CN1839328A - 具有液体界面的衍射光学结构 - Google Patents

Abstract

一种光学系统，其包括由具有第一折射率的基本上为刚性的第一材料构成的衍射元件(2)。该衍射元件具有在衍射元件与具有第二折射率的第二材料(8)的第一界面处的第一多凹槽(4)；在衍射元件与具有第三折射率的第三材料(10)的不同第二界面处的不同第二多凹槽(6)。该第一和第二多凹槽(4)、(6)相互对准，从而实现组合衍射效果。此外，第三材料(10)是液体。利用注模技术制造该衍射元件，此后，可以施加流体形式的第二和/或第三材料。利用本发明，两个多凹槽可以以高度的效率和可靠性相互对准。

Description

具有液体界面的衍射光学结构

技术领域

本发明涉及一种光学系统，尤其涉及一种包括衍射元件的光学系统。

背景技术

对于包括一定范围不同波长的给定输入辐射起作用的光学系统通常引起取决于波长的焦距变化形式的像差。这种光学系统的一个实例是图像拍摄设备，例如利用包含可见电磁辐射光谱范围的不同波长的辐射光束记录图像的摄相机。

在这种光学系统中，通常是由该系统的光学元件引起辐射光束的像差。这些光学元件(例如透镜)是由诸如聚碳酸脂的材料构成的，这种材料对于一定波长具有特定的光学色散和特定的折射率。光学色散取决于材料对于给定辐射波长的折射率。因此，包含在给定辐射内的第一波长根据聚碳酸脂的第一折射率偏折了第一折射角度。给定辐射的不同第二波长的辐射光束根据聚碳酸脂的不同第二折射率偏折了不同第二折射角度。光学色散通常表示为阿贝数(V_d)。相对低的阿贝数数值表示相对高的光学色散，反之亦然。相对高的光学色散对应于不同的给定辐射光束波长时的相对高折射角变化。

为了补偿由于光学色散造成的像差，可以一起使用折射光学元件和衍射光学元件，以作用于给定辐射。折射和衍射光学元件具有符号相反的光学色散，因此可以设置正确设计的折射元件和衍射元件，以补偿对方引起的像差。

通常，设计衍射光学元件，以选择对于给定辐射光束的一个特定衍射级。然而，对于包括一定范围的不同波长的辐射光束(例如白光)而言，衍射光学元件对于不同波长可以选择不同的衍射级。选择一个特定衍射级的低效率造成摄相机图像质量的降低，称作“闪耀(flare)”。

美国专利US6330110描述了一种包括三层或多层的衍射光学元件。在相邻层之间的界面处，存在衍射光栅，每层由不同于相邻层的材料构成。通过选择构成不同层的材料，并且选择每层的深度变化，该衍射光栅通过对于每个不同波长主要选择相同的衍射级减少了包括一定范围不同波长的辐射光束的闪耀。

欧洲专利申请EP1193512公开了一种包括至少两个彼此相邻的衍射光栅的衍射光学元件。每个衍射光栅形成在两层之间，每层由不同材料构成并且具有不同光学色散。衍射光学元件具有一定弯曲，并且对于给定辐射光束的每种不同波长时的一个特定衍射级具有高选择效率。

日本专利申请127322/1997描述了一种衍射光学元件，其包括第一和第二衍射减轻图案。在丙烯酸和聚碳酸脂材料之间的界面处形成第一减轻图案。在一个实施例中，在聚碳酸脂材料和空气之间的界面处形成第二减轻图案。第一减轻图案的通道深度不同于第二减轻图案的通道深度，使得衍射光学元件对于每种不同波长的给定辐射光束时的一个特定衍射级具有高选择效率。

美国专利US6330110、欧洲申请EP1193512和日本专利申请127322/1997中公开的光学系统均是根据类似的方法制造的。为了使每种光学系统准确地完成希望的衍射并且选择一个特定的衍射级，在制造过程中，有必要以高精度级别形成并对准光学系统的元件。实现这种高制造精度级别，通常是几微米的准确度，相对耗费时间并且成本效率低。特别是在包括由不同材料构成的几层的光学系统的情况下，每层具有至少一个衍射表面，如美国专利US6330110所述。

