專(zhuān)利名稱：衍射光學(xué)元件及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及能夠有效地將白色光聚光的、宜于批量生產(chǎn)的衍射光學(xué)元件及其制造 方法。
背景技術(shù)：
近幾年來(lái)，伴隨著數(shù)字技術(shù)的進(jìn)步，例如照相機(jī)及錄像機(jī)之類(lèi)將圖像信息作為數(shù) 字信息獲得的電子機(jī)器，以攜帶式信息機(jī)器及信息家電等形態(tài)，更加高功能化。伴隨著這些 照相機(jī)及錄像機(jī)之類(lèi)電子機(jī)器的高功能化，迫切要求使使用的透鏡等光學(xué)部件及光學(xué)系統(tǒng) 實(shí)現(xiàn)輕量化、薄型化、低成本化。將這種照相機(jī)及錄像機(jī)之類(lèi)光學(xué)系統(tǒng)使用的聚光透鏡作為衍射光學(xué)元件形成后， 就不需要使用多個(gè)面形狀復(fù)雜的非球面透鏡。這樣，在透鏡基體的表面設(shè)置衍射光柵后，可 以實(shí)現(xiàn)聚光透鏡的薄型化及光學(xué)系統(tǒng)的薄型化及輕量化。進(jìn)而，在大的波長(zhǎng)區(qū)域(例如波 長(zhǎng)為400nm 700nm左右的可見(jiàn)光區(qū)域)使用的光盤(pán)用的聚光透鏡，也能夠用一個(gè)衍射光 學(xué)元件來(lái)構(gòu)成。這樣，采用衍射光學(xué)元件后，能夠有效地將白色光等聚光，使光學(xué)系統(tǒng)也能 簡(jiǎn)單化、輕量化、低成本化。另一方面，在這種攝像用途的透鏡中采用白色光等包含廣大的波長(zhǎng)區(qū)域的光后， 就產(chǎn)生不需要的衍射光，成為光斑及重影，使圖像劣化，或者使MTF (Modulation Transfer Function 調(diào)制傳遞函數(shù))特性劣化。為了避免這種特性劣化，在形成衍射光柵的透鏡基體 的面上，用具有與透鏡基體不同的折射率及折射率分散的光學(xué)材料的層覆蓋的方法，已經(jīng) 廣為人知。這種覆蓋層，可以通過(guò)在透鏡基體的表面涂敷上述光學(xué)材料，或者使由上述光學(xué) 材料構(gòu)成的膜與透鏡基體的表面接合后形成。在透鏡基體上具有覆蓋層的衍射光學(xué)元件中，1次衍射效率成為100%的衍射光
Λ
柵深度山在理論上取決于下述(數(shù)式ι)。[公式I]d= ---—ΤΙ η1 (Λ)-η2(λ) I
……(數(shù)式1)式中η1(λ)為構(gòu)成透鏡基體的材料的折射率，η2(λ)為構(gòu)成覆蓋層的材料 的折射率，都是波長(zhǎng)λ的函數(shù)。如果上述(數(shù)式1)的右邊在使用的波長(zhǎng)區(qū)域中成為一定值，那么在理論上該波長(zhǎng) 區(qū)域中的衍射效率的波長(zhǎng)依存性就不復(fù)存在。這樣，如果用高折射率低波長(zhǎng)分散材料和低 折射率高波長(zhǎng)分散材料的組合，構(gòu)成透鏡基體和覆蓋層后，衍射光學(xué)元件就能夠減小衍射 效率的波長(zhǎng)依存性，能夠利用衍射光學(xué)元件實(shí)現(xiàn)例如有效地將白色光等聚光的那種聚光透
^Mi ο作為這種例子，有人提出下述結(jié)構(gòu)的方案在具有層疊的多個(gè)光學(xué)材料層、在其交 界面上形成起伏圖案(relief pattern)的衍射光學(xué)元件中，減少衍射效率的波長(zhǎng)依存性 后，能夠有效地防止出現(xiàn)顏色不勻及由不需要的次數(shù)光導(dǎo)致的反射光斑(例如參照專(zhuān)利文 獻(xiàn)1)。該例中的透鏡基體由光學(xué)玻璃(該光學(xué)玻璃由高折射率低波長(zhǎng)分散的材料構(gòu)成)構(gòu)成，覆蓋層則由光學(xué)玻璃(該光學(xué)玻璃由低折射率高波長(zhǎng)分散的材料構(gòu)成)或樹(shù)脂的光學(xué) 材料構(gòu)成。作為光盤(pán)的光拾波器用的光學(xué)系統(tǒng)，有人提出下述方案將在400nm附近、650nm 附近及780nm附近中的某一個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域也能夠獲得很高的光利用效率的衍射光學(xué)元件作 為物鏡(例如參照專(zhuān)利文獻(xiàn)2)。