CN101842724B - 衍射光学元件及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

其中通过增强加工精度而增强了光学特性的、一种由陶瓷构成的衍射光学元件(1)由红外透射性陶瓷构成，并且在衍射光学元件(1)的表面上重复地形成突出部(11)和沟部(12)。在衍射光学元件的表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度Ra的平均值是0.05μm或者更小，并且在表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度Ra的差异是0.02μm或者更小。

Description

衍射光学元件及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种衍射光学元件及其制造方法，并且更加具体地涉及一种具有优良光学特性的衍射光学元件及其制造方法。
背景技术
用于通过利用光衍射现象来改变光传播的方向而聚焦光和执行其它功能的衍射光学元件(DOE)近年来已经受到关注。在衍射光学元件中，在表面上重复地形成突出部和沟部，并且其加工精度对于元件的光学特性具有显著的效果。因此，已经关于用于加工衍射光学元件的方法进行了多项研究，并且已经提出各种加工方法(例如见日本公开专利公布No.11-197902(专利文献1)、日本公开专利公布No.10-138004(专利文献2)和国际专利公布小册子No.2003/055826(专利文献3))。
[专利文献1]日本公开专利公布No.11-197902
[专利文献2]日本公开专利公布No.10-138004
[专利文献3]国际专利公布小册子No.2003/055826
发明内容
本发明旨在解决的问题
然而，在其中使用切削刀具的、于专利文献1和2中公开的加工方法中，当衍射光学元件由硬质材料例如陶瓷构成时，切削刀具变得逐渐地受到更多磨损，并且衍射光学元件的光学特性因此受到不利地影响。当切削刀具在短的时期内被磨损时，应该频繁地更换切削刀具，生产效率降低，并且制造成本增加。为了解决这些问题，在专利文献1和2中公开了例如使用金刚石刀具作为切削刀具的措施。然而，虽然这些措施在一定程度上抑制了切削刀具磨损的发展，但是对于加工精度的改进并不是充分的。金刚石刀具的使用还具有增加制造成本的缺陷。
根据用于制造由陶瓷构成的光学构件的、在专利文献3中公开的方法，因为陶瓷光学构件被烧结和压缩模塑，所以显著地减轻了切削刀具磨损的上述问题。然而，在制造陶瓷衍射光学元件的过程中，仅仅通过使用烧结和压缩模塑，充分的加工精度没有被必要地获得，并且元件的光学特性未被充分地增强。
因此，本发明的一个目的在于提供一种陶瓷衍射光学元件，其中通过增强加工精度而增强了它的光学特性，并且提供一种用于制造衍射光学元件的方法，由此能够通过增强加工精度而制造具有增强的光学特性的陶瓷衍射光学元件，同时保持制造成本较低。
用于解决上述问题的方案
根据本发明的衍射光学元件是一种包括红外透射性陶瓷的衍射光学元件，在衍射光学元件的表面上重复地形成突出部和沟部。在衍射光学元件的表面的光学有效区域内的表面粗糙度Ra的平均值是0.05μm或者更小，并且在该表面的光学有效区域内的表面粗糙度Ra的差异是0.02μm或者更小。
本发明人对于在由红外透射性陶瓷构成的衍射光学元件的光学特性和加工精度之间的关系进行了详细的研究。结果，本发明人发现，在衍射光学元件的部位当中的表面粗糙度和表面粗糙度波动对于衍射光学元件的光学特性具有显著影响。本发明人还领会到，通过采用一种构造能够显著地增强衍射光学元件的光学特性，在所述构造中，在衍射光学元件的表面的光学有效区域内的表面粗糙度Ra的平均值是0.05μm或者更小，并且在该表面的光学有效区域内的表面粗糙度Ra的差异是0.02μm或者更小。因此，根据本发明的衍射光学元件，能够提供一种具有显著增强的光学特性的衍射光学元件。
术语“光学有效区域”指的是当光学元件在使用中时其中光能够进入和/或离开的光学元件的表面区域。通过测量例如在光学有效区域内的任何五个位置的表面粗糙度并且计算测量平均值，能够得到表面粗糙度Ra的上述平均值。通过测量例如在光学有效区域内的任何五个位置的表面粗糙度并且计算在最大值和最小值之间的差异，能够得到在表面粗糙度Ra中的上述差异。
在该衍射光学元件中，衍射光学元件优选地是包括陶瓷的粉末的烧结体。在包括衍射光学元件的光轴的截面中，突出部的尖端具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
当衍射光学元件是由陶瓷构成的粉末的烧结体时，突出部的尖端的加工精度受到粉末的颗粒尺寸的影响。通过采用一种构造，突出部的尖端的加工精度得以增强，并且衍射光学元件的光学特性得以增强，在所述构造中，突出部的尖端具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
在该衍射光学元件中，在包括衍射光学元件的光轴的截面中，沟部的底部优选地具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
在该衍射光学元件中，该衍射光学元件优选地是包括陶瓷的粉末的烧结体。在包括衍射光学元件的光轴的截面中，沟部的底部具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
