CN107111021A - 衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衍射光学元件，该衍射光学元件具有多个剖面为锯齿形状的环形部，其特征在于，衍射面具有多个包含所述环形部的至少一部分的衍射区域，在该衍射面设置的多个衍射区域中，至少两个衍射区域中的波前像差为最小的波长彼此不同。

Description

衍射光学元件

技术领域

本发明涉及衍射光学元件。

背景技术

近年来，作为校正光学系统的色像差等的方法之一，采用了衍射光学元件。衍射光学元件具有负色散、异常色散性，可以使光学系统显著地小型化、成像性能大幅度地提高。

然而，入射到衍射光学元件的衍射面的光线被分为多个级数的衍射光。一般来说，衍射光学元件将使用波长区域的光束集中在特定的级数(以下，称之为“设计级数”)，确定其衍射光栅结构，从而使设计级数的衍射光的衍射效率在指定的波长(以下，称之为“设计波长”)变最大化。但衍射光的衍射效率显示波长依赖性，随着从设计波长的偏离加大，衍射效率下降。为此，所使用的光线的波长横跨宽的频带时，就设计波长附近以外的波长而言，设计级数以外的级数的衍射光(以下，称之为“多余衍射光”)变得具有强度。

多余衍射光在与设计级数的衍射光不同的其他位置成像，因而形成耀斑等。并且，多余衍射光的强度也具有波长特性。为此，在可见光的一部分波长区域多余衍射光的强度变高时，会生成着色了的耀斑(以下，称之为“色耀斑”)。为了解决这类问题，目前提出了具有衍射光栅结构的所谓层合式衍射光学元件，其中，衍射光栅结构层合了由两种色散不同的材质构成的衍射光栅(例如，参照“专利文献1”)。通过形成专利文献1所述的层合式衍射光学元件，所使用的光线的波长横跨宽的频带时，在整个区域也可以减低设计级数的衍射光的衍射效率的波长依赖性，防止因多余衍射光引起的耀斑的生成。

但采用上述层合式衍射光学元件时，多余衍射光并非完全不存在，由残存的多余衍射光也会生成色耀斑。就撮像光学系统而言，即使是该轻微残存的多余衍射光，也会导致因色耀斑引起的图像劣化的问题。为此，目前提出了根据指定的条件式设定两个设计波长，级数不同的多余衍射光彼此通过光的加法混色来实现耀斑的泛白化的方法等(例如，参照“专利文献2”)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第3717555号公报

专利文献2：日本专利第3787474号公报

发明内容

发明要解决的问题

然而，专利文献2记载了设定设计波长，使使用波长区域中的两个波长的衍射光的衍射效率为最大，且使多余衍射光泛白的技术方案。因此，就专利文献2记载的衍射光学元件而言，依旧存在着该衍射效率显示波长依赖性，难以使耀斑泛白的问题。

本发明的目的是提供一种能够使耀斑更接近于白色的衍射光学元件。

解决问题的方法

经潜心研究的结果，本发明人通过采用具有以下衍射面的衍射光学元件解决了上述问题。

本发明的衍射光学元件具有多个剖面为锯齿形状的环形部，其特征在于，衍射面具有多个包含所述环形部的至少一部分的衍射区域，在该衍射面设置的多个衍射区域中，至少两个衍射区域中的波前像差为最小的波长彼此不同。

作为本发明的衍射光学元件，优选在使用波长区域，由该衍射面整体看时不存在高阶的波前像差成分为0的波长。

作为本发明的衍射光学元件，优选在所述使用波长区域，在包含其中心波长的80％的波长范围，所述高阶的波前像差成分在0.011λrms以上0.063λrms以下。

作为本发明的衍射光学元件，所述衍射面优选具有包含一个以上的环形部的衍射区域。

作为本发明的衍射光学元件，所述衍射面优选具有包含多个衍射区域的环形部。

作为本发明的衍射光学元件，优选满足下述式(1)。

0.2<(λ2-λ1)/(λmax-λmin)<0.7…(1)

上述式(1)中，λmin为使用波长区域的最小波长，λmax为使用波长区域的最大波长，λ1为第一衍射区域中所述波前像差为最小的波长，λ2为第二衍射区域中所述波前像差为最小的波长，且λ2>λ1。

