专利名称：衍射光学元件及其制造方法和光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及利用光的衍射现象来实现各种光学功能的相位型衍射光学元件及其制造方法以及光学装置。
背景技术：
人们知道，衍射光学元件是利用光的衍射现象来实现透镜功能(聚光或发散)、分支/合波功能、光强度分布变换功能、滤波功能、以及分光功能等各种光学功能的光学元件。具有分光功能的衍射光学元件称为光栅；具有透镜功能的衍射光学元件也称为波带片。
并且，相位型衍射光学元件是在光学材料(例如光学玻璃)的表面上形成了衍射光栅状的凹凸图形而构成的，利用凹凸图形的形状来决定其光学功能。例如，炫耀光栅等光栅的情况下(图9)，凹凸图形是等间隔的直线状，波带片的情况下(图10)，凹凸图形是同心圆状。
为了用衍射光学元件来同时实现多种光学功能，通常采用的方法是准备多个具有互不相同的单一功能的衍射光学元件，并将这些衍射光学元件串联配置。若采用此法，则能够比较容易地同时实现衍射光学元件的多种光学功能。
然而，将具有单一功能的多个衍射光学元件串联配置的方法，在对由这些衍射光学元件构成的光学系统进行装配时，必须准确地进行各个衍射光学元件的定位，生产效率并不高。而且，若要增加欲实现的功能数量，则需要的衍射光学元件数量也增加，所以提高制造精度的难度相应地增加，实现光学系统小型化也更困难。
因此，提出了对与要同时实现的多种光学功能分别对应的凹凸图形进行合成后形成在光学材料的一个表面上的方法。该方法是要实现小型多功能的衍射光学元件，但合成后的凹凸图形的形状非常复杂，所以在一个表面上难以进行高精度的加工。
例如，在要同时实现透镜功能和分光功能的情况下，必须在一个表面上形成的凹凸图形是将如图9所示的等间隔的线状图形和如图10所示的同心圆状图形合成而获得的形状。合成的方法是对各图形取得相位调制的和，合成后的凹凸图形的形状如图11所示，非常复杂，对称性也很差。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能同时实现多种光学功能、且体积小、生产效率高的衍射光学元件及其制造方法以及光学装置。
本发明的衍射光学元件，具有由多个层构成、各层由光学材料构成的多层部件；上述多层部件的互相邻接的层，互相紧密接合，并且光学材料的折射率互不相同；在上述多层部件的内部，包含上述互相邻接的层紧密接合的大于等于1个的边界面；包含上述大于等于1个的边界面和上述多层部件的表面在内的大于等于3个的面中，至少在2个面上分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形；形成在不同面上的凹凸图形，与上述多层部件的层向有关的形状或尺寸互不相同。
在该衍射光学元件中，入射的光一边依次透过凹凸图形的形成面(至少2个)一边接受多次的衍射作用，所以，用一个元件就能同时实现多种光学功能。而且，该衍射光学元件体积小、生产效率高。
本发明的另一种衍射光学元件，具有由大于等于3个的层构成、各层由光学材料构成的多层部件；上述多层部件的互相邻接的层，互相紧密接合，并且光学材料的折射率互不相同；在上述多层部件的内部，包含上述互相邻接的层紧密接合的大于等于2个的边界面；在上述大于等于2个的边界面中的至少2个上，分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形；形成在不同面上的上述凹凸图形，与上述多层部件的层向有关的形状或尺寸互不相同。
在该衍射光学元件中，入射的光一边依次透过凹凸图形的形成面(至少2个)一边接受多次的衍射作用，所以用一个元件就能同时实现多种光学功能。此外，凹凸图形形成在多层部件的内部，所以能切实保护凹凸图形。而且，该衍射光学元件体积小、生产效率高。