当衍射光学元件是由陶瓷构成的粉末的烧结体时，与在突出部的尖端的情形中相同，沟部的底部的加工精度受到粉末的颗粒尺寸的影响。通过采用一种构造，沟部的底部的加工精度得以增强，并且衍射光学元件的光学特性得以增强，在所述构造中，沟部的底部具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
在该衍射光学元件中，在包括衍射光学元件的光轴的截面中，当距底部的距离增加时，在沟部的底部处，在光轴的远侧的表面优选地进一步远离光轴地倾斜，并且该表面和平行于光轴的直线形成7°或者更大并且75°或者更小的角度。
当在用于制造衍射光学元件的过程中利用以模具的约束来成型突出部和沟部时，由此便于当释放利用模具的约束时从模具的释放(脱模)。
由陶瓷构成的衍射光学元件可以包括陶瓷作为其主要组分并且包括残余杂质，或者可以由作为主要组分的陶瓷、烧结辅助剂和其它添加剂以及残余杂质构成。
根据本发明的用于制造衍射光学元件的方法是一种用于制造这样的衍射光学元件的方法，该衍射光学元件包括红外透射性陶瓷，在衍射光学元件的表面上重复地形成突出部和沟部。用于制造衍射光学元件的这种方法包括其中通过成型包括陶瓷的原料粉末而制造成型体的步骤；其中成型体被热处理并且制造烧结前体的步骤；和其中烧结前体在被模具约束的同时通过被压缩和加热而被变形并且压缩烧结体被制造的步骤。该模具包括突出部成形部，其中该部分被用于形成突出部；和沟部成形部，其中该部分被用于形成沟部。在包括在其中压缩烧结体被制造的步骤中以模具约束的烧结前体的光轴的截面中，该模具的突出部成形部的底部具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
在根据本发明的用于制造衍射光学元件的方法中，该衍射光学元件的突出部和沟部是利用模具来成型的。在模具中突出部成形部的底部具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。因此，当烧结前体被模具约束并且变形时，烧结前体适应于模具的能力得以增强，并且加工精度得以增强。还减轻了当从模具分离已被制造的压缩烧结体时突出部的尖端的破片，并且衍射光学元件的加工精度因此得以增强，模具污染或者损坏得以减轻，模具耐久性得以增强，并且保持制造成本是低的。通过如上所述根据本发明的用于制造衍射光学元件的方法，加工精度得以增强，同时保持制造成本是低的，并且能够由此制造具有增强的光学特性的陶瓷衍射光学元件。
在根据本发明的用于制造衍射光学元件的方法中，硬质合金或者利用类金刚石碳(DLC)、氮化铬(CrN)等涂覆的硬质合金；碳化硅(SiC)或者利用CVD(化学气相沉积)-SiC等涂覆的碳化硅；石墨；碳化硼(B4C)；氮化硅(Si3N4)；立方氮化硼(cBN)；玻璃碳；以及在高温下具有优良强度的其它材料能够被用作模具材料。
在用于制造衍射光学元件的方法中，在截面中，该模具的沟部成形部的尖端优选地具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
根据本发明的用于制造衍射光学元件的方法是一种用于制造这样的衍射光学元件的方法，该衍射光学元件包括红外透射性陶瓷，在衍射光学元件的表面上重复地形成突出部和沟部。用于制造衍射光学元件的这种方法包括其中通过成型包括陶瓷的原料粉末而制造成型体的步骤；其中成型体被热处理并且制造烧结前体的步骤；和其中烧结前体在被模具约束的同时通过被压缩和加热而被变形并且压缩烧结体被制造的步骤。该模具包括突出部成形部，其中该部分被用于形成突出部；和沟部成形部，其中该部分被用于形成沟部。在包括在其中压缩烧结体被制造的步骤中以模具约束的烧结前体的光轴的截面中，该模具的沟部成形部的尖端具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
在利用模具来成型衍射光学元件的突出部和沟部的情形中，与在上述突出部成形部的情形中相同，在该模具中沟部成形部的尖端具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径，并且烧结前体适应于模具的能力由此得以增强，并且加工精度得以增强。进而，当模具与烧结前体接触时，在沟部成形部的尖端处集中更小的应力，并且在沟部成形部的尖端处对模具的损坏得以抑制。衍射光学元件的加工精度因此得以增强，模具的耐久性得以增强，并且保持制造成本是低的。
在用于制造衍射光学元件的方法中，在截面中，当距尖端的距离增加时，在沟部成形部的尖端处，在光轴的远侧的表面优选地进一步远离光轴地倾斜，并且该表面和平行于光轴的直线形成7°或者更大并且75°或者更小的角度。
由此便于压缩成型体从模具的释放(脱模)。当由在距光轴远侧的表面和平行于光轴的直线形成的角度小于7°时，并不充分地便于脱模，并且因为当这个角度超过75°时，衍射光学元件的光学特性受到不利地影响，所以该角度优选地是7°或者更大并且75°或者更小。
在用于制造衍射光学元件的方法中，优选地使用磨石或者研磨剂研磨该模具。
模具的表面粗糙度显著地影响所制造的衍射光学元件的表面粗糙度。如上所述，通过使用磨石或者研磨剂研磨该模具，特别地研磨该模具的、用于成型衍射光学元件的光学有效区域的区域，该模具的表面粗糙度，特别地该模具的、用于成型衍射光学元件的光学有效区域的区域的表面粗糙度得以降低。通过这样再进一步地增强加工精度，能够制造具有增强的光学特性的陶瓷衍射光学元件。所使用的磨石或者研磨剂(松散研磨剂)可以是包括金刚石、cBN、碳化硅、氧化铝、氧化硅、硬质合金、氧化铈或者其他硬质材料的磨石或者研磨剂。
