專(zhuān)利名稱(chēng)：衍射光學(xué)元件和包括所述衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衍射光學(xué)元件，更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及適合于與具有多個(gè)波長(zhǎng)或帶寬的光線結(jié)合使用的衍射光學(xué)元件以及涉及包括所述衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
為了減少色差，除了使用不同玻璃材料的透鏡的組合的方法之外，使用設(shè)置在透鏡表面上或布置為光學(xué)系統(tǒng)的部分的衍射光學(xué)元件的方法也是已知的。在例如1990年的International Lens DesignConference的SPIE的1354卷；日本專(zhuān)利未審定公開(kāi)No.4-213421(對(duì)應(yīng)于美國(guó)專(zhuān)利No.5,044,706)；以及日本專(zhuān)利未審定公開(kāi)No.6-324262(對(duì)應(yīng)于美國(guó)專(zhuān)利No.5,790,321)中披露了該衍射方法。
該方法使用其中在折射面處具有基準(zhǔn)波長(zhǎng)的光線的色差存在于與光學(xué)系統(tǒng)中的衍射面處具有基準(zhǔn)波長(zhǎng)的光線的色差相反方向的方向上的物理現(xiàn)象。
通過(guò)改變衍射光學(xué)元件的周期性結(jié)構(gòu)的周期，這樣一種衍射光學(xué)元件的使用可獲得與非球面透鏡所獲得的相同的效果，從而大大減少色差。
在折射中，單個(gè)光線在被折射之后仍然是單個(gè)光線。與此相反，在衍射中，單個(gè)光線在衍射之后被分成為多個(gè)衍射級(jí)。因此，在使用衍射光學(xué)元件作為透鏡系統(tǒng)的情況下，必須確定光柵結(jié)構(gòu)以使得處于使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)的光束被集中為一個(gè)特定級(jí)(在下文中，也稱(chēng)之為“設(shè)計(jì)級(jí)”)。如果光線集中為特定級(jí)的話，不同級(jí)的衍射射線的強(qiáng)度較低。如果其強(qiáng)度被減小到零的話，所述衍射射線就不存在了。
因此，為了將衍射光學(xué)元件應(yīng)用于使用寬頻帶的光學(xué)器件(諸如用于攝影的攝影機(jī))中，設(shè)計(jì)級(jí)的光線的衍射效率在所使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)必須都足夠高。
在存在有其衍射級(jí)不同于設(shè)計(jì)級(jí)的光線的情況下，所述光線被成像在不同于設(shè)計(jì)級(jí)的光線的位置的位置處，因此導(dǎo)致光斑。因此，在使用衍射效應(yīng)的光學(xué)系統(tǒng)中，在全面考慮設(shè)計(jì)級(jí)下的衍射效率的光譜分布和不同于設(shè)計(jì)級(jí)的級(jí)下的光線的性質(zhì)是重要的。
圖14示出了已知衍射光學(xué)元件的衍射光柵。圖15示出了當(dāng)圖14中所示的衍射光學(xué)元件被布置在某個(gè)表面上時(shí)用于特定衍射級(jí)的衍射效率的特征曲線。
在以下的描述中，衍射效率的每個(gè)數(shù)值都表示每個(gè)衍射射線與總傳輸光束在光通量方面的比率，為了方便起見(jiàn)，所述數(shù)值忽略不計(jì)光柵表面處的反射線。
在圖15中，圖表的水平軸表示波長(zhǎng)而豎直軸表示衍射效率。該衍射光學(xué)元件被如此設(shè)計(jì)，即，使其在正的第一衍射級(jí)下在使用的波長(zhǎng)范圍內(nèi)顯示出最高的衍射效率，如實(shí)線所示的。換句話說(shuō)，所述設(shè)計(jì)級(jí)為正的第一級(jí)。
在圖15中，也示出了設(shè)計(jì)級(jí)周?chē)膬蓚€(gè)衍射級(jí)(即，零級(jí)和正的第二級(jí)，也就是，分別低于和高于正的第一級(jí)的級(jí))的衍射效率。
如圖15中所示的，設(shè)計(jì)級(jí)的衍射效率在某一波長(zhǎng)(在下文中，稱(chēng)之為“設(shè)計(jì)波長(zhǎng)”)下顯示出了最高值并且在其他波長(zhǎng)下逐漸降低。
設(shè)計(jì)級(jí)的衍射效率方面的降低產(chǎn)生其他級(jí)的衍射射線并且導(dǎo)致光斑。
存在能夠降低衍射效率方面的降低的已知結(jié)構(gòu)(見(jiàn)日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公開(kāi)號(hào)No.9-127322，對(duì)應(yīng)于美國(guó)專(zhuān)利No.6,157,488)。如圖16中所示的，在該結(jié)構(gòu)中，第一衍射光柵6和第二衍射光柵7的兩種材料以及其光柵厚度d1和d2被最優(yōu)地選擇，并且具有相同光柵節(jié)距的衍射光柵6和7被彼此相鄰地布置，其中它們之間具有空氣層8。因此，這種結(jié)構(gòu)在全部可見(jiàn)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)高衍射效率，如圖17中所示的。
如圖16中所示的，這種結(jié)構(gòu)是兩層結(jié)構(gòu)的，并且通過(guò)使得衍射光柵6和7的每種材料的色散和折射率以及光柵厚度d1和d2最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)了高衍射效率。
如上所述描述已知結(jié)構(gòu)的日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公開(kāi)號(hào)No.9-127322僅披露了通過(guò)連接光柵部分的尖端(端部)所產(chǎn)生的平面是平坦的并且沒(méi)有提及設(shè)置在彎曲表面上的衍射光柵的具體形狀。