該例中的透鏡基體由光學(xué)玻璃(該光學(xué)玻璃由高折射率低 波長(zhǎng)分散的材料構(gòu)成)形成，覆蓋層則由樹(shù)脂的光學(xué)材料(該樹(shù)脂的光學(xué)材料由低折射率 高波長(zhǎng)分散的材料構(gòu)成)形成。在透鏡基體和覆蓋層的交界處，形成具有輪帶狀的臺(tái)階的 相位結(jié)構(gòu)。采用具有這種結(jié)構(gòu)的衍射光學(xué)元件后，能夠?qū)崿F(xiàn)可以在上述3個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域獲得 很高的光利用效率的物鏡。在上述現(xiàn)有技術(shù)的例子所示的能夠有效地將白色光聚光的衍射光學(xué)元件(以下 稱作“白色衍射光學(xué)元件”)中，利用擠壓成形等，在高折射率低波長(zhǎng)分散的光學(xué)玻璃等的 透鏡基體的非球面形狀上形成衍射光柵后，覆蓋低折射率高波長(zhǎng)分散的樹(shù)脂膜等，從而制 造白色衍射光學(xué)元件。在這種現(xiàn)有技術(shù)的白色衍射光學(xué)元件中，衍射光柵本身具有正的聚 光能力，所以高折射率的透鏡基體被用低折射率的樹(shù)脂層覆蓋后，就以成為隨著到光軸的 距離的增大而減小的函數(shù)的炫耀形狀的臺(tái)階，形成衍射光柵的斷面。專(zhuān)利文獻(xiàn)1 JP特開(kāi)平 9-127321號(hào)公報(bào)專(zhuān)利文獻(xiàn)2 =JP特開(kāi)2006-12394號(hào)公報(bào)在這種現(xiàn)有技術(shù)的白色衍射光學(xué)元件中，因?yàn)椴皇鞘褂脴?shù)脂而是使用光學(xué)玻璃形 成透鏡基體，所以存在著下述不宜于進(jìn)行批量生產(chǎn)的課題不能夠增加旨在形成衍射光柵 的擠壓成形金屬膜的耐用次數(shù)，還不能夠確保覆蓋在透鏡基體上的覆蓋層的樹(shù)脂和在透鏡 基體上形成的衍射光柵的貼緊性及貼緊的可靠性。為了解決這種課題，在不是使用光學(xué)玻璃而是使用加工容易的樹(shù)脂材料形成透鏡 基體時(shí)，迫切需要尋找折射率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于在透鏡基體上使用的樹(shù)脂材料的、能夠作為白色衍 射光學(xué)元件的覆蓋層使用的低折射率的樹(shù)脂材料。這時(shí)，由于透鏡基體和覆蓋層都用樹(shù)脂 形成，所以肯定容易制造?？墒?，由于與光學(xué)玻璃的折射率相比，在透鏡基體上使用的樹(shù)脂 材料的折射率通常較小，所以難以發(fā)現(xiàn)能夠作為覆蓋層使用的低折射率的樹(shù)脂材料。因此，改變來(lái)自現(xiàn)有技術(shù)的思維，試著在用樹(shù)脂材料形成白色衍射光學(xué)元件的透 鏡基體時(shí)，用折射率大于在透鏡基體上使用的樹(shù)脂材料的樹(shù)脂材料形成覆蓋層。作為這種 樹(shù)脂材料，例如可以列舉將納米復(fù)合材料混入樹(shù)脂基體的新型材料。但是，由于透鏡基體和 覆蓋層的折射率的大小關(guān)系相反，所以需要以成為隨著到光軸的距離的增大而增大的函數(shù) 的炫耀形狀(blazed)的臺(tái)階，形成衍射光柵的斷面?？墒牵谛纬蛇@種成為增大函數(shù)(increasing function))的炫耀形狀的臺(tái)階的 白色衍射光學(xué)元件中，白色衍射光學(xué)元件的光軸和離該光軸最近的臺(tái)階的距離變大，在衍 射光柵中靠近光軸的區(qū)域中被覆蓋層覆蓋的部分，存在著面積廣大的凹部。其結(jié)果，由樹(shù) 脂構(gòu)成的覆蓋層中，填埋上述凹部的部分的體積變大。制造這種結(jié)構(gòu)的白色衍射光學(xué)元件 后，覆蓋層中位于上述凹部?jī)?nèi)的部分，往往在制造工序中變形。特別是要采用低成本宜于批 量生產(chǎn)的“襯墊(pad)印刷法”形成覆蓋層時(shí)，由于位于上述凹部的覆蓋層的一部分容易變 薄，所以MTF特性出現(xiàn)離差，以至于出現(xiàn)不能批量生產(chǎn)光學(xué)特性好的白色衍射光學(xué)元件的 課題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明就是針對(duì)上述情況研制的，其目的在于提供能夠在可以有效地將白色光聚 光的衍射光學(xué)元件中，用宜于批量生產(chǎn)的方法，在由樹(shù)脂材料構(gòu)成的透鏡基體上形成衍射 光柵，而且使MTF特性等光學(xué)特性穩(wěn)定的白色衍射光學(xué)元件。