红外线衍射透镜的制作方法

专利名称：红外线衍射透镜的制作方法
技术领域：
本发明涉及红外线衍射透镜，尤其涉及在宽范围的波段的红外线入射的情况下可使焦距的改变减小的红外线衍射透镜。
背景技术：
在接收从相离开的物体发出的红外线来非接触地测量物体面的温度，或接收从生物体发出的红外线来检测可疑者的应用领域中，红外线传感器的需要增大。
图10是概略说明现有的红外线传感器的概略图。如图10所示，现有的红外线传感器10包括将红外线20聚光用的半球形透镜12和接收红外线20的传感部。
传感部包括封装外壳14和在封装外壳内设置的红外线受光器16。封装外壳14是为了保证红外线受光器16对干扰等的影响的可靠性而设置的，因此红外线受光器16被气密密封在该封装外壳14内。在该封装外壳14的一个面上设置将封装外壳14气密密封，同时使聚光的红外线20透过的气密密封窗18。
在如上所述的传感器一部分的外侧设置将从发热物体发出的红外线20聚光到上述红外线受光器16的面上用的透镜12。
这种透镜12为了保证宽的入射角度，如图10所示，组合了弯曲成半球状，且可将入射红外线20聚光到红外线受光器16的多个透镜。
另一方面，由于将这种透镜设置在封装外壳14的外部，有红外线传感器10本身变大的问题。进一步，为了低价的目的，广泛进行将聚乙烯树脂作为材料通过射出成形来制作透镜12，但是聚乙烯对于红外线的透射率仅为40％～50％左右，为了使红外线传感器10的灵敏度提高，希望损失更小的红外线透镜。
为了解决上述这种问题，提出了通过蚀刻制作硅等的基板的红外线用衍射透镜(例如参考专利文献1)。这种透镜由于透镜部分的厚度与波长相同程度，非常薄，所以可以将由透镜的材料引起的吸收损失抑制到极低水平，与一般的树脂制的透镜相比，优点多。
另外，由于上述的衍射型透镜可以同时在基板上一起制作多个透镜，所以还提出有使设置了对应于多个入射方向的透镜的硅等的基板本身与图10中的封装外壳14上设置的气密密封窗18兼用的提案(例如参考专利文献2)。
专利文献1日本特许第2713550号公报专利文献2日本特许第3106796号公报非专利文献1D.W.Sweeney and G.E.Sommargren，“Harmonicdiffractive lenses”，Appl.Opt.，34，pp.2469-2475(1995)但是，上述这种衍射透镜与使用了聚乙烯为代表的树脂的红外线用透镜相比有各种特征，另一方面，透镜的焦距根据波长而不同，有像差的问题。
图11是概略说明衍射透镜的设计波长和焦点的关系的概略图。使用图11来概略说明上述问题。
上述这种衍射透镜是在预先决定了设计波长后，设计周期分布。因此，这种衍射透镜在波长与设计波长不同的红外线中使用的情况下，衍射透镜的焦点位置与设计上的位置不同。这是因为例如在波长λ下设计的焦距f的透镜对于与设计波长不同的λ’的波长，作为焦距f’为由下面的式5定义的透镜来工作。
数式1f′=λλ′f]]>(式5)即，如图11(a)所示，若将设计波长的红外线50a入射到衍射透镜30时，则红外线50a焦点会聚在放置在光轴60上的焦点f的位置上的受光器40上，但是若如图11(b)所示，入射比设计波长短的波长的红外线50b时，由于焦点f的位置比设计波长的焦点远，所以红外线50b在光轴60上的比受光器40远的位置上会聚焦点，受光器40中的红外线的受光效率降低。另外，若入射比设计波长长的波长的红外线50c时，则由于焦点f的位置比设计波长的焦点近，所以红外线50c在受光器40的前面会聚焦点，这时，受光器40的受光效率也降低了。
上述这种问题在为加以防范而检测来自外部的入侵者，或感应进入到房间的人而接通照明开关的这种用途下使用的红外线传感器中成为大问题。这是因为一般根据人的体温释放的红外线分布在6～10μm的波长上，为了提高传感器的灵敏度，要求不漏过这种宽波长范围的红外线来接收。
因此，衍射透镜的特征仍要求即使宽范围的波段内的任意的红外线入射，也可抑制焦点的位置改变的对红外线使用的衍射透镜。

发明内容
因此，本发明鉴于这种情况而作出，其目的是提供一种新的且改进后的红外线衍射透镜，该衍射透镜的特征在于在宽波长范围的红外线中，可以减小焦距的改变。