存在衍射光學(xué)元件的這樣一種已知結(jié)構(gòu)，其中設(shè)置在彎曲表面上的多個(gè)衍射光柵被成層堆積，衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了高衍射效率(見(jiàn)日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公開(kāi)號(hào)No.2001-042112，對(duì)應(yīng)于歐洲專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)No.1 072 906 A2，以及日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公開(kāi)號(hào)No.2002-107520，對(duì)應(yīng)于美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)公開(kāi)號(hào)No.2002-036827)。
圖19是示出了日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公開(kāi)號(hào)No.2001-042112中披露的衍射光學(xué)元件的主要部分的截面圖。
如圖19中所示的，在衍射光學(xué)元件1中，第一衍射部分2和第二衍射部分3被彼此相鄰地布置，其中它們之間具有空氣層8。第一衍射部分2包括第一襯底4和設(shè)置在第一襯底4表面上的第一衍射光柵6。第二衍射部分3包括第二襯底5和設(shè)置在第二襯底5表面上的第二衍射光柵7。所有層都用作獨(dú)立衍射光學(xué)元件1。
其上設(shè)置有衍射光柵6和7的襯底4和5的表面以及其相對(duì)表面都是彎曲表面。每個(gè)襯底4和5本身都用作折射透鏡。包絡(luò)面9和10是通過(guò)分別連接第一衍射光柵6的尖端和第二衍射光柵7的尖端所限定的彎曲表面。
圖20是示出了日本專(zhuān)利申請(qǐng)未審定公開(kāi)號(hào)No.2002-107520中披露的衍射光學(xué)元件的主要部分的截面圖。如圖20中所示的，在衍射光學(xué)元件1中，第一衍射部分2和第二衍射部分3被彼此相鄰地布置，其中它們之間具有空氣層8。第一衍射部分2包括第一襯底4和設(shè)置在第一襯底4表面上的第一衍射光柵6。第二衍射部分3包括第二襯底5、設(shè)置在第二襯底5表面上的第二衍射光柵7以及設(shè)置在第二衍射光柵7上的第三衍射光柵16。所有層都用作獨(dú)立衍射光學(xué)元件1。
第三衍射光柵16的與光柵表面12相對(duì)的面10是不包括光柵部分的彎曲面，并且具有與第二襯底5中其上形成有光柵部分的面相同的曲率。對(duì)于襯底4和5來(lái)說(shuō)，其上設(shè)置有衍射光柵6和7的表面以及其相對(duì)表面都是彎曲表面。每個(gè)襯底4和5本身都用作折射透鏡。
其中在彎曲表面上布置有多個(gè)衍射光柵的這些成層堆積的衍射光學(xué)元件對(duì)于某個(gè)入射角來(lái)說(shuō)被最優(yōu)化。具體地，在圖19中所示的示例中，衍射光學(xué)元件具有被最優(yōu)調(diào)節(jié)得用于主要從垂直于包絡(luò)面9和10的方向入射光束的情況的結(jié)構(gòu)(在下文中，也被稱(chēng)作“彎曲的基準(zhǔn)面”)，即，通過(guò)連接光柵部分6a和光柵部分7a所限定的獨(dú)立面。
應(yīng)用于各種光學(xué)系統(tǒng)的衍射光學(xué)元件接收從各種方向入射的射線，即，可接收從除垂直于衍射光柵的一個(gè)包絡(luò)面(彎曲的基準(zhǔn)面)的方向以外的方向入射的筆形光束。例如，在包括具有小曲率半徑的包絡(luò)面的衍射光柵的衍射光學(xué)元件的情況下，筆形光束從各種方向入射。
在這種情況下，從垂直于包絡(luò)面的方向到一個(gè)方向的角度相對(duì)于光軸明顯變大。因此，在衍射光學(xué)元件用在光學(xué)系統(tǒng)中的情況下，入射角從垂直于包絡(luò)面的方向分配到平行于光軸的方向。
因此，其中衍射光學(xué)元件被最優(yōu)化以用于從垂直于包絡(luò)面的方向入射的筆形光束的結(jié)構(gòu)可能具有較低的衍射效率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種衍射光學(xué)元件，甚至在衍射光柵具有小曲率半徑的包絡(luò)面時(shí)，所述衍射光學(xué)元件也可使得衍射效率中的降低最小化。本發(fā)明還涉及包括所述衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)。
依照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種衍射光學(xué)元件，所述衍射光學(xué)元件具有包括由具有不同色散的不同材料構(gòu)成的兩種光柵的多個(gè)衍射光柵。一種衍射光柵包括具有彎曲光柵表面和光柵尖端的多個(gè)光柵部分。光柵尖端連接以限定彎曲的包絡(luò)面。所述光柵表面的曲率半徑大于所述包絡(luò)面的曲率半徑。
從參照附圖所作出的以下描述中將明白本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)。


圖1是示出了本發(fā)明第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的主要部分的平面和側(cè)視圖。
圖2是本發(fā)明第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的主要部分的截面圖。
圖3是第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的衍射部分的放大截面圖。
圖4是第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的衍射部分的示意圖。
圖5是已知多層衍射光學(xué)元件的衍射部分的示意圖。
圖6是第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表。
