CN104199134A - 衍射光学元件及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种衍射光学元件及其制造方法。形成Al膜，以使得膜形成粒子对于具有多个光栅部分的衍射光栅的光栅壁表面垂直入射，并对于光学有效表面倾斜入射。此后，从将对于光学有效表面垂直入射的方向执行氧化处理，以使得光学有效表面上的Al层变为Al₂O₃层。因此，在具有多个光栅部分的衍射光栅中，Al₂O₃层形成在用于透射光的光学有效表面上，Al层形成在作为遮光层的光栅壁表面上。因此，可抑制衍射光学元件的耀斑。

Description

衍射光学元件及其制造方法

本申请是申请日为2012年2月21日、申请号为201210040533.3、发明名称为“衍射光学元件及其制造方法”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种用于诸如照相机或摄像机的光学装置的衍射光学元件及其制造方法。

背景技术

以衍射光栅为代表的衍射光学元件包括以同心的方式布置的多个光栅部分，每个所述光栅部分具有光学有效表面和光栅壁表面，所述光学有效表面用于在所期望的位置处形成入射光的图像，所述光栅壁表面不作为光学元件工作。如果来自有效画面外部的光进入光栅壁表面，则光可到达偏离所期望的图像形成位置的位置，并变成耀斑。如果存在大量耀斑，则图像质量大大地劣化。为了抑制耀斑，在光栅壁表面上形成遮光层是有效的，并且提出了各种方法。

美国专利No.5,676,804公开了这样一种技术，该技术涉及：仅在光学有效表面上形成初级膜，在光栅的整个表面上形成由遮光材料制成的膜，然后使用剥离法，以使得遮光层仅保留在没有形成初级膜的光栅壁表面上。

另外，日本专利申请公开No.H11-251215提出了：作为在台阶部分上形成抗蚀剂的方法的步骤之一，仅在光栅壁表面上形成抗反射膜的方法。具体地讲，该方法包括：在基板的整个表面上形成抗反射材料的均匀膜，然后通过反应离子蚀刻执行基板的整个表面的回蚀刻，以使得抗反射膜仅保留在光栅壁表面上。

根据上述常规技术，可在光栅壁表面上形成遮光层，但是存在如下问题。美国专利No.5,676,804中所公开的方法是具有强方向性的气相沉积方法，在该气相沉积方法中，膜形成角度被优化和设计为使得膜仅形成在光学有效表面上，但是实际上，不能抑制对于光栅壁表面的围绕(wraparound)。形成在光栅壁表面上的初级膜具有比形成在光学有效表面上的初级膜的密度低的密度。在这种状态下，如果遮光材料形成在整个光学元件上，则光栅壁表面上的遮光膜变为仿效(imitate)下层的低密度膜。形成在光栅壁表面上的低密度膜的状态根据光栅壁表面与光栅斜面之间的角度而大大地改变。如果所述角度大约为80度，则所述低密度膜的膜密度变为高密度膜的膜密度的大约1/4到1/3。此外，当执行剥离工艺时，发生这样的问题，即，必须保留在光栅壁表面上的遮光层被部分地移除。如果遮光膜的密度低，则作为膜的遮光能力降低，因此，不能获得足够的耀斑抑制效果。

此外，存在另一个问题，即，在光栅壁表面上出现没有形成遮光层的区域。这是由下述事实引起的，即，由于在初级膜形成于整个光学有效表面上的状态下形成遮光材料，所以由遮光材料制成的膜没有形成在光栅壁表面的下端部分附近。如果在光栅壁表面上出现没有形成遮光层的区域，则在该区域上不执行耀斑抑制，因此，整体上不能获得足够的耀斑抑制效果。