本發(fā)明的衍射光學(xué)元件，是具有透鏡基體(該透鏡基體在非球面的表面上設(shè)置了 炫耀型的衍射光柵)和光學(xué)調(diào)整層(該光學(xué)調(diào)整層覆蓋所述衍射光柵)的衍射光學(xué)元件； 所述透鏡基體，由第1材料形成；所述光學(xué)調(diào)整層，由折射率大于所述第1材料的第2材料 形成；所述衍射光柵，以光軸為中心，具有同心圓狀排列的多個(gè)輪帶區(qū)域；所述透鏡基體中 對(duì)于所述非球面的表面而言的各輪帶區(qū)域的高度，分別利用到所述光軸的距離r的增加函 數(shù)表達(dá)；所述增加函數(shù)，用將距離r作為變量的相位多相式表達(dá)；所述相位多相式，在距離r =0時(shí)，具有3/4 π以上7/4 π以下的大小。在某種理想的實(shí)施方式中，使所述衍射光柵的臺(tái)階的高度為d時(shí)，距離r = 0的位 置中的所述輪帶區(qū)域的高度Cltl，在3d/8 ^ d0 ^ 7d/8的范圍內(nèi)。在某種理想的實(shí)施方式中，所述第1材料，由所述第1樹(shù)脂材料構(gòu)成；所述第2材 料，由所述第2樹(shù)脂材料構(gòu)成。在某種理想的實(shí)施方式中，所述第2材料，包含被分散到所述第2樹(shù)脂材料中的微粒。在某種理想的實(shí)施方式中，所述微粒，是無(wú)機(jī)顆粒；所述第2樹(shù)脂，是光硬化樹(shù)脂。在某種理想的實(shí)施方式中，所述無(wú)機(jī)顆粒，是由從氧化鋯、氧化鋁及氧化釔構(gòu)成的 組中選擇的至少一種材料形成。在某種理想的實(shí)施方式中，所述第1材料，是由從聚碳酸酯類(lèi)樹(shù)脂、聚乙烯類(lèi)樹(shù)脂 及芴類(lèi)聚苯乙烯類(lèi)樹(shù)脂構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料形成。在某種理想的實(shí)施方式中，所述非球面的表面，朝著光線沿著所述光軸前進(jìn)的方 向的前方，為凸?fàn)?。在某種理想的實(shí)施方式中，所述透鏡機(jī)體中沒(méi)有設(shè)置所述衍射光柵的面，朝著光 線沿著所述光軸前進(jìn)的方向的前方，為凹狀的非球面形狀。采用本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的制造方法，是包含準(zhǔn)備在非球面的表面上設(shè)置了炫 耀型的衍射光柵的透鏡基體——由第1樹(shù)脂材料形成的透鏡基體的工序和采用襯墊印刷法 在所述衍射光柵上形成由折射率大于所述第1樹(shù)脂材料的第2樹(shù)脂材料形成的光學(xué)調(diào)整層 的工序的衍射光學(xué)元件的制造方法，所述衍射光柵，以光軸為中心，具有同心圓狀排列的多 個(gè)輪帶區(qū)域；所述透鏡基體中對(duì)于所述非球面的表面而言的各輪帶區(qū)域的高度，分別利用 到所述光軸的距離r的增加函數(shù)表達(dá)；所述增加函數(shù)，用將距離r作為變量的相位多相式表 達(dá)；所述相位多相式，在距離r = 0時(shí)，具有3/4 π以上7/4π的大小。采用本發(fā)明后，能夠在透鏡基體的曲面上形成的衍射光柵上，例如采用襯墊印刷 法使由樹(shù)脂構(gòu)成的光學(xué)調(diào)整層成為適當(dāng)?shù)男螤睢Ｒ虼瞬捎帽景l(fā)明后，能夠提供薄型化、輕量 化、能夠確保低成本化、高可靠性等的宜于批量生產(chǎn)的白色衍射光學(xué)元件。另外，使用本發(fā)明的衍射光學(xué)元件后，可以獲得下述效果能夠?qū)崿F(xiàn)比攜帶式信息 機(jī)器及信息家電等電子機(jī)器更加薄型化、小型化、輕量化，而且還能夠確保低成本化、高可 靠性。


