CN202522720U - 衍射光学元件及摄像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种衍射光学元件及摄像装置。该衍射光学元件具备：基体(1)，由含有第一树脂的第一光学材料构成，在表面具有衍射栅格；以及光学调整层(5)，由含有第二树脂的第二光学材料构成，设在基体的衍射栅格上；基体(1)的表面(1a)包括：第一区域(3)，沿着曲面形状形成有衍射栅格；以及大致平面状的第二区域(4)，包围第一区域(3)；光学调整层(5)覆盖基体的第一区域(3)及第二区域(4)的至少一部分，光学调整层(5)的表面(5a)在第一区域(3)与第二区域(4)之间的边界附近上具有圆角形状(6)。

Description

衍射光学元件及摄像装置

技术领域

本实用新型涉及衍射光学元件。

背景技术

衍射光学元件在由玻璃或树脂等光学材料构成的基体的表面具有多个槽状的栅格结构。衍射光学元件在各种光学系统中使用，已知例如用作以下用途等：设计为将规定次数的衍射光汇集于1点的透镜、空间低通滤波器、偏振全息等。

衍射光学元件具有能够使光学系统变得紧凑的特征。此外，与折射相反，波长越长的光衍射越显著，由于发现了这一现象，所以通过将衍射光学元件与折射类的光学元件组合，还能够改善光学系统的色像差和像面弯曲。

另一方面，衍射效率在理论上依赖于光的波长，所以在上述的衍射光学元件中存在如下课题：若将衍射光学元件设计为对于规定的波长的光衍射效率最佳，则对于其他波长则衍射效率降低。

针对这样的课题，在专利文献1中，公开了一种相位差型的衍射光学元件，具备由光学材料构成并在表面设有衍射栅格的基体、以及由与基体不同的光学材料构成并覆盖衍射栅格的光学调整层。

专利文献2公开了：在具有同样结构的相位差型的衍射光学元件中，作为构成基体的光学材料使用玻璃，作为构成光学调整层的光学材料使用能量固化型树脂。

本申请的申请人在专利文献3中提出了以下方案：作为光学调整层，使用在基质树脂中含有平均粒径1nm～100nm的无机粒子而成的合成材料。

专利文献1：日本特开平10-268116号公报

专利文献2：日本特开2001-249208号公报

专利文献3：国际公开第07/026597号手册

本申请发明人发现：在以往的衍射光学元件中，利用不同的树脂形成基体及光学调整层的情况下，在衍射光学元件的制造时，在光学调整层中容易产生裂缝。

实用新型内容

本实用新型是鉴于上述课题而做出的，其目的在于，提供一种能够抑制裂缝产生的衍射光学元件。

本实用新型的衍射光学元件具备：基体，由含有第一树脂的第一光学材料构成，在表面具有衍射栅格；以及光学调整层，由含有第二树脂的第二光学材料构成，设在所述基体的所述衍射栅格上；所述基体的所述表面包括：第一区域，沿着曲面形状形成有所述衍射栅格；大致平面状的第二区域，包围所述第一区域；所述光学调整层覆盖所述基体的所述第一区域及所述第二区域的至少一部分，所述光学调整层的表面在所述第一区域与所述第二区域之间的边界附近上具有圆角(fillet)形状。

具体而言，本实用新型提供一种衍射光学元件，具备：基体，在表面具有衍射栅格；以及光学调整层，设在所述基体的所述衍射栅格上；所述基体的所述表面包括：第一区域，沿曲面形状形成有所述衍射栅格；以及平面状的第二区域，包围所述第一区域；所述光学调整层覆盖所述基体的所述第二区域的至少一部分及所述第一区域，所述光学调整层的表面在所述第一区域与所述第二区域之间的边界附近上具有圆角形状。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述圆角形状包含与所述第一区域对应的所述光学调整层的表面形状和与所述第二区域对应的所述光学调整层的表面形状之间的边界的厚壁部。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述第一区域与所述第二区域之间的边界是切口状。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：在所述基体的第一区域上和所述第二区域上，所述光学调整层在光轴方向上具有相同的膜厚。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：在包含所述基体的光轴的截面上，所述圆角形状包含具有0.05mm以上且0.3mm以下的曲率半径的部分。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：在所述基体的所述第一区域上，所述光学调整层的表面具有与连接所述衍射栅格所具有的衍射阶梯的前端而成的包络面相同的形状。

