CN100334470C - 衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高角度性能的多层式衍射光学元件。衍射光学元件包括第一衍射元件(6)和由不同于第一衍射元件(6)材料制成的第二衍射元件(7)，并且第二衍射元件(7)粘结于第一衍射元件(6)，在粘接表面处形成一衍射光栅(1)。一遮光薄膜(5a)形成在该衍射光栅(1)的槽的壁表面(3)上。

Description

衍射光学元件

技术领域

本发明涉及一种用于对入射光产生衍射光通量的衍射光学元件，特别是涉及一种能够用于宽带波长的衍射光学元件。

背景技术

衍射光学元件是一种具有狭缝或槽的格栅结构的光学元件，其狭缝或槽均匀地间隔开且在每个很小的距离(约1mm)中为数百行，其特点是当光入射到其上时，它在由该光波长和狭缝或槽的间隔(间距)确定的方向产生衍射光通量。像这样的衍射光学元件应用在各种光学系统中，例如，用作透镜的光学元件，用来将特定量级的衍射光会聚于已知的点。

在像这样的衍射光学元件中，称之为多层式的衍射光学元件已经被提出。这种类型的衍射光学元件具有层压多个衍射元件的结构，层压的衍射元件具有相互紧贴的锯齿形表面。其特点是在所要求的宽波长范围(例如，从g线(435.8nm)到c线(656.3nm)的整个可见光范围)的几乎在整个范围内具有高衍射效率，换句话说，具有很好的光谱特性。

通常，多层式衍射光学元件的结构具有层压的多层式衍射光学元件，层压的多层式衍射光学元件由在同一个衍射光栅100的与树脂材料70粘合的玻璃材料60构造成，如图3A所示；以及分离的多层式衍射光学元件，分离的多层式衍射光学元件由具有第一衍射光栅110的第一衍射光学元件160和具有第二衍射光栅120的第二衍射光学元件170构造成，其中，各自的衍射光栅110和120相距很近并相互面对，例如，各自的衍射光栅相互面对由一空气隙130分开，如图3B所示。在这点上，在分离的多层式衍射光学元件的情况下，为了在预定的两个波长处满足修正色差的条件，第一衍射元件160的第一衍射光栅110的槽的高度d110设置为一预定的值，而第二衍射元件170的第二衍射光栅120的槽的高度d120设置为另一预定的值。因此，关于预定的两个波长的衍射效率变成1.0，并且在其它的波长处可以获得相当高的衍射效率。根据本申请文件在透明型衍射光学元件中衍射效率被定义成一阶衍射光的强度I₁与入射光的强度I₀的比值η(＝(I₁/I₀)×100％)。

在具有上述结构的多层式衍射光学元件中，尽管衍射效率在很宽的波长范围内能够做得很高，但其问题是，与图4B所示的单层式衍射光学元件相比，相对于入射光的入射角的变化衍射效率减少的速率(以下称之为角度特性)变得更坏，如图4B所示。在单层式衍射光学元件中，当衍射光栅槽的间距是大约0.1mm时，衍射效率低于90％的入射角是大约30度。另一方面，在多层式衍射光学元件中，当衍射光栅槽的间距是大约0.1mm时，衍射效率低于90％的入射角是大约10度。

多层式衍射光学元件的角度特性比单层式衍射光学元件的角度特性差的原因是每个衍射光栅槽的壁高差。图4B所示的单层式衍射光学元件的衍射光栅槽20的壁高d20大约是1μm。另一方面，多层式衍射光学元件的衍射光栅的壁高变成大于10μm。具体说，图4A所示的多层式衍射光学元件的衍射光栅槽10的壁高d10变成大于20μm。

当存在壁高差时，在入射角为α的所有入射光中入射光以给定光路在衍射光栅中行进的各自的区域r和r′相互不同，如图4所示。示于图4A的对应于多层式衍射光学元件的区域r比示于图4B的对应于单层式衍射光学元件的区域r′窄，所以角度特性变得较差。