圖1(a)是示意性地表示采用本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)的平面 圖，(b)是(a)中的1A-1A線剖面圖。圖2(a)是放大衍射光學(xué)元件的第1表面附近的示意 圖，(b)是表示白色衍射光學(xué)元件的基本結(jié)構(gòu)的圖形。圖3(a)是表示現(xiàn)有技術(shù)的炫耀形狀 的設(shè)計(jì)方法的圖形，(b)是表示本實(shí)施方式中的炫耀形狀的設(shè)計(jì)方法的圖形。圖4(a)是放 大本發(fā)明的實(shí)施方式中的衍射光學(xué)元件的第1表面附近的示意圖，(b)是表示采用現(xiàn)有技 術(shù)的設(shè)計(jì)后形成的衍射光學(xué)元件的圖形。圖5是表示宜于作為本發(fā)明的實(shí)施方式中的光學(xué) 調(diào)整層15使用的樹(shù)脂材料19的一個(gè)例子的圖形。圖6是表示本發(fā)明的第1實(shí)施方式涉及 的白色衍射光學(xué)元件的剖面示意圖。圖7是表示在透鏡中央部的膜上具有研磨碗狀的凹陷 的白色衍射光學(xué)元件的圖形。圖8(a) (c)是示意性地表示本發(fā)明的實(shí)施方式涉及的衍 射光學(xué)元件的前半的制造工藝流程的剖面圖。圖9(a) (c)是示意性地表示本發(fā)明的實(shí) 施方式涉及的衍射光學(xué)元件的后半的制造工藝流程的剖面圖。
符號(hào)說(shuō)明10、30衍射光學(xué)元件ll、17a、31透鏡基體lla、31a透鏡基體的第1表面llb、31b 透鏡基體的第2表面12、32光軸13、33衍射光柵13a、炫耀形狀的臺(tái)階14a、34a第1材料 14b、14b第2材料14、19、34樹(shù)脂材料15、35光學(xué)調(diào)整層15a光學(xué)調(diào)整層的表面16涂敷膜 17白色衍射光柵18a、18b、36臺(tái)階19a樹(shù)脂母材19b無(wú)機(jī)顆粒20版20a凹部21分配器22 襯墊23固定夾具24保護(hù)氣(氣氛)25UV光源25a UV光
具體實(shí)施例方式下面，參照附圖，講述采用本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的實(shí)施方式。(第1實(shí)施方式)首先，講述采用本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的實(shí)施方式。參照?qǐng)D1。圖1(a)是本實(shí)施方式中的衍射光學(xué)元件10的平面圖，圖1(b)是圖 1(a)中的1A-1A線剖面圖。本實(shí)施方式中的衍射光學(xué)元件10，如圖1(a)及(b)所示，具備透鏡基體11(該透 鏡基體11在非球面的表面(第1表面Ila)上設(shè)置了炫耀型的衍射光柵13)和光學(xué)調(diào)整層 15 (該光學(xué)調(diào)整層15覆蓋衍射光柵13。透鏡基體11，由第1材料14a形成；光學(xué)調(diào)整層15， 由折射率大于第1材料14a的第2材料14b形成。作為整體，將第1材料14a及第2材料 14b稱作“樹(shù)脂材料14”。衍射光柵13，以光軸12為中心，具有同心圓狀排列的多個(gè)輪帶區(qū)域。本實(shí)施方式 的衍射光柵13，和透鏡基體11 一體形成，還可以認(rèn)為透鏡基體11的實(shí)際的表面構(gòu)成衍射光 柵13的表面。可是，在本說(shuō)明書(shū)中，使透鏡基體11的第1表面11a，如用圖1(b)中的虛線 所示的那樣，成為緩慢彎曲的非球面的曲面。這樣，本說(shuō)明書(shū)中的“衍射光柵”，就由透鏡基 體11的第1表面Ila和衍射光柵13的表面之間的部分構(gòu)成，該部分由和透鏡基體11相同 的材料構(gòu)成。將從透鏡基體11的第1表面Ila到衍射光柵13的表面為止的距離，稱作衍射光 柵13的“高度”。衍射光柵13的高度，依存于到光軸12的距離r地增減，各輪帶區(qū)域被用高度成為極小的位置加以區(qū)分。此外，某個(gè)輪帶區(qū)域的高度成為極小的部分，和與該輪帶區(qū) 域鄰接的輪帶區(qū)域的高度成為極大的部分相接，在其交界處，產(chǎn)生“臺(tái)階”。如圖1(a)所示， 多個(gè)臺(tái)階13a被以光軸12為中心地同心圓狀地形成。對(duì)于透鏡基體11中的非球面的第1表面Ila而言，各輪帶區(qū)域的高度，分別利用 到光軸12的距離r的增加函數(shù)表達(dá)。