最好是，本发明的衍射光学元件，上述多层部件包含由树脂制的光学材料构成的大于等于2个的树脂层；上述大于等于2个的树脂层中的至少2个，在互相邻接的位置紧密接合；上述凹凸图形中至少一个，形成于在上述互相邻接的位置紧密接合的树脂层之间的边界面上。
本发明的衍射光学元件的制造方法，在该衍射光学元件的互相邻接的2个层上，分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形，上述凹凸图形的形状或尺寸在层向上互不相同，其包括以下工序第1工序，在由规定的光学材料构成的层的表面形成第1凹凸图形；以及第2工序，在上述第1凹凸图形的上方形成树脂层，该树脂层由折射率不同于上述光学材料的、树脂制的光学材料构成，在该树脂层的表面形成第2凹凸图形；上述第2工序具有在上述第1凹凸图形的上方涂敷上述树脂制的光学材料的未固化物的第1辅助工序；使上述第2凹凸图形的反转形状的模具与上述未固化物紧密接合的第2辅助工序；以及在使上述模具紧密接合的状态下固化上述未固化物的第3辅助工序。
最好是，本发明的衍射光学元件的制造方法，在上述第3辅助工序中通过光照射固化上述未固化物。
本发明的光学装置，具有如上所述的衍射光学元件，上述衍射光学元件设置在该光学装置的预定光路中，并且，以使上述凹凸图形的形成面与该光路相交叉的朝向设置。
最好是，本发明的光学装置是使用激光的装置，上述衍射光学元件，其各个层由在上述激光的波段内是透明的光学材料构成，并且，以使上述形成面与上述激光的光路相交叉的朝向设置。
再者，最好是，本发明的光学装置中所使用的上述激光波段是1.4μm～1.7μm的红外波段。
图1是表示第一实施方式的衍射光学元件10的整体结构的概要图。
图2是说明衍射光学元件10的光学功能的光路图。
图3是说明衍射光学元件10的层12和凹凸图形15的形成的图。
图4是表示第二实施方式的衍射光学元件20的整体构成的概要图。
图5是(n+1)层结构的衍射光学元件的概要图。
图6是(n-1)层结构的衍射光学元件的概要图。
图7是说明第三实施方式的衍射光学元件10的制造过程的图。
图8是变形例的衍射光学元件40的概要图。
图9A是表示实现分光功能的波带片的凹凸图形，将连续的光栅高度变化分级表示的图。
图10是表示发挥透镜功能的波带片的凹凸图形，对连续的光栅高度变化划分等级的图。
图11是表示过去的多功能衍射光学元件中合成后的凹凸图形，对连续的光栅高度变化划分等级的图。
具体实施例方式
以下利用附图，详细说明本发明的实施方式。
<第一实施方式>
第一实施方式的衍射光学元件10如图1所示，由1个多层部件10a构成。并且，该多层部件10a由3个层11、12、13构成，层11由低折射率的光学材料构成，层12由高折射率的光学材料构成，层13由低折射率的光学材料构成。也就是说，多层部件10a的互相邻接的层11、12两者的折射率互不相同，互相邻接的层12、13两者的折射率也互不相同。
而且，构成3个层11～13的光学材料，均是在衍射光学元件10的使用波段(例如1.4μm～1.7μm的红外波段)内透明的光学材料。具体来说，3个层11～13中，层11的材料是光学玻璃，层12、13的材料是光学树脂。也就是说，层11是玻璃层，层12、13是树脂层。
其中，作为层11的材料的光学玻璃，可以采用以下两类玻璃材料一类是所谓火石玻璃，其主要成分是SiO2-PbO-R2O、SiO2-PbO-BaO-R2O、SiO2-B2O3-PbO-BaO、(SiO2)-B2O3-La2O3-PbO-Al3O3、(SiO2)-B2O3-La2O3-PbO-RO、(SiO3)-B2O3-La2O3-ZnO-TiO2-ZrO2、B2O3-La2O3-Gd2O3-Y2O3-Ta2O5、SiO2-TiO2-KF、SiO2-B2O3-R2O-Sb2O3、B2O3-(Al2O3)-PbO-RO，另一类是毛玻璃、石英玻璃、荧石等，其主要成分是SiO2-RO-R2O、SiO2-BaO-R2O、SiO2-B2O3-BaO、(SiO2)-B2O3-La2O3-RO-ZrO2、(SiO2)-B2O3-La2O3-ZnO-Nb2O5、B2O3-La2O3-Gd2O3-Y2O3、SiO2-B2O3-R2O-BaO、P2O5-(Al2O3-B2O3)-R2O-BaO、SiO2-B2O3-K2O-KF、SiO2-R2O-ZnO。
