CN102597821A - 层叠衍射光学元件和光学系统 - Google Patents

Abstract

层叠衍射光学元件包括彼此层叠的多个衍射光栅21、22和23，各个衍射光栅由相同的透光材料形成。在该元件中，反射膜形成在各个衍射光栅的光栅表面11和12上，每个反射膜设置在衍射光栅之间。每个反射膜反射特定的波长范围中的光，并且透射与该特定的波长范围不同的波长范围中的光，各个反射膜的特定的波长范围彼此不同。各个衍射光栅的光栅表面根据与各个反射膜对应的特定的波长范围而被形成为彼此不同的形状。

Description

层叠衍射光学元件和光学系统

技术领域

本发明涉及一种层叠衍射光学元件，具体地涉及一种色差减小的层叠衍射光学元件。

背景技术

衍射光学元件(以下被称为DOE)提供任意的光焦度(opticalpower)，并且具有能够有效地减小折射光学系统的色差的反常色散特性。

然而，DOE几乎总是具有降低的光焦度，以被用在多色光的光学系统中，以便良好地校正色差。这是因为DOE的色散比折射的色散大非常多，因此，具有大大有助于图像形成的光焦度的DOE增大对于各种波长的衍射能力(diffraction power)的差异，这增大了DOE所产生的色差。因此，DOE的性能没有被充分利用。

日本专利No.3966303公开了在其每个表面上具有高度不同的两级台阶(binary steps)的拾取透镜。该拾取透镜将一个表面上的两级台阶的高度分别设置为等于不希望衍射通过该两级台阶的波长的整数倍的值和与希望衍射通过该两级台阶的波长的整数倍不同的值，从而仅使所需波长的光衍射。

而且，日本专利公开No.9-189892公开了包括液晶DOE的显示光学系统。该显示光学系统执行来自光源的光的波长的高速时分切换，诸如R→G→B→R→...，并且与时分切换同步地切换液晶DOE的参数，从而抑制像差(aberration)的产生。

将对透射型DOE的示例进行描述，在该示例中，同心环形带形成在其折射率n(λ_d)为1.5168(λ_d＝587.56nm)的透明平面基板上。当DOE的衍射阶次(order)为+1阶并且其焦距为50mm时，如果入射光瞳与所述环形带同轴地设置并且入射光瞳的直径为5mm，则R-B的纵向色差(λ_R＝640nm和λ_B＝480nm)增大到15.704mm。在折射透镜具有等于DOE的折射率的折射率和50mm焦距的情况下，曲率半径为-28.63mm，并R-B的纵向色差为0.775mm。

此外，将对反射型DOE的示例进行描述，该反射型DOE将25°的入射角转换为60°的反射角，并且其衍射阶次为+1阶，焦距为50mm。在该DOE中，R-B的纵向色差增大到40mm或更大。

这些描述是针对单独使用DOE的情况。然而，在具有强的能力(power)的DOE被用于包括透镜或反射镜的光学系统中的情况下，由于DOE的衍射，产生极大的色差，这可妨碍光学系统的形成。

日本专利No.3966303和日本专利公开No.9-189892中所公开的DOE可解决上述问题。然而，日本专利No.3966303中所公开的DOE是多级带片(multi-level zone plate)DOE，其可能获得不充分的衍射效率。此外，日本专利公开No.9-189892中所公开的液晶DOE涉及环形带间隔的精度取决于像素单元的尺寸的问题以及其时间响应性不能得到充分改进的问题。

发明内容

本发明提供一种具有强的能力并且能够减小由于衍射而产生的色差的层叠衍射光学元件。

本发明提供一种层叠衍射光学元件作为其一方面，该层叠衍射光学元件包括：彼此层叠的多个衍射光栅，各个衍射光栅由相同的透光材料形成；和形成在各个衍射光栅的光栅表面上的多个反射膜，每个反射膜设置在衍射光栅之间。每个反射膜反射特定的波长范围中的光，并且透射与该特定的波长范围不同的波长范围中的光，对于各个反射膜的特定的波长范围彼此不同。各个衍射光栅的光栅表面根据对于各个反射膜的特定的波长范围被形成为彼此不同的形状。

本发明提供一种层叠衍射光学元件作为其另一方面，该层叠衍射光学元件包括彼此层叠的多个衍射光栅，各个衍射光栅由彼此不同的透光材料形成。各个衍射光栅的光栅表面被形成为彼此不同的形状。在衍射光栅层叠的层叠方向上彼此相邻的衍射光栅的折射率对于一特定的颜色的光具有相互不同的色散特性。每个光栅表面使特定的颜色的光衍射。