在日本专利申请公开No.H11-251215中，通过氧反应离子蚀刻(RIE)执行各向异性蚀刻，以试图仅移除平坦部分的膜。然而，由于具有均匀密度和厚度的膜形成在整个表面上，所以不能充分地获得平坦部分与光栅壁表面之间的蚀刻速率差异。结果，当蚀刻平坦部分时，光栅壁表面也被蚀刻，光栅壁表面的膜变为低密度膜，因此，不能充分地获得所需的膜功能。作为衍射光栅的情况下的特定问题，遮光性能不足，从而不能获得足够的耀斑抑制效果。相反，如果在能在光栅壁表面的膜中获得足够的遮光性能的状态下停止蚀刻，则膜也保留在光学有效表面上，因此，出现诸如透射率降低的问题。

此外，如果将被蚀刻的材料是有机膜，则易于形成对于各向异性蚀刻重要的壁表面保护膜。然而，如果将被蚀刻的材料是无机材料，则由于蚀刻速率低，所以壁表面保护膜形成得少。因此，还存在这样的问题，即，当蚀刻无机材料时，与有机材料的情况相比，不能确保蚀刻速率差异。

发明内容

本发明的目的是提供一种衍射光学元件及其制造方法，其使得能够在光栅壁表面上形成具有高遮光能力的遮光层，而不降低衍射光学元件的光学有效表面的光学特性。

为了实现上述目的，根据本发明，提供一种衍射光学元件，其包括多个光栅部分，所述光栅部分包括连续地形成在其表面上的光栅光学有效表面和光栅壁表面，其中，所述多个光栅部分的每个光栅光学有效表面包括形成在其上的Al₂O₃层，并且所述多个光栅部分的每个光栅壁表面包括形成在其上的Al层。

根据本发明，提供一种衍射光学元件的制造方法，包括：在基底基板的表面上形成多个光栅部分，所述光栅部分连续地包括光栅光学有效表面和光栅壁表面；形成Al层，以使得膜形成粒子对于所述多个光栅部分的每个光栅壁表面垂直入射，并对于所述多个光栅部分的每个光栅光学有效表面倾斜入射；以及，从将对于各光栅光学有效表面垂直入射的方向执行Al层的氧化处理，以使得各光栅光学有效表面上的Al层变为Al₂O₃层。

从以下参照附图对示例性实施例的描述，本发明的进一步的特征将变得清晰。

附图说明

图1A是根据本发明的衍射光学元件的截面图。

图1B是根据本发明的衍射光学元件的截面图。

图2A是示出根据本发明的衍射光学元件的制造方法的截面图。

图2B是示出根据本发明的衍射光学元件的制造方法的截面图。

图2C是示出根据本发明的衍射光学元件的制造方法的截面图。

图2D是示出根据本发明的衍射光学元件的制造方法的截面图。

具体实施方式

现在将根据附图对本发明的优选实施例进行详细描述。

图1A示出根据本发明实施例的衍射光学元件。在基底基板1上，形成有由光固化树脂制成的衍射光栅(闪耀衍射光栅)2。基底基板1和形成在其上的衍射光栅2的材料可以是玻璃和树脂中的任何一种，只要该材料满足光学特性、耐久性和可靠性即可。另外，作为具有多个光栅部分的衍射光栅2的形状，闪耀型被例举为典型示例，但是可使用满足光学特性的其它类型。图1B是图1A的一部分的放大图。形成在基底基板上的衍射光栅2的多个光栅部分的每个光栅壁表面上的Al层3被形成为高密度膜并具有足够的用于吸收不希望的光的膜厚度。通常，如果膜密度为2.0g/cm³或更大并且2.7g/cm³或更小，并且膜厚度为50nm或更大并且1μm或更小，则膜具有对于不希望的光的足够的遮光性能，这是合适的操作条件。如果Al层3的膜密度小于2.0g/cm³，则不能获得对于不希望的光的足够的遮光性能。另一方面，密度增大不造成特定问题，因此，适合使用直至2.7g/cm³的Al层3的膜密度，2.7g/cm³是Al在大气压力下的最大密度。此外，如果Al层3的膜厚度小于50nm，则不能获得对于不希望的光的足够的遮光性能。如果膜厚度大于1μm，则遮光层对透光表面的影响增大，并且衍射效率降低。

