CN1116719A - 衍射光学器件 - Google Patents

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Abstract

一种衍射光学器件，包括一个让衍射光透过的基片；和一个位于基片上并包含着一组光栅单元的光栅部分，其中每个光栅单元都有多个不连续的相位阶梯。该组光栅单元以不同的光栅周期布置在基片表面不同区域中，且依据光栅周期的不同而有相位阶梯数的不同。

Description

衍射光学器件
本发明涉及一种衍射光学器件，尤其是一种防止甚至在小光栅周期区域内衍射交率下降的衍射光学器件。
用于实现光衍射的衍射光学部件，有一个衍射光栅条纹图案。此栅纹图案通过在一基片上布置一组光栅单元而构成。衍射效率是投射于衍射光学部件上的光发生衍射那部分光的比率，它取决于光栅条纹的图案。一般地讲，衍射效率的高低是确定衍射光学器件质量的一个最主要的要素。
传统的衍射光学器件之一是一种衍射微透镜，它使垂直照射在其上的光发生衍射。参见图1和2，其中表示了这种传统的衍射微透镜100。图1是微透镜100的平面图，表示出了它的光栅条纹图案，而图2是微透镜100的一个剖面图。微透镜100包括一个基片11。垂直地投射在基片11底表面上的光在基片上方会聚和准直。如图1所示，一组光栅单元18被同心地安置在基片11的上表面，从而形光栅条纹图案。光栅单元18所在位置的周期(下文中称为″光栅周期″)向着基片11的外圆方向逐渐地减小。如图2所示，每个光栅单元18都有一个矩形截面。
图3是另一种衍射微透镜200的剖面图，是由J.Jahns和S.T.Walker在″由蒸镀薄膜制成的衍射微透镜二维陈列″，应用光学(AppliedOptics)Vol.29，No.7，PP931～936(1990)。微透镜200包括基片11和一组安置在基片11顶表面的光栅单元28，每个光栅单元28有数个不连续的相位阶梯。在图3的实例中，每个光栅单元28有包括基片11顶表面在内的四个相位阶梯。采用这种记数方法，图2中微透镜100中的光栅单元18则有两个阶梯。这一光栅单元相位阶梯的记数方法将在本说明书中继续使用。
衍射微透镜100有一个41％的衍射效率，而衍射微透镜200有一个高达81％的衍射效率。已经发现光栅单元的相位阶梯数越大，衍射效率就越高。比如，每个光栅单元有8个相位阶梯的情况下衍射效率为95％，每个光栅单元有16个相位阶梯的情况下衍射效率为99％。
鉴于上述衍射效率与相位阶梯数之间的关系，很容易作出假设，任一种类型的衍射光学器件都呈这一关系。
在光以偏于垂直于基片方向一个角度入射时，事实是相位阶梯数越大，光栅周期较大的区域衍射效率越高。包括本发明的发明人在内的探索者的发现，在光栅周期较小，即近似为入射光波长的区域内，当相位阶梯数增加时，衍射效率明显地降低。
而且，在光栅周期小的区域，精密加工难以实现。因此，实际上不可能将光栅单元加工成理想的形状，从而降低了衍射光学器件的光学特性。
本发明一方面涉及了一种衍射光学器件，它包括使发生衍射的光透射的基片，和一个位于基片上并含有一组各有多个不连续相位阶梯的光栅单元的光栅部分。该组光栅单元这样安置，基片表面区域不同处其光栅周期不同，而且随光栅周期的变化则相位阶梯数不同。
在本发明的一个实施方案中，随着光栅周期的减小相位阶梯数逐渐减少。
在本发明的一个实施方案中，在光栅周期至少为第一预定数乘以光波长所得第一值的区域内，相位阶梯数至少为3。在光栅周期小于第一值的区域内，相位阶梯数是2。第一预定值大致在1.5至3之间。
在本发明一个实施方案中，光栅部分在光栅周期小于第一值的区域内的占空比例基本上在0.15与0.5之间。
在本发明的一个实施方案中，在光栅周期至少为第2预定数乘以光波长所得第二值的区域内，相位阶梯数至少为4。在光栅周期小于第二值且至少为第一值的区域内，相位阶梯数为3。第二值大致在2至5之间且比第一预定数大。