本发明提供一种包括上述层叠衍射光学元件的光学系统作为其又一方面。

从以下参照附图对示例性示例(实施例)的描述，本发明的进一步特征和方面将变得清晰。

附图说明

图1示意性地显示作为本发明的示例1的反射型DOE的结构。

图2示意性地显示作为本发明的示例2的透射型DOE的结构。

图3示意性地显示作为本发明的示例3的反射型DOE的结构。

图4显示包括示例3的反射型DOE的光学系统。

图5是显示示例3的反射型DOE中所使用的二向色膜(dichroic film)的反射率特性的曲线图。

图6是显示示例3的反射型DOE对于波长λ_B的反射式衍射效率的曲线图。

图7是显示示例3的反射型DOE对波长λ_G和λ_R的透射式衍射效率的曲线图。

图8示意性地显示作为本发明的示例4的反射型DOE的结构。

图9示意性地显示作为本发明的示例4的反射型DOE的结构。

图10是显示光栅表面处的衍射效率的曲线图。

图11和图12是显示用于示例2的透射型DOE的材料的色散特性的曲线图。

图13显示作为本发明的示例5的光学系统。

图14显示作为本发明的示例6的光学系统。

图15是显示用于包括在示例6的光学系统中的透射型DOE的材料的色散特性的曲线图。

具体实施方式

以下将参照附图对本发明的示例性实施例(示例)进行描述。

示例1

图1显示作为本发明的第一示例(示例1)的反射型层叠DOE(层叠衍射光学元件)1。DOE 1通过层叠三个衍射光栅层(衍射光栅)而构成，所述三个衍射光栅层(衍射光栅)包括第一层21、第二层22和第三层23。所述三个衍射光栅层由相同的透光介质(材料)形成，并且其折射率(n(λ))也彼此相等。

作为反射第一波长范围中的光的反射膜的二向色膜形成在光栅表面11上，光栅表面11设置在第一层21与第二层22之间。作为反射第二波长范围中的光的反射膜的二向色膜形成在光栅表面12上，光栅表面12设置在第二层22与第三层23之间。

而且，光栅表面13被形成为反射透过第一层21至第三层23的光的镜面(mirror surface)。该镜面可由气相沉积在第三层23的后表面上的反射膜形成，或者可由金属片形成。

形成在光栅表面11和12上的反射膜不限于二向色膜，并且只需是反射特定的波长范围中的光(诸如第一波长范围中的光或第二波长范围中的光)并且透射与该特定的波长范围不同的波长范围中的光的膜。本示例中的所述特定的波长范围中的光的反射和与该特定的波长范围不同的波长范围中的光的透射不必要求100％的反射和100％的透射，即，可包括少量透射和反射(例如，5％或10％的透射和反射)。

如上所述用相同的材料形成第一层21至第三层23使得整个DOE 1薄。在第一层21至第三层23由树脂形成的情况下，在基板上形成包括镜面的光栅表面13、然后顺序地在其上形成第三层23、二向色膜、第二层22、二向色膜和第一层21可制造DOE。在这种情况下，可在第一层21的光入射侧表面10上形成抗反射膜。此外，比表面10更靠近光入射侧设置透明基板、然后顺序地在其上形成第一层21、二向色膜、第二层22，二向色膜、第三层23和反射膜可制造作为后表面反射镜的DOE。

其上形成二向色膜的光栅表面11和12和其上形成镜面的光栅表面13包括被形成为具有闪耀形状(blazed shape)的光栅环形带的光栅(以下，二向色膜也用标号11和12表示，镜面也用标号13表示)。环形带被形成有基于所计算的相位差函数而设置的环形带间隔，以便提供所需的光焦度。

在本示例中，为了简化说明，假定DOE 1总体上被形成为平板形状，并且假定形成在光栅表面11-13和表面10中的每个上的光栅的边缘的包络面为平面。

因此，从表面10进DOE 1的非单色光透射通过第一层21，然后该非单色光中所包括的第一波长范围中的光被光栅表面11反射和以预先确定的衍射阶次衍射。经反射和衍射的光再次透射通过第一层21，以通过表面10从DOE 1出射。因为第一层21和第二层22的折射率彼此相等，所以所述非单色光中所包括的不同于第一波长范围的波长范围中的光透射通过光栅表面11，而不被衍射。

透射通过光栅表面11和第二层22的光之中，第二波长范围中的光被光栅表面12反射和以预先确定的衍射阶次衍射，然后再次透射通过第二层22和第一层21，以通过表面10从DOE 1出射，而不被光栅表面11衍射。因为第二层22和第三层23的折射率彼此相等，所以透射通过第二层22的光之中，不同于第二波长的波长范围中的光透射通过光栅表面12，而不被衍射。

透射通过光栅表面12和第三层23的光被光栅表面13反射和以预先确定的衍射阶次衍射，并且再次透射通过第三层23至第一层21，以通过表面10从DOE 1出射，而不被光栅表面12和11衍射。

