CN101533115B - 衍射光学元件、光学系统和光学装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种衍射光学元件、光学系统和光学装置。该衍射光学元件包括：第一衍射光栅和第二衍射光栅，其由彼此不同的材料形成，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅被层叠，从而在它们之间不提供任何空气层。所述衍射光学元件满足条件：nd1＜nd2，vd1＜vd2，1.65≤nd1，vd1≤20，1.73≤nd2以及15≤vd2≤60，其中，nd1和vd1分别表示第一衍射光栅的材料相对于d线的折射率和Abbe常数，以及nd2和vd2分别表示所述第二衍射光栅的材料相对于d线的折射率和Abbe常数。所述元件能够减少因斜入射光导致的衍射效率的劣化，以改进使用波长范围中的设计级的光的衍射效率。

Description

衍射光学元件、光学系统和光学装置
技术领域
本发明涉及一种衍射光学元件，具体地说，涉及一种具有如下结构的衍射光学元件，在所述结构中，由彼此不同的材料所形成的衍射光栅被层叠。
背景技术
用于减少透镜系统中的色差的方法包括这样的方法，在该方法中，将衍射光学元件提供给透镜的表面或透镜系统的一部分。这种使用衍射光学元件的方法利用了这样的物理现象：由光学系统中的折射表面和衍射表面在彼此相反的方向上生成对于特定基准波长的光线的色差。此外，衍射光学元件能够通过改变其周期性结构的周期而提供作为非球面透镜的效果，这样带来的效果是：不仅减少了色差，而且还减少了除了色差之外的像差。
在包括衍射光学元件的光学系统中在使用波长范围中的光束(light flux)主要包括某个特定级(order)(下文中称为“特定级”或“设计级”)的衍射光的情况下，除了设计级之外的级的衍射光的强度是低的。强度0表示不存在的衍射光。
然而，在现实中，在存在除了设计级之外的级的非必要衍射光并且它们具有高强度的情况下，非必要衍射光沿着不同于设计级的衍射光的路径传播通过光学系统，从而变为闪光。因此，为了利用衍射光学元件的像差减少效应，要求设计级的衍射光的衍射效率在整个使用波长范围中足够高。此外，重要的是，充分考虑设计级的衍射光的衍射效率的谱分布以及除了设计级之外的其它级的非必要衍射光的行为。
日本专利No.3717555、日本专利公布No.11-271513、日本专利公布No.2003-227913、以及日本专利公布No.2005-107298(下文中分别称为文献I至IV)公开了具有如下结构的衍射光学元件，在所述结构中，改进其衍射效率以减少非必要衍射光。文献I至IV中公开的衍射光学元件中的每一个是这样的衍射光学元件，在该衍射光学元件中，两个衍射光栅被层叠从而在它们之间不提供任何空气层(或间隙、或空间)。这样的衍射光学元件下文中称为“接触式两层DOE”。在文献I至IV中，实现了一种衍射光学元件，其通过适当地设置形成各个衍射光栅的材料以及分别具有斜表面和侧表面的光栅部分的高度(光栅高度)而在宽波长范围中对于特定级的衍射光具有还算高的衍射效率。由每一级的衍射光的量相对于全部透射光束的量的百分比来表示衍射效率。
然而，在文献I至IV中，仅考虑了衍射光栅的斜表面的影响，但未考虑衍射光栅的侧表面的影响。因此，特定级(设计级)的衍射效率并不足够高。
发明内容
本发明提供一种衍射光学元件，其能够在考虑衍射光栅的侧表面的影响的情况下，减少由于斜入射光而导致的衍射效率的劣化，以在使用波长范围中改进设计级的衍射效率。
作为本发明一个方面，本发明提供了一种衍射光学元件，其包括：第一衍射光栅和第二衍射光栅，其由彼此不同的材料形成，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅被层叠，从而在它们之间不提供任何空气层。所述衍射光学元件满足以下条件：nd1＜nd2νd1＜νd21.65≤nd1，νd1≤201.73≤nd2，15≤νd2≤60。
其中，nd1和νd1分别表示所述第一衍射光栅的材料相对于d线的折射率和Abbe常数，以及nd2和νd2分别表示所述第二衍射光栅的材料相对于d线的折射率和Abbe常数。
作为本发明的另一方面，本发明提供了一种光学系统，所述光学系统包括上述衍射光学元件和折射光学元件。
作为本发明又一方面，本发明提供了一种光学装置，所述光学装置包括上述光学系统。
本发明的其它方面将从以下描述和附图而变得清楚。
附图说明
图1示出作为本发明实施例1的衍射光学元件的前视图和侧视图。
图2是示出实施例1的衍射光学元件的结构的截面图。
图3是示出实施例1的衍射光学元件的衍射效率的曲线图。
图4是示出用于制造实施例1的衍射光学元件的方法的示图。
图5是示出实施例2的衍射光学元件的衍射效率的曲线图。
图6是示出实施例3的衍射光学元件的衍射效率的曲线图。
图7是示出实施例4的衍射光学元件的衍射效率的曲线图。
图8是示出实施例5的衍射光学元件的衍射效率的曲线图。
图9是示出实施例1至实施例5的衍射光学元件的材料的nd-νd特性的示图。
图10是示出实施例1至实施例5的衍射光学元件的材料的nd-θgF特性的示图。
图11是作为本发明实施例6的图像拍摄光学系统的示意图。
图12是作为本发明实施例7的观测光学系统的示意图。
具体实施方式
下文中将参照附图描述本发明示例性实施例。
[实施例1]
图1示出作为本发明第一实施例(实施例1)的衍射光学元件的前视图和侧视图。图2示出沿着图1的直线A-A′切割的图1所示的衍射光学元件的截面的一部分。图2在光栅高度(或深度)方向上(也就是在图中的水平方向上)对衍射光学元件进行变形，以使得其光栅形状能够清楚地理解。
在图1和图2中，衍射光学元件1是接触式两层DOE，其具有其中第一衍射光栅2和第二衍射光栅3被层叠从而在它们的光栅表面之间不提供任何空气层(或间隙、或空间)的结构。术语“从而在光栅表面之间不提供任何空气层”可以被重新表述为“从而使得光栅表面彼此接触”。所述第一衍射光栅2和第二衍射光栅3充当一个衍射光学元件。