利用用于制造衍射光学元件的上述方法制造的陶瓷衍射光学元件可以包括陶瓷作为其主要组分并且包括残余杂质，或者可以由作为主要组分的陶瓷、烧结辅助剂和其它添加剂以及残余杂质构成。据此，上述原料粉末可以是包括作为其主要组分的陶瓷以及残余杂质的粉末，或者可以是由作为主要组分的陶瓷、烧结辅助剂和其它添加剂以及残余杂质构成的粉末。
根据本发明的衍射光学元件是利用用于制造衍射光学元件的上述方法制造的。
本发明的衍射光学元件是利用上述根据本发明的用于制造衍射光学元件的方法制造的，由此能够通过增强加工精度而制造具有增强的光学特性的陶瓷衍射光学元件，同时保持制造成本是低的，并且本发明的衍射光学元件因此是一种具有优良光学特性的陶瓷衍射光学元件。
本发明的效果
如上详述，根据本发明的衍射光学元件，通过增强加工精度能够提供一种具有增强的光学特性的陶瓷衍射光学元件。根据用于制造根据本发明的衍射光学元件的方法，加工精度得以增强同时保持制造成本是低的，并且能够由此制造具有增强的光学特性的陶瓷衍射光学元件。
附图说明
图1是示出根据本发明的一个实施例的衍射光学元件的结构的概略截面视图；
图2是示出图1的区域α的放大视图的概略局部截面视图；
图3是示出根据本发明的实施例用于制造衍射光学元件的方法的概述的流程图；
图4是示出图3的压缩烧结步骤的概略截面视图；
图5是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图6是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图7是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图8是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图9是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图10是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图11是示出在压缩烧结步骤中图4的区域β附近的放大视图的概略局部截面视图；
图12是作为衍射光学元件的形状的实例示出平凸透镜的形状的概略截面视图；
图13是作为衍射光学元件的形状的实例示出平凹透镜的形状的概略截面视图；
图14是作为衍射光学元件的形状的实例示出双凸透镜的形状的概略截面视图；
图15是作为衍射光学元件的形状的实例示出双凹透镜的形状的概略截面视图；
图16是作为衍射光学元件的形状的实例示出凹凸透镜的形状的概略截面视图；并且
图17是作为衍射光学元件的形状的实例示出凹凸透镜的形状的概略截面视图。
符号说明
1衍射光学元件
2烧结前体
3压缩烧结体
9模具
10光学有效区域
11突出部
11A尖端
11C损耗部
12沟部
12A底部
12B在光轴远侧的表面
20边缘部
21原料粉末
31一个主表面
32另一主表面
91突出部成形部
91A底部
92沟部成形部
92A尖端
92B在光轴A远侧的表面
99间隙
具体实施方式
下面将基于附图描述本发明的实施例。在每一图中使用相同的附图标记来指相同的或者等价的部分，并且每一个部分的说明不予重复。
将首先参考图1和2描述根据本发明的实施例的衍射光学元件。
如在图1中所示，本实施例的衍射光学元件1是由红外透射性陶瓷构成的衍射光学元件，其中在其表面上重复地形成突出部11和沟部12。衍射光学元件1具有盘形形状，第一主表面31具有凸形形状，并且第二主表面32具有平面形状。第一主表面31包括光学有效区域10，光学有效区域10是其中重复地形成突出部11和沟部12的区域。光学有效区域10被在其中没有形成突出部11和沟部12的边缘部20围绕。进而，在第一主表面31上围绕光轴A同心地形成突出部11和沟部12。例如硫化锌(ZnS)、硒化锌(ZnSe)、氟化镁(MgF)、氟化钙(CaF)、氟化锂(LiF)、石英(SiO2)、尖晶石(MgAl2O4)、氧化锆(ZrO2)和其它多晶体能够被用作构成衍射光学元件1的红外透射性陶瓷。在本发明的衍射光学元件中在其上重复地形成突出部和沟部的主表面的形状(衍射光学元件的形状)，包括上述第一主表面31的形状，可以是平面的、球面的、或者在由下面的等式(1)表示的非球面上在其中重复地形成突出部和沟部的形状。
[等式1]
Z = C × r 2 1 + 1 - ( 1 + K ) C 2 × r 2 + Σ i = 1 n A i × r i . . . ( 1 )
(在等式(1)中，C、K和Ai(i＝1到n)是非球面系数。)
在衍射光学元件1的表面的光学有效区域10内的表面粗糙度Ra的平均值是0.05μm或者更小，并且在光学有效区域10内的表面粗糙度Ra中的差异是0.02μm或者更小。
通过上述构造，在本实施例中的衍射光学元件1是其中通过增强加工精度而增强了光学特性的一种陶瓷衍射光学元件。