本发明的目的是为了改进衍射给定辐射光束的光学系统，特别是改进用于获得一个特定衍射级的光学系统，以及改进以节省成本的方式高精度制造这种光学系统的方法。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种光学系统，其包括由具有第一折射率的基本上为刚性的第一材料构成的衍射元件，该衍射元件具有：

a)在衍射元件与具有第二折射率的第二材料的第一界面处的第一多凹槽；

b)在与具有第三折射率的第三材料的不同第二界面处的不同第二多凹槽，

其中第一和第二多凹槽相互对准，从而实现组合衍射效果，

其特征在于第三材料是液体。

第二材料可以是固体，或者可选择的是流体。流体是一种形状响应于任意所施加的外力改变的物质。流体易于流向流体的密封表面并且符合该表面的形状。能够流动的气体、蒸汽、液体和固体和液体的混和物都是流体的实例。

根据本发明的第二方面，提供了一种制造光学系统的方法，其包括由具有第一折射率的基本上为刚性的第一材料构成的衍射元件，当制造时该衍射元件包括：

a)在与具有第二折射率的第二材料的第一衍射界面处的第一多凹槽；

b)在与具有不同第三折射率的第三材料的第二衍射界面处的第二多凹槽，

其中第一和第二多凹槽相互对准，从而实现组合衍射效果，

该方法包括向所述第一多凹槽施加所述第二材料，

其特征在于该方法包括向所述第二多凹槽施加作为液体的所述第三材料。

优选的是，该制造方法包括利用注模模制该衍射元件。利用注模处理可以利用注模设备中的模制部件的相互匹配提供的对准精确对准衍射元件的第一和第二多凹槽。由此，当从模具中取下该衍射元件时，该衍射元件包括位于相互准确对准的两侧上的凹槽，从而可以实现组合衍射效果。在优选实施例中，第一和第二多凹槽成对设置以相互一致。

优选的是，应用作为流体的第二材料，制造该衍射元件方法包括分别向基本上为刚性的衍射元件的第一和第二多凹槽施加第二和第三材料。因此，可以按照相对简单、有效和廉价的方式以高精度制造该光学系统。

通过以下参照附图对仅作为实例的发明优选实施例的描述，可以明了本发明的其它特征和优点。

附图说明

图1是根据本发明实施例的包括衍射元件的光学系统的示意图。

图2图形表示了根据现有技术的多凹槽实现的衍射效率。

图3图形表示了根据本发明实施例的两个多凹槽实现的衍射效率。

图4表示了图3所示的衍射效率的放大图形视图。

图5表示了根据本发明不同实施例的包括衍射元件的示意图。

图6表示了根据本发明另一不同实施例的包括衍射元件的示意图。

图7示意表示了根据本发明实施例的包括衍射元件的光学系统。

具体实施方式

图1表示了根据本发明第一实施例的作为光学系统一部分的衍射元件。该光学系统包括由基本上为刚性的第一材料构成的衍射元件2，并且在本实例中，该材料为环烯烃共聚物(Cyclic Olefinic Copolymer，COC)。基本上为刚性是指第一材料的形状固定。

衍射元件2为圆形的，并且具有围绕光轴OA的半径，该半径沿着垂直于光轴OA的方向。该衍射元件2的形状加工成在一侧具有第一多凹槽4，在另一侧具有不同第二多凹槽6。该第一多凹槽4位于该衍射元件2与不同第二材料的第一界面7处。在本实施例中，第二材料是流体和气体，该气体为空气8。第二多凹槽6位于该衍射元件2与不同第三材料的不同第二界面9处。在本实施例中，该第三材料是液体，例如水10。第一和第二多凹槽4、6围绕光轴OA同心设置。第一材料具有第一折射率n₁，第二材料具有不同第二折射率n₂，第三材料具有不同第三折射率n₃。表1分别给出了对于给定辐射光束的特定波长λ_n(450nm、550nm、650nm)的第一、第二和第三折射率n₁、n₂和n₃。此外，第一、第二和第三材料，即COC、空气和水分别具有由阿贝数(V_d)的值表示的不同光学色散。