作为层12、13的材料光学树脂，可以采用聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸三氟乙酯、聚甲基丙烯酸异丁酯、聚丙烯酸甲酯、二甘醇二烯丙基碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚α-溴丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸-2，3-二溴丙酯、邻苯二甲酸二烯丙酯、聚甲基丙烯酸苯酯、聚苯(甲)酸乙烯、聚甲基丙烯酸五氯苯、聚氯乙烯、聚乙烯基萘、聚乙烯咔唑、硅酮聚合物，此外还有丙烯酸类树脂、聚氨酯类树脂、环氧树脂、烯硫醇类树脂、硫尿烷类树脂等各种树脂材料和光聚合物。
并且，在衍射光学元件10中，多层部件10a的互相邻接的层11、12二者紧密接合，互相邻接的层12、13二者也紧密接合。因此，在多层部件10a的内部包括2个边界面，即边界面10b和边界面10a。
并且，在多层部件10a内的2个边界面10b、10c上，分别形成了衍射光栅状的凹凸图形14、15。这些凹凸图形14、15，与多层部件10a的层向有关的形状和尺寸互不相同。而且，所谓层向是指与叠层方向相垂直的2个方向。所谓衍射光栅状的凹凸图形，是指对透过光产生期望的衍射作用的凹凸图形。
关于凹凸图形14、15，具体说明如下。边界面10b的凹凸图形14是图9的等间隔的线状图形，实现分光功能。并且，边界面10c的凹凸图形15是图10的同心圆状图形，实现透镜功能。
也就是说，第一实施方式的衍射光学元件10，用一个元件能同时实现透镜功能和分光功能。因此，透过衍射光学元件10的光如图2所示，利用凹凸图形15的透镜功能进行聚光，并利用凹凸图形14的分光功能分离成0级衍射光、1级衍射光、2级衍射光……。0级衍射光是沿光轴直线传播的光。1级光、2级光……是按照与光轴形成θ1θ2……的方向前进的光。而且，图2仅表示0级衍射光、1级衍射光、2级衍射光。
为了实现良好的光学性能，各光栅面间隔D1越小越好，希望是小于等于1mm，最好是小于等于500μm。若光栅面间隔D1大于该值，则光向规定外的方向弯曲，所以闪烁增大。从光学性能来看，光栅面间隔D1越小越好。但考虑到便于制造，希望偏离5μm以上、或大约10μm。而且，光栅面间隔D1相当于某光栅(凹凸图形14)的顶部和在其上方叠层的光栅(凹凸图形15)的谷部之间的间隔。
并且，凹凸图形14的光栅高度H1决定于互相邻接的层11、12之间的折射率差；凹凸图形15的光栅高度H2决定于互相邻接的层12、13之间的折射率差。光栅高度H1、H2相当于凹凸图形14、15的凹部和凸部的高低差。
一般，考虑具有相同光学功能的衍射光栅状的凹凸图形的情况下，互相邻接的层之间的折射率差和凹凸图形的光栅高度成反比例关系。也就是说，若要增大折射率差，则可降低光栅高度；若折射率差变小，则需要提高光栅高度。
并且，考虑到凹凸图形14、15的加工精度，希望降低凹凸图形14、15的光栅高度H1、H2。为了减小相对于光轴倾斜入射的光线对图像造成的不良影响，也希望降低该高度。为了使光栅高度H1、H2保持在实用范围内(对凹凸图形14、15进行高精度加工)，希望互相邻接的层(11、12)、(12、13)之间的折射率差大于等于0.01。
并且，制造第一实施方式的衍射光学元件10的过程大概如下。步骤《11》，在层11的表面形成凹凸图形14。步骤《12》，在凹凸图形14上形成层12，在层12的表面形成凹凸图形15。步骤《13》，在凹凸图形15上形成层13。
