅形状 12a 的面 11a ； 以及 作为面 11a 的相反面的、 形成有环状衍射光栅形状 12b 的面 11b。此外， 分别形成有被覆膜 13a、 13b， 以覆盖这些衍射光栅形状 12a、 12b。 衍射光栅形状 12a 及衍射光栅形状 12b 不一定要具有相同的衍射光栅深度和形 状。此外， 衍射光栅形状 12a 内的环状的间距不需要相同。此外， 不一定是环状， 可以是直 线状、 曲线状的衍射光栅形状或全息衍射光栅形状。此外， 被覆膜 13a、 13b 的各材料以及它 们的厚度不一定要相同。基材 11 的形状， 不一定要两面都是凸面， 可以是凹面和凸面、 两面 都是凹面、 两面都是平面、 平面和凸面、 平面和凹面等。 此外， 衍射光栅形状也可以只形成在 单面上。
在本实施方式的透镜 10 中， 基材 11 由第 1 材料构成， 被覆膜 13a、 13b 由第 2 材料 构成。第 1 材料和第 2 材料包含树脂。此外， 从第 1 材料和第 2 材料选择的至少一个是包 含树脂和无机粒子的复合材料。
此外， 上述复合材料中也可以包含树脂和无机粒子之外的成分。 例如， 可以包含分 散剂或固化剂等。树脂和无机粒子之外的材料的含量通常小于 10 体积百分比， 最好小于 1 体积百分比。
上述无机粒子的平均粒子直径最好在 1nm 以上 100nm 以下的范围， 最好在 1nm 以 上 40nm 以下的范围。此外， 上述 “平均粒子直径为 1nm 以上 100nm 以下的范围” 是指， 例如 在用粒度分布计测量无机粒子整体时， 粒度频率分布的中心粒径在 1nm ～ 100nm 的范围， 以 该平均粒子径为中心， 频率分布的 50％以上在 1nm ～ 100nm 的范围。若上述无机粒子的粒 子径充分小于光的波长， 则分散性良好， 可认为上述复合材料为折射率没有不均的均匀介 质。此外， 若上述无机粒子的粒子径为光的波长的 1/4 以上， 例如无机粒子的平均粒子径超 过 100nm， 则由于复合材料中的无机粒子的分散成为瑞利散射 (Rayleigh Scattering)， 所 以透明性降低。此外， 若无机粒子的平均粒子径小于 1nm， 则在产生量子效应的物质的情况 下， 有时候产生荧光等影响光学性能。因此， 若上述无机粒子的粒子径在 1nm 以上 100nm 以 下的范围， 则仅仅造成瑞利散射， 复合材料的分散性优良， 成为透明性高的材料。 此外， 不会
发现荧光等附加的光学性能。
此外， 能够通过 TEM(Transmission Electron Microscope， 透射电子显微镜 ) 摄影 等图像处理法来测量上述无机粒子的平均粒子径。
复合材料可以仅包含由特定材料构成的 1 种无机粒子， 也可以包含由不同的材料 构成的多种无机粒子。
作为上述无机粒子， 例如能够使用氧化钛、 氧化钽、 氧化锌、 氧化锆、 氧化铝、 氧化 钇、 氧化硅、 氧化铌、 氧化铈、 氧化铟、 氧化锡、 氧化铪等金属氧化物。 无机粒子可以由这些氧 化物中的一种来形成， 也可以由这些氧化物的复合氧化物形成。此外， 作为无机粒子材料， 也可以使用氮化硅等金属氮化物或炭化硅等金属碳化物、 金刚石或类金刚石等光透射性炭 类材料。 此外， 也可以使用硫化硫或硫化锡等硫化物或， 金、 铂、 银、 钯、 铜、 铝等金属， 硅或锗 等半导体材料。 通过适当组合这些无机粒子来使用， 能够调整复合材料的折射率和阿贝数， 所以能够成为在宽的波长范围内具有较高的衍射效率的衍射光学元件。
另一方面， 树脂可以使用热塑性树脂、 热固化性树脂、 光固化性树脂中光透射性较 好的树脂。也可以使用丙稀树脂 ( 例如， 甲基丙稀酸甲酯等 )、 环氧树脂、 聚酯树脂 ( 例如， 聚对苯二甲酸乙二醇酯、 聚对苯二甲酸丁二醇酯、 聚己内酯等 )、 聚苯乙烯树脂 ( 例如， 聚苯 乙烯等 )、 聚烯烃树脂 ( 例如聚丙稀等 )、 聚酰胺树脂 ( 例如， 聚酰胺纤维等 )、 聚酰亚胺树 脂 ( 例如、 聚酰亚胺、 聚醚酰亚胺等 )、 聚乙烯醇树脂、 丁醛树脂、 芴类树脂、 乙酸乙烯酯树脂 等。 此外， 也可以使用聚碳酸酯、 液晶聚合物、 联苯醚、 聚砜、 聚醚砜、 聚酚 (polyarylate)、 非 晶质聚烯烃等工程塑料。此外， 也可以使用这些树脂、 高分子的混合物或共聚合物。此外， 也可以使用将这些树脂变性的树脂。 在这些树脂当中， 尤其是丙稀树脂、 环氧树脂、 非晶质聚烯烃、 碳酸酯树脂、 聚酰亚 胺树脂、 丁醛树脂的透明性高， 成型性也良好。
通过在上述复合材料中所占的上述无机粒子的种类和其体积含有率， 能够自由控 制上述复合材料的折射率和阿贝数。例如， 根据 Maxwell Garnet 理论， 可通过以下数学式 3 推断上述复合材料的折射率。其中， 折射率 nav 是复合材料的平均折射率， np 是无机粒子 的折射率， nm 是树脂的折射率， P 是复合材料中所占的上述无机粒子的体积含有率。此外， 在上述无机粒子吸收光和由金属构成的情况下， 计算为复数折射率。
数学式 3 ：
此外， 可以利用数学式 3， 通过计算 d 线波长 (587.6nm)、 F 线波长 (486.1nm)、 C线 波长 (656.3nm) 的折射率， 来算出上述复合材料的阿贝数。
此外， 根据数学式 3 的关系， 可知复合材料的平均折射率及阿贝数， 随着无机粒子 的体积含有率增加， 从树脂的折射率和阿贝数向无机粒子的折射率及阿贝数接近。
此外， 在该说明书中， 所谓 “复合材料的折射率” 是指将复合材料看作是具有 1 个 折射率的介质时的有效折射率。此外， 关于上述复合材料的实际折射率， 可在完成基材 11 或被覆膜 13a、 13b 之后， 如通过椭圆对称法、 Abeles 法、 光波导路径法、 分光反射率法等进 行测量而求出。
在上述复合材料为在以环烯烃类树脂为主成分的树脂中作为无机粒子分散和混