圖7是已知多層衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表。
圖8是示出了如何制造第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的示意圖。
圖9是示出了第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件可應(yīng)用于其上的另一種應(yīng)用的示意圖。
圖10是本發(fā)明第二實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的主要部分的截面圖。
圖11是本發(fā)明第三實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的主要部分的截面圖。
圖12是本發(fā)明第五實(shí)施例所涉及的用于拍攝圖片的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分的截面圖。
圖13是本發(fā)明第六實(shí)施例所涉及的用于觀測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)的主要部分的截面圖。
圖14是用于示出另一種已知衍射光學(xué)元件的衍射光柵的形狀(截面為三角形波形)的示意圖。
圖15是已知衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表。
圖16是另一種已知多層衍射光學(xué)元件的截面圖。
圖17是已知多層衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表。
圖18是另一種已知多層衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表。
圖19是包括設(shè)置在彎曲表面上的衍射光柵的另一種已知多層衍射光學(xué)元件的截面圖。
圖20是包括設(shè)置在彎曲表面上的衍射光柵的另一種已知多層衍射光學(xué)元件的截面圖。
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例下面將描述本發(fā)明第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件1。圖1是第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件1的示意圖(包括平面和側(cè)視圖)。衍射光學(xué)元件1包括以其間具有距離D1的方式彼此相鄰(成層堆積)的第一衍射部分2和第二衍射部分3。
在圖1中，第一衍射光柵6和第二衍射光柵7具有同心的光柵部分并且具有透鏡功能(會(huì)聚或發(fā)散功能)。第一衍射光柵6和第二衍射光柵7被形成在彎曲面上。
圖2以沿圖1的線A-A′所截的截面圖的方式部分地示出了衍射光學(xué)元件1。為了清楚起見(jiàn)，圖2不是成比例示出的，尤其是沿光柵的深度方向，并且所示的光柵部分的數(shù)量少于實(shí)際數(shù)量。
在截面圖中，衍射光學(xué)元件1具有這樣一種結(jié)構(gòu)，其中包括第一襯底4和形成在第一襯底4的第一彎曲面4a上的第一衍射光柵6的第一衍射部分2與包括第二襯底5和形成在第二襯底5的第二彎曲面5a上的第二衍射光柵7的第二衍射部分3相鄰，其中它們之間具有空氣層8，并且第一衍射部分2與第二衍射部分3之間的距離為D1。
所有層都用作獨(dú)立衍射光學(xué)元件。通過(guò)連接第一衍射光柵6的第一光柵部分(包括多個(gè)光柵組件)6a的尖端6b與其他尖端所限定的第一包絡(luò)面9是彎曲面，并且具有基本與第一襯底4的其上形成有第一衍射光柵6的第一彎曲面4a相同的曲率半徑。
相似地，通過(guò)連接第二衍射光柵7的第二光柵部分的尖端7b與其他尖端所限定的第二包絡(luò)面10也是彎曲面，并且具有基本與第一包絡(luò)面9相同的曲率半徑。
在圖2中，第一包絡(luò)面9為凹形的，而第二包絡(luò)面10為凸形的。第一包絡(luò)面9沿光軸與第二包絡(luò)面10相隔D1。
第一包絡(luò)面9的曲率半徑R9基本與第二包絡(luò)面10的曲率半徑R10相同，更具體地說(shuō)，這兩個(gè)曲率半徑是這樣的，即，使得第一包絡(luò)面9的曲率中心與第二包絡(luò)面10的曲率中心相同。
換句話說(shuō)，由于第一包絡(luò)面9與第二包絡(luò)面10之間沿光軸O的距離為D1，因此R9＝R10+D1。
在圖2中，第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的高度(光柵厚度)為d1，并且第二衍射光柵7的第二光柵部分7a的高度(厚度)為d2。沿垂直于每個(gè)第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10的方向上的每個(gè)高度d1和d2的突出部分都是恒定的。
關(guān)于由于第一衍射光柵6和第二衍射光柵7形成的衍射所導(dǎo)致的衍射光功率，即，不包括由于第一包絡(luò)面(彎曲基準(zhǔn)面)9和第二包絡(luò)面(彎曲基準(zhǔn)面)10形成的折射所導(dǎo)致的折射光功率的衍射光功率，第一衍射光柵6具有正的光功率而第二衍射光柵7具有負(fù)的光功率。
在圖2中，由于光柵高度d1和d2未成比例示出，因此第一光柵表面11被表示為凸形形狀。然而，實(shí)際上，光柵高度大約為10μm，因此，第一衍射光柵6的第一光柵表面11實(shí)際上具有凹形形狀，如圖3的放大圖中所示的。
具體地，由于彎曲基準(zhǔn)面9的凹度所造成的折射效應(yīng)(負(fù)的光功率)被衍射透鏡(第一衍射光柵6)所形成的正的光功率降低，因此第一光柵表面11為具有曲率半徑R11的凹形形狀的，曲率半徑R11在絕對(duì)項(xiàng)上大于第一包絡(luò)面9的曲率半徑R9。
相似地，由于彎曲基準(zhǔn)面10的凸度所造成的折射效應(yīng)(正的光功率)被衍射透鏡(第二衍射光柵7)所形成的負(fù)的光功率降低，因此第二光柵表面12為具有曲率半徑R12的凸形形狀的，曲率半徑R12在絕對(duì)項(xiàng)上大于第二包絡(luò)面10的曲率半徑R10。