为了解决上述问题，本发明人进行了锐意研究，结果想到了可缓和透镜的焦距对波长的依赖性的红外线衍射透镜。
即，为了解决上述问题，根据本发明的某一方面，提供了一种红外线衍射透镜，该红外线衍射透镜具有根据入射红外线的波段内的规定的基准波长而确定的规定深度的凹凸形状，上述入射红外线为1.1～16μm的波段；所述凹凸形状的深度h相对于透镜的材质的折射率n、上述基准波长λ和谐波次数m，用式1来定义，上述谐波次数是2以上10以下的整数，数式2h=mλn-1]]>(式1)。
基于该结构的红外线衍射透镜把具有上述宽范围的波段的多个不同波长的红外线聚光在同一焦点上。结果，对于宽范围的波段的红外线，可以使焦距的改变减小，可以在上述波段整个范围内高效地聚光。
所述凹凸形状可以通过蚀刻形成。通过由该方法来形成上述凹凸形状，可以容易且低成本地制作本发明的红外线衍射透镜。
所述凹凸形状可以以通过蚀刻或切削加工制作的母型为基础，通过转印成形来形成。通过用该方法来制作，可以容易、低成本且大量地生产本发明的红外线衍射透镜。
所述入射红外线可以是6～10μm的波段。由于该波段是生物体发出的红外线的波段，所以可以高效地将生物体发出的红外线聚光。
所述凹凸形状的至少一部分的被包含光轴的平面所截断的截面可以具有锯齿形状。所述凹凸形状的至少一部分的被包含光轴的平面截断的截面可以具有N级(N是3以上的整数)的阶梯形状，所述凹凸形状的深度h可以用下式2定义的深度h’来近似。通过使上述凹凸形状的截面为该形状，可以使本发明的红外线衍射透镜的透镜厚度变薄，数式3h′=mλn-1×N-1N]]>(式2)。
所述透镜的材质可以使用折射率为2以上的材质。通过使用该材质，可以减小上述凹凸形状的深度h。
所述透镜的材质可以是从由Si、Ge、GaAs、InP和GaP组成的组中选择的任一组。该材质由于分别使红外线透射过的波段不同，所以本发明的红外线衍射透镜可以选择所聚光的红外线的波段。
可以对本发明的红外线衍射透镜的表面或背面的至少任一方实施无反射涂层。通过实施该无反射涂层，可以防止所入射的红外线被本发明的红外线衍射透镜反射，使透过的红外线的比率减小。
根据本发明，可以提供一种可高效地使宽波长范围的红外线聚光的红外线衍射透镜。


图1A是概略表示本发明的第一实施方式的红外线衍射透镜的剖面图。
图1B是概略表示本发明的第二实施方式的红外线衍射透镜的剖面图。
图2是对于凹凸部的深度及其效果进行概略说明的概略图。
图3是表示衍射透镜的衍射效率和谐波次数的关系的曲线图。
图4是表示入射红外线的波长和衍射次数的关系的曲线图。
图5是概略表示本发明的红外线衍射透镜的仿真的设置的概略图。
图6A是表示了现有的红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。
图6B是表示透射过现有的红外线衍射透镜的红外线被具有上述有效开口的红外线受光器接收的效率的曲线图。
图7A是表示本发明的实施例1的红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。
图7B是表示透射过本发明的实施例1的红外线衍射透镜的红外线被具有上述有效开口的红外线受光器接收的效率的曲线图。
图8A是表示本发明的实施例2的红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。
图8B是表示透射过本发明的实施例2的红外线衍射透镜的红外线被具有上述有效开口的红外线受光器接收的效率的曲线图。
图9A是表示本发明的实施例3的红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。
图9B是表示透射过本发明的实施例3的红外线衍射透镜的红外线被具有上述有效开口的红外线受光器接收的效率的曲线图。
图10是概略说明现有的红外线传感器的概略图。
图11是概略说明衍射透镜的设计波长和焦点的关系的概略图。
具体实施例方式
下面参考附图来详细说明本发明的最佳实施方式。另外，在本说明书和附图中，对实质上具有相同功能结构的构成要素标注同一标号，从而省略重复说明。