上述步骤《11》中的凹凸图形14的形成是通过对玻璃层(层11)的加工实现的。该加工方法，例如可以采用以下3种方法(A)～(C)中的某一种。
(A)、利用切削加工或磨削加工等的机械加工方法、或者等离子CVD(化学汽相淀积加工)直接加工玻璃层，在表面上形成凹凸图形14。(B)利用光刻法在玻璃层上形成微细加工的光刻胶层，然后，通过离子蚀刻把光刻胶层的图形形状转印到玻璃层上，在表面上形成凹凸图形14。
(C)、利用模具等模压制法在玻璃层上转印图形形状，在表面上形成凹凸图形14(玻璃模压制法)。该方法，若采用屈服点小于等于500℃的低熔点玻璃作为玻璃层的光学材料，则能降低成形时的温度，能缓和对模具耐热性的限制。因此，可以采用容易切削或磨削加工的金属材料作为模具材料。
无论采用这3种方法(A)～(C)中的哪一种，凹凸图形14均如图9所示，是单纯的等间隔的线状图形，所以，可容易且高精度地加工玻璃层(层11)的表面。
上述步骤《12》中的凹凸图形15的成形，是通过对树脂层(层12)的加工而实现的。该加工方法，例如可以采用以下3种方法(D)～(F)中的任一种。
(D)、利用注塑成形法把凹凸图形15转印到表面上。(E)利用热固化性或光固化性树脂和模具等的模压制方法，在树脂层上转印出图形形状，在表面上形成凹凸图形15。(F)在树脂层是光聚合物的情况下，照射干涉光制作出全息图，在表面上形成凹凸图形15。
在此，利用图3(a)～(c)来详细说明方法(E)。首先，在玻璃层(层11)的凹凸图形14上涂敷树脂材料的未固化物12a(图3(a))。然后，使这样形成的凹凸图形15的反转形状(以下称为“反转图形15a”)的模具16贴紧到未固化物12a上(图3(b))，在模具16和层11之间充填未固化物12a。
这时希望进行按压扩散，使未固化物12a沿着层11的凹凸图形14和模具16的反转图形15a的微细凹部进入。并且在按压扩散后的状态下，通过从层11侧照射光(例如紫外线)或者加热，使未固化物12a固化。最后脱模(图3(c))，其结果，在凹凸图形14上形成树脂层(层12)，在该层12的表面上形成凹凸图形15。
无论采用这3种方法(D)～(F)中的哪一种方法，凹凸图形15也都是如图10所示的单纯的同心圆状图形，所以，可容易且高精度地加工树脂层(层12)的表面。
而且，上述步骤《13》中的层13的形成，也可以在图3所示的方法(E)中，不采用具有反转图形15a的模具16，而采用没有凹凸图形的平板状模具，同样可以实现。
其结果，很容易取得在多层部件10a的内部依次形成了2个单纯的凹凸图形14、15的衍射光学元件10。该衍射光学元件10如上所述地用一个元件能同时实现透镜功能和分光功能，而且，体积很小。也就是说，若采用第一实施方式，则能同时实现透镜功能和分光功能，同时，很容易获得体积小且生产效率高的衍射光学元件10。
<第二实施方式>
第二实施方式的衍射光学元件20如图4(a)、(b)所示，由一个多层部件20a构成。并且，该多层部件20a由4个层21、22、23、24构成，并决定层21～24的光学材料，使互相邻接的层(21、22)(22、23)(23、24)之间的折射率互不相同。层21～24的光学材料，均为在衍射光学元件20的使用波段内透明的光学树脂。而且，光学树脂的具体例与上述层12、13相同。
并且，在衍射光学元件20中，多层部件20a的互相邻接的层(21、22)(22、23)(23、24)互相紧密接合。所以，在多层部件20a的内部，包括边界面20b、20c、20d。
再者，在多层部件20a内的3个边界面20b、20c、20d中，分别形成衍射光栅状的凹凸图形25、26、27。这些凹凸图形25、26、27，与多层部件20a的层向有关的形状和尺寸互不相同。
