衍射光学元件和具有相同组成的光学系统及光学设备

摘要

一衍射光学元件具有这样的结构,其中,具有高度在一个周期内变化的周期性凹凸模式的多个层被相互接近或紧密接触地层叠。衍射光学元件包括在凹凸模式的高度上相等并在凹凸模式的高度在一个周期内变化的方向上彼此相反的两层,以及凹凸模式的高度不同于所述两层的另一层。形成所述三层的材料在色散上互不相同。

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及一衍射光学元件，以及含有该衍射光学元件的光学系统、照相设备和观测设备，更具体地说涉及一应用于具有某一带宽的特定波长区域如可见光区域的衍射光学元件。

背景技术

对衍射光学元件的特征，可从如下几方面加以论述：

(1)对比于具有相同符号的放大率的折射光学系统，色差出现在其中的方式是相反的。

(2)通过改变构成衍射光学元件的一衍射光栅的凹凸模式的间距，能够控制波前。

(3)凹凸模式在结构上非常薄，因此所占体积很小。

特别地，关于上述条款(1)，如果将该衍射光学元件引入到通常由诸如相机镜头的折射光学系统组成的装置中去，色像差将有极大改善。

进一步，通过上述(2)，也能获得将一种所谓的消球差透镜引进到一种光学系统的效果。

更进一步，通过上述(3)，能够获得一种光学性能较好的紧凑的光学系统。

该技术公开在一些文献中，如SPIE Vol.1354，国际镜头设计会议(Intenational Lens Design Conference)(1990)，日本专利申请公开文本No.4-213421(相应于美国专利5044706)，日本专利申请公开文本No.6-324262(相应于美国专利57900321)，等等。

附图1说明传统的最流行的衍射光学元件的范例。如图1所示，一种凹凸模式101形成于空气层102和具有折射率Nd＝1.497及阿贝数vd＝57.44的树脂材料层103之界面。这种凹凸模式101的高度由h表示，其间距由P表示。这一由衍射光栅组成的衍射光学元件在下文中被称为单层衍射光学元件。

当P＝150μm和h＝1.05μm时，这种衍射光学元件105的衍射效率的计算结果如附图2所示。在图2中，横坐标轴表示可见光区400nm-700nm的波长范围，纵坐标轴表示+第一级衍射光的衍射效率。这种衍射光学元件使得在所用的400nm-700nm波长区域中，+第一级被选作衍射光的衍射效率最高的设计级。衍射光学元件的凸纹的高度也可能在设计时改变，因此+第一级外的其它级的衍射效率可能变得最高。但是在下文的情况中，+第一级被选作设计级，+第一级衍射光的衍射效率成为最高的。

根据图2，在可见光区，衍射效率在短波侧和长波侧波长区域大大地降低。在这些波长区，除+第一级之外的其它的不必要的级(没有显示)的衍射效率变得较高。当将这一衍射光学元件用于一光学系统，如用于可见光区的照相机镜头，不必要的级可能引起光斑。

当衍射光学元件的高度被定义为h及它在特定波长λ处的折射率被定义为n(λ)，则出现在它和空气(折射率为1)间的光程差OPD为

OPD＝(n(λ)-1)·h。

这时衍射效率为 $>>\eta >=>>>[>>>sin>>(>\pi >·>x>)>>>>\pi >·>x>\; >]>2>>>s>这里$

x＝(OPD/λ)-m当前设计级为+第一级，因此m＝1。当

x＝0。

衍射效率η变得最高，

附图3显示图1(m＝1)中衍射光学元件的x值(相位特性)。x值在短波侧和长波侧大大地偏离0，因此认为其特性如图2所示。

消除这一衍射光学元件衍射效率的波长依赖性及阻止光斑等的出现的技术公开在申请人的(或受让人的)日本专利申请公开文本No.11-223717(相应于美国申请公开文本2001015848)或日本专利申请公开文本No.9-325203(相应于美国专利公开文本6157488)或日本专利申请公开文本No.9-127322(相应于美国专利6157488)。目的在于通过结合两种或更多种具有不同光学特性的材料来构造一种衍射光学元件，以减少衍射效率的波长依赖性。