在常规的反射型DOE中，因为被设置为使得衍射效率对于某个波长范围变为最大的光栅表面使整个波长范围中的光衍射，所以难以降低能力的上述波长依赖性。相比而言，如果针对希望被每个光栅表面衍射的波长范围(即，特定的波长范围)对该光栅表面的形状进行优化，则本示例的DOE 1可独立地设置使该波长范围中的光衍射的能力。结果，本示例的DOE 1可减小色差。也就是说，本示例的DOE 1中的光栅表面11和12根据分别形成在光栅表面11和12上的反射膜的所述特定的波长范围而具有互相不同的形状。

而且，本示例的DOE 1可优化每个光栅表面处在任意波长范围中的衍射效率，因此使得可确保如图10所示的要被反射和衍射的有限波长范围中的高衍射效率。

此外，在图1中，参考字符IL表示照射在DOE 1上的某个点上的非单色光(入射光)。光栅表面11反射并衍射包括波长λ₁的第一波长范围中的光，并且透射不同于第一波长范围的波长范围中的光。光栅表面12反射并衍射包括波长λ₂的第二波长范围中的光，并且透射不同于第二波长范围的波长范围中的光。光栅表面13反射并衍射透射通过光栅表面11和12的、包括波长λ₃的波长范围中的光。

参考字符DL₁、DL₂和DL₃分别表示在光栅表面11、12和13处反射并衍射的光线。参考字符P₁、P₂和P₃以及d₁、d₂和d₃分别表示光栅表面11、12和13上的光线DL₁、DL₂和DL₃的入射点处的环形带间隔(环形带的间距)P和光栅高度d。也就是说，光栅表面11、12和13上的环形带间隔P₁、P₂和P₃以及光栅高度d₁、d₂和d₃在光线DL₁、DL₂和DL₃沿着其行进的相同的入射光线轴上互相不同。

将环形带间隔P₁、P₂和P₃设置为使得各个光栅表面处的能力彼此等同使得能够减小依赖于波长的能力的差异。因为在DOE中，能力随着波长变长而提高，所以只需将各个光栅表面上的环形带间隔设置为使得如果波长为λ₃＜λ₂＜λ₁...(1)，则满足以下关系：

P₃＜P₂＜P₁...(2)

当DOE是轴对称元件时，相位差函数

一般性地表达如下：

$\mathrm{\φ}\left(r\right)=\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_n\·r^{2n}\·\·\·\left(3\right)$

(r：离环形带中心的距离)

环形带间隔P(r)表达如下：

因此，只需如下设置环形带间隔P₁、P₂和P₃：

(P₁∶P₂∶P₃)＝(λ₁∶λ₂∶λ₃)...(5)

而且，为了改进衍射效率，只需将各个光栅表面的光栅高度设置为使得在波长λ₁、λ₂和λ₃处变为最大。波长λ₁、λ₂和λ₃不必要求与当设置上述环形带间隔时的波长一致，而是可以是对于要在各个光栅表面处反射的波长谱的合适的值。

光栅高度d表达如下：

d＝m·λ/ψ...(6)

(ψ表示光程差)

因此，如果波长为λ₃＜λ₂＜λ₁，则仅需如下设置光栅高度d₁、d₂和d₃，

d₃＜d₂＜d₁...(7)

也就是说，光栅高度d₁、d₂和d₃仅需大致满足以下关系：

(d₁∶d₂∶d₃)＝(λ₁∶λ₂∶λ₃)...(8)

关于每个光栅表面处的衍射效率的波长依赖性，如图10所示，随着衍射光的波长(水平轴所示)离衍射效率为峰值的波长(以下被称为“峰值波长”)越远，垂直轴所示的衍射效率越低。因此，可取的是，进入DOE的光的频谱在各个光栅表面的峰值波长附近具有峰值，并且尽可能地窄。例如，使用其频谱峰值在各个峰值波长附近的光源(诸如激光)和LED使得能够减少不必要的衍射光。另一方面，即使光源的频谱宽，相对于显示元件或图像拾取元件的像素周期性地设有多个滤色器使得能够获取类似的效果。

示例2

图2显示作为本发明的第二示例(示例2)的透射型层叠DOE2。该DOE 2也通过层叠多个衍射光栅层(衍射光栅)而构成，每个衍射光栅层使单色光衍射，这与示例1的DOE 1相同。DOE 2对于两个波长具有颜色校正功能。

DOE 2是通过层叠三个透光介质而构成的，所述三个透光介质包括第一层41、第二层42和第三层43。所述三个透光介质彼此不同，并且其折射率也互相不同。形成第一层41、第二层42和第三层43的透光介质的折射率分别用n₁(λ)、n₂(λ)和n₃(λ)表示。

设置在第一层41与第二层42之间的光栅表面11和设置在第二层42与第三层43之间的光栅表面12被形成为具有闪耀结构的光栅表面。然而，光栅表面11和12的闪耀结构的形状互相不同。

