專利名稱：光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件，特別涉及一種聚焦光的透鏡等聚光裝置和衍射光的衍射光柵等衍射裝置等。
背景技術(shù)：
閃耀光柵(blazed grating)，是具備鋸齒狀表面(sawtooth blazedsurface)的光學(xué)元件，該鋸齒狀表面包含多個光透射傾斜面。表面形成閃耀光柵的聚光裝置在非專利文獻(xiàn)1及專利文獻(xiàn)1上公布。
參照圖10及圖11，說明聚光裝置的現(xiàn)有例。
圖10所示的聚光裝置，具備由塑料等透明材料形成的具有表面1a、1b的基體1。基體1具有環(huán)繞光軸對稱的透鏡形狀，在其表面1b上形成截面具有鋸齒形狀的衍射光柵1G。聚光裝置的透鏡表面1a、1b，形成以光軸L為中心軸的球面或非球面。構(gòu)成衍射光柵1G的多個光透射傾斜面分別在表面1b上具有以光軸L為中心軸的環(huán)形狀，沿半徑方向配置。從而，衍射光柵的階梯差形成為以光軸L為中心軸的同心圓狀。
向基體71入射的光2經(jīng)表面1a折射后，在形成衍射光柵1G的表面1b上同時受到折射及衍射。從聚光裝置射出的光3聚焦到檢測面4上。
接下來，參照圖11，說明由圖10所示聚光裝置的透鏡表面1b產(chǎn)生的的衍射的原理。圖11中，為了簡便起見，而將表面1b當(dāng)作平面敘述。
圖11所示的裝置，具有表面1b上形成具有鋸齒狀截面的衍射光柵1G的基體1。基體1具有折射系數(shù)n。衍射光柵1G的間距為Λ。通過該衍射光柵1G，波長λ的光2進(jìn)行衍射，發(fā)生1級次衍射光3和2級次衍射光3”等衍射光。
為了簡便起見，若以光2的入射角(基體1的背面的法線與光2的光軸之間的角度)為0，則q級次衍射光的衍射角度θ(上述法線和衍射光之間的角度)用下述(式1)表示。
sinθ＝qλ/Λ(式1)在此，q為整數(shù)，表示衍射光的級次。
0級次光3’的情況是q＝0，衍射角度θ為0。通常，夾著0級次光3’在相反側(cè)也發(fā)生-1級次衍射光和-2級次衍射光等。但是，由于衍射光柵1G的截面為鋸齒狀，-側(cè)級次的衍射光被減弱，+側(cè)級次的衍射光被增強。衍射光柵1G的截面上的階梯差d滿足下面(式2)時，q級次衍射光的衍射效率就為最大。
d＝|qλ/(n-1)| (式2)在此，n為基體1(透明介質(zhì))的折射系數(shù)，λ為入射光2的波長。還有，間距Λ在基體1表面上無須一定，間距Λ也可以是基體1上的位置的函數(shù)。使間距Λ作為位置的函數(shù)變化，從而能夠根據(jù)從基體1射出的位置調(diào)整衍射角。通過這樣進(jìn)行，再加上表面1a、1b的球面化等，就能夠?qū)⒀苌涔?聚焦到1點。
接下來，參照圖12及圖13說明其他現(xiàn)有技術(shù)。該現(xiàn)有技術(shù)，具有專利文獻(xiàn)1具體所示的構(gòu)成。
圖12所示的聚光裝置，由折射系數(shù)及色散(dispersion)特性不同的2種透明介質(zhì)(塑料和紫外線固化樹脂等)形成。透鏡部1由第1材料形成并具有透鏡形狀。在表面1b上形成具有鋸齒狀截面的衍射光柵1G，具有與圖10的透鏡1同樣的構(gòu)成。該聚光裝置與圖10的聚光裝置的不同點在于，由第2材料形成的透明層7覆蓋衍射光柵1G形成的透鏡表面1b。在透明層7的表面7S上，不反映衍射光柵1G的凹凸形狀，而具有沿著透鏡表面1b的平滑形狀。
第2材料，比第1材料折射系數(shù)高、色散低。聚光裝置的制造方法，例如，連續(xù)進(jìn)行以下工序即可將已經(jīng)形成衍射光柵1G的透鏡部分1壓入金屬模的工序，在透鏡部分1和金屬模的間隙中填充第2材料而使之紫外線固化的工序，和使金屬模與透鏡部分1間隔開的工序等。
入射到聚光裝置的光2，由透鏡部1表面1a折射后，在衍射光柵1G同時受到折射及衍射。并且，透過透明層7的表面7S時，進(jìn)一步進(jìn)行折射，從而聚光到檢測面4上。
接下來，參照圖13說明由圖12所示的聚光裝置進(jìn)行衍射的原理。在此，也為了簡便起見，將面1a和面1b等當(dāng)作平面進(jìn)行說明。將基體1的折射系數(shù)設(shè)為n，將透明層7的折射系數(shù)設(shè)為n’，在面1b上形成的衍射光柵1G具有間距Λ的鋸齒狀截面。
波長λ的光2，通過衍射光柵1G衍射出1級次衍射光3、2級次衍射光3”等。衍射方位和鋸齒方向的關(guān)系，相對于圖11所示的衍射光柵1G是相反的。這是因為折射系數(shù)滿足n＜n’的關(guān)系。
若以光2的入射角(與面法線所成的角度)為0，則q級次衍射光的衍射角度θ(與面法線所成的角度)由所述的(式1)賦予。0級次光3’是q＝0，衍射角度θ為0。通常，夾著0級次光3’在相反側(cè)也發(fā)生-1級次衍射光和-2級次衍射光等，不過，由于衍射光柵截面形成鋸齒狀，從而-側(cè)級次的衍射光被減弱，+側(cè)級次的衍射光被增強。衍射光柵截面的深度d滿足下面(式3)時，q級次衍射光的衍射效率為最大。