以下具体说明凹凸图形25、26、27。边界面20b、20d的凹凸图形25、27，均为图9所示的等间隔的线状图形，能实现分光功能。但是，凹凸图形25、27的方位以叠层方向为中心旋转90°。并且，边界面20c的凹凸图形26是图10所示的同心圆状图形，能实现透镜功能。
也就是说，第二实施方式的衍射光学元件20，用一个元件能够同时实现透镜功能和2种分光功能。因此，透过衍射光学元件20的光，利用凹凸图形26的透镜功能聚光，并利用凹凸图形25、27的分光功能分离成2种类的0级衍射光、1级衍射光、2级衍射……。
并且，制造该衍射光学元件20的过程大概如下。步骤《21》，在层21的表面上形成凹凸图形25。步骤《22》，在凹凸图形25上形成层22，在层22表面上形成凹凸图形26。步骤《23》，在凹凸图形26上形成层23，在层23的表面上形成凹凸图形27。步骤《24》，在凹凸图形27上形成层24。
如上所述，衍射光学元件20的层21～24均由光学树脂构成，所以，步骤《21》～《23》分别是上述的制造衍射光学元件10的步骤《12》的重复，步骤《24》与上述步骤《13》相同。
其结果，容易获得在多层部件20的内部依次形成了3个单纯的凹凸图形25～27的衍射光学元件20。该衍射光学元件20如上所述地用一个元件就能同时实现透镜功能和2种分光功能，而且体积非常小。也就是说，若采用第二实施方式，则能很容易获得同时实现透镜功能和2种分光功能、且体积小、生产效率高的衍射光学元件20。
而且，在上述第一实施方式和第二实施方式中，举例说明了3层结构和4层结构的衍射光学元件10、20，但本发明也能适用于具有5层以上的多层结构的衍射光学元件。不过，不管多层结构的层数如何，各层的光学材料应当按照互相邻接的层的折射率互不相同的原则来决定。还需要使互相邻接的层紧密接合。
如图5所示，在衍射光学元件为(n+1)层结构的情况下，在多层部件的内部包含n个互相邻接的层紧密接合的边界面。所以，能形成n种不同的凹凸图形。也就是说，用一个衍射光学元件就能同时实现n种光学功能。
并且，由衍射光学元件能实现的光学功能，不仅仅限于透镜功能和分光功能的组合。通过改变互相邻接的层之间的边界面上所形成的凹凸图形的层向的形状或尺寸，能够实现分支/合波功能、光强度分布变换功能、滤波功能、分光功能等各种光学功能。顺便说明，为了实现目的功能，不必形成复杂形状的凹凸图形，而是在任一面上形成单纯且制造时容易形成的凹凸图形，即可获得目的功能。
再者，不管衍射光学元件的多层结构的层数(即凹凸图形数)多少，在多层部件内部形成的n个凹凸图形的形状均为单纯的对称状态，所以，利用上述方法(A)～(F)中的某一个来依次形成这些凹凸图形，即可很容易地获得多功能且小型化的衍射光学元件。
并且，为了构成如上所述的衍射光学元件，不管衍射光学元件的多层结构的层数(即凹凸图形数量)多少，需要折射率不同的至少2种光学材料。在利用2种光学材料的情况下，一种光学材料和另一种光学材料交替地进行紧密接合和叠层，即可使互相邻接的层的折射率互不相同。
再者，在上述实施方式中，在衍射光学元件内部的互相邻接的层之间的边界面上，形成了衍射光学元件的凹凸图形，但也可以在衍射光学元件的表面上形成同样的凹凸图形。衍射光学元件的表面是指两端的层和周围的介质气体(例如空气)的边界面，通常折射率互不相同。
如图6所示，在衍射光学元件为(n-1)层结构的情况下，内部的互相邻接的层的边界面为(n-2)个，表面为2个，所以，在边界面和表面上能形成n种不同的凹凸图形。也就是说，用一个衍射光学元件，能同时实现n种光学功能。但是考虑到凹凸图形的保护，希望把凹凸图形形成在衍射光学元件的内部的边界面上。
并且，本发明的衍射光学元件，如上所述地分别为多功能且小型化，所以，很容易安装在各种光学装置上。在往光学装置上安装时，衍射光学元件设置在光学装置的预定光路中，而且以凹凸图形的形成面与该光路相交叉的朝向设置。