至少包括波长λ₁和λ₂中的光的光IL通过表面10进入DOE 2，然后通过表面14从DOE 2出射。光栅表面11和12以及表面10和14可设有抗反射膜。而且，为了使第一层41和第三层43薄，透光基板可相对于表面10被设置在更加光入射侧或者相对于表面14被设置在更加光出射侧。透光基板用作保持构件，这使得可使光入射侧或光出射侧的层薄。

在第一层41至第三层43彼此层叠的层叠方向上彼此相邻的第一层41和第二层42的折射率n₁(λ)和n₂(λ)至少对于波长λ₁(一种颜色光)彼此不同，而且对于另外的波长λ₂彼此相等。也就是说，第一层41和第二层42具有使得满足以下关系的色散特性：

n₁(λ₁)＜n₂(λ₁)

n₁(λ₂)＝n₂(λ₂)...(9)

光栅表面11被形成为使得环形带间隔P₁和光栅高度d₁可对于波长λ₁提供所需的衍射能力和所需的衍射效率。因此，在光栅表面11处，波长λ₁中的光沿预先确定的方向透射通过和衍射，波长λ₂中的光透射通过光栅表面11而不被衍射地进入第二层42。

而且，在层叠方向上彼此相邻的第二层42和第三层43的折射率n₂(λ)和n₃(λ)对于至少波长λ₂(一种颜色光)彼此不同，而且对于另外的波长λ₁彼此相等。也就是说，第二层42和第三层43具有满足以下关系的色散特性：

n₂(λ₂)＜n₃(λ₂)

n₂(λ₁)＝n₃(λ₁)...(10)

而且，光栅表面12被形成为使得环形带间隔P₂和光栅高度d₂可对于波长λ₂提供所需的衍射能力和所需的衍射效率。因此，在光栅表面12处，波长λ₂中的光沿预先确定的方向透射通过和衍射，波长λ₁中的光透射通过而不被衍射地进入第三层43。

图11显示形成第一层41至第三层43的透光介质的色散特性。在这些特性中，λ₁是640nm，λ₂是410nm。使用具有这样的色散特性的材料形成DOE 2使得能够将DOE 2应用于光学元件，诸如将波长λ₁和λ₂中的两个激光光束收敛在相同轴上彼此不同的焦点上的拾取透镜。

虽然对DOE独立地透射并衍射互相不同波长的两种颜色光的情况进行了描述，但是当DOE独立地透射并衍射互相不同波长的三种或更多种颜色光时，只需满足以下条件。

在进入DOE的光包括N个频谱(每个频谱具有作为峰值的波长λ_i(i＝1至N，λ_i＞λ_i+1并且N≥2))的情况下，DOE由至少N+1层构成，这些层由互相不同的透光介质形成，每个透光介质具有折射率n_i(j＝1至N+1)。当索引j较小时，透光介质被设置为更靠近光入射侧的层。在这种情况下，只需要每层的波长特性如下：

当j＝i时，n_j(λ_i)＜n_j+1(λ_i)

当j＞i时，n_j(λ_i)＝n_j+1(λ_i)，并且

当j＜i时，n_j(λ_i)＝n_i(λ_i)...(11)

DOE 2的上述示例对应于N＝2(i＝1至2，j＝1至3)的情况。这样的DOE在各个光栅表面处沿预先确定的方向透射和衍射某个波长λ_i＝k的光，并且透射另外的波长λ_i≠k的光，而不使它衍射。

图12显示作为示例的N＝3的情况所需的各个透光介质的色散特性。该示例假定三个波长为λ₁＝640nm、λ₂＝530nm和λ₃＝470nm。DOE具有包括四层的结构。波长λ₁的光独立地被第一层与第二层之间的光栅表面衍射，波长λ₂的光独立地被第二层与第三层之间的光栅表面衍射，波长λ₃的光独立地被第三层与第四层之间的光栅表面衍射。

用于提供各个透光介质所需的色散特性的方法包括例如将无机纳米粒子掺杂到透光有机材料中的方法。

示例3

图3显示示例1中所述的反射型层叠DOE 1的具体示例。该DOE 1通过层叠三层衍射光栅而构成，所述三层衍射光栅包括第一层21至第三层23，这些层由相同的透光介质形成。光栅表面11形成在第一层21与第二层22之间，光栅表面12形成在第二层22与第三层23之间，并且光栅表面13形成在第三层23的后表面上。

二向色膜形成在光栅表面11上。该二向色膜反射并衍射从红色(R)到红外的波长范围(第一波长范围)中的光。另一二向色膜形成在光栅表面12上。该二向色膜反射并衍射从紫外到蓝色(B)的波长范围(第二波长范围)中的光。光栅表面13至少反射并衍射透射通过光栅表面11和12的绿色(G)波长范围(第三波长范围)中的光。