在本发明的一个实施方案中，在光栅周期至少为第3预定数乘以光波长所得第三值的区域内，相位阶梯数至少为5。在光栅周期小于第三值且至少为第二值的区域内，相位阶梯数为4。第三值大致在4与7之间，并大于第二预定数。
在本发明一个实施方案中，其光栅单元随着其相位阶梯数的不同而有不同高度。
在本发明的一个实施方案中，在多个不连续的相位阶梯中最底层阶梯是基片的表面。
在本发明的一个实施方案中，最小的光栅周期大于1/2n光波长，其中n是基片的折射率，而在光栅部分占空比例随光栅周期不同而变化。
在本发明的一个实施例中，光栅单元相对于其中心对称安置且在同一方向上呈弧形，并且沿该方向光栅周期逐渐变小。
在本发明的一个实施方案中，该组光栅单元沿同一方向直线延伸，且在垂直于光栅单元延伸方向的方向上光栅周期是变化的。
在本发明的一个实施方案中，光栅部分用一薄膜覆盖。
在本发明的一个实施方案中，薄膜是反射膜。
在本发明的一个实施方案中，薄膜是非反射的膜。
在本发明的一个实施方案中，基片包含一个传播光的光导区。
本发明另一方面涉及了一种衍射光学器件，它包括使透射的光衍射的基片，和一个位于基片上且包含着一组光栅单元的光栅部分。该组光栅单元的布置使基片表面的不同区域有不同的光栅周期。最小的光栅周期要大于1/2n光波长，其中n是基片的折射率。光栅部分有一个随光栅周期而变化的占空比率。
在本发明的一个实施例中，占空比率在光栅周期小于3至4倍光波长的区域内小于0.5。
在本发明的一个实施方案中，占空比率随着光栅周期的减小而逐渐变小。
在本发明的一个实施例中，该组光栅单元随着光栅周期的不同而有不同的高度。
在本发明的一个实施方案中，该组光栅单元的高度在光栅周期小于3至4倍光波长的区域之内随着光栅周期的减小而逐渐降低。
在本发明的一个实施方案中，该组光栅单元的一部分，其每一个至少有3个不连续的相位阶梯。
这样，本文所描述的发明能够提供一种衍射光学器件，它在其整个区域内，对于以偏开其垂直方向一个角度入射的光都有高的衍射效率且有即使是小光栅周期也易于制作的光栅单元。
本发明的这些及其它优点，本领域的普通技术人将通过阅读和理解下述参考附图的详细说明而得以明了。
图1是对垂直入射光进行衍射的传统衍射光学器件的平面图；
图2是图1传统衍射光学器件的剖面图；
图3是对垂直入射光进行衍射的另一传统衍射光学器件的剖面图；
图4是本发明第一实例衍射光学器件的剖面图；
图5是图4衍射光学器件的平面图；
图6是表示图4中衍射光学器件中光线如何行进的剖面图；
图7是一图表，表示了图4所示衍射光学器件中光栅单元有2和3个相位阶梯的区域内标准化的光栅周期与第一级衍射效率之间的关系；
图8是本发明第二实例衍射光学器件的平面图；
图9是本发明第三实例衍射光学器件的剖面图；
图10是一个图表，表示了当光入射角为20°时，图9所示衍射光学器件中光栅单元有2到5个相位阶梯的区域内标准化的光栅周期与第一级衍射效率之间的关系；
图11是一个表示了当光入射角为30°时，图9所示衍射光学器件中光栅单元有2到5个相位阶梯的区域内标准化的光栅周期与第一级衍射效率之间关系的图表；
图12是本发明第四实例衍射光学器件的剖面图；
图13是图12所示衍射光学器件的平面图；
图14是表示与光入射角为20°时，图12所示衍射光学器件占空比率为0.3，0.4和0.5的区域内标准化的光栅周期与第一级衍射效率之间关系的图表；
图15是表示当光入射角为30°时，图12所示衍射光学器件中占空比率为0.3，0.4或0.5的区域内标准化的光栅周期与第一级衍射效率之间关系的图表；
图16是表示当光入射角为20°时，图12所示衍射光学器件中占空比率与标准化光栅周期之间关系的图表；
图17是表示图12所示衍射光学器件中光线如何行进的剖面图；
图18是本发明第五实例衍射光学器件的平面图；
图19是本发明第六实例衍射光学器件的剖面图；