表1

材料	波长为λ时的折射率n			阿贝数(Vd)
					n(450nm)	n(550nm)	n(650nm)
	COC	1.5443	1.5357					1.53512	56
空气				1	1	1	→∞
	水	1.3441	1.3359					1.3308	33

该衍射元件2的形状加工成具有位于第一和第二多凹槽4、6的最外侧凹槽之外的环形表面12。密封元件13的形状加工成具有与衍射元件2的环形表面12相匹配的互补环形表面15，以形成流体紧密密封。该密封元件13提供了对于水10的流体紧密密封，水完全填充了该密封。如此填充之后，无论该系统的方向如何，均持续保持了衍射元件2与水10之间的第二界面9。

第一多凹槽4的每个凹槽具有第一深度d₁，第二多凹槽6的每个凹槽具有不同第二深度d₂。第一和第二深度d₁、d₂沿着平行于光轴OA的方向，并且它们彼此不同。参照图1所示的配置，在本实施例中，第一和第二深度d₁和d₂分别为正的；常规是在凹槽的相对侧并且朝着衍射元件2的中心平面测量凹槽。注意，在可选实施例中，第一和第二深度d₁、d₂之一或者这两个深度可以为负的。

在本实施例中，使第一和第二多凹槽4、6的每个凹槽发光。此外，第一和第二多凹槽4、6的每个凹槽在垂直于光轴OA的方向上的宽度为w。对于每个凹槽而言，例如第一多凹槽4的第一凹槽11a，第二多凹槽6中存在一个一致的凹槽，例如第二凹槽11b，从而形成了多对一致凹槽中的一对11。一个一致凹槽对11的每个凹槽，在本实例中为第一和第二凹槽11a、11b具有基本上相同的宽度，这两个宽度相互一致。

一致凹槽对的宽度沿着垂直于光轴OA的半径改变。沿着半径位于距离光轴OA较小的径向距离处的一对一致凹槽具有第一宽度w₁，距离光轴OA较大距离处的不同一致凹槽对具有不同第二宽度w₂。由于第一多凹槽和第二多凹槽4、6的凹槽对一致对准，因此对于沿着光轴OA传播的给定辐射光束产生了组合的衍射效果。给定的辐射光束包括多个不同波长λ_n。在本实施例中，该给定辐射光束包括可见电磁光谱范围内的一定范围的波长，约为400nm-800nm之间。

以具有第一深度d₁的第一多凹槽4和具有第二深度d₂的第二多凹槽6、沿着半径的一致凹槽对相对于光轴OA的宽度w的变化，第一、第二和第三材料的特定折射率n₁、n₂和n₃以及第一和第二多凹槽4、6的发光，来设置衍射元件2，从而选择给定辐射光束的希望衍射级m。设置第一和第二多凹槽4、6，以满足对于波长λn、在本实例中为给定辐射光束的设计波长λ₀的以下关系：

        -(n₁-n₂)d₁+(n₁-n₃)d₂＝mλ₀    (1)

根据现有技术，当选定衍射级为第一衍射级m＝1时，对于设计波长约为λ₀＝550nm解关系式(1)。选择第二深度d₂＝0近似给出了第一深度d₁＝-1.027μm。第一深度d₁为负值，其对应于上升到衍射元件表面以上的多个脊的高度，而不是多凹槽。

利用以下关系式给出对于衍射级m(在这种情况下为第一衍射级m＝1)的选择的衍射效率η：

$\mathrm{\η}={\left(\frac{\sin [\frac{(\mathrm{\π}-(n_1-n_2)d_1+(n_1-n_3)d_2)}{{\mathrm{m\λ}}_0}-\mathrm{\π}]}{\frac{(\mathrm{\π}-(n_1-n_2)d_1+(n_1-n_3)d_2)}{{\mathrm{m\λ}}_0}-\mathrm{\π}}\right)}^2---\left(2\right)$