另一方面，在所有的入射光中通过衍射光学元件的壁(例如，示于图4A的多层式衍射光学元件的壁30)的光线变成不需要的光(以下称之为杂散光)，它们不按照指定的光路而到达未指定的位置。当增加入射角时杂散光的量增加，所以衍射光学元件的光学性能变差。所产生的杂散光根据壁表面30的状态变成包括所有反射光(情况A)或散射光(情况B)的普通反射光。当衍射光栅槽的壁高变低时产生杂散光的区域fL变窄，变成fL′，如图4B所示，因此几乎不产生杂散光。

在一种减少产生上述的衍射光学元件的杂散光的方法中，有一种结构，该结构具有遮光罩，用于阻挡光入射到(或离开)位于在该衍射光学元件的入射(或出射)平面的衍射光栅槽的壁上。这种结构公开在申请号为2002-48906的日本专利申请的第3页和图1中。

然而，当应用构成在衍射光学元件的入射(出射)平面上的遮光罩的结构时，遮光罩必须构成在精确地对应于衍射光栅槽壁的入射(或出射)平面的位置，这对于制造衍射光学元件很困难。

发明内容

考虑到上述问题提出了本发明，本发明的目的在于提供一种能够减少产生杂散光的多层式衍射光学元件。

根据本发明的一方面，一种衍射光学元件包括第一衍射元件和由不同于第一衍射元件的材料制成的第二衍射元件，该第二衍射元件与第一衍射元件相粘结，以及形成在粘结表面上的一衍射光栅。一遮光罩形成在该衍射光栅每个槽中的壁表面上。

在本发明的一个优选实施例中，优选地这两个衍射元件中的一个的材料是用于玻璃模制的玻璃，而另一个衍射元件的材料是树脂。

在本发明的一个优选实施例中，这两个衍射元件中的一个优选满足下列两个条件等式：

1.55≤ndG≤1.70

50≤vdG≤65

其中ndG表示这两个衍射元件中的一个在d线的折射率，而vdG表示这两个衍射元件中的一个在d线的阿贝数。这两个衍射元件中的另一个优选满足下列两个条件等式：

1.50≤ndR≤1.65

vdR≤45

其中ndR表示这两个衍射元件中的另一个在d线的折射率，而vdR表示这两个衍射元件中的另一个在d线的阿贝数。

在本发明的一个优选实施例中，优选地衍射光栅槽的最小间距是50μm或50μm以上。

在本发明的一个优选实施例中，优选地衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

根据本发明的另一方面，一种衍射光学元件包括第一衍射元件，其上形成有第一衍射光栅，以及由不同于第一衍射元件的材料制成的第二衍射元件，其上形成有具有不同于第一衍射光栅壁高的第二衍射光栅。构成第一衍射光栅的表面和构成第二衍射光栅的表面以一个给定的间隙相互面对。一个遮光罩形成在第一衍射光栅每个槽中的壁表面上，一个遮光罩形成在第二衍射光栅每个槽中的壁表面上。