在本实用新型的衍射光学元件中，也可以是：所述光学调整层沿所述包络面的法线方向具有0.03mm以下的厚度。

另外，本实用新型还提供一种摄像装置，具备：本实用新型的衍射光学元件；光圈；折射光学元件；以及摄像元件。

在本实用新型的摄像装置中，也可以是：所述摄像元件将透过了所述衍射光学元件、所述光圈及所述折射光学元件的入射光转换为电信号。

附图说明

图1(a)是表示本实用新型的衍射光学元件的实施方式的截面图，图1(b)是表示基体的俯视面及截面的图，图1(c)是将图1(a)的A部分扩大表示的图，图1(d)是在第一区域与第二区域之间的边界为切口状的情况下将图1(a)的A部分扩大表示的图。

图2是将光学调整层的圆角形状部分扩大表示的图。

图3是表示对圆角进行规定的曲率半径与膜应力之间的关系的图。

图4表示对实施例及比较例的衍射光学元件中的裂缝的产生进行了调查的结果。

图5是表示应用了衍射光学元件的摄像装置的一例的图。

附图标记说明：

1 基体

2 衍射栅格

3 第一区域

4 第二区域

5 光学调整层

6 圆角形状

7 光学有效区域

具体实施方式

(第一实施方式)

以下参照附图说明本实用新型的衍射光学元件的实施方式。

图1(a)是表示本实用新型的衍射光学元件的一个实施方式的截面图。图1(a)所示的衍射光学元件具备基体1和光学调整层5。在基体1上设有衍射栅格2。

基体1由第一光学材料构成。第一光学材料优选为含有第一树脂。这是因为，通过将含有树脂的光学材料用于基体1，在通过模具成型制造基体1的情况下，与含有玻璃的光学材料相比，模具的寿命变长10倍左右，能够降低制造成本。而且还能够使用注射成型等批量生产性较高的制造方法。进而，含有树脂的材料容易通过模具成型或其他加工法实施微细加工，所以能够通过缩小衍射栅格2的间距，来提高衍射光学元件的性能，或实现衍射光学元件的小型化。进而，也能够实现衍射光学元件的轻量化。

图1(b)表示基体1的俯视面及截面。基体1具有表面1a及1b。在本实施方式中，表面1b是平坦的，不具备聚光功能。另外，表面1b并不需要一定是平坦的，也可以包括曲面形状。另一方面，表面1a包括第一区域3及第二区域4。表面1a的第一区域3具有曲面形状，沿着曲面形状形成有衍射栅格2。曲面形状优选为非球面形状。第二区域4包围第一区域3，为大致平面状。“大致平面状”是指，第二区域4的表面整体的曲率较小。表面也可以不是平滑的。例如，为了使第二区域4上的基体1与光学调整层5之间的接触面积变大，也可以设置凹凸。如图1(d)中的箭头所示，第一区域3与第二区域4之间的边界也可以是切口状。在此情况下，第一区域3和第二区域4的基体1与光学调整层5的接触面积变大，接触的稳定性提高，也能够提高其上的圆角形状的稳定性。

如图1(a)所示，光学调整层5设置在衍射栅格2上，光学调整层5的端部延伸至表面1a的第二区域4。即，光学调整层5在表面1a上覆盖第一区域3、以及第二区域4的至少一部分。

光学调整层5的表面5a具有与连接衍射栅格2所具有的衍射阶梯的前端而成的包络面等同的形状。在本实施方式中，设有衍射栅格2的基体1的表面1a在第一区域3中具有非球面形状，所以第一区域3上的光学调整层5的表面5a也具有非球面形状。优选为光学调整层5沿着包络面的法线方向具有0.03mm以下的厚度。

光学调整层5由第二光学材料构成。在设波长λ下第一光学材料及第二光学材料的折射率分别为n1(λ)及n2(λ)、设衍射栅格2的衍射阶梯为d、且设衍射次数为m的情况下，衍射阶梯d、n1(λ)及n2(λ)在使用衍射光学元件的光的整个波段中，优选为满足以下的式(1’)。