附图4显示一个描述在在日本专利申请公开文本No.11-223717中的一个具体实施例中的一衍射光学元件构造的一个例子。一种叠层型的衍射光学元件将在下文通过这一结构的应用例子来描述。如图4所示，通过一构造于Nd＝1.635及vd＝22.99的光学材料层109和空气层108之间的凹凸模式106及一构造于Nd＝1.5129及vd＝51.00的光学材料层110和空气层108之间的凹凸模式107形成了一种叠层型的衍射光学元件111。凹凸模式106和凹凸模式107的高度h1和h2分别为h1＝7.88μm和h2＝10.95μm。h1给负号的原因是形成衍射光学元件的光栅结构的方向同h2的光栅结构方向相反。

在这种构的例子中，上述的x和波长之间的关系显示在附图5中。而且，附图6显示了图4所示的叠层类型衍射光学元件的第一级光的衍射效率的波长依赖性，对比图2，在图6中，短波侧和长波侧的衍射效率有极大地提高。但是，要看到在短波侧区域，衍射效率有一降低。

附图7显示形成图4所示的衍射光学元件的两种光学材料的折射率。在附图7中，虚线和实线分别表示形成层109和110的材料的折射率。形成层109的材料的折射率在短波侧的变化大，因此图5所示的x在短波侧的变化大。这就是衍射效率在短波侧有一降低的原因。

如前所述，与单层型衍射光学元件相比较，这种叠层型衍射光学元件的衍射效率有极大地提高，但是，衍射效率在短波侧仍然有一降低。这可能引发斑，因此，期望制造出衍射效率在整个所采用的波长范围内都高的衍射光学元件。

发明根述

本发明的目的在于提供一衍射光学元件，它能在所采用的诸如可见光区的宽的波长谱带内广泛地维持好的衍射效率。

为达到上述目的，本发明的一种形式的衍射光学元件是这样一种衍射光学元件，其中，将具有高度在一个周期内变化的周期性凹凸模式的多个层相互接近或紧密接触地层叠，其特征在于，包括在凹凸模式的高度上相等并在凹凸模式的高度在一个周期内变化的方向上彼此相反的两层，以及凹凸模式的高度不同于所述两层的另一层，其特征还在于，形成这三层的材料在色散上互不相同。

而且，本发明的另一种形式的衍射光学元件是这样一种衍射光学元件，其中，同样，具有高度在一个周期内变化的周期性凹凸模式的多个层被相互接近或紧密接触地层叠，其特征在于，包括由在色散上互不相同的材料形成的、并且在凹凸模式的高度上相等并在凹凸模式的高度在一个周期内变化的方向上彼此相反的两层，以及与这两层中的由色散较小的材料形成的一层在凹凸模式的高度在一个周期内变化的方向上相同的另一层，其特征还在于，形成所述另一层的材料在色散上大于形成这两层的材料。

附图简要说明：

图1显示根据现有技术的单层型衍射光学元件。

图2显示根据现有技术的单层型衍射光学元件的衍射效率。

图3显示根据现有技术的单层型衍射光学元件的相位特性。

图4显示根据现有技术的叠层型衍射光学元件。

图5显示根据现有技术的叠层型衍射光学元件的相位特性。

图6显示根据现有技术的叠层型衍射光学元件的衍射效率。

图7显示根据现有技术的叠层型衍射光学元件的形成材料的特性。

图8显示根据实施例1的衍射光学元件。

图9显示根据实施例1的衍射光学元件的相位特性。

图10显示根据实施例1的衍射光学元件的衍射效率。

图11显示根据实施例1的衍射光学元件的形成材料的特性。

图12显示根据实施例1的衍射光学元件。

图13显示根据实施例2的衍射光学元件的相位特性。

图14显示根据实施例2的衍射光学元件的衍射效率。

图15显示根据实施例2的衍射光学元件的形成材料的特性。

图16A和16B显示根据实施例3的衍射光学元件。

图17是装备有衍射光学元件的光学系统的示意图。

图18是装备有衍射光学元件的光学设备的示意图。

优选实施方式

下文将描述本发明的一些实施例。(实施例1)