合了体积含有率为 50 体积百分比的氧化锆的材料的情况下， d 线折射率为 1.796， 阿贝数为 41.9。氧化锆的 d 线折射率为 2.096， 阿贝数为 35.4， 且具有较高的折射率和高的阿贝数的 材料， 通过将氧化锆的微粒子均匀分散到树脂中， 能够容易实现高折射率和高阿贝数的材 料。树脂不限定于环烯烃类树脂， 尤其优选组合阿贝数较大的树脂材料。此外， 作为这样的 高阿贝数的无机粒子， 还有氧化铝、 氧化钇等。
另一方面， 在上述复合材料为在以聚碳酸酯为主成分的树脂中作为无机粒子而分 散和混合了体积含有率为 30 体积百分比的氧化锌材料的情况下， d 线折射率为 1.683， 阿贝 数为 18.9。 氧化锌的 d 线折射率为 1.921， 阿贝数为 12.2， 作为透明的材料是具有中等程度 的折射率和较低阿贝数的材料。 因此， 通过将氧化锌粒子均匀分散到树脂中的复合材料， 能 够容易实现低折射率、 低阿贝数的材料。 树脂不限于碳酸酯树脂， 但是优选组合阿贝数较小 的树脂材料。
在第 1 材料为复合材料的情况下， 包含形成有衍射光栅形状 12a、 12b 的面 11a、 11b 的基材 11， 能够通过模具成型容易实施批量生产。作为模具加工的一例， 举出如下的方法 ： 在模具材料的表面形成镀膜， 通过利用金刚石加工刀头对该镀膜上实施旋转切削加工， 形 成模仿衍射光栅形状 12a、 12b 的模具。在上述复合材料上配合如碳酸酯、 环烯烃类树脂等 热塑性树脂的情况下， 通过射出成型， 能够容易制作由复合材料构成的基材 11。此外， 在上 述复合材料上配合如光固化性树酯的情况下， 通过照射紫外线或可见光来使光固化性树脂 固化并分离出模具的方法， 所谓光聚合物成型， 能够容易制作由复合材料构成的基材 11。 此 时使用的模具， 只要在石英等透过紫外线或可见光的材料上， 通过干法蚀刻等形成阶梯形 状 ( 衍射光栅形状 12a、 12b 的相反形状 ) 就可以。
相对于此， 上述专利文献 1 或专利文献 2 所公开的现有的透镜， 将玻璃用作基材或 被覆膜的构成材料， 所以很难制造。 在组合了玻璃构件和树脂构件的透镜中， 基材用树脂形 成、 被覆膜用玻璃形成是较困难的。这是因为， 若在树脂上形成由超过数 μm 的厚度的玻璃 构成的被覆膜， 则在基材和被覆膜的任一个上发生裂纹。 此外， 由玻璃构成的基材的形成同 由树脂构成的基材相比， 生产率差很多。 生产率最好的是用模具进行的冲压成型， 但是与采 用树脂的成型相比， 模具的耐久性只有 1/10 ～ 1/100， 从经济和批量生产性来看， 比树脂还 差很多。
此外， 上述的专利文献 3 公开的现有的透镜是， 通过组合碳酸酯和聚苯乙烯， 以特 定的树脂组合来消除了衍射效率的波长依赖性， 所以， 衍射光栅深度必须为约 280μm。通 常， 超过数十 μm 的深度的衍射光栅形状的形成中， 加工精度高的模具加工是很困难的。这 是因为， 一般模具加工是使用加工刀头来进行， 但是若衍射光栅深度较深， 则加工量增加， 磨耗加工刀头前端， 所以加工精度降低。同时， 若衍射光栅深度较深， 则不能使光栅间隔较 窄。 这是因为， 若将衍射光栅深度设定为较深， 则需要用前端的曲率半径较大的加工刀头来 加工模具， 其结果， 若不能加宽衍射光栅间的间隔， 则不能加工衍射光栅形状。 因此， 衍射光 栅深度越深， 衍射光栅形状的设计自由度越低， 衍射光栅形状的像差降低效果几乎消失。 此 外， 由于周边温度的变化， 碳酸酯和聚苯乙烯的折射率差变化， 所以随着周边温度的变化， 容易产生折射效率的波长依赖性。 此外， 为了模具加工的容易性、 透镜性能面上的衍射光栅 形状 12a、 12b 的作用、 以及确保对周边温度的稳定性， 衍射光栅形状 12a、 12b 的槽的深度优 选为 20μm。此外， 通过金刚石加工刀头的旋转切削加工来加工模具， 并通过使用该模具的成 型法来形成衍射光栅形状 12a、 12b 的情况下， 即使是同一深度的闪烁形衍射光栅形状 12a、 12b， 根据闪烁形状的倾斜方向， 其模具加工难度不同， 所以优选基材使用低折射率、 低阿贝 数的材料， 被覆膜 13a、 13b 使用高折射率、 高阿贝数的材料。由于模具加工容易， 加工精度 较高， 所以例如即使闪烁形状的深度较深， 也能够使衍射光栅间的间隔较窄， 能够增加间隔 数量。从而， 能够增大衍射光栅形状 12a、 12b 的像差降低效果。
如本实施方式的透镜 10， 通过将包含树脂和无机粒子的复合材料用于基材 1 的材 料和被覆膜 13a、 13b 的材料中的至少一方， 能够得到制造容易且光学性能优良的衍射光学 元件。在该情况下， 基材 11 和被覆膜 13a、 13b 至少由包含树脂的材料构成。
在本实施方式中， 在基材 11 为复合材料的情况下， 从成型性的观点来看， 优选上 述复合材料中所占的无机粒子的体积含有率为 5 体积百分比以下的范围， 最好为 10 体积百 分比以上、 且 40 体积百分比以下的范围。根据无机粒子的种类， 即使是包含体积含有率为 小于 5 体积百分比的微量无机粒子的复合材料， 有时也表现出良好的光学特性。但是， 一般 而言， 若无机粒子的体积含有率小于 5 体积百分比， 则不能够成表现超出现有树脂的折射 率 / 分散特性的复合材料， 不能将衍射光栅深度做成较小。此外， 若无机粒子的体积含有率 超过 50 体积百分比， 则复合材料的光透射率降低， 有时不能忽略其影响。通过满足上述范 围， 在能够得到更高的成型性的基础上， 通过较浅的衍射光栅深度， 能够设计衍射效率的波 长依赖性较少的衍射光学元件。 关于若膨胀系数或折射率的温度依赖性， 上述复合材料具有树脂和无机粒子的中 间的物理特性值。因此， 在上述第 1 材料和上述第 2 材料为树脂的情况下， 时常成为问题的 光学性能的温度依赖性降低， 在可靠性、 光学稳定性方面比树脂优良很多。这是因为， 无机 粒子的热膨胀系数和折射率的温度依赖性一般比树脂小。