在此情形中，例如不穿过突出部11或者沟部12，沿着突出部11和沟部12的方向、即在第一主表面31中与围绕光轴A的直径方向垂直的方向，在任何五个位置中测量光学有效区域10内的表面粗糙度Ra。能够分别地使用关于该五个位置的测量值的平均值和在表面粗糙度Ra的最大值和最小值之间的差异评价表面粗糙度Ra的平均值和表面粗糙度Ra中的差异。然而，关于中心，测量是沿着横跨光轴A的直径方向执行的。
如在图1和2中所示，衍射光学元件1是由上述陶瓷形成的粉末的烧结体，并且在包括衍射光学元件1的光轴A的截面中，突出部11的尖端11A具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。而且，在包括衍射光学元件1的光轴A的截面中，沟部12的底部12A具有比粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。能够使用例如由Horiba Ltd.公司制造的利用激光衍射的激光衍射/粒子尺寸分析器(LA系列)测量平均颗粒尺寸。
突出部11的尖端11A的和沟部12的底部12A的加工精度由此得以增强，并且衍射光学元件的光学特性得以进一步增强。
进而，如在图2中所示，当距底部12A的距离增加时，在包括衍射光学元件1的光轴A的截面中，在沟部12的底部12A在光轴A的远侧的表面12B进一步远离光轴A地倾斜，并且表面12B和平行于光轴A的直线A′形成7°或者更大并且75°或者更小的角度θ。由此当通过以模具约束而成型突出部11和沟部12时便于脱模。
将在下面描述根据本发明的实施例的、用于制造衍射光学元件的方法。
如在图3中所示，在根据本实施例用于制造衍射光学元件的方法中首先执行原料粉末制备步骤，在该步骤中制备包括陶瓷的原料粉末。具体地，制备具有原料粉末作为其主要组分的陶瓷粉末，例如ZnS粉末。
然后，如在图3中所示，执行成型步骤，在该步骤中，通过成型陶瓷原料粉末而制造成型体。具体地，使用例如由硬质合金、工具钢等构成的硬质金属模具而利用液压方法成型上述粉末，并且具有衍射光学元件的一般形状的成型体得以制造。
然后执行基本烧结步骤，在该步骤中，成型体被热处理并且制造烧结前体，如在图3中所示。具体地，如上所述地制造的成型体经受热处理，其中，成型体在30Pa或者更低的真空中被加热至500℃或者更高并且1100℃或者更低的温度，并且温度被例如保持1小时或者更长并且10小时或者更短，并且烧结前体得以制造。在基本烧结步骤中，通过热处理优选地按照赋予烧结前体55到80体积％的密度。在这种条件下，原料粉末的颗粒尺寸的变化极低。
然后，如在图3中所示，执行压缩烧结步骤，在该步骤中，在以模具约束的同时，通过压缩和加热而变形烧结前体，并且压缩烧结体得以制造。具体地，如在图4中所示，如上所述地制造的烧结前体2被加热至例如不低于原料粉末的熔化温度或者升华点的30％并且不高于其熔化点或者升华点的温度，并且在以模具9约束的同时被在1MPa或者更高并且300MPa或者更低的压力下压缩，该模具9包括突出部成形部91，突出部成形部91被用于形成衍射光学元件1的突出部11；和沟部成形部92，沟部成形部92被用于形成沟部12；并且压缩烧结体得以制造，该压缩烧结体的形状比烧结前体2更加类似于最终衍射光学元件1的形状。
在此情形中，在包括以模具9约束的烧结前体2的光轴A的截面中，当突出部成形部91的底部91A的曲率半径是原料粉末21的平均颗粒尺寸的二分之一或者更小时，如在图5中所示，当烧结前体2被模具9约束和变形时，在突出部11的尖端11A的附近形成间隙99，并且由原料粉末21构成的烧结前体2适应于模具9的能力降低。结果，在突出部11的尖端11A附近存在降低的形状传递精度的风险。进而，因为在突出部成形部91的底部91A附近，原料粉末21未被充分地装填，所以靠近突出部11的尖端11A的强度降低，并且如在图6中所示，当已被制造的压缩烧结体3被从模具9脱模时，在突出部11的尖端11A处可能发生破裂。结果，损耗部11C保留在突出部成形部91的底部91A附近，模具9被污染，并且当再次使用模具9时，由于损耗部11C，在突出部成形部91的底部91A附近存在发生损坏的风险。
相反，在根据本实施例的、用于制造衍射光学元件的方法中，在包括以模具9约束的烧结前体2的光轴A的截面中，模具9的突出部成形部91的底部91A具有比原料粉末21的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径，如在图4和7中所示。因此，当烧结前体2被模具9约束和变形时，由原料粉末21构成的烧结前体2适应于模具9的能力得以增强，并且在突出部11的尖端11A附近的形状传递精度得以增强，如在图7中所示。进而，因为在突出部成形部91的底部91A附近，原料粉末21被充分地装填，所以抑制了当已被制造的压缩烧结体3被从模具9脱模时在突出部11的尖端11A处发生破裂，如在图8中所示。结果，衍射光学元件1的加工精度能够得以增强，对模具9的污染或者损坏能够得以抑制，模具9的耐久性能够得以增强，并且能够保持衍射光学元件1的制造成本是低的。
进而，如在图9中所示，与在上述突出部成形部91的情形中相同，在包括以模具9约束的烧结前体2的光轴A的截面中，当沟部成形部92的尖端92A的曲率半径是原料粉末21的平均颗粒尺寸的二分之一或者更小时，烧结前体2适应于模具9的能力降低，并且在衍射光学元件1中存在形状传递精度降低的风险。当模具9与烧结前体2接触时，应力也在沟部成形部92的尖端92A处集中。结果，在沟部成形部92的尖端92A处存在发生对模具9的损坏的风险。