标号2b表示形成第一衍射光栅2的光栅部分，标号2a表示在其上形成多个光栅部分2b的基底部分。标号3b表示形成第二衍射光栅3的光栅部分，标号3a表示在其上形成多个光栅部分3b的基底部分。多个光栅部分2b和光栅部分3b同心地形成在相应的第一衍射光栅2和第二衍射光栅3中。从中心部分朝向外围部分逐渐减少光栅部分2b和光栅部分3b的间距给衍射光学元件1带来透镜效果(会聚效果或发散效果)。光栅部分的间距下文中称为“光栅间距”。此外，标号2c和3c表示光栅部分2b和光栅部分3b的斜表面(下文中称为“光栅斜表面”)，标号2d和3d表示光栅部分2b和光栅部分3b的侧表面(下文中称为“光栅侧表面”)。光栅斜表面和光栅侧表面也统称为“光栅表面”。
在本实施例中，衍射光学元件1在基底表面上形成为平板形状，所述基底表面是平坦表面。然而，在其上形成衍射光学元件的基底表面不限于平坦表面，并且可以是球面表面或非球面表面。
此外，当由P(μm)来表示光栅部分2b和光栅部分3b的光栅间距，并且由d(μm)来表示光栅部分2b和光栅部分3b的光栅高度(也称为“光栅厚度”)时，衍射光栅2和衍射光栅3中的每一个满足条件：d/P＜1/6。满足该条件使得容易制造光栅部分2b和光栅部分3b的形状。
此外，本实施例中的衍射光学元件1的使用波长范围(也称为“设计波长范围”)是可见光波长范围。选择形成第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的材料(彼此不同的材料)以及它们的光栅高度，从而在整个可见光波长范围中+1级的衍射光的衍射效率(下文中称为“+1级衍射光”)是高的。也就是说，确定第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的材料和光栅高度，从而在使用波长范围内，穿过第一衍射光栅2和第二衍射光栅3中的每一个的光的最大光路长度差等于或接近于光波长的整数倍。最大光路长度差与在光栅部分2b和光栅部分3b中分别穿过峰顶部和谷底部的光线的光路长度之间的差对应。适当地设置第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的材料和形状使得能够在整个使用波长范围中提供高的衍射效率。
接下来，将描述本实施例中的衍射光学元件1的衍射效率。首先，将描述通过使用传统标量衍射理论计算获得的衍射效率。
在接触式两层DOE中，使得在设计波长(或使用波长)λ处的某个级的衍射光的衍射效率最大的条件是：确定整个衍射光栅中的各个光栅部分的最大光路长度差，从而通过将最大光路长度差相加而获得的值是设计波长的整数倍。相应地，衍射级为m的衍射光的衍射效率相对于垂直进入图2所示的第一衍射光栅2的基底表面并且波长是设计波长λ的光线被最大化的条件是：±(n01-n02)d＝mλ  (1)。
在表达式(1)中，n01表示在形成第一衍射光栅2的材料的设计波长λ处的折射率，n02表示在形成第二衍射光栅3的材料的设计波长λ处的折射率。此外，d表示第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的光栅高度，m是衍射级。
下文中，从图2所示的0级衍射光朝下衍射的光线的衍射级被定义为正衍射级，而从0级衍射光朝上衍射的光线的衍射级被定义为负衍射级。
表达式(1)中的光栅高度d的正负号如下。在第一衍射光栅2的材料的折射率n01和第二衍射光栅3的材料的折射率n02的关系是n01＜n02，并且第一衍射光栅2的光栅高度在图2中从下侧朝向上侧增加(换句话说，第二衍射光栅3的光栅高度减少)的情况下，光栅高度d的符号为负。与之对照，在折射率n01和n02的关系是n01＞n02，并且第一衍射光栅2的光栅高度在图2中的从下侧朝向上侧减少(换句话说，第二衍射光栅3的光栅高度增加)的情况下，光栅高度d的符号为正。也就是说，于在图2所示的结构中折射率n01和n02的关系是n01＜n02的情况下，表达式(1)重新写为：(n02-n01)d＝mλ  (2)。在图2所示的结构中，在设计波长(使用波长)λ处的衍射效率η(λ)可以表示为：η(λ)＝sinc2[π{m-(n02-n01)d/λ}]＝sinc2[π{m-φ0/λ}](3)。其中，表达式(3)中的φ0是：φ0＝(n02-n01)d  (4)。d表示光栅部分2b和光栅部分3b的光栅高度。
当设计级是+1级，并且设计波长是d线的波长时，衍射效率取决于表达式(4)，这可从表达式(3)得到理解，并且表达式(4)中的折射率差(n02-n01)与光栅高度d的乘积满足表达式(2)的关系。可以理解，表达式(2)和(4)中的折射率项并不取决于折射率的绝对值，而是取决于折射率差。因此，在例如光栅高度固定为10μm的情况下，如果折射率差是0.058756，则衍射效率达到100％，并且因此，衍射效率不取决于折射率的绝对值。
文献I至IV中的每一篇使用标量衍射理论计算计算衍射光学元件的衍射效率，以执行设计评估。标量衍射理论计算已知作为一种计算方法，通过该计算方法，当衍射光栅的光栅间距充分大于进入光的波长时，可以精确地计算衍射效率。然而，标量衍射理论计算仅采用考虑了因衍射光栅的光栅斜表面而导致的衍射现象，但未考虑光栅侧表面的影响。由于实际衍射光学元件不仅具有光栅斜表面，而且还具有光栅侧表面，因此必须考虑光栅侧表面的影响。因此，在文献I至IV中的每一篇中公开的衍射效率是在不考虑衍射光栅的光栅侧表面的影响的情况下计算的值。
因此，本实施例使用严格电磁计算，严格电磁计算是这样一种方法：通过该方法可以在考虑衍射光栅的光栅侧表面的影响的情况下计算衍射效率。严格电磁计算能够通过对麦克斯韦方程进行数值求解而严格计算在任何形状结构中的各个级的透射的衍射光和反射的衍射光的衍射效率。
传统地，严格电磁计算频繁用于光栅间距小于进入光的波长的情况，该情况使得标量衍射理论计算中的精度劣化。然而，甚至当光栅间距充分大于进入光的波长时，严格电磁计算也能够确定严格衍射效率。此外，由于严格电磁计算能够计算任何形状的结构中的衍射效率，因此严格电磁计算能够在考虑标量衍射理论计算中未考虑的光栅侧表面的影响的情况下计算衍射效率。因此，发明人使用严格电磁计算中包括的RCWA(严格耦合波分析)计算衍射效率。表1和表2示出在参数彼此不同的四种类型(类型1至4)的衍射光学元件中的通过标量衍射理论计算和RCWA的衍射效率的计算结果。[表1]