尤其安装到使用激光的光学装置内时，衍射光学元件以凹凸图形的形成面与激光的光路相交叉的朝向安装。并且，希望衍射光学元件的各个层是利用在激光波段内透明的光学材料构成。
此外，在光通信领域的光学装置(中继器和分波器等)中，迫切要求光学元件多功能化、小型化和薄型化，所以，把本发明的衍射光学元件安装到这种光学装置内的方案，特别有用。该光通信领域的光学装置采用红外波段(1.4μm～1.7μm)的激光。
例如，在把图1、图2所示的衍射光学元件10安装到用于光通信的光学装置内的情况下，能够把透过衍射光学元件10的光中的0级光作为光点入射到后级的光学系统内，同时，例如能把1级光(θ1方向的光)作为监视用的光而取出。这是因为，1级光是通过衍射光学元件10的分光功能来形成对每个波长来说各不相同的光点。
<第三实施方式>
本发明的第三实施方式更具体地表示上述第一实施方式的衍射光学元件10(图1)。在此，例举衍射光学元件10的多层部件10a的一个具体组成，来说明其构成和制造过程。
在第三实施方式中，层11的光学材料采用日本住田光学玻璃株式会社制造的低熔点玻璃P-SK60(nd＝1.591、At(屈服点)＝404℃)，层12的光学材料采用聚氨酯丙烯酸酯(ウレタンアクリレ一ト)类的紫外线固化树脂(nd＝1.554)，层13的光学材料采用含氟甲基丙烯酸酯(メタクリレ一ト)类的紫外线固化树脂(nd＝1.505)，依次将其叠层。
并且，在多层部件10a的互相邻接的层11、12之间的边界面10b上形成的凹凸图形14，光栅高度H1为15.88μm，间距为17μm(等间隔)。在互相邻接的层12、13之间的边界面10c上形成的凹凸图形15，光栅高度H2为11.99μm，间距为187.8μm(中心部)～5.0μm(最外周部)。凹凸图形14、15的面间隔D1为30μm。
制造该第三实施方式的衍射光学元件10的过程，大致上与上述第一实施方式中说明的步骤《11》～《13》相同。并且，在步骤《11》中采用上述方法(C)的玻璃模压制法(图7(a))，在步骤《12》中采用上述方法(E)(图7(b))，在步骤《13》中也采用方法(E)(图7(c))。方法(E)的详细内容如图3(a)～(c)所示。
首先，说明制造第三实施方式的衍射光学元件10的步骤《11》。在该步骤《11》中，如图7(a)所示，使用2个模具31、32。这里，在一个模具中形成凹凸图形14的反转形状(以下称为“反转图形14a”)，另一个模具32是没有凹凸图形的平板状。
模具31的制作按以下方法进行。模具材料采用STAVAX不锈钢材31a，首先在其上面用非电解镀法形成约150μm厚的Ni-P镀层31b。然后通过切削来加工该Ni-P镀层31b，形成反转图形14a。
并且，在利用2个模具31、32的步骤《11》中，将层11的光学材料(低熔点玻璃P-SK60)一边在氮气中加热(最高420℃)，一边用2个模具31、32夹持并加压。这样，使模具31的反转图形14a的凹凸形状转印到层11的光学材料表面上(玻璃模压法)。然后进行脱模，在层11的表面上形成凹凸图形14(图7(a)的状态)。
以下说明制造第三实施方式的衍射光学元件10的步骤《12》。在该步骤《12》中，如图7(b)所示地使用一个模具33。在该模具33中形成了相当于凹凸图形15的转印形状的反转图形15a。
模具33的制作和上述模具31的制作方法一样。首先，在作为模具材料的STAVAX不锈钢材33a上形成Ni-P镀层33b(厚度约150μm)，然后通过切削来加工Ni-P镀层33b，形成反转图形15a。
并且，在利用模具33的步骤《12》中，在由上述步骤《11》形成的凹凸图形14上，滴下层12的光学材料(聚氨酯丙烯酸酯类的紫外线固化树脂)的未固化物，使模具33与其相接近，在模具33和层11之间充填未固化树脂。然后，从层11的背面侧照射紫外线，使层12的光学材料固化。这样，在层12的表面上转印形成模具33的反转图形15a的凹凸形状。然后进行脱模，即可在层12的表面上形成凹凸图形15(图7(b)的状态)。