图1A是用包含光轴170的平面来截断本发明的第一实施方式的红外线衍射透镜100的剖面图。另外，在下面的说明中，使用图1A中所记载的坐标轴。
本实施方式的红外线衍射透镜100由折射率为2以上的材质形成。作为形成红外线衍射透镜100的材质的例子，例如可以使用硅(Si，折射率3.43)、锗(Ge，折射率4.01)、砷化镓(GaAs，折射率3.42)、铟磷(InP，折射率3.37)、磷化镓(GaP，折射率3.35)。其中，本发明的红外线衍射透镜的材质不仅限于上述材质，只要是折射率为2以上的材质，可以使用任意的材质。
红外线衍射透镜100可通过改变其材质，来选择透射的红外线的波段。例如在作为材质使用了Si的情况下，可以选择性地使具有1.1～16μm左右的波长的红外线透射过。另外，在使用Ge的情况下，可以选择性地使具有1.8～23μm左右的波长的红外线透射过，在使用GaAs的情况下，可以选择性地使具有1.0～18μm左右的波长的红外线透射过，在使用InP的情况下，可以选择性地使具有1.0～14μm左右的波长的红外线透射过，在使用GaP的情况下，可以选择性地使具有0.53～16μm左右的波长的红外线透射过。
如图1A所示，红外线衍射透镜100例如在表面上形成平面部110，在背面形成凹凸部130。红外线从表面朝向Y轴正方向入射到红外线衍射透镜100上。这里，所谓红外线衍射透镜100的表面是指红外线入射的面，所谓红外线衍射透镜100的背面是指红外线出射的面。
红外线衍射透镜100例如相对光轴170为对称的形状。红外线衍射透镜100的凹凸部130例如由半圆形状部130a和锯齿形状部130b构成。半圆形状部130a具有规定的直径，其中心存在于例如光轴170上。另外，在半圆形状部130a的外周形成有锯齿形状部130b。各个锯齿形状部130b如图1A所示，接近光轴170的一侧的侧面垂直地形成。另外，距光轴170远的一侧的侧面为如图1A所示的平缓的弯曲面。另外，从Y轴上方看到的红外线衍射透镜100的整体形状例如是圆形状，半圆形状部130a和锯齿形状部130b配置为同心圆状。
上述的垂直侧面的高度h是使用所使用的透镜材质的折射率n、所设定的基准波长λ和谐波次数m，由下面的式1定义的值。这里，上述的谐波次数m是2以上10以下的整数。
数式4

h=mλn-1]]>(式1)另外，各个锯齿形状部130b的横向宽度，即X轴方向的横向宽度例如设置为越离开光轴170越小。
图1B是用包含光轴170的平面来截断本发明的第二实施方式的红外线衍射透镜200的剖面图。在下面的说明中，使用图1B中所记载的坐标轴。
红外线衍射透镜200按阶梯形状近似地形成与本发明的第一实施方式的红外线衍射透镜100的凹凸部130相同的结构，可以使用与红外线衍射透镜100相同的材质来制作。如图1B所示，红外线衍射透镜200例如在表面形成平面部110，在背面形成凹凸部130。红外线从表面朝向Y轴正方向入射到红外线衍射透镜200。这里，所谓红外线衍射透镜200的表面是指红外线入射的面，所谓红外线衍射透镜200的背面是指红外线射出的面。
红外线衍射透镜200例如相对光轴170为对称的形状。红外线衍射透镜200的凹凸部130例如由旋转对称的阶梯形状部130c和阶梯形状部130d构成。旋转对称的阶梯形状部130c具有规定的直径，其中心存在于例如光轴170上。另外，在旋转对称的阶梯形状部130c的外周形成有阶梯形状部130d。各个阶梯形状部130c、130d最好为至少三级以上的阶梯形状。图1B中，各个阶梯形状部130c、130d为三级的阶梯形状，但是本发明的红外线衍射透镜的阶梯的级数并不限于上述例子，例如可以是4级以上。另外，从Y轴上方看到的红外线衍射透镜200的整体形状例如是圆形，旋转对称的阶梯形状部130c和阶梯形状部130d按同心圆状配置。
另外，各个阶梯形状部130c、130d的高度，即阶梯形状的最下级到最上级的阶梯的高度(图1B中的h’)的值是用下面的式2定义的值来近似通过第一实施方式中使用的式1确定的高度h而得到的值。另外，式2的N(N是3以上的整数)表示阶梯形状的级数，图1B相当于N＝3的情况。