  衍射光学元件   类型1   类型2   类型3   类型4
  入射角(deg)   0   0   0   0
  波长(nm)   587.56   587.56   587.56   587.56
  第一衍射光栅材料n01   1.341244   1.541244   1.741244   1.941244
  第二衍射光栅材料n02   1.400000   1.600000   1.800000   2.000000
  折射率差n01-n02   0.058756   0.058756   0.058756   0.058756
  光栅高度(μm)   10   10   10   10
  光栅间距(μm)   100   100   100   100
  +1级衍射效率(％)(标量衍射理论计算) 100 100 100 100
  +1级衍射效率(％)(RCWA)   98.59   98.68   98.73   98.82
[表2]
  衍射光学元件   类型1   类型2   类型3   类型4
  入射角(deg)   0   0   0   0
  波长(nm)   587.56   587.56   587.56   587.56
  第一衍射光栅材料n01   1.341244   1.541244   1.741244   1.941244
  第二衍射光栅材料n02   1.400000   1.600000   1.800000   2.000000
  折射率差n01-n02   0.058756   0.058756   0.058756   0.058756
  光栅高度(μm)   10   10   10   10
  光栅间距(μm)   200   200   200   200
  +1级衍射效率(％)(标量衍射理论计算) 100 100 100 100
  +1级衍射效率(％)(RCWA)   99.29   99.41   99.70   99.88
在计算衍射光学元件1至4的衍射效率的计算条件中，第一衍射光栅和第二衍射光栅的材料的折射率彼此不同，但其折射率差是相同的。此外，在其它计算条件中，0度入射角和10μm光栅高度在表1和表2中是共同的，并且表1中的光栅间距是100μm，表2中的光栅间距是200μm。
在RCWA中充当计算参数的计算级等于或大于如下级，所述级的非必要衍射光充分收敛到零，并且因为作为计算误差生成根据级别的数量的衍射光，所以级别的数量(衍射光栅的所划分的阶的数量)等于或大于计算级。
在表1和表2中，通过标量衍射理论计算而获得的衍射效率达到100％。与之对照，在根据RCWA的计算结果中，由所有透射的衍射光的衍射效率之和所归一化的+1级衍射光的衍射效率未达到100％。此外，在衍射光学元件1至4中的+1级衍射光的衍射效率之中，在其中将材料折射率绝对值较高的材料进行组合的衍射光学元件中，衍射效率较高。此外，光栅间距为200μm的衍射光学元件提供比光栅间距为100μm的衍射光学元件更高的+1级衍射光的衍射效率。这是因为随着光栅间距增加，光栅侧表面对于衍射效应的贡献减少。因此，在图1所示的衍射光学元件中，光栅侧表面的贡献级别在具有较大的光栅间距的中心部分较低。
此外，在光栅间距为100μm和200μm的这两种情况下，其中将材料折射率绝对值较高的材料进行组合的衍射光学元件对于+1级衍射光提供较高的衍射效率。也就是说，其中将材料折射率绝对值较高的材料进行组合的衍射光学元件在整个衍射光学元件中具有较高的衍射效率。
因此，由于在标量衍射理论计算中衍射效率取决于折射率差，因此其折射率相同的衍射光学元件的衍射效率的计算结果是相同的。然而，可以理解，在还考虑了光栅侧表面的影响的严格电磁计算中，具有较高折射率的材料的组合的衍射光学元件对于+1级衍射光具有较高的衍射效率。此外，具有比在其中心部分更小的光栅间距的衍射光学元件的外围部分在+1级衍射光的衍射效率上具有更大的光栅侧表面的影响。
如上所述，作为形成接触式两层DOE的衍射光栅2和衍射光栅3的材料，优选的是，使用具有尽可能高的折射率的材料的组合。具体地说，优选的是，第一衍射光栅2的材料相对于d线的折射率nd1等于或大于1.65，第二衍射光栅3的材料相对于d线的折射率nd2等于或大于1.73，并且nd2大于nd1。
也就是说，优选的是，满足以下条件：nd1＜nd21.65≤nd11.73≤nd2。
如果不满足这些条件，则+1级衍射光的衍射效率可能降低，并且非必要衍射光的衍射效率可能增加。在本实施例中的衍射光学元件1用于相机的图像拍摄光学系统中的情况下，满足以上条件可以避免非必要衍射光影响高强度光源(例如太阳)下进行图像拍摄所获得的图像或通过长时间曝光所获得的图像。毋庸置疑，更优选的是，组合具有更高折射率的材料。这在稍后将描述的其它实施例中是相同的。
接下来，将描述本实施例中的衍射光学元件1的数值示例。各个衍射光栅的材料和光栅高度不受限于本数值示例。这在稍后将描述的其它实施例的数值示例中是相同的。
在本数值示例中，紫外线固化树脂用作第一衍射光栅2的材料，玻璃用作第二衍射光栅3的材料。具体地说，紫外线固化树脂PVCz(nd＝1.696，νd＝17.7，θgF＝0.686)用作第一衍射光栅2的材料。此外，光学玻璃K-VC89(nd＝1.810，νd＝41.0，θgF＝0.567)用作第二衍射光栅3的材料。θgF表示材料相对于g线和F线的部分色散比。光栅高度d是5.2μm。
图3示出在光栅间距为100μm的情况下设计级(+1级)的本数值示例的衍射光学元件的衍射效率以及0级和+2级的非必要衍射光的衍射效率，0级和+2级是分别与设计级±1对应的级。在图3中，左垂直轴示出作为设计级的+1级的衍射光的衍射效率，右垂直轴示出作为非必要级的0级和+2级的衍射光的衍射效率。水平轴示出波长。