此外， 在第 2 材料为复合材料的情况下， 具有硬膜效果。即， 通过包含无机粒子， 表 面由硬膜保护， 提高可靠性， 并且表面不易受伤。
此外， 在第 1 材料包含热可塑性树脂、 通过射出成型形成衍射光栅形状 12a、 12b 的 情况下， 通过在树脂中分散无机粒子， 具有能够抑制产生双折射。这是因为， 通过无机粒子 防碍了射出成型时的树脂的取向， 所以能够维持光学上的同向性。
此外， 从第 1 材料及第 2 材料选择的至少一个材料， 优选是吸收红外线区域的波长 的光的材料。这是因为， 能够容易得到具有红外线效果的衍射光学元件。在该情况下， 当与 CCD(Charge Coupled Device)、 CMOS(Complementary Metal-oxide Smiconductor) 等需要 遮蔽红外线的摄像元件或传感器组合使用时， 没必要另外使用红外线截止滤光器。上述吸 收红外线区域的波长的光的材料， 只要是例如混入了铜离子等金属粒子的络盐的树脂， 或 者溶解了具有吸收近红外波长区域的花青色素等染料的树脂， 或者含有由氧化锡铟 (ITO) 等构成的无机粒子的材料就可以。
此外， 从第 1 材料和第 2 材料选择的至少 1 个材料， 优选吸收紫外线区域的波长的 光的材料。这是由于容易得到具有紫外线遮蔽效果的衍射光学元件。作为吸收上述紫外线 的材料， 例如只要是适当分散了氧化钛、 氧化锌、 氧化铈、 氧化钽等无机粒子的材料就可以。 在这样的情况下， 能够在确保可见光区域的透明性的同时， 吸收紫外线区域的光， 所以能够 确保耐光性能、 阻止树脂发出不需要的荧光。
此外， 本发明的衍射光学元件不限于实施方式 1 的透镜 10， 能够广泛应用于空间 低通滤波器或偏振全息片等使用衍射光栅形状的光学器件中。尤其是， 在可见波长整个区 域 (400 ～ 700nm)， 第 1 材料的折射率比第 2 材料的折射率大的情况下， 以及在可见光波长 整个区域 (400 ～ 700nm)， 第 1 材料的折射率比第 2 材料的折射率小的情况下， 能够进一步 降低衍射效率的波长依赖性。
从被覆膜 13a 及被覆膜 13b 选择的至少 1 个， 与衍射光栅形状 12a、 12b 一侧相反 侧的表面， 优选为具有纳米级别的凹凸的防反射形状。 这是由于能够进一步减轻光的反射。 例如， 能够通过使用模具的转印工艺 ( 纳米转印 ) 等容易形成该表面形状。
( 实施方式 2)
接着， 说明本发明的实施方式 2 涉及的衍射光学元件。关于透镜的结构和复合材 料、 制造上或性能上的效果等的说明， 省略与实施方式 1 重复的内容。
图 2 是本发明的衍射光学元件的一例的透镜 20 的剖视图。 本实施方式的透镜 20， 除了上述的透镜 10 的结构要素之外， 还包括 ： 防反射膜 14a， 配置在被覆膜 13a 的衍射光栅 形状 12a 侧的相反面 ； 和防反射膜 14b， 配置在被覆膜 13b 的衍射光栅形状 12b 侧的相反面。 从而， 除了具有同上述的透镜 10 相同的效果之外， 能够使入射到透镜 20 的光中全反射的光 较少， 所以能够提高衍射效率。 防反射膜 14a、 14b 不一定是相同材料， 也可以是树脂或树脂和无机粒子的复合材 料中的某一种， 或者是通过真空蒸镀等形成的无机薄膜。
若将透镜 20 的使用波段的大致中央的波长 λc 下的被覆膜 13a(13b) 的折射率设 为 nc， 则形成在该被覆膜 13a(13b) 上的防反射膜 14a(14b) 的折射率为 nc 的平方根， 在膜厚 为 λc/4nc 时， 对于垂直光， 反射率几乎为 0。另一方面， 在没有防反射膜 14a(14b) 的情况 下， 对于从空气中向被覆膜 13a(13b) 或反过来从被覆膜 13a(13b) 射向空气中的光线， 在单 2 面产生 [(nc-1)/(nc+1)] 的反射损失。此外， 若防反射膜 14a(14b) 的膜厚或折射率偏离理 想值， 则附加防反射膜 14a(14b) 时的反射率不会成为 0， 但是只要附加防反射膜 14a(14b) 的折射率比被覆膜 13a(13b) 低， 则反射率不会比没有防反射膜 14a(14b) 时的反射率、 即 2 [(nc-1)/(nc+1)] 增大。因此， 与防反射膜 14a(14b) 的膜厚无关地具有降低反射效果。
作为防反射膜 14a、 14b， 可通过真空蒸镀等形成无机材料的单层膜或多层膜。此 外， 防反射膜 14a、 14b 优选使用上述复合材料。由于容易制造， 并且基材 11 和被覆膜 13a、 13b 的至少某一个为复合材料， 所以能够使它们与防反射膜 14a、 14b 的热膨胀率接近， 提高 对周边温度的特性稳定性， 不易产生裂纹和膜的剥离。若作为上述复合材料中的无机粒子 使用氧化硅， 则光透射性优良之外， 氧化硅作为无机材料其折射率低、 阿贝数高 (d 线折射 率 1.456、 阿贝数 68.4)， 因此优选氧化硅。在该情况下， 能够在较宽的波段得到防反射效 果。
下面， 说明实施方式 2 的透镜 20 的优选的制造方法。图 3、 4、 5 是按照工序示出上 述制造方法的剖视图。
首先， 如图 3A 所示， 准备模拟了衍射光栅形状 12a、 12b( 参照图 2) 的模具 31a、 31b。之后， 如图 3B 所示， 从真空注入喷嘴 32( 参照图 3A) 向模具 31a、 31b 流入未固化状态 的第 1 材料 33 并填充。之后， 如图 3C 所示， 拆下模具 31a、 31b， 形成包含形成有衍射光栅形 状 12a、 12b 的面的基材 11。此外， 形成由第 1 材料构成的基材 11 的工序， 不限定于使用模
具的成型工序， 但是例如在第 1 材料以热塑性树脂为主成分的情况下， 只要采用射出成型， 在第 1 材料以光固化性树脂为主成分的情况下， 只要采用光敏聚合物成型就可以。
