專利名稱：衍射光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及衍射光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
衍射光學(xué)元件具備在由玻璃或樹脂等的光學(xué)材料構(gòu)成的基體中設(shè)置有使光發(fā)生衍射的衍射光柵的構(gòu)造。衍射光學(xué)元件用于攝像裝置或包含光學(xué)記錄裝置的各種光學(xué)設(shè)備 的光學(xué)系統(tǒng)中，例如，已知用于被設(shè)計(jì)成將特定級(jí)數(shù)的衍射光匯集于I點(diǎn)的透鏡、空間低通濾波器、偏振全息等。衍射光學(xué)元件具有使光學(xué)系統(tǒng)變得緊湊的這種特點(diǎn)。此外，與折射相反，越是長波長的光則衍射得越強(qiáng)烈，因此，通過組合衍射光學(xué)元件和利用折射的通常的光學(xué)元件，還能夠改善光學(xué)系統(tǒng)的色象差、像面彎曲。但是，衍射效率理論上依賴于光的波長。因此，當(dāng)按照特定波長的光的衍射效率為最佳的方式來設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件時(shí)，會(huì)產(chǎn)生對于其他波長的光而言衍射效率下降的這種問題。例如，在相機(jī)用鏡頭等利用白色光的光學(xué)系統(tǒng)中使用衍射光學(xué)元件的情況下，由于該衍射效率的波長依賴性，從而會(huì)產(chǎn)生因色相不均、不要級(jí)數(shù)光而引起的光斑，僅僅由衍射光學(xué)元件構(gòu)成具有適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)特性的光學(xué)系統(tǒng)是較為困難的。針對這種技術(shù)問題，專利文獻(xiàn)I公開了一種相位差型的衍射光學(xué)元件，其具備基體，由光學(xué)材料構(gòu)成，且在表面設(shè)有衍射光柵；和光學(xué)調(diào)整層，由與基體不同的光學(xué)材料構(gòu)成，覆蓋衍射光柵。將透過衍射光學(xué)兀件的光的波長設(shè)為λ ,將2種光學(xué)材料的波長λ處的折射率設(shè)為η (λ)及η2(λ)，將衍射光柵的深度設(shè)為d。在折射率η (λ)及η2(λ)和d滿足以下的式(I)的關(guān)系時(shí)，針對波長λ的光的m級(jí)衍射效率為100%。在此，m為整數(shù)，表示衍射級(jí)數(shù)。數(shù)I
,mA -γ-ττ,U；
\η\{λ) - η2{λ)\因此，在所使用的光的波段內(nèi)，如果能夠組合具有d大致恒定的這種波長依賴性的折射率nl ( λ )的光學(xué)材料和折射率η2 ( λ )的光學(xué)材料，則能夠降低衍射效率的波長依賴性。一般會(huì)組合折射率高且波長色散低的材料、和折射率低且波長色散高的材料。專利文獻(xiàn)I公開了作為構(gòu)成基體的光學(xué)材料使用玻璃或者樹脂，而作為構(gòu)成光學(xué)調(diào)整層的光學(xué)材料使用紫外線固化樹脂。專利文獻(xiàn)2公開了在具有同樣構(gòu)造的相位差型的衍射光學(xué)元件中，作為構(gòu)成基體的光學(xué)材料使用玻璃，作為構(gòu)成光學(xué)調(diào)整層的光學(xué)材料使用能量固化型樹脂。專利文獻(xiàn)2公開了通過該構(gòu)造能夠降低衍射效率的波長依賴性，能夠有效地防止因色相不均或不要級(jí)數(shù)光引起的光斑產(chǎn)生等?，F(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)[0012]專利文獻(xiàn)專利文獻(xiàn)I JP特開平10-268116號(hào)公報(bào)專利文獻(xiàn)2 JP特開2001-249208號(hào)公報(bào)本申請發(fā)明者針對現(xiàn)有的相位差型的衍射光學(xué)元件的光學(xué)特性、耐久性進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)即便是被設(shè)計(jì)成充分獲得MTF (Modulation TransferFunction)等光學(xué)性能的衍射光學(xué)元件，在用于攝像的情況下有時(shí)也會(huì)發(fā)生色相不均。