图20是表示图19所示衍射光学器件，有不同占空比率和不同高度的区域内，标准化光栅周期与第一级衍射效率之间关系的图表；
图21是具反射薄膜的本发明变型的衍射光学器件剖面图；
图22是具有底部连在一起的一组光栅单元的本发明另一变型衍射光学器件的剖面图；
图23是具有用正性抗蚀剂形成的一组光栅单元的本发明又一变型衍射光学器件的剖面图。
在下文中，将通过参考附图对实例进行解释的方式描述本发明。例1：
参见图4至7，将描述本发明第一实例中的衍射光学器件10。图4是衍射光学器件10的剖面图，而图5是其平面图。
如图4和5所示，衍射光学器件10包括一个基片1和一个位于基片1顶表面上的光栅部分2。基片1和光栅部分2由使透射的至少一种波长的光(如，波长为0.6328μm的光)被衍射的材料构成。基片1和光栅部分2可以由互不相同的材料构成，或可以由同一种材料构成一体。
光栅部分2包括布置成一种光栅条纹图案的一组光栅单元21。每个光栅单元21有一个多阶的截面，即有多个相位阶梯。
衍射光学器件10例如可作为图6所示离轴透镜使用。离轴透镜上的入射光轴，不同于从离轴透镜出射光的光轴。如图6所示，在基片1的光导区12成Z字形传播的光5穿过基片1的上表面走出，成为出射光6。光导区12有反射层4A和4B并分别位于其顶表面和底表面，以交替地多次反射着光束5。于是，光束5从Y轴的负端向正端成Z字形传播，并以偏离基片1顶表面垂直方向的一个入射角入射到光栅部分2。接着，光束5透过光栅部分2并且垂直地出射到基片1的上方。此处，″垂直地出射″是指出射光6的光轴基本垂直于基片1的顶表面，即，平行于Z轴。通过将基片1的一部分作成光导区12，使衍射光学器件10光学系统在Z轴方向的尺寸明显地减小了。
光栅部分2有如图5所示的光栅条纹图案，为的是把以某一偏角入射的光5会聚到距离基片1顶表面f处的点3上。构成光栅条纹图案的每个光栅单元21都是凸向Y轴正方向的弧形线。朝着Y轴正方向，光栅周期逐渐减小而光栅单元21的曲率则逐渐增大。这种光栅条纹图案在下文中将作详细说明。在点3可以放置光学数据记录介质，如光盘。这种情况下，至少一部分出射光6被光学数据记录介质反射并返回到衍射光学器件10处。光学数据记录介质反射的光被引入一个光检测器。不用说，衍射光学器件可以用于各种其他用途。
尽管图6中一个衍射光学器10使用了一个基片，但是一个基片可以在通过在基片1的顶表面，底表面，或者顶底两个表面上提供多个光栅部分2，而被多个衍射光学器件所共用。用于非衍射目的的其它类型的光学器件，如激光光源或光检测器也可以制作在基片1上。
如图4所示，光栅部分2被分为两个区域；光栅周期较小的区域2A和光栅周期较大的区域2B。区域2A的光栅周期小于1.6倍的入射光波长，而区域2B的光栅周期至少有1.6倍的入射光波长。在此例中，区域2B的每个光栅单元21有三个相位阶梯，而区域2A的每个光栅单元21有两个相位阶梯。更加仔细地看，区域2B中每个光栅单元21包括有距基片1顶表面高度为0的第一阶梯，高度为1/2hB的第二阶梯，和高度为hB的第三阶梯。区域2A中每个光栅单元21有距基片1顶表面高度为0的第一阶梯和高度为hA的第二阶梯。
根据本发明的发明人所做的实验，在三相位阶梯处的衍射效率高于光栅周期较大的区域2B内两相位阶梯处的衍射效率。在光栅周期近似于入射光波长的2A区域中，三相位阶梯处的衍射效率迅速降低；而两相位阶梯处的衍射效率下降的速率很小或者甚至有所提高。
