CN101271168A - 衍射光学元件、光学系统和光学装置 - Google Patents

Abstract

一种衍射光学元件包含两个衍射光栅，这两个衍射光栅由不同的材料制成并在它们的光栅表面上相互接触。这些材料满足以下条件，并且第二材料是通过将树脂材料与满足以下条件的微粒材料混合获得的材料：nd1≥1.48，vd1≥40，(－1.665E－07×vd1³+5.213E－05×vd1²－5.656E－03×vd1+0.675)≤θg，F1≤－1.665E－07×vd1³+5.213E－05×vd1²－5.656E－03×vd1+0.825)，(－1.687E－07×vd1³+5.702E－05×vd1²－6.603E－03×vd1+1.400)≤θg，d1≤(－1.687E－07×vd1³+5.702E－05×vd1²－6.603E－03×vd1+1.580)，nd2≤1.6，vd2≤30，θg，F2≤(－1.665E－07×vd2³+5.213E－05×vd2²－5.656E－03×vd2+0.675)，θg，d2≤(－1.687E－07×vd2³+5.702E－05×vd2²－6.603E－03×vd2+1.400)，nd1－nd2＞0，ndb2≥1.70，vdb2≤20。元件在较宽的波长范围上实现特定衍射阶次上的较高的衍射效率。

Description

衍射光学元件、光学系统和光学装置

技术领域

本发明涉及用于光学系统和光学装置中的衍射光学元件，更特别地，涉及被配置为使得由两种材料制成的衍射光栅相互接触的衍射光学元件。

背景技术

存在通过玻璃材料的组合减少色差的方法。另一方面，在SPIEVol.1354 International Lens Design Conference(1990)、日本专利申请公开公报No.4(1992)-213421、日本专利申请公开公报No.6(1994)-324626和美国专利No.5044706中公开了通过在透镜表面上或作为光学系统的一部分设置具有衍射功能的衍射光学元件(以下可被称为衍射光栅)减少色差的其它方法。这种方法利用对于某一基准波长的光线在光学系统中的折射表面和衍射表面之间沿相反方向出现色差的物理现象。

还能够通过改变这种衍射光学元件的周期结构的周期使其用作非球面，由此，偏差(aberration)可被大大减少。

在包含衍射光学元件的光学系统中，如果使用波长范围中的大部分的光被转换成一个特定的衍射阶次(以下称为设计衍射阶次或设计阶次)的衍射光，那么其它衍射阶次的衍射光的强度将较低。例如，强度为0意味着没有相应的衍射光。但是，在设计衍射阶次以外的衍射阶次的衍射光以某一程度的强度存在的情况下，图像将在与设计衍射阶次的位置不同的位置上形成，从而导致在光学系统中产生的炫光(flare light)。

因此，为了利用衍射光学元件的色差减少功能，设计衍射阶次的衍射光的衍射效率必须在整个使用波长范围上足够高。为此，充分考虑该设计衍射阶次中的衍射阶次的光谱分布以及设计衍射阶次以外的衍射阶次的衍射光的行为是十分重要的。

这里，某一衍射阶次的衍射光的衍射效率指的是该衍射阶次的衍射光的量与透过衍射光学元件的整个光通量的量的比率(也可称为透射率)。

图25表示由基板109和在基板109上形成的衍射光栅108制成的衍射光学元件(以下称为单层DOE)。D1是衍射光栅108的光栅厚度。图26表示在某一表面上形成该单层DOE时的特定和其它衍射阶次的衍射效率特性曲线。

在图26中，横轴代表入射光的波长，纵轴代表衍射效率。如上所述，衍射效率的值代表各衍射阶次的衍射光的量与透过衍射光学元件的整个光通量的量的比率。这里，为了简单，被光栅界面反射的光不被考虑。

如图26所示，图25的单层DOE被设计为使得作为设计衍射阶次的第一衍射阶次的衍射效率(图中的粗实线)在使用波长范围中是最高的。在该设计衍射阶次中衍射效率在某一波长(以下称为设计波长)上变为是最高的，并且在其它的波长逐渐降低。与该设计衍射阶次中的减少量对应的光变为其它衍射阶次的衍射光，这形成炫光。图26表示也作为其它衍射阶次的设计衍射阶次近旁的衍射阶次(零阶和二阶)中的衍射效率。

已提出各种结构用于减少由此产生的炫光的影响。

如图27所示，日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322公开了一种衍射光学元件，在该衍射光学元件中，三种不同的光栅材料110～112和两种不同的光栅厚度d1和d2被最优性选择，并且相互紧密接触的多个衍射光栅以相同的间距分布被配置。以下，具有这种结构的衍射光学元件将被称为接触三层DOE。由此，如图28所示，在整个可见波长范围上，可以在设计衍射阶次上实现较高的衍射效率。

在日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的图29的衍射光学元件113被配置为使得分别包含衍射光栅的元件部分114和115相互接近，空气层116介于其间。以下，具有这种结构的衍射光学元件将被称为叠层(多层)DOE。如图30A所示，通过优化构成各衍射光栅的材料的折射率、其分散特性和各层的光栅厚度，可以在整个可见波长范围上实现较高的衍射效率。另外，如图30B所示，作为不必要的衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率可一般被抑制(减少)。

在日本专利申请公开公报No.2004-78166中公开的衍射光学元件是与在上述日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的衍射光学元件类似的叠层DOE。但是，微粒材料和树脂材料的混合材料被使用，并且各层的光栅厚度被优化，由此，如图31A所示，可以实现比上述日本专利申请公开公报No.2000-98118中的衍射光学元件的衍射效率还要高的衍射效率。另外，如图31B所示，作为不必要阶次的衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率也可被充分抑制。

在日本专利申请公开公报No.2005-107298和日本专利申请公开公报No.2003-227913中公开的图32的衍射光学元件119被配置为使得分别由两种不同的树脂材料制成的衍射光栅117和118在它们的光栅表面上相互紧密接触。以下，具有这种结构的衍射光学元件将被称为接触二层DOE。使用这种结构，可以实现可很容易地制造的低成本的衍射光学元件。

根据在上述日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322公开的接触三层DOE和日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的叠层DOE，设计衍射阶次的衍射效率在整个使用波长范围上为94％或更高，这与单层DOE相比得到大大提高。导致炫光的不必要的衍射光也可被有利地抑制到2％或更低。

但是，在光学系统被安装到诸如静态照相机或摄像机的光学装置上的情况下，当在图像拾取区中存在高强度的光源时，即使少量的剩余的炫光也可成为问题。

在由微粒材料和树脂材料的混合材料制成的在上述日本专利申请公开公报No.2004-78166中公开的叠层DOE中，在整个使用波长范围上，设计衍射阶次的衍射效率为99.5％或更高，并且不必要的衍射光为0.05％或更低，由此实现比上述日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322公开的三层DOE和日本专利申请公开公报No.2000-98118的叠层DOE更高的性能。因此，炫光可望在某种程度上更加不明显。

但是，仍然需要比在上述日本专利申请公开公报No.2004-78166中公开的包含空气层的叠层DOE更加容易制造的衍射光学元件。

同时，在在上述日本专利申请公开公报No.2005-107298和日本专利申请公开公报No.2003-227913中公开的接触二层DOE的情况下，这种衍射光学元件本身的性能、特别是作为设计衍射阶次光的一阶衍射光的衍射效率在整个使用波长范围上为约95～97％，这是不足够高的。换句话说，由于不必要的衍射光导致的炫光可导致问题。并且，由于在上述日本专利申请公开公报No.2005-107298中公开的接触二层DOE包含厚达约20μm或更厚的厚光栅，因此，存在由倾斜入射光线的渐晕导致的衍射效率劣化的另一问题。

发明内容

本发明提供在较宽的波长范围上实现特定衍射阶次(设计衍射阶次)中的较高的衍射效率、能够充分地抑制不必要衍射光并进一步有利于其制造的衍射光学元件。

根据一个方面，本发明提供一种衍射光学元件，该衍射光学元件包含：分别由第一材料和第二材料制成的两个衍射光栅，这两个衍射光栅分别具有光栅表面并在光栅表面上相互接触。第一和第二材料满足以下所有的条件，并且第二材料是通过将树脂材料与满足以下所有的条件的微粒材料混合获得的材料：

nd1≥1.48

vd1≥40

(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.675)≤θg，F1≤(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.825)

(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.400)≤θg，d1≤(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.580)

nd2≤1.6

vd2≤30

θg，F2≤(-1.665E-07×vd2³+5.213E-05×vd2²-5.656E-03×vd2+0.675)

θg，d2≤(-1.687E-07×vd2³+5.702E-05×vd2²-6.603E-03×vd2+1.400)

nd1-nd2＞0

ndb2≥1.70

vdb2≤20

这里，ng1、nF1、nd1和nC1分别是材料1对于g线、F线、d线和C线的折射率，

ng2、nF2、nd2和nC2分别是材料2对于g线、F线、d线和C线的折射率，并且，

nFb2、ndb2和nCb2分别是微粒材料对于F线、d线和C线的折射率，并且，

vd1＝(nd1-1)/(nF1-nC1)

vd2＝(nd2-1)/(nF2-nC2)

θg，F1＝(ng1-nF1)/(nF1-nC1)

θg，d1＝(ng1-nd1)/(nF1-nC1)

θg，F2＝(ng2-nF2)/(nF2-nC2)

θg，d2＝(ng2-nd2)/(nF2-nC2)

vdb2＝(ndb2-1)/(nFb2-nCb2)。

根据另一方面，本发明提供包含上述衍射光学元件的光学系统和光学装置。

通过参照附图阅读以下的说明，本发明的其它方面将变得十分明显。

附图说明

图1是表示作为本发明的实施例(实施例1～5)的衍射光学元件的前视图以及侧视图；

图2是表示实施例1～5的衍射光学元件的部分断面图；

图3A是表示实施例1的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图3B是表示实施例1的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图4是构成实施例1的衍射光学元件的材料的折射率特性(n-λ特性)的示图；

图5A是表示实施例2的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图5B是表示实施例2的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图6A是表示实施例3的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图6B是表示实施例3的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图7A是表示实施例4的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图7B是表示实施例4的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图8A是表示实施例5的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图8B是表示实施例5的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图9A表示使用实施例1～9的衍射光学元件的图像拾取光学系统和具有该图像拾取光学系统的图像拾取装置的配置；