d＝|qλ/(n’-n)|(式3)還有，間距Λ也可以不為一定值，將它作為位置的函數(shù)來調(diào)整折射角，再加上表面1a、1b的球面化等，就能夠?qū)⒀苌涔?聚焦到1點。
非專利文獻(xiàn)1應(yīng)用光電子技術(shù)手冊(応用光エレキトロニクスハンドブツク)(昭晃堂發(fā)行)，P474-477專利文獻(xiàn)1特開平9-127321號公報這樣的現(xiàn)有聚光裝置及衍射裝置中存在以下問題。
圖14是表示聚光裝置的第1現(xiàn)有例的基體1的色散特性的圖表。圖表所示的曲線5，表示可使用于基體1的光學(xué)材料的折射系數(shù)和波長的關(guān)系。由圖14可知，在可見光的區(qū)域，波長越短折射系數(shù)越單調(diào)地增加。所有的光學(xué)材料都具有這樣的色散特性。例如，當(dāng)為ゼオニツクス時，相對于C線(波長λC＝0.6563μm)的折射系數(shù)nC＝1.522983，相對于F線(波長λF＝0.4861μm)的折射系數(shù)nF＝1.532271。當(dāng)為聚碳酸酯時，相對于C線的折射系數(shù)nC＝1.578401，相對于F線的折射系數(shù)nF＝1.597809。
圖15是表示當(dāng)由相對于d線(波長λd＝0.5876μm)的折射系數(shù)nd＝1.60、阿貝數(shù)ν＝33的塑料材料制作基體1時的衍射效率與波長的關(guān)系的圖表。該塑料材料，實際上是眼鏡等所使用的普通材料。衍射光柵具有圖11所示的結(jié)構(gòu)而階梯差d＝0.83μm。相對于波長λ的折射系數(shù)n近似地用以下(式4)表示。
n＝nd-(λd-2-λ-2)(nd-1)/ν(λF-2-λC-2) (式4)在圖15的圖表中，0級次光、1級次衍射光及2級次衍射光的衍射效率分別由曲線6’、曲線6、曲線6”表示。
1級次衍射光的衍射效率(曲線6)在波長0.51μm附近達(dá)到極大，但隨著偏離波長0.50μm而下降。0級次光及2級次衍射光的衍射效率，隨著偏離波長0.51μm而增大。這是由于(式2)所示的衍射效率最大的條件依賴于波長及折射系數(shù)。
若波長小于1級衍射的最優(yōu)值(0.51μm)，則(式2)右邊的分子λ減小的同時基于色散特性而使分母(n-1)增大。另一方面，若波長大于1級衍射的最優(yōu)值(0.51μm)，則(式2)右邊的分子λ增大的同時分母(n-1)減小。這樣，若波長偏離1級衍射效率達(dá)到最大的值，則折射系數(shù)(分母)及波長(分子)雙方均變化，從而衍射效率急劇地下降。
因此，根據(jù)圖10所示的聚光裝置，相對于特定波長的光而言，只能夠?qū)?級次衍射光3聚光到檢測面4上，而除此之外的波長的光，發(fā)生0級次光3’和2級次衍射光3”等其他的衍射光(相對于1級次衍射光3的雜散光)。聚光裝置作為照相機(jī)用透鏡進(jìn)行使用時，這些雜散光的存在導(dǎo)致再生像的劣化。
根據(jù)圖12及圖13所示的聚光裝置，就能夠解決這種問題。圖16是表示構(gòu)成圖13所示的基體1(第1材料)及透明層7(第2材料)的材料的色散特性(折射系數(shù)的波長依賴特性)的圖表。
第1材料，隨著波長縮短而折射系數(shù)單調(diào)增加(曲線5)。第2材料，也是隨著波長縮短而折射系數(shù)單調(diào)增加(曲線5’)。第2材料具有比第1材料高的折射系數(shù)，其色散也少。若用數(shù)式表現(xiàn)它，則如以下(式5)及(式6)。
nF’＞nF且nC’＞nC(式5)(nC’-nC)/(nF’-nF)＞1 (式6)在此，將第1材料及第2材料的相對于C線的折射系數(shù)設(shè)為nC及nC’、相對于F線的折射系數(shù)設(shè)為nF及nF’。
如果能夠滿足(式5)、(式6)，則能夠緩和從(式3)所示的衍射效率最大的條件的疏遠(yuǎn)(alienation)。也就是，根據(jù)基體1及透明層7的色散特性，若波長小于最優(yōu)值，則(式3)右邊的分子λ減小而分母(n’-n)也減小。另一方面，若波長大于最優(yōu)值，則(式3)右邊的分子λ增大而分母(n’-n)也增大。任一種情況均減弱從衍射效率最大的條件的疏遠(yuǎn)。
不過，通常，折射系數(shù)越高，色散也就越大。即，折射系數(shù)相對高的光學(xué)材料，其色散相對也大；色散相對小的光學(xué)材料，其折射系數(shù)也相對小。因此，同時滿足(式5)、(式6)的光學(xué)材料的組合極少，即使存在效果也小(例如，(式6)左邊近似為1)。從而，圖12所示的聚光裝置無法在現(xiàn)實中實用化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明即是為了解決上述問題而做成的，其主要目的在于，提供一種光學(xué)元件，不僅采用能夠在現(xiàn)實中使用的光學(xué)材料并能夠在較寬的波長區(qū)域內(nèi)維持高衍射效率且抑制雜散光的發(fā)生。