这种结构使得两个二向色膜能够独立地反射并衍射作为短侧波长范围的第一波长范围中的光和作为长侧波长范围的第二波长范围中的光。此外，这种结构至少使得反射第一波长范围与第二波长范围之间的第三波长范围中的光的光栅表面能够以所需要的能力衍射该光。

而且，这种结构仅需要将两个光入射侧表面的反射率特性设置成像低通滤光器(若干nm或更小)或高通滤光器(若干nm或更大)，即，不需要将它们设置成像带通滤光器，这使得能够简化二向色膜的结构。即使在光栅表面11反射从蓝色到紫外的波长范围中的光并且光栅表面12反射从红色到红外的波长范围中的光的情况下，也类似地获得该效果。

换句话讲，在该DOE 1中，反射从蓝色到紫外的波长范围中的光的第一光栅表面11和反射从红色到红外的波长范围中的光的第二光栅表面12中的一个和另一个不是从光入射侧起按特定的次序布置的。此外，反射透过形成在第一光栅表面11和第二光栅表面12上的二向色膜的波长范围中的光的第三光栅表面13可相对于第一光栅表面11和第二光栅表面12形成在与光入射侧相对的侧。

图4显示通过使用偏心的反射型DOE 50来形成图像的光学系统，该光学系统具有5mm的入射光瞳的直径和20度的视角。以下显示该光学系统的数值数据。

坐标原点被设置为入射光瞳(entrance pupil)的中心，通过光瞳的中心并且在与光瞳正交的方向上延伸的轴被定义为Z轴。在与Z轴正交的方向上和在沿着偏心剖面(子午剖面(meridional crosssection))的方向上延伸的轴被定义为Y轴。在与Y轴和Z轴正交的方向上延伸的轴被定义为X轴，并且θ表示围绕X轴的旋转偏心角。

该光学系统被构造为使得入射角大于反射角。设计波长为λ_R＝640nm、λ_G＝530nm和λ_B＝480nm，并且设计衍射阶次为+5阶。每层的相位差函数表达如下：

$\mathrm{\ψ}(x,y)=\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{\mathrm{nm}}{x}^n{y}^m\left(\text{n,n:integers}\right)$

当通过光瞳的中心并且形成零视角的光线在其上前进的轴被定义为z轴、与z轴正交并且彼此正交的轴被定义为x轴和y轴、DOE偏心并且围绕x轴旋转时，y-z平面被称为子午剖面，x-z平面被称为弧矢剖面(sagittal cross section)。将仅在子午剖面中进行以下描述。在这种情况下，因为仅需要考虑项y，所以相位差函数表达如下：

$\mathrm{\ψ}\left(y\right)=\underset{m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}{C}_m{y}^m}}$

C₁＝-3.75050·10^-3

C₂＝-1.28103·10^-3

C₃＝1.18215·10^-5

C₄＝2.30640·10^-8

C₅＝-1.35259·10^-7

C₆＝1.03332·10^-8

C₇＝1.79335·10^-10

C₈＝-5.01001·10^-11

C₉＝2.06563·10^-12

C₁₀＝-2.77163·10^-14

环形带间隔P_k(y)基于表达式(4)表达如下：

$={\mathrm{\λ}}_k/\{\mathrm{\Σm}\·C_m{y}^{m-1}\}$ (k表示颜色)...(12)

关于形成+5°视角的主光线，其在DOE上(即，在表面10上)的入射角为25°，并且从光学系统的光轴到主光线在DOE上的入射点的距离y为5.65mm。上述主光线以30.65°的反射角从DOE出射。反射并衍射各颜色光的光栅表面上的环形带间隔P_k如下：

P_R＝36.7μm，

P_G＝33.7μm，并且

P_B＝27.5μm

光栅高度d_k如下：

d_R＝2.15μm，

d_G＝1.97μm，并且

d_B＝1.61μm.

在这种情况下，如果环形带间隔彼此相等，则倍率色差(R-B)增大到大约1.8mm，纵向色差(R-B)增大到19mm。然而，环形带间隔的上述设置使得能够在理论上将这些像差抑制到零。

接下来，将对二向色膜的构造进行描述。将对下述情况进行描述，在所述情况下，二向色膜反射并衍射从紫外到蓝色的波长中的光，并且透射红色和绿色的波长中的光，而不使它们衍射。当波长用λB表示、高折射率层用H表示、低折射率层用L表示时，二向色膜的构造表达如下：

(0.5HL0.5H)⁹

这显示下述构造，在该构造中，层厚度为λ_B/8的层H、层厚度为λ_B/4的层L、以及层厚度为λ_B/8的层H的组合从光入射侧起重复九次。

图5显示当假定波长λ_B为480nm、层H的折射率n_H为1.7、层L的折射率n_L为1.5时P偏振光的反射率的波长依赖性。反射率在475nm或更小的波长范围中大约为0％，在575nm或更大的波长范围中大约为100％。