本数值示例在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中对于设计级提供97.2％或更大的衍射效率，并且在整个可见光波长范围中对于非必要级提供1.0％或更小的衍射效率。本数值示例示出在100μm的光栅间距的情况下获得的衍射效率。然而，由于当光栅间距进一步增加时，光栅侧表面对于衍射效应的贡献进一步减少，因此这进一步增加设计级的衍射效率，从而进一步降低非必要级的衍射效率。
此外，本数值示例仅示出作为非必要级的0级和+2级的衍射效率。这是因为随着非必要衍射光的级与设计级的分离程度增加，非必要衍射光形成的成像表面上的图像模糊增加，这使得非必要衍射光作为闪烁并不显著。此外，本数值示例定义从430nm至670nm的波长范围为可见光波长范围，这比通常已知的从400nm至700nm的可见光波长更窄。这是因为在从400nm至420nm以及从680nm至700nm的波长范围中光视效率低，这对成像表面上形成的图像具有小的影响。更优选的是，设计级的衍射效率高并且非必要级的衍射效率低的波长范围尽可能地宽。并且，这种波长范围不限于从430nm至670nm的波长范围。这些内容在稍后将描述的其它实施例中是相同的。
由于文献II至IV中公开的衍射光学元件中的每一个具有7μm或更大的高光栅高度，因此其对于倾斜进入衍射光学元件的光(下文中称为“斜入射光”)的衍射效率明显劣化，这限制了衍射光学元件可以应用的光学系统。与之对照，本实施例的衍射光学元件的光栅高度明显小于文献II至IV中公开的衍射光学元件中的每一个的光栅高度。因此，本实施例的衍射光学元件明显减少斜入射光的衍射效率的劣化，这使得有可能将本实施例的衍射光学元件应用于更广泛的各种光学系统。优选的是，光栅高度尽可能低。然而，0.5μm或更小的光栅高度可能减少可以实际使用的材料的替换物。相应地，期望将光栅高度d设置在0.5μm≤d≤7.0μm的范围内。
此外，为了对于整个可见光波长范围中的设计级减少光栅高度并且增加衍射效率，优选的是，将第一衍射光栅2的材料的Abbe常数νd1设置为等于或小于20，并且将第二衍射光栅3的材料的Abbe常数νd2设置为等于或大于15并且等于或小于60。此外，优选的是，νd2大于νd1。也就是说，优选的是，满足以下条件：νd1＜νd2νd1≤2015≤νd2≤60。如果不满足这些条件，则光栅高度变得太高，而无法在整个可见光波长范围中获得高的衍射效率。
优选的是，将第二衍射光栅3的材料的Abbe常数νd2设置为等于或大于25并且等于或小于55(也就是说，25≤νd2≤55)。Abbe常数νd2的这个范围增加了材料的替换物，这增加了本实施例的衍射光学元件1的可能性。
此外，仍然更优选的是，(n2(λ)-n1(λ))d/mλ   (5)上式的值在从0.9217至1.0783的范围内。通过将作为设计级的m级的衍射光的每一衍射光栅的在峰(凸起部分)处的光路长度与在谷(凹入部分)处的光路长度之间的光路长度差除以设计级与波长的乘积来获得该值。也就是说，仍然更优选的是，满足以下条件：0.9217≤(n2(λ)-n1(λ))d/mλ≤1.0783。在该范围中，通过标量衍射理论计算所获得的设计级的衍射效率是98％或更高，而当光栅间距是100μm时通过严格电磁计算所获得的设计级的衍射效率是97％或更高。在该范围之外，设计级的衍射效率降低，并且非必要级的衍射效率增加，这是不理想的。
本实施例描述了设计级为+1级的情况。然而，设计级不限于此，并且可以是其它级(例如+2级和+3级)。在此情况下，设置形成衍射光学元件的第一衍射光栅和第二衍射光栅的组合的光路长度差从而具有期望的设计级以及期望的设计波长使得能够提供与本实施例相同的的效果。
将参照图4描述用于制造本实施例中的衍射光学元件1的方法。首先，通过使用玻璃来制造第二衍射光栅3。具体地说，制备具有第二衍射光栅3的光栅形状被反转成的形状的金属模子50、用于第二衍射光栅3的玻璃(低熔点玻璃)3e、以及用于形成第二衍射光栅3的基底部分的金属模子51(图4A)。在玻璃铸模成型机器中设置它们。
其后，将它们加热到玻璃3e的变形点或更高，并且其后，对它们进行加压，以将金属模子50上的衍射光栅的反转的形状转印到玻璃3e(图4B)。此时，铸模成型机器的内部成为真空状态或填充了惰性气体的状态。
接下来，将金属模子50、玻璃3e(第二衍射光栅3)和金属模子51逐渐冷却到玻璃3e的转移点，并且其后，金属模子50和51被脱模(图4C)。由此，完成第二衍射光栅3的制造。
接下来，形成第一衍射光栅2。具体地说，制备第二衍射光栅3、充当第一衍射光栅2的材料的紫外线固化树脂2e、以及用于形成第一衍射光栅2的基底部分的玻璃模子52(图4D)。在UV曝光机器中设置它们。
其后，在对它们进行加压的状态下，从玻璃模子侧对它们进行紫外光UV的照射，这使得紫外线固化树脂2e变硬。由此，第二衍射光栅3的光栅形状被转印到紫外线固化树脂2e(图4E)。其后，玻璃模子52被脱模(图4F)。由此，完成其中第一衍射光栅2和第二衍射光栅3被层叠从而在它们之间不提供任何空气层的衍射光学元件1的制造。
以此方式，预先执行通过使用金属模子由玻璃制造第二衍射光栅3，并且其后，通过使用第二衍射光栅3作为另一模子由紫外线固化树脂制造第一衍射光栅2。这使得能够以大规模生产以及低成本来制造衍射光学元件1。这种制造方法可以用于稍后将描述的实施例2和实施例3中的衍射光学元件的制造。
此外，本实施例中的衍射光学元件的光栅高度明显低于文献II至IV中公开的衍射光学元件的光栅高度。对于在第二衍射光栅3的玻璃铸模中精确形成光栅部分的形状，该事实是有效的。
用于制造衍射光学元件的上述方法仅仅是一个示例。可以使用其它制造方法(例如切割作业、或光刻和蚀刻)。此外，可以分离地制造第一衍射光栅2和第二衍射光栅3，并且其后，可以将二者彼此接合(层叠)。