相反，在根据本实施例的用于制造衍射光学元件的方法中，在包括以模具9约束的烧结前体2的光轴A的截面中，沟部成形部92的尖端92A具有比原料粉末21的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径，如在图4和10中所示。与在上述突出部成形部91的情形中相同，烧结前体2适应于模具9的能力因此得以增强，并且衍射光学元件1的形状传递精度得以增强。而且，如在图10中所示，当模具9与烧结前体2接触时，在沟部成形部92的尖端92A处集中更小的应力。结果，因为在沟部成形部92的尖端92A处防止了对于模具9的损坏，所以模具9的耐久性能够得以增强，并且能够保持衍射光学元件1的制造成本是低的。
如在图4和11中所示，当距尖端92A的距离增加时，在包括以模具9约束的烧结前体2的光轴A的截面中，在沟部成形部92的尖端92A处在光轴A的远侧的表面92B进一步远离光轴A地倾斜，并且表面92B和平行于光轴A的直线A′形成7°或者更大并且75°或者更小的角度θ。因此容易地从模具9释放(脱模)通过变形烧结前体2而制造的压缩烧结体。
根据如上所述根据本实施例的用于制造衍射光学元件的方法，能够制造具有增强的光学特性的衍射光学元件1，同时通过增强形状传递精度，保持制造成本是低的。
实例1
下面将描述本发明的实例1。进行试验来比较在使用模具执行成型以形成衍射光学元件的突出部和沟部的情形中和在通过切削形成突出部和沟部的情形中通过烧结获得的陶瓷烧结体的表面粗糙度。在下面描述试验过程。
首先，以与在上面参考图3描述的、根据本发明实施例的用于制造衍射光学元件的方法相同的方式，通过执行原料粉末制备步骤、成型步骤和基本烧结步骤而制造烧结前体。被用作原料粉末的主要组分的陶瓷是ZnS、ZnSe、MgF2、和CaF2。作为本发明的实例，利用与在上述实施例中相同的方法，烧结前体经受对模成型(在上述实施例中的压缩烧结步骤)，并且制造具有10mm直径的透镜形状的衍射光学元件，并且在其表面上重复地形成突出部和沟部(实例A到D)。
在使用模具的成型中，使用由碳化硅或者玻璃碳构成的并且在其表面上被包括金刚石的磨石研磨的模具，在于真空压缩烧结熔炉中压缩和加热的同时烧结前体得以变形和成型，并且衍射光学元件得以制造。根据烧结前体的材料，加热温度和压力适当地选自600到1600℃和5到300MPa的范围。
作为没有使用本发明的范围的对比实例，通过使用单晶金刚石车削刀具进行切削而成型烧结前体，并且制造具有10mm直径的透镜形状的衍射光学元件，并且在其表面上重复地形成突出部和沟部(对比实例A到D)。
然后测量实例和对比实例所制造的衍射光学元件(样本)的表面粗糙度(Ra)。测量位置在沿着径向方向距中心0mm(中心)、1mm、2mm、3mm、4mm和5mm的距离处。表面粗糙度Ra是通过从粗糙度曲线切除沿着其中平均线延伸的方向的特定参考长度、将在切除部分中从平均线到粗糙度曲线的距离(偏差的绝对值)加到一起并且在参考长度之上将和值平均化而获得的值。能够例如利用Form Talysurf(由Taylor Hobson制造的PGI系列)通过依据JIS B0601的方法来测量表面粗糙度Ra。
下面将描述试验结果。表格1示出在上述试验中测量表面粗糙度的结果。表格1示出在每一个测量位置处的表面粗糙度Ra(单位：μm)。如在表格1中所示，在通过使用单晶金刚石车削刀具进行切削而制造的对比实例A到D的样本中，在每一种情形中的表面粗糙度Ra是0.06μm或者更大，来自六个位置的测得值的平均值是0.082到0.093μm，并且在最大值和最小值之间的差异(分散)是0.039到0.043μm。具体地，对比实例A到D并不满足关于本发明的衍射光学元件的、0.05μm或者更小的表面粗糙度Ra平均值和0.02μm或者更小的表面粗糙度差异的条件。这个结果说明，即使当使用单晶金刚石车削刀具时，利用切削的制造方法也不能充分地降低平均表面粗糙度和表面粗糙度分散。
表格1
Figure GPA00001122904200161
相反，在通过使用模具进行成型而制造的实例A到D的样本中，在每一种情形中的表面粗糙度Ra是0.035μm或者更小，来自六个位置的测量值的平均值是0.029到0.032μm，并且在最大值和最小值之间的差异(分散)是0.004到0.006μm。具体地，实例A到D满足关于本发明的衍射光学元件的0.05μm或者更小的表面粗糙度Ra平均值和0.02μm或者更小的表面粗糙度差异的条件。根据这个结果，确认了通过其中采用对模成型的、在本发明的实例中的制造方法，通过充分地降低表面粗糙度的平均值和分散，能够制造具有增强的光学特性的衍射光学元件。
实例2
下面将描述本发明的实例2。进行试验来研究在原料粉末的颗粒尺寸、所使用的模具的突出部成形部的底部的曲率直径、烧结前体适应于模具的能力以及模具污染状态和对突出部尖端的损坏之间的关系。在下面描述试验过程。
首先，以与在上面参考图3描述的、根据本发明实施例的用于制造衍射光学元件的方法相同的方式，通过执行原料粉末制备步骤、成型步骤和基本烧结步骤而制造烧结前体。硫化锌被用作构成原料粉末的主要组分的陶瓷。利用与在上述实施例中相同的方法，烧结前体经受对模成型(在上述实施例中的压缩烧结步骤)，并且制造具有10mm直径的透镜形状的衍射光学元件，并且在其表面上重复地形成突出部和沟部。使用具有1μm和2μm的平均颗粒尺寸的原料粉末。在所使用的模具中，突出部成形部的底部的曲率直径是0.5到4μm。研究了烧结前体适应于模具的能力以及模具污染状态和对突出部尖端的损坏。