接着， 如图 4A 所示， 在具备真空注液喷嘴 42、 43 的气密容器 41 的内部设置基材 11， 对气密容器 41 的内部进行减压。气密容器 41 内的压力不一定要降低到在真空蒸镀和 CVD 等的真空工艺中所要求的程度。例如， 以 1Pa ～ 5000Pa 左右的压力就可得到充分的效 果， 优选为 100Pa 以下。
接着， 如图 4B 所示， 在减压之后的气密容器 41 内， 从真空注液喷嘴 42 向基材 11 的 形成有衍射光栅形状 12a 的面涂敷用于形成由第 2 材料构成的被覆膜 13a 的涂液 44a。之 后， 通过将气密容器 41 内的压力恢复到减压前的压力， 从涂液 44a 内除去气泡， 在衍射光栅 形状 12a 的微细部分无间隙地贴紧涂液 44a， 形成被覆膜 13a( 参照图 4C)。接着， 如图 4C 所示， 反转基材 11， 对气密容器 41 的内部进行减压， 从真空注液喷嘴 42 向基材 11 的形成有 衍射光栅形状 12b 的面， 涂敷用于形成由第 2 材料构成的被覆膜 13b 的涂液 44b。之后， 与 被覆膜 13a 同样， 提高气密容器 41 内的压力， 形成被覆膜 13b。
进一步， 对气密容器 41 的内部进行减压， 如图 5A 所示， 从真空注液喷嘴 43， 向形成 有被覆膜 13a 的面涂敷用于形成由第 3 材料构成的防反射膜 14b 的涂液 45b。之后， 通过将 气密容器 41 内的压力恢复到减压前的压力， 从涂液 45b 内除去气泡， 形成防反射膜 14b( 参 照图 5B)。接着， 如图 5B 所示， 反转基材 11， 对气密容器 41 的内部进行减压， 从真空注液喷 嘴 43， 向形成有被覆膜 13a 的面涂敷用于形成由第 3 材料构成的防反射膜 14a 的涂液 45a。 之后， 与防反射膜 14a 同样， 提高气密容器 41 内的压力， 形成防反射膜 14a， 完成图 5C 所示 的透镜 20。 在形成被覆膜 13a、 13b 的工序中， 在减压下的气体氛围中， 只要包括以下两个工 序就可以 ： 其中之一是， 在衍射光栅形状 12a、 12b 的表面， 配置涂液 44a、 44b 的工序， 该涂液 44a、 44b 用于形成由第 2 材料构成的被覆膜 13a、 13b ； 通过增大上述气体氛围的压力， 在衍 射光栅形状 12a、 12b 上无间隙地贴紧涂敷溶液 44a、 44b。通过采用这样的方法， 能够形成 如下的透镜 20 ： 在基材 11 的表面的衍射光栅形状 12a、 12b 的槽和被覆膜 13a、 13b 之间没 有间隙， 在被覆膜 13a、 13b 内不存在气泡。此外， 在形成被覆膜 13a、 13b 及防反射膜 14a、 14b 的工序中， 也可以采用旋转涂敷和浸渍涂敷等涂敷方法， 之后采用加热、 光固化、 自然固 化等固化方法。
第 1 材料和第 2 材料， 只要至少一种材料为复合材料就可以， 优选两种材料都是复 合材料。 复合材料的调制方法没有限定， 可以用物理方法来调制， 也可以通过化学方法来调 制。例如， 也可以通过以下的 (1) ～ (4) 中某一个方法来调制复合材料。
(1) 将树脂或溶解了树脂的溶液和 1 次粒径小于 1μm 的大小的无机粒子， 通过机 械和物理的方式混合的方法。
(2) 将树脂的原料 ( 单体和寡聚物等 ) 和 1 次粒径小于 1μm 的大小的无机粒子， 通过机械和物理的方式混合而得到混合物之后， 聚合树脂原料的方法。也可以在透镜上涂 敷混合物之前或之后进行聚合。
(3) 在将树脂或溶解了树脂的溶液和无机粒子的原料混合之后， 使无机粒子的原 料反应， 在树脂中形成无机粒子的方法。
(4) 在树脂的原料 ( 单体和寡聚物等 ) 和无机粒子的原料混合之后， 进行使无机粒
子的原料反应而合成无机粒子的工序、 和聚合树脂原料来合成树脂的工序的方法。
在以上的 (1) 和 (2) 的方法中， 能够使用预先形成的各种无机粒子， 具有能够通过 通用的分散装置调制复合材料的有点。
此外， (3) 和 (4) 的方法中， 由于必须进行化学反应， 所以材料有限制。但是， 这些 方法将原料在分子级别上进行混合， 具有提高无机粒子的分散性的优点。
在上述的方法中， 不特别限定将无机粒子或无机粒子的原料与树脂或树脂原料 进行混合的顺序， 只要适当选择较好的顺序即可。例如， 液可以在分散了 1 次粒径实际为 1nm ～ 100nm 范围大小的无机粒子的溶液中， 添加树脂、 树枝原料或溶解了它们的溶液， 来 机械和物理地进行混合。
此外， 第 3 材料不特别限定， 优选其折射率比第 2 材料低， 例如， 只要使用包含树脂 和无机粒子的材料就可以。
下面， 说明将上述复合材料用作第 2 材料时的被覆膜 13a、 13b 的形成方法的一例。 可利用包含有用于形成复合材料的物质的混合物 ( 例如涂液 )， 形成被覆膜 13a、 13b。该混 合物 ( 涂液 ) 包含树脂或树脂的原料、 无机粒子和溶媒 ( 分散媒 )。此外， 也可以使用不包 含溶媒的混合物来形成被覆膜 13a、 13b。在该情况下， 只要使用热可塑性树脂， 或者使用通 过升温来实现低粘度的混合物、 或者使用膜状的混合物即可。例如， 可通过以下的 (1) ～ (4) 中的某一个方法， 来调制涂液。
(1) 用溶剂稀释复合材料来调制涂液的方法。 在使用该涂液的情况下， 涂敷涂液之 后， 除去溶剂。
(2) 将树脂的单体和寡聚物、 低分子体等和无机粒子混合来调制涂液的方法。 在使 用该涂液的情况下， 需要使单体和寡聚物、 低分子体等原料反应来合成树脂。
(3) 混合无机粒子的原料、 树脂、 溶媒来调制涂液的方法。 在使用该涂液的情况下， 涂敷涂液之后， 通过溶胶 - 凝胶法等来使无机粒子的原料反应， 来在涂敷膜中合成无机粒 子。
(4) 通过加温， 在已低粘度化的树脂中分散无机粒子来调制涂液的方法。 在该方法 中， 通过降低涂敷膜的温度， 使涂敷膜固化， 形成被覆膜 13a、 13b。