参考图7，将更为详细地说明上述实验。图7是一个表示衍射效率与标准化光栅周期Λ/λ之间关系的图表。符号Λ表示光栅周期，而λ表示光波长。实验是在光入射角θ为20°且区域2A和2B的折射率n为1.5的条件下进行的。如图7实线所表示的，在每个有三相位阶梯的光栅单元场合中有较大光栅周期的区域2B中衍射效率大于50％，但在光栅周期近于入射光波长的区域2A中该效率急剧下降。如虚线所表示的，在每个光栅单元有两个相位阶梯处，衍射效率在区域2B内为30％到40％，但当光栅周期减小时，该效率提高。尤其在光栅周期近似为两或三倍入射光波长处，当光栅周期减小时衍射效率迅速地提高。比如，在光栅周期为1.6倍的入射光波长处，有两相位阶梯的光栅单元其衍射效率等于三相位阶梯光栅单元的衍射效率。因此，例如通过在光栅周期至少有1.6倍入射光波长的区域内提供有三相位阶梯的光栅单元21，而在光栅周期小于1.6倍入射光波长处提供有两相位阶梯的光栅单元21，可以使整个衍射光学器件10保持高的衍射效率。
如上所述，存在着一个老问题，即在光栅周期近于入射光波长的区域难于完成精密加工，且预定的方法难以形成有多层相位阶梯的光栅单元，随之便引起光学特性变劣。因为本发明的发明人发现，当光栅周期减小时最佳相位阶梯数也减小。因此，即使有光栅周期小的区域的衍射光学器件也能容易地进行生产。更具体地讲，在传统装置中，有三相位阶梯的光栅单元可以适于在光栅周期较大的区域内制作，但在光栅周期较小的区域内，由于要有使边缘尖锐的步骤，故不能制出有三相位阶梯的光栅单元。本实例的衍射光学器件中，在光栅周期小于1.6倍入射光波长的区域内，对光栅单元21来说仅两个相位阶梯就足够了。因此，精密加工较为容易，而可按设计制作光栅单元21。
在此实例中，相位阶梯数在1.6的标准化光栅周期处从2变为3(即当光栅周期等于1.6倍入射光波长时)。尽管相位阶梯数改变处的最佳标准化光栅周期，随光的入射角度等因素的不同而不同，但已证实只要在1.5至3之间这些标准化光栅周期处改变相位阶梯数，可得到基本相同的效果。
本实例中衍射光学器件10的其他参数可以是如下这些：圆形开口的直径为1mm；入射光波长λ＝0.6328μm；光的入射角θ＝20°；焦距为2.5mm。在相位阶梯数为3的区域2B中，光栅周期例如在1.0与2.0μm之间；高度hB例如为0.84μm。在相位阶梯数为2的区域2A中，光栅周期例如在0.89μm与1.0μm之间；高度hA例如为0.63μm。光栅单元21的高度随着相位阶梯数而变，在此方式中衍射效率是优化的，在区域2A中，占空比率d1/ΛA(图4)例如是0.3。占空比率是一种材料所占区域而非空隙与一个光栅周期用光栅部分2的截面表示的整个区域之比。
现将图5所示光栅条纹图案做详细说明。在图5所示的X-Y坐标系中，入射光波长为λ，基片1的折射率是n，光入射角是θ，相移函数表示为：Φ(X，y)＝k((X2＋y2＋f2)1/2＋nySinθ－f)－2mπk＝λ/2π且m是使0≤Φ≤2π的整数且表示光栅条纹图案的次序。从这个相移函数中可得，序数为m的光栅部分2的弧线形状，是一椭圆的顶部，其中椭圆的中心表示为：
(0，nSinθ(mλ＋f)/(1－n2Sin2θ)，短轴(X轴)的长度为：dx＝2(m2λ2＋2mλf＋n2f2Sin2θ)1/2/(1－n2Sin2θ)1/2，而长轴(y轴)的长度表示为：
dy＝dx/(1－n2Sin2θ)1/2
不言自明，本发明的衍射光学装置的光栅条纹图案不限于图5所示的一种，而可以根据用途自行设计。
使透过的光被衍射的基片1与光栅部分2，例如由玻璃或合成树脂之类的材料构成。使用红外光的情况下，基片1和光栅部分2可以由硅或砷化镓之类的半导体材料构成。
第一实施例中的衍射光学器件10是用电子束绘图的方法制作的。根据此方法，基片1上涂以合成树脂，如对电子束敏感的电子束抗蚀剂(象PMMA或CMS)，然后用电子束辐照合成树脂层。根据所要制作的衍射光学器件截面的形状，来控制辐照电子束的量。例如当使用正性抗蚀剂时，用较少辐照量的电子束照射较厚的区域，以提高显影后遗留厚度与显影前厚度的比率。电子束照射之后，对所得叠层进行显影以制作出衍射光学器件10。本发明的衍射光学器件可以制成其他适用的规格。