下面将描述试验结果。表格2示出在上述试验中获得的结果。在表格2的“适应性”一列中，“A”表示在所制造的衍射光学元件的突出部的尖端处的曲率直径相对于模具的突出部成形部的底部的曲率直径的小于5％的误差，并且“C”表示5％或者更大的误差。在表格2的“尖端破损”一列中，“A”表示未观察到衍射光学元件的突出部的尖端破损(尖端损耗)，并且“C”表示当制造出二十个衍射光学元件时观察到突出部的尖端的破损。在表格2的“模具污染”一列中，“A”表示在制造出二十个衍射光学元件之后发现构成衍射光学元件的陶瓷附着到模具的突出部成形部的底部，“B”表示观察到这种附着但是能够通过清洗而消除这种附着，并且“C”表示观察到这种附着但是不能够通过清洗而消除这种附着。
表格2
  原料粉末的平均颗粒尺寸(μm)   尖端的曲率直径(μm) 适应性 尖端破损 模具污染
 条件1   1   1   A   A   B
 条件2   1   2   A   A   A
 条件3   1   0.5   C   C   C
 条件4   2   2   A   A   A
 条件5   2   4   A   A   A
 条件6   2   0.5   C   C   C
 条件7   2   1   C   C   B
如在表格2中所示，在关于条件3、6和7的“适应性”和“尖端破损”列中没有获得令人满意的结果，其中突出部成形部的底部的曲率直径小于原料粉末的平均颗粒尺寸(突出部成形部的底部的曲率半径小于原料粉末的平均颗粒尺寸的1/2)，而在关于条件1、2、4和5的“适应性”和“尖端破损”列中获得了令人满意的结果，其中突出部成形部的底部的曲率直径等于或者大于原料粉末的平均颗粒尺寸(突出部成形部的底部的曲率半径是原料粉末的平均颗粒尺寸的1/2或者更大)。基于这些结果，认为优选的是，突出部成形部的底部具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。进而，根据更加可靠地防止“模具污染”的观点，突出部成形部的底部优选地具有比原料粉末的平均颗粒尺寸大的曲率半径。
实例3
下面将描述本发明的实例3。进行试验来研究在原料粉末的颗粒尺寸、模具的沟部成形部的尖端的曲率直径、烧结前体适应于模具的能力和模具耐久性之间的关系。在下面描述试验过程。
首先，以与在实例2中相同的方式制造烧结前体。利用与在上述实施例中相同的方法，烧结前体经受对模成型(在上述实施例中的压缩烧结步骤)，并且制造具有10mm直径的透镜形状的衍射光学元件，并且在其表面上重复地形成突出部和沟部。使用具有1μm和2μm的平均颗粒尺寸的原料粉末。在所使用的模具中，沟部成形部的尖端的曲率直径是0.5到4μm。研究了烧结前体适应于模具的能力和模具耐久性。
下面将描述试验结果。表格3示出在上述试验中获得的结果。在表格3的“适应性”一列中，“A”表示在所制造的衍射光学元件的沟部的尖端处的曲率直径相对于模具的沟部成形部的底部的曲率直径的小于5％的误差，并且″C″表示5％或者更大的误差。在表格3的“耐久性”一列中，“A”表示制造出100个或者更多的衍射光学元件而没有损坏沟部成形部的尖端，“B”表示制造出10个或者更多并且99个或者更少的衍射光学元件而没有这种损坏，并且“C”表示制造出9个或者更少的衍射光学元件而没有这种损坏。
表格3
  原料粉末的平均颗粒尺寸(μm)   模具衍射沟的尖端的R直径(μm) 适应性 耐久性
 条件1   1   1   A   B
条件2 1 2 A A
 条件3   1   0.5   C   C
 条件4   2   2   A   A
 条件5   2   4   A   A
 条件6   2   0.5   C   C
 条件7   2   1   C   B
如在表格3中所示，在条件3、6和7中关于“适应性”没有获得令人满意的结果，其中沟部成形部的尖端的曲率直径小于原料粉末的平均颗粒尺寸(沟部成形部的尖端的曲率半径小于原料粉末的平均颗粒尺寸的1/2)，而在条件1、2、4和5中关于“适应”获得了令人满意的结果，其中沟部成形部的尖端的曲率直径等于或者大于原料粉末的平均颗粒尺寸(沟部成形部的尖端的曲率半径是原料粉末的平均颗粒尺寸的1/2或者更大)。基于这些结果，认为优选的是，沟部成形部的尖端具有比原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。进而，根据进一步增强“耐久性”的观点，沟部成形部的尖端优选地是2μm或者更大。
实例4
下面将描述本发明的实例4。进行试验来研究在脱模斜度、已成型衍射光学元件的脱模容易度(脱模性质)、和光学特性之间的关系，脱模斜度是由在包括衍射光学元件的光轴的截面中距光轴在远侧的表面和平行于光轴的直线形成的角度θ(见图11)。在下面描述试验过程。
首先，以与在实例2和3中相同的方式制造烧结前体。利用与在上述实施例中相同的方法，烧结前体经受对模成型(在上述实施例中的压缩烧结步骤)，并且制造具有10mm直径的透镜形状的衍射光学元件，并且在其表面上重复地形成突出部和沟部。在衍射光学元件的成型期间，模具的脱模斜度在0到80°的范围中改变，研究了脱模性质，并且测量了所获得的每一个衍射光学元件的MTF(调制传递函数)。MTF表示空间频率分辨率，并且质量更高的图像产生更高的MTF。例如能够使用用于红外透镜的MTF测量器件(由Yucaly OpticalLaboratory公司制造的YY-305)测量这个MTF。