图9B表示使用实施例1～9的衍射光学元件的观察光学系统和具有该观察光学系统的观察装置的配置；

图10是表示构成实施例1～5的衍射光学元件的材料的折射率特性(nd-vd特性)的示图；

图11是表示构成实施例1～5的衍射光学元件的材料的折射率特性(θg，F-vd特性)的示图；

图12是表示构成实施例1～5的衍射光学元件的材料的折射率特性(θg，d-vd特性)的示图；

图13是作为本发明的实施例(实施例6～9)的衍射光学元件的前视图；

图14是表示实施例6～9的衍射光学元件的部分断面图；

图15A是表示实施例6的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图15B是表示实施例6的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图16是表示构成实施例6的衍射光学元件的材料的折射率特性(n-λ特性)的示图；

图17是表示实施例6的衍射光学元件的内部透射率特性的示图；

图18A是表示实施例7的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图18B是表示实施例7的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图19是表示实施例7的衍射光学元件的内部透射率特性的示图；

图20A是表示实施例8的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图20B是表示实施例8的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图21是表示实施例8的衍射光学元件的内部透射率特性的示图；

图22是表示构成实施例6～9的衍射光学元件的材料的折射率特性(nd-vd特性)的示图；

图23是表示构成实施例6～9的衍射光学元件的材料的折射率特性(θg，F-vd特性)的示图；

图24是表示构成实施例6～9的衍射光学元件的材料的折射率特性(θg，d-vd特性)的示图；

图25是表示常规的单层衍射光学元件的部分断面图；

图26是表示常规的单层衍射光学元件的设计衍射阶次以及设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图27是表示常规的接触三层衍射光学元件的部分断面图；

图28是表示常规的接触三层衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图29是表示常规的叠层衍射光学元件的部分断面图；

图30A是表示常规的叠层衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图30B是表示常规的叠层衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图31A是表示常规的叠层衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图31B是表示常规的叠层衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图32是常规的接触二层衍射光学元件的部分断面图；

图33A是表示实施例9的衍射光学元件的设计衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图33B是表示实施例9的衍射光学元件的设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射效率特性的示图；

图34是表示图9的衍射光学元件的内部透射率特性的示图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的示例性实施例。

[实施例1]

图1是作为本发明的实施例(实施例1)的衍射光学元件的前视图(左图)以及侧视图(右图)。在图1中，字符O代表衍射光学元件的中心轴。图2是在沿图1的线A-A′切取的断面中表示图1的衍射光学元件的部分放大图。这里应当注意，图2沿光栅深度方向没有按比例绘制。

如这些附图所示，衍射光学元件10包含第一元件部分12和第二元件部分13。第一元件部分12包含第一透明基板14以及由设置在第一透明基板14上的光栅基部16和与光栅基部16一体化形成的第一衍射光栅18构成的第一光栅形成层。第二元件部分13包含第二透明基板15以及由设置在第二透明基板15上的光栅基部17和与光栅基部17一体化形成的第二衍射光栅19构成的第二光栅形成层。

第一和第二衍射光栅18和19具有相同的光栅形状(周期性结构)，这意味着它们具有相同的光栅厚度d和相同的光栅间距p的分布。换句话说，它们的光栅形状具有相同的图案。光栅形状指的是凸部(以下称为峰)和凹部(以下称为谷)被交替设置的形状。

第一和第二元件部分12和13被配置为使得第一和第二衍射光栅18和19的光栅表面18a和19a(与光栅的倾斜表面对应)与它们的光栅壁部分18b和19b接触，而在其间没有间隙即在其间没有介入的空气层。第一和第二元件部分12和13作为整体用作一个衍射光学元件。

第一和第二衍射光栅18和19具有同心的光栅形状，由于它们的光栅间距沿径向变化，因此它们用作透镜。

在本实施例中，入射到衍射光学元件10上的光的波长范围即使用波长范围是可见波长范围(例如，400～700nm)。第一和第二衍射光栅18和19的材料以及它们的光栅厚度被选择为使得在整个可见波长范围上作为设计衍射阶次光的一阶衍射光的衍射效率变得最高。

以下说明本实施例的衍射光学元件10的衍射效率。在图25的常规的单层DOE的情况下，用于使某一衍射阶次的衍射光的衍射效率最大化的条件如下，这里，λ0是设计波长。

在光通量垂直入射到衍射光学元件10上到达衍射光栅的基面(由图25的虚线表示)时，如果衍射光栅的峰和谷之间的光路长度差(即，穿过峰的光线和穿过谷的光线之间的光路长度差)变为波长的整数倍，那么衍射光的衍射效率将被最大化。这可由下式表示：

(n01-1)×d＝m×λ0...(20)

这里，n01是对于波长λ0的光的衍射光栅的材料的折射率，d是光栅厚度，m是衍射阶次。

由于式(20)包含波长的项，因此在给定的阶次上仅对于设计波长满足该式，并且衍射效率将在设计波长以外的波长从最大值减小。

任意波长λ的衍射效率η(λ)可由下式(21)表示：

η(λ)＝sinc²[π×{m-(n1(λ)-1)×d/λ}]...(21)

这里，m是衍射阶次，n1(λ)是对于波长λ的光的衍射光栅的材料的折射率，sinc²(a)是由{sin(a)/a}²表示的函数。

基本上，具有两个或更多个层的叠层结构的衍射光学元件与本实施例相同，并且，为了使得各个层作为整体用作一个衍射光学元件，元件被配置如下。在构成各层的材料的边界上形成的衍射光栅的峰和谷之间的光路长度差被确定。这种光路长度差在整个衍射光栅上被相加。然后，光栅形状的尺寸被确定，使得通过相加光路长度差获得的值变为波长的整数倍。

因此，在图2所示的衍射光学元件10中，用于使m阶衍射光的衍射效率最大化的条件可由下式表示，这里，λ0是设计波长：

±(n01-n02)×d＝m×λ0...(22)

这里，n01是构成第一元件部分12的第一衍射光栅18的材料对于波长λ0的光的折射率，n02是构成第二元件部分13的第二衍射光栅19的材料对于波长λ0的光的折射率，d是与衍射光栅18和19共同的光栅厚度。

相对于图2中的零阶衍射光斜向下衍射的光的衍射阶次被定义为正衍射阶次，而相对于零阶衍射光斜向上衍射的光的衍射阶次被定义为负衍射阶次。在这种情况下，式(22)中的符号±将在衍射光栅具有图2中的厚度从上到下增加的光栅形状的情况下为正，而将在衍射光栅具有图2中的厚度从上到下减小的光栅形状的情况下为负。

在图2所示的结构中，设计衍射阶次λ0以外的λ的波长的衍射效率η(λ)可由下式表示：

η(λ)＝sinc²(π×[m-{±(n1(λ)-n2(λ))×d/λ}])

      ＝sinc²(π×(m-φ(λ)/λ))…(23)

φ(λ)＝±(n1(λ)-n2(λ))×d…(24)

这里，m是衍射阶次，n1(λ)是构成第一衍射光栅18的材料的在波长λ的折射率，n2(λ)是构成第二衍射光栅19的材料的在波长λ的折射率，d是与衍射光栅18和19共同的光栅厚度，sinc²(a)是由{sin(a)/a}²表示的函数。

以下解释用于在本实施例的衍射光学元件10中获得高衍射效率的条件。

为了在整个使用波长范围上获得高衍射效率，由式(23)限定的值η(λ)应在整个使用波长范围上接近1。换句话说，为了提高设计衍射阶次m的衍射效率，式(23)中的φ(λ)/λ应接近m。例如，当设计衍射阶次m是一阶时，φ(λ)/λ应接近1。

并且，从以上关系可以看出，基于光栅形状获得的光路长度差φ(λ)需要与波长λ成比例线性变化，这意味着式(24)右边的值应具有线性。也就是说，构成第二衍射光栅19的材料根据波长的折射率的变化与构成第一衍射光栅18的材料根据波长的折射率的变化的比率需要在整个使用波长范围上恒定。

以下说明具有满足上述关系的结构的更具体的实施例。

在图2的衍射光学元件10中，第一衍射光栅18由丙烯酸树脂和Al₂O₃粒子(微粒材料)的混合材料(nd＝1.542，vd＝53.2)制成。第二衍射光栅19由氟树脂和ITO粒子(微粒材料)的混合材料(nd＝1.491，vd＝19.8)制成。第一和第二衍射光栅18和19同样的光栅厚度d为11.4μm。

图3A表示本实施例的衍射光学元件10中的一阶衍射光的衍射效率。衍射光学元件10的设计衍射阶次为一阶。图3B表示设计衍射阶次±1衍射阶次(零阶和二阶)的衍射光的衍射效率。在这些附图中，纵轴表示衍射效率(％)，横轴表示波长(nm)。以下实施例相同。

从这些附图可以看出，与在以上的日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322、日本专利申请公开公报No.2000-98118和日本专利申请公开公报No.2005-107298中公开的衍射光学元件相比，本实施例的衍射光学元件10的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善。并且，根据本实施例的衍射光学元件10，作为不必要阶次的衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率被进一步降低，使得产生更少的炫光。

本实施例的衍射光学元件10具有比在日本专利申请公开公报No.2004-78166中公开的常规衍射光学元件小的总光栅厚度(在叠层的DOE中，为两个衍射光栅层和空气层的厚度的总和)。尽管如此，对于设计阶次衍射光(一阶衍射光)和不必要阶次的衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)，衍射光学元件10仍实现与常规的衍射光学元件相比相当或更好的性能。并且，本实施例的衍射光学元件10在整个可见波长范围上实现99.9％或更高的一阶衍射光的衍射效率，并充分地将不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率抑制到0.02％或更低。

在以上的说明中，仅对于作为设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光评价不必要的衍射光的衍射效率。这是因为，随着衍射阶次远离设计衍射阶次，对于炫光的贡献将减小。即，由于零阶和二阶衍射光导致的炫光的减少相应带来由于其它阶次衍射光导致的炫光的减少。原因如下。在被设计为使得设计衍射阶次的衍射光被主要衍射的衍射光学元件中，随着衍射阶次远离设计衍射阶次，光的衍射效率降低，并且由这种衍射阶次的光形成的图像在成像面上相当模糊，由此使得它作为炫光是不明显的。