关于这些方法， 只要根据树脂、 无机粒子的材质、 涂敷方法等来适当选择就可以。 此外， 涂液也可以根据需要包含有架桥剂、 聚合开始剂、 分散剂等。
不限定于将该混合物配置在衍射光栅形状 12a、 12b 的表面上的方法， 例如可应用 公知的方法。具体而言， 可以应用使用了分配器等注液喷嘴的涂敷， 注射法等喷射涂敷， 旋 转涂敷等通过旋转的涂敷， 印刷等基于压印 (squeezing) 的涂敷、 转印等。这样的方法， 能 够通过使用已有的设备来进行。
在涂敷涂液之后， 能够通过除去溶媒来形成被覆膜 13a、 13b。此外， 在涂液包含树 脂的材料 ( 单体或寡聚物等 ) 或无机粒子材料的情况下， 也可根据需要， 在涂敷后使它们反 应， 来合成树脂和无机粒子。此外， 使通过涂敷涂液形成的膜固化， 来形成被覆膜 13a、 13b。 可通过光固化、 热固化、 干燥处理等来进行固化处理。
下面， 使用图 6 和 7， 说明用于形成被覆膜 13a、 13b 以及防反射膜 14a、 14b 的别的 方法。
如图 6A 所示， 在气密容器 51 的内部设置基材 11， 并对气密容器 51 的内部进行减压， 该基材 11 包含形成有衍射光栅形状 12a、 12b 的面。此外， 准备形成有涂膜 53a、 53b 的 转印板 52a、 52b， 涂膜 53a、 53b 用于形成由的 2 材料构成的被覆膜 13a、 13b。
接着， 如图 6B 所示， 在减压之后的气密容器 51 内， 在减压状态下， 在基材 11 表面 的衍射光栅形状 12a、 12b 上贴紧涂敷在转印板 52a、 52b 上的涂膜 53a、 53b， 进行转印。接 着， 如图 6C 所示， 通过将气密容器 51 的内部的压力回复为减压前的压力， 除去包含在涂膜 53a、 53b 中的溶媒来得到被覆膜 13a、 13b。
进一步， 如图 7A 所示， 准备形成有涂膜 55a、 55b 的转印板 54a、 54b， 该涂膜 55a、 55b 用于形成由的 3 材料构成的防反射膜 14a、 14b， 如图 7B 所示， 通过在形成有被覆膜 13a、 13b 的面上贴紧转印板 54a、 54b 来转印涂膜 55a、 55b。最后， 如图 7C 所示， 在大气下， 除去 涂膜 55a、 55b 中包含的溶媒， 形成防反射膜 14a、 14b， 完成透镜 20。
在形成涂膜 53a、 53b、 55a、 55b 时， 例如若通过旋转涂敷等方法向转印板 52a、 52b、 54a、 54b 涂敷， 则能够调整膜厚。若将膜厚做成数十 μm 左右厚的膜， 则来自涂膜 53a、 53b、 55a、 55b 内的气泡的除去变得更容易。 在贴紧转印板 52a、 52b、 54a、 54b 时， 也可以施加适当 地压力来推。
上述形成被覆膜 13a、 13b 和防反射膜 14a、 14b 的工序， 可在较低的温度下进行。 因 此， 特别适合于要求低温处理的透镜等的、 制造衍射光学元件的情况。
下面， 说明上述的透镜 20 的制造方法中使用的较佳制造装置。图 8 是表示上述制 造装置的结构图。
制造装置 61 包括 ： 气密容器 62 ； 保持基材 11 的基板保持台 63 ； 基板旋转机构 64 ； 真空注液喷嘴 65a、 65b ； 真空注液器 ( 头 )66a、 66b ； 涂液箱 67a、 67b ； 压力控制阀 68 ； 控制 装置 69。
气密容器 62 是能够保持减压状态的容器， 连接有真空泵等减压装置 ( 未图示 )。 可通过基板旋转机构 64， 使基板保持台 63 旋转。真空注液喷嘴 65a、 真空注液器 ( 头 )66a、 涂液箱 67a 构成用于形成被覆膜 13a、 13b 的涂敷装置， 在涂液箱 67a 内， 配置有用于形成被 覆膜 13a、 13b 的涂液。此外， 真空注液喷嘴 65b、 真空注液器 ( 头 )66b、 涂液箱 67b 构成用 于形成防反射膜 14a、 14b 的涂敷装置， 在涂液箱 67b 内配置有用于形成防反射膜 14a、 14b 的涂液。压力控制阀 68 调整气密容器 62 内的压力。气密容器 62、 上述减压装置和压力控 制阀 68 构成压力调整装置。这些装置被控制装置 69 控制。
说明利用制造装置 61 制造透镜 20 的方法的一例。首先， 将包含形成有衍射光栅 形状 12a、 12b 的面的基材 11， 固定在基板保持台 63 上。固定方法可以是公知的方法， 例如 采用粘接或粘接剂的贴紧、 采用工具的固定、 利用静电的固定、 或者是真空吸盘。在真空吸 盘的情况下， 需要将吸盘内的压力降低到比气密容器 62 内的压力低。
接着， 在利用上述减压装置和压力控制阀 68 对气密容器 62 进行减压之后， 利用真 空注液喷嘴 65a 和真空注液器 ( 头 )66a， 在基材 11 的形成有衍射光栅形状 12a 的面上涂 敷涂液。此时， 利用基板旋转机构 64， 将基板保持台 63 低速旋转的同时， 均匀地涂敷涂液。 接着， 利用基板旋转机构 64， 使基材 11 高速旋转， 除去上述面上配置的多余的涂液。之后， 解除气密容器 62 内的减压来进行涂液的固化处理， 形成被覆膜 13a。由控制装置 69 控制 这些减压工序、 涂敷工序、 减压解除工序等一系列的工序。接着， 使基板 11 反转， 与被覆膜 13a 同样地， 在基材 11 的形成有衍射光栅形状 12b 的面上形成被覆膜 13b。接着， 在利用上述减压装置和压力控制阀 68 对气密容器 62 进行减压之后， 利用真 空注液喷嘴 65b 和真空注液器 ( 头 )66b， 在基材 11 的形成有被覆膜 13b 的面上涂敷涂液。 此时， 利用基板旋转机构 64， 将基板保持台 63 低速旋转的同时， 均匀地涂敷涂液。接着， 利 用基板旋转机构 64， 使基材 11 高速旋转， 除去上述面上配置的多余的涂液。 之后， 解除气密 容器 62 内的减压来进行涂液的固化处理， 形成防反射膜 14a。 接着， 使基板 11 反转， 与防反 射膜 14a 同样地， 在基材 11 的形成有被覆膜 13b 的面上形成防反射膜 14b， 完成透镜 20。