作为本发明的衍射光学元件，优选所述波前像差为最小的波长为闪耀波长。

本发明的衍射光学元件具有多个剖面为锯齿形状的环形部，其特征在于，衍射面具有闪耀波长为第一波长的第一衍射区域、及与该第一衍射区域相邻且闪耀波长为第二波长的第二衍射区域，所述第一波长与所述第二波长为不同的波长。

发明的效果

根据本发明，能够提供一种可以使耀斑更接近于白色的衍射光学元件。

附图说明

图1是表示现有的闪耀式衍射光学元件的剖面形状例(a)及本发明的闪耀式衍射光学元件的剖面形状例(b)、(c)的示意图。

图2是表示本发明的闪耀式衍射光学元件的剖面形状例(d)～(g)的示意图。

图3是用于说明高阶的波前像差成分的图。

图4是表示采用本发明的衍射光学元件时的衍射光衍射效率的一个例子的图。

符号的说明

θ…倾斜角、H…闪耀高度、W…间距

具体实施方式

以下，说明本发明的衍射光学元件的实施方式。本发明的衍射光学元件涉及具有多个剖面为锯齿形状的环形部的衍射光学元件。

1、衍射光学元件的基本实施方式

本发明的衍射光学元件具有多个剖面为锯齿形状的环形部，其特征在于，在衍射面设置多个包含环形部的至少一部分的衍射区域，在该衍射面设置的多个衍射区域中，至少两个衍射区域中的波前像差为最小的波长彼此不同。这里，衍射区域是指包含环形部的至少一部分的连续区域，光线入射到该区域内时，在光线的波长及入射角相同的情形下是指以相同衍射角度衍射的区域，该衍射区域可以是由一个环形部构成的区域，也可以是在一个环形部包含多个衍射区域。并且，还可以是在一个衍射区域包含两个以上的环形部的结构。

此外，以下举出闪耀式(相息图式)衍射光学元件的例子来说明本发明的衍射光学元件，但本发明的衍射光学元件并不局限于闪耀式，例如，也可以是阶梯式衍射光学元件等。

这里，现有常见的闪耀式衍射光学元件具有下述式(i)规定的衍射光栅结构，在用下述式(i)表示的相差函数对径向进行归一化了的等相差坐标系表示该衍射光栅的剖面形状时，如图1(a)所示，具有各环形部的剖面为相同的锯齿形状的周期结构。即，如图1(a)所示，在等相差坐标系中，各环形部在X轴方向的宽度(间距)W、各环形部的闪耀高度h、各环形部的倾斜角θ均相同。其中，图1所示的X轴方向是径向，Y轴方向是闪耀高度方向，X轴与环形部的倾斜面形成的角度是倾斜角θ。此外，环形部与闪耀具有相同涵义。

这里，Φ(r)是相位函数，r是同一径向上自光轴起的长度，是任意的系数，m是衍射级数。

就这种衍射光栅结构被指定了的衍射光学元件而言，确定衍射光栅结构，从而使设计级数的衍射光相对于设计波长显示最大的衍射效率。但如上所述，这种现有的衍射光学元件中，衍射光的衍射效率显示波长依赖性，就设计波长附近以外的波长而言，设计级数的衍射光的衍射效率下降，多余衍射光具有强度。因此，将该衍射光学元件应用于在可见光区域使用的光学系统等时，存在着多余衍射光导致生成色耀斑的情况。

相对而言，本发明的衍射光学元件中，设置多个包含环形部的至少一部分的衍射区域，在相邻的衍射区域确定其衍射光栅结构，使各个衍射区域中的波前像差为最小的波长彼此不同。具体地说，例如，可以采用以下各种形式的衍射光栅结构。即，如图1(b)所示的具有倾斜面的倾斜角(θ1,θ2)及闪耀高度(h1,h2)不同的环形部被交替设置的剖面的衍射光栅结构，又如图1(c)所示的具有倾斜面的倾斜角(θ1,θ2)及间距(W1,W2)不同的环形部被交替设置的剖面的衍射光栅结构等，一个环形部为一个衍射区域，波前像差为最小的波长彼此不同的环形部交替设置的形式，或如图1(d)～(e)所示的在一个环形部内设置具有不同倾斜角(θ1,θ2)的多个倾斜面，将包含一个倾斜面的区域分别设为一个衍射区域，在一个环形部中具有波前像差为最小的波长不同的多个衍射区域的衍射光栅结构，或如图1(g)所示的第一衍射区域和第二衍射区域交替设置的衍射光栅结构等，其中，第一衍射区域由具有第一倾斜角(θ₁)、第一闪耀高度(h₁)及第一间距(W₁)的多个环形部构成，第二衍射区域由具有第二倾斜角(θ₂)、第二闪耀高度(h₂)及第二间距(W₂)的多个环形部构成。