图2图形表示了现有技术中对于给定辐射光束的每种不同波长λ_n的衍射效率η。按照第一轴17上的效率η相对于第二轴18上的波长λ_n的函数绘制了第一图线16，该第二轴18垂直于第一轴16。

在本发明的实例中，当选定衍射级为第一衍射级m＝1、第一深度近似为d₁＝13.431μm并且第二深度近似为d₂＝38.763μm时，对于设计波长近似为λ₀＝550nm解关系式(1)。图3图形表示了该第二实例中，对于给定辐射光束的每个波长λ_n的衍射效率η。按照与第一图线16相似的方式在第一和第二轴17、18上绘制了不同第二图线20。

图4利用按照第一轴17的更大比例轴24上的衍射效率η相对于第二轴18上的波长λ_n的函数绘制的不同第三图线22图形表示了作为放大图的第二实例的衍射效率η。在第二实例中，对于给定辐射光束波长λ_n中的每个波长，基本上使选择第一衍射级m＝1的衍射效率η最大化。在本实例中，基本上最大是指对于约400nm-800nm之间的可见电磁光谱范围内的波长λ_n，该衍射效率η具有在约90％-100％范围内的值，更优选的是在约95％-100％范围内的值。

根据所述的本发明实施例，在衍射元件2的制造过程中，将起初为流体的第一材料COC模制成希望的形式，包括一致的第一和第二多凹槽4、6和环形表面12。模制包括注模工艺，由此简单地通过对准注模设备的模制部件可以容易地对准第一和第二多凹槽4、6。在第一材料的注模工艺之后，目前该第一材料基本上为刚性的，将第二材料、空气8施加到第一多凹槽4，并且将第三材料、水10作为液体施加到第二多凹槽6。

图5示意表示了本发明的不同实施例。本实施例的元件与先前描述的实施例的元件类似。对于这些元件使用相似的附图标记加上100来表示，并且之前对于这些元件的特征的相应描述也应适用于此处。

本实施例中的第三材料是盐水110，并且在密封元件113提供的密封内具有附加的不同第四材料。该密封元件113由透明材料构成。在一个实施例中，该第四材料是油114。水110和油114不可混溶的，并且由流体弯月面116分开。水110是导电的，油114是绝缘的，例如硅油或者烷烃。优选设置水110和油114，使它们具有相等的密度，从而流体弯月面116的配置基本上与方向无关，即不取决于水110和油114之间的重力效应。通过适当选择油114可以实现这种效果：例如通过添加分子成分可以改变烷烃或硅油，从而提高它们的密度，以匹配水110的密度。

在本实施例中，围绕光轴OA同心设置的由金属材料构成的环形第一电极119的下环形表面118与衍射元件102的环形表面112相接触。环形第一电极119的部分上环形表面120与密封元件113的环形表面115相接触，并且环形第一电极119的部分上环形表面120与水110相接触。

该密封元件113包括由金属材料构成的圆柱第二电极122，其围绕与光轴OA一致的纵轴设置。流体接触层124减小了流体弯月面116与密封元件113的圆柱壁的接触角的滞后。优选的是，该流体接触层124由无定形碳氟化合物构成，该化合物例如DuPont^TM生产的Teflon^TM AF1600。可以通过连续浸渍涂敷第二电极122来制造该AF1600涂层，该涂层形成了基本上具有均匀厚度的均质层。欧洲专利申请No.02075649提供了利用电湿润力来改变流体弯月面结构的系统的更多详细情况，在此将该申请引入作为参考。

当没有在第一和第二电极119、122两端施加电压时，该流体接触层124比油114相对于水110具有更高的可湿润性。由于电湿润力，在第一电极119和第二电极122两端施加电压V₁的情况下，水110的可湿润性改变，这易于改变流体弯月面116在三相线(流体接触层124、水110与油114之间的接触线)处的接触角。因此，根据所施加的电压V₁，将第二和第三材料分开的流体弯月面116的结构可以改变。在本实施例中，流体弯月面的结构具有以光轴OA为中心的旋转对称弯曲。通过改变施加到第一和第二电极119、122两端的电压V₁，流体弯月面116的弯曲也相应改变。如果没有在第一和第二电极119、122两端施加电压，当从水110沿着光轴OA观察时，该流体弯月面116的弯曲为凸面。