在本发明的一个优选实施例中，优选地第一衍射元件和第二衍射元件两者均是由树脂材料制成。

在本发明的一个优选实施例中，优选地第一衍射光栅和第二衍射光栅的最小间距是50μm或50μm以上。

本发明的其他特征和优点从下面结合附图对优选实施例的详细描述中很容易理解。

附图说明

图1A是剖视图，示出了根据本发明的层压的多层式衍射光学元件。

图1B是剖视图，示出了根据本发明的分离的多层式衍射光学元件。

图2A到图2D是剖视图，用图示的方式示出了根据本发明的按照从图2A到图2D的顺序制造衍射光学元件的遮光罩的方法。

图3A是剖视图，示出了根据现有技术的层压的多层式衍射光学元件。

图3B是剖视图，示出了根据现有技术的分离的多层式衍射光学元件。

图4A是剖视图，示出了通过多层式衍射光学元件的衍射光栅的指定的光路。

图4B是剖视图，示出了通过单层式衍射光学元件的衍射光栅的指定的光路。

具体实施方式

首先，参考附图说明本发明的一个优选实施例。本发明通过减少由入射到衍射光栅槽壁表面上的光产生的杂散光而改进了衍射光学元件的光学性能。一个遮光罩(例如遮光膜)形成在衍射光栅槽的壁表面，以便减少通过除指定光路以外的杂散光。该遮光罩参考图1进行说明。图1A是剖视图，示出了层压的多层式衍射光学元件。由不同的材料制成第一衍射元件6和第二衍射元件7相互粘结。在第一衍射元件6和第二衍射元件7各自的粘结表面上构成具有同样形状的衍射光栅，所以这两个衍射元件6和7中的一个的突起嵌入这两个衍射元件6和7中的另一个的凹面中，并与之粘结。因此，衍射光栅1构成在粘结部分。衍射光栅1的剖面图具有锯齿形并且由斜面部分2和壁表面3组成。为了防止在衍射光栅1的壁表面3产生杂散光，一个遮光膜5a形成在壁表面3上。因此，随着入射角的增加产生杂散光的增加能够被抑制。

图1B是剖视图，示出了分离的多层式衍射光学元件。该分离的多层式衍射光学元件由第一衍射元件16和第二衍射元件17构造成，每个由不同的材料制成。第一衍射元件16具有第一衍射光栅11，第一衍射光栅11由斜面部分21和其壁高为d11的壁表面31组成。第二衍射元件17具有第二衍射光栅12，第二衍射光栅12由斜面部分22和壁表面32组成，壁表面32的壁高d12不同于第一衍射光栅11的壁高。这些衍射光栅11和12相互面对且相距很近。在分离的多层式衍射光学元件中，为了抑制在壁表面产生杂散光，遮光膜51a和52a也分别形成在壁表面31和32上，所以，随着入射角的增加产生杂散光的增加能够被抑制。虽然上述每个衍射光栅1、11和12具有锯齿形，但本发明不限于这种形状。

形成遮光膜的方法将参考图2进行说明。图2A到图2D是剖视图，用图示的方式示出了根据本发明的按照从图2A到图2D的顺序在层压的多层式衍射光学元件的壁表面3上制造遮光膜5a的过程。顺便说，虽然这里说明了形成遮光膜5a的过程，但省略了制造衍射元件6和7的过程。首先，由例如三氧化钨(WO₃)制成的分离膜4形成在由第一衍射元件6的衍射光栅1的槽组成的斜面部分2上。在这种情况下，形成膜的条件设置成使得该分离膜不是形成在衍射光栅1的槽的壁表面3上，而是只形成在斜面部分2上(图2A)。然后，黑色涂料5涂覆在衍射光栅1的槽的整个表面上(图2B)。然后，通过用碱性试剂等溶解该分离膜4，形成在衍射光栅1的槽的斜面部分2上的黑色涂料5与分离膜4一起被除去，使得黑色涂料仅保留在衍射光栅1的槽的壁表面3上，以形成遮光膜5a(图2C)。最后，通过结合第二衍射元件7，在衍射光栅1的槽的壁表面3上具有遮光膜5a的层压的多层式衍射光学元件完成(图2D)。

顺便说，当通过利用刷子等将黑色涂料5仅仅涂覆在在衍射光栅1的槽的壁表面3上形成遮光膜5a时，可以得到同样的结果。而且，在分离的多层式衍射光学元件中可以用同样的方法形成遮光膜。

在用上述方法构成的多层式衍射光学元件中，优选地衍射光栅1、11和12的槽的间距p是50μm或50μm以上。该间距较宽。以这样的方式设置，即使壁3、31或32的高度较高，光也能够行进到衍射光栅中指定光路的区域(例如图4A的区域r)变得较宽，所以对应于入射光的入射角的衍射效率(角度特性)能够改善。而且，当间距P设置成80μm或80μm以上时，可以得到较好的光学性能。