通过以上结构，本发明的衍射光学元件可以减低多余衍射光的波长依赖性，可以使耀斑更加接近于白色。

并且，通过形成上述的衍射面，本发明的衍射光学元件在使用波长区域，由衍射面整体看时不存在高阶的波前像差成分为0(零)的波长。因此，在整个使用波长区域可以使衍射光的衍射效率大致一定，可以防止多余衍射光的强度在使用波长区域内特定狭窄的波长范围变强的问题，实现耀斑的泛白化。此外，图1(b)～(g)所示的具体实施方式在以下做详细说明。

其次，说明波前像差等。本发明中，“波前像差为最小的波长”可以按照字面意思来解释，是指在使用波长区域衍射光的波前像差为最小的波长，优选在该使用波长区域波前像差为“0”的波长。即，优选该“波前像差为最小的波长”为所谓的“闪耀波长”，在相邻的衍射区域，优选各衍射区域中的闪耀波长彼此不同。

并且，“高阶的波前像差成分”是指以下事项。用干涉仪测定该衍射光学元件的波前像差时，例如，能够得到图2实线所示的测定结果。将该波前像差用有限级数项展开为泽尼克(Zernike)圆形多项式后，将该多项式的各成分按照级数分离为低阶成分和高阶成分。可以将此时的高阶成分设为本发明中提到的“高阶的波前像差成分”。并且，低阶成分是指如上述般做了泽尼克展开时，包括与球面像差、像散、彗形像差等塞德尔像差对应的像差成分在内的用低级项展开的像差成分。本发明的“高阶的波前像差成分”为不能用这些低级项展开的“高阶成分”。例如，泽尼克展开至37项时，可以将这些项展开不了的成分设为高阶的波前像差成分。并且，简单地说，用Zygo公司的斐索式干涉仪(Verifire、GPI、DynaFiz)等测定波前像差时，用这些干涉仪作为高阶像差得到的波前像差成分可以设为本发明中提到的“高阶的波前像差成分”。此外，图2的波形线示出的是从实线表示的包括低阶成分及高阶成分的波前像差中去掉低阶成分的高阶的波前像差成分。

这里，存在如上述专利文献2所示的衍射效率为100％的波长时，即，由衍射面整体看时存在着高阶的波前像差成分为0的波长时，由于不存在该波长的耀斑光成分，会生成该波长的补色的耀斑，难以使耀斑泛白。相对而言，如上所述，通过形成衍射面，在使用波长区域由衍射面整体看时不存在高阶的波前像差成分为0的波长时，可以有效地使耀斑接近于白色。

作为本发明的衍射光学元件，在使用波长区域，在包含其中心波长的80％的波长范围，所述高阶的波前像差成分优选在0.011λrms以上0.063λrms以下。由衍射面整体看时的波前像差在上述范围内时，使用波长区域中的衍射光的衍射效率在使用波长区域的上述80％的波长范围在95％以上99.5％以下的范围内，使用波长区域的上述80％的波长范围中的多余衍射光的强度不依赖于波长，显示大致一定的低数值。因此，可以实现耀斑的泛白化。如上所述，在可以实现耀斑的泛白化的基础上，在使用波长区域，优选在包含其中心波长的80％以上的波长范围显示上述数值，进一步优选在85％以上的波长范围显示上述数值，更优选在90％以上的波长范围显示上述数值。

并且，出于实现耀斑的泛白化或抑制耀斑生成本身的观点，在上述波长范围，进一步优选上述高阶的波前像差成分为0.05λrms以下。

其次，说明条件式(1)。本发明的衍射光学元件优选满足下述条件式(1)。

0.2<(λ2-λ1)/(λmax-λmin)<0.7…(1)