在本實(shí)施方式，規(guī)定輪帶區(qū)域的高度的增加函數(shù)，用 將距離r作為變量的相位多相式表達(dá)，在距離r = 0時(shí)，相位多相式具有3/4 π以上7/4 π 以下的大小的這一點(diǎn)上，具有重要的特征。關(guān)于該特征產(chǎn)生的作用效果，將在后文講述。光學(xué)調(diào)整層15的下面，如圖1 (b)所示，與衍射光柵13的表面接觸，光學(xué)調(diào)整層15 的上面(表面)15a，對(duì)于透鏡基體11的非球面的第1表面Ila而言，實(shí)質(zhì)上具有平行的形 狀。與透鏡基體11的非球面的第1表面Ila相對(duì)的第2表面11b，也具有非球面的形 狀，但是在透鏡基體11的第2表面lib上，不形成衍射光柵，設(shè)置由低波長(zhǎng)分散材料形成的 涂敷膜16。接著，參照?qǐng)D2(a)及(b)。圖2(a)是放大圖1 (b)所示的衍射光學(xué)元件10中的第 1表面Ila附近的示意圖，圖2(b)是表示衍射光學(xué)元件10的基本結(jié)構(gòu)的圖形。在衍射光柵13和光學(xué)調(diào)整層15之間，存在著折射率差。假設(shè)透鏡基體11的第1 表面Ila是平坦的面時(shí)，基本上能夠?qū)崿F(xiàn)圖2(b)所示的結(jié)構(gòu)。就是說(shuō)，能夠利用形成炫耀 形狀的凹凸的由第1材料14a構(gòu)成的部分17a和與它貼緊的由第2材料14b構(gòu)成的部分 17b,實(shí)現(xiàn)圖2 (b)所示的白色衍射光柵17。使第1材料14a的折射率為η ( λ )、第2材料 14b的折射率為η2( λ)、臺(tái)階的高度為d、波長(zhǎng)為λ時(shí)，在本實(shí)施方式中，上述數(shù)式1的關(guān)系 成立。使上述數(shù)式1的關(guān)系成立后，衍射光學(xué)元件10能夠高效率地將白色光聚光。在本實(shí)施方式的衍射光學(xué)元件10中，由于透鏡基體11由樹(shù)脂材料形成，所以與由 玻璃材料形成的透鏡基體相比，容易在透鏡基體11上形成衍射光柵13。另外，通過(guò)使用規(guī) 定衍射光柵13的形狀的金屬膜，在透鏡基體11的表面復(fù)制衍射光柵13的形狀的工序后， 可以再現(xiàn)性良好地形成尺寸精度很高的衍射光柵13。使用這種金屬膜反復(fù)進(jìn)行復(fù)制工序， 也由于成形的對(duì)象是樹(shù)脂，所以金屬膜的劣化很小，具有增加其耐用次數(shù)的優(yōu)點(diǎn)。這樣，在 進(jìn)行批量生產(chǎn)時(shí)，也能夠完全按照設(shè)計(jì)的要求形成衍射光柵13，所以采用襯墊印刷法也能 夠使貼緊性良好地用光學(xué)調(diào)整層15覆蓋。這樣，本實(shí)施方式的衍射光學(xué)元件10，在具有適合于薄型化、輕量化的結(jié)構(gòu)的同 時(shí)，還有利于降低制造成本、提高可靠性，宜于批量生產(chǎn)。此外，由于利用1次衍射光高效率地將白色光聚光，所以在本實(shí)施方式中，使形成 光學(xué)調(diào)整層15的第2材料14b的折射率，大于形成透鏡基體11的第1材料14a的折射率， 采用使各輪帶區(qū)域的高度隨著到光軸12的距離的增大而增大炫耀形狀，形成衍射光柵13。接著，參照?qǐng)D3(a)及(b)，詳細(xì)講述本實(shí)施方式中的衍射光學(xué)元件10的斷面形狀。 圖3(a)是表示現(xiàn)有技術(shù)的炫耀形狀的設(shè)計(jì)方法的圖形，圖3(b)是表示本實(shí)施方式中的炫 耀形狀的設(shè)計(jì)方法的圖形。圖3(a)及(b)的縱軸是相位Φ，橫軸是到光軸12(圖2(a))的距離r。這些圖 中所示的曲線，表示取決于衍射光柵的相位的移動(dòng)量，用將距離r作為變量的相位多相式 f(r)表達(dá)。由于只相差2 π的相位Φ光學(xué)性地等效，所以可以通過(guò)將相位Φ的移動(dòng)量控制在0 的范圍內(nèi)地變換曲線后獲得實(shí)際的衍射光柵的斷面。在箭頭的前端，繪出通 過(guò)“形狀變換”獲得的炫耀形狀。炫耀形狀由伴隨著距離r的增大相位Φ在0 2 π的范 圍內(nèi)單調(diào)增加的多個(gè)部分(輪帶區(qū)域)構(gòu)成。在距離r大于零的區(qū)域，在多個(gè)位置中相位 Φ成為零。相位Φ成為零的部分，是輪帶區(qū)域的交界，該部分存在臺(tái)階。