图8是根据本发明的实施例1的一衍射光学元件122的主要结构的横截面图。光从上部的箭头方向进入元件，依次经过第一材料层(第一层)115、空气层(折射率为1的层)116、第二材料层(第二层)117和第三材料层(第三层)118进行传输，并从衍射光学元件中出来。一个微小的高度周期性变化的凹凸模式112形成于第一材料层115和空气层116之间，一个微小的高度周期性变化的凹凸模式114形成于第二材料层117和第三材料层118之间。第二材料层和第三材料层的凹凸模式在一个周期内高度的变化方向上彼此相反并在高度上相等，因此，两个凹凸模式具有相互正好适合的结构。材料层115由Nd＝1.636及vd＝22.80的树脂材料形成，材料层117由Nd＝1.598及vd＝27.99的树脂材料形成，材料层118由Nd＝1.513及vd＝51.00的树脂材料形成。这样，各层在可见光谱带有互不相同的色散。第一材料层115凹凸模式的高度(深度)为h1＝3.538μm，第二凹凸模式的高度为h2＝-19.5μm，第三凹凸模式的高度为h3＝-h2＝19.5μm。h2给负号的原因是在横截面形状中高度的变化方向与h1和h3的高度变化方向相反。在图8中，第一层和第三层的光栅有如此的形状以致一个周期的光栅部分的高度为从右到左越来越小，这从图中可看出，但是，第二层和这相反。

图9显示了这种结构中上述的x(OPD/λ-1)。图10显示本实施例的衍射效率的波长依赖性。比较图9和示出现有技术的一个例子的图5，可以看出本实施例的衍射光学元件的OPD/λ-1随波长的变化更小，结果，可能获得如图10所示的特性，衍射效率大于传统叠层结构的衍射光学元件的衍射效率，特别是在短波区有高的衍射效率。

图11显示材料层115、117和118各自的折射率。图11中各曲线图旁标注的数字分别相应于各材料层。关于标注为115和118的材料层，所要指出的是，材料层115和118分别由高度为h1和h3的凹凸模式组成，但这里假定它们以(h1+h3)的高度形成，与这两种凹凸模式相等效的折射率已计算出。即，实施例1的具有三层结构的叠层光学元件可被看作由两种材料，即材料115&118和材料117形成的叠层型衍射光学元件。

通过利用象115那样的折射率随波在短波侧有大的变化的材料，等效折射率的色散特性能被适当地控制。可通过建立如下关系式来修正，

v1＜v2＜v3其中，材料层115、117和118的阿贝数分别定义v1，v2和v3。进而，当从图11计算出一局部色散特性及材料层115、117和188的局部散射率θ_g，F分别被定义为θ1，θ2，θ3，θ1＝0.697，θ2＝0.595，θ3＝0.560，从而

θ1＞θ2＞θ3通过这样来选择材料的布局，尽管光栅高度较小，在短波区的色散也能被控制，特别是能提高在短波区的衍射效率。局部色散率θ_g，F由(ng-nF)/(nF-nC)表示，ng、nF和nC分别是材料相对g线、F线和C线的折射率。

而且，在本实施例中，与空气层相接触的凹凸模式112的高度小到4μm或更小，因此，这可能减轻对图中用119标注的光栅面的散射影响。更进一步，可以使材料层117和118的凹凸模式114的高度的绝对值彼此相等，因此，这可以使得与图8的空气层116相接触的表面113是平坦的，并且可以很简单地制造由材料层117和118构成的部分。而且，材料层117和118间材料的折射率的差异较小，因此，对凹凸模式114的高度可以减少光栅面121上的散射。

如图10所示，根据本实施例的衍射光学元件，其衍射效率的波长的依赖性很小，因此对于用于在象可见光区这样的宽的谱带的光学系统是有效的。而且，虽然在本实施例中仅仅显示根据本发明的衍射光学元件的主结构，因此正如图8所示，具有用来构成衍射光学元件的多个凹凸模式的材料层被提供于一平坦表面上，这不是限制性的，但也可将它们用到曲面或类似面上。

而且，虽然在根据本实施例的衍射光学元件中，其中未形成光栅的材料层120位于第二材料层117的凹凸模式114和空气层116之间，但其厚度L1尽可能小是所期望的。

在本实施例中，显示了这样的一个情况，光从材料层115的一侧进入，但是即使光从相对侧进入也能获得上述效果。

进一步，在本实施例中，形成衍射光学元件的材料是树脂材料，因此在入射侧或出射侧可自由设定基底，但对这个基底不加特别限制。而且，凹凸模式可由这种基底材料本身形成。(实施例2)