数式5h′=mλn-1×N-1N]]>(式2)
另外，各个阶梯形状部130d的横向宽度，即X轴方向的横向宽度例如形成为越离开光轴170越小。
接着，使用图2来说明作为本发明的特征之一的凹凸部130的深度h的定义方法及其效果。图2是概略说明凹凸部的深度及其效果的概略图。
图2(a)是具有使入射光折曲的功能的一般棱镜300的侧视图。棱镜300实现了对于从Y轴负区域入射的光根据其波长λ，使其改变方向射出的功能。
专利文献1和专利文献2所公开的衍射透镜320为了实现与图2(a)所示的棱镜300相同的功能，如图2(b)所示，具有以规定的深度h2来折返棱镜的结构的周期结构。h2是对于所使用的透镜的材质的折射率n和透镜的设计波长λ用下面的式3定义的值。
数式6h2=λn-1]]>(式3)上述的周期结构如从上述的式3所看出的，表示在单位周期结构中，通过槽的最深部分和槽的头顶部，即图2(b)的h2的下端部和上端部的入射光彼此的相位差恰好是1波长(λ)。即，该周期结构是将设计波长1个波长作为单位来折返棱镜的截面结构的结构。在具有这种周期结构的衍射型光学元件中，入射光中，入射光100％衍射为一次衍射光，进行传播，其传送方向与通过图2(a)所示的棱镜300弯曲后的出射光的传播方向一致。但是，波长与设计波长λ不同的光沿与图2(a)所示的棱镜300的出射光的传播方向不同的方向来进行传播。
另一方面，如图2(c)所示，还存在具有将设计波长λ的m倍(m是整数)作为单位来折返棱镜的结构的周期结构的光学元件，称作m次的谐波衍射光学元件(例如，参考非专利文献1)。即，图2(c)的h1的值为下面的式1所示的值。在该m次谐波衍射光学元件340中，入射光被100％衍射m次，其衍射方向与基于图2(a)的棱镜300的衍射方向一致。
数式7h′=mλn-1]]>(式1)进一步，如上所述，衍射光学元件中，周期结构的折返深度相当于对单位周期结构中的入射光λ的相位差，所以在m次的谐波衍射光学元件中，存在h1为波长与入射光λ不同的λ’的k倍的相位差的情况。这里，k是m之外的整数。换而言之，存在多个满足下面的式4的关系的k和λ’的组合。
数式8mλ＝kλ’(式4)从上述的式4可以看出，在m次的谐波衍射光学元件340中，除设计波长λ之外，可能存在多个针对入射光在与设计波长λ完全相同的方向上衍射的其他波长λ’的衍射次数k。通过使用该m次的谐波衍射光学元件，可以解决宽波段范围的光入射到衍射型透镜的情况下，透镜的焦距不同的问题。
在上述的非专利文献1中，已报告了通过将m设为20左右，在比本发明中关注的红外线短的波段即波长400～680nm的可见光区域中，实现同一焦距的例子。
本实施方式的红外线衍射透镜，将上述的m次的谐波衍射光学元件应用于宽范围的红外线的波段。即，上述的周期结构相当于本实施方式的锯齿形状部分130b或阶梯形状部分130c、130d。在本实施方式中关注的波段例如是1.1～16μm的波段，本实施方式的红外线衍射透镜可以高效地对在上述非专利文献1中关注的波段的约50倍的非常宽范围的波段的光进行聚光。
如上所述，通过增大谐波次数m，可以解决在宽范围的波段的光入射的情况下，透镜的焦距改变的问题，但是要低成本地批量生产这种高次谐波衍射光学元件实际上极其困难。作为低成本地批量生产衍射型透镜的手段，一般基于在专利文献1、专利文献2中公开的光刻和蚀刻技术。但是，在这些技术中，由于周期结构的深度通常通过蚀刻时间来进行控制，所以即使尽可能高精度地进行加工，一般也会产生约5％左右的深度的偏差。
下面，参考图3来说明使用蚀刻来制作衍射型透镜的情况下的衍射效率和谐波次数m的关系。图3是表示衍射效率和谐波次数m的关系的曲线图。图3是计算使凹凸形状的深度为设计值h的95％的深度的谐波衍射型透镜的衍射效率在谐波次数m增加的情况下，表现出怎样的变化所得到的结果。
从图3可以看出，随着谐波次数m增加、凹凸形状的深度增加，即使深度仅比设计值浅5％，透镜的衍射效率也急剧降低。由于这种实际制作透镜时的困难性，在非专利文献1中，使用可准确控制凹凸形状的深度的机械切削技术，来试作m＝20的谐波衍射型透镜。但是，机械切削技术中，由于需要一个一个地分别制造透镜，在使用该方法的情况下，在批量生产上存在问题。