最后，说明制造第三实施方式的衍射光学元件10的步骤《13》。在该步骤《13》中，如图7(c)所示地使用一个模具34。该模具34是没有凹凸图形的平板状。
并且，在使用模具34的步骤《13》中，在由上述步骤《12》形成的凹凸图形15上滴下层13的光学材料(含氟甲基丙烯酸酯类的紫外线固化树脂)的未固化物，并使模具34与其相接近，在模具34和层12之间充填未固化树脂。然后从层11的背面侧照射紫外线，使层13的光学材料固化。这样在层13的表面上转印模具34的平面形状。然后进行脱模，即可使层13的表面变成平面形状(图7(c)的状态)。
这样，可以获得在多层部件10a内部依次形成2个凹凸图形14、15的第三实施方式的衍射光学元件10。该衍射光学元件10如上所述，用一个元件就能同时实现透镜功能和分光功能。
并且，在上述第三实施方式的步骤《11》～《13》中，衍射光学元件10的凹凸图形14、15的形成，分别采用预先制作的模具31、33，通过转印该反转图形14a、15a，很容易制成。
再者，模具31、33的制作也很容易。这是因为模具31的反转图形14a是单纯的等间隔的线状图形，模具33的反转图形15a也是单纯的同心圆状图形，可容易且高精度地对Ni-P镀层31b、33b进行切削加工。
所以，若采用第三实施方式，则能够容易地制造同时实现透镜功能和分光功能(多功能)、体积小、且生产效率高的衍射光学元件10。
<第四实施方式>
本发明的第四实施方式更具体地表示上述第二实施方式的衍射光学元件20(图4)。在此，对衍射光学元件20的多层部件20a的具体组成，举例说明其构成和制造过程。
在第四实施方式中，层21、层23的光学材料采用6官能环状聚氨酯丙烯酸酯和异冰片甲基丙烯酸酯的混合物(nd＝1.490)；层22、层24采用乙氧基化二酚醛A＝甲基丙烯酸酯(nd＝1.541)，对其交替地进行4层叠层。
并且，在多层部件20a的互相邻接的层21、22之间的边界面20b上形成的凹凸图形25、和在互相邻接的层23、24之间的边界面20d上形成的凹凸图形27，其形状与上述第三实施方式的凹凸图形14相同。其方位旋转90°。互相邻接的层22、23之间的边界面20c上所形成的凹凸图形26，其形状与上述第三实施方式的凹凸图形15相同。
制造该第四实施方式的衍射光学元件20的步骤，大致上与上述第二实施方式中说明的步骤《21》～《24》相同。而且，在步骤《21》～《23》中，分别使用并依次变换需要形成的凹凸图形25～27的反转图形的模具，重复进行共3次与上述第三实施方式的步骤《12》相同的工序。然后，最后的步骤《24》采用与上述第三实施方式的步骤《13》相同的平板状的模具来进行。
这样，能获得在多层部件20a内部依次形成了3个凹凸图形25～27的第四实施方式的衍射光学元件20。该衍射光学元件20如上所述，用一个元件就能同时实现透镜功能和2种分光功能。
并且，在上述第四实施方式的步骤《21》～《24》中，衍射光学元件20的凹凸图形25～27的形成，分别采用预先制作的模具来转印其反转图形，很容易进行。再者，模具的反转图形是单纯的等间隔的线状图形，或同心圆状图形，模具的制作也很容易，而且精度高。
所以，若采用第四实施方式，则能够容易地制造出同时实现透镜功能和2种分光功能(多功能)、且体积小、生产效率高的衍射光学元件20。
而且，在上述的实施方式和实施例中，举例说明了由一个多层部件(10a或20a)构成的衍射光学元件10、20。但本发明并非仅限于此。例如像图8所示的衍射光学元件40那样，也可以设置2个多层部件40a、40b。
衍射光学元件40的多层部件40a是2层结构，在互相邻接的层41、42之间的边界面和层42的表面上，分别形成了衍射光栅状的凹凸图形(图形1、2)。并且，多层部件40b也是2层结构，在互相邻接的层43、44之间的边界面和层43的表面上，分别形成了衍射光栅状的凹凸图形(图形3、4)。