本發(fā)明的光學(xué)元件，具備第1光透射層和第2光透射層，上述第1光透射層具有包含規(guī)定第1閃耀角的多個第1光透射傾斜面的第1鋸齒狀表面(sawtooth blazed surface)，上述第2光透射層具有包含規(guī)定第2閃耀角的多個第2光透射傾斜面的第2鋸齒狀表面，且與上述第1光透射層的上述第1鋸齒狀表面接觸。上述第1光透射傾斜面的傾斜方向和上述第2光透射傾斜面的傾斜方向相反。
優(yōu)選實施方式中，上述第1光透射層具有透鏡形狀。
優(yōu)選實施方式中，還包括具有透鏡形狀的構(gòu)件，上述第1光透射層由具有上述透鏡形狀的構(gòu)件支撐。
優(yōu)選實施方式中，上述第1鋸齒狀表面上的上述第1光透射傾斜面的配置間距，隨著上述第1光透射層的位置而變化。
優(yōu)選實施方式中，在以上述第1光透射層的折射系數(shù)為n，以上述第2光透射層的折射系數(shù)為n’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’，以使用的光的平均波長為λ時，{d’(n’-1)-d(n-n’)}/λ是在以某一整數(shù)值為中心±0.2以下的范圍內(nèi)。
優(yōu)選實施方式中，以上述第1光透射層的阿貝數(shù)為ν，以上述第2光透射層的阿貝數(shù)為ν’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’時，滿足d’/d＜ν’/ν-1的關(guān)系。
優(yōu)選實施方式中，上述第1光透射層的折射系數(shù)及色散，比上述第2光透射層的折射系數(shù)及色散高。
優(yōu)選實施方式中，上述多個第1光透射傾斜面中的任意第1光透射傾斜面與透過了上述第1光透射傾斜面的光所透過的上述第2光透射傾斜面之間的位置偏移量δ，為上述第1光透射傾斜面位于的部分的排列間距Λ的5％以下。
優(yōu)選實施方式中，m及n分別是1以上的整數(shù)，上述第1鋸齒狀表面的間距用m×Λ表示時，上述第2鋸齒狀表面的間距用n×Λ表示。
根據(jù)本發(fā)明的光學(xué)元件，具備第1光透射層和第2光透射層，上述第1光透射層具有包含規(guī)定第1閃耀角的多個第1光透射傾斜面的第1鋸齒狀表面，上述第2光透射層具有包含規(guī)定第2閃耀角的多個第2光透射傾斜面的第2鋸齒狀表面，且與上述第1光透射層的上述第1鋸齒狀表面接觸，當(dāng)p、q為極性不同的0以外的整數(shù)時，透過上述第1光透射層的光80％以上作為p級次光進(jìn)行衍射，透過上述第2光透射層的光80％以上作為p級次光進(jìn)行衍射。
優(yōu)選實施方式中，以上述第1光透射層的阿貝數(shù)為ν，以上述第2光透射層的阿貝數(shù)為ν’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’時，滿足d’/d＜ν’/ν-1的關(guān)系。
優(yōu)選實施方式中，上述第1光透射層的折射系數(shù)及色散，比上述第2光透射層的折射系數(shù)及色散高。
優(yōu)選實施方式中，p+q＝1的關(guān)系成立。
優(yōu)選實施方式中，以上述第1光透射層的折射系數(shù)為n，以上述第2光透射層的折射系數(shù)為n’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’，以使用的光的平均波長為λ時，0.7λ＜|(n-n’)d/p|＜1.2λ及0.7λ＜|(n’-1)d’/q|＜1.2λ的關(guān)系成立。
優(yōu)選實施方式中，上述第2鋸齒狀表面相對于上述第1鋸齒表面的位置偏移量δ，為上述第1鋸齒狀表面的間距Λ的5％以下。
優(yōu)選實施方式中，m及n分別是1以上的整數(shù)，上述第1鋸齒狀表面的間距用m×Λ表示時，上述第2鋸齒狀表面的間距用n×Λ表示。
發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，根據(jù)層疊的2個衍射光柵的新穎配置，能夠在較寬的波長區(qū)域內(nèi)維持高的衍射效率，并且抑制雜散光的發(fā)生。另外，通過調(diào)整2個鋸齒截面的階梯差，從而可以大幅度地拓寬透明材料組合多樣性。


圖1是示意地表示本發(fā)明涉及的光學(xué)元件的概略結(jié)構(gòu)的剖視圖。
圖2是表示本發(fā)明涉及的光學(xué)元件的第1實施方式的剖視圖。
圖3是用以說明第1實施方式中的光學(xué)元件的衍射原理的剖視圖。
圖4是表示第1實施方式中的基體1及透明層7的色散特性的圖表。
圖5是表示基于第1實施方式中的光學(xué)元件的衍射效率的波長依賴性的圖表。
圖6是表示基于第1實施方式中的光學(xué)元件的衍射效率的波長依賴性的圖表。
圖7是表示第1實施方式的變形例的剖視圖。
圖8是表示基于第1實施方式中的光學(xué)元件的衍射效率的波長依賴性隨著δ/Λ如何變化的圖表。