此外，在本实施例中，对其中第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的光栅表面彼此接触的情况进行了描述。然而，光栅表面在它们之间可以具有薄膜层(粘合层)。同样在此情况下，第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的光栅表面在它们之间不具有空气层。提供薄膜层使得能够改进光栅表面之间的粘合性。
此外，当第一衍射光栅2与第二衍射光栅3的材料之间的折射率差大时，其界面(光栅表面)可以在它们之间具有抗反射层，以减少界面处的反射。
此外，如上所述，与各个衍射光栅的光栅表面相对的表面(基底部分的表面)不限于平坦表面，并且可以是球面表面或非球面表面。在此情况下，可以在制造衍射光栅的同时形成球面表面或非球面表面，这减少了衍射光学元件的制造成本。
(比较性示例1)
将描述本实施例的衍射光学元件的比较性示例(仿真示例)1。比较性示例1具有与本实施例相同的光栅高度，并且使用其折射率的绝对值小于本实施例的折射率的绝对值的虚拟材料，所述虚拟材料能够提供基本上与本实施例相同的衍射效率特性(也就是其中在整个使用波长范围中表达式(5)的值基本上与本实施例的值相同的特性)。比较性示例1使用具有nd＝1.480、νd＝17.0、以及θgF＝0.400的材料作为第一衍射光栅2的虚拟材料。此外，比较性示例1使用具有nd＝1.594、νd＝68.9、以及θgF＝-0.521的材料作为第二衍射光栅3的虚拟材料。光栅高度d是5.2μm。
在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中，具有100μm的光栅间距的设计级(+1级)的比较性示例1的衍射光学元件的衍射效率是97.16％或更大。然而，与实施例1相比，设计级(+1级)的衍射效率低0.06％。当在高强度光源(例如太阳)下执行图像拍摄或者执行长时间曝光时，衍射效率低0.06％的事实使得非必要衍射光对成像表面上形成的图像具有影响。为此，可以说，其中组合具有折射率的高绝对值的材料的本实施例中的衍射光学元件有利于减少非必要衍射光。
此外，在光栅高度是5.2μm并且组合具有低折射率的材料的情况下，难以从现有材料之中选择材料。作为文献II至IV中公开的衍射光学元件，现有材料的使用带来了更高的光栅高度，这与本实施例是不可比较的。此外，高光栅高度使得衍射光学元件对于斜入射光的特性劣化。结果，衍射光学元件不能应用于广泛的各种光学系统。
相应地，本实施例中的衍射光学元件在材料的选择性以及对广泛的各种光学系统的应用性方面也是有利的。
[实施例2]
实施例1描述了第一衍射光栅2和第二衍射光栅3的材料不限于紫外线固化树脂和玻璃。本发明第二实施例(实施例2)的衍射光学元件使用混合有微粒的紫外线固化树脂作为第一衍射光栅2的材料。由此，在整个可见光波长范围中，设计级的衍射效率可以增加得比实施例1中更多。以下将示出本实施例的数值示例。
在本数值示例中，通过将ITO微粒混合到紫外线固化树脂UV1000而形成的树脂(nd＝1.658，νd＝15.9，θgF＝0.532)用作第一衍射光栅2的材料。此外，光学玻璃M-TAF101(nd＝1.768，νd＝49.2，θgF＝0.551)用作第二衍射光栅3的材料。光栅高度d是5.4μm。
图5示出在光栅间距为100μm的情况下设计级(+1级)的本数值示例的衍射光学元件的衍射效率以及0级和+2级的非必要衍射光的衍射效率，0级和+2级是分别与设计级±1对应的级。在图5中，左垂直轴示出作为设计级的+1级的衍射光的衍射效率，右垂直轴示出作为非必要级的0级和+2级的衍射光的衍射效率。水平轴示出波长。
本数值示例在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中对于设计级提供98.1％或更大的衍射效率，并且在整个可见光波长范围中对于非必要级提供0.5％或更小的衍射效率。
以此方式，在本数值示例中，在整个可见光波长范围中，与实施例1的数值示例相比，+1级的衍射效率较高，0级和+2级的衍射效率较低。在本数值示例中，由于微粒色散材料(第一衍射光栅2的材料)的部分色散比θgF1是0.532，这是小的值，因此材料的组合可以提供比实施例1的数值示例更高的衍射效率。
对于θgF1优选的是，满足以下条件表达式(6)：θgF1≤(-1.665E-07×νd13+5.213E-05×νd12-5.656E-03×νd1+0.675)  (6)其中，“E-X”表示“×10-X”。如果θgF1超过表达式(6)的范围，则在整个可见光波长范围中的特定波长范围中，+1级的衍射效率可能劣化。在本实施例中，作为用于将θgF1设置为表达式(6)的范围内的值的手段之一，将微粒混合到紫外线固化树脂中。
作为微粒的材料，任何无机微粒材料(例如氧化物、金属、陶瓷、及其化合物以及它们的混合物)是优选的。然而，微粒的材料不限于这样的无机微粒材料。此外，微粒的平均粒径优选地等于或小于进入衍射光学元件的光的波长(也就是使用波长或设计波长)的1/4。这是因为当将微粒混合到树脂材料中时，大于使用波长(设计波长)的1/4的粒径会增加瑞利散射(Rayleigh scattering)。此外，作为混合有微粒的紫外线固化树脂，任何有机树脂(例如丙烯酸树脂(acrylic resin)、碳氟化合物树脂(fluorocarbon resin)、乙烯聚合物树脂(polyvinyl resin)以及环氧树脂(epoxy resin))是优选的。然而，紫外线固化树脂不限于这样的有机树脂。
(比较性示例2)
将描述本实施例的衍射光学元件的比较性示例(仿真示例)2。比较性示例2具有与本实施例相同的光栅高度，并且使用其折射率的绝对值小于本实施例的折射率的绝对值的虚拟材料，所述虚拟材料能够提供基本上与本实施例相同的衍射效率特性(也就是其中在整个使用波长范围中表达式(5)的值基本上与本实施例的值相同的特性)。比较性示例2使用具有nd＝1.490、νd＝15.0、以及θgF＝0.400的材料作为第一衍射光栅2的虚拟材料。此外，比较性示例2使用具有nd＝1.600、νd＝86.5、以及θgF＝-0.05的材料作为第二衍射光栅3的虚拟材料。光栅高度d是5.4μm。