具有一定曲率的流体弯月面116用作给定辐射光束的透镜，衍射元件102已经将该给定辐射光束衍射为第一衍射级m＝1。该流体弯月面116的曲率变化改变了透镜的光焦度。

图6示意表示了本发明的另一实施例，其中没有将电湿润力用于改变流体弯月面的结构。类似的是，本实施例的元件与先前描述的实施例的元件类似。对于这些元件使用了相似的附图标记加上200来表示，并且此处还应当适用对于这些元件特征的先前说明。

在本实施例中，第一多凹槽226和第二多凹槽228与先前描述的实施例的多凹槽稍微有些不同，不同之处在于这些凹槽是线性的，并且沿着垂直于光轴OA的方向相互平行设置。然而，第一和第二多凹槽226、228类似具有第一深度d₁和不同的第二深度d₂，这些凹槽成对地一致设置，并且发光，所有这些特征造成衍射元件202选择给定辐射光束的希望的衍射级m。构成一对211的第一多凹槽226的凹槽和第二多凹槽228的凹槽具有基本上相同的宽度。这些凹槽中，第一和第二多凹槽226、228的每个凹槽的宽度基本上相同。

图7示意表示了包括本发明的衍射元件302(类似于先前实施例的衍射元件)的光学系统。与先前实施例的衍射元件的说明类似，设置具有衍射元件302的密封元件313，从而提供流体紧密密封，以容纳水310。例如，将光学系统设置成包含在图像拍摄设备中，该设备例如摄相机。光学系统包括多个透镜330，每个透镜具有至少一个折射表面。沿着光轴OA对准透镜330和利用密封元件313设置的衍射元件302，从而将包含对应于所要拍摄的图像场景的波长的给定辐射光束聚焦到图像记录元件332上。该图像记录元件例如为基于化学的摄影胶片或者电荷耦合器件(CCD)。在光学系统内包含衍射元件302可以使用作透镜的衍射元件302选择给定辐射光束的波长中希望的一个特定衍射级m，以及基本上消除辐射光束的任意闪耀。

可以将以上实施例理解为本发明的说明性实例。其它实施例也可以被设想出。

在其它实施例中，可以设想的是：第一、第二和第三材料不限制于分别为COC、空气和水。可以将基本上为刚性的不同材料用于第一材料，可以将不同材料用于第二材料，包括固体或者可选流体，例如液体，以及可以将不同液体用于第三材料。对于第一、第二和第三材料的折射率和光学色散而言，必须对于给定辐射光束的不同波长选择希望的衍射级，同时基本上消除像差。

而且，凹槽的深度、宽度和发光可以被设计成不同于先前描述的特定实例。在界面处的多凹槽的槽可以全部具有相等的宽度，或者如先前所述，这些凹槽沿着半径可以具有不同的宽度。取代发光，可选择的是，可以设置该凹槽以形成二进制光栅。此外，在所述实施例中，设置各个多凹槽，从而基本上覆盖衍射元件的一侧。可选择的是，可以设想到：对各多凹槽进行设置，以致仅覆盖衍射元件的一侧的一部分。

所述的给定辐射光束包括可见电磁光谱范围的波长。还可以设想到的是：对本发明的衍射元件进行设置，以致对于其它不同波长选择特定衍射级的基本上最大的效率，其它不同波长例如是紫外线和红外辐射光谱的波长。

在包括该衍射元件的光学系统的制造过程中，施加到第二多凹槽的第二材料可以是液体树脂，随后利用紫外辐射使该树脂固化为固定形式，而不是仍为液体。

如上所述，利用电湿润力可以改变第三材料的结构。利用电湿润力的光学系统内的衍射元件不限于包括围绕光轴同心设置的凹槽。可选择的是，可以使用相互平行设置的线性凹槽。

在本发明的实施例中，包括衍射元件的光学系统是图像拍摄设备，例如摄相机。可以设想的是：该衍射元件可以包含在其它光学系统中，该其它光学系统作用于包括多个不同波长、通常为大范围波长的辐射光束，该其它光学系统例如是读取多个不同光盘的数据的光学扫描设备，该光盘例如紧凑盘(CD)或者数字通用盘(DVD)。应当理解，结合任意一个实施例描述的任意特征可以单独使用，或者与所述的其它特征组合使用，还可以与任意其它实施例或者任意其它实施例的任意组合的一个或多个特征组合使用。