进一步，本发明的红外线衍射透镜由于关注的波段是红外线波段，所以波长的单位是μm级，由于谐波次数为m＝20左右的透镜，凹凸形状的深度更大，所以其控制更困难。
下面，参考图4，来说明沿同一方向衍射的波长和衍射次数的关系。图4是表示设计波长为8μm，谐波次数m为3的情况下的红外线衍射透镜中的同一方向上衍射的波长和衍射次数的关系的曲线图。
从图4可以看出，在设计波长为8μm，谐波次数m为3的情况下，除设计波长和对应于该设计波长的衍射次数之外，24μm、12μm、6μm、4.8μm、4μm的波长的红外线的衍射次数k分别是1、2、4、5、6，沿同一方向被100％衍射。从该结果，本发明人发现对于在具有通常的m＝1的结构的红外线用衍射透镜(例如，专利文献1和2所记载的透镜)中成为问题的透镜的焦距对波长的依赖性，可以通过使用具有谐波结构的衍射透镜，对多个波长而言使入射光沿同一衍射方向100％衍射，来解决该依赖问题。
另外，若参考图3，对于具有95％的制作误差的衍射型透镜的衍射效率降低到与现在一般使用的树脂制透镜的衍射效率大致相同的40％的衍射效率的情况，关注m＝10左右的情况。从该结果，本发明人想到即使谐波次数m是10左右，与现有的红外线衍射透镜相比也表现了良好的衍射效率。
如上述中所说明的，本发明人已经明白在红外线波段中，通过使用谐波次数m为10左右的较小值的谐波衍射光学元件，可以缓和透镜的焦距对波长的依赖性，且与现有的透镜相比，表现了极好的衍射效率。
另外，本发明人已经明白通过使用晶片规模(wafer scale)的低成本的量产技术，经过下面所示的制造工艺，可解决作为谐波衍射光学元件的问题的批量生产性低的问题，而提高批量生产性。
下面，说明本发明的各实施方式的红外线衍射透镜的制造方法。
首先，制作用来制造规定的凹凸形状的掩模。接着，使用光刻，来制造母型。进一步，使用该母型，通过蚀刻在形成透镜的规定材质的基板上转印凹凸形状。在这样制作的红外线衍射透镜的表面或背面的至少一方上实施无反射涂层。通过使用这种制造方法，可以制造本发明的各实施方式的红外线衍射透镜。
另外，在规定的基板上以上述的方法来同时制作多个红外线衍射透镜，并在上述的工艺结束后，进行基板的切割，划分为各个红外线衍射透镜，从而可以通过晶片规模来低成本地大量生产多个红外线衍射透镜。
上述蚀刻可以使用任意的蚀刻方法，但是最好使用反应性离子蚀刻(Reactive Ion EtchingRIE)。
另外，上述制造方法中，表示了使用蚀刻来制造母型，并通过蚀刻来将其加以转印的方法，但是也可不制造母型，通过蚀刻来制作本实施方式的红外线衍射透镜。另外，还可不通过蚀刻，而通过切削加工来制作母型。
下面，依次说明本发明的具体实施例，但是下面的各实施例始终只不过是用于具体说明本发明的实施方式的实施例，本发明当然不是通过下面的各实施例来加以限定。
(仿真中的参数设定)图5是用于仿真的光学系统的概略图。红外线衍射透镜100由Si形成，具有图1A所示的锯齿形状的凹凸部。假定红外线衍射透镜的直径d为5mm，在红外线衍射透镜100的光轴600上有红外线受光器400。设红外线衍射透镜100和红外线受光器400之间的间隔1为5mm，红外线受光器400的有效开口的直径为500μm。
另外，在各实施例和比较例中，假定入射红外线500的波段为6～10μm。该波段是多数生物体放出的红外线的波段。因此，红外线衍射透镜对该波段红外线的性能在将本实施方式的红外线衍射透镜用于生物体传感器的情况下很重要。另外，设红外线衍射透镜的设计波长为8μm。该8μm的波长为生物体放出最多的红外线的代表波长。
在下面表示的比较例和实施例中，通过在固定上述参数的状态下，使红外线衍射透镜的谐波次数m变化，来进行本实施方式的红外线衍射透镜和现有的红外线衍射透镜的比较。另外，由于谐波次数m变化，当然红外线衍射透镜的凹凸形状的深度h在各实施例和比较例中也为不同的值。
除了进行如上这样的参数设定之外，使用一般可得到的光学CAD程序，来仿真红外线的聚光程度和相位分布。