在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中，具有100μm的光栅间距的设计级(+1级)的比较性示例1的衍射光学元件的衍射效率是98.02％或更大。然而，与实施例2相比，设计级(+1级)的衍射效率低0.05％。
当在高强度光源(例如太阳)下执行图像拍摄或者执行长时间曝光时，衍射效率低0.05％的事实使得非必要衍射光影响成像表面上形成的图像。为此，其中组合折射率绝对值高的材料的本实施例中的衍射光学元件有利于减少非必要衍射光。
此外，在光栅高度是5.4μm并且组合具有低折射率的材料的情况下，难以从现有材料之中选择材料。作为文献II至IV中公开的衍射光学元件，现有材料的使用带来了更高的光栅高度，这与本实施例是不可比较的。此外，高光栅高度使得衍射光学元件对于斜入射光的特性劣化。结果，衍射光学元件不能应用于广泛的各种光学系统。
相应地，本实施例中的衍射光学元件在材料的选择性以及对广泛的各种光学系统的应用性方面也是有利的。
[实施例3]
实施例2使用混合有微粒的紫外线固化树脂作为第二衍射光栅2的材料，并且使用玻璃作为第二衍射光栅3的材料。在作为本发明第三实施例(实施例3)的衍射光学元件中，其折射率差大于实施例2中的折射率差的材料的组合用于减少光栅高度。以下将示出本实施例的数值示例。
在本数值示例中，通过将ITO微粒混合到紫外线固化树脂PVCz而形成的树脂(nd＝1.716，νd＝13.3，θgF＝0.542)用作第一衍射光栅2的料。此外，光学玻璃L-LAH83(nd＝1.864，νd＝40.6，θgF＝0.567)用作第二衍射光栅3的材料。光栅高度d是4.0μm。
图6示出在光栅间距为100μm的情况下设计级(+1级)的本数值示例的衍射光学元件的衍射效率以及0级和+2级的非必要衍射光的衍射效率，0级和+2级分别是与设计级±1对应的级。
在图6中，左垂直轴示出作为设计级的+1级的衍射光的衍射效率，右垂直轴示出作为非必要级的0级和+2级的衍射光的衍射效率。水平轴示出波长。
本数值示例在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中对于设计级提供98.4％或更大的衍射效率，并且在整个可见光波长范围中对于非必要级提供0.3％或更小的衍射效率。
以此方式，在本数值示例中，在整个可见光波长范围中，与实施例1和实施例2的数值示例相比，在通过增加折射率差而减少其光栅高度的衍射光学元件中，+1级的衍射效率较高，0级和+2级的衍射效率较低。此外，低光栅高度进一步减少了斜入射光的衍射效率的劣化，这使得有可能将衍射光学元件应用于更广泛的各种光学系统。
[实施例4]
在实施例1至实施例3中，使用玻璃作为第二衍射光栅3的材料。作为本发明第四实施例(实施例4)的衍射光学元件使用对于可见光波长范围中的光具有高透射性的光透射陶瓷作为第二衍射光栅3的材料。以下将示出本实施例的数值示例。
在本数值示例中，通过将ITO微粒混合到紫外线固化树脂UV1000而形成的树脂(nd＝1.682，νd＝12.4，θgF＝0.451)用作第一衍射光栅2的材料。此外，作为光透射陶瓷的透明YAG陶瓷(nd＝1.83，νd＝52，θgF＝0.55)用作第二衍射光栅3的材料。光栅高度d是3.9μm。
图7示出在光栅间距为100μm的情况下设计级(+1级)的本数值示例的衍射光学元件的衍射效率以及0级和+2级的非必要衍射光的衍射效率，0级和+2级是分别与设计级±1对应的级。在图7中，左垂直轴示出作为设计级的+1级的衍射光的衍射效率，右垂直轴示出作为非必要级的0级和+2级的衍射光的衍射效率。水平轴示出波长。
本数值示例在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中对于设计级提供98.6％或更大的衍射效率，并且在整个可见光波长范围中对于非必要级提供0.3％或更小的衍射效率。
可以通过与实施例1中描述的基本相同的制造方法来制造本实施例的衍射光学元件。然而，与图4B对应的工艺将在模子50上形成的衍射光栅3的反转的形状转印到通过将陶瓷原材料粉与结合剂树脂混合作为第二衍射光栅3的材料而形成的材料上。其后，图4C的工艺在高温下执行对脱模的第二衍射光栅3的焙烧。后续工艺(图4D至图4F)与实施例1相同。
以此方式，预先执行通过使用金属模子由陶瓷制造第二衍射光栅3，并且其后，通过使用第二衍射光栅3作为另一模子由紫外线固化树脂制造第一衍射光栅2。这使得能够以大规模生产以及低成本来制造衍射光学元件。然而，在本实施例中用于制造衍射光学元件1的方法不限于此。
此外，在本实施例中，由于通过使用通过将陶瓷原材料粉与结合剂树脂混合而形成的材料在高温下形成并焙烧第二衍射光栅3，因此光栅高度d的减少使得能够进一步改进光栅部分的形状精度。
[实施例5]
在实施例4中，将陶瓷材料用作第二衍射光栅3的材料。在作为本发明第五实施例(实施例5)的衍射光学元件中，其折射率差大于实施例1至实施例4的折射率差的材料的组合用于减少光栅高度。以下将示出本实施例的数值示例。
在本数值示例中，通过将ITO微粒混合到紫外线固化树脂UV1000而形成的树脂(nd＝1.790，νd＝6.1，θgF＝0.293)用作第一衍射光栅2的材料。此外，作为光透射陶瓷的LUMICERATM(nd＝2.082，νd＝30.1，θgF＝0.583)用作第二衍射光栅3的材料。光栅高度d是2.0μm。
图8示出在光栅间距为100μm的情况下设计级(+1级)的本数值示例的衍射光学元件的衍射效率以及0级和+2级的非必要衍射光的衍射效率，0级和+2级是分别与设计级±1对应的级。在图8中，左垂直轴示出作为设计级的+1级的衍射光的衍射效率，右垂直轴示出作为非必要级的0级和+2级的衍射光的衍射效率。水平轴示出波长。
本数值示例在整个可见光波长范围(430nm至670nm)中对于设计级提供99.0％或更大的衍射效率，并且在整个可见光波长范围中对于非必要级提供0.1％或更小的衍射效率。