图12是根据本发明的实施例2的一衍射光学元件133的主要结构的横截面图。光从上部的箭头方向进入元件，依次经过第一材料层(第一层)126、空气层127、第二材料层(第二层)128和第三材料层(第三层)129进行传输，并从衍射光学元件中出来。一个微小的凹凸模式123形成于第一材料层126和空气层127之间，一个微小的凹凸模式125形成于第二材料层128和第三材料层129之间。材料层126由Nd＝1.679及vd＝19.17的树脂材料形成，材料层128由Nd＝1.635及vd＝22.80的树脂材料形成，材料层129由Nd＝1.513及vd＝51.00的树脂材料形成。这样，各层在可见光谱带有互不相同的色散。第一材料层126的凹凸模式的高度为h1＝2.784μm，第二凹凸模式的高度为h2＝-10.5μm，第三凹凸模式的高度为h3＝-h2＝10.5μm。

图13显示了这种结构的上面描述的x(OPD/λ-1)。图14显示本实施例的衍射效率的波长依赖性。比较图13和图5，可以看出本实施例的衍射光学元件的OPD/λ-1随波长的变化也较小，结果，可能获得如图14所示的特性，其中，衍射效率的波长依赖性小于传统叠层结构的衍射光学元件的衍射效率的波长依赖性，因此光斑也小。而且，能够实现非常薄的衍射光学元件。

图15显示各材料层126、128和129的折射率。标注在图15中各曲线图旁的数字相应于各材料层。关于标注为126和129的材料，这里假定形成高度为(h1+h3)，虽然材料层126和128分别由高度为h1和h3的凹凸模式形成，但已计算了这两种凹凸模式的等效折射率。即，实施例2的具有三层结构的叠层光学元件可被看作由两种材料，即材料126&129和材料128形成的叠层型衍射光学元件。

通过利用象126那样的折射率随波长在短波侧有大的变化的材料，可以适当地控制等效折射率的色散特性。

可通过建立如下关系式来修正，

v1＜v2＜v3此时，材料层126，128和129的阿贝数分别定义为v1，v2和v3。进而，从图11中可计算一局部色散特性当材料层126、128和129的局部色散率θ_g，F被定义为θ1，θ2和θ3时，θ1＝0.70，θ2＝0.697，θ3＝0.560，由此

θ1＞θ2＞θ3因此，尽管如材料层126那样凹凸模式的高度很小，但是可以将等效折射率的特性在短波侧处理得非常适当。

而且，在本实施例中，与空气层相接触的凹凸模式123的高度为2.784μm，也就是尽可能小于4μm，因此，这可能减轻光栅面130上的散射影响。更进一步，能使材料层128和129的凹凸模式125的高度的绝对值彼此相等，因此，这可以使得与图12的空气层127相接触的表面124是平坦的，并且能非常简单地制造。而且，材料层128和129间材料的折射率的差异很小，因此，对凹凸模式125的高度这可能减少光栅面132上的散射。

如图14所示，根据本实施例的衍射光学元件，其衍射效率对波长的依赖性很小，因此对于用在象可见光区这样的宽的谱带的光学系统是有效的。而且，虽然在本实施例中，仅仅显示根据本发明的衍射光学元件的主结构，因此，正如图8所示，每个凹凸模式被提供于平坦表面上，但这不是限制性的，它们也能被用于曲面或相类似面上。

而且，虽然在根据本实施例的衍射光学元件中，其中无光栅形成的材料层131位于第二材料层128的凹凸模式125和空气层127之间，但期望其厚度L1尽可能小。(实施例3)

这里以根据本发明的实施例3的一衍射光学元件135为例子，其中多层凹凸模式形成于作为基底的相对的透镜面136和137之间，图16A是它的一横截面图，图16B是它的一前视图。图中将衍射光学元件135的凹凸模式放大地显示以便使它易理解。

标号138a、138b和138c指示对应于实施例1或实施例2的三层结构的材料层的构造。

标号138表示一个用于确定材料层138a和材料层138b、138c间的间隔的组件，它位于衍射光学元件138的外围设备部分(有效直径之外)。如上所述，衍射部分形成于相对的两透镜面之间，由此获得，凹凸模式和边界表面受到保护的效果。进一步，在本实施例中，将每一凹凸模式形成在平坦表面上，但这不是限制性的，它们也能形成在曲面上。更进一步，虽然在本实施例中，凹凸模式显示为完全对称旋转，但这不是限制性的。