此外，還發(fā)現(xiàn)在光學(xué)調(diào)整層的形成時(shí)或熱沖擊試驗(yàn)等的環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，在光學(xué)調(diào)整層中會(huì)出現(xiàn)裂紋。再者，進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件中，用于得到如設(shè)計(jì)那樣的光學(xué)性能的、關(guān)于光學(xué)調(diào)整層的形狀的容許誤差較小，如果不高精度地形成光學(xué)調(diào)整層，則難以獲得具有期望的光學(xué)性能的衍射光學(xué)元件。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種解決這種現(xiàn)有技術(shù)中的至少一個(gè)問題的具有新構(gòu)造的衍射光學(xué)兀件。本發(fā)明的衍射光學(xué)元件，其具備基體，其在表面具有衍射光柵；和光學(xué)調(diào)整層，其以覆蓋所述衍射光柵的方式設(shè)置于所述基體，通過所述衍射光柵的前端的包絡(luò)面是曲面，所述光學(xué)調(diào)整層在與所述衍射光學(xué)元件的光軸平行的截面上的至少3點(diǎn)，從所述包絡(luò)面開始在相對于該包絡(luò)面的法線nl、n2、n3方向上具有均等的厚度。在所述衍射光學(xué)元件中，所述基體的設(shè)置有所述衍射光柵的區(qū)域是有效區(qū)域，至少在與所述有效區(qū)域?qū)?yīng)的光學(xué)調(diào)整層，從所述包絡(luò)面開始在法線方向上具有均等的厚度。在所述衍射光學(xué)元件中，所述光學(xué)調(diào)整層的表面具有與通過所述衍射光柵的前端的包絡(luò)面不同的非球面形狀。在所述衍射光學(xué)元件中，所述光學(xué)調(diào)整層由樹脂形成，在所述光學(xué)調(diào)整層中分散有無機(jī)粒子。發(fā)明效果根據(jù)本發(fā)明，由于光學(xué)調(diào)整層從通過衍射光柵的前端的包絡(luò)面開始在法線方向上具有固定的厚度，因此在透鏡的中心部和周邊部能夠減小光線通過的光學(xué)調(diào)整層的厚度之差，能夠減少色相不均。

圖I (a)是示意地表示現(xiàn)有技術(shù)的衍射光學(xué)元件的剖面構(gòu)造的圖，(b)是示意地表示光學(xué)調(diào)整層的半徑方向的厚度分布的圖。圖2(a)是示意地表示本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的第I實(shí)施方式的剖面構(gòu)造的圖，(b)是示意地表示光學(xué)調(diào)整層的半徑方向的厚度分布的圖。圖3(a)至(C)是表示圖2所示的衍射光學(xué)元件的制造方法的一例的工序剖面圖。圖4(a)是示意地表示本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的第2實(shí)施方式的剖面構(gòu)造的圖，(b)是示意地表示光學(xué)調(diào)整層的半徑方向的厚度分布的圖。符號(hào)說明I、11 基體[0029]2、12衍射光柵3、3’、13光學(xué)調(diào)整層4、14 包絡(luò)面5、15 光軸6無機(jī)粒子7第2樹脂17分配器18 模具21、22、121衍射光學(xué)元件具體實(shí)施方式
本申請發(fā)明者為了解決現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件中的上述問題，對現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件的構(gòu)造進(jìn)行了詳細(xì)的研究。圖I (a)示意地表示現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件22的剖面構(gòu)造，圖1(b)表不光學(xué)調(diào)整層13的半徑方向的厚度的分布?，F(xiàn)有的衍射光學(xué)兀件22具備基體11,其由第I光學(xué)材料構(gòu)成，在表面設(shè)有衍射光柵12 ;及光學(xué)調(diào)整層13，其由第2光學(xué)材料構(gòu)成，被設(shè)置成覆蓋衍射光柵12。