为了批量生产的目的，衍射光学器件可以以较低的成本，用镍电成形方法构成的模并用紫外固化树脂由该模来复制。尤其是排成阵列的衍射光学器件，可以用此法同时高精度地特性均匀地制作出来。用这种电子束抗蚀剂的合成树脂构成的光栅部分2，可以通过离子束蚀刻转移到玻璃等构成的基片1上。在这种情况下，衍射光学器件性能稳定，不随温度变化。
如上所述，当光相对基片1表面垂直方向以一个偏离角入射时，在光栅部分2整个区域内，衍射效率不一定因相位阶梯数增加而提高。衍射效率随光栅周期而在不同的相位阶梯数处有一个峰值。因此，通过依据光栅周期建立优化的光栅单元相位阶梯数，可以在整个衍射光学器件10内获得高的衍射效率。而且，由于最佳相位阶梯数在光栅周期较小的区域内随光栅周期的减小而减少，即使是光栅周期小的光栅单元也能容易地制出。实例2
参考图8，将对本发明第二实例中的衍射光学器件20进行说明。图8是衍射光学器件20的一个平面图。与第一实例相同的那些单元在此处将采用相同的标号，而对它们的说明将被省略。
在第二实例中，基片1上的光栅部分2中的光栅单元22是沿着X轴方向延伸的直线形状。光栅周期在Y轴方向变化。有这样光栅单元22的衍射光学器件20被作为一个柱面离轴透镜使用，相对于基片1表面垂直方向以一个偏离角入射的光仅在一个轴的方向上会聚。图8所示实例中，光束在Y轴方向会聚。
衍射光学器件20的截面与图4所示衍射光学器件10的截面相似。在衍射光学器件20中，在光栅周期较大的区域2B′中提供有三个相位阶梯的光栅单元22，而在光栅周期较小的区域2A′中提供有两个相位阶梯的光栅单元22，可以获得与第一实例中所得相同的效果。实例3
参考图9到11，将说明本发明第三实例中的衍射光学器件30。图9是一个表示衍射光学器件30基本结构的剖面图。图10是一个表示当光入射角为20°时标准化光栅周期与第一级衍射效率之间关系的图表。图11是一个表示光入射角为30°时，标准化光栅周期与第一级衍射效率之间关系的图表。在此，与第一实例相同的那些单元将采用相同的标号，且对其说明也被省略了。
衍射光学器件30是一个光栅周期沿一个方向变化的离轴透镜。包括光栅单元23的光栅部分2被分成2A″到2D″四个区域。四个区域之中光栅周期最大的区域2D″中，每个光栅单元23有五个相位阶梯。光栅周期第二大的区域2C″中光栅单元23有四个相位阶梯，光栅周期第二小的区域2B″中光栅单元23有三个相位阶梯，而光栅周期最小的区域2A″中有二个相位阶梯。
通过图10可了解到，区域2A＂有一个例如为1.2≤Λ/λ＜1.6的标准化光栅周期。区域2B″有一个例如是1.6≤Λ/λ＜3.1的标准化光栅周期。区域2C″有一个例如是3.1≤Λ/λ＜4.7的标准化光栅周期。区域2D″有一个例如是4.7≤Λ/λ＜5.5的标准化光栅周期。每个区域的高度例如是，区域2A″为0.633μm，区域2B″为0.84μm，区域2C″为0.95μm，及区域2D″为1.01μm。衍射光学器件30的其它参数例如是如下：圆形开口直径为1mm；入射光波长λ＝0.6328μm；光入射角度θ＝20°焦距为1.4mm，这比第一实例中的离轴透镜10的要短。在这种短焦距离轴透镜中，光栅周期的变化率较高。
如图10所示，有五个相位阶梯的光栅单元其衍射效率，在标准化光栅周期为4.7点处变得比四相位阶梯光栅单元衍射效率要低。四相位阶梯的光栅单元其衍射效率，在标准化光栅周期为3.1点处变得比三相位阶梯光栅单元的衍射效率要低。同样地，三相位阶梯的光栅单元其衍射效率在标准化光栅周期为1.6处，变得比二相位阶梯光栅单元的衍射效率要低。因此，通过为每个区域提供具有最佳相位阶梯的光栅单元23，在整个衍射光学器件30中可获得高的衍射效率。
图11表示了光入射角为30°时，第一级衍射的效率与标准化光栅周期之间的关系。当光入射角改变时，相位阶梯数要做改变处的最佳标准光栅周期也要变。然而，本发明人已经证实，只要相位阶梯数在标准化光栅周期为4至7之间处从五变为四，在标准化光栅周期为2至5之间处从四变为三，在标准化光栅周期为1.5至3之间处从三变为二，即可获得同样的效果。