圖9是表示本發(fā)明涉及的光學(xué)元件的第2實施方式的剖視圖。
圖10是表示聚光裝置的第1現(xiàn)有例的剖視圖。
圖11是用以說明圖10所示的聚光裝置的衍射原理的剖視圖。
圖12是表示聚光裝置的第2現(xiàn)有例的剖視圖。
圖13是用以說明圖12所示的聚光裝置的衍射原理的剖視圖。
圖14是表示聚光裝置的透明基板可使用的材料的色散特性的圖表。
圖15是表示第1現(xiàn)有例的衍射效率的波長依賴性的圖表。
圖16是表示第2現(xiàn)有例所采用的2種材料的色散特性的圖表。
圖中，1-基體(第1光透射層)，1G-衍射光柵(第1鋸齒狀表面)，1a、1b-基體表面，2-入射光，3-1級次衍射光，3’-0級次光，3”-2級次衍射光，4-檢測面，7-透明層(第2光透射層)，7S-透明層的表面，7G-衍射光柵(第2鋸齒狀表面)，10-第1鋸齒狀表面，12-第1光透射傾斜面，20-第2鋸齒狀表面，22-第2光透射傾斜面，L-光軸，α-第1閃耀角，β-第2閃耀角。
實施發(fā)明的優(yōu)選方式本發(fā)明的光學(xué)元件具備具有第1鋸齒狀表面(sawtooth blazed surface)的第1光透射層、和具有第2鋸齒狀表面的第2光透射層，所述第1光透射層和所述第2光透射層層疊在一起。首先，參照圖1，說明本發(fā)明涉及的光學(xué)元件的構(gòu)成概略。
圖1中，示意地表示本發(fā)明的光學(xué)元件中的第1鋸齒狀表面10及第2鋸齒狀表面20的截面。第1鋸齒狀表面10具有規(guī)定第1閃耀角α的多個第1光透射傾斜面12，第2鋸齒狀表面20具有規(guī)定第2閃耀角β的多個第2光透射傾斜面22。
第1鋸齒狀表面10及第2鋸齒狀表面20任意一個均具有將各個截面呈三角形狀的單位結(jié)構(gòu)周期性地排列的結(jié)構(gòu)。單位結(jié)構(gòu)相對于基準(zhǔn)面的高度，在第1鋸齒狀表面10及第2鋸齒狀表面20間無須為一致。在圖示的例子中，以「d」表示第1鋸齒狀表面10上的單位結(jié)構(gòu)的高度(稱為「階梯差」)，以「d’」表示第2鋸齒狀表面20上的階梯差。
本說明書中，將構(gòu)成單位結(jié)構(gòu)的表面的2個面中的面積相對大的面稱為「光透射傾斜面」，將該光透射傾斜面與基準(zhǔn)面之間的角度定義為閃耀角。構(gòu)成單位結(jié)構(gòu)的表面的2個面中除「光透射傾斜面」以外的面，相對于基準(zhǔn)面大致垂直，對光的衍射不造成實質(zhì)性影響。
上述的閃耀角，其大小滿足0°＜α＜90°、0°＜β＜90°的關(guān)系，為銳角。第1及第2光透射傾斜面12、22的法線方向，相對于基準(zhǔn)面的法線方向傾斜與閃耀角相等的角度。本說明書中，將該傾斜方向稱為「光透射傾斜面的傾斜方向」，圖1中，以粗的黑箭頭表示。本發(fā)明中，光透射傾斜面的傾斜方向，在第1鋸齒狀表面10及第2鋸齒狀表面20間設(shè)定為正相反。
圖1中，記載了基準(zhǔn)面為平面的情況，但基準(zhǔn)面也可以是曲面。另外，閃耀角α、β無須在基準(zhǔn)面上保持一定值，可以隨著位置而變化。
圖1中沒有明示，不過，第1鋸齒狀表面10形成在第1光透射層上，第2鋸齒狀表面20形成在與第1鋸齒表面10接觸的第2光透射層上。第1光透射層無須是具有一樣厚度的板狀構(gòu)件，可以是具有透鏡形狀的基體材料。另外，第1光透射層可以被支撐在其他透明構(gòu)件上。
通過本發(fā)明的光學(xué)元件采用上述構(gòu)成從而發(fā)揮怎樣的作用呢？對本發(fā)明的優(yōu)選實施方式進(jìn)行說明后就會明白。
以下，參照附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的實施方式。
(實施方式1)參照圖2及圖8，對本發(fā)明涉及的光學(xué)元件的第1實施方式進(jìn)行說明。本實施方式的光學(xué)元件為聚光裝置。
首先，參照圖2。圖2所示的聚光裝置，由折射系數(shù)及色散特性不同的2種透明材料(塑料和紫外線固化樹脂等)制成。由第1材料構(gòu)成的基體1，具有透鏡形狀，具有光入射側(cè)的面1a及光射出側(cè)的面1b。在基體1的光射出側(cè)的表面1b上，形成有截面具有鋸齒形狀的衍射光柵1G。基體1其功能是作為「第1光透射層」。
基體1的表面1a、1b形成以光軸L為中心軸的球面或非球面。構(gòu)成衍射光柵1G的多個光透射傾斜面，分別在表面1b上具有以光軸L為中心軸的環(huán)形狀，沿半徑方向排列。因此，衍射光柵1G的階梯差形成以光軸為中心的同心圓狀。
由第2材料構(gòu)成的透明層7，形成在形成了衍射光柵1G的基體1的光射出側(cè)表面1b上，其功能是作為「第2光透射層」。在透明層7的表面7S上，形成有在與衍射光柵1G的「傾斜方向」相反方向具有「傾斜方向」的衍射光柵7G。構(gòu)成衍射光柵7G的多個光透射傾斜面，也分別在表面7S上具有以光軸L為中心軸的環(huán)形狀，沿半徑方向排列。