图6显示当波长λ_B的主光线的入射角为45°并且其入射点(y)为3.0mm时该主光线的反射式衍射效率。图7显示波长λ_G和λ_R的主光线的透射式衍射效率。透射式衍射效率通过严格耦合波分析来计算。波长λ_B的+5阶衍射光的反射式衍射效率为82.39％，波长λ_R和λ_G的0阶衍射光的透射率分别为94.6％和90.1％。而且，波长λ_R和λ_G中的除0阶之外的衍射阶次的透射式衍射光的相对强度小于0.2％，这意味着波长λ_B的光的大部分被反射和衍射，另外的波长的光的大部分被透射而没有被衍射。

虽然波长λ_B的+5阶以外的衍射阶次的衍射光的强度为大约1％，但是这样的稍微高的强度可通过调整光栅的形状(诸如光栅侧面的倾斜)而降低。

示例4

图8显示作为示例1中所述的反射型层叠DOE 1的另一具体示例的第四示例(示例4)。虽然示例3通过使用单个(相同)透光介质来形成光栅表面之间的部分以减小DOE的厚度，但是本示例分别在透光基板上形成衍射光栅，并且组合这些衍射光栅来制造反射型层叠DOE。

在图8中，反射型DOE(在该反射型DOE中，二向色膜形成在层21与22之间的、由其折射率为n(λ)的相同透光介质形成的光栅表面11上)形成在其折射率为n_p(λ)的透光基板30上，这构成第一反射式衍射单元。折射率n(λ)可等于折射率n_p(λ)，或者可不同于折射率n_p(λ)。形成在光栅表面11上的二向色膜反射并衍射波长λ_R的光(R光)。

此外，另一反射型DOE(在该反射型DOE中，二向色膜形成在层23与24之间的、由其折射率为n(λ)的相同透光介质形成的光栅表面12上)形成在其折射率为n_p(λ)的另一透光基板30上，这构成第二反射式衍射单元。折射率n(λ)可等于折射率n_p(λ)，或者可不同于折射率n_p(λ)。形成在光栅表面12上的二向色膜反射并衍射波长λ_B的光(B光)。

而且，又一反射型DOE(在该反射型DOE中，二向色膜形成在层25的、由其折射率为n(λ)的透光介质形成的光栅表面13上)形成在其折射率为n_p(λ)的又一透光基板30上，这构成第三反射式衍射单元。折射率n(λ)可等于折射率n_p(λ)，或者可不同于折射率n_p(λ)。光栅表面13被形成为反射并衍射波长λ_G的光(G光)的镜面。

第一反射式衍射单元至第三反射式衍射单元彼此相邻地设置，以使得在它们之间形成空气层31地将它们彼此层叠。

基板30和层(衍射光栅)的边界不影响衍射。如果基板30是平行平板，则每层上的光的入射角不改变。即使当基板30是曲形板，从而具有折射能力时，仅需根据折射能力对每层的相位差函数进行优化。

如图9所示，第一反射式衍射单元至第三反射式衍射单元可被设置为彼此接触，以使得不在它们之间形成空气层31地将它们彼此层叠。

在上述每个示例中，以及在示例1和3中，可独立地为每种颜色光设置衍射能力。

示例5

将对作为示例1中所述的反射型层叠DOE 1的又一具体示例的第五示例(示例5)进行描述。虽然在示例3和4中，在光学系统中仅使用反射型层叠DOE，但是可将反射型层叠DOE与折射元件或反射元件组合使用。

图13显示其中反射型层叠DOE形成在棱镜元件60的三个表面之一上的光学系统。该光学系统可用作具有设置在表面65处的图像拾取元件(诸如CCD传感器或CMOS传感器)的照相机的图像摄取光学系统。此外，该光学系统可用作具有设置在表面65处的显示元件(诸如液晶面板)的图像显示装置的显示光学系统，该显示光学系统放大形成在显示元件上的图像，以使得可从光瞳61观察到放大的图像。

在图像摄取光学系统中，来自入射光瞳61的外部光通过棱镜元件60的表面62进入棱镜元件60，被表面63的背侧反射，以通过棱镜元件60的表面64从棱镜元件60出射，然后被引入到设置在表面65处的图像拾取元件。表面63设有DOE。

本示例具有反射角大于入射角的关系以减小棱镜元件60的厚度和尺寸。以下显示上述光学系统的数值数据。该数值数据中的坐标系与示例3中所述的坐标系相同。

该光学系统具有±20度的视角和5mm的入射光瞳的直径。如示例3中那样，在偏心剖面(子午剖面)中，当仅考虑y的项时，DOE的相位差函数表达如下：

$\mathrm{\ψ}\left(y\right)=\underset{m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m{y}^m$