在上述实例中，描述了用于会聚以垂直偏向角入射光束的离轴透镜。本发明在光以偏向角入射时提供了与其他衍射光学器件相同的作用。实例4
参考图12至17，本发明第四实例中的衍射光学器件40将得到说明。图12是衍射光学器件40的剖面图，而图13是它的平面图。与第一实施例相同的那些单元在此将采用相同的标号，而省略掉对它的说明。
正如从图12和13中可以理解到的，衍射光学器件40有一个与图5衍射光学器件10相似的平面图，而剖面图不同于衍射光学器件10。光栅部分2中光栅单元24各有一个矩形截面。占空比率d/Λ随光栅周期而变。符号Λ表示光栅周期，而符号λ表示光波长。占空比率是材料所占区域而非空隙与一个光栅周期以光栅部分2的剖面表示的全部区域之比。
在要被衍射的光透过基片1到达光栅部分2的情况下，要被衍射的光在真空中波长为λ，设定每个光栅周期Λ都大于λ/2。
在反射型衍射光学器件的情况下，其中，要被衍射的光受到在光栅部分2上形成的反射层的反射，在真空中要被衍射的光的波长为λ，而基片1折射指数为n，因此使每个光栅周期Λ都大于λ/2n。
在第四实例中，光栅周期较大的区域占空比率定为0.5，并随光栅周期的减小而减小。(占空比率将在下文详述)光栅单元24的高度h是恒定的，而与光栅周期无关。衍射光学器件40的其他参数例如是如下：圆形开口直径为1mm；入射光波长为6328μm；光入射角θ＝20°。光栅周期例如是0.633μm至6.3μm，而光栅单元24的高度h例如为0.63μm。
根据本发明人所作的实验，当光束相对于基片1顶表面的垂直方向以一个偏向角入射时，衍射效率在光栅周期较大的区域中占空比率近似为0.5处最高。本发明人已发现，在光栅周期近似为入射光波长的区域内衍射效率随占空比率的减小而提高。实验将在下文中详细地描述。
图14表示当光入射角为20°且光栅部分2的折射率为1.5时第一级衍射效率与标准化光栅周期之关系。如图14实线所表示的，当占空比率为0.5时则在光栅周期较大的区域衍射效率为40％，但是在标准化光栅周期小到3的区域内衍射效率要降低。当占空比率为0.4(点划线)和0.3(虚线)时，在光栅周期较大的区域内衍射效率小于占空比率为0.5时的情况，但在光栅周期较小的区域衍射效率大于占空比率为0.5时的情况。
图15表示了光入射角为30°时第一级衍射效率与标准化光栅周期之关系。其结果与图14的基本相同，即：衍射效率在各不同的占空比率中有一个依光栅周期而定的峰值。
因此，按光栅周期来改变占空比率，可以在整个衍射光学器件40中获得高的衍射效率。
在此实例中，按图16所示那样确定占空比率与光栅周期之关系。在光栅周期较大的区域内占空比率为0.45至0.5，在光栅周期较小的区域内占空比率如图16所示变化。表示最佳占空比率的曲线取决于各种条件。在标准化光栅周期小于3至4的区域内占空比率最好小于0.5。总之，通过使占空比率随光栅周期减小而逐步减小，可以改善衍射效率。
如图17所示，衍射光学器件40被用作离轴透镜。如图17所示，在基片1的光导区12内以Z形传播的光束5从基片1的顶表面射出成为出射光6。光导区12在其顶表面和底表面上各自有反射层4A和4B，以重复交替地反射光束5。这样光束5就会以Z形传播并最终垂直地出射到基片1的上方。
如图13所示，光栅条纹图案相对于其中心对称，而且弯向一个方向。朝着此方向光栅周期逐步减小，光栅单元24的曲率增大。
衍射光学器件40每部分的材料和它们的制作方法与所述的第一实例是相同，因此省略对其的说明。实例5
参考图18，将描述本发明第五实例的衍射光学器件50，图18是衍射光学器件50的平面图。与第四实例相同的单元将采用相同的标号并省略对其的说明。
在第五例中，基片1上的光栅部分2，其中的光栅单元25是沿X轴延伸的直线形的。光栅周期在Y方向变化。有光栅单元25的衍射光学器件50被用作一种柱面离轴透镜，以便仅在一个轴的方向会聚相对基片1表面之垂直方向以偏向角入射的光，在图18所示实例中，光在Y轴方向会聚。
