衍射光学元件和具有该衍射光学元件的光学装置

摘要

本发明涉及衍射光学元件和具有该衍射光学元件的光学装置。提供了一种衍射光学元件，其中衍射图样被形成在至少一个表面上，其中衍射图样的高度从该一个表面的中心向边缘改变，并且形成在中心处的第一衍射图样元件的高度和形成在边缘处的第二衍射图样元件的高度是不同的，并且提供了一种具有该衍射光学元件的光学装置。

说明书

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件，其中根据波长和入射角的衍射效率是均匀的。

背景技术

在衍射光学元件(DOE)中，色像差出现的方式与具有相同符号光焦度(power)的折射光学系统的方式相反。这是基于参考波长的光的色像差相反地出现在光学系统中的折射表面和衍射表面处的物理现象。

DOE是有利的，在于像差校正是比在现有的折射光学系统中更容易的，能够减少透镜组件的高度，能够以小尺寸制造它，并且能够根据透镜数的减少而降低产品成本。

然而，DOE有以下问题：根据入射光的波长带和透镜的入射角而出现衍射效率差，这引起图像的耀斑现象和性能劣化。

为了解决这样的问题，已经开发了用于通过堆叠多个DOE来提高衍射效率的技术。然而，当仅使用单个DOE时，根据波长和入射角的衍射效率差未被改进。

发明内容

本发明提供衍射光学元件(DOE)，其中根据波长和入射角的衍射效率是相似的。

本发明提供被设计为单个DOE的薄膜DOE。

根据本发明的一个方面，提供了衍射图样被形成在至少一个表面上的DOE，其中衍射图样的高度从一个表面的中心向边缘改变，并且形成在中心处的第一衍射图样元件的高度和形成在边缘处的第二衍射图样元件的高度是不同的。

第一衍射图样元件的高度与第二衍射图样元件的高度之间的差可以是600nm至1400nm。

第一衍射图样元件的高度可以大于第二衍射图样元件的高度。

第一衍射图样元件的高度可以是1500nm至1900nm，并且第二衍射图样元件的高度可以是500nm至900nm。

第一衍射图样元件的高度(h_o)可以满足以下等式1，并且第二衍射图样元件的高度(h₁)可以满足以下等式2。

[等式1]

$>h_o=\frac{{\lambda }_1}{n_d-1}$>

[等式2]

$>h_1=\frac{{\lambda }_2}{n_d-1}$>

(在这里n_d是DOE的折射率，750nm≤λ₁≤950nm，并且250nm≤λ₂≤450nm)

从一个表面的中心向边缘改变的衍射图样的高度(h_r)可以满足以下等式3。

[等式3]

$>h\left(r\right)=h_0-\left(\frac{h_0-h_1}{{r_{\mathrm{eff}}}^{\gamma }}\right)r^{\gamma }$>

(在这里h_o是第一衍射图样元件的高度，h₁是第二衍射图样元件的高度，r_eff是有效直径的半径，r是相应的衍射图样的半径，并且0.1≤γ≤3)

根据本发明的另一方面，提供了衍射图样被形成在至少一个表面上的DOE，其中衍射图样的高度从一个表面的中心向边缘改变，穿过中心的红光(R1)、绿光(G1)以及蓝光(B1)的一级(order)光衍射效率满足以下关系式1，并且穿过边缘的红光(R2)、绿光(G2)以及蓝光(B2)的一级光衍射效率满足以下关系式2。

[关系式1]

R1＞G1＞B1

[关系式2]

R2＜G2＜B2

根据本发明的再一个方面，提供了衍射图样被形成在至少一个表面上的DOE，其中衍射图样的高度从一个表面的中心向边缘改变，并且入射的可见光的一级光衍射效率是0.6或更大。

在来自可见光的绿光、蓝光以及红光之间的一级光衍射效率差可以是0.2或更小。

当入射在DOE上的光的角度具有0至40的范围时，可见光的一级光衍射效率可以是0.6或更大。

当入射在衍射元件上的光的角度具有0至40的范围时，在来自可见光的绿光、蓝光以及红光之间的一级光衍射效率差可以是0.2或更小。

蓝光的波长可以是400至500nm，绿光的波长可以是500至600nm，并且红光的波长可以是600至700nm。

形成在中心处的第一衍射图样元件的高度可以大于形成在边缘处的第二衍射图样元件的高度。

根据本发明的又一个方面，提供了衍射图样被形成在至少一个表面上的DOE，其中衍射图样的高度从一个表面的中心向边缘改变，并且来自入射的可见光的蓝光和红光的一级光衍射效率在中心和边缘处是不同的。