上述式(1)中，λmin是使用波长区域的最小波长，λmax是使用波长区域的最大波长，λ1是在第一衍射区域中所述波前像差为最小的波长，λ2是在第二衍射区域中所述波前像差为最小的波长，且λ2>λ1。

通过满足上述条件式(1)，在使用波长区域可以加大设计级数的衍射光的衍射效率显示高数值的波长范围。例如，本发明的衍射光学元件具有在第一波长(λ1)波前像差为最小的第一衍射区域、及在第二波长(λ2)波前像差为最小的第二衍射区域，并具有第一衍射区域与第二衍射区域相邻设置了的衍射面。并且，将该衍射光学元件的使用波长区域设为可见光区域，上述λmin＝0.40μm，上述λmax＝0.70μm。再者，第一波长为λ1＝0.50μm，第二波长为λ2＝0.63μm。此外，该第一波长及第二波长分别为第一衍射区域及第二衍射区域的闪耀波长。并且，条件式(1)的数值为0.43，满足上述条件式(1)。

图3示出了此时的各衍射区域的衍射效率曲线、及由衍射面整体看时的衍射效率曲线。如图3所示，就第一衍射区域的衍射效率曲线而言，在第一波长λ1时衍射效率为最大(100％)。并且，就第二衍射区域的衍射效率曲线而言，在第二波长λ2时衍射效率为最大(100％)。就第二衍射区域而言，波前像差为最小的波长(这里，闪耀波长)有两个波长，在λ2及λ3＝0.43μm时衍射效率显示为最大(100％)。各衍射区域的衍射效率显示波长依赖性，但由衍射面整体看时的衍射效率相当于各波长的第一衍射区域的衍射效率与第二衍射区域的衍射效率的平均值。此时，通过设计各衍射区域的衍射光栅结构，使各衍射区域的波前像差为最小的波长满足上述条件式(1)，进而由衍射面整体看时，可以使衍射效率为95％以上的波长范围为该使用波长区域的90％以上。此外，图3所示的例子中，在95％的波长范围显示95％以上的衍射效率，观察到了强度低的白色耀斑。

为了进一步巩固该效果，上述条件式(1)的数值优选满足下述(1)’，进一步优选满足下述(1)”。

0.3<(λ2-λ1)/(λmax-λmin)<0.6…(1)’

0.4<(λ2-λ1)/(λmax-λmin)<0.5…(1)”

此外，如图3所示，在第二衍射区域波前像差为最小的波长有两个波长时，优选第二波长λ2和第三波长λ3满足λ2>λ3的关系，且λ3<λ1。第一波长λ1和第二波长λ2满足上述条件式(1)时，通过设计第二衍射区域的衍射光栅结构，使第三波长λ3变成小于第一波长λ1的波长，可以进一步加大设计级数的衍射光的衍射效率显示高数值的波长范围，在更易于实现耀斑的泛白化的同时可以抑制耀斑本身。此外，不局限于第二衍射区域，就在该衍射面设置的衍射区域而言，波前像差为最小的波长也可以为两个以上。并且，该波前像差为最小的波长进一步优选为波前像差为0的闪耀波长。

2、本发明的衍射光学元件的具体实施方式

其次，更为详细地说明图1(b)～(g)所示的各实施方式。

1)第一实施方式

如上所述，图1(b)所示的衍射光栅结构具有倾斜面的倾斜角及闪耀高度不同的环形部被交替配置的剖面。图1(a)所示的现有衍射光学元件中，倾斜面的倾斜角θ及闪耀高度h为一定，在对应于光程差函数的切换间距W设置各环形部。即，相邻的环形部的闪耀波长为相同波长。另一方面，图1(b)所示的例子中，相邻的环形部的间距W与光程差函数对应，但倾斜面的倾斜角及闪耀高度不同。即，图1(b)所示的例子中，第一衍射区域具有第一倾斜角(θ₁)、第一闪耀高度(h₁)，第二衍射区域具有第二倾斜角(θ₂)、第二闪耀高度(h₂)。因此，相邻的环形部的闪耀波长为不同的波长，能够获得上述的本发明的效果。用二次函数的旋转对称面表示光程差函数时，各环形部的剖面面积均相同。用于色差校正的光程差函数多为二次函数，因此，所得到的衍射效率是第一衍射区域的衍射效率与第二衍射区域的衍射效率的简单平均。