$0.9d\≤\left|\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n1\left(\mathrm{\λ}\right)-n2\left(\mathrm{\λ}\right)}\right|\≤1.1d---\left(1^{\′}\right)$

式(1’)表示衍射光学元件的m次衍射效率成为大约80％的条件。如果衍射效率为80％以上，则在使用衍射光学元件的光的整个波段中衍射光学元件表现出充分优良的光学特性。

在使用衍射光学元件的光的整个波段中，为了使n1(λ)及n2(λ)满足式(1’)，优选为基体1的第一光学材料和光学调整层5的第二光学材料的折射率的波长依赖性表现出相反的趋势，具备将折射率相对于波长的变化相互抵消的特性。更具体地说，优选为第一光学材料的折射率比第二光学材料的折射率小，第一光学材料的折射率的波长色散性比第二光学材料的折射率的波长色散性大。折射率的波长色散性例如通过色散系数(阿贝数)来表示。色散系数越大，则折射率的波长色散性越小。因此，优选为第一光学材料的折射率比第二光学材料的折射率小，且第一光学材料的色散系数比第二光学材料的色散系数小。第一光学材料及第二光学材料的折射率的波长依赖性依赖于其分别含有的第一树脂及第二树脂的物性。

光学调整层5的第二光学材料含有第二树脂。优选为，第二光学材料是在第二树脂中分散了无机粒子而成的合成材料。由此，能够调整第二光学材料的折射率及色散系数。因此，通过将调整后的具有合适的折射率及色散系数的第二光学材料用于光学调整层5，能够改善使用衍射光学元件的光的波段中的衍射效率。

此外，通过使折射率高的无机粒子分散到树脂中，能够使第二光学材料具有以树脂单体无法达成的高折射率。因此，能够扩大第一光学材料与第二光学材料的折射率差，从式(1’)可知，能够降低衍射栅格2所具有的衍射阶梯的深度d。其结果，在通过成型来制作基体1的情况下，改善了衍射栅格2的转印性。此外，由于能够使衍射阶梯的深度变浅，所以即使使阶梯的间隔变窄也容易转印。因此，能够实现衍射栅格2的窄间距化带来的衍射性能的提高。进而，第二树脂也能够使用具有各种物性的材料，更容易兼顾光学以外的特性。

通常，无机粒子比树脂的折射率高。因此，在基体1使用含有第一树脂的第一光学材料，而作为光学调整层5使用在第二树脂中分散了无机粒子而成的第二光学材料的情况下，如上所述，第二光学材料能够调整为与第一光学材料相比表现出高折射率低波长色散性。

为了使第一材料及第二光学材料的折射率及色散性满足上述关系，优选为分散到第二树脂中的无机粒子也以低波长色散性、即高色散系数的材料为主成分。例如，特别优选为从由氧化锆(色散系数：35)、氧化钇(色散系数：34)、氧化镧(色散系数：35)、氧化铪(色散系数：32)、氧化钪(色散系数：27)、氧化铝(色散系数：76)及二氧化硅(色散系数：68)构成的组中选择的至少1种氧化物为主成分。此外，也可以使用它们的复合氧化物。在使用衍射光学元件的光的波段中，只要满足式(1)，可以除了这些无机粒子之外，还使例如以氧化钛和氧化锌等为代表的表现出高折射率的无机粒子等共存。

作为第一树脂，从一般作为光学元件的基体使用的透光性的树脂材料之中，选择具有能够降低衍射光学元件的设计次数下的衍射效率的波长依赖性的折射率特性和波长色散性的树脂。例如，作为第一树脂，选择聚碳酸酯系树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、脂环式丙烯酸树脂等丙烯酸系树脂、脂环式烯烃树脂等，由于透光性优越，所以是优选的。对于这些树脂，出于提高成型性或机械特性等的目的，可以与其他树脂共聚合，或与其他树脂进行掺杂(alloy)，也可以将其他树脂混合。既可以像这样第一树脂仅含有单一的树脂，也可以含有2种以上的树脂。