本實施方式中，圖1所示的「傾斜方向」，或朝向光軸L，或朝向從光軸呈大致放射狀延伸的方向。這樣，本實施方式中，所謂層疊的2個衍射光柵1G、7G的「傾斜方向」處于正相反的關(guān)系，是指上下接近的位置(對應(yīng)的位置)的「傾斜方向」正相反，位置不同的「傾斜方向」的關(guān)系不一定正相反。
在衍射光柵1G和衍射光柵7G間，使鋸齒的刃口(edge)位置(下刃位置)一致。本實施方式的第2材料的折射系數(shù)及色散低于第1材料的折射系數(shù)及色散。透明層7的厚度優(yōu)選盡可能形成得薄。
本實施方式的聚光裝置，例如，如以下制造。
首先，準(zhǔn)備成形的基體1以具有表面形成了衍射光柵的透鏡形狀?；w1由第1材料形成。接下來，在具有附帶衍射光柵的透鏡形狀的成形面的金屬模(沒有圖示)中插入基體1，在基體1和金屬模的間隙中填充第2材料，通過紫外線固化和熱固化等方法使該第2材料固化后，使之與金屬模隔開。這樣，能夠獲得圖2所示的聚光裝置。
入射到本實施方式的聚光裝置的光2，由基體1表面1a折射后，在形成衍射光柵1G的基體1表面1b同時受到折射及衍射。其后，在形成衍射光柵7G的透明層7表面7S同時受到折射及衍射，作為光3聚光到檢測面4上。
接下來，參照圖3說明基于本實施方式的光學(xué)元件的衍射。圖3中，為了簡便起見，而將各面當(dāng)作平面敘述，光2也設(shè)為垂直于面入射。
首先，以基體1的折射系數(shù)為n，以透明層7的折射系數(shù)為n’，以面1b上形成的衍射光柵1G的間距為Λ，以其截面階梯差為d，以面7S上形成的衍射光柵7G的間距為Λ，以其截面階梯差為d’。此時，透過衍射光柵1G、7G的光的波面成為間距Λ的鋸齒狀。其波面上的階梯差Δ(相位差)用下面(式7)表示。
Δ＝d’(n’-1)-d(n-n’) (式7)若將折射系數(shù)n、n’分成不依賴于波長λ的部分(第1項)和依賴的部分(第2項)，則能夠由下面2式近似表示。
n＝nO-(λ-λO)σ(式8)n’＝nO’-(λ-λO)σ’ (式9)該式通過比(式4)粗略的線性近似而獲得。在此，nO、nO’、λO、σ、σ’均為正數(shù)，λO為中心波長，nO、nO’為相對于中心波長的折射系數(shù)，σ、σ’為色散系數(shù)。因此，相位差Δ由下面(式10)表示。
Δ＝d’(nO’-1)-d(nO-nO’)-(λ-λO){d’σ’-d(σ-σ’)} (式10)
光2上以間距Λ的周期發(fā)生相位差Δ，因此，發(fā)生1級次衍射光3、2級次衍射光3”等衍射光，q級次衍射光的衍射效率達(dá)到最大的條件由下面(式11)設(shè)定。
Δ＝qλ (式11)在此，q為整數(shù)。
從而，λ＝λO時衍射效率達(dá)到最大，減小|Δ/λ|相對于λ的變化量的條件(即，在很寬波長區(qū)域內(nèi)維持高衍射光，抑制雜散光發(fā)生的條件)由下面2式表示。
{d’(nO’-1)-d(nO-nO’)}/λ＝q(式12)且{d’σ’-d(σ-σ’)}/qλO＜0 (式13)(式12)是λ＝λO時衍射效率達(dá)到最大的條件式(如果左邊相對于整數(shù)q集中在0.2以下的偏差，則可以說大體上在極大值附近)。另一方面，(式13)是減小|Δ/λ|相對于λ的變化量的條件式。(式13)左邊的絕對值越大，就越能夠減小|Δ/λ|相對于λ的變化量。
與現(xiàn)有例不同，階梯差的參數(shù)增加為d、d’兩個量，因此，同時滿足(式12)、(式13)的光學(xué)材料的組合可存在較多。還有，阿貝數(shù)是與上述σ、σ’的倒數(shù)成比例的值，因此，若以對應(yīng)于σ、σ’的阿貝數(shù)為ν、ν’，則(式13)可置換成下面(式14)。
d’/d＜ν’/ν-1(式14)在此，以q＝1繼續(xù)說明。為了簡便起見，假定圖3所示的光2的入射角(與面法線所成的角度)為0。此時，q級次衍射光的衍射角度θ(與面法線所成的角度)由上述(式1)賦予。0級次光3’是q＝0，衍射角度為0。通常，夾著0級次光3’在相反側(cè)也發(fā)生-1級次衍射光和-2級次衍射光等，但通過使衍射光柵的截面形成為鋸齒狀，-側(cè)級次的衍射光被減弱，+側(cè)的級次的衍射光被增強。
還有，衍射光柵截面，取代具有如圖所示的鋸齒狀，也可以具有與圖中鋸齒形狀內(nèi)接的小臺階形狀，也可以是單純的凹凸形狀。
間距Λ，在面內(nèi)無須為一定值。通過將間距Λ作為位置的函數(shù)來調(diào)整衍射角，再加上表面1a、1b的球面化等，也能夠?qū)⒀苌涔?聚焦到1點。
對衍射光柵1G、7G上的衍射現(xiàn)象也可以如以下說明。也就是，以p、q為整數(shù)，使階梯差d、d’滿足下面2式。
d＝|pλO/(n-n’)|(式15)d’＝|qλO’/(n’-1)|(式16)此時，在衍射光柵1G中，相對于λO的波長主要衍射p級次光，在衍射光柵7G中，相對于λO’的波長主要衍射q級次光，由此作為衍射光柵1G、7G整體，相對于λO～λO’附近的波長衍射(p+q)級次光。在圖3的例中，存在p+q＝1的關(guān)系。還有，波長λO、λO’接近，不過也可以不一致。