蓝光和红光的一级光衍射效率可以从中心向边缘改变。

可以在中心与边缘之间形成间隔，在该间隔中蓝光和红光的一级光衍射效率被颠倒。

附图说明

通过参考附图详细地描述其示例性实施例，本发明的上述和其它目的、特征以及优点对于本领域的技术人员而言将变得更显而易见，在附图中：

图1是根据本发明的实施例的衍射光学元件(DOE)的侧视图；

图2是示出根据等式3的常数(γ)改变的衍射图样高度的梯度改变的图表；

图3是图示根据本发明的实施例的DOE的波长依赖性的图；

图4是图示衍射图样的高度相同的DOE的波长依赖性的图；

图5是根据本发明的另一实施例的DOE的侧视图和平面图；

图6是图示根据本发明的DOE被与非球面透镜组合的形状的图；

图7是示出图4中所图示的DOE的一级光效率的图表；

图8是示出根据本发明的实施例的DOE的一级光效率的图表；

图9是由包括图4中所图示的DOE的光学装置所捕获的摄影图像；

图10是由包括根据本发明的实施例的DOE的光学装置所捕获的摄影图像；以及

图11是由现有的光学装置所捕获的摄影图像。

具体实施方式

虽然本发明能够被以各种方式修改并且采取各种替代形式，但是其特定实施例在图中被示出，并且作为示例在下面详细地描述。

包括诸如第一和第二的序数的术语可以被用来描述各种元件，但是元件不被该术语限制。

该术语被仅用来区分一个元件与另一元件。例如，第二元件能够被称为第一元件，并且第一元件能够被称为第二元件，而不背离本发明的范围。

将理解的是，当一个元件被称为被“连接”或者“耦合”到另一元件时，它能够被直接地连接或者耦合到另一个元件或者可以存在中间元件。

相比之下，当元件被称为被“直接地连接”或者“直接地耦合”到另一元件时，不存在中间元件。

本文中所用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并且不旨在限制本发明。如本文中所用的，除非上下文另外明确地指示，否则单数形式“一”、“一个”以及“该”旨在也包括复数形式。

将进一步理解的是，术语“包括”当被用在本文中时，指定陈述的特征、整数、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤、操作、元件、部件或其组合的存在或添加。

并且，将理解的是，为了便于描述，本发明的附图被放大或者缩小。

在下文中，将参考图详细地描述本发明。同样的附图标记即便在不同的图中也被分配给相同的或相应的元件。将不重复其冗余说明。

图1是根据本发明的实施例的衍射光学元件(DOE)的侧视图。图2是示出根据等式3的常数(γ)改变的衍射图样高度的梯度改变的图表。

如图1中所示，在根据本发明的实施例的DOE10中，衍射图样100包括多个衍射图样元件。衍射图样100可以被形成在至少一个表面上。衍射图样100可以具有锯齿形状(菲涅尔DOE形状)，并且入射光(L1)被衍射成零级光(L2)、一级光(L3)等等。在下文中，衍射效率将被描述为一级光衍射效率。

衍射图样100的高度从DOE的中心(C)向边缘(E)连续地或不连续地改变。在这种情况下，衍射图样100的高度可以被设计为使得它从中心向边缘减小，或者替代地，从中心向边缘增加。在以下描述中，它被设计为使得衍射图样100的高度从中心向边缘减小，并且衍射图样的高度可以被定义为锯齿状图样的峰(d2)与谷(d1)之间的距离。

在中心处的衍射图样(在下文中被称为第一衍射图样元件101)的高度(h_o)被形成高于在边缘处的衍射图样(在下文中被称为第二衍射图样元件104)的高度(h₁)。此外，在第一衍射图样元件101与第二衍射图样元件104之间的衍射图样元件102和103的高度相继地减小。第一衍射图样元件的高度(h_o)可以被设计成满足以下等式1，并且第二衍射图样元件的高度(h₁)可以被设计成满足以下等式2。

[等式1]

$>h_o=\frac{{\lambda }_1}{n_d-1}$>

[等式2]