图4表示用于本实施例中的通过混合丙烯酸树脂和Al₂O₃粒子获得的材料(材料1)和通过混合氟树脂和ITO粒子获得的材料(材料2)以及在上述日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的材料的可见波长范围中的折射率特性。在日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的材料是丙烯酸树脂1(nd＝1.523，vd＝51.1)和丙烯酸树脂2(nd＝1.636，vd＝23.0)。

在图4中，在用于本实施例中的材料1和材料2之间，折射率特性图的斜率看起来是不同的。但是，这些材料的折射率相对于波长的变化基本上恒定地变化。另一方面，虽然日本专利申请公开公报No.2000-98118的丙烯酸树脂1的折射率相对于波长的变化基本上恒定地变化，但丙烯酸树脂2的折射率的变化率在短波长侧较大。

这是因为，日本专利申请公开公报No.2000-98118仅提到vd＝(nd-1)/(nF-nC)作为材料性能，这里，nF、nd和nC分别是F线、d线和C线的折射率，vd是仅定义d线附近的折射率变化的平均斜率的值。在叠层衍射光学元件的情况下，vd特性是适于在保持叠层衍射光学元件的小光栅厚度的同时与单层DOE相比提高衍射效率的评价量。

但是，本实施例目的是与日本专利申请公开公报No.2000-98118的衍射光学元件相比进一步提高衍射效率。因此，仅代表折射率的平均变化的vd特性作为评价量是不够的。

相反，对于g线和F线的部分分散(dispersion)比θg，F以及对于g线和d线的部分分散比θg，d被用作新的评价量。当nF、nC和ng分别是对于F线、C线和g线的折射率时，部分分散比θg，F可表示为θg，F＝(ng-nF)/(nF-nC)。当nF、nd、nC和ng分别是对于F线、d线、C线和g线的折射率时，部分分散比θg，d可表示为θg，d ＝(ng-nd)/(nF-nC)。这些表达式代表短波长侧的折射率变化和长波长侧的折射率变化之间的比率。

本实施例的材料1具有θg，F＝0.55和θg，d＝1.25。材料2具有θg，F＝0.41、θg，d＝1.04，它们小于材料1的值。同时，日本专利申请公开公报No.2000-98118的丙烯酸树脂1具有θg，F＝0.58、θg，d＝1.28，并且丙烯酸树脂2具有θg，F＝0.68、θg，d ＝1.40。虽然丙烯酸树脂1的θg，F和θg，d与本实施例的材料1差别不大，但丙烯酸树脂2的θg，F和θg，d比本实施例的材料2大。因此，可以看出，本实施例的材料的组合在整个使用波长范围上相对于波长变化各材料的折射率变化更加恒定，并提供更高的衍射效率。

与上述日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322、日本专利申请公开公报No.2000-98118、日本专利申请公开公报No.2004-78166和日本专利申请公开公报No.2005-107298不同，本实施例使用上述材料1和2，并可在保持较高的衍射效率的同时实现具有相同的光栅图案的第一和第二衍射光栅18和19在它们的光栅表面上相互接触的接触二层DOE。由此，不需要以较高的精度对准这些衍射光栅18和19，由此有利于它们的制造。

上述实施例说明了如图1和图2所示的在平板形式的透明基板14和15上具有衍射光栅18和19的衍射光学元件。但是，作为平板透明基板的替代，可以使用透镜，并且，衍射光栅可被设置在透镜的诸如凸面或凹面的曲面上，从中可获得与本实施例类似的效果。

虽然本实施例说明了设计衍射阶次是一阶的衍射光学元件，但设计衍射阶次不限于一阶。即使在一阶以外的二阶或三阶等的衍射光的情况下，也可通过设置衍射光栅的光路长度差的合成值以与希望的设计衍射阶次的希望的设计波长对应获得与本实施例类似的效果。

[实施例2]

以下说明本发明的实施例2。本实施例的衍射光学元件具有与实施例1基本上相同的配置。即，元件具有图1和图2所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例1共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件10中，图2所示的第一衍射光栅18由丙烯酸树脂和ZrO₂粒子的混合材料(nd＝1.611，vd＝45.5)制成。第二衍射光栅19由丙烯酸树脂和ITO粒子的混合材料(nd＝1.567，vd＝21.7)制成。第一和第二衍射光栅18和19同样的光栅厚度d为13.3μm。

图5A表示本实施例的衍射光学元件10中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次为一阶。图5B表示设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率。与实施例1的衍射光学元件10类似，本实施例的衍射光学元件10的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率可被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.8％或更高，并且不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.04％或更低。

[实施例3]

以下说明本发明的实施例3。本实施例的衍射光学元件具有与实施例1基本上相同的配置。即，元件具有图1和图2所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例1共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件10中，图2所示的第一衍射光栅18由丙烯酸树脂和Al₂O₃粒子的混合材料(nd＝1.594，vd＝58.0)制成。第二衍射光栅19由氟树脂和ITO粒子的混合材料(nd＝1.519，vd＝16.5)制成。第一和第二衍射光栅18和19同样的光栅厚度d为7.8μm。

图6A表示本实施例的衍射光学元件10中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次为一阶。图6B表示设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率。与实施例1和2的衍射光学元件10类似，本实施例的衍射光学元件10的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率可被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.8％或更高，并且不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.04％或更低。

[实施例4]

以下说明本发明的实施例4。本实施例的衍射光学元件具有与实施例1基本上相同的配置。即，元件具有图1和图2所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例1共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件10中，图2所示的第一衍射光栅18由丙烯酸树脂和Al₂O₃粒子的混合材料(nd＝1.556，vd＝55.4)制成。第二衍射光栅19由光学材料和ITO粒子的混合材料(nd＝1.469，vd＝12.1)制成。第一和第二衍射光栅18和19同样的光栅厚度d为6.0μm。

图7A表示本实施例的衍射光学元件10中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次为一阶。图7B表示设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率。与实施例1～3的衍射光学元件10类似，本实施例的衍射光学元件10的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率可被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.9％或更高，并且不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.02％或更低。

[实施例5]

以下说明本发明的实施例5。本实施例的衍射光学元件具有与实施例1基本上相同的配置。即，元件具有图1和图2所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例1共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件10中，图2所示的第一衍射光栅18由丙烯酸树脂材料(nd＝1.552，vd＝51.3)制成。注意，与实施例1～4不同，本实施例的第一衍射光栅的材料仅是其中没有混合微粒材料的丙烯酸树脂。另一方面，第二衍射光栅19由氟树脂和ITO粒子的混合材料(nd＝1.480，vd＝21.3)制成。第一和第二衍射光栅18和19同样的光栅厚度d为13.9μm。

图8A表示本实施例的衍射光学元件10中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次为一阶。图8B表示设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率。与实施例1～4的衍射光学元件10类似，本实施例的衍射光学元件10的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率可被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.9％或更高，并且不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.02％或更低。

以下说明在上述实施例的第一和第二衍射光栅18和19中满足的条件。

在实施例1～5的衍射光学元件10中，构成第一和第二衍射光栅的第一材料和第二材料(以下分别称为材料1和材料2)满足以下条件。材料2是满足以下条件的树脂材料和微粒材料的混合材料。

在以下的表达式中，ng1、nF1、nd1和nC1分别是材料1对于g线、F线、d线和C线的折射率，并且ng2、nF2、nd2和nC2分别是材料2对于g线、F线、d线和C线的折射率。nFb2、ndb2和nCb2分别是微粒材料对于F线、d线和C线的折射率。vd1、vd2、vdb2分别是材料1、材料2和微粒材料对于d线的Abbe(阿贝)数。“E-b”意味着“×10^-b”。

并且，它们具有以下关系：

vd1＝(nd1-1)/(nF1-nC1)

vd2＝(nd2-1)/(nF2-nC2)

θg，F1＝(ng1-nF1)/(nF1-nC1)

θg，d1＝(ng1-nd1)/(nF1-nC1)

θg，F2＝(ng2-nF2)/(nF2-nC2)

θg，d2＝(ng2-nd2)/(nF2-nC2)

vdb2＝(ndb2-1)/(nFb2-nCb2)。

然后，以下的条件要被满足：

材料1：

$\mathrm{nd}1\≥\underset{\‾}{\underset{\‾}{1.48}}\left(1\right)$

vd1≥40…(2)

(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.675)≤θg，F1≤(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.825)

                                                         …(3)

(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.400)≤θg，d1≤(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.580)

                                                         …(4)

材料2：

nd2≤1.6…(5)

vd2≤30…(6)

θg，F2≤(-1.665E-07×vd2³+5.213E-05×vd2²-5.656E-03×vd2+0.675)…(7)

θg，d2≤(-1.687E-07×vd2³+5.702E-05×vd2²-6.603E-03×vd2+1.400)…(8)

材料1和材料2：

nd1-nd2＞0...(9)

微粒材料：

ndb2≥1.70...(10)

vdb2≤20...(11)。

条件式(1)～(4)限定材料1的性能。即，材料1必须满足所有的条件式(1)～(4)。现在，为了便于理解各条件之间的关系，将参照图10～12。图10表示nd和vd之间的关系，图11表示θg，F和vd之间的关系，图12表示θg，d和vd之间的关系。在这些附图中，纵轴分别表示nd、θg，F和θg，d，横轴表示vd。注意，在图10～12中，条件式的号码由圆包围的数字表示。

如图10所示，条件式(1)和(2)规定用于实现实施例的衍射光学元件的材料1的nd1和vd1的范围。如果nd1和vd1的值比条件式(1)和(2)的下限低，那么实现实施例的衍射光学元件(接触二层型)的材料2即满足条件式(5)和(8)的材料2将不存在。

如图11所示，条件式(3)规定用于实现实施例的衍射光学元件的材料1的θg，F1和vd1的范围。如上所述，该条件式(3)应基于条件式(1)和(2)的满足被满足。如果θg，F1的值比条件式(3)的下限低，那么实施例的衍射光学元件的光栅厚度将增加，因此，斜入射到衍射光学元件上的光线(以下称为斜入射光)的衍射效率将劣化。如果θg，F1的值比条件式(3)的上限高，那么用实施例的衍射光学元件的结构(接触二层结构)获得高衍射效率的材料2即满足条件式(5)～(8)的材料2将不存在。