以此方式，在本数值示例中，在整个可见光波长范围中，与实施例1至实施例4的数值示例相比，在通过增加折射率差而减少其光栅高度的衍射光学元件中，+1级的衍射效率较高，0级和+2级的衍射效率较低。此外，低光栅高度进一步减少了斜入射光的衍射效率中的劣化，这使得有可能将衍射光学元件应用于更广泛的各种光学系统。
本数值示例仅仅是一个示例。各个衍射光栅的材料和光栅高度不限于本数值示例中的值。此外，实施例1至实施例5示出玻璃或陶瓷用作第二衍射光栅3的材料的情况。然而，可以将有机材料或光学晶体材料用作第二衍射光栅3的材料。
将参照表3和表4以及图9和图10更具体地描述实施例1至实施例5中使用的材料。表3示出实施例(数值示例)1、比较性示例1、实施例(数值示例)2以及比较性示例2中的衍射光学元件中的各个数值。此外，表4示出实施例(数值示例)3至实施例5中的衍射光学元件中的各个数值。各个数值包括第一衍射光栅2的材料、该材料的折射率nd1、Abbe常数νd1和部分色散比θgF1、以及表达式(6)的右手边的值。此外，各个数值包括第二衍射光栅3的材料、以及该材料的折射率nd2和Abbe常数νd2。此外，各个数值包括光栅高度d、430nm、500nm和670nm的波长处的表达式(5)的值、通过标量衍射理论计算获得的衍射效率、以及通过严格电磁计算获得的具有100μm的光栅间距的+1级的衍射效率。
此外，图9示出表3和表4所示的折射率nd与Abbe常数νd之间的关系。图10示出部分色散率θgF与Abbe常数νd之间的关系。[表3]
实施例1   比较性示例1 实施例2   比较性示例2
  nd1   1.696   1.480   1.6858   1.4900
  νd1ν   17.7   17.0   15.9   15.0
  θgF1   0.686   0.4   0.532   0.4
  表达式(6)的右手边   0.590   0.593   0.598   0.601
  nd2   1.810   1.594   1.768   1.6000
  νd2   41.0   68.9   49.2   86.5
  光栅高度d(μm)   5.2   5.2   5.4   5.4
  表达式(5)：430nm   0.9787   0.9787   0.9599   0.9599
  衍射效率％(标量衍射理论计算)：430nm 99.85 99.85 99.47 99.47
  衍射效率％(严格电磁计算)：430nm 98.69 98.63 98.07 98.02
  表达式(5)：500nm   1.0632   1.0632   1.0253   1.0253
  衍射效率％(标量衍射理论计算)：500nm   98.69   98.69   99.789   99.789
  衍射效率％(严格电磁计算)：500nm 97.95 97.89 98.96 98.92
  表达式(5)：670nm   0.9277   0.9277   0.9599   0.9599
  衍射效率％(标量衍射理论计算)：670nm   98.29   98.29   99.47   99.47
  衍射效率％(严格电磁计算)：670nm 97.23 97.16 98.40 98.34
[表4]
  实施例3   实施例4   实施例5
  nd1   1.716   1.682   1.790
  νd1   13.3   12.4   6.1
  θgF1   0.542   0.451   0.293
  表达式(6)的右手边   0.609   0.612   0.643
  nd2   1.864   1.83   2.082
  νd2   40.6   52   30.1
  光栅高度d(μm)   4.0   3.9   2.0
  表达式(5)：430nm   0.9814   0.9711   1.0033
  衍射效率％(标量衍射理论计算)：430nm   99.89   99.73   100.00
  衍射效率％(严格电磁计算)：430nm   98.82   98.64   99.25
  表达式(5)：500nm   1.0331   1.0091   0.9689
  衍射效率％(标量衍射理论计算)：500nm   99.64   99.97   99.68
  衍射效率％(严格电磁计算)：500nm 98.95 99.26 99.17
  表达式(5)：670nm   0.9535   0.9710   1.0055
  衍射效率％(标量衍射理论计算)：670nm   99.29   99.72   99.99
  衍射效率％(严格电磁计算)：670nm   98.37   98.83   99.39
从表3和表4可见，如上所述，优选的是，第一衍射光栅2的材料相对于d线的折射率nd1是1.65或更大，第二衍射光栅3的材料相对于d线的折射率nd2是1.73或更大。此外，优选的是，第一衍射光栅2的材料的Abbe常数νd1等于或小于20，第二衍射光栅3的材料的Abbe常数νd2等于或大于15并且等于或小于60。
此外，更优选的是，第二衍射光栅3的Abbe常数νd2等于或大于25并且等于或小于55。
此外，如果θgF1满足表达式(6)，则在可见光波长范围中的特定波长范围处的衍射效率较少地减少，由此在整个可见光波长范围中带来较高的衍射效率，这是更优选的。
此外，如果表达式(5)的值在从0.9217至1.0783的范围内，则通过标量衍射理论计算获得的设计级的衍射效率是98％或更大，并且在100μm的光栅间距的情况下通过严格电磁计算获得的衍射效率是97％或更大，这是更优选的。
如上所述，在考虑光栅侧表面的影响的情况下，实施例1至实施例5中的每一个实现了几乎不由斜入射光导致衍射效率方面的劣化以及在使用波长范围中对于设计级具有高衍射效率的衍射光学元件。
[实施例6]
图11示出使用实施例1至实施例5中描述的衍射光学元件1的光学系统的示例，作为本发明第六实施例(实施例6)。图11示出用于诸如数码相机或摄像机的光学装置(图像拍摄装置)的图像拍摄光学系统(图像拍摄透镜)的截面图。