衍射光学器件50有一个与图12衍射光学器件40相类似的截面。在衍射光学器件50中，通过用如第四例中的方法改变占空比率，可以得到与第四例所得的相同的效果，诸如衍射效率的改善。实例6
参考图19和20，将描述本发明第六实施的衍射光学器件60。图19是衍射光学器件60的剖面图，而图20是表示标准化光栅周期与第一级衍射效率之关系的图表。与第四实例中相同的单元将采用相同的标号，且对其的说明将被省略。
如图19所示，光栅部分2的光栅单元26将按不同的高度与不同的占空比率设置。如图20所示，在标准化光栅周期为3或更大的区域内，光栅单元26有相同的高度。在标准化光栅周期小于3的区域内，光栅单元26的高度是变化的，以使衍射效率基本均匀。尽管表示最佳高度的曲线取决于各种条件，但在标准化光栅周期小于3至4的区域内高度随要求而变化。
总之，通过随着光栅周期的减小而降低光栅单元26的高度，来改善衍射效率。在此例中，光栅单元的占空比率与高度是随光栅周期而变的，以防止光栅周期小的区域衍射效率变劣。因此，在整个衍射光学器件60中衍射效率基本均匀。其结果是，在光会聚点的光分布是均恒的。
在上述例子中，衍射光学器件都是做离轴透镜来垂直地会聚光线，该光线相对于在基片表面的垂直方向以一个偏向角入射。在光以一个偏向角入射时，本发明的各个衍射光学器件都有相同的效果。
在第一至第三例中，在相位阶梯数为2的区域内，占空比随光栅周期而变。
在上述的实例之中，描述的是透射型的衍射光学器件。本发明也适用于光栅部分2上有反射膜的反射型器件。图21是有反射膜7的反射型衍射光学器件70的剖面图。作为反射膜7，采用是在传统衍射光学器件中所用的那种。
除反射膜之外的其他膜是非反射膜，诸如保护薄膜或防反射薄膜，都可以用来代换反射膜7。防反射膜用于透射型衍射光学装置中。
在上述的例子当中，光栅单元彼此隔开，但其底部可以连在一起。图22是这种衍射光学器件80的剖面图。基片1的顶表面都被遮盖了。
图23是用正性抗蚀剂形成光栅条纹图案的衍射光学器件90，主要起衍射作用的光栅单元的形状无论采用的是正或负性抗蚀剂都是一样的。
根据本发明，如已经描述过的内容，相位阶梯数随光栅周期而变。用此结构可以改进整个器件的衍射效率，尤其当光相对于基片1表面的垂直方向以一个偏向角入射时。通过随光栅周期的减小而减少最佳相位阶梯数，即使在光栅周期较小的区域内光栅单元也容易制作。
在每个光栅单元都为矩形截面时，每个截面对应的占空比率随光栅周期而被定在最佳值上。在此方式中，即使在光栅周期较小的区域，以一个偏向角入射的光衍射效率也会得到改善。而且，通过随光栅周期而同时改变光栅单元高度与占空比率，使衍射效率在整个装置中保持均匀。结果使光会聚点处光分布均恒。
各种其它变型对本领域普通技术人员来讲都是显而易见而能迅速做出的。而没有背离本发明的构思与范围。因此，在此提出的说明书其本意不是对权利要求书的范围进行限定，相反，权利要求书有着广泛的解释。

Claims (27)

1.一种衍射光学器件，其特征在于包括：
一个让透过的光被衍射的基片；和
一个位于基片上，并包含了一组都具有多个不连续相位阶梯的光栅单元的光栅部分，
其中该组光栅单元按不同的光栅周期布置在基片表面的不同区域之内，而且随光栅周期不同有不同的相位阶梯数。
2.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于相位阶梯数随着光栅周期减小而逐渐变小。
3.根据权利要求2的衍射光学器件，其特征在于：
在光栅周期至少为第一预定数乘以光波长所得第一值的区域内，相位阶梯数至少为3，
在光栅周期小于第一值的区域内，相位阶梯数为2，且
第一预定数大致在1.5与3之间。
4.根据权利要求3的衍射光学器件，其特征在于：