第一光柵表面11(第二光柵表面12)與第一光柵側(cè)部13(第二光柵側(cè)部14)之間所限定的角度α1大于第一光柵表面11(第二光柵表面12)與通過(guò)在一個(gè)光柵尖端的位置處連接第一光柵部分6a(第二光柵部分7a)的光柵尖端所限定的第一包絡(luò)面9(第二包絡(luò)面10)的法線11a之間所限定的角度α2；即，α1＞α2。
圖2中所示的每個(gè)第一光柵側(cè)部13和第二光柵側(cè)部14都是基本平行于光軸O的圓柱面。
具體地，R9約為44.0015mm，R11約為46.7597mm，因此，R9＜R11。R10約為44mm，R12約為45.7186mm，因此，R10＜R12。
第一襯底4中的第一彎曲面4a和相對(duì)第一面4b和第二襯底5中的第二彎曲面5a和相對(duì)第二面5b都是彎曲面，并且每個(gè)襯底4和5都用作折射透鏡。
下面將描述衍射光學(xué)元件1的衍射效率。
圖14示出了包括襯底142和設(shè)置在襯底142上的透射光柵144的普通單層衍射光學(xué)元件141。在衍射光學(xué)元件141中，在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ0下衍射效率為最大的一種狀態(tài)是這樣的，即，在垂直于光柵144入射的筆形光束的情況下，光柵部分144a的峰值與谷值之間的光路長(zhǎng)度中的差異為波長(zhǎng)的整數(shù)倍。因此，所述狀態(tài)由以下等式(1)表示(n01-1)d＝mλ0 (1)其中n01是波長(zhǎng)λ0下的光柵部分144a的材料的折射率、d為光柵部分144a的光柵厚度、以及m為衍射級(jí)。
不滿足等式(1)的用于另一個(gè)波長(zhǎng)的第m級(jí)下的衍射效率由以下等式(2)表示ηm(λ)＝[sin{π(φ(λ)-m)}/{π(φ(λ)-m)}]2(2)其中φ(λ)由φ(λ)＝{n1(λ)-1}d/λ給出，其中n1(λ)是波長(zhǎng)λ下的光柵144的材料的折射率。
包括兩個(gè)或多個(gè)衍射光柵的成層堆積的衍射光學(xué)元件顯示出相同的基本特征。為了使得所有層都用作獨(dú)立衍射光柵，確定用于所有層的光路長(zhǎng)度中的差異之和為波長(zhǎng)的整數(shù)倍，每個(gè)差異被限定在形成于單個(gè)材料的每個(gè)邊界面上的衍射部分的峰值與谷值之間。
因此，對(duì)于圖2中所示的成層堆積的衍射光學(xué)元件1來(lái)說(shuō)，在垂直于第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10入射的筆形光束的情況下，在設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ0下衍射效率為最大的一種狀態(tài)由以下等式(3)表示±(n01-1)d1±(n02-1)d2＝mλ0(3)其中n01是波長(zhǎng)λ0下的第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的材料的折射率、n02是波長(zhǎng)λ0下的第二衍射光柵7的第二光柵部分7a的材料的折射率、d1是第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的光柵厚度、以及d2是第二衍射光柵7的第二光柵部分7a的光柵厚度。
假定沿低于圖2中所示的零級(jí)光線的一個(gè)方向衍射的光線衍射級(jí)為正的，以以下方式確定等式(3)中附于每層的光柵厚度的符號(hào)圖2中從頂部到底部在厚度方面增加的光柵(第一衍射光柵6)具有正號(hào)(即，0＜d1)；相反，圖2中從頂部到底部在厚度方面減小的光柵(第二衍射光柵7)具有負(fù)號(hào)(即，d2＜0)。
因此，圖2中所示的結(jié)構(gòu)中的等式(3)由以下等式(4)表示(n01-1)d1-(n02-1)d2＝mλ0(4)如同單層衍射光學(xué)元件一樣，不滿足等式(3)的用于另一個(gè)波長(zhǎng)下的衍射效率由以下等式(5)表示ηm(λ)＝[sin{π(φ(λ)-m)}/{π(φ(λ)-m)}]2(5)其中φ(λ)由φ(λ)＝[{n1(λ)-1}d1-{n2(λ)-1}d2/]λ給出，其中n1(λ)是波長(zhǎng)λ下的第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的材料的折射率、n2(λ)是波長(zhǎng)λ下的第二衍射光柵7的第二光柵部分7a的材料的折射率。
下面將使用特定示例進(jìn)行描述。
第一衍射光柵6具有以下結(jié)構(gòu)。第一光柵部分6a由可從DainipponInk and Chemicals，Inc購(gòu)買(mǎi)到的紫外線固化樹(shù)脂RC-C001(商品名)(nd＝1.524、vd＝50.8)制成并具有約7.5μm的光柵厚度d1。
相似地，第二衍射光柵7具有以下結(jié)構(gòu)。第二光柵部分7a由紫外線固化樹(shù)脂(nd＝1.696、vd＝17.7)制成并具有約4.78μm的光柵厚度d2。
以上所述的光柵高度(厚度)d1和d2被最優(yōu)化以便于如等式(4)和(5)所示的那樣法向入射。圖18示出了在該結(jié)構(gòu)中第一級(jí)的衍射光線的衍射效率。如圖18中明白示出的，適當(dāng)?shù)卮_定兩個(gè)衍射光柵中每個(gè)的材料和光柵高度在多個(gè)波長(zhǎng)(圖18中的440nm和620nm)下實(shí)現(xiàn)了100％的衍射效率并且還在所有可見(jiàn)范圍內(nèi)保持高衍射效率。具有100％的衍射效率的每個(gè)波長(zhǎng)滿足等式(3)。換句話說(shuō)，在多個(gè)波長(zhǎng)下，穿過(guò)多個(gè)衍射光柵的光線的光路長(zhǎng)度中的最大差異(衍射部分的峰值和谷值之間的光路長(zhǎng)度中的差異的最大值)為相應(yīng)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。
接下來(lái)，將描述其中從垂直于第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10處在角度θ(λ)下傾斜的方向入射的筆形光束進(jìn)入到第一衍射光柵6的情況。