由圖3(a)可知 距離r越大，輪帶區(qū)域的寬度(鄰接的臺(tái)階的間隔)就越小。表示圖3(a)的曲線的相位多項(xiàng)式f (r)，可以將表示光路差的多項(xiàng)式擴(kuò)大2 π / λ 倍后獲得。該光路差，可以利用以下的多項(xiàng)式F(r)獲得。[公式2]F(r) = a1r+a2r2+a3r3+··· +anrn式中:ai、a2、a3…，分別是1次、2次、3次…的系數(shù)。使用上述F(r)，可以用以下的數(shù)式2表示相位多項(xiàng)式f(r)。[公式3]f(r) = (2 π / λ) .F(r) = (2π/λ) · (air+a2r2+a3r3+-+anrn)……(數(shù)式 2)式中λ 是設(shè)計(jì)波長(zhǎng)(最 有代表性)的是可見(jiàn)光域中的中心波長(zhǎng)。在現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)中，如圖3(a)所示，位于離光 軸12最近的臺(tái)階的距離Γι，大于其它的輪帶區(qū)域的寬度，以光軸12為中心形成半徑。的 凹部。在具有這種形狀的衍射光柵上，例如利用襯墊印刷法，形成由樹(shù)脂構(gòu)成的光學(xué)調(diào) 整層后，在光軸12的附近，容易在光學(xué)調(diào)整層的表面形成凹部。在本實(shí)施方式中，利用下述F’(r)規(guī)定光路差。[公式4]F’ (r)= a+air+a2r2+a3r3+"'+anrn式中α是不依存于距離r的常數(shù)項(xiàng)。采用以下的數(shù)式3， 表示相位多項(xiàng)式 f’(r)。[公式 5]f’(r) = (2 π / λ ) · F(r) = 2 π α / λ +(2 π / λ ) · (B1Ha2I^a3!"3+...+anrn)......(數(shù)式 3)f’ (r)是將常數(shù)項(xiàng)α/λ與f(r)相加后的值。因?yàn)閒(0) =0，所以f’ (0)= 2 λ π α/成立。在本實(shí)施方式中，將α的大小調(diào)整為3 λ/8以上7 λ/8以下，從而將f’(0) 設(shè)定成3/4π以上7/4π以下的大小。就是說(shuō)，本實(shí)施方式中的衍射光柵，在光軸12(r = 0)處，對(duì)于的相位差(=設(shè)計(jì)中心波長(zhǎng))而言，具有3/8以上7/8以下的比例的高度。對(duì)該相位多項(xiàng)式f’ (r)進(jìn)行形狀變換，從而在所有的距離r中，將相位調(diào)整成為 0 的范圍內(nèi)。經(jīng)過(guò)該形狀變換后獲得的炫耀波形，如圖3(b)所示，在光軸12附近的 凹部的半徑較小。換言之，位于離光軸12最近的臺(tái)階的距離Γι，在本實(shí)施方式中，與圖3 (a) 所示的現(xiàn)有技術(shù)的例子相比變小。這樣，相位多項(xiàng)式f’ (r)包含不依存于距離r的常數(shù)項(xiàng)2 π α/λ后，能夠如圖 3(b)所示，使到光軸12最近的臺(tái)階為止的距離rl變短。其結(jié)果，即使例如利用襯墊印刷法， 形成由覆蓋這種衍射光柵的樹(shù)脂構(gòu)成的光學(xué)調(diào)整層后，也能夠適當(dāng)?shù)鼐S持光學(xué)調(diào)整層的表 面形狀。另外，大量生產(chǎn)這種衍射光學(xué)元件后，就可以生產(chǎn)該光學(xué)調(diào)整層的表面形狀一致的 均勻的形狀的衍射光學(xué)元件。圖4(a)是表示采用本實(shí)施方式涉及的設(shè)計(jì)后形成的衍射光學(xué)元件的圖形，圖 4(b)是表示采用現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)后形成的衍射光學(xué)元件的圖形。如果采用現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)計(jì)，那么就如圖4(b)所示，由于到光軸12最近的臺(tái)階18b 為止的距離rb變大，所以在光軸12附近的光學(xué)調(diào)整層15中，產(chǎn)生傾斜15b，損壞衍射光學(xué) 元件的光學(xué)特性。