进一步，虽然在上述实施例中，已显示了在可见光区有两个波长的，衍射光学元件，该波长满足

(OPD/λ)-m＝0(m＝1，2，3，…)此时，衍射设计级(绝对值)被定义为m及一束波长为λ的衍射光的最大光程长度被定义为OPD，依据形成各材料层的材料的结合也可采用在可见光区有三个或更多个波长满足此条件的构造。

而且，虽然在实施例1到3中，注意力仅仅集中在形成衍射光学元件的材料的折射率和由凹凸结构引发的相位差，如果诸如涂敷的反射保护措施用空气层和凹凸模式间的界面或虑及到的光学材料或其它类似材料间的界面的菲涅耳反射来形成，这将是有效的，但是衍射效率的特性由本发明的结构来决定，因此也能获得类似的效果。而且，涂敷也可滤及到的树脂材料的紧密接触特性或基底的紧密接触特性来完成。在这种情况，涂层处于界面之间，但是这种结构并不限制本发明。(实施例4)

图17概略地显示一个具有描述在实施例1到3的衍射光学元件201的光学系统200的结构。根据上述的实施例的衍射光学元件能使设计级的衍射光的衍射效率在所应用的整个波长范围都高，因此能在使用白光的光学系统中显示出好的光学性能。(实施例5)

图18是单镜头反射式照相机的基本部分的示意图。在图18中，标号10代表一个照相镜头，标号20代表照相机主体，照相镜头10可拆卸地安装在照相机的主体20上。照相镜头10有这样的结构，即它用镜头筒2来容纳照相光学系统1。照相机主体20包括一个用来把来自照相镜头10的光束向上反射的快速反光镜3、一个安置在照相镜头10的图像形成位置的聚焦板4、一个把形成于聚焦板4上的颠倒图像转换成直立图像的五角棱镜5、一个通过其观察直立图像的目镜6，等等。标号7指的是一个感光面，在其上放有固态图像获取元件(光电转换元件)如CCD或CMOS、或银卤化物胶片或类似物的光接收面。在拍照期间，快速反光镜3从光路撤销，通过照相镜头10在感光面7上形成一个图像。

实施例1到3所描述的衍射光学元件可用于照相光学系统或探测器光学系统的任何位置。如上所述，本发明的衍射光学元件被用于光学设备如照相机的光学系统，从而光学设备的光性能能够得到改善。

通过将上面实施例所描述的结构应用于叠层型衍射光学元件，能使凹凸模式的高度的绝对值，例如，在至少两层中互等且凹凸模式的方向相反，从而可以使高度相等的层紧密接触或或制做得相互接近，并且可以减少在其中凹凸模式的垂直面(光栅面)或者其它类似面和空气接触的层。

而且，凹凸模式的高度相等的层可以处理成紧密接触或相互接近，从而这可能形成一个没有凹凸模式的表面，这样可以形成构造上更简单并易于制造的衍射光学元件。

而且，相对于凹凸模式的高度相等的两层的凹凸模式的高度而言，其它层的凹凸模式的高度做得很小，从而衍射光学元件的高度能做得很小。

而且，通过设计可以使空气层位于没有凹凸模式的面和上面提到的凹凸模式的高度做得很小的其它层之间，从而对衍射光学元件的凹凸模式的保护成为可能且更进一步，光学材料的选择范围更宽。

而且，使上文提到的凹凸模式的高度做得很小的其它层的光学色散比凹凸模式的高度的绝对值相等的两层的色散大，进而，可以设计为使得在这一其它层与使光学色散更小的、凹凸模式的高度的绝对值相等的两层中的一层中，其横截面的光栅形状对于同一方向在高度上变小，并且对于预先设定波长，光在同一方向衍射，从而可以减少衍射效率对波长的依赖性。

而且，通过构造在两相对表面间具有凸纹模式的衍射光学元件，可能采用一种结构来保护衍射光学元件的凹凸模式。进而，通过构造具有这一光学元件的光学系统，由于该衍射光学元件的色像差修正效应或非球面效应，有可能获得一非常小巧且性能良好的光学系统。