在這種情況下，由以下等式(6)表示衍射效率ηm(λ)＝[sin{π(φ(λ)-m)}/{π(φ(λ)-m)}]2(5)其中φ(λ)由φ(λ)＝[{n1(λ)cosθ(λ)-cosθa(λ)}d1-{n2(λ)cosθ2(λ)-cosθa(λ)}d2]/λ給出，其中θ2(λ)為在波長(zhǎng)λ下離開(kāi)第二衍射光柵7的一束筆形光束中第m級(jí)的衍射角，而θa(λ)為在波長(zhǎng)λ下通過(guò)位于第一衍射光柵6和第二衍射光柵7之間的空氣層8傳播的筆形光束的角度。入射的筆形光束在θa(λ)角度下在僅包括第一衍射光柵6的結(jié)構(gòu)中行進(jìn)的方向通過(guò)以下等式(7)計(jì)算P×(sinθa(λ)-n1(λ)sinθ(λ)＝ma×λ(7)其中P為沿第一包絡(luò)面9的正切方向投射的第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的光柵節(jié)距，ma為僅包括第一衍射光柵6的結(jié)構(gòu)中的衍射級(jí)。在僅包括第一衍射光柵6的結(jié)構(gòu)中，ma為整數(shù)。
在本實(shí)施例所涉及的分層堆積的衍射光學(xué)元件中，ma為實(shí)數(shù)。
這是由于第一衍射光柵6所衍射的光波相互干擾，光波在對(duì)應(yīng)于第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的光柵節(jié)距的衍射級(jí)中傳播之前到達(dá)第二衍射光柵7，之后光波在第二衍射光柵7中相互干擾，最后，離開(kāi)第二衍射光柵7的光波在特定衍射級(jí)中傳播。
接下來(lái)，將描述本實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的衍射效率與已知衍射光學(xué)元件的衍射效率之間的比較。圖4示意性地示出了本實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件，而圖5示意性地示出了已知衍射光學(xué)元件。在圖4中，示出了遠(yuǎn)離光軸O并且鄰近于圓周的衍射部分的截面。由于僅描述衍射效率，因此第一包絡(luò)面9、第二包絡(luò)面10、第一光柵表面11以及第二光柵表面12在圖4中都表示為平面。第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10在一個(gè)與從垂直于光軸O的平面Oa處的面的切線相對(duì)應(yīng)的傾斜角δ下傾斜。對(duì)于法線入射來(lái)說(shuō)，在本實(shí)施例與已知結(jié)構(gòu)之間衍射光學(xué)元件的衍射效率基本是相同的。
然而當(dāng)?shù)谝话j(luò)面9和第二包絡(luò)面10為傾斜時(shí)，光柵的不同級(jí)和定向大大改變了其特征。
圖6和圖7分別示出了在筆形光束從光軸O的方向入射的情況下圖4和圖5中所示的衍射光學(xué)元件中的衍射效率。在圖6和圖7中，三條線表示沿光軸O的入射線的衍射效率以及沿光軸O±5°方向的入射線的衍射效率。
由于在圖6中所示的本實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件與圖7中所示的已知衍射光學(xué)元件之間，第一衍射光柵6的第一光柵部分6a的材料是不同的，因此入射角是指第一襯底4中的角度。
另外，具有正光功率的衍射透鏡的光柵(圖2中的第一衍射光柵6)的光柵高度d1從先前所述的用于法線入射而最優(yōu)化的光柵高度下改變，以使得衍射光學(xué)元件被最優(yōu)化以便于用于從光軸O方向入射的光束的衍射效率。
下面將使用特定數(shù)值描述其詳細(xì)內(nèi)容。
第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10的傾斜角δ大約為15°，并且第一光柵部分6a和第二光柵部分7a的光柵節(jié)距P為約160μm。
第一襯底4使用可從Ohara Inc購(gòu)買(mǎi)到的S-NBH51(商品名)(nd＝1.7495、vd＝35.3)。如同先前所述的結(jié)構(gòu)的情況一樣，第一衍射光柵6的第一光柵部分6a由可從Dainippon Ink and Chemicals，Inc購(gòu)買(mǎi)到的紫外線固化樹(shù)脂RC-C001(商品名)(nd＝1.524、vd＝50.8)制成，第二衍射光柵7的第二光柵部分7a由紫外線固化樹(shù)脂(nd＝1.696、vd＝17.7)制成。
來(lái)自于光軸方向的入射筆形光束La等于從法線9a處的角δ傾斜的入射光束，其中法線9a垂直于包絡(luò)面。如果光柵高度d被最優(yōu)化以用于從光軸方向入射的入射筆形光束La的衍射效率的話，那么第一衍射光柵6具有正的光功率并且光柵高度d1約為7.441μm，而第二衍射光柵7具有負(fù)的光功率并且光柵高度d2約為4.78μm。
如作為本實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表的圖6中所示的，由實(shí)線示出的用于從光軸方向入射的光束的最優(yōu)衍射效率實(shí)現(xiàn)了與用于從垂直于包絡(luò)面的方向入射的筆形光束最優(yōu)化的衍射效率等效的功能，如圖18中所示的。
接下來(lái)，將描述圖5中所示的已知衍射光學(xué)元件。每個(gè)第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10的傾斜角以及每個(gè)第一襯底4和第二襯底5的材料都與第一實(shí)施例中相同。與第一實(shí)施例相比較，第一衍射光柵6和第二衍射光柵7的材料是相反的。如果光柵高度d被最優(yōu)化以用于從光軸方向入射的入射光束La的衍射效率的話，那么第一衍射光柵6具有負(fù)的光功率并且光柵高度d1約為4.78μm，而第二衍射光柵7具有正的光功率并且光柵高度d2約為7.316μm。
如作為已知衍射光學(xué)元件的衍射效率的圖表的圖7中所示的，由實(shí)線示出的用于從光軸方向入射的光束的最優(yōu)衍射效率也實(shí)現(xiàn)了與用于從垂直于包絡(luò)面的方向入射的光束最優(yōu)化的衍射效率等效的功能，如圖18中所示的。