如图12所示，条件式(4)规定用于实现实施例的衍射光学元件的材料1的θg，d1和vd1的范围。在这种情况下，该条件式(4)也应基于条件式(1)～(3)的满足被满足。如果θg，d1的值比条件式(4)的下限低，那么实施例的衍射光学元件的光栅厚度将增加，因此，斜入射光的衍射效率将劣化。如果θg，d1的值比条件式(4)的上限高，那么用实施例的衍射光学元件的结构(接触二层结构型)获得高衍射效率的材料2即满足条件式(5)～(8)的材料2将不存在。

为了在使得光栅变薄的同时实现较高的衍射效率，鉴于允许材料2存在的条件，优选材料1满足以下的条件式。被分配给以下的条件式的号码的字母‘a’表示具有‘a’的这种条件式优于原始条件式。字母‘b’表示具有‘b’的这种条件式优于具有‘a’的相应条件式。以下的其它条件式同样如此：

$\underset{\‾}{\underset{\‾}{1.48}}\≤\mathrm{nd}1\≤1.75\·\·\·\left(1a\right)$

$\underset{\‾}{\underset{\‾}{1.48}}\≤\mathrm{nd}1\≤1.70\·\·\·\left(1b\right)$

40≤vd1≤80…(2a)

40≤vd1≤70…(2b)

(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.700)≤θg，F1≤(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.662)

                                                        …(3a)

(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.425)≤θg，d1≤(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×v1+1.513)

                                                       …(4a)

条件式(5)～(8)规定材料2的性能。对于满足所有的条件式(1)～(4)的材料1，材料2必须满足条件式(5)～(8)。为了便于理解各条件之间的关系，再一次参照图10～12。

如图10所示，条件式(5)和(6)规定用于实现实施例的衍射光学元件的材料2的nd2和vd2的范围。如果nd2和vd2的值比条件式(5)和(6)的上限高，那么实现实施例的衍射光学元件(接触二层型)的材料1即满足条件式(1)～(4)的材料1将不存在。

如图11所示，条件式(7)规定用于实现实施例的衍射光学元件的材料2的θg，F2和vd2的范围。如上所述，该条件式(7)应基于条件式(5)和(6)的满足被满足。如果θg，F2的值比条件式(7)的上限高，那么用实施例的衍射光学元件的结构(接触二层结构)获得高衍射效率的材料1即满足条件式(1)～(4)的材料1将不存在。

如图12所示，条件式(8)规定用于实现实施例的衍射光学元件的材料2的θg，d2和vd2的范围。在这种情况下，该条件式(8)也应基于条件式(5)和(6)的满足被满足。如果θg，d2的值比条件式(8)的上限高，那么用实施例的衍射光学元件的结构(接触二层结构)获得高衍射效率的材料1即满足条件式(1)～(4)的材料1将不存在。

为了在使得光栅变薄的同时实现较高的衍射效率，鉴于允许材料1存在的条件，优选材料2满足以下的条件式：

1.4≤nd2≤1.6…(5a)

vd2≤25…(6a)

θg，F2≤(-1.665E-07×vd2³+5.213E-05×vd2²-5.656E-03×vd2+0.600)…(7a)

θg，d2≤(-1.687E-07×vd2³+5.702E-05×vd2²-6.603E-03×vd2+1.300)…(8a)

条件式(9)表示实施例的衍射光学元件中的材料1和材料2的折射率之间的大小关系。除非满足该条件式，否则不能获得希望的衍射效率。

条件式(10)和(11)规定在上述实施例的衍射光学元件中允许材料2满足上述条件式(5)～(8)的微粒材料的材料性能的范围。满足条件式(10)和(11)的微粒材料包含作为ITO、Ti、Nr、Cr、它们的氧化物、它们的合成物和它们的混合物中的任一种的无机微粒材料。在实施例中，作为一个例子使用ITO(ndb2＝1.77，vdb2＝6.8)。如果ndb2的值比条件式(10)的下限低或如果vdb2的值比条件式(11)的上限高，那么材料2不能满足条件式(5)～(8)。

这里，只要满足条件式(10)和(11)，那么使用的微粒材料就不限于上述实施例中的那些。

并且，微粒材料优选满足以下条件：

ndb2≥1.75...(10a)

vdb2≤18...(11a)

除了上述条件式(1)～(11)以外，上述实施例的衍射光学元件10优选满足以下条件。λF、λd和λC分别是F线、d线和C线的波长。

m(λF)是通过将对于F线的波长的m阶(设计阶次)衍射光的各衍射光栅的凸部(峰)和凹部(谷)之间的光路长度差除以该波长获得的值。m(λd)是通过将对于d线的波长的m阶衍射光的各衍射光栅的凸部和凹部之间的光路长度差除以该波长获得的值。并且，m(λC)是通过将对于C线的波长的m阶衍射光的各衍射光栅的凸部和凹部之间的光路长度差除以该波长获得的值。

d(μm)是光栅厚度：

m(λF)＝{d×(nF1-nF2)}/λF…(12)

m(λd)＝{d×(nd1-nd2)}/λd…(13)

m(λC)＝{d×(nC1-nC2)}/λC…(14)

d≤20…(15)

0.92≤{m(λF)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.08…(16)。

这些条件式(12)～(16)规定根据实施例的用材料1和2形成的接触二层DOE的衍射效率。如果d的值比条件式(15)的上限高，那么斜入射光的衍射效率可能大大劣化。如果条件式(16)不被满足，那么不能获得希望的衍射效率。

为了实现更高的衍射效率，优选满足以下的条件式。被分配给以下的条件式的号码的字母‘c’表示具有‘c’的这种条件式优于具有‘b’的条件式：

d≤15…(15a)

0.93≤{m(λF)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.07…(16a)

0.94≤{m(λF)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.06…(16b)

0.96≤{m(λF)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.04…(16c)。

在实施例1～4中，材料1优选与满足所有的以下条件的微粒材料混合。这里，nFb1、ndb1和nCb1分别是微粒材料对于F线、d线和C线的折射率。并且，vdb1＝(ndb1-1)/(nFb1-nCb1)：

ndb1≥1.65...(17)

vdb1≥35...(18)。

条件式(17)和(18)规定混入材料1中的微粒材料的性能。满足条件式(17)和(18)的微粒材料包含作为Al、Zr、Y、它们的氧化物、它们的合成物和它们的混合物中的任一种的无机微粒材料。在实施例中，作为一个例子使用Al₂O₃(ndb1＝1.71，vd＝68.0)或ZrO₂(ndb1＝1.87，vd＝39.4)。如果ndb1和vdb1的值比条件式(17)和(18)的下限低，那么不能实现满足条件式(1)～(4)的材料1。

这里，只要满足条件式(17)和(18)，那么使用的微粒材料就不限于上述的例子。

作为与粒子混合的材料的替代，例如可以使用一般的紫外线固化树脂。但是，由于如实施例1～4所述的那样使用其中混合(分散)微粒材料的材料作为材料1和材料2可降低光栅厚度，因此这种材料优选被用作斜入射光的衍射效率劣化的对策。

微粒材料优选满足以下条件：

ndb1≥1.70...(17a)

vdb1≥38...(18a)。

微粒材料的平均粒子直径优选为入射到衍射光学元件上的光的波长(使用波长或设计波长)的1/4或更小。在粒子直径大于该范围的情况下，当这种微粒材料被混入树脂材料中时，光的散射可能较大。

用于在其中混合上述微粒材料的树脂材料包含作为丙烯酸、氟、乙烯、环氧有机树脂中的任一种的紫外线固化树脂。在实施例中，作为一个例子使用丙烯酸树脂或氟树脂。

作为最终条件，当图2的衍射光栅的光栅间距为P并且光栅厚度为d时，实施例的衍射光学元件优选满足以下条件：

d/P＜1/7...(19)。

条件式(19)规定构成衍射光学元件的衍射光栅的形状(光栅间距和光栅厚度)。如果d/P的值比条件式(19)的上限高，那么斜入射光的衍射效率可由于光栅间距变得太小而劣化。条件式(19)的满足导致有利于在用于形成(树脂成形)衍射光学元件的模具中加工光栅形状的优点。

表1表示实施例1～5中说明的衍射光学元件的条件式(1)～(19)的数值。

如上所述，在上述实施例中，材料1和材料2对于g线和F线的部分分散比θg，F以及对于g线和d线的部分分散比θg，d被适当地设定，并且这种材料1和材料2被用于构成接触二层DOE。由此，能够在入射光的整个波长范围(使用波长范围)上保持特定衍射阶次(设计衍射阶次)的衍射光的较高的衍射效率同时能够充分地抑制导致炫光的不必要衍射光的衍射光学元件可被实现。并且，由于被配置为接触二层DOE，因此可以以较低的成本很容易地制造该元件。

这里应当注意，图1和图2的衍射光学元件的形状，特别是光栅部分的形状仅是示例性的，其它的形状也可被使用。

[实施例6]

以下说明作为本发明的实施例(实施例6)的衍射光学元件。

本实施例的衍射光学元件被配置为使得由第一材料制成的第一衍射光栅和由第二材料制成的第二衍射光栅被层叠以在它们的光栅表面上相互接触。

构成第一和第二衍射光栅的光栅部分的第一材料和第二材料(以下可分别称为材料1和材料2)满足下述的条件式。特别地，材料2由树脂材料和微粒材料的混合材料制成。以下的实施例同样如此。

图13是本实施例的衍射光学元件的主要部分的前视图。在图13中，附图标记50表示衍射光学元件，字符O表示衍射光学元件的中心轴。图14是在沿图13的线A-A′切取的断面中表示图13的衍射光学元件的部分放大图。这里应当注意，图14沿衍射光栅的光栅深度方向没有按比例绘制。

如图14所示，衍射光学元件50包含第一元件部分52和第二元件部分53。第一元件部分52包含由第一光栅基部54和与第一光栅基部54一体化形成的第一衍射光栅56构成的第一光栅形成层。第二元件部分53包含由第二光栅基部55和与第二光栅基部55一体化形成的第二衍射光栅57构成的第二光栅形成层。

附图标记56c和57c分别表示构成第一衍射光栅56和第二衍射光栅57的光栅部分。第一和第二衍射光栅56和57具有有相同的光栅形状(周期性结构)的光栅部分，这意味着它们具有有相同的光栅厚度d和相同的光栅间距p的分布的多个光栅部分56c和57c。换句话说，它们具有有相同图案的光栅部分。光栅部分56c和57c具有凸部(以下称为峰)和凹部(以下称为谷)被交替设置的光栅形状。第一和第二元件部分52和53的光栅基部54和55分别具有厚度h1和h2。