例如， 在用于形成被覆膜 13a、 13b 的第 2 材料为复合材料时， 控制装置 61 只要具 备涂敷装置和压力调整装置就可以， 在减压下， 所述的涂敷装置在规定位置涂敷含有用于 形成上述复合材料的物质的涂液， 所述的压力调整装置对进行涂液涂敷时的气体氛围的压 力进行减压。 作为上述涂敷装置， 能够应用用于实施上述涂敷方法的装置， 例如能够采用真 空注液装置、 旋转涂敷装置、 网板印刷装置、 分配器装置、 注射装置等。此外， 作为压力调整 装置， 能够应用公知的装置， 例如能够应用具有可解除气密状态的气密容器和连接在气密 容器上的减压装置的装置。
( 实施方式 3)
图 9 示出本发明的摄像装置的一例的摄像装置 70 的结构图。 如图 9 所示， 本实施方式的摄像装置 70 具备 ： 光学系统 71， 包含从上述的实施方 式 1 和 2 选择的 1 个方式的透镜 ； 摄像元件 72 ； 以及运算电路 73， 根据由摄像元件 72 检测 到的信息形成被摄体像。
在摄像装置 70 中， 来自被摄体 ( 未图示 ) 的光通过光学系统 71 聚光， 并成像于摄 像元件 72 上。此外， 由摄像元件 72 接收的光变换为电信号， 在运算电路 73 被实施彩色合 成等处理， 通过连接适当的显示装置来显示为图像。
在现有技术中， 已知作为彩色图像用途的摄像元件， 按照拜尔排列等特定规则在 各像素上排列绿、 红、 蓝的滤光器， 通过基于相邻象素的运算得到彩色图像。
在这样得到彩色图像的情况下， 一般使用将 2 ～ 3 片程度的非球面透镜排列在光 轴上的光学系统。这是由于在 1 片非球面透镜中不能消除色像差、 即基于波长的聚光特性 的偏移， 很难得到分辨率高的彩色图像。
另一方面， 在本实施方式的摄像装置 70 中， 使用了由除了折射作用之外、 还具有 衍射作用的 1 块透镜构成的光学系统 71， 所以能够用 1 块透镜得到具有高分辨率的彩色图 像。
因此， 本实施方式的摄像装置 70 能够作成薄型和小型化， 并且， 能够削减包含在 光学系统 71 中的透镜数， 因此简化各透镜的定位调整工序， 能够做成生产率和经济性优良 的摄像装置 70。该摄像装置 70 尤其适合作成便携电话用、 车载用、 监视用或医疗用的摄象 机。
此外， 在本实施方式中， 说明了用 1 块透镜构成的摄像装置 70， 但是也可以是在由 多块透镜构成的光学系统的一部分组装了本发明的衍射光学元件的摄像装置。在该情况 下， 由于能够减少透镜块数， 所以有用。
此外， 最近在由多块透镜构成的摄像镜头系统的 1 面上形成一般的衍射光栅形 状， 来降低色像差。该情况下， 虽然不将衍射环数设置为较多， 以便不会产生不需要的衍射 光造成的反射光斑和双重图像， 但是在拍摄亮度比周边高的被摄体的情况下， 若组装本发
明的衍射光学元件， 则不会发生反射光斑和双重图像而有用。
此外， 在本实施方式中， 说明了由一对透镜和摄像元件 72 构成的摄像装置 70 的例 子， 但是也可以是将透镜和摄像元件设置多对或平列排列的复眼型摄像装置。 该情况下， 只 要使用能够对多个图像进行合成处理的运算电路就可以。
下面， 说明本发明的衍射光学元件的实施例。
( 实施例 1)
实施例 1 是上述的实施方式 1 的透镜 10( 参照图 1) 的实施例。此外， 基板的两面 都是凸面， 衍射光栅形状是从光轴中心起成为同心圆状的环状。
下面， 参照图 1 进行说明。此外， 本实施例的透镜的制造方法与上述的实施方式 2 的透镜的制造方法 ( 其中， 本实施例的透镜的制造方法不包含制造防反射膜 14a、 14b 的工 序 ) 相同。
首先， 将在以聚碳酸酯为主成分的树脂 ( 帝人化成公司制造， 商品名称为 “パンラ イト AD-5503” ) 中混合了 30 体积百分比的氧化锌的复合材料， 用作第 1 材料， 通过射出成 型来形成基材 11。此时， 在基材 11 的两面， 形成有分别深 5.20μm 的衍射光栅形状 12a、 12b。此外， 上述复合材料的 d 线折射率为 1.683， 阿贝数为 18.9。 接着， 将在以环烯烃类树脂为主成分的树脂 ( 日本ゼオン公司制造， 商品名称为 “ZEONEX480R” ) 中分散和混合了 50 体积百分比的氧化锆的复合材料， 用作第 2 材料， 在基 材 11 的两面形成了被覆膜 13a、 13b， 以覆盖上述衍射光栅形状。 此外， 上述复合材料的 d 线 折射率为 1.796， 阿贝数为 41.9。在形成被覆膜 13a、 13b 时， 通过旋转涂敷实施涂敷， 并使 其自然固化。
图 10 是表示实施例 1 的透镜的一面上的、 基于波长的 1 级衍射效率的变化的图。 根据图 10 可知， 在波长 400nm 以上 700nm 以下的可见光的整个区域， 衍射效率为 95％以上。
此外， 即使将在实施例 1 的透镜中使用的用于形成基材 11 的材料和用于形成被覆 膜 13a、 13b 的材料替换， 来形成同样的透镜， 也能够得到与图 10 所示的特性相同的特性。
( 实施例 2)
实施例 2 是上述的实施方式 2 的透镜 20( 参照图 2) 的实施例。此外， 基板的两面 都是凸面， 衍射光栅形状在基材的两面为环状。
下面， 参照图 2 进行说明。此外， 本实施例的透镜的制造方法与上述的实施方式 2 的衍射光学元件的制造方法相同。
首先， 将在以聚碳酸酯为主成分的树脂 ( 帝人化成公司制造， 商品名称为 “パンラ イト AD-5503” ) 中混合了 40 体积百分比的氧化锌的复合材料， 用作第 1 材料， 通过射出成 型来形成基材 11。此时， 在基材 11 的两面， 形成有分别深 5.71μm 的衍射光栅形状 12a、 12b。此外， 上述复合材料的 d 线折射率为 1.809， 阿贝数为 17.6。