C₁＝-1.13323·10^-1

C₂＝9.94878·10^-4

C₃＝2.14809·10^-6

C₄＝-2.88178·10^-6

C₅＝-6.97048·10^-8

C₆＝2.17443·10^-8

C₇＝6.51869·10^-10

C₈＝-5.24502·10^-11

C₉＝-2.56617·10^-12

C₁₀＝-2.56520·10^-14

在这种情况下，例如0°视角光线的入射点处DOE上的环形带间隔Pk如示例3中那样被计算如下，因为其入射角为23.37°，并且其衍射角为45.4649°：

P_R＝5.648μm，

P_G＝5.185μm，并且

P_B＝4.236μm

并且，光栅高度d_k如下：

d_R＝1.37μm，

d_G＝1.25μm，并且

d_B＝1.02μm。

示例6

将对作为示例2中所述的透射型层叠DOE 2的具体示例(示例6)的透射型层叠DOE进行描述。图14显示通过使用透镜73将从激光光源71a和71b发射的两个光束中的每个聚集在相同像面74上的光学系统，这两个光束为互相不同波长的光。透镜73的出射表面731设有本示例的透射性层叠DOE。

透射并衍射波长互相不同的两个光的两个光栅表面的形成独立地需要具有图11所示的特性的三个透光介质。在图2所示的构造的这个示例中，E-FD8用作用于第一层41的透光介质，LAC14用作用于第二层42的透光介质，E-FD15用作用于第三层43的透光介质(这些玻璃由HOYA公司制造)。这两个波长被设为λ₁＝640nm和λ₂＝473nm。图15显示E-FD8、LAC14和E-FD15的色散特性。

而且，以下显示本示例的光学系统的数值数据。坐标系也与示例3中所述的坐标系相同。

入射光瞳具有5mm的直径。表面(DOE基板表面)2是根据以下函数表达的非球面表面(ASP)：

z(r)＝cr²/[1+{1-(1+K)·c²·r²}]^1/2

·(Ar⁴+Br⁶+Cr⁸+Dr¹⁰+Er¹²+Fr¹⁴+Gr¹⁶+Hr¹⁸+hr²⁰)

其中，K表示锥形系数，c表示曲率半径。“E-XX”表示“×10-XX”。

表面2为旋转对称表面，因此，DOE的相位差函数表达如下：

$\mathrm{\ψ}\left(r\right)=\underset{m}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{C}_m{r}^{2m}$

第一层与第二层之间的光栅表面11的系数C_m(针对波长λ₁)设置如下：

C₁＝-8.13200·10^-3

C₂＝7.11800·10^-4

C₃＝9.45300·10^-5

C₄＝6.77600·10^-6

C₅＝4.32300·10^-6

C₆＝5.87300·10^-7

C₇＝9.39500·10^-8

C₈＝3.30800·10^-8

C₉＝9.40400·10^-9

C₁₀＝1.48300·10^-9

而且，第二层与第三层之间的光栅表面12的系数C_m(针对波长λ₂)设置如下：

C₁＝-6.37900·10^-3

C₂＝7.10000·10^-4

C₃＝9.46700·10^-5

C₄＝7.49500·10^-6

C₅＝4.33200·10^-6

C₆＝5.92300·10^-7

C₇＝9.63500·10^-8

C₈＝3.34900·10^-8

C₉＝9.52100·10^-9

C₁₀＝1.51900·10^-9

尽管已参照示例性示例(实施例)描述了本发明，但是应该理解本发明不限于所公开的示例性示例。所附权利要求的范围应该赋予最宽泛的解释，以涵盖所有修改、等同结构和功能。

本申请要求于2009年10月21日提交的日本专利申请No.2009-241989的权益，该日本专利申请的全部内容在此通过引用被并入。

工业实用性

本发明可提供一种层叠衍射光学元件，其由于衍射而产生的色差减小，同时具有强的能力。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种层叠衍射光学元件，包括：

多个衍射光栅，所述多个衍射光栅彼此层叠，各个衍射光栅由相同的透光材料形成；和

形成在各个衍射光栅的光栅表面上的多个反射膜，每个反射膜设置在衍射光栅之间，

其中，每个反射膜反射特定的波长范围中的光并且透射与所述特定的波长范围不同的波长范围中的光，对于各个反射膜的特定的波长范围彼此不同，并且

其中，各个衍射光栅的光栅表面根据对于各个反射膜的特定的波长范围而被形成为彼此不同的闪耀形状。

2.根据权利要求1所述的层叠衍射光学元件，其中，各个衍射光栅的光栅表面上的环形带间隔和光栅高度在相同的入射光线轴上彼此不同。

3.根据权利要求1或2所述的层叠衍射光学元件，

其中，按从光入射侧起的次序，设置第一光栅表面和第二光栅表面中的一个和另一个，在所述第一光栅表面上，形成反射从紫外到蓝色的波长范围中的光的反射膜，在所述第二光栅表面上，形成反射从红色到红外的波长范围中的光的反射膜，并且