第一和第二元件部分52和53被配置为使得在第一和第二衍射光栅56和57中光栅部分56c和57c的光栅表面56a和57a(与光栅部分56c和57c的倾斜表面对应)与光栅壁部分56b和57b接触，而在其间没有间隙。

即，光栅部分56c和57c的光栅表面相互紧密接触，而在其间没有介入的空气层。第一和第二元件部分52和53作为整体用作一个衍射光学元件50。

第一和第二衍射光栅56和57具有同心的光栅形状的光栅部分56c和57c，由于光栅部分56c和57c的光栅间距沿径向变化，因此它们用作透镜。

第一光栅基部54的光入射侧的表面54a和第二光栅基部55的光射出侧的表面55b被配置为平整表面或曲面。

作为替代方案，可以在这些表面54a和55b中的至少一个上形成另一衍射光栅。

在本实施例中，入射到衍射光学元件50上的光的波长范围即使用波长范围是可见波长范围(例如，400～700nm)。构成第一和第二衍射光栅56和57的光栅部分56c和57c的材料以及它们的光栅厚度被选择为使得在整个可见波长范围上作为设计衍射阶次的一阶衍射光的衍射效率变得最高。

以与在实施例1中参照式(20)～(24)说明的方式相同的方式考虑本实施例和以下的实施例的衍射光学元件的衍射效率。

以下说明本实施例和以下的实施例的衍射光学元件的特征。

构成第一衍射光栅56的第一材料是玻璃材料。

这里提到的玻璃材料是用于玻璃成形的玻璃材料。

这里，用于玻璃成形的玻璃材料是指变形点为600℃或更低的低熔点玻璃。

构成第二衍射光栅57的第二材料是树脂材料和微粒材料的混合材料。

第二材料包含包含无机粒子的树脂材料，这些无机粒子是ITO、Ti、Nr和Cr中的任一种或ITO、Ti、Nr和Cr中的至少一种的氧化物、合成物和混合物中的任一种。

用于在其中混合无机粒子的作为第二材料的树脂材料包含作为丙烯酸、氟、乙烯、环氧有机树脂中的任一种的紫外线固化树脂。

微粒材料的平均粒子直径优选为入射到衍射光学元件上的光的波长(使用波长或设计波长)的1/4或更小(200nm或更小)。

第一材料的对于d线的折射率、对于d线的Abbe数、对于g线和F线的部分分散比和对于g线和d线的部分分散比分别是nd1、vd1、θg，F1和θg，d1。

第二材料的对于d线的折射率、对于d线的Abbe数、对于g线和F线的部分分散比和对于g线和d线的部分分散比分别是nd2、vd2、θg，F2和θg，d2。

微粒材料的对于d线的折射率和Abbe数分别是ndb2和vdb2。然后，材料1和2和微粒材料满足以下条件：

nd1≥1.48…(31)

vd1≥40…(32)

(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.700)≤θg，F1≤(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.662)

                                                        …(33)

(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.425)≤θg，d1≤(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.513)

                                                        …(34)

nd2≤1.6…(35)

vd2≤30…(36)

θg，F2≤(-1.665E-07×vd2³+5.213E-05×vd2²-5.656E-03×vd2+0.675)

                                                          …(37)

θg，d2≤(-1.687E-07×vd2³+5.702E-05×vd2²-6.603E-03×vd2+1.400)

                                                          …(38)

nd1-nd2＞0…(39)

ndb2≥1.70…(40)

vdb2≤20…(41)。

第一材料的对于g线、F线、d线和C线的折射率分别是ng1、nF1、nd1和nC1。

第二材料的对于g线、F线、d线和C线的折射率分别是ng2、nF2、nd2和nC2。

包含于第二材料中的微粒材料的对于F线、d线和C线的折射率分别是nFb2、ndb2和nCb2。

此时，第一材料的Abbe数vd1和部分分散比θg，F1和θg，d1、第二材料的Abbe数vd2和部分分散比θg，F2和θg，d2以及微粒材料的Abbe数vdb2如下：

vd1＝(nd1-1)/(nF1-nC1)

vd2＝(nd2-1)/(nF2-nC2)

θg，F1＝(ng1-nF1)/(nF1-nC1)

θg，d1＝(ng1-nd1)/(nF1-nC1)

θg，F2＝(ng2-nF2)/(nF2-nC2)

θg，d2＝(ng2-nd2)/(nF2-nC2)

vdb2＝(ndb2-1)/(nFb2-nCb2)。

以下说明条件式(31)～(41)。

条件式(31)～(34)规定材料1(第一材料)的性能。材料1优选同时满足所有的条件式(31)～(34)。

现在，为了便于理解各条件之间的关系，将参照图22～24。图22表示折射率nd和Abbe数vd之间的关系。

图23表示部分分散比θg，F和Abbe数vd之间的关系，图24表示部分分散比θg，d和Abbe数vd之间的关系。

在这些附图中，纵轴分别表示折射率nd、部分分散比θg，F和θg，d，横轴表示Abbe数vd。

注意，在图22～24中，条件式的号码由圆包围的数字表示。

如图22所示，条件式(31)和(32)规定构成衍射光学元件的材料1的折射率nd和Abbe数vd的范围。

如果nd1和vd1的值比条件式(31)和(32)的下限低，那么难以获得允许衍射光学元件的结构(接触二层结构)的材料2(第二材料)即满足条件式(35)～(38)的材料2。

如图23所示，条件式(33)规定构成衍射光学元件的材料1的部分分散比θg，F和Abbe数vd的范围。如上所述，该条件式优选基于条件式(31)和(32)的满足被满足。

如果θg，F1的值比条件式(33)的下限低，那么衍射光学元件的衍射光栅的光栅厚度将增加，因此，斜入射到衍射光学元件上的光线(以下称为斜入射光)的衍射效率将劣化。

如果θg，F1的值比条件式(33)的上限高，那么难以获得在接触二层衍射光学元件中获得较高的衍射效率的材料2即满足条件式(35)～(38)的材料2。

如图24所示，条件式(34)规定构成衍射光学元件的材料1的部分分散比θg，d和Abbe数vd的范围。

该条件式也优选基于条件式(31)～(33)的满足被满足。如果θg，d1的值比条件式(34)的下限低，那么衍射光学元件的光栅部分的光栅厚度将增加，因此，斜入射光的衍射效率将劣化。如果θg，d1的值比条件式(34)的上限高，那么难以获得在接触二层衍射光学元件中获得较高的衍射效率的材料2即满足条件式(35)～(38)的材料2。

为了在使得光栅变薄的同时实现较高的衍射效率，鉴于允许材料2存在的条件，优选材料1满足以下的条件式。

被分配给以下的条件式(31)和(32)的号码的字母‘a’表示具有‘a’的这种条件式优于原始条件式。

字母‘b’表示具有‘b’的这种条件式优于具有‘a’的相应条件式。字母‘c’表示具有‘c’的这种条件式优于具有‘b’的相应条件式。以下的其它条件式同样如此：

1.50≤nd1≤1.80…(31a)

1.55≤nd1≤1.75…(31b)

1.58≤nd1≤1.70…(31c)

40≤vd1≤80…(32a)

40≤vd1≤70…(32b)

条件式(35)～(38)规定材料2的性能。对于满足所有的条件式(31)～(34)的材料1，材料2优选满足所有的条件式(35)～(38)。现在，为了便于理解各条件之间的关系，再一次参照图22～24。

如图22所示，条件式(35)和(36)规定构成衍射光学元件的材料2的折射率nd2和Abbe数vd2的范围。

如果nd2和vd2的值比条件式(35)和(36)的上限高，那么难以获得允许衍射光学元件的结构(接触二层结构)的材料1即满足条件式(31)～(34)的材料1。

如图23所示，条件式(37)规定构成衍射光学元件的材料2的部分分散比θg，F2和Abbe数vd2的范围。

如上所述，该条件式优选基于条件式(35)和(36)的满足被满足。

如果θg，F2的值比条件式(37)的上限高，那么难以获得在接触二层衍射光学元件中获得较高的衍射效率的材料1即满足条件式(31)～(34)的材料1。

如图24所示，条件式(38)规定构成衍射光学元件的材料2的部分分散比θg，d2和Abbe数vd2的范围。该关系也优选基于条件式(31)～(34)的满足被满足。

如果θg，d2的值比条件式(38)的上限高，那么难以获得在接触二层衍射光学元件中获得较高的衍射效率的材料1即满足条件式(31)～(34)的材料1。

为了在使得光栅变薄的同时实现较高的衍射效率，鉴于允许材料1存在的条件，对于关于材料2的条件式(35)～(38)，优选满足以下的条件式：

1.4≤nd2≤1.6…(35a)

1.45≤nd2≤1.6…(35b)

vd2≤25…(36a)

θgF2≤(-1.665E-07×vd2³+5.213E-05×vd2²-5.656E-03×vd2+0.600)…(37a)

θgd2≤(-1.687E-07×vd2³+5.702E-05×vd2²-6.603E-03×vd2+1.300)…(38a)

条件式(39)代表衍射光学元件中材料1和材料2的折射率之间的大小关系。除非满足该条件式，否则难以获得希望的衍射效率。

条件式(40)和(41)规定在衍射光学元件中允许材料2满足上述条件式(35)～(38)的微粒材料的材料性能的范围。满足条件式(40)和(41)的微粒材料包含作为ITO、Ti、Nr、Cr、它们的氧化物、它们的合成物和它们的混合物中的任一种的无机微粒材料。在本实施例中，作为一个例子使用ITO(ndb2＝1.77，vd＝6.8)。

如果ndb2的值比条件式(40)的下限低或如果vdb2的值比条件式(41)的上限高，那么材料2难以满足条件式(35)～(38)。

这里，只要满足条件式(40)和(41)，那么使用的微粒材料就不限于上述的例子。

并且，关于微粒材料的条件式(40)和(41)的数值优选被设置如下：

ndb2≥1.75...(40a)

vdb2≤18...(41a)