另一方面，在本實(shí)施方式中，如圖4(a)所示，由于到光軸12最近的臺(tái)階18a為止 的距離ra變短，所以在光軸12附近的光學(xué)調(diào)整層15的表面15a，具有與透鏡基體11的第1表面Ila平行的形狀，能夠有效地將白色光聚光。進(jìn)而，由于能夠減少光軸12附近的光學(xué) 調(diào)整層的厚度的離差，所以能夠大批量地制造光學(xué)特性的離差較小的衍射光學(xué)元件。圖5是表示宜于作為光學(xué)調(diào)整層15使用的樹(shù)脂材料19的一個(gè)例子的圖形。樹(shù)脂 材料19具有將無(wú)機(jī)顆粒19b分散到樹(shù)脂母材19a中的結(jié)構(gòu)。樹(shù)脂母材19a例如由光硬化 樹(shù)脂形成，無(wú)機(jī)顆粒1%例如由無(wú)機(jī)納米顆粒形成。無(wú)機(jī)顆粒19b可以由從氧化鋯、氧化鋁 及氧化釔構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料形成。采用這種結(jié)構(gòu)后，能夠大批量地在衍射光柵上形成高折射率低波長(zhǎng)分散的光學(xué)調(diào) 整層，能夠?qū)崿F(xiàn)可靠性很高的衍射光學(xué)元件。接著，根據(jù)衍射光學(xué)元件的試作結(jié)果，具體講述(數(shù)式3)的相位多項(xiàng)式中的常數(shù) 項(xiàng)α/λ的數(shù)值范圍的重要性。圖6是表示本發(fā)明的實(shí)施例——白色衍射光學(xué)元件30的剖面示意圖。如圖6所 示，白色衍射光學(xué)元件30具備透鏡基體31和覆蓋在該透鏡基體31上形成的衍射光柵33 的光學(xué)調(diào)整層35。透鏡基體31的第1表面31a，朝著光線(未圖示)沿著光軸32前進(jìn)的 方向，具有凸?fàn)畹姆乔蛎嫘螤睢Ｈ鐖D6所示，與透鏡基體31的第1表面31a相對(duì)的第2表面31b，朝著沿著光軸 32前進(jìn)的方向，具有凹狀的非球面形狀。白色衍射光學(xué)元件30由樹(shù)脂材料34形成，透鏡基 體31由第1材料34a形成。另外，光學(xué)調(diào)整層35由第2材料34b形成。第1材料34a，是 由從聚碳酸酯類(lèi)樹(shù)脂、聚乙烯類(lèi)樹(shù)脂及芴類(lèi)聚苯乙烯類(lèi)樹(shù)脂構(gòu)成的組中選擇的至少一種材 料形成。本實(shí)施方式中的透鏡基體31的第1材料34a，是d線折射率為1. 585、阿貝數(shù)28 的聚碳酸酯。另一方面，光學(xué)調(diào)整層35的第2材料34b，是使直徑3nm IOnm的氧化鋯的 納米顆粒分散到以d線折射率為1. 623、阿貝數(shù)42的丙烯酸類(lèi)紫外線硬化樹(shù)脂為主要成分 的樹(shù)脂中的材料。為了提高納米顆粒的分散性，在該光學(xué)調(diào)整層35中，還含有樹(shù)脂類(lèi)的分 散劑及紫外線硬化開(kāi)始劑。衍射光柵33的臺(tái)階36的高度為15 μ m。在可見(jiàn)波長(zhǎng)域?yàn)?00 700nm中，本實(shí)施 方式的1次衍射效率成為95%以上。光學(xué)調(diào)整層35的膜厚為30 μ m，沿著非球面形狀，膜 厚基本成為一定地形成。圖6所示的白色衍射光學(xué)元件30的衍射光柵33的形狀，用上述(數(shù)式2)的相位 多項(xiàng)式f(r)表達(dá)。此外，在(數(shù)式2)中，F(xiàn)為光路差多項(xiàng)式，f為相位多項(xiàng)式，r為到光軸 的半徑方向的距離，λ為設(shè)計(jì)波長(zhǎng)，ai、a2、a3…為下標(biāo)的次數(shù)的系數(shù)。[表 1]
透鏡的半視場(chǎng)角35. 4°焦點(diǎn)距離f1. 814mmF編號(hào)4第2面的有效半徑511. 5 μ m
權(quán)利要求
一種衍射光學(xué)元件，具有透鏡基體，該透鏡基體在非球面的表面上設(shè)置了炫耀型的衍射光柵；和光學(xué)調(diào)整層，該光學(xué)調(diào)整層覆蓋所述衍射光柵，所述透鏡基體由第1材料形成，所述光學(xué)調(diào)整層由折射率大于所述第1材料的第2材料形成，所述衍射光柵，具有以光軸為中心的同心圓狀排列的多個(gè)輪帶區(qū)域，各輪帶區(qū)域相對(duì)于所述透鏡基體上所述非球面的表面的高度，分別由自所述光軸的距離r的增加函數(shù)來(lái)表達(dá)；所述增加函數(shù)，以將距離r作為變量的相位多相式表達(dá)，在距離r＝0時(shí)，所述相位多相式具有3/4π以上7/4π以下的大小。