此外，在不背离所附权利要求限定的本发明范围的情况下，还可以采用以上没有描述的等价物和修改。

Claims (12)

1.一种光学系统，其包括由具有第一折射率的基本上为刚性的第一材料构成的衍射元件(2；102；202；302)，该衍射元件具有：

a)在衍射元件与具有第二折射率的第二材料(8；108；208)的第一界面处的第一多凹槽(4；104；226)；

b)在衍射元件与具有第三折射率的第三材料(10；110；210)的不同第二界面处的不同第二多凹槽(6；106；228)，

其中第一和第二多凹槽相互对准，从而实现组合衍射效果，

其特征在于第三材料(10；110；210)是液体。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其中所述第一多凹槽和第二多凹槽(4；104；226)、(6；106；228)发光，并且将它们设置为选择给定输入辐射的希望的衍射级。

3.根据权利要求1或2所述的光学系统，其中所述第一多凹槽具有第一深度(d₁)，所述第二多凹槽具有不同第二深度(d₂)，并且其中所述第一和第二深度相互不同。

4.根据权利要求3所述的光学系统，其中将所述凹槽设置为满足以下关系式：

             -(n₁-n₂)d₁+(n₁-n₃)d₂＝mλ_n

其中n₁、n₂和n₃分别是第一、第二和第三折射率，d₁和d₂分别是第一和第二深度，m是希望的衍射级，λ_n是给定输入辐射的波长。

5.根据权利要求4所述的光学系统，其中给定辐射光束包括多个不同波长λ_n，并且设置凹槽使得对于给定所述不同波长λ_n中的每个波长，基本上使衍射效率η最大化，利用以下关系式给出对于给定输入不同辐射光束的每个所述不同波长λ_n的衍射效率η：

$\mathrm{\η}={\left(\frac{\sin [\frac{\mathrm{\π}(-(n_1-n_2)d_1+(n_1-n_3)d_2)}{{\mathrm{m\λ}}_n}-\mathrm{\π}]}{\frac{\mathrm{\π}(-(n_1-n_2)d_1+(n_1-n_3)d_2)}{{\mathrm{m\λ}}_n}-\mathrm{\π}}\right)}^2$

6.根据前面任一项权利要求所述的光学系统，其中所述第一多凹槽和第二多凹槽(4；104；226)、(6；106；228)围绕光轴(OA)同心设置。

7.根据前面任一项权利要求所述的光学系统，其中所述一致对的宽度基本上是相同的，所述宽度为在垂直于光轴的方向上的宽度。

8.根据前面任一项权利要求所述的光学系统，其中第二材料具有给定的光学色散，第三材料具有不同的光学色散。

9.根据前面任一项权利要求所述的光学系统，其中所述第二材料是流体。

10.根据权利要求9所述的光学系统，其中所述第二材料是气体(8；108；208)。

11.根据前面任一项权利要求所述的光学系统，其中设置所述系统，以利用电湿润力改变所述第三材料的结构。

12.一种制造光学系统的方法，所述光学系统包括由具有第一折射率的基本上为刚性的第一材料构成的衍射元件(2；102；202；302)，当制造时，该衍射元件包括：

a)在衍射元件与具有第二折射率的第二材料(8；108；208)的第一界面处的第一多凹槽(4；104；226)；

b)在衍射元件与具有不同第三折射率的第三材料(10；110；210)的第二界面处的第二多凹槽(6；106；228)，

其中第一和第二多凹槽相互对准，从而实现组合衍射效果，

该方法包括向所述第一多凹槽施加所述第二材料，

其特征在于该方法包括向所述第二凹槽施加作为液体的所述第三材料(10；110；210)。

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