下面将描述试验结果。表格4示出在上述试验中获得的结果。在表格4的“脱模性质”一列中，“A”表示能够通过在对模成型之后抽吸设定的真空销而从模具分离衍射光学元件，并且“C”表示不能够从模具分离衍射光学元件。“MTF降低率”一列表示基于其中脱模斜度为0°的情形测得MTF的降低率。如果MTF降低小于4.5％，则光学损失对于图像不具有任何实际效果。
表格4
  脱模斜度(°)   脱模性质   MTF降低率(％)
  0   C   0
  6   C   0.1
  7   A   0.1
  15   A   0.3
  45   A   1.2
  60   A   2.0
  75   A   4.3
  80   A   6.8
如在表格4中所示，明显的是，当脱模斜度是7°或者更大时，脱模性质是令人满意的，并且随着脱模斜度增加，MTF降低率增加。当脱模斜度大于75°时，MTF降低率超过4.5％。因此，在同时地增强脱模性质和抑制脱模斜度对于图像的影响方面，7°或者更大并且75°或者更小的脱模斜度是优选的。根据确保脱模性质的可靠性的观点，脱模斜度优选地是10°或者更大并且15°或者更小。根据再进一步地抑制脱模斜度对于图像的影响的观点，脱模斜度优选地是60°或者更小，并且更加优选地是45°或者更小。
在图中示出一种平凸球面形状，并且在上述实施例和实例中，基于这种形状描述了衍射光学元件作为本发明的衍射光学元件的形状的一个实例，但是本发明的衍射光学元件不限于这种形状。
如在图12到17中所示，能够使用以下形状作为本发明的衍射光学元件的形状：平凸透镜，其中作为在其上重复地形成突出部和沟部的衍射表面的第一主表面31是凸形的球面或者非球面的，并且第二主表面32是平面的，如在图12中所示；平凹透镜，其中作为衍射表面的第一主表面31是凹形的球面或者非球面的，并且第二主表面32是平面的，如在图13中所示；或者双凸透镜，其中作为衍射表面的第一主表面31是凸形的球面或者非球面的，并且第二主表面32也是凸形的球面或者非球面的，如在图14中所示。进而，例如还能够使用以下形状作为本发明的衍射光学元件的形状：例如，双凹透镜，其中作为衍射表面的第一主表面31是凹形的球面或者非球面的，并且第二主表面32也是凹形的球面或者非球面的，如在图15中所示；凹凸透镜，其中作为衍射表面的第一主表面31是凸形的球面或者非球面的，并且第二主表面32是凹形的球面或者非球面的，如在图16中所示；或者凹凸透镜，其中作为衍射表面的第一主表面31是凹形的球面或者非球面的，并且第二主表面32是凸形的球面或者非球面的，如在图17中所示。
具体地，图12到17所示的形状以及平凸球面、平凸非球面、平凹球面、平凹非球面、双凸球面、双凸非球面、双凹球面、双凹非球面、弯月球面、弯月非球面以及各种其它形状能够被选择作为本发明的衍射光学元件的形状。
在这里公开的实施例和实例在每一个方面均是仅仅作为实例给出的，而不应该被理解成限制。本发明的范围由权利要求而不是由以上说明指示，并且权利要求旨在涵盖与之等价的含义以及在其范围内的所有的修改。
根据本发明的衍射光学元件及其制造方法能够被特别有利地应用于其中需要优良的光学特性的衍射光学元件及其制造方法。

Claims (13)

1.一种由红外透射性陶瓷形成的衍射光学元件(1)，所述衍射光学元件(1)的表面上重复地形成突出部(11)和沟部(12)；在所述衍射光学元件(1)中，
所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的平均值是0.05μm或者更小；并且
所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的差异是0.02μm或者更小，其中，
所述衍射光学元件(1)是由所述陶瓷形成的粉末的烧结体；并且
在包括所述衍射光学元件(1)的光轴(A)的截面中，所述突出部(11)的尖端(11A)具有比所述粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件(1)，其中，在包括所述衍射光学元件(1)的光轴(A)的截面中，所述沟部(12)的底部(12A)具有比所述粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
3.根据权利要求1所述的衍射光学元件(1)，其中，
所述衍射光学元件(1)是由所述陶瓷形成的粉末的烧结体；并且
在包括所述衍射光学元件(1)的光轴(A)的截面中，所述沟部(12)的底部(12A)具有比所述粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
4.根据权利要求1所述的衍射光学元件(1)，其中，在包括所述衍射光学元件(1)的光轴(A)的截面中，在所述沟部(12)的底部(12A)处，所述光轴(A)的远侧上的表面(12B)随着与所述底部(12A)的距离增大，进一步地倾斜远离所述光轴(A)，并且所述表面(12B)和平行于所述光轴(A)的直线(A′)形成7°以上且75°以下的角度。
5.一种用于制造由红外透射性陶瓷形成的衍射光学元件(1)的方法，所述衍射光学元件(1)的表面上重复地形成突出部(11)和沟部(12)；所述用于制造衍射光学元件(1)的方法包括如下步骤：