然而，如從圖6和圖7中可明白的，與已知衍射光學(xué)元件相比較，第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件具有用于從光軸O的±5°方向入射的筆形光束的明顯提高的衍射效率。在已知衍射光學(xué)元件中，用于從光軸±5°的方向入射的筆形光束的衍射效率大大低于從光軸方向入射的光束La的衍射效率，而在第一實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件中，衍射效率中的改變量減小到已知衍射光學(xué)元件中的大約一半。
以上所述的衍射效率沒(méi)有考慮光柵側(cè)部處的筆形光束的漸暈。只示出了由等式(6)和(7)計(jì)算的衍射效率中的改變。
接下來(lái)，將描述第一光柵側(cè)部13和第二光柵側(cè)部14的形狀。在光學(xué)性能方面，必須使得第一光柵側(cè)部13和第二光柵側(cè)部14導(dǎo)致的入射筆形光束的漸暈最小化。因此，如果第一光柵側(cè)部13和第二光柵側(cè)部14被布置得平行于與入射線的入射角的分配重心相對(duì)應(yīng)的射線的話，可使得第一光柵側(cè)部13和第二光柵側(cè)部14處的入射筆形光束的漸暈最小化。在與入射射束的重心相對(duì)應(yīng)的射線為從光軸方向入射的射線的情況下，每個(gè)第一光柵側(cè)部13和第二光柵側(cè)部14的最佳形狀都是圖2中所示的與光軸O平行的圓柱面。
接下來(lái)，將描述本發(fā)明中的衍射光學(xué)元件的制造。在大規(guī)模生產(chǎn)方面，最好通過(guò)用其中形成有光柵形狀的模具模制而制造衍射光學(xué)元件。在這種情況下，需要從模具中使得模壓元件脫離出來(lái)。
圖8示出了如何將第一衍射光柵6從模具中脫離出來(lái)的一個(gè)示例，例如，作為一個(gè)示例描述如圖4中所示的由平行于第一包絡(luò)面9的法線的平面構(gòu)成的第一光柵側(cè)部13。在圖8中，為了將第一衍射光柵6從模具(模壓模具)15中脫離出來(lái)，第一衍射光柵6將沿光軸O的方向與模具15相脫離。在這種情況下，由于第一光柵側(cè)部13垂直于包絡(luò)面，因此第一光柵側(cè)部13被俘獲在模具15中。
因此，難于沿光軸O的方向脫離該形狀的第一光柵側(cè)部13。
與此相反，當(dāng)?shù)谝谎苌涔鈻?的第一光柵側(cè)部13由平行于光軸O的平面構(gòu)成時(shí)，可沿光軸O的方向?qū)⒌谝还鈻艂?cè)部13從模具15中脫離出來(lái)。在這種情況下，隨著從光軸處的距離增加，第一光柵側(cè)部13與在一個(gè)光柵尖端和第一包絡(luò)面9之間的法線之間所限定的角度逐漸增加。
結(jié)合考慮所述光學(xué)性能和制造要求，確定第一光柵側(cè)部13的形狀。
如上所述的，依照本發(fā)明的該實(shí)施例，在每個(gè)第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10的曲率半徑較小的情況下，本發(fā)明與已知衍射光學(xué)元件之間的差異是顯著的。另外，在入射到光柵表面上的筆形光束從第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10的法線偏離到一側(cè)的情況下，優(yōu)點(diǎn)是顯著的。因此，為了使得本實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件適用于光學(xué)系統(tǒng)，必須選擇最佳面。例如，衍射光功率最好被施加于具有光學(xué)系統(tǒng)的焦距的十五分之一到其二分之一之間的曲率半徑的面，并且包含焦距的十五分之一和二分之一。
在前述說(shuō)明中，衍射光學(xué)元件具有球形彎曲基準(zhǔn)面。衍射光學(xué)元件可具有一維光柵，如圖9中所示的，球形彎曲基準(zhǔn)面，或者可適用于任何表面，包括圓柱面和復(fù)曲面。
該實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件具有包括多個(gè)衍射光柵的成層堆積的結(jié)構(gòu)，但是該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)不受限于成層堆積的衍射光學(xué)元件。使得本發(fā)明適用于包括單個(gè)衍射光柵的單層衍射光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。
根據(jù)上述衍射光學(xué)元件，甚至當(dāng)成層堆積的結(jié)構(gòu)中的衍射光柵被形成在彎曲面上時(shí)也可保持高衍射效率。甚至當(dāng)衍射光學(xué)元件被包含于光學(xué)系統(tǒng)中時(shí)也可有效地抑制光斑。
具體地，該實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件可用于成層堆積的衍射光學(xué)元件，所述成層堆積的衍射光學(xué)元件易于具有更大厚度(包括由具有不同色散的材料構(gòu)成的至少兩個(gè)衍射光柵的成層堆積的衍射光學(xué)元件)。通過(guò)使用其中通過(guò)連接光柵尖端與光柵部分的光柵表面所限定的包絡(luò)面都是彎曲面的衍射光柵作為成層堆積的衍射光學(xué)元件的至少一個(gè)衍射光柵，如上所述的優(yōu)點(diǎn)是顯著的。
第二實(shí)施例在第一實(shí)施例中，成層堆積的衍射光學(xué)元件具有彼此相鄰布置的兩個(gè)衍射光柵，在它們之間形成有空氣層。本發(fā)明中的衍射光學(xué)元件不局限于這種結(jié)構(gòu)，而是可適用于圖10中所示的成層堆積的衍射光學(xué)元件1。
在圖10中所示的結(jié)構(gòu)中，與第一實(shí)施例中一樣的第二衍射光柵被如此布置，即，使得第二光柵表面被布置在兩種不同材料的分界面上。在第二實(shí)施例中，第三衍射光柵16被布置在空氣層8的一部分中。因此，與第三衍射光柵16的光柵表面相對(duì)的面10a是具有與每個(gè)第一包絡(luò)面9和第二包絡(luò)面10基本相同曲率的彎曲面。
在這種情況下，與第一實(shí)施例的情況一樣，第二光柵表面12具有比第二包絡(luò)面10的曲率半徑大的曲率半徑。