注意，根据光栅壁表面与光学有效表面之间的角度，Al层3可用作反射材料。在这种情况下，在有效像素外部(在镜筒等中)执行不希望的光的图像形成，以使得耀斑被抑制。另一方面，形成在光学有效表面上的Al₂O₃层4是低密度薄膜，但是不引起可见光的散射，从而是光学透明的。

通常，如果Al₂O₃层4的膜密度是0.4g/cm³或更大并且1.0g/cm³或更小，并且膜厚度是5nm或更大并且30nm或更小，则获得合适的操作条件。如果Al₂O₃层4的膜密度小于0.4g/cm³(其小于氧化处理之前的Al密度)，则当执行氧化处理时，下层树脂受损，因此，光学性能降低。如果膜密度大于1.0g/cm³，则Al的氧化在离表面几nm处结束，Al的未氧化部分降低光学性能。对于膜厚度同样如此。如果膜厚度小于5nm，则下层树脂受损。如果膜厚度大于30nm，则Al的未氧化部分被留下。

接下来，参照图2A至图2D对图1A和图1B中所示的衍射光学元件的制造方法进行描述。图2A示出在衍射光栅2的整个表面上形成Al层的步骤。形成所述膜，以使得膜形成粒子对于光栅壁表面垂直入射并对于光学有效表面倾斜入射。这是为了在光栅壁表面上形成高密度的厚膜和在光学有效表面上形成低密度的薄膜的目的。为了遮光的目的，需要光栅壁表面上的膜是高密度膜。另一方面，当在后面的步骤中执行氧化处理时需要优先对光学有效表面进行氧化，因此，使光学有效表面成为低密度膜，以使得氧化的反应速度提高。

换句话讲，形成所述膜，以使得通过具有膜形成粒子5的高直进性的膜形成方法减小围绕。具体地讲，存在气相沉积方法，但是还可通过准直溅射来实现所述目的，在所述准直溅射中，粒子的溅射方向通过准直仪来调整。在图2A中，通过使用掩模6和准直仪7的气相沉积方法形成Al层。从气相沉积源8径向散射的Al的膜形成粒子5的角度受到准直仪7限制，以使得限定用于形成膜的Al粒子的入射角(α)。该角可根据衍射光栅2的形状来调整。以受到准直仪7限制的角度散射的Al粒子穿过用于控制膜形成位置的掩模6，并到达元件。掩模6被构图为使得膜仅形成在元件的一半表面上。原因如下。通常，在许多情况下，衍射光学元件包括以同心的方式布置的多个光栅部分。在这种情况下，除非一半表面被掩蔽以用于形成膜，否则Al粒子的入射方向变为相对于中心线与一侧的光栅壁表面垂直，但是与另一侧的光学有效表面垂直。注意，为了在相同条件下在整个元件上形成膜，仅需要如图2A所示那样在形成膜的同时使元件围绕中心轴旋转。

如图2B所示，如上所述那样形成的Al层在光栅壁表面上是不带有其上无膜的区域的高密度膜10，并且在光学有效表面上是低密度膜9。接着，在整个元件上执行氧化处理。如图2C所示，通过具有各向异性的氧RIE从垂直入射方向对光学有效表面执行氧化处理。注意，可采用均匀氧化法。在上述膜形成处理中，出现光栅壁表面上的Al膜10与光学有效表面上的Al膜9之间的密度和膜厚度的差异。结果，氧化速度在光学有效表面上的Al膜9中更快。因此，在氧化法中可选择不具有各向异性的处理。另外，可通过具有各向异性的方法来执行氧化，并且可与Al膜形成处理类似地使用准直仪和用于控制膜形成位置的掩模这二者，以获得更大的差异。