(比较例)图6A和图6B表示使用了相当于现有的红外线衍射透镜的m＝1的红外线衍射透镜的情况下的仿真结果。设计波长是8μm。图6A是表示红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。图6B是表示透过了红外线衍射透镜的红外线被具有上述有效开口的红外线受光器接收的效率的曲线图。
参考图6A，可以看出沿与作为设计波长的8μm相同的方向衍射的波长在6～10μm的波段中不存在。这在上述式4中，也可以看出相对于左边的mλ的值是8，在k是2以上的整数的情况下，包含在6～10μm的范围中的λ’不存在。图6A还兼示出了k＝2的情况，但是可以看出这时受光效率非常低。另外，可以看出在作为设计波长的8μm的情况下，越离开8μm，红外线衍射透镜的衍射效率越缓慢降低。另外，实际上透过红外线衍射透镜的红外线整体的衍射效率为图6A中的各衍射次数k时的衍射效率的叠加，但是在本比较例的情况下可以看出对于红外线整体的衍射效率，k＝1时的衍射效率所起的作用大，k＝2时的衍射效率几乎没有起到作用。
参考图6B，可以看出作为设计波长的8μm的红外线的受光效率为100％，但是随着与设计波长的波长差距越大，受光效率显著降低。在图6A中的红外线衍射透镜的衍射效率的值以上，设计波长之外的红外线的受光效率降低的理由是因为如图11所示，因波长变化使得透镜的焦距变化，结果不能被红外线受光器捕捉到的红外线的光束增加。
(实施例1)除了红外线衍射透镜100的谐波次数m的设计值为3，其它与比较例同样，来进行仿真。图7A和图7B表示仿真的结果。图7A是表示红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。图7B是表示透过红外线衍射透镜的红外线被红外线受光器接收的效率的曲线图。
参考图7A，可以看出除了设计波长8μm(衍射次数k＝3)之外，6μm(衍射次数k＝4)时的衍射效率也为100％，沿与具有8μm的波长的红外线相同的衍射方向衍射。另外，可以看出对于实际上透过红外线衍射透镜的红外线整体的衍射效率，除了k＝3时的红外线之外，k＝4时的红外线也起了很大作用。
参考图7B，可以看出除了设计波长8μm之外，6μm的波长的受光效率也为100％。另外，与比较例(m＝1)相比，可以看出在6～10μm的波段整体中，受光效率均提高。
(实施例2)除了红外线衍射透镜100的谐波次数m的设计值为5之外，与比较例同样地来进行仿真。图8A和图8B表示仿真的结果。图8A是表示红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。图8B是表示透过红外线衍射透镜的红外线被红外线受光器接收的效率的曲线图。
参考图8A，可以看出除了设计波长8μm(衍射次数k＝5)之外，6.6μm(衍射次数k＝6)、10μm(衍射次数k＝4)时的衍射效率也为100％。由此，可以看出具有6.6μm和10μm的波长的红外线也沿具有8μm的波长的红外线衍射的方向衍射。
参考图8B，可以看出与m＝3的实施例1相比，在6～10μm的波段整体中，受光效率显著提高。
(实施例3)除了红外线衍射透镜100的谐波次数m的设计值为7之外，其它均与比较例同样地来进行仿真。图9A和图9B表示仿真的结果。图9A是表示红外线衍射透镜的衍射效率和红外线波长的关系的曲线图。图9B是表示透过红外线衍射透镜的红外线被红外线受光器接收的效率的曲线图。
若参考图9A，可以看出除了设计波长8μm(衍射次数k＝7)之外，还有6.2μm(衍射次数k＝9)、7μm(衍射次数k＝8)、9.4μm(衍射次数k＝6)，至少4个波长中的衍射效率为100％。由此，可以看出具有上述四个波长的红外线沿同一方向衍射。
若参考图9B，则可以看出在6～9μm的波段中，受光效率为80％以上，在9～10μm的波段中也得到了75％的受光效率。由此，可以看出通过使用本实施例的红外线衍射透镜，在6～10μm的波段整体中，可以得到非常良好的受光效率。
在上述各实施例中，关注透过Si的红外线的波长区域中6～10μm的波段进行了说明，但是在除了上述波段之外的波段即1.1～6μm和10～16μm中，通过适当改变谐波次数m，如上所述，也可以得到良好的衍射效率、受光效率。