除了上述条件式(31)～(41)以外，本实施例的衍射光学元件50优选满足以下条件。

λF、λd和λC分别是F线、d线和C线的波长。

m(λF)是通过将对于F线的波长的m阶(设计阶次)衍射光的第一和第二衍射光栅中的每一个的凸部(峰)和凹部(谷)之间的光路长度差除以该波长获得的值。m(λd)是通过将对于d线的波长的m阶衍射光的第一和第二衍射光栅中的每一个的凸部和凹部之间的光路长度差除以该波长获得的值。并且，m(λC)是通过将对于C线的波长的m阶衍射光的第一和第二衍射光栅中的每一个的凸部和凹部之间的光路长度差除以该波长获得的值。

d(μm)是衍射光栅的光栅部分的光栅厚度，那么：

d≤20(μm)…(42)

0.92≤{m(λF)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.08…(43)。

这里，m(λF)、m(λd)和m(λC)如下：

m(λF)＝{d×(nF1-nF2)}/λF

m(λd)＝{d×(nd1-nd2)}/λd

m(λC)＝{d×(nC1-nC2)}/λC

在以上的表达式中，nF1、nd1和nC1分别是材料1的对于F线、d线和C线的折射率，并且nF2、nd2和nC2分别是材料2的对于F线、d线和C线的折射率。d是材料1和材料2同样的光栅厚度。

条件式(42)和(43)用于在由材料1和材料2制成的接触二层DOE中提高衍射效率。

当d的值比条件式(42)的上限高时，斜入射光的衍射效率的劣化将增加。如果条件式(43)不被满足，那么将不能在整个可见波长范围上获得希望的衍射效率。

为了实现更高的衍射效率，条件式(42)和(43)的数值优选被设定如下：

d≤15(μm)…(42a)

d≤12.5(μm)…(42b)

d≤10(μm)…(42c)

0.93≤{m(λF)+m(λd)+m(λ)}/3≤1.07…(43a)

0.94≤{m(λF)+m(λd)+m(λ)}/3≤1.06…(43b)

0.96≤{m(λ)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.04…(43c)

在衍射光学元件50中，除了上述条件式(31)～(43)以外，还优选满足以下条件。

λ1、λ2和λ3分别是450nm、550nm和650nm的波长。

η(λ1)、η(λ2)和η(λ3)分别是在波长λ1、λ2和λ3的衍射效率。

T1(λ1)、T1(λ2)和T1(λ3)分别是第一材料的波长λ1、λ2和λ3的内部透射率。

T2(λ1)、T2(λ2)和T2(λ3)分别是第二材料的波长λ1、λ2和λ3的内部透射率。

那么，

(T1(λ1)×T2(λ1)×η(λ1)+T1(λ2)×T2(λ2)×η(λ2)+T1(λ3)×T2(λ3)×η(λ3))/3≥0.70…(44)。

这里，第一材料和第二材料的波长λ1、λ2和λ3的内部透射率T(λ)如下。

K1(λ1)和K2(λ1)分别是第一和第二材料在波长λ1的吸收系数。

K1(λ2)和K2(λ2)分别是第一和第二材料在波长λ2的吸收系数。

K1(λ3)和K2(λ3)分别是第一和第二材料在波长λ3的吸收系数。

h1和h2分别是第一和第二衍射光栅的光栅基部的厚度。

假定d是第一和第二衍射光栅的光栅部分的光栅厚度。那么，

T1(λ1)＝exp(-K1(λ1)×(d+h1))

T2(λ1)＝exp(-K2(λ1)×(d+h2))

T1(λ2)＝exp(-K1(λ2)×(d+h1))

T2(λ2)＝exp(-K2(λ2)×(d+h2))

T1(λ3)＝exp(-K1(λ3)×(d+h1))

T2(λ3)＝exp(-K2(λ3)×(d+h2))。

条件式(44)规定材料1和材料2的内部透射率。如果内部透射率比条件式(44)的下限低，那么透射率将太低。那么，这种衍射光学元件不被有利地用于后述的光学系统和光学装置。

为了实现更高的内部透射率，条件式(44)的数值范围优选被设置如下：

(T1(λ1)×T2(λ1)×η(λ1)+T1(λ2)×T2(λ2)×η(λ2)+T1(λ3)×T2(λ3)×η(λ3))/3≥0.75…(44a)

(T1(λ1)×T2(λ1)×η(λ1)+T1(λ2)×T2(λ2)×η(λ2)+T1(λ3)×T2(λ3)×η(λ3))/3≥0.80…(44b)

(T1(λ1)×T2(λ1)×η(λ1)+T1(λ2)×T2(λ2)×η(λ2)+T1(λ3)×T2(λ3)×η(λ3))/3≥0.85…(44c)。

微粒材料的平均粒子直径优选为入射到衍射光学元件上的光的波长(使用波长或设计波长)的1/4或更小(200nm或更小)。在粒子直径大于该范围的情况下，当这种微粒材料被混入树脂材料中时，光的散射可较大。

用于在其中混合上述微粒材料的树脂材料包含作为丙烯酸、氟、乙烯、环氧有机树脂中的任一种的紫外线固化树脂。

在本实施例中，作为一个例子使用丙烯酸树脂或氟树脂。

当图14的第一和第二衍射光栅的光栅部分的光栅间距为P并且它们的光栅厚度为d时，以下条件优选被满足：

d/P＜1/7...(45)。

条件式(45)规定构成衍射光学元件的光栅部分的形状(光栅间距和光栅厚度)。如果d/P的值比条件式(45)的上限高，那么斜入射光的衍射效率可由于光栅间距变得太小而劣化。

条件式(45)的满足导致便于在用于形成衍射光学元件的模具中加工光栅形状的优点。

更具体地，d/P满足以下条件：

d/P＜1/15...(45a)

如上所述，根据本实施例，具有适当的光栅厚度的两个衍射光栅由粒子分散材料和玻璃材料制成，由此可在较宽的波长范围上对于特定的衍射阶次(设计衍射阶次)的衍射光获得较高的衍射效率。并且，能够充分地抑制不必要衍射光的衍射光学元件可被实现。

与具有相同水平的性能和形状(光栅厚度)的衍射光学元件相比，其内部透射率也可被提高。

并且，由于作为接触二层DOE的配置，因此该元件可很容易地被制造。当这种衍射光学元件被使用时，具有很少的炫光的具有良好的光学性能的光学系统或光学装置可被实现。

以下说明具有满足上述关系的结构的衍射光学元件的更具体的实施例。

在图14中所示的衍射光学元件50中，第一衍射光栅56由用于玻璃成形的玻璃材料(由Sumita Optical Glass，Inc.制造，K-VC79(nd＝1.6097，vd＝57.8))制成。第二衍射光栅57由氟树脂和ITO粒子(微粒材料)的混合材料(nd＝1.5215，vd＝14.6))制成。第一和第二衍射光栅56和57的光栅部分的光栅厚度d是6.65μm。本例子被设计为使得图14的光栅部分56c和57c的光栅间距P为200μm并且光垂直入射到衍射光学元件50上到达第一光栅基部54。

图15A表示本实施例的衍射光学元件50中的一阶衍射光的衍射效率。衍射光学元件50的设计衍射阶次是一阶。图15B表示设计衍射阶次±1衍射阶次(零阶和二阶)的衍射光的衍射效率。这里注意，在图15A和图15B中，纵轴代表衍射效率(％)，横轴代表波长(nm)。以下的实施例同样如此。

从这些附图可以看出，与在以上的日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322、日本专利申请公开公报No.2000-98118和日本专利申请公开公报No.2003-227913中公开的衍射光学元件相比，本实施例的衍射光学元件50的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善。并且，根据本实施例的衍射光学元件50，作为不必要阶次的衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率被进一步降低，使得产生更少的炫光。

本实施例的衍射光学元件50具有比在日本专利申请公开公报No.2004-78166中公开的常规衍射光学元件小的总光栅厚度(在叠层的DOE中，为两个衍射光栅和空气层的厚度的总和)。

尽管如此，对于设计阶次衍射光(一阶衍射光)和不必要阶次的衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)，衍射光学元件50仍实现与常规的衍射光学元件相比相当或更好的性能。并且，本实施例的衍射光学元件50在整个可见波长范围上实现99.8％或更高的一阶衍射光的衍射效率，并充分地将不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率抑制到0.05％或更低。

以上仅对于作为设计衍射阶次±1衍射阶次的衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光评价不必要的衍射光的衍射效率。这是因为，随着光的衍射阶次远离设计衍射阶次，光对于炫光的贡献将减小。即，由于零阶和二阶衍射光导致的炫光的减少因此带来由于其它阶次衍射光导致的炫光的减少。原因如下。

在被设计为使得设计衍射阶次的衍射光被主要衍射的衍射光学元件中，随着光的衍射阶次远离设计衍射阶次，光的衍射效率降低，并且由这种衍射阶次的光形成的图像在成像面上相当模糊，由此使得它作为炫光是不明显的。

下面，图16表示作为用于玻璃成形的玻璃材料(K-VC79，材料1)和通过使氟树脂与ITO粒子混合获得的材料(材料2)的用于本实施例中的材料以及在上述日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的材料的可见波长范围中的折射率特性。在日本专利申请公开公报No.2000-98118中公开的材料是丙烯酸树脂1(nd＝1.523，vd＝51.1)和丙烯酸树脂2(nd＝1.636，vd＝23.0)。

在图16中，在用于本实施例中的材料1和材料2之间，折射率特性图的斜率看起来是不同的。但是，这些材料的折射率相对于波长的变化基本上恒定地变化。

另一方面，虽然日本专利申请公开公报No.2000-98118的丙烯酸树脂1的折射率相对于波长的变化基本上恒定地变化，但丙烯酸树脂2的变化率在短波长侧较大。

这是因为，日本专利申请公开公报No.2000-98118仅提到vd＝(nd-1)/(nF-nC)作为材料性能，这里，nF、nd和nC分别是对于F线、d线和C线的折射率，Abbe数vd是仅定义d线附近的折射率变化的平均斜率的值。在叠层衍射光学元件的情况下，Abbe数(vd)特性是适于在保持叠层衍射光学元件的小光栅厚度的同时与单层DOE相比提高衍射效率的评价量。

但是，本实施例目的是与日本专利申请公开公报No.2000-98118的衍射光学元件相比进一步提高衍射效率。因此，仅代表折射率的平均变化的Abbe数(vd)特性作为评价量是不够的。