圖4是表示構(gòu)成本實施方式的聚光裝置的基體1的第1材料及構(gòu)成透明層7的第2材料的色散特性的圖表。第1材料，波長越短而折射系數(shù)就越單調(diào)地增加(曲線5)。第2材料，也是波長越短而折射系數(shù)就越單調(diào)地增加(曲線5’)。第2材料比第1材料折射系數(shù)低，色散也低。從而，若以第1材料及第2材料的相對于C線的的折射系數(shù)為nC及nC’、以相對于F線的折射系數(shù)為nF及nF’，則下面2式成立。
nF’＜nF且nC’＜nC(式17)(nC’-nC)/(nF’-nF)＞1(式18)(式17)意思是nO＞nO’，(式18)意思是σ＞σ’。從而，由于(nO’-1)＞1，(nO-nO’)＞1，因此存在無數(shù)個滿足(式12)的d、d’。另外，由于(σ-σ’)＞0，因此也存在無數(shù)個滿足作為(式13)變形式的d’/d＜(σ-σ’)/σ’的d、d’。從而，在(式17)、(式18)的條件下，很容易滿足(式12)、(式13)，且(式13)左邊的絕對值也能夠在某一程度上自由地設(shè)定得較大。
通常，折射系數(shù)高的光學(xué)材料的色散大，色散小的光學(xué)材料的折射系數(shù)小。因此，同時滿足(式17)、(式18)的光學(xué)材料的組合大量存在，材料組合的多樣性以現(xiàn)有例無法比擬的程度增大。
還有，λ＝λO時衍射效率達(dá)到最大、減小|Δ/λ|相對于λ的變化量的條件，歸根結(jié)底是(式12)、(式13)。即使假設(shè)折射系數(shù)條件是現(xiàn)有例中(式5)、(式6)的關(guān)系，如果能夠滿足(式12)、(式13)，當(dāng)然就可獲得同樣的效果。
圖5表示本實施方式的光學(xué)元件中的各衍射光的衍射效率的波長依賴性。該光學(xué)元件中，由折射系數(shù)nd＝1.67、阿貝數(shù)ν＝20的塑料材料形成基體1，由折射系數(shù)nd＝1.49、阿貝數(shù)ν＝59的UV樹脂形成透明層7。衍射光柵階梯差d為3.00μm，階梯差d’為2.31μm。相對于波長λ的折射系數(shù)n由(式4)近似表示。
如圖5所示，1級次衍射光6在波長0.60μm附近達(dá)到極大，在其他波長范圍衍射效率下降一些。該降低的程度比現(xiàn)有例大幅度減小。因此，成為雜散光的0級次光和2級次衍射光的衍射效率(曲線6’、6”)被抑制為極低。而且，上述折射系數(shù)、阿貝數(shù)是已經(jīng)處于實用水平的塑料材料、UV樹脂材料的值，通過現(xiàn)實中的材料組合可獲得很大的改善效果。
圖5是利用衍射光柵1G相對于λO＝0.540μm的光衍射-1級次光，利用衍射光柵7G相對于λO’＝0.566μm的光衍射+2級次光，由此作為衍射光柵1G、7G整體衍射1級光的模型。也允許除此以外的方式下的衍射。例如，圖6是表示各衍射光柵的鋸齒截面的階梯差d＝5.10μm、d’＝3.10μm、基體1的材料的折射系數(shù)nd＝1.67、阿貝數(shù)ν＝18、透明層7的材料的折射系數(shù)nd＝1.49、阿貝數(shù)ν＝59時所獲得的衍射效率的計算結(jié)果的圖表。表示利用衍射光柵1G相對于λO＝0.459μm的光衍射-2級次光，利用衍射光柵7G相對于λO’＝0.506μm的光衍射+3級次光，作為衍射光柵1G、7G整體衍射1級次光時的各衍射光的衍射效率。
圖6的結(jié)果，與圖5相比，衍射的中心波長λO、λO’向短波長側(cè)移動。圖6的例子中，衍射光柵階梯差增大，而其特性比圖5的特性進(jìn)一步改善。
根據(jù)本發(fā)明者的計算，結(jié)果可知，基體1和透明層7的折射系數(shù)差(nO-nO’)越大，越能夠減小衍射光柵1G的階梯差d，基體1和透明層7的色散差(σ-σ’)越大、還有衍射光柵1G的階梯差d越大，越能夠在很寬的波長區(qū)域內(nèi)確保高的衍射效率性能。若衍射光柵7G的階梯差d’決定其他條件(衍射光柵1G的階梯差d、各材料的折射系數(shù)和阿貝數(shù))，則可大致根本地確定最優(yōu)值。
通常，折射透鏡，若由折射系數(shù)高的材料形成，則能夠縮短光程，容易提高NA。另一方面，色散低的材料，能夠抑制由于波長不同造成的敷霜(blooming)?？墒?，通常的光學(xué)材料，無論是玻璃還是塑料，都不同時滿足高折射系數(shù)和低色散性雙方。與之相對，如本實施方式那樣，在形成衍射光柵的透鏡中，基于衍射的色散能力(衍射角的波長依賴性)，從而能夠設(shè)計性地抵銷折射的色散能力(折射角的波長依賴性)。因此，無須拘泥于高折射系數(shù)及低色散性的兩全。