通过执行氧化处理，形成在光学有效表面上的低密度Al膜9立即变为Al₂O₃，以在可见光区域中是透明的。另一方面，由于光栅壁表面上的Al膜10具有高密度，所以在其表面处停止其氧化反应。结果，如图2D所示，可在光栅壁表面上形成具有高遮光性能的Al层3，并可在光学有效表面上形成不降低光学特性的Al₂O₃层4。

(示例1)

如图1A所示，在基底基板1上，通过复制模塑来形成使用紫外线固化树脂的具有期望的形状的衍射光栅2，从而获得衍射光学元件。

基底基板1是半径为58mm、厚度为10.9mm并且包含硼和硅的光学玻璃(S-BSL7，由OHARA INC.制造)的透镜。所使用的紫外线固化树脂是这样的材料，该材料的主成分是聚氨酯改性聚酯丙烯酸酯(urethane modified polyester acrylate)和二环戊烯氧基乙基甲基丙烯酸(dicyclopentenyloxyethyl methacrylate)，并且在该材料中，分散了ITO细粒。衍射光栅2的光栅高度是10μm，相邻光栅部分之间的间隔为0.1mm到3.8mm。光栅部分之间的间隔从基底基板的内部朝向外部变窄。

在形成Al层之前，在大气压力下在所获得的衍射光学元件上执行氧等离子体灰化，并清洗衍射光学元件。此后，如图2A所示，使用真空气相沉积装置来形成Al层。膜形成条件如下。

气相沉积装置：ES-300(由Canon ANELVA Corporation制造)

接着，在以下条件下执行氧等离子体处理，以使得如图2C所示那样对光学有效表面上的Al层进行氧化。

元件布置在使得光栅斜面与RIE装置的两个电极平行的这样的方向上(使得离子加速方向与光栅斜面垂直的方向上)。换句话讲，元件被布置为使得氧离子的碰撞在光栅斜面变为最大。

将如上所述那样制造的具有通过Al层遮光的光栅壁表面的衍射光学元件合并在成像光学系统中，并测量背光耀斑。在测量方法中，使倾角为15°的光进入衍射光学元件并躲避在分光光度计(U4000,Hitachi,Ltd.)的积分球后面，以使得在测量其它耀斑光的同时设计量级的衍射光穿过。

在(23±0.5)℃和(50±10％)℃下测量衍射光学元件的衍射效率。测量结果是，背光耀斑为0.002％。进一步，对衍射光学元件的衍射效率进行测量。具体地讲，以下述方式用分光光度计测量衍射效率，即，使光在光栅部分间隔为100μm的区域中从光轴方向进入衍射光学元件，并且设置如下狭缝(slit)，所述狭缝仅允许设计量级的衍射光朝向衍射光的出射侧穿过。测量结果是，示例1中的衍射效率为99.9％或更大。

(比较示例1)

为了比较，通过与示例1中相同的方法制造图1A中所示的衍射光学元件。在比较示例1中，不形成图2A至图2D中所示的光栅壁表面上的Al层和光学有效表面上的Al₂O₃层。

与示例1的方法类似地，将衍射光学元件合并在成像光学系统中，并测量背光耀斑。测量结果是，背光耀斑为0.016％。

另外，与示例1类似地，测量衍射效率。

测量结果是，衍射效率为99.9％或更大。证实了，具有形成在光栅壁表面上的Al层的示例1中的耀斑光减小到在光栅壁表面上没有Al层的比较示例1中的耀斑光的1/8。另外，关于可见光区域中的衍射效率，获得与在光栅壁表面上没有Al层的元件的结果相同的结果。

尽管已参照示例性实施例对本发明进行了描述，但是应该理解本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最广泛的解释，以涵盖所有这样的修改以及等同的结构和功能。

Claims (16)

1.一种衍射光学元件，包括多个光栅部分，所述多个光栅部分包括连续地形成在其表面上的光栅光学有效表面和光栅壁表面，其中：

所述多个光栅部分的光栅光学有效表面包括形成在其上的Al₂O₃层；并且

所述多个光栅部分的光栅壁表面包括形成在其上的Al层。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述Al层具有比所述Al₂O₃层的膜密度高的膜密度，并且所述Al层比所述Al₂O₃层厚。