那么，在实施例中，对于g线和F线的部分分散比θg，F以及对于g线和d线的部分分散比θg，d被用作新的评价量。当nF、nC和ng分别是对于F线、C线和g线的折射率时，部分分散比θg，F可表示为θg，F＝(ng-nF)/(nF-nC)。

当nF、nd、nC和ng分别是对于F线、d线、C线和g线的折射率时，部分分散比θg，d可表示为θg，d＝(ng-nd)/(nF-nC)。这些表达式代表短波长侧的折射率变化和长波长侧的折射率变化之间的比率。

本实施例的材料1具有θg，F＝0.54和θg，d＝1.24。材料2具有θg，F＝0.38、θg，d＝1.00，它们小于材料1的值。

同时，日本专利申请公开公报No.2000-98118的丙烯酸树脂1具有θg，F＝0.58、θg，d＝1.28，并且丙烯酸树脂2具有θg，F＝0.68、θg，d＝1.40。虽然丙烯酸树脂1的θg，F和θg，d与本实施例的材料1差别不大，但丙烯酸树脂2的θg，F和θg，d比本实施例的材料2大。

因此，可以说，本实施例的材料的组合在整个使用波长范围上相对于波长变化各材料的折射率变化更加恒定，并提供更高的衍射效率。

在在常规的衍射光学元件中提出的玻璃材料和树脂材料的一般组合的情况下，当衍射光栅具有约6.65μm的厚度时，难以在整个可见波长范围上实现99.8％或更高的较高的衍射效率。

以下说明第一和第二材料的内部透射率。

图17表示本实施例中的内部透射率。这里的内部透射率是第一和第二材料(材料1和材料2)的实际内部透射率和衍射效率的乘积的结果。对于以下的实施例同样如此。在图17中，纵轴代表内部透射率(％)，横轴代表波长(nm)。

在本实施例中，作为计算条件，光栅部分的光栅厚度d为6.65μm，材料1的光栅基部的厚度h1为10mm，材料2的光栅基部的厚度h2为5μm。

从图17可以看出，可以在整个可见波长范围上实现约75％或更高的良好的透射率。这里注意，表达式(44)中的450nm、550nm和650nm的波长的平均内部透射率也示出约86.6％的有利的值。

与上述的日本专利申请公开公报No.9(1997)-127322、日本专利申请公开公报No.2000-98118、日本专利申请公开公报No.2004-78166、日本专利申请公开公报No.2005-107298和日本专利申请公开公报No.2003-227913不同，本实施例使用上述材料1和2，由此在保持较高的衍射效率的同时实现具有相同的光栅图案的第一和第二衍射光栅56和57的光栅部分在它们的光栅表面上相互接触的接触二层DOE。

由此，不需要以较高的精度对准第一和第二衍射光栅56和57，由此有利于它们的制造。

上述实施例说明了如图13和图14所示的包含设置在平板上的衍射光栅56和57的衍射光学元件。但是，作为平板的替代，衍射光栅可被设置在透镜的诸如凸面或凹面的曲面上，从中可获得与本实施例类似的效果。

虽然本实施例说明了设计衍射阶次是一阶的衍射光学元件，但设计衍射阶次不限于一阶。即使在一阶以外的二阶或三阶等的衍射光的情况下，也可通过将衍射光栅的光路长度差的合成值设为希望的设计衍射阶次中的希望的设计波长获得与本实施例类似的效果。

[实施例7]

以下说明实施例7。基本上，本实施例的衍射光学元件具有与实施例6相同的断面形状。

即，本实施例的衍射光学元件具有图13和图14所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例6共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件50中，图14的第一衍射光栅56由用于玻璃成形的玻璃材料(由Sumita Optical Glass，Inc.制造，K-LaFK60(nd＝1.6325，vd＝63.8))制成。第二衍射光栅57由丙烯酸树脂和ITO粒子(微粒材料)的混合材料(nd＝1.5652，vd＝19.7))制成。第一和第二衍射光栅56和57的光栅部分56c和57c具有8.75μm的相同的厚度d。本例子也被设计为使得图14的光栅部分56c和57c的光栅间距P为200μm并且光垂直入射到衍射光学元件50上到达第一光栅基部54。

图18A表示本实施例的衍射光学元件50中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次是一阶。图18B表示设计衍射阶次±1衍射阶次(零阶和二阶)的衍射光的衍射效率。

与实施例6的衍射光学元件50类似，本实施例的衍射光学元件50的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.7％或更高，并且，不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.09％或更低。当如在常规的衍射光学元件中那样使用玻璃材料和树脂材料的一般组合时，如果光栅部分具有约8.75μm的厚度，那么难以在整个可见波长范围上实现99.7％或更高的较高的衍射效率。

图19表示本实施例中的内部透射率。在本实施例中，作为计算条件，光栅部分的光栅厚度d为8.75μm，材料1的光栅基部的厚度h1为10mm，材料2的光栅基部的厚度h2为5μm。从图19可以看出，可以在整个可见波长范围上实现约75％或更高的良好的透射率。

这里注意，表达式(44)中的450nm、550nm和650nm的波长的平均内部透射率也示出约88.4％的有利的值，这优于实施例6。

[实施例8]

以下说明实施例8。基本上，本实施例的衍射光学元件具有与实施例6和7相同的断面形状。

即，本实施例的衍射光学元件具有图13和图14所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例6共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件50中，图14的第一衍射光栅56由用于玻璃成形的玻璃材料(由Sumita Optical Glass，Inc.制造，K-VC78(nd＝1.6691，vd＝55.4))制成。第二衍射光栅57由丙烯酸树脂和ITO粒子(微粒材料)的混合材料(nd＝1.5836，vd＝16.0))制成。第一和第二衍射光栅56和57的光栅部分56c和57c具有6.86μm的相同的厚度d。本例子也被设计为使得图14的光栅部分56c和57c的光栅间距P为200μm并且光垂直入射到衍射光学元件50上到达第一光栅基部54。

图20A表示本实施例的衍射光学元件50中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次是一阶。

图20B表示设计衍射阶次±1衍射阶次(零阶和二阶)的衍射光的衍射效率。与实施例6的衍射光学元件50类似，本实施例的衍射光学元件50的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.8％或更高，并且，不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.04％或更低。顺便说一句，当如在常规的衍射光学元件中那样使用玻璃材料和树脂材料的一般组合时，如果光栅部分具有约6.86μm的厚度，那么难以在整个可见波长范围上实现99.8％或更高的较高的衍射效率。

图21表示本实施例中的内部透射率。在本实施例中，作为计算条件，光栅部分的光栅厚度d为6.86μm，材料1的光栅基部的厚度h1为10mm，材料2的光栅基部的厚度h2为5μm。

从图21可以看出，可以在整个可见波长范围上实现约73％或更高的良好的透射率。这里注意，表达式(44)中的450nm、550nm和650nm的波长的平均内部透射率也示出约85.3％的有利的值。

[实施例9]

以下说明实施例9。基本上，本实施例的衍射光学元件具有与实施例6～8相同的断面形状。

即，本实施例的衍射光学元件具有图13和图14所示的结构。因此，相同的附图标记被分配给与实施例6共同的部件，它们的详细解释将被省略，并且以下的说明将针对不同之处。

在本实施例的衍射光学元件50中，图14的第一衍射光栅56由用于玻璃成形的玻璃材料(由Sumita Optical Glass，Inc.制造，K-PFK80(nd＝1.4970，vd＝81.5))制成。第二衍射光栅57由丙烯酸树脂和ITO粒子(微粒材料)的混合材料(nd＝1.4591，vd＝28.2))制成。第一和第二衍射光栅56和57的光栅部分56c和57c具有15.6μm的相同的厚度d。本例子也被设计为使得图14的光栅部分56c和57c的光栅间距P为200μm并且光垂直入射到衍射光学元件50上到达第一光栅基部54。

图33A表示本实施例的衍射光学元件50中的一阶衍射光的衍射效率。设计衍射阶次是一阶。

图33B表示设计衍射阶次±1衍射阶次(零阶和二阶)的衍射光的衍射效率。

与实施例6的衍射光学元件50类似，本实施例的衍射光学元件50的作为设计阶次衍射光的一阶衍射光的衍射效率得到改善，并且，作为不必要衍射光的零阶衍射光和二阶衍射光的衍射效率被降低，使得产生更少的炫光。

更具体地，一阶衍射光的衍射效率在整个可见波长范围上为99.1％或更高，并且，不必要阶次衍射光(零阶衍射光和二阶衍射光)的衍射效率被充分抑制到0.29％或更低。当如在常规的衍射光学元件中那样使用玻璃材料和树脂材料的一般组合时，如果光栅部分具有约15.6μm的厚度，那么难以在整个可见波长范围上实现99.1％或更高的较高的衍射效率。

图34表示本实施例中的内部透射率。在本实施例中，作为计算条件，光栅部分的光栅厚度d为15.9μm，材料1的光栅基部的厚度h1为10mm，材料2的光栅基部的厚度h2为5μm。

从图34可以看出，可以在整个可见波长范围上实现约87％或更高的良好的透射率。这里注意，表达式(44)中的450nm、550nm和650nm的波长的平均内部透射率也示出约93.5％的有利的值。

表2表示关于实施例6～9中说明的衍射光学元件的上述条件式(31)～(45)的数值。

如上所述，在实施例6～9中，材料1和材料2的对于g线和F线的部分分散比θg，F以及对于g线和d线的部分分散比θg，d被适当地设定，并且这种材料1和材料2被用于构成接触二层DOE。

由此，能够在入射光的整个波长范围(使用波长范围)上保持特定衍射阶次(设计衍射阶次)的衍射光的较高的衍射效率同时能够充分地抑制导致炫光的不必要衍射光的衍射光学元件可被实现。