為了使衍射光學(xué)元件22具有一般的基于衍射光柵12的衍射作用以外，還具有基于透鏡的聚光作用，衍射光柵12被設(shè)置在具有發(fā)揮透鏡作用的非球面形狀的基底形狀I(lǐng)lb的基體11上。因此，通過衍射光柵12的前端的包絡(luò)面14具有與基底形狀I(lǐng)lb相同的非球面形狀。由于光學(xué)調(diào)整層13是為了降低衍射光柵12的波長依賴性而設(shè)置的，因此通常光學(xué)調(diào)整層13的表面形狀設(shè)定為與衍射光柵12的前端的包絡(luò)面14相同的非球面形狀，以進(jìn)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)。這是因?yàn)橛捎诠鈱W(xué)調(diào)整層13的上述功能由構(gòu)成光學(xué)調(diào)整層13的第2光學(xué)材料來決定，因此不需要改變光學(xué)調(diào)整層13的表面13s的形狀，通過設(shè)定成與衍射光柵12的前端的包絡(luò)面14相同的非球面形狀，在不增加參數(shù)的情況下就能夠進(jìn)行透鏡最優(yōu)化設(shè)計(jì)。但是，本申請發(fā)明者對現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件22的構(gòu)造等進(jìn)行研究之后，發(fā)現(xiàn)在光學(xué)調(diào)整層13的表面形狀是與衍射光柵13的前端的包絡(luò)面14相同的非球面形狀的情況下，也會(huì)發(fā)生以下的問題。在光學(xué)調(diào)整層13的表面形狀和衍射光柵13的前端的包絡(luò)面14具有相同的非球面形狀的情況下，如圖1(a) (b)所示那樣，若除去進(jìn)入衍射光柵12的輪帶(orbicularzone)的部分，則光學(xué)調(diào)整層13在光軸15方向上具有相等的厚度。也就是說，光軸15處的厚度t5與半徑方向的任意點(diǎn)處的平行于光軸15的方向p4上的厚度t4相等。但是,該情況下，因?yàn)橛裳苌涔鈻?2進(jìn)行衍射之后的光并不是始終以平行于光軸的角度入射至光學(xué)調(diào)整層13，因此例如若是曲率半徑小的透鏡，則光線通過的距離在透鏡的中心處變長，而越向周邊則越短。因此，越是透過衍射光學(xué)元件的周邊的光，則光路長越短。另一方面，對于光學(xué)調(diào)整層中使用的樹脂材料而言，因電子遷移吸收，從而靠近紫外波段的短波長側(cè)的透過率容易下降，此外透過率相對于厚度的増加會(huì)以指數(shù)函數(shù)下降。因此，在透鏡的中心部和周邊部，特別是短波長側(cè)的透過率會(huì)出現(xiàn)差異。其結(jié)果，在將現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件22用于攝影時(shí)，在所拍攝的圖像中會(huì)產(chǎn)生色相不均。[0043]此外，盡管光學(xué)調(diào)整層13的包絡(luò)面14的各點(diǎn)處的法線方向的厚度是光學(xué)調(diào)整層13的實(shí)質(zhì)上的厚度，但是如圖1(a)所示，周邊部的法線方向n4的厚度t6小于中心部的法線方向的厚度t5。如圖1(b)所示，光軸15方向的厚度在半徑方向的任何位置處都是恒定的，但包絡(luò)面14的法線方向的厚度越是周邊部則變得越小。因此，在光學(xué)調(diào)整層13中，會(huì)產(chǎn)生依賴于中心部和周邊部的厚度的應(yīng)力差，在形成光學(xué)調(diào)整層13時(shí)或?qū)嵤釠_擊試驗(yàn)等的環(huán)境試驗(yàn)時(shí)，容易在光學(xué)調(diào)整層13中出現(xiàn)裂紋。此外，由于基體11的基底形狀I(lǐng)lb的曲率越大則包絡(luò)面14的曲率也變得越大，因此越是周邊部則包絡(luò)面14的法線方向的厚度t6變得越小。因此，光學(xué)調(diào)整層13的表面13s的形狀的中心相對于基體11的光軸15的偏移的容許誤差變小。為了增大該容許誤差，考慮增大光學(xué)調(diào)整層13在光軸15方向上的厚度，但此時(shí)會(huì)顯著產(chǎn)生上述的色相不均。本申請發(fā)明者基于這種見解，想到具有新的構(gòu)造的衍射光學(xué)元件。本發(fā)明的衍射光學(xué)元件以覆蓋具有衍射光柵的基體的方式形成光學(xué)調(diào)整層，光學(xué)調(diào)整層在通過衍射光柵的前端的包絡(luò)面的法線方向上具有均等的膜厚。