$>h_1=\frac{{\lambda }_2}{n_d-1}$>

在这里，n_d是DOE的折射率(1.5至1.6)，750nm≤λ₁≤950nm，并且250nm≤λ₂≤450nm。

在这种情况下，λ₁的范围和λ₂的范围被设计为使得入射光的一级光衍射效率是0.5或更大。因此，当DOE的折射率(n_d)是1.5时，第一衍射图样元件的高度(h_o)可以是1500nm至1900nm，第二衍射图样元件的高度(h₁)可以是500nm至900nm，并且第一衍射图样元件的高度(h_o)与第二衍射图样元件的高度(h₁)之间的差可以是600nm至1400nm。

因此，长波长带的光在DOE的中心处具有高衍射效率，并且在DOE的边缘处具有低衍射效率。另一方面，短波长带的光在DOE的边缘处具有高衍射效率并且在DOE的中心处具有低衍射效率。结果，它可以被控制使得穿过DOE的长波长和短波长的总衍射效率变得相似。

从DOE的中心向边缘改变的衍射图样102和103中的每一个的高度(h_r)被设计成满足以下等式3。

[等式3]

$>h\left(r\right)=h_0-\left(\frac{h_0-h_1}{{r_{\mathrm{eff}}}^{\gamma }}\right)r^{\gamma }$>

在这里，h_o是第一衍射图样元件101的高度，h₁是第二衍射图样元件104的高度，r_eff是有效直径的半径，r是相应的衍射图样的半径，并且0.1≤γ≤3。

因此，设置在第一衍射图样元件101与第二衍射图样元件104之间的多个衍射图样102和103具有由等式3所定义的高度。

一般而言，DOE包括具有衍射效应的有效半径(r_eff)并且其外侧可以被定义为用于图样加工的加工直径。因此，第二衍射图样元件104被定义为设置在有效直径的末端处(设置在最外侧处)的衍射图样。

在等式3中，γ是梯度常数，并且衍射图样高度的梯度由γ的尺寸来确定。在以下表1中，当第一衍射图样元件的高度(h_o)是1500nm并且第二衍射图样元件的高度(h₁)是400nm时，根据γ的改变而改变的衍射图样的高度被示出。

[表1]

γ环1环2环3环4环51150010538556965530.9150010018206715390.815009637836445240.715009137436175090.615008587025894940.51500797548560479

参考图2和表1，当γ的值是0.5时，梯度迅速地减小。然而，当γ的值是1时，图样的高度逐渐线性地减小。也就是说，等式3可以被定义为衍射图样高度的梯度(h_r)。

在这种情况下，γ的范围满足0.1≤γ≤3。当γ小于0.1或大于3时，衍射图样的高度急剧地减小，这导致加工衍射图样的难度。

图3是图示根据本发明的实施例的DOE的波长依赖性的图。图4是图示衍射图样的高度相同的DOE的波长依赖性的图。

如图3中所示，在根据本发明的实施例的DOE中，衍射图样的高度从中心(C)向边缘(E)减小。此外，如上所述，长波长的衍射效率在中心处相对地增加，并且短波长的衍射效率在边缘处相对地增加。

因此，穿过中心的600至700nm的红光(R1)、500至600nm的绿光(G1)以及400至500nm的蓝光(B1)的效率满足以下关系式1。

[关系式1]

R1＞G1＞B1

换句话说，在中心处，红光具有最高的一级光衍射效率并且蓝光具有最低的一级光衍射效率。另一方面，穿过边缘的600至700nm的红光(R2)、500至600nm的绿光(G2)以及400至500nm的蓝光(B2)的效率满足以下关系式2。

[关系式2]

R2＜G2＜B2

因此，DOE10具有间隔，其中蓝光和红光的一级光衍射效率被颠倒。该间隔可以被形成在DOE10的中心(C)与边缘(E)之间。因此，穿过DOE的红光、绿光以及蓝光的总衍射效率可以被控制为相似的。

当衍射图样的高度(h₂)像图4中所图示的那样被等同地形成时，与设计波长相对应的波长带的光具有最大效率，但是剩余波长带的光具有非常低的衍射效率。

当设计波长为546nm的绿光时，仅该绿光的效率在中心和边缘处是高的(G3≥R3＝B3，G4≥R4＝B4)。在这样的DOE中，由于根据波长的衍射效率的差，出现耀斑现象。

再次参考图3，在根据本发明的DOE中，对入射角的依赖性降低。例如，假设了第一光以第一角度入射并且第二光以第二角度入射。当第一光在中心处具有高衍射效率时，衍射图样的高度不同的边缘附近具有低衍射效率。当第二光在中心处具有低效率时，衍射图样的高度不同的边缘具有高衍射效率。因此，根据入射角的一级光衍射效率被控制为是相似的。