接着， 将在以环烯烃类树脂为主成分的树脂 ( 日本ゼオン公司制造， 商品名称为 “ZEONEX480R” ) 中分散和混合了 70 体积百分比的氧化锆的复合材料， 用作第 2 材料， 在基 材 11 的两面通过旋转涂敷形成了被覆膜 13a、 13b， 以覆盖上述衍射光栅形状 12a、 12b。此 外， 上述复合材料的 d 线折射率为 1.912， 阿贝数为 38.9。
将由非晶性全氟树脂 ( 旭硝子公司制造， 商品名称为 “CYTOP” ) 中分散和混合了 38 体积百分比的氧化硅的复合材料构成膜， 用作防反射膜 14a、 14b。此时的 d 线折射率为
1.383， 被覆膜 13a、 13b 的折射率大致等于 1.912 的平方根。此外， 其厚度是 0.11μm， 防反 射膜 14a、 14b 的涂敷是通过旋转涂敷进行的。
图 11 示出了实施例 2 的透镜的一面上的 1 级衍射效率的波长依赖性。根据图 11 可知， 在波长 400 ～ 700nm 的可见光的整个区域中， 衍射效率为 90％以上。此外， 虽然在图 11 的特性中没有显现， 但是在被覆膜 13a、 13b 与空气的界面， 在一面上产生大约 10％的反 射， 在双面上产生大约 20％的反射， 但是通过设置防反射膜 14a、 14b， 可以将在两面产生的 大约 20％的反射降低到大约 0％。这是由于防反射膜 14a、 14b 具有降低反射损失的效果。
( 实施例 3)
按照表 1 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1 ～ 37)。 本实 施例的透镜具有与实施例 1 中说明的透镜相同的形状。本实施例的透镜的制造方法与实施 例 1 的制造方法相同。此外， 表 1 中的体积含有率是指， 第 1 材料或第 2 材料中所占的无机 粒子的比例。此外， PC1 是聚碳酸酯类树脂 ( 帝人化成公司制造， 商品名称为 “パンライト AD-5503” )， COP 是环烯烃类树脂 ( 日本ゼオン公司制造， 商品名称为 “ZEONEX480R” )， OKP 是芴类聚酯树脂 ( 大阪ガスケミカル公司制造， 上平名称为 “OKP4” )， PC2 是聚碳酸酯类树 脂， PS 是聚酯类树脂 (d 折射率为 1.600， 阿贝数为 30)。
表1
在此， 将含有氧化锆作为无机粒子的复合材料， 用作第 1 材料， 把复合材料或树脂 用作第 2 材料。
接着， 在波长 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 下， 用自分光光度计 ( 日立制作所制造 U3410 型 ) 测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示于表 1。
根据表 1， 实施例 3 在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效 率都超过 80％。此外， 虽然表 1 中没有示出， 但是在波长带 400nm ～ 700nm 的整个区域， 1 级衍射效率超过 80％。 在实施例 3 中， 所有透镜的衍射光栅深度为 15μm 以下， 并且是容易 制造且光栅间隔小的衍射光栅形状。
这样， 通过将作为无机粒子而包含氧化锆的复合材料用于第 1 材料中， 能够降低 衍射效率的波长依赖性。
( 实施例 4)
表2
按照表 2 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1 ～ 37)。 本实 施例的透镜同实施例 3 的透镜相比， 其区别点仅在于， 第 1 材料和第 2 材料、 衍射光栅形状 为反转的形状。此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示 于表 2。
根据表 2， 实施例 4 在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效
率都超过 80％。此外， 虽然表 2 中没有示出， 但是在波长带 400nm ～ 700nm 的整个区域 1 级 衍射效率超过 80％。 在实施例 4 中， 所有透镜的衍射光栅深度为 15μm 以下， 并且是容易制 造且光栅间隔小的衍射光栅形状。这样， 通过将作为无机粒子包含氧化锆的复合材料用于 第 2 材料中， 能够降低衍射效率的波长依赖性。
( 实施例 5)
按照表 3 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1 ～ 7)。本实 施例的透镜具有与实施例 3 中说明的透镜相同的形状， 其制造方法与实施例 1 的制造方法 相同。此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示于表 3。
表3
根据表 3， 实施例 6 在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效 率都超过 80％。此外， 虽然表 3 中没有示出， 但是在波长带 400nm ～ 700nm 的整个区域， 1 级衍射效率超过 80％。 在实施例 5 中， 衍射光栅深度为 15μm 以下， 并且是容易制造且光栅 间隔小的衍射光栅形状。这样， 通过使用氧化锌作为第 1 材料中包含的无机粒子， 能够降低 衍射效率的波长依赖性。
( 实施例 6)
按照表 4 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1 ～ 7)。本实 施例的透镜同实施例 5 的透镜相比， 其区别点仅在于， 第 1 材料和第 2 材料、 衍射光栅形状 为反转的形状。此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示 于表 4。
表4