由此，能夠防止因制造時(shí)的第2光學(xué)材料的固化收縮或熱沖擊試驗(yàn)等環(huán)境試驗(yàn)而在光學(xué)調(diào)整層中產(chǎn)生的應(yīng)力所引起的裂紋，進(jìn)而還能夠降低色相不均。再者，在現(xiàn)有的衍射光學(xué)元件中，僅僅按照光學(xué)調(diào)整層在通過衍射光柵的前端的包絡(luò)面的法線方向上具有均等的厚度的方式進(jìn)行變更時(shí)，這樣衍射光學(xué)元件的MTF特性會(huì)下降。本發(fā)明的衍射光學(xué)元件為了抑制MTF特性的下降，在設(shè)計(jì)衍射光學(xué)元件時(shí)，將通過衍射光柵的前端的包絡(luò)面與光學(xué)調(diào)整層的表面的法線方向上的距離在衍射光學(xué)元件的有效區(qū)域內(nèi)設(shè)定為恒定，將基體的其他面的形狀等作為參數(shù)來使衍射光學(xué)元件的特性最優(yōu)化，在實(shí)用方面具有充分的特性。以下，說明本發(fā)明的具體的實(shí)施方式。(第I實(shí)施方式)圖2(a)表示本發(fā)明的衍射光學(xué)元件的實(shí)施方式的剖面圖。衍射光學(xué)元件21具備基體I及光學(xué)調(diào)整層3?；wI由第I光學(xué)材料構(gòu)成，光學(xué)調(diào)整層3由包含第2樹脂的第2光學(xué)材料構(gòu)成。在基體I的一個(gè)主面設(shè)置衍射光柵2。根據(jù)基體I和光學(xué)調(diào)整層3的光學(xué)特性、最終要得到的衍射光學(xué)元件21的光學(xué)設(shè)計(jì)，決定衍射光柵2的剖面形狀、配置、間距、深度。例如，在使衍射光柵2具有透鏡作用的情況下，只要使具有鋸齒狀的剖面形狀的輪帶按照間距從透鏡的中心向周邊變小的方式連續(xù)地變化，來配置成同心圓狀即可。該情況下，優(yōu)選基體I的基底形狀I(lǐng)b (通過衍射光柵2的溝槽的包絡(luò)面)是非球面或者球面。由此，能夠?qū)崿F(xiàn)由基體I的基底形狀引起的折射作用和衍射光柵2的衍射作用的最佳組合，能夠均衡地改善色象差和像面彎曲等，可獲得具有高攝像性能的透鏡。衍射光柵2的深度d能夠利用式(I)來決定。再者，圖2(a)中示出了在一個(gè)主面具有衍射光柵2的衍射光學(xué)元件，但也可以在基體I的其他主面也設(shè)置衍射光柵2。此外，圖2(a)中示出了一面是具有衍射光柵2的凸面、相反的一面是平面的衍射光學(xué)元件，但只要至少在任意一面形成了衍射光柵，則基體I的2個(gè)主面可以是兩凸面、凸面和凹面、兩凹面。在這種情況下，衍射光柵既可以僅形成在一個(gè)面，也可以形成在兩面。在兩面形成衍射光柵的情況下，只要滿足對衍射光學(xué)元件所要求的性能，則兩面的衍射光柵的形狀、配置、間距、衍射光柵深度未必一致。[0051]優(yōu)選衍射光學(xué)元件21的有效區(qū)域、即基體I中的設(shè)置衍射光柵2的區(qū)域的直徑rl為2. 6mm以下。此外，優(yōu)選通過衍射光柵2的溝槽的包絡(luò)面(基底形狀I(lǐng)b)的曲率半徑為±1.3_以下(-1.3_ +1.3_的范圍)。在直徑及曲率半徑處于該范圍內(nèi)的情況下，特別是在衍射光柵2的周邊部，由于光學(xué)調(diào)整層3的從包絡(luò)面起在法線方向上的厚度和在光軸方向上的厚度容易出現(xiàn)差值，因此本申請發(fā)明的結(jié)構(gòu)是有效果的。為了降低衍射光學(xué)元件21中的衍射效率的波長依賴性，光學(xué)調(diào)整層3被設(shè)置成以至少掩埋衍射光柵2的梯級(jí)差的方式來覆蓋基體I的設(shè)置有衍射光柵2的主面。在本實(shí)施方式中，如圖2(a)所示那樣，光學(xué)調(diào)整層3在除去進(jìn)入衍射光柵2的輪帶的部分之后，在與衍射光學(xué)元件21的光軸平行的截面上，光學(xué)調(diào)整層3從包絡(luò)面4開始在法線方向上具有均等的厚度。例如，在相對于通過衍射光柵2的前端的包絡(luò)面4的法線(nl、n2、n3)方向上具有均等的厚度tl、t2、t3。也就是說，由光學(xué)調(diào)整層3的表面3s和通過衍射光柵2的前端的包絡(luò)面4所規(guī)定的厚度，在相對于同一截面處的包絡(luò)面4的法線(nl、n2、n3)方向上實(shí)質(zhì)上是均等的。在本申請發(fā)明中，所謂“均等”包含是“實(shí)質(zhì)上均等”的情況。