标号101表示主要由折射透镜(折射光学元件)构成的图像拍摄透镜，图像拍摄透镜101在其中包括孔径光阑102以及实施例1至实施例5中描述的衍射光学元件1。制造衍射光学元件1，从而其具有带有充当衬底的平玻璃板的平板形状。此外，衍射光学元件1被部署为接近于孔径光阑102，孔径光阑102限制图像拍摄透镜101中的光束的直径。
标号103表示在其上部署了胶片或图像拾取元件(例如CCD传感器或CMOS传感器)的成像表面。
衍射光学元件1具有用于校正图像拍摄透镜101中生成的色差的透镜功能。如在实施例1至实施例5中描述的那样，衍射光学元件1在整个可见光波长范围中对于设计级具有高衍射效率，并且它的低光栅高度减少了由于斜入射光而导致的衍射效率的劣化。因此，衍射光学元件1的使用实现了在各种使用环境下几乎不生成闪烁的图像拍摄透镜，在低频率下具有高分辨能力，并且实现了高光学性能。
图11示出将具有平板形状的衍射光学元件1提供为接近于孔径光阑102的情况。然而，可以将衍射光学元件1部署在除了接近于孔径光阑102的位置之外的位置处，并且可以在充当衬底的透镜的凸起表面或凹入表面上形成衍射光学元件1。此外，可以在图像拍摄透镜101中以多个的形式来提供衍射光学元件1。
此外，本实施例在相机的图像拍摄透镜中使用衍射光学元件。然而，衍射光学元件可以用于其它光学装置(例如图像扫描仪或复印机)的光学系统中。
[实施例7]
图12示出使用实施例1至实施例5中描述的衍射光学元件1的光学系统的示例，作为本发明第七实施例(实施例7)。图12示出观测光学系统(例如望远镜或双目望远镜)的截面图。
标号104表示物镜，标号105表示用于使图像正立的图像反转棱镜。标号106表示目镜，标号107表示评估表面(光瞳表面)。衍射光学元件1被提供作为物镜104的一部分，物镜104包括折射光学元件，用于校正像差(例如在成像表面103上出现的色差)。
在部署为比成像表面103更接近于物体的物镜104中提供衍射光学元件1使得物镜104能够独立地减少色差。因此，期望用于肉眼的观测光学系统在物镜104中提供衍射光学元件1。
如在实施例1至实施例5中描述的那样，衍射光学元件1在整个可见光波长范围中对于设计级具有高衍射效率，并且它的低光栅高度减少了由于斜入射光而导致的衍射效率的劣化。因此，衍射光学元件1的使用实现了在各种使用环境下几乎不生成闪烁的观测光学系统，在低频率具有高分辨能力，并且实现了高光学性能。
图12示出衍射光学元件1具有平板形状的情况。然而，衍射光学元件1可以形成在充当衬底的透镜的凸起表面或凹入表面上。此外，可以在观测光学系统中以多个的形式提供衍射光学元件1。
此外，图12示出在物镜104中提供衍射光学元件1的情况。然而，衍射光学元件1可以被部署在其它位置处(例如棱镜105的表面上或目镜106中)。该情况同样提供与在物镜104中提供衍射光学元件1的情况相同的效果。
本实施例中的观测光学系统不仅可以用于望远镜或双目望远镜，而且还可以用于光学装置(例如镜头快门相机和摄像机)中的光学取景器。
此外，本发明不限于这些实施例，并且在不脱离本发明范围的情况下，可以进行各种变化和修改。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件，包括：
第一衍射光栅和第二衍射光栅，其由彼此不同的材料形成，所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅被层叠，从而在它们之间不提供任何空气层，
其特征在于，所述衍射光学元件满足以下条件：
nd1＜nd2
vd1＜vd2
1.65≤nd1，vd1≤20
1.73≤nd2，15≤vd2≤60
其中，nd1和vd1分别表示所述第一衍射光栅的材料相对于d线的折射率和Abbe常数，nd2和vd2分别表示所述第二衍射光栅的材料相对于d线的折射率和Abbe常数。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述元件满足以下条件：
25≤vd2≤55。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述元件满足以下条件：
0.5μm≤d≤7.0μm
其中，d表示所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅中的每一个的光栅高度。
4.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述元件满足以下条件：
0.9217≤(n2(λ)-n1(λ))d/mλ≤1.0783
其中，λ表示使用波长，n1(λ)和n2(λ)分别表示在所述使用波长λ处所述第一衍射光栅和所述第二衍射光栅的折射率，d表示第一衍射光栅和第二衍射光栅中的每一个的光栅高度，以及m表示设计级。
5.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述第一衍射光栅的材料是紫外线固化树脂。
6.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述元件满足以下条件：
θgF1≤
(-1.665E-07×vd13+5.213E-05×vd12-5.656E-03×vd1+0.675)
其中，θgF1是所述第一衍射光栅的材料相对于g线和F线的部分色散比，以及E-X表示×10-x。
7.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述第一衍射光栅的材料是其中将微粒混合到紫外线固化树脂中的材料。
8.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，所述第二衍射光栅的材料是玻璃或陶瓷。
9.一种光学系统，包括：
根据权利要求1至8中的任意一项所述的衍射光学元件；
折射光学元件。
10.一种光学装置，其特征在于，包括：
光学系统，其包括根据权利要求1至8中的任意一项所述的衍射光学元件。
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