從制造容易的觀點而言，優(yōu)選基體1由塑料材料形成，透明層7由UV固化樹脂形成。UV固化樹脂，正好是適于本實施方式的條件的低折射系數(shù)低色散的材料。另外，塑料材料，雖有某一程度的變化，即使是現(xiàn)狀也已經(jīng)能夠確保圖5的光學(xué)性能。而且，訖今為止的塑料材料開發(fā)太過著眼于高折射系數(shù)和低色散(高阿貝數(shù))的兩全，具有高色散的材料被拋在一邊、高折射系數(shù)的也有半途而廢的傾向，不過，若丟掉低色散這個包袱，則狀況大不同。從而，根據(jù)本實施方式，光學(xué)材料的開發(fā)動向能夠從高折射系數(shù)性和低色散性兩全到高折射系數(shù)性和高色散性的兩全、及低折射系數(shù)性和低色散性的兩全，能夠向適于物性原理的方向變化，對整個業(yè)界造成很大的波及效果(材料開發(fā)損耗的削減效果)較大。
圖7表示本實施方式的變形例。該例子中，在衍射光柵1G和衍射7G間鋸齒截面的刃口位置偏移δ。圖8表示在與圖5相同條件下，使參數(shù)δ/Λ變化時的衍射效率的波長依賴性。要維持高性能，優(yōu)選滿足|δ/Λ|＜0.05。
本實施方式中，只在透鏡的單面(1b)形成衍射光柵(1G、7G)，不過，也可以在透鏡的兩面(1a、1b)形成同樣的結(jié)構(gòu)。
(實施方式2)接下來，參照圖9，說明本發(fā)明涉及的光學(xué)元件的第2實施方式。本實施方式的光學(xué)元件除了透明層7表面7S上形成的衍射光柵7G的間距及階梯差以外的方面，具有與第1實施方式中的光學(xué)元件相同的構(gòu)成。
圖9是表示在本實施方式的光學(xué)元件的面1b、7S上的衍射的剖視圖。為了簡便起見，假定各面1b、7S為平面，光2也設(shè)為垂直于面1b入射。
設(shè)定基體1的折射系數(shù)為n，透明層7的折射系數(shù)為n’，面1b上形成的衍射光柵1G的間距為Λ，其截面階梯差為d，面7S上形成的衍射光柵7G的間距為Λ/2，其截面階梯差為d’/2。d、d’的大小與第1實施方式中的值相同。
在本實施方式的衍射光柵1G中，由于沒有從第1實施方式的衍射光柵1G變化間距和階梯差條件等，因此，(式15)成立，衍射p級次光。另一方面，在衍射光柵7G中由于階梯差減小一半，從而使q為偶數(shù)，根據(jù)(式16)衍射q/2級次光。
從而，(式1)右邊的q變?yōu)閝/2而間距Λ也同時變?yōu)橐话?Λ/2)，因此，(式1)右邊的大小沒有變化，衍射角θ不變化。結(jié)果是，作為衍射光柵1G、7G整體，在與第1實施方式完全相同的方位上發(fā)生相同強度的衍射光。因此，盡管衍射光柵7G的間距和階梯差不同，但是根據(jù)本實施方式的光學(xué)元件也獲得與第1實施方式完全相同的效果。
在間距大的衍射光柵中，通過采用本實施方式的構(gòu)成，由于能夠減小衍射光柵的階梯差，從而，容易制作(切削研磨加工等)用以形成衍射光柵7G所必需的金屬模。另外，實際制作的階梯差部，由于加工誤差而相對于基準(zhǔn)面不垂直而傾斜，該加工誤差與光散射相關(guān)聯(lián)。若減小衍射光柵階梯差，則獲得降低光散亂的效果。
本實施方式，并不限定于具有圖示結(jié)構(gòu)的元件。例如，也可以使衍射光柵7G的間距及階梯差為整數(shù)倍，或者為整數(shù)分之一。另外，也可以使衍射光柵1G的間距及階梯差為整數(shù)倍，或者為整數(shù)分之一，也可以采用將它們組合的結(jié)構(gòu)。其中，階梯差為整數(shù)分之一時，階梯差必須滿足(式15)、(式16)，以使至少不低于其最小值(p＝1，q＝1時的值)。本實施方式中的衍射光柵1G、7G的間距的關(guān)系，只要滿足m、n為1以上的整數(shù)時、在衍射光柵1G中為m×Λ而在衍射光柵7G中為n×Λ的關(guān)系。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的光學(xué)元件，作為聚光裝置和衍射裝置進(jìn)行工作，能夠在更寬的波長區(qū)域內(nèi)維持高衍射效率，從而適用于具有攝像裝置和多波長光源的光拾取器等中。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)元件，具備第1光透射層和第2光透射層，上述第1光透射層具有包含規(guī)定第1閃耀角的多個第1光透射傾斜面的第1鋸齒狀表面，上述第2光透射層具有包含規(guī)定第2閃耀角的多個第2光透射傾斜面的第2鋸齒狀表面，且與上述第1光透射層的上述第1鋸齒狀表面接觸，上述第1光透射傾斜面的傾斜方向和上述第2光透射傾斜面的傾斜方向相反。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述第1光透射層具有透鏡形狀。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，還包括具有透鏡形狀的構(gòu)件，上述第1光透射層由具有上述透鏡形狀的構(gòu)件支撐。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述第1鋸齒狀表面中的上述第1光透射傾斜面的排列間距，隨著上述第1光透射層的位置而變化。