通过对由所述陶瓷形成的原料粉末进行成型来制造成型体；
对所述成型体进行热处理，并且制造烧结前体(2)；和
在利用模具(9)对所述烧结前体(2)进行约束的同时，通过压缩和加热所述烧结前体(2)来使得所述烧结前体(2)发生变形，并且制造压缩烧结体(3)；其中
所述模具(9)包括突出部成形部(91)和沟部成形部(92)，其中，所述突出部成形部用于形成所述突出部(11)，所述沟部成形部用于形成所述沟部(12)；和
在包括所述烧结前体(2)的光轴(A)的截面中，所述模具(9)的所述突出部成形部(91)的底部(91A)具有比所述原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径，所述烧结前体(2)在制造所述压缩烧结体(3)的步骤中被约束于所述模具(9)中，
所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的平均值是0.05μm或者更小；并且
所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的差异是0.02μm或者更小。
6.根据权利要求5所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法，其中，在所述截面中，所述模具(9)的所述沟部成形部(92)的尖端(92A)具有比所述原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径。
7.根据权利要求5所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法，其中，在所述截面中，在所述沟部成形部(92)的尖端(92A)处，所述光轴(A)的远侧上的表面(92B)随着与所述尖端(92A)的距离增大，进一步地倾斜远离所述光轴(A)，并且所述表面(92B)和平行于所述光轴(A)的直线(A′)形成7°以上且75°以下的角度。
8.根据权利要求5所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法，其中，使用磨石或者研磨剂来研磨所述模具(9)。
9.一种利用根据权利要求5所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法来制造的衍射光学元件(1)，其中，所述衍射光学元件(1)的表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的平均值是0.05μm或者更小；并且所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的差异是0.02μm或者更小。
10.一种用于制造由红外透射性陶瓷形成的衍射光学元件(1)的方法，所述衍射光学元件(1)的表面上重复地形成突出部(11)和沟部(12)；所述用于制造衍射光学元件(1)的方法包括如下步骤：
通过对由所述陶瓷形成的原料粉末进行成型来制造成型体；
对所述成型体进行热处理，并且制造烧结前体(2)；和
在利用模具(9)对所述烧结前体(2)进行约束的同时，通过压缩和加热所述烧结前体(2)来使得所述烧结前体(2)发生变形，并且制造压缩烧结体(3)；其中
所述模具(9)包括突出部成形部(91)和沟部成形部(92)，其中，所述突出部成形部用于形成所述突出部(11)，所述沟部成形部用于形成所述沟部(12)；并且
在包括所述烧结前体(2)的光轴(A)的截面中，所述模具(9)的所述沟部成形部(92)的尖端(92A)具有比所述原料粉末的平均颗粒尺寸的二分之一大的曲率半径，所述烧结前体(2)在制造所述压缩烧结体(3)的步骤中被约束于所述模具(9)中，
所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的平均值是0.05μm或者更小；并且
所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的差异是0.02μm或者更小。
11.根据权利要求10所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法，其中，在所述截面中，在所述沟部成形部(92)的尖端(92A)处，所述光轴(A)的远侧上的表面(92B)随着与所述尖端(92A)的距离增大，进一步地倾斜远离所述光轴(A)，并且所述表面(92B)和平行于所述光轴(A)的直线(A′)形成7°以上并且75°以下的角度。
12.根据权利要求10所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法，其中，使用磨石或者研磨剂来研磨所述模具(9)。
13.一种利用根据权利要求10所述的用于制造衍射光学元件(1)的方法来制造的衍射光学元件(1)，其中，所述衍射光学元件(1)的表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的平均值是0.05μm或者更小；并且所述表面的光学有效区域(10)内的表面粗糙度(Ra)的差异是0.02μm或者更小。
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