根据表 4， 实施例 6 在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效率都超过 80％。此外， 虽然表 4 中没有示出， 但是在波长带 400nm ～ 700nm 的整个区域， 1 级衍射效率超过 80％。 在实施例 6 中， 衍射光栅深度为 15μm 以下， 并且是容易制造且光栅 间隔小的衍射光栅形状。这样， 通过将作为无机粒子包含氧化锌的复合材料用于第 2 材料 中， 能够降低衍射效率的波长依赖性。
( 实施例 7)
按照表 5 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1)。本实施例 的透镜具有与实施例 3 中说明的透镜相同的形状， 其制造方法与实施例 1 的制造方法相同。 此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示于表 5。
表5
根据表 5， 实施例 7 在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效 率都超过 95％。此外， 虽然表 5 中没有示出， 但是在波长带 400nm ～ 700nm 的整个区域 1， 级衍射效率超过 90％。 在实施例 7 中， 衍射光栅深度为 10μm 以下， 并且是容易制造且光栅 间隔小的衍射光栅形状。这样， 通过将作为无机粒子包含氧化铝的复合材料用于第 2 材料 中， 能够降低衍射效率的波长依赖性。
( 实施例 8)
按照表 6 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1)。本实施例 的透镜与实施例 7 的透镜相比， 其区别点仅在于， 第 1 材料和第 2 材料、 衍射光栅形状为反 转的形状。此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示于表 6。
表6
根据表 6， 实施例 8 在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效 率都超过 95％。此外， 虽然表 6 中没有示出， 但是在波长带 400nm ～ 700nm 的整个区域， 1 级衍射效率超过 90％。 在实施例 8 中， 衍射光栅深度为 10μm 以下， 并且是容易制造且光栅 间隔小的衍射光栅形状。这样， 通过将作为无机粒子包含氧化铝的复合材料用于第 1 材料 中， 能够降低衍射效率的波长依赖性。
( 实施例 9)
按照表 7 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1 ～ 3)。本实 施例的透镜具有与实施例 3 中说明的透镜相同的形状， 其制造方法与实施例 1 的制造方法 相同。此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示于表 8。
表7
根据表 7， No.1 透镜在 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效率也超 过 95％， 400nm 的 1 级衍射效率急剧减小为 32.9％， 不能在整个可见光区域保持衍射效率。 此外， No.1 透镜的衍射光栅深度为 21μm。另一方面， No.2、 3 透镜在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效率也超过 95％。此外， No.2、 3 透镜的衍射光栅深度为 15μm 以下， 并且是容易制造且光栅间隔小的衍射光栅形状。
( 实施例 10)
按照表 8 所示的材料和衍射光栅深度， 制造了本实施例的透镜 (No.1 ～ 3)。本实 施例的透镜与实施例 9 的透镜相比， 其区别点仅在于， 第 1 材料和第 2 材料、 衍射光栅形状 为反转的形状。此外， 与实施例 1 同样地测量了本实施例的透镜的 1 级衍射效率。结果示 于表 8。
表8
根据表 8， No.1 透镜在 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效率也超 过 95％， 400nm 的 1 级衍射效率急剧减小为 32.9％， 不能在整个可见光区域保持衍射效率。 此外， No.1 透镜的衍射光栅深度为 21μm。另外， No.2、 3 的透镜在 400nm、 500nm、 600nm、 700nm 中任一个的情况下， 1 级衍射效率也超过 95％。此外， No.2、 3 的透镜的衍射光栅深度 为 15μm 以下， 是容易制造且光栅间隔小的衍射光栅形状。
此外， 在基材为复合材料的情况下， 若无机粒子的体积含有率为 50 体积百分比以 下， 则容易成型衍射光栅形状。
在实施例 3 ～ 10 的透镜中， 即使将用作基材和被覆膜材料的第 1 材料和第 2 材料， 作为基材材料使用上述第 2 材料， 作为被覆膜材料使用上述第 1 材料， 也能够得到相同的衍 射效率的波长依赖性。
工业实用性
根据本发明的衍射光学元件， 在提高成型性的基础上， 能够在宽的波段抑制不需 要的光的发生， 能够设计成衍射效率的波长依赖性小。 此外， 本发明的衍射光学元件还能够 容易制造， 所以能够提供对于摄像机等摄像用途的光学系统尤其合适的衍射光学元件。例
如， 该衍射光学元件是透镜、 空间低通滤光器、 偏振全息片等， 能够广泛应用于使用一般的 衍射光栅形状的摄像装置等光学设备。
根据本发明的摄像装置， 能够提供包含有成型性良好的衍射光学元件的摄像装 置， 尤其是包含有衍射效率的波长依赖性较少的衍射光学元件的摄像装置。例如， 该摄像装 置是能够以大视场角拍摄的摄像装置、 分辨率高的摄像装置等， 能够薄型化和小型化， 因此 能够应用于便携电话、 车载用、 监视用或医疗用相机。
根据本发明的衍射光学元件的制造方法， 能够提供成型性良好的衍射光学元件。