换句话说，当波长改变并且入射角改变时，由于衍射图样的高度改变而在一个区域(中心)中具有高或低效率的一部分被另一区域(边缘)补偿。因此，穿过DOE的光的总衍射效率可以被控制为是相似的。

图5是根据本发明的另一实施例的DOE的侧视图和平面图。图6是图示根据本发明的DOE被与非球面透镜组合的形状的图。

如图5中所图示的，根据本发明的另一实施例的DOE被设计为使得衍射图样的峰从中心向边缘变低并且其高度逐渐减小。这与在图1中随着衍射图样的谷(d1)改变而图样的高度减小相同。在这种情况下，每个衍射图样被形成在环形(r₁和r₂)中。

如图6中所图示的，DOE10可以被形成在非球面透镜20的表面上。非球面透镜20可以包括凸透镜和凹透镜。因此，通过DOE10，有可能有效地校正在折射光学系统中出现的色像差。

图7是示出图4中所图示的DOE的一级光效率的图表。图8是示出根据本发明的实施例的DOE的一级光效率的图表。

在这种情况下，图8中的一级光衍射效率(η)是由以下等式4所计算的结果的模拟(simulation)结果。

[等式4]

$>{\eta }_m(\lambda ,{\theta }_2)=\frac{2\pi {\int }_0^{r_{\mathrm{eff}}}{\sin c}^2\left\{\frac{h_0\left(r\right)}{\lambda }\right[\sqrt{n_1{\left(\lambda \right)}^2-n_2{\left(\lambda \right)}^2{\sin }^2{\theta }_2}-n_2\left(\lambda \right)\cos {\theta }_2]-m\}\mathrm{r>}}{\pi {r_{\mathrm{eff}}}^2}$>

在这里，λ是入射光的波长，n₁是DOE的折射率，n₂是空气的折射率，θ₂是入射角，并且m是衍射级。

如图7中所图示的，衍射图样的高度被等同地形成的DOE(参考图4)在设计波长(例如，546nm，G)处具有最大效率，但是效率在除设计波长以外的波长带(B)处迅速地减小至0.6或更小。并且，效率根据入射角迅速地改变。针对每个波长带的效率差和根据入射角的效率差引起耀斑问题。在这种情况下，虚线(Bn、Gn以及Rn)表示除一级光以外的光，其引起实际图像中的噪声。

另一方面，在根据图8中的本发明的实施例的DOE中，针对每个波长带的一级光衍射效率几乎是相同的。具体地，红波长带(R)、绿波长带(G)以及蓝波长带(B)的光的所有一级光衍射效率均匀地落在0.6至0.8内。DOE10具有间隔，其中蓝光和红光的一级光衍射效率根据入射角被颠倒。因此，穿过DOE的红光、绿光以及蓝光的总衍射效率可以被控制为相似的，并且不存在根据入射角的实质效率改变。

结果，DOE的波长依赖性和入射角依赖性被减轻，这有助于有效地解决耀斑问题。

此外，因为根据本发明的DOE被设计为单层结构而不是其中堆叠多个衍射图样的堆叠元件，所以有可能设计薄DOE。因此，有可能实现具有该DOE的紧凑型光学系统。

并且，这样的DOE可以被应用于各种光学仪器，诸如用于通信终端、数字静物相机以及摄录像机的相机模块。

图9是由包括图4中所图示的DOE的光学装置所捕获的摄影图像。图10是由包括根据本发明的实施例的DOE的光学装置所捕获的摄影图像。图11是由现有的光学装置所捕获的摄影图像。

如图9中所图示的，在由安装了其中衍射图样高度相同的DOE的光学装置(例如，相机模块)所捕获的摄影图像中，在中心场(0.1F)处观察到紫色耀斑，并且在边界(0.7F)处观察到蓝色耀斑。观察到了该耀斑比由图11中的折射光学系统所捕获的图像的耀斑大得多。

另一方面，在图10中，由安装了根据本发明的实施例的DOE的光学装置所捕获的摄影图像中，观察到了中心场(0.1F)和边界(0.7F)之间的色差是不大的。这个结果表明，与由图11中的折射光学系统所捕获的图像相比，耀斑问题被显著地减轻。

根据本发明，当使用仅单个DOE时，根据波长和入射角的衍射效率可以被控制为是相似的。

并且，在DOE光学系统中，由于衍射效率差而出现的每个场的色差(色彩变化)降低。结果，有可能针对所有区域实现均匀光(白光)。