与具有相同水平的性能和形状(光栅厚度)的衍射光学元件相比，其内部透射率也可被提高。并且，由于作为接触二层DOE的配置，因此可例如获得有利于其制造的优点。

这里应当注意，衍射光学元件的形状、特别是图13和图14中所示的光栅部分的形状仅是示例性的，其它的形状也可被使用。

衍射光栅不限于两层，并且可包含三个或更多个层。

在这种情况下，衍射光栅可被设置在光栅基部中的至少一个上。

在第一和第二元件部分中，由另一完全独立的衍射光栅制成的光栅部分可被设置。

根据上述实施例，能够在较宽的波长范围上保持特定衍射阶次(设计衍射阶次)的衍射光的较高的衍射效率同时能够充分地抑制不必要衍射光的衍射光学元件可被实现。并且，由于作为接触二层DOE的配置，因此可以很容易地制造该元件。当这种衍射光学元件被使用时，具有很少的炫光的良好的光学性能的光学系统和光学装置可被实现。

[实施例10]

实施例1～9中说明的衍射光学元件可被用于以下目的。

图9A表示包含实施例1～9的衍射光学元件的在诸如静态照相机或摄像机的图像拾取装置(光学装置)200中被用作图像拾取光学系统的光学系统的配置。

在图9A中，附图标记101表示主要由折射光学元件(例如，普通的透镜元件)构成的图像拾取光学系统。在图像拾取光学系统101内具有孔径光阑102和在实施例1～9中说明的衍射光学元件10(或50)。附图标记103表示设置在图像拾取光学系统101的图像形成面上的诸如胶片或图像拾取元件的感光构件。使用的图像拾取元件包含诸如CCD传感器或CMOS传感器的光电转换元件。

如上所述，衍射光学元件10(50)用作透镜，并校正由图像拾取光学系统101中的折射光学元件导致的色差。如实施例1～9所述，衍射光学元件10(50)与常规的元件相比具有大大提高的衍射效率特性。因此，具有炫光少并且低频上的分辨力高的良好的光学性能的图像拾取光学系统和图像拾取装置可被实现。

由于实施例1～9中所述的衍射光学元件10(50)是没有空气层的接触二层DOE，因此它可很容易地被制造，并且图像拾取光学系统的生产率可被有效提高。

应当注意，在图9A中，衍射光学元件10(50)被设置在放置在孔径光阑102附近的平板玻璃面上，但是，可设置衍射光学元件10(50)的位置不限于此。如前面解释的那样，还能够在透镜元件的凹面或凸面上设置衍射光学元件10(50)。还能够在图像拾取光学系统内设置多个衍射光学元件10(50)。

图9A表示被用于图像拾取装置的图像拾取光学系统的实施例1～9的衍射光学元件10(50)。但是，衍射光学元件10(50)可被用于用于较宽的波长范围的图像形成光学系统，诸如办公机器(光学装置)的图像扫描仪或数字复印机的读取器透镜(reader lens)。在这种情况下，具有炫光少并且低频分辨力高的良好的光学性能的图像形成光学系统和办公机器可被实现。

[实施例11]

图9B表示包含实施例1～9所述的衍射光学元件的被安装在诸如双筒望远镜的观察装置(光学装置)300上的观察光学系统的结构。

在图9B中，附图标记104表示物镜，105表示用于使由物镜104形成的倒立图像正立的棱镜。附图标记106表示目镜，107表示评价面107(瞳孔面)。观察者可通过将他/她的眼睛放在评价面上通过目镜106观察物体。

物镜104包含在实施例1～9中说明的衍射光学元件10(50)。设置衍射光学元件10是出于校正物镜104的图像形成面103上的色差或其它偏差的目的。

如已在实施例1～9中解释的那样，与常规的衍射光学元件相比，衍射光学元件10(50)的衍射效率特性被大大提高。因此，具有炫光少并且低频分辨力高的良好的光学性能的观察光学系统和观察装置可被实现。

由于实施例1～9中所述的衍射光学元件10(50)是没有空气层的接触二层DOE，因此它可很容易地被制造，并且观察光学系统的生产率可被有效提高。

应当注意，在图9B中，衍射光学元件10(50)被设置在配置在构成物镜104的透镜元件附近的平板玻璃面上，但是，可设置衍射光学元件10(50)的位置不限于此。如前面解释的那样，还能够在透镜元件的凹面或凸面上设置衍射光学元件10(50)。还能够在观察光学系统内设置多个衍射光学元件10(50)。

并且，图9B示出衍射光学元件10(50)被设置在物镜104内的情况，但是，它也可被设置在棱镜105的光学表面上或目镜106内，从中可获得与上述效果类似的效果。

但是，将衍射光学元件10(50)设置在与图像形成面103相比更接近物体的位置上会提供减少在物镜104上产生的色差的效果。因此，在观察光学系统用于肉眼的情况下，希望衍射光学元件10(50)至少被设置在物镜104中。

并且，除了用于图9B所示的双筒望远镜的观察光学系统中以外，实施例1～9所述的衍射光学元件10(50)也可被设置在诸如望远镜或照相机的光学取景器的观察光学系统中。在这种情况下，也可获得与上述效果类似的效果。

并且，本发明不限于这些优选的实施例，在不背离本发明的范围的条件下，可以提出各种变化和变更方式。

[表1]

[表2]

条件式	实施例6	实施例7	实施例8	实施例9
					(31)	1.6097	1.6325	1.6691	1.4970
(32)	57.8	63.8	55.4	81.5
					(33)	0.54	0.54	0.55	0.54
(34)	1.24	1.24	1.24	1.23
					(35)	1.5215	1.5652	1.5836	1.4591
(36)	14.6	19.7	16.0	28.2
					(37)	0.38	0.41	0.39	0.43
(38)	1.00	1.04	1.01	1.08
					(39)	0.09	0.07	0.09	0.04
(40)	1.77	1.77	1.77	1.77
					(41)	6.8	6.8	6.8	6.8
(42)	6.65	8.75	6.86	15.56
					(43)	1.001	1.002	1.001	1.004
(44)	0.866	0.884	0.853	0.935
					(45)	0.03	0.04	0.03	0.08

Claims (11)

1.一种衍射光学元件，包含：

分别由第一材料和第二材料制成的两个衍射光栅，这两个衍射光栅分别具有光栅表面并在光栅表面上相互接触，

其中，第一和第二材料满足以下所有的条件，并且第二材料是通过将树脂材料与满足以下所有的条件的微粒材料混合获得的材料：

nd1≥1.48

vd1≥40

(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.675)≤θg，F1≤(-1.665E-07×vd1³+5.213E-05×vd1²-5.656E-03×vd1+0.825)

(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.400)≤θg，d1≤(-1.687E-07×vd1³+5.702E-05×vd1²-6.603E-03×vd1+1.580)

nd2≤1.6

vd2≤30

θg，F2≤(-1.665E-07×vd2³+5.213E-05×vd2²-5.656E-03×vd2+0.675)

θg，d2≤(-1.687E-07×vd2³+5.702E-05×vd2²-6.603E-03×vd2+1.400)

nd1-nd2＞0

ndb2≥1.70

vdb2≤20

这里，ng1、nF1、nd1和nC1分别是第一材料对于g线、F线、d线和C线的折射率，

ng2、nF2、nd2和nC2分别是第二材料对于g线、F线、d线和C线的折射率，并且，

nFb2、ndb2和nCb2分别是微粒材料对于F线、d线和C线的折射率，并且，

vd1＝(nd1-1)/(nF1-nC1)

vd2＝(nd2-1)/(nF2-nC2)

θg，F1＝(ng1-nF1)/(nF1-nC1)

θg，d1＝(ng1-nd1)/(nF1-nC1)

θg，F2＝(ng2-nF2)/(nF2-nC2)

θg，d2＝(ng2-nd2)/(nF2-nC2)

vdb2＝(ndb2-1)/(nFb2-nCb2)。

2.根据权利要求1的衍射光学元件，

其中，第一和第二材料还满足以下所有的条件：

m(λF)＝{d×(nF1-nF2)}/λF

m(λd)＝{d×(nd1-nd2)}/λd

m(λC)＝{d×(nC1-nC2)}/λC

d≤20

0.92≤{m(λF)+m(λd)+m(λC)}/3≤1.08

这里，λF、λd和λC分别是F线、d线和C线的波长，

m(λF)是通过将对于F线的波长的作为设计阶次衍射光的m阶衍射光的各衍射光栅的凸部和凹部之间的光路长度差除以F线的波长获得的值，

m(λd)是通过将对于d线的波长的m阶衍射光的各衍射光栅的凸部和凹部之间的光路长度差除以d线的波长获得的值，

m(λC)是通过将对于C线的波长的m阶衍射光的各衍射光栅的凸部和凹部之间的光路长度差除以C线的波长获得的值，并且，

d(μm)是衍射光栅的光栅厚度。

3.根据权利要求1的衍射光学元件，

其中，第一材料是通过将树脂材料与满足以下所有的条件的微粒材料混合获得的材料：

ndb1≥1.65

vdb1≥35

这里，ndb1是微粒材料对于d线的折射率，并且，

vdb1＝(ndb1-1)/(nFb1-nCb1)

这里，nFb1和nCb1分别是微粒材料对于F线和C线的折射率。

4.根据权利要求3的衍射光学元件，

其中，微粒材料的平均粒子直径等于或小于入射到衍射光学元件上的光的波长的1/4。

5.根据权利要求1的衍射光学元件，

其中，第一材料是其中没有混合微粒材料的树脂材料。

6.根据权利要求1的衍射光学元件，

其中，第一材料是玻璃材料。

7.根据权利要求6的衍射光学元件，

其中，玻璃材料具有等于或低于600℃的变形点。

8.根据权利要求7的衍射光学元件，

其中，元件还满足以下条件：

(T1(λ1)×T2(λ1)×η(λ1)+T1(λ2)×T2(λ2)×η(λ2)+T1(λ3)×T2(λ3)×η(λ3))/3≥0.70

这里，λ1、λ2和λ3分别是450nm、550nm和650nm的波长，

η(λ1)、η(λ2)和η(λ3)分别是在波长λ1、λ2和λ3的衍射效率，

T1(λ1)、T1(λ2)和T1(λ3)分别是第一材料的在波长λ1、λ2和λ3的内部透射率，并且，

T2(λ1)、T2(λ2)和T2(λ3)分别是第二材料的在波长λ1、λ2和λ3的内部透射率。

9.根据权利要求1的衍射光学元件，

其中，元件还满足以下条件：

d/P＜1/7

这里，P和d分别是衍射光栅的光栅间距和光栅厚度。

10.一种包含根据权利要求1的衍射光学元件的光学系统。

11.一种包括包含根据权利要求1的衍射光学元件的光学系统的光学装置。

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