作为第二树脂，可以使用聚甲基丙烯酸甲酯等甲基丙烯酸树脂、环氧树脂；聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯及聚己丙酰胺等聚酯树脂；聚苯乙烯等聚苯乙烯树脂；聚丙烯等烯烃树脂；尼龙等聚酰胺树脂；聚酰亚胺或聚醚酰亚胺等聚酰亚胺树脂；聚乙烯醇；丁缩醛树脂；醋酸乙烯树脂；脂环式聚烯烃树脂。此外，聚碳酸酯、液晶聚合物、聚苯醚、聚砜、聚醚砜、聚芳酯、非晶性聚烯烃等工程塑料。此外，也可以使用这些树脂的混合体或共聚合体。此外，也可以使用将这些树脂变性而成的树脂。如以下说明，特别是作为第二树脂，若使用热固化性树脂和辐射固化树脂，则生产性优良，所以更加优选。

作为第二光学材料使用分散了无机粒子而成的合成材料的情况下，由于第二光学材料中的树脂成分减少，所以第二光学材料的韧性降低。由此，可以想到在发生内部应力差时容易产生裂缝。但是，根据本实施方式的衍射栅格，由于具有以下说明的结构，所以能够抑制裂缝的产生。

图1(c)将图1(a)中以A表示的部分扩大表示。如图1(c)所示，在本实施方式的衍射光学元件中，光学调整层5的表面5a在第一区域3与第二区域4之间的边界附近上具有圆角形状6。圆角形状6位于衍射光学元件的光学有效区域7的外侧。另外，在此，基体1的第一区域3与第二区域4之间的边界也可以不是圆角形状，而如图1(d)中的箭头所示是切口状。在此情况下，在基体1的第一区域3与第二区域4的边界附近，第一区域3和第二区域4中的基体1与光学调整层5的接触面积变大，接触的稳定性提高，也能够提高其上的圆角形状的稳定性。由此，易于抑制在光学调整层5产生裂缝。

图2是设于光学调整层5的表面5a的圆角形状6附近的扩大截面图。在本申请说明书中“圆角(fillet)”是指，将以2个面相交而成的曲线或直线作为棱的空间的角倒成圆角，以及倒成圆角的部分。如图2所示，在本实施方式中，在光学调整层5的表面5a中，为了将以表面形状3’与表面形状4’之间的边界即曲线5b作为棱的角倒成圆角，以阴影表示的厚壁部沿着曲线5b设置，构成圆角形状6，其中表面形状3’位于第一区域3，表面形状4’位于第二区域4。圆角形状6在包含基体1的光轴的截面、即在半径方向的截面上包含凹形的部分圆弧。该部分圆弧的曲率半径R优选为0.05mm以上且0.3mm以下。通常，由于制造误差而边界带有圆角的情况下，边界的角的曲率半径比0.05mm小。因此，在由于制造误差而边界带有圆角的程度下，无法得到充分抑制裂缝的效果。

另外，为了使光学调整层5内的膜应力接近均一，优选为光学调整层5在基体1的第一区域3上和第二区域4上具有在光轴方向上大致相同的膜厚。在第一区域3和第二区域4上，若考虑使膜厚大致相同，则图2所示的曲线5b刚好存在于基体的第一区域3与第二区域4之间的边界上。如上所述，按照将以该曲线5b作为棱的角倒成圆角的方式，设有圆角形状6。即，圆角形状6在第一区域3与第二区域4之间的边界及其周边的区域上，以与曲率半径R相应的宽度形成。

从本申请发明人的研究的结果可知，以往的衍射光学元件的光学调整层在设有衍射栅格的区域与其周围的区域之间的边界处容易变薄，此外应力容易集中。因此，在第一区域3与第二区域4之间的边界附近上，通过在光学调整层5的表面5a设置圆角形状6，在形成光学调整层5时，在弯曲的形状的边界处蓄积的光学调整层5内的应力被缓和，能够抑制在光学调整层5产生裂缝。因此，能够实现形成稳定的光学调整层5的工艺。进而，衍射光学元件完成之后，光学调整层5内的应力被缓和，所以即使衍射光学元件在产生较大的温度差的环境下使用、或在高温的环境下使用的情况下，也能够抑制光学调整层5内的应力。因此，能够实现可靠性高的衍射光学元件。