光栅部分在光栅周期小于第一值的区域内有大致在0.15至0.5之间的占空比率。
5.根据权利要求3的衍射光学器件，其特征在于：
在光栅周期至少为第二预定数乘以光波长所得的第二值区域内，相位阶梯数至少为4，
在光栅周期小于第二值且至少为第一值的区域内，相位阶梯数为3，以及
第二值大致在2与5之间并大于第一预定数。
6.根据权利要求5的衍射光学器件，其特征在于：
在光栅周期至少为第三预定数乘以光波长所得第三值的区域内，相位阶梯数至少为5，
在光栅周期小于第三值且至少等于第二值的区域内，相位阶梯数是4，并且
第三值大致在4至7之间且大于第2预定数。
7.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于光栅单元随其相位阶梯数的不同有不同的高度。
8.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于多个不连续相位阶梯之中的最底层是基片的表面。
9.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于最小的光栅周期比光波长的1/2n大，这里n为基片的折射率，而光栅部分的占空比随光栅周期变化。
10.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于光栅单元相对于其中心对称地分布而且向同一方向弯曲，在此方向上光栅周期逐渐变小。
11.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于该组光栅单元在同一方向沿直线延伸，且光栅周期在垂直于光栅单元延伸方向的方向上是变化的。
12.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于用一薄膜覆盖光栅部分。
13.根据权利要求12的衍射光学器件，其特征在于的薄膜是反射膜。
14.根据权利要求12的衍射光学器件，其特征在于中的薄膜是抗反射透膜。
15.根据权利要求1的衍射光学器件，其特征在于的基片包含一个供光束传播的光导区。
16.一种衍射光学器件，其特征在于包括：
一个使透过的光被衍射的基片；和
一个位于基片上并包含一组光栅单元的光栅部分，
其中该组光栅单元以不同光栅周期被分置在基片表面不同区域内，最小的光栅周期大于光波长的1/2n倍，这里n为基片折射率，光栅部分有一个随光栅周期而变的占空比率。
17.根据权利要求16的衍射光学器件，其特征在于在光栅周期小于2至4倍光波长的区域内占空率小于0.5。
18.根据权利要求17的衍射光学器件，其特征在于随着光栅周期的减小，占空比率也逐渐变小。
19.根据权利要求16的衍射光学器件，其特征在于该组光栅单元依光栅周期的不同而有不同的高度。
20.根据权利要求19的衍射光学器件，其特征在于该组光栅单元的高度在光栅周期小于3至4倍光波长的区域内随光栅周期的减小而逐渐变低。
21.根据权利要求16的衍射光学器件，其特征在于的光栅单元相对于其中心对称地设置而且在同一个方向上弯曲，在此方向上光栅周期逐渐变小。
22.根据权利要求16的衍射光学器件，其特征在于的该组光栅单元在同一方向上沿直线延伸，而且在垂直于光栅单元延伸方向的方向上光栅周期是变化的。
23.根据权利要求16的衍射光学器件，其特征在于的光栅部分上覆盖着一层薄膜。
24.根据权利要求23的衍射光学器件，其特征在于的薄膜是反射膜。
25.根据权利要求23的衍射光学器件，其特征在于的薄膜是非反射膜。
26.根据权利要求17的衍射光学器件，其特征在于的基片包含一个供光束传播的光导区。
27.根据权利要求16的衍射光学器件，其特征在于该组光栅单元的一部分其每一个都有至少三个不连续的相位阶梯。
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