第三實(shí)施例在第一實(shí)施例中，第一衍射光柵6和第二衍射光柵7彼此相鄰。這種結(jié)構(gòu)要求精確地確定這兩個(gè)衍射光柵的相對(duì)位置。
在第三實(shí)施例中，如圖11中所示的，第一衍射光柵6被粘結(jié)于第二衍射光柵7，其中粘結(jié)層18處于未形成有光柵部分的部分處。如果一直到粘結(jié)的裝配操作都在凈化室中執(zhí)行的話，就可大大減少塵粒附著于第一光柵表面11和第二光柵表面12。
另外，在將第一光柵表面11和第二光柵表面12粘結(jié)在一起之后，操作者等不會(huì)接觸第一光柵表面11和第二光柵表面12。因此，大大提高了將衍射光學(xué)元件1合并于另一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)中的可操作性。
第四實(shí)施例在上述實(shí)施例所涉及的衍射光學(xué)元件中，第一襯底4和第一光柵表面11是由相互不同的材料制成的。然而本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。光柵表面可由與襯底相同的材料制成并且可與襯底整體形成。
這種結(jié)構(gòu)允許襯底的外徑與光柵的中心的精確定位。對(duì)于具有透鏡形狀的襯底來(lái)說(shuō)，襯底透鏡的中心與光柵的中心可被精確地定位。
因此，提高了當(dāng)本發(fā)明的衍射光學(xué)元件被合并于另一個(gè)透鏡中時(shí)的光軸對(duì)準(zhǔn)的精確度，因此，可明顯減少由于衍射光學(xué)元件的偏離中心導(dǎo)致的諸如成像特性的降級(jí)等像差降級(jí)。
第五實(shí)施例圖12示出了第五實(shí)施例所涉及的使用本發(fā)明衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)，并且示出了用于拍攝圖片的光學(xué)系統(tǒng)的橫截面。所述圖片拍攝光學(xué)系統(tǒng)的示例包括數(shù)字式攝像機(jī)和膠片攝影機(jī)。在圖12中，光學(xué)系統(tǒng)包括包含孔102的圖片拍攝透鏡101和本發(fā)明的衍射光學(xué)元件1。光學(xué)系統(tǒng)還包括用作成像表面的膠片103或電荷耦合器件(CCD)103。
本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的使用顯著提高了衍射效率相對(duì)波長(zhǎng)的相關(guān)性，因此，獲得了更少光斑并且在低頻下實(shí)現(xiàn)高分辨率的高性能的圖片拍攝透鏡。
可通過(guò)簡(jiǎn)單的制造工藝制造本發(fā)明的衍射光學(xué)元件，因此，可提供具有出色可制造性的便宜的圖片拍攝光學(xué)系統(tǒng)。
在圖12中，本發(fā)明的衍射光學(xué)元件被布置在前透鏡元件所粘結(jié)的面上。然而本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。衍射光學(xué)元件可被布置在透鏡的表面上?；蛘撸墒褂枚鄠€(gè)衍射光學(xué)元件。
在該實(shí)施例中，衍射光學(xué)元件用在攝像機(jī)等的圖片拍攝透鏡中。然而本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。在廣波長(zhǎng)范圍內(nèi)使用的成像光學(xué)系統(tǒng)中所使用的衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)了相同的優(yōu)點(diǎn)。所述成像光學(xué)系統(tǒng)的示例包括攝像機(jī)的圖片拍攝透鏡、圖像掃描儀以及數(shù)字復(fù)印機(jī)的讀出器透鏡。
第六實(shí)施例圖13示出了第六實(shí)施例所涉及的使用本發(fā)明衍射光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)，并且示出了用于觀測(cè)的光學(xué)系統(tǒng)的橫截面，諸如雙目鏡。在圖13中，光學(xué)系統(tǒng)包括用作衍射光學(xué)元件的物鏡1、用于樹(shù)立圖像的棱鏡104、目鏡105以及評(píng)價(jià)表面(瞳孔表面)。
在圖13中，物鏡1使用本發(fā)明的衍射光學(xué)元件。物鏡(衍射光學(xué)元件)1用于為物鏡系統(tǒng)校正成像面上的色差等。
本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的使用顯著提高了衍射效率相對(duì)波長(zhǎng)的相關(guān)性，因此，獲得了減少光斑并且在低頻下實(shí)現(xiàn)高分辨率的高性能的物鏡。另外，可通過(guò)簡(jiǎn)單的制造工藝制造本發(fā)明的衍射光學(xué)元件，因此，可提供具有出色可制造性的便宜的圖片拍攝光學(xué)系統(tǒng)。
在該實(shí)施例中，物鏡使用衍射光學(xué)元件。然而本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。用在棱鏡表面中或目鏡中的衍射光學(xué)元件可實(shí)現(xiàn)相同的優(yōu)點(diǎn)。然而，由于在與物體相鄰的側(cè)部處相對(duì)于成像面布置衍射光學(xué)元件僅減少了物鏡的色差，因此在目測(cè)系統(tǒng)中，期望將衍射光學(xué)元件至少設(shè)置在與物鏡相鄰的側(cè)部處。
在該實(shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)為雙目鏡。然而本發(fā)明不局限于這種結(jié)構(gòu)。光學(xué)系統(tǒng)可為地面望遠(yuǎn)鏡、天文望遠(yuǎn)鏡、或光學(xué)取景器，諸如鏡頭快門(mén)攝像機(jī)或攝影機(jī)。
如上所述的，在每個(gè)實(shí)施例中，衍射光學(xué)元件用在廣波長(zhǎng)范圍內(nèi)，具有其中由具有不同色散的至少兩種材料構(gòu)成的至少兩個(gè)衍射光柵被彼此相鄰地布置的分層堆積結(jié)構(gòu)，并且在所有使用波長(zhǎng)范圍內(nèi)在特定級(jí)(設(shè)計(jì)級(jí))下具有高衍射效率。在連接每個(gè)衍射光柵的光柵尖端的包絡(luò)面為彎曲面的情況下，衍射光學(xué)元件具有其曲率半徑大于包絡(luò)面的曲率半徑的光柵表面。