图3表示计算在设有衍射栅格的基体上形成光学调整层的情况下在圆角形成部中蓄积的膜应力与圆角尺寸的关系所求出的结果。在图3中，纵轴表示膜应力(单位为MPa)，横轴表示图1(c)所示的所述圆角形状6的曲率半径R(单位为μm)。圆形标记及方形标记表示设有衍射栅格的基体的曲面形状的曲率分别为1.9mm及3.0mm的情况下的结果。R＝0是未形成圆角的比较对象的方式，大致以10μm为间隔到100μm为止计算了与膜应力的关系。

根据图3可知，膜应力随着圆角形状6变大而降低。此外，曲率半径到50μm(0.05mm)为止表现出急剧的变化，但是超过50μm后膜应力的变化变小。

此外，若比较基体的曲面形状的曲率为1.9mm及3.0mm的情况下的结果，则可知：基体的曲面形状的曲率越小，特别是在圆角的曲率半径R小的区域，膜应力越大。但是，基体的曲面形状的曲率无论是1.9mm还是3.0mm，只要圆角的曲率半径R为50μm以上，则膜应力的变化就变小。根据这些结果可知，无论基体的曲面形状如何，圆角的曲率半径R都优选为50μm以上。

另一方面，圆角形状6的尺寸的上限为，只要是不与光学有效区域冲突的尺寸，在性能上就没有问题。但是，如果圆角形状6过大，则如图1(c)所示，圆角形状6到达光学有效区域7，可能影响衍射光学元件的光学特性。此外，光学调整层5的第二区域4上的平坦部分变小，在将衍射光学元件组装到镜筒等光学系统中的情况下，有时难以稳定且高精度地保持衍射光学元件。此外，从第二区域4容易发生光学调整层5的剥离。考虑这些方面，优选圆角的曲率半径R为300μm(0.3mm)以下。

根据本实用新型，通过在光学调整层的表面设置圆角形状，能够缓和在光学调整层产生的应力，抑制在光学调整层产生裂缝。由此，能够得到生产性优良的衍射光学元件。

(实验例)

制作第一实施方式的衍射光学元件，并确认了圆角形状对裂缝抑制的效果。

作为构成基体1的第一光学材料的第一树脂，使用聚碳酸酯树脂(d线折射率1.585、色散系数28)，注射成型第一光学材料，由此制作了衍射栅格的前端的包络面为非球面形状、且在单面设有具有深度39μm的环状的衍射栅格2的基体1。透镜部的有效半径为1.445mm，环数为24条，最小环间距为30μm，衍射面的近轴R(曲率半径)为-1.433mm。此外，该衍射光学元件的焦点距离为1.109mm。

作为光学调整层5的第二树脂的原料，使用分配器在基体1上滴下2.8μL丙烯酸酯树脂(d线折射率1.600、色散系数33)，设置模具(在不锈钢类合金表面形成镀镍膜)，从基体1的背面(与滴下合成材料的面相反的面)照射紫外线(发光强度107mW/cm²、累计光量3000mJ/cm²)，使丙烯酸酯树脂固化。然后，从模具分离，作为光学调整层5成型。光学调整层5的表面形状为，从沿着衍射栅格2的前端的包络面形状的非球面形状在法线方向上具有15μm的厚度。由于在使用的模具上设有50μm的圆角形状，所以在光学调整层5上，也在第一实施方式中说明的位置设有具有50μm的曲率半径的圆角形状。

作为比较例，使用未设置圆角形状的模具，同样地制作了衍射光学元件。

图4按照制作衍射光学元件的顺序，表示对制作的衍射光学元件是否产生裂缝进行了确认的结果。×表示产生了裂缝，○表示没有产生裂缝。此外，R＝0μm型表示未设置圆角形状的比较例的衍射光学元件，R＝50μm型表示设置了圆角形状的实施例的衍射光学元件。