另外，在本发明中，当采用图1A所示的层压的多层式衍射光学元件时，优选地衍射光栅1的槽壁3的高度h设置为20μm或20μm以下。当衍射光栅1的槽壁3的高度h高于20μm时，上述的角度特性变差。当衍射光栅1的槽壁3的高度h高于20μm时，采用分离的多层式衍射光学元件比采用如图1B所示的层压的多层式衍射光学元件的角度特性变得更好。而且，当采用层压的多层式衍射光学元件时，通过将衍射光栅1的槽壁3的高度h设置为18μm或18μm以下时，可以获得更好的光学特性。

另外，在本发明中当采用层压的多层式衍射光学元件时，这些衍射元件的材料优选为用于玻璃模制的玻璃和紫外线固化的树脂。由于这些材料可以模制，大量生产的生产率明显地提高。同样，在分离的多层式衍射光学元件的情况下，衍射元件16和17均优选为用树脂制成，用这种结构，能够提高大量生产的生产率。

在根据本发明的层压的多层式衍射光学元件中，下面所示的四个条件表达式(1)至(4)是为了得到更好的光学特性。在构成层压的多层式衍射光学元件的这两个衍射元件6和7中，当一个衍射元件的材料在d线处的折射率和阿贝数分别表示为ndG和vdG时，优选满足下列两个条件表达式(1)和(2)，当另一个衍射元件的材料在d线处的折射率和阿贝数分别表示为ndR和vdR时，优选满足下列两个条件表达式(3)和(4)：

1.55≤ndG≤1.70     (1)

50≤vdG≤65         (2)

1.50≤ndR≤1.65     (3)

vdR≤45             (4)

在上述的条件表达式中，条件表达式(1)和(3)是为了获得较好的角度特性。当ndG低于条件表达式(1)的下限时，或当ndR超过条件表达式(3)的上限时，衍射光栅的槽壁3的高度h变得太高，所以角度特性变差。另一方面，当ndG超过条件表达式(1)的上限时，或当ndR低于条件表达式(3)的下限时，不能获得层压的多层式衍射光学元件的形状，在该元件中相互不同的材料在同一个衍射光栅1相接触。

条件表达式(2)和(4)是为了在整个波长范围内获得满意的衍射效率。当每个值偏离该范围时，不可能在整个波长范围内获得满意的衍射效率。

而且，当实行下列中的至少一个极限值时，例如将条件表达式(1)的下限设置为1.57，将条件表达式(1)的上限设置为1.68，将条件表达式(2)的下限设置为52，将条件表达式(2)的上限设置为63，能够或得较好的光学性能。此外，当实行下列极限值中的至少一个极限值时，例如将条件表达式(3)的下限设置为1.52，将条件表达式(3)的上限设置为1.63，将条件表达式(4)的下限设置为20，将条件表达式(4)的上限设置为43，能够或得较好的光学性能。

下面说明几个实例。实例1和2是图1A所示的层压的多层式衍射光学元件的情况，实例3和4是图1B所示的分离的多层式衍射光学元件的情况。

实例1

这个实例是图1A所示的层压的多层式衍射光学元件的情况。在这个实例中，用于玻璃模制的玻璃是ndG＝1.66910，vdG＝55.4的VC78(Sumita光学玻璃公司的产品)，它用作第一衍射元件6的材料，而紫外线固化树脂是ndR＝1.5980，vdR＝28.0的HV16(ADEL有限公司的产品)，它用作第二衍射元件7的材料。衍射光栅1的槽高度h是8.0μm。在这种结构中，我们能够抑制杂散光的产生随着入射角的增加而增加并且在从g线到c线的较宽波长范围内获得很高的衍射效率。

实例2

这个实例是图1A所示的层压的多层式衍射光学元件的情况。在这个实例中，用于玻璃模制的玻璃是ndG＝1.59380，vdG＝61.4的P-SK50(Sumita光学玻璃公司的产品)，它用作第一衍射元件6的材料，而紫外线固化树脂A的ndR＝1.5499，vdR＝41.6，它用作第二衍射元件7的材料。衍射光栅1的槽高度h是12.7μm。在这种结构中，我们能够抑制杂散光的产生随着入射角的增加而增加并且在从g线到c线的较宽波长范围内获得很高的衍射效率。