因此，即使衍射光柵被布置在具有小曲率半徑的彎曲面上，也能提供抑制衍射效率減小的衍射光學(xué)元件。
依照一個(gè)方面，兩個(gè)衍射光學(xué)元件在其中兩個(gè)衍射光柵中都未形成有衍射部分的區(qū)域處被粘結(jié)在一起。這種結(jié)構(gòu)顯著提高了處理衍射光學(xué)元件的便利性并且減少了塵粒附著于衍射光學(xué)元件。
依照一個(gè)方面，衍射光學(xué)元件包括至少一個(gè)衍射光柵并且在使用波長(zhǎng)范圍內(nèi)在特定級(jí)(設(shè)計(jì)級(jí))下具有高衍射效率。在連接衍射光柵的光柵尖端的包絡(luò)面為彎曲面的情況下，衍射光學(xué)元件具有其曲率半徑大于包絡(luò)面的曲率半徑的光柵表面。
因此，即使衍射光柵被布置在具有小曲率半徑的彎曲面上，也能提供抑制衍射效率減小的衍射光學(xué)元件。
依照一個(gè)方面，襯底和衍射光柵的光柵部分由相同材料制成并且它們被整體形成。因此，可在高精確度下執(zhí)行襯底的外徑與光柵的中心的定位，并且，在襯底為透鏡的情況下，可在高精確度下執(zhí)行襯底的中心與光柵的中心的對(duì)準(zhǔn)。因此，可顯著減少由于偏離中心導(dǎo)致的成像性能的降級(jí)，從而獲得高性能透鏡系統(tǒng)。
另外，對(duì)于用在圖像拍攝透鏡中的衍射光學(xué)元件來(lái)說(shuō)，可獲得具有高精確度的便宜圖像拍攝透鏡。對(duì)于用在觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)中的衍射光學(xué)元件來(lái)說(shuō)，可獲得具有高精確度的便宜觀測(cè)光學(xué)系統(tǒng)。
雖然已參照示范性實(shí)施例描述了本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，本發(fā)明不局限于所描述的實(shí)施例。相反，本發(fā)明趨向于覆蓋包含在所附權(quán)利要求的精神和保護(hù)范圍內(nèi)的各種修正和等效布置。以下權(quán)利要求的范圍應(yīng)依照最廣義的解釋?zhuān)瑥亩怪兴鲂拚偷刃ЫY(jié)構(gòu)以及功能。
權(quán)利要求
1.一種衍射光學(xué)元件，具有層疊的并且由具有不同色散的至少兩種材料構(gòu)成的多個(gè)衍射光柵，所述衍射光學(xué)元件包括一種衍射光柵，包括具有彎曲光柵表面和光柵尖端的多個(gè)光柵部分，所述光柵尖端連接以限定彎曲的包絡(luò)面，其中，所述光柵表面具有大于所述包絡(luò)面的曲率半徑的曲率半徑。
2.依照權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于，所述光柵部分具有光柵側(cè)部，并且其中，光柵表面和光柵側(cè)部限定了大于光柵表面與包絡(luò)面的法線之間所限定的第二角度的第一角度，包絡(luò)面的法線被限定在其中一個(gè)光柵尖端位于包絡(luò)面上的位置處。
3.依照權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其中衍射光柵的光柵部分相對(duì)于彼此被同心地布置，并且光柵部分的光柵側(cè)部基本平行于光軸。
4.依照權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于，多個(gè)衍射光柵在未形成有光柵部分的區(qū)域處被粘結(jié)在一起。
5.依照權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于，多個(gè)衍射光柵包括第一和第二衍射光柵，并且第一衍射光柵具有沿第一方向改變的第一光柵厚度，而第二衍射光柵具有沿不同于第一方向的第二方向改變的第二光柵厚度。
6.依照權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于，在波長(zhǎng)范圍內(nèi)的多個(gè)波長(zhǎng)下，穿過(guò)多個(gè)衍射光柵的光線的光路長(zhǎng)度的最大差異為相應(yīng)波長(zhǎng)的整數(shù)倍。
7.依照權(quán)利要求6所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于，所述波長(zhǎng)范圍為可見(jiàn)范圍。
8.依照權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，還包括限定在多個(gè)衍射光柵之中兩個(gè)衍射光柵之間的氣隙。
9.一種光學(xué)系統(tǒng)，包括權(quán)利要求1到8中任意一項(xiàng)所述的衍射光學(xué)元件；以及折射光學(xué)元件。
10.依照權(quán)利要求9所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于，包絡(luò)面的曲率半徑的絕對(duì)值在光學(xué)系統(tǒng)的焦距的十五分之一到光學(xué)系統(tǒng)的焦距的二分之一之間，且包含焦距的十五分之一和二分之一。
全文摘要
衍射光學(xué)元件包括多個(gè)衍射光柵。多個(gè)衍射光柵中的一個(gè)衍射光柵包括具有彎曲光柵表面和光柵尖端的多個(gè)光柵部分，所述光柵尖端相連接以限定彎曲的包絡(luò)面。所述光柵表面具有大于所述包絡(luò)面的曲率半徑的曲率半徑。另外，多個(gè)衍射光柵中的兩個(gè)衍射光柵由具有不同色散的不同材料制成。因此，甚至當(dāng)包絡(luò)面的曲率半徑較小時(shí)，也能抑制衍射效率中的降級(jí)。
文檔編號(hào)G02B27/42GK1677136SQ200510062860
公開(kāi)日2005年10月5日 申請(qǐng)日期2005年4月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月1日
發(fā)明者中井武彥 申請(qǐng)人:佳能株式會(huì)社