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，當(dāng)以上述第1光透射層的折射系數(shù)為n，以上述第2光透射層的折射系數(shù)為n’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’，以使用的光的平均波長為λ時，{d’(n’-1)-d(n-n’)}/λ處于以某一整數(shù)值為中心±0.2以下的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，當(dāng)以上述第1光透射層的阿貝數(shù)為v，以上述第2光透射層的阿貝數(shù)為v’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’時，滿足d’/d＜v’/v-1的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述第1光透射層的折射系數(shù)及色散，比上述第2光透射層的折射系數(shù)及色散高。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述多個第1光透射傾斜面中的任意的第1光透射傾斜面與透過了上述第1光透射傾斜面的光所透過的上述第2光透射傾斜面之間的位置偏移量δ，為上述第1光透射傾斜面位于的部分中的排列間距Λ的5％以下。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)元件，其特征在于，當(dāng)m及n分別是1以上的整數(shù)，上述第1鋸齒狀表面的間距由m×Λ表示時，上述第2鋸齒狀表面的間距由n×Λ表示。
10.一種光學(xué)元件，具備第1光透射層和第2光透射層，上述第1光透射層具有包含規(guī)定第1閃耀角的多個第1光透射傾斜面的第1鋸齒狀表面，上述第2光透射層具有包含規(guī)定第2閃耀角的多個第2光透射傾斜面的第2鋸齒狀表面，且與上述第1光透射層的上述第1鋸齒狀表面接觸，當(dāng)p、q為極性不同的0以外的整數(shù)時，透過上述第1光透射層的光的80％以上作為p級次光進(jìn)行衍射，透過上述第2光透射層的光的80％以上作為p級次光進(jìn)行衍射。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于，以上述第1光透射層的阿貝數(shù)為v，以上述第2光透射層的阿貝數(shù)為v’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’時，滿足d’/d＜v’/v-1的關(guān)系。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述第1光透射層的折射系數(shù)及色散，比上述第2光透射層的折射系數(shù)及色散高。
13.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于，p+q＝1的關(guān)系成立。
14.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于，當(dāng)以上述第1光透射層的折射系數(shù)為n，以上述第2光透射層的折射系數(shù)為n’，以上述第1鋸齒狀表面的階梯差為d，以上述第2鋸齒狀表面的階梯差為d’，以使用的光的平均波長為λ時，0.7λ＜|(n-n’)d/p|＜1.2λ及0.7λ＜|(n’-1)d’/q|＜1.2λ的關(guān)系成立。
15.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于，上述第2鋸齒狀表面相對于上述第1鋸齒表面的位置偏移量δ，為上述第1鋸齒狀表面的間距Λ的5％以下。
16.根據(jù)權(quán)利要求10所述的光學(xué)元件，其特征在于，當(dāng)m及n分別是1以上的整數(shù)，上述第1鋸齒狀表面的間距由m×Λ表示時，上述第2鋸齒狀表面的間距由n×Λ表示。
全文摘要
本發(fā)明的光學(xué)元件，具備第1光透射層和第2光透射層，該第1光透射層具有包含規(guī)定第1閃耀角(α)的多個第1光透射傾斜面(12)的第1鋸齒狀表面(10)，該第2光透射層具有包含規(guī)定第2閃耀角(β)的多個第2光透射傾斜面(22)的第2鋸齒狀表面(20)，且與第1光透射層的第1鋸齒狀表面(10)接觸；第1光透射傾斜面(12)的傾斜方向和第2光透射傾斜面(22)的傾斜方向相反。
文檔編號G02B5/18GK1977191SQ20058002152
公開日2007年6月6日 申請日期2005年9月27日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月29日
發(fā)明者西脅青兒, 是永繼博 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社