2)第二实施方式

如上所述，图1(c)所示的衍射光栅结构具有倾斜面的倾斜角及切换间距不同的环形部被交替配置的剖面。相邻的环形部的闪耀高度(h)共通，因而通过蚀刻等方法形成环形结构时，采用该第二实施方式是有效的。与第一方式相同，相邻的衍射区域的闪耀波长不同，能够获得本发明的效果。第二实施方式中，各衍射区域的面积不同，因而将彼此的衍射区域完全交替地形成时，整体的衍射效率不为各衍射区域的衍射效率的简单平均。想得到各衍射区域的平均衍射效率时，也可以在局部改变重复模式等后调节面积比。

3)第三实施方式

就图1(d)～(f)所示的衍射光栅结构而言，如上所述，一个环形部具有多个衍射区域。图1(d)～(f)所示的衍射光栅结构中，具有倾斜角θ₁的倾斜面的区域为第一衍射区域，具有倾斜角θ₂的倾斜面的区域为第二衍射区域，一个环形部具有多个衍射区域。该第三实施方式中，多个衍射区域在窄的范围内重复，因而在实际形状中环形的宽度变宽的光轴附近也可以得到本发明的效果，优选应用于需要小光圈的光学系统。

再者，如同图1(g)所示的衍射光栅结构，在一个衍射区域也可以具有两个以上的环形部。如上所述，就图1(g)所示的衍射光学元件而言，具有交替配置第一衍射区域和第二衍射区域的衍射光栅结构，其中，第一衍射区域由具有第一倾斜角(θ₁)、第一闪耀高度(h₁)及第一间距(W₁)的多个环形部构成，第二衍射区域由具有第二倾斜角(θ₂)、第二闪耀高度(h₂)及第二间距(W₂)的多个环形部构成。

进而，在一个衍射面内也可以并存第一实施方式的衍射光栅结构～第三实施方式的衍射光栅结构。这些实施方式在一个衍射面内并存时，优选在光轴附近设置第三实施方式的衍射光栅结构，在其他区域设置第一实施方式和/或第二实施方式的衍射光栅结构。

工业实用性

本发明的衍射光学元件能够适用于使用波长区域为可见光区域的摄像光学系统等光学系统。

Claims (8)

1.一种衍射光学元件，该衍射光学元件具有多个剖面为锯齿形状的环形部，其特征在于，

衍射面具有多个包含所述环形部的至少一部分的衍射区域，在该衍射面设置的多个衍射区域中，至少两个衍射区域中的波前像差为最小的波长彼此不同。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，在使用波长区域，由所述衍射面整体看时不存在高阶的波前像差成分为0的波长。

3.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，在所述使用波长区域，在包含其中心波长的80％的波长范围，所述高阶的波前像差成分为0.011λrms以上0.063λrms以下。

4.根据权利要求1～3中任意一项所述的衍射光学元件，其中，所述衍射面具有包含一个以上的环形部的衍射区域。

5.根据权利要求1～3中任意一项所述的衍射光学元件，其中，所述衍射面具有包含多个衍射区域的环形部。

6.根据权利要求1～5中任意一项所述的衍射光学元件，其中，所述衍射光学元件满足下述式(1)，

0.2<(λ2-λ1)/(λmax-λmin)<0.7…(1)

上述式(1)中，λmin为使用波长区域的最小波长，λmax为使用波长区域的最大波长，λ1为第一衍射区域中所述波前像差为最小的波长，λ2为第二衍射区域中所述波前像差为最小的波长，且λ2>λ1。

7.根据权利要求1～6中任意一项所述的衍射光学元件，其中，所述波前像差为最小的波长为闪耀波长。

8.一种衍射光学元件，该衍射光学元件具有多个剖面为锯齿形状的环形部，其特征在于，

衍射面具有闪耀波长为第一波长的第一衍射区域、及与该第一衍射区域相邻且闪耀波长为第二波长的第二衍射区域，所述第一波长与所述第二波长为不同的波长。