2.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于使所述衍射光柵的臺(tái)階的高度為d 時(shí)，距離r = O的位置處的所述輪帶區(qū)域的高度Cl0，在3d/8 ^ d0 ^ 7d/8的范圍內(nèi)。
3.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述第1材料由第1樹(shù)脂材料構(gòu) 成；所述第2材料由第2樹(shù)脂材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述第2材料，包含被分散到所述 第2樹(shù)脂材料中的微粒。
5.如權(quán)利要求4所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述微粒是無(wú)機(jī)顆粒；所述第2樹(shù) 脂是光硬化樹(shù)脂。
6.如權(quán)利要求5所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述無(wú)機(jī)顆粒，是由從氧化鋯、氧 化鋁及氧化釔構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料形成。
7.如權(quán)利要求3所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述第1材料，是由從聚碳酸酯類(lèi) 樹(shù)脂、聚乙烯類(lèi)樹(shù)脂及芴類(lèi)聚苯乙烯類(lèi)樹(shù)脂構(gòu)成的組中選擇的至少一種材料形成。
8.如權(quán)利要求1所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述非球面的表面，朝著光線沿著 所述光軸前進(jìn)的方向的前方，為凸?fàn)睢?br> 9.如權(quán)利要求8所述的衍射光學(xué)元件，其特征在于所述透鏡基體中未設(shè)置所述衍射 光柵的面，朝著光線沿著所述光軸前進(jìn)的方向的前方，為凹狀的非球面形狀。
10.一種衍射光學(xué)元件的制造方法，包含準(zhǔn)備由第1樹(shù)脂材料形成的、在非球面的表面上設(shè)置了炫耀型的衍射光柵的透鏡基體 的工序；和采用襯墊印刷法，在所述衍射光柵上形成由折射率大于所述第1樹(shù)脂材料的第2樹(shù)脂 材料形成的光學(xué)調(diào)整層的工序，所述衍射光柵，具有以光軸為中心的同心圓狀排列的多個(gè)輪帶區(qū)域，各輪帶區(qū)域相對(duì) 于所述透鏡基體中所述非球面的表面的高度，分別利用自所述光軸的距離r的增加函數(shù)來(lái) 表達(dá)；所述增加函數(shù)，以將距離r作為變量的相位多相式表達(dá)，在距離r = 0時(shí)，所述相位多 相式，具有3/4 π以上7/4 π以下的大小。
全文摘要
衍射光學(xué)元件，具有在非球面的表面(11a)上設(shè)置了炫耀型的衍射光柵(13)的透鏡基體(11)和覆蓋衍射光柵(13)的光學(xué)調(diào)整層(15)。透鏡基體(11)由第1材料(14a)形成，而且光學(xué)調(diào)整層(15)由折射率大于第1材料(14a)的第2材料(14b)形成。衍射光柵(13)，以光軸為中心，具有同心圓狀排列的多個(gè)輪帶區(qū)域。透鏡基體(11)中對(duì)于非球面的表面(11a)而言的各輪帶區(qū)域的高度，分別利用到光軸的距離r的增加函數(shù)表達(dá)。該增加函數(shù)，用將距離r作為變量的相位多相式表達(dá)；所述相位多相式，在距離r＝0時(shí)，具有3/4π以上7/4π的大小。
文檔編號(hào)G02B5/18GK101965529SQ20098000021
公開(kāi)日2011年2月2日 申請(qǐng)日期2009年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月6日
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