3.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述Al层具有大于等于2.0g/cm³且小于等于2.7g/cm³的膜密度以及大于等于50nm且小于等于1μm的膜厚度，并且所述Al₂O₃层具有大于等于0.4g/cm³且小于等于1.0g/cm³的膜密度以及大于等于5nm且小于等于30nm的膜厚度。

4.一种衍射光学元件，具有衍射光栅，所述衍射光栅包括多个光栅部分，所述多个光栅部分包括连续地形成在基板的表面上的光栅光学有效表面和光栅壁表面，其中：

所述多个光栅部分的光栅光学有效表面包括形成在其上的Al₂O₃层；并且

所述多个光栅部分的光栅壁表面包括形成在其上的Al层。

5.根据权利要求4所述的衍射光学元件，其中，

所述Al层比所述Al₂O₃层厚。

6.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述Al层的膜密度比所述Al₂O₃层的膜密度大。

7.根据权利要求4所述的衍射光学元件，

其中，所述Al层具有大于等于2.0g/cm³且小于等于2.7g/cm³的膜密度以及大于等于50nm且小于等于1μm的膜厚度，并且所述Al₂O₃层具有大于等于0.4g/cm³且小于等于1.0g/cm³的膜密度以及大于等于5nm且小于等于30nm的膜厚度。

8.根据权利要求4所述的衍射光学元件，其中，

所述基板由玻璃或树脂制成。

9.根据权利要求4所述的衍射光学元件，其中，

所述衍射光栅由玻璃或树脂制成。

10.根据权利要求4所述的衍射光学元件，其中，

所述基板由玻璃制成，并且所述衍射光栅由树脂制成。

11.一种衍射光学元件的制造方法，包括：

在基底基板的表面上形成多个光栅部分，所述多个光栅部分连续地包括光栅光学有效表面和光栅壁表面；

形成Al层，以使得膜形成粒子对于所述多个光栅部分的光栅壁表面垂直入射，并对于所述多个光栅部分的光栅光学有效表面倾斜入射；以及

从将对于光栅光学有效表面垂直入射的方向执行所述Al层的氧化处理，以使得光栅光学有效表面上的Al层变为Al₂O₃层。

12.根据权利要求11所述的衍射光学元件的制造方法，其中，

所述Al层被形成为：在所述光栅壁表面上的厚度大于在所述光栅光学有效表面上的厚度。

13.根据权利要求11所述的衍射光学元件的制造方法，其中，

所述Al层被形成为：在所述光栅壁表面上的厚度大于在所述光栅光学有效表面上的厚度，并且在所述光栅壁表面上的膜密度大于在所述光栅光学有效表面上的膜密度。

14.一种衍射光学元件的制造方法，包括：

在基底基板的表面上形成衍射光栅，所述衍射光栅包含多个光栅部分，所述多个光栅部分连续地包括光栅光学有效表面和光栅壁表面；

形成Al层，以使得膜形成粒子对于所述多个光栅部分的光栅壁表面垂直入射，并对于所述多个光栅部分的光栅光学有效表面倾斜入射；以及

从将对于光栅光学有效表面垂直入射的方向执行所述Al层的氧化处理，以使得光栅光学有效表面上的Al层变为Al₂O₃层。

15.根据权利要求14所述的衍射光学元件的制造方法，其中，

所述Al层被形成为：在所述光栅壁表面上的厚度大于在所述光栅光学有效表面上的厚度。

16.根据权利要求14所述的衍射光学元件的制造方法，其中，

所述Al层被形成为：在所述光栅壁表面上的厚度大于在所述光栅光学有效表面上的厚度，并且在所述光栅壁表面上的膜密度大于在所述光栅光学有效表面上的膜密度。