实例3

这个实例是图1B所示的分离的多层式衍射光学元件的情况。在这个实例中，紫外线固化树脂B的nd＝1.635，vd＝22.8，它用作第一衍射元件16的材料。而紫外线固化树脂C的nd＝1.524，vd＝50.8，它用作第二衍射元件17的材料。衍射光栅11的槽高度d11是7.90μm，而衍射光栅12的槽高度d12是10.71μm。在这种结构中，我们能够抑制杂散光的产生随着入射角的增加而增加并且在从g线到c线的较宽波长范围内获得很高的衍射效率。顺便说一下，nd和vd分别表示每个衍射元件在d线的折射率和阿贝数。同样的定义也用于实例4。

实例4

这个实例是图1B所示的分离的多层式衍射光学元件的情况。在这个实例中，PC(聚碳酸酯)的nd＝1.5831，vd＝30.2，它用作第一衍射元件16的材料。而PMMA(聚甲基丙烯甲酯)的nd＝1.4917，vd＝57.4，它用作第二衍射元件17的材料。衍射光栅11的槽高度d11是3.34μm，而衍射光栅12的槽高度d12是15.16μm。在这种结构中，我们能够抑制杂散光的产生随着入射角的增加而增加并且在从g线到c线的较宽波长范围内获得很高的衍射效率。

如上所述，本发明能够提供的多层式衍射光学元件能够抑制杂散光的产生，通过在衍射光栅的槽的壁表面上形成遮光膜来改进其光学性能。

对于本领域的技术人员来说，将会获得额外的优点并可进行改进，因此，本发明在广义上不限于这里所示出和描述的具体细节和所描述的装置。所以，在不脱离由权利要求所限定的总的发明构思的精神或范围内可以进行各种改进。

Claims (16)

1.一种衍射光学元件，包括：

第一衍射元件，

第二衍射元件，由不同于第一衍射元件的材料制成并与第一衍射元件粘结在一起，和

形成在该粘结表面上的一衍射光栅，

其中，一遮光罩形成在该衍射光栅每个槽的壁表面上。

2.根据权利要求1所述衍射光学元件，其特征在于，这两个衍射元件中的一个的材料是适于玻璃模制的玻璃，而另一个衍射元件的材料是树脂。

3.根据权利要求2所述衍射光学元件，其特征在于，这两个衍射元件中的一个满足下列两个条件等式：

1.55≤ndG≤1.70

50≤vdG≤65

其中ndG表示这两个衍射元件中的一个在d线的折射率，而vdG表示这两个衍射元件中的一个在d线的阿贝数，并且

其中这两个衍射元件中的另一个满足下列两个条件等式：

1.50≤ndR≤1.65

vdR≤45

其中ndR表示这两个衍射元件中的另一个在d线的折射率，而vdR表示这两个衍射元件中的另一个在d线的阿贝数。

4.根据权利要求3所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的最小间距是50μm或50μm以上。

5.根据权利要求4所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

6.根据权利要求3所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

7.根据权利要求2所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的最小间距是50μm或50μm以上。

8.根据权利要求7所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

9.根据权利要求2所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

10.根据权利要求1所述衍射光学元件，其特征在于，这两个衍射元件中的一个满足下列条件等式：

1.55≤ndG≤1.70

50≤vdG≤65

其中ndG表示这两个衍射元件中的一个在d线的折射率，而vdG表示这两个衍射元件中的一个在d线的阿贝数，并且

其中，这两个衍射元件中的另一个满足下列两个条件等式：

1.50≤ndR≤1.65

vdR≤45

其中ndR表示这两个衍射元件中的另一个在d线的折射率，而vdR表示这两个衍射元件中的另一个在d线的阿贝数。

11.根据权利要求10所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的最小间距是50μm或50μm以上。

12.根据权利要求11所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

13.根据权利要求10所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

14.根据权利要求1所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的最小间距是50μm或50μm以上。

15.根据权利要求14所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

16.根据权利要求1所述衍射光学元件，其特征在于，该衍射光栅槽的壁高是20μm或小于20μm。

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