其中，第三光栅表面相对于第一光栅表面和第二光栅表面设置在与光入射侧相对的侧，所述第三光栅表面上的反射膜反射透过形成在所述第一光栅表面和所述第二光栅表面上的反射膜的波长范围中的光。

4.一种层叠衍射光学元件，包括：

多个衍射光栅，所述多个衍射光栅彼此层叠，各个衍射光栅由彼此不同的透光材料形成，

其中，各个衍射光栅的光栅表面被形成为彼此不同的形状，并且

其中，在层叠衍射光栅的方向上彼此相邻的衍射光栅的折射率对于一特定的颜色的光具有互相不同的色散特性，并且

其中，每个光栅表面使所述一特定的颜色的光衍射。

5.根据权利要求4所述的层叠衍射光学元件，其中，各个衍射光栅的光栅表面上的环形带间隔和光栅高度在相同的入射光线轴上彼此不同。

6.根据权利要求4或5所述的层叠衍射光学元件，

其中，(a)进入所述层叠衍射光学元件的光包括其峰值波长为λ_i的N个频谱，N≥2，i＝1至N，λ_i＞λ_i+1，(b)由其折射率为n_j(λ_i)的N+1个透光材料形成的衍射光栅彼此层叠，j＝1至N+1，并且(c)j越小，透光材料就越设置在光入射侧，并且

其中，所述透光材料的波长特性满足以下关系：

当j＝i时，n_j(λ_i)＜n_j+1(λ_i)，

当j＞i时，n_j(λ_i)＝n_i+1(λ_i)，并且

当j＜i时，n_j(λ_i)＜n_i(λ_i)。

7.一种光学系统，包括：

根据权利要求1至6中的任一项的层叠衍射光学元件。

Claims (7)

1.一种层叠衍射光学元件，包括：

多个衍射光栅，所述多个衍射光栅彼此层叠，各个衍射光栅由相同的透光材料形成；和

形成在各个衍射光栅的光栅表面上的多个反射膜，每个反射膜设置在衍射光栅之间，

其中，每个反射膜反射特定的波长范围中的光并且透射与所述特定的波长范围不同的波长范围中的光，对于各个反射膜的特定的波长范围彼此不同，并且

其中，各个衍射光栅的光栅表面根据对于各个反射膜的特定的波长范围而被形成为彼此不同的形状。

2.根据权利要求1所述的层叠衍射光学元件，其中，各个衍射光栅的光栅表面上的环形带间隔和光栅高度在相同的入射光线轴上彼此不同。

3.根据权利要求1或2所述的层叠衍射光学元件，

其中，按从光入射侧起的次序，设置第一光栅表面和第二光栅表面中的一个和另一个，在所述第一光栅表面上，形成反射从紫外到蓝色的波长范围中的光的反射膜，在所述第二光栅表面上，形成反射从红色到红外的波长范围中的光的反射膜，并且

其中，第三光栅表面相对于第一光栅表面和第二光栅表面设置在与光入射侧相对的侧，所述第三光栅表面上的反射膜反射透过形成在所述第一光栅表面和所述第二光栅表面上的反射膜的波长范围中的光。

4.一种层叠衍射光学元件，包括：

多个衍射光栅，所述多个衍射光栅彼此层叠，各个衍射光栅由彼此不同的透光材料形成，

其中，各个衍射光栅的光栅表面被形成为彼此不同的形状，并且

其中，在层叠衍射光栅的方向上彼此相邻的衍射光栅的折射率对于一特定的颜色的光具有互相不同的色散特性，并且

其中，每个光栅表面使所述一特定的颜色的光衍射。

5.根据权利要求4所述的层叠衍射光学元件，其中，各个衍射光栅的光栅表面上的环形带间隔和光栅高度在相同的入射光线轴上彼此不同。

6.根据权利要求4或5所述的层叠衍射光学元件，

其中，(a)进入所述层叠衍射光学元件的光包括其峰值波长为λ_i的N个频谱，N≥2，i＝1至N，λ_i＞λ_i+1，(b)由其折射率为n_j(λ_i)的N+1个透光材料形成的衍射光栅彼此层叠，j＝1至N+1，并且(c)j越小，透光材料就越设置在光入射侧，并且

其中，所述透光材料的波长特性满足以下关系：

当j＝i时，n_j(λ_i)＜n_j+1(λ_i)，

当j＞i时，n_j(λ_i)＝n_i+1(λ_i)，并且

当j＜i时，n_j(λ_i)＜n_i(λ_i)。

7.一种光学系统，包括：

根据权利要求1至6中的任一项的层叠衍射光学元件。

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