另外，上述中，设红外线衍射透镜由Si形成来进行了仿真，但是在由Ge、GaAs、InP、GaP形成红外线衍射透镜的情况下，当然也可得到与上述各实施例相同的良好结果。另外，虽然对红外线衍射透镜的凹凸部的形状是锯齿形状的情况进行了仿真，但是当然凹凸部也可以是阶梯形状。
如上所述，可以看出在被分类为红外线的波段中，具有较低次的谐波次数m的衍射光学元件在宽波段范围中对多个波长具有相同焦距，是非常有用的。
以上，参考

了本发明的最佳实施方式，但是本发明当然并不限于该例子。本领域内普通技术人员当然明白可以在权利要求所记载的范畴内，想到各种变更例或改进例，应该了解到这些当然应属于本发明的技术范围。
例如，在上述实施方式中，说明了红外线衍射透镜相对Y轴具有对称的截面形状的情况，但是也可与入射的红外线的方向相配合，相对Y轴具有非对称形状。
另外，在上述各实施方式中，说明了透镜的材质的折射率是2以上的情况，但是也可使用透镜的材质的折射率小于2的透镜。
本发明可适用于在宽范围的波段中的红外线入射的情况下使焦距的改变减小的红外线衍射透镜。
权利要求
1.一种红外线衍射透镜，该红外线衍射透镜具有根据入射红外线的波段内的规定的基准波长而确定的规定深度的凹凸形状，其特征在于，所述入射红外线为1.1～16μm的波段；所述凹凸形状的深度h相对于透镜的材质的折射率n、所述基准波长λ和谐波次数m，用式1来定义，数式1h=mλn-1]]>(式1)所述谐波次数是2以上10以下的整数。
2.权利要求1所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述凹凸形状是通过蚀刻形成的。
3.据权利要求1所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述凹凸形状是以通过蚀刻或切削加工而制作的母型为基础，通过转印成形而形成的。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述入射红外线是6～10μm的波段。
5.根据权利要求1～4中的任一项所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述凹凸形状的至少一部分的被包含光轴的平面截断的截面具有锯齿形状。
6.根据权利要求1～5中的任一项所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述凹凸形状的至少一部分的被包含光轴的平面截断的截面具有N级(N是3以上的整数)的阶梯形状，所述凹凸形状的深度h利用式2定义的深度h’来近似数式2h′=mλn-1×N-1N]]>(式2)。
7.根据权利要求1～6中的任一项所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述透镜的材质使用折射率为2以上的材质。
8.根据权利要求1～7中的任一项所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述透镜的材质是从由Si、Ge、GaAs、InP和GaP组成的组中选择出的任意材质。
9.根据权利要求1～8中的任一项所述的红外线衍射透镜，其特征在于所述红外线衍射透镜的表面或背面的至少一方被实施无反射涂层。
全文摘要
本发明提供一种可高效地对宽波长范围的红外线进行聚光的红外线衍射透镜。根据本发明，一种红外线衍射透镜(100)，其具有根据入射红外线的波段内的规定基准波长而确定的规定深度的凹凸形状，其特征在于，所述入射红外线为1.1～16μm的波段；所述凹凸形状的深度h相对透镜的材质的折射率n、所述基准波长λ和谐波次数m，用式1来定义，所述谐波次数m是2以上10以下的整数。通过使用该结构的红外线衍射透镜，可以高效地对宽范围的波段的红外线进行聚光。
文档编号G01J5/00GK1975468SQ20061013736
公开日2007年6月6日 申请日期2006年10月20日 优先权日2005年12月1日
发明者佐佐木浩纪 申请人:冲电气工业株式会社