在此，所謂實(shí)質(zhì)上均等，是指與厚度的設(shè)計(jì)值的偏離在光學(xué)調(diào)整層3的任意位置處都在±2%的范圍內(nèi)。 由此，在實(shí)施熱沖擊試驗(yàn)等的環(huán)境試驗(yàn)的情況下，能夠防止光學(xué)調(diào)整層3中出現(xiàn)裂紋，進(jìn)而能夠降低攝像圖像中的色相不均。圖2 (b)是示意地表示光學(xué)調(diào)整層3中的、包絡(luò)面4的法線方向的厚度及光軸5方向的厚度。光學(xué)調(diào)整層3的法線方向的厚度與半徑位置無關(guān)是大致恒定的。相對于此，光軸5方向的厚度隨著半徑位置變大而變大。為了降低衍射效率的波長依賴性，優(yōu)選基體I及光學(xué)調(diào)整層3在所使用的光的全部波長區(qū)域中基本滿足式(I)。在此，所謂的“基本滿足”，具體而言是指在所使用的光的全部波長區(qū)域中滿足以下的式(Γ )。數(shù)2
權(quán)利要求1.一種衍射光學(xué)元件，其具備 基體，其在表面具有衍射光柵；和 光學(xué)調(diào)整層，其以覆蓋所述衍射光柵的方式設(shè)置于所述基體， 通過所述衍射光柵的前端的包絡(luò)面是曲面， 所述光學(xué)調(diào)整層在與所述衍射光學(xué)元件的光軸平行的截面上的至少3點(diǎn)，從所述包絡(luò)面開始在相對于該包絡(luò)面的法線(nl、n2、n3)方向上具有均等的厚度。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的衍射光學(xué)元件，其中， 所述基體的設(shè)置有所述衍射光柵的區(qū)域是有效區(qū)域，至少在與所述有效區(qū)域?qū)?yīng)的光學(xué)調(diào)整層，從所述包絡(luò)面開始在法線方向上具有均等的厚度。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的衍射光學(xué)元件，其中， 通過所述衍射光柵的前端的包絡(luò)面是非球面形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的衍射光學(xué)元件，其中， 所述光學(xué)調(diào)整層的表面具有與通過所述衍射光柵的前端的包絡(luò)面不同的非球面形狀。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的衍射光學(xué)元件，其中， 所述均等的厚度是指從所述包絡(luò)面開始在法線方向上的厚度與設(shè)計(jì)值之間的偏差在±2%的范圍內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的衍射光學(xué)元件，其中， 所述基體的設(shè)置有所述衍射光柵的區(qū)域的直徑為2. 6mm以下。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的衍射光學(xué)元件，其中， 通過所述基體的衍射光柵的溝槽的包絡(luò)面的曲率半徑為-I. 3mm以上、+1. 3mm以下。
8.根據(jù)權(quán)利要求I所述的衍射光學(xué)元件，其中， 所述光學(xué)調(diào)整層由樹脂形成， 在所述光學(xué)調(diào)整層中分散有無機(jī)粒子。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種衍射光學(xué)元件，其包括由第1光學(xué)材料構(gòu)成并在表面具有衍射光柵的基體、和由第2光學(xué)材料構(gòu)成并以覆蓋衍射光柵的方式設(shè)置在基體的光學(xué)調(diào)整層，通過衍射光柵的前端的包絡(luò)面是曲面，光學(xué)調(diào)整層從包絡(luò)面起在法線方向上具有均等的厚度。該衍射光學(xué)元件能抑制色相不均、因熱沖擊引起的裂紋的發(fā)生。
文檔編號(hào)G02B5/18GK202815253SQ201220267570
公開日2013年3月20日 申請日期2012年6月7日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月20日
發(fā)明者村田晶子, 岡田夕佳, 末永辰敏, 安藤貴真 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社