从图4可知，比较例的衍射光学元件全部产生了裂缝，而本实施例的衍射光学元件未产生裂缝。从该结果可知，通过设置圆角形状，能够有效抑制裂缝的产生。

图5是表示应用了衍射光学元件的摄像装置的一例的图。另外，摄像装置不限定于图5所示的方式。如图5所示，摄像装置100由光学系统101、摄像元件105及图像处理部110构成。

光学系统101具有光圈102、衍射光学元件103及折射光学元件104。光学系统101所具有的衍射光学元件103及折射光学元件104的数量根据光学系统的设计目的来决定。另外，本实施方式的光学系统101具有各一个衍射光学元件103及折射光学元件104，但是本实用新型的光学系统不限定于该数量。例如，光学系统101也可以分别具有多个衍射光学元件103及折射光学元件104。

光圈102调整入射到摄像元件105中的光的量。另外，光圈102的设置位置根据光学系统101的设计目的来决定。即，光圈102并非一定如图5所示设置在被摄体侧。光圈102也可以设置在摄像元件105侧，还可以设置在衍射光学元件103与折射光学元件104之间。

衍射光学元件103是本实施方式的衍射光学元件。通过在衍射光学元件103的光学调整层的表面设置圆角形状，能够缓和在光学调整层产生的应力，抑制在光学调整层产生裂缝。因此，能够降低因衍射光学元件103的光学调整层的分离而对入射的光造成的影响。其结果，在接受来自衍射光学元件103的入射光的摄像元件105中，也能够提高图像品质。

因此，在具备调整入射光的量的光圈102、折射光学元件104、衍射光学元件103和将入射的光转换为电信号的摄像元件105的摄像装置100中，能够提高摄像装置100的图像品质。

折射光学元件104例如是凸透镜、凹透镜等，根据光学系统的设计目的，设置在衍射光学元件103的前后。

摄像元件105是摄像系统的一例，由例如CCD(电荷耦合器件：ChargeCoupled Device)、CMOS(互补金属氧化物半导体：Complementary MetalOxide Semiconductor)等固体摄像元件构成。摄像元件105将透过光学系统101的来自被摄体的光转换为电信号。

图像处理部110由例如CPU(中央处理单元：Central Processing Unit)、存储器、系统LSI等构成。图像处理部110对根据来自摄像元件105的电信号得到的图像进行画质修正。另外，图像处理部110在摄像装置100中并不是必须的结构。

Claims (9)

1.一种衍射光学元件，具备：

基体，在表面具有衍射栅格；以及

光学调整层，设在所述基体的所述衍射栅格上；

所述基体的所述表面包括：

第一区域，沿曲面形状形成有所述衍射栅格；以及

平面状的第二区域，包围所述第一区域；

所述光学调整层覆盖所述基体的所述第二区域的至少一部分及所述第一区域，所述光学调整层的表面在所述第一区域与所述第二区域之间的边界附近上具有圆角形状。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述圆角形状包含与所述第一区域对应的所述光学调整层的表面形状和与所述第二区域对应的所述光学调整层的表面形状之间的边界的厚壁部。

3.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述第一区域与所述第二区域之间的边界是切口状。

4.如权利要求1所述的衍射光学元件，

在所述基体的第一区域上和所述第二区域上，所述光学调整层在光轴方向上具有相同的膜厚。

5.如权利要求1所述的衍射光学元件，

在包含所述基体的光轴的截面上，所述圆角形状包含具有0.05mm以上且0.3mm以下的曲率半径的部分。

6.如权利要求1所述的衍射光学元件，

在所述基体的所述第一区域上，所述光学调整层的表面具有与连接所述衍射栅格所具有的衍射阶梯的前端而成的包络面相同的形状。

7.如权利要求1所述的衍射光学元件，

所述光学调整层沿所述包络面的法线方向具有0.03mm以下的厚度。

8.一种摄像装置，具备：

权利要求1～7中任一项所述的衍射光学元件；

光圈；

折射光学元件；以及

摄像元件。

9.如权利要求8所述的摄像装置，

所述摄像元件将透过了所述衍射光学元件、所述光圈及所述折射光学元件的入射光转换为电信号。

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