再者，该衍射光学元件40中，在2个多层部件40a、40b之间、即层42的表面(图形2)和层43的表面(图形3)之间，通过密封部件45充填着光学材料46。密封部件45是粘合橡胶等，它也具有使2个多层部件40a、40b成为一体的作用。
光学材料46是折射率与互相邻接的层42、43不同的气体或液体，由密封部件45密封，所以，可以认为几乎没有内部折射率不均匀的现象。
作为光学材料46的液体，例如除了可以采用纯水、醇类、醚类、酯类等一般溶剂外，还可以采用折射液(显微镜的浸液观察等所使用的折射率为已知的液体)。折射液是溴基萘和癸二酸二n丁酯等。并且，光学材料46的气体，可以采用空气，以及氮、氩等其他惰性气体。
若采用本发明，用一个小型衍射光学元件，即可同时实现多种光学功能，同时也容易生产。
权利要求
1.一种衍射光学元件，其特征在于具有由多个层构成、各层由光学材料构成的多层部件；上述多层部件的互相邻接的层，互相紧密接合，并且光学材料的折射率互不相同；在上述多层部件的内部，包含上述互相邻接的层紧密接合的大于等于1个的边界面；包含上述大于等于1个的边界面和上述多层部件的表面在内的大于等于3个的面中，至少在2个面上分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形；形成在不同面上的凹凸图形，与上述多层部件的层向有关的形状或尺寸互不相同。
2.一种衍射光学元件，其特征在于具有由大于等于3个的层构成、各层由光学材料构成的多层部件；上述多层部件的互相邻接的层，互相紧密接合，并且光学材料的折射率互不相同；在上述多层部件的内部，包含上述互相邻接的层紧密接合的大于等于2个的边界面；在上述大于等于2个的边界面中的至少2个上，分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形；形成在不同面上的上述凹凸图形，与上述多层部件的层向有关的形状或尺寸互不相同。
3.如权利要求1或2所述的衍射光学元件，其特征在于，上述多层部件包含由树脂制的光学材料构成的大于等于2个的树脂层；上述大于等于2个的树脂层中的至少2个，在互相邻接的位置紧密接合；上述凹凸图形中至少一个，形成于在上述互相邻接的位置紧密接合的树脂层之间的边界面上。
4.一种衍射光学元件的制造方法，在该衍射光学元件的互相邻接的2个层上，分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形，上述凹凸图形的形状或尺寸在层向上互不相同，其特征在于，包括以下工序第1工序，在由规定的光学材料构成的层的表面形成第1凹凸图形；以及第2工序，在上述第1凹凸图形的上方形成树脂层，该树脂层由折射率不同于上述光学材料的、树脂制的光学材料构成，在该树脂层的表面形成第2凹凸图形；上述第2工序具有在上述第1凹凸图形的上方涂敷上述树脂制的光学材料的未固化物的第1辅助工序；使上述第2凹凸图形的反转形状的模具与上述未固化物紧密接合的第2辅助工序；以及在使上述模具紧密接合的状态下固化上述未固化物的第3辅助工序。
5.如权利要求4所述的衍射光学元件的制造方法，其特征在于上述第3辅助工序中，通过光照射使上述未固化物固化。
6.一种光学装置，具有权利要求1至3中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于上述衍射光学元件设置在该光学装置的预定光路中，并且，以使上述凹凸图形的形成面与该光路相交叉的朝向设置。
7.如权利要求6所述的光学装置，其特征在于该光学设置是使用激光的装置；上述衍射光学元件，其各个层由在上述激光的波段内是透明的光学材料构成，并且，以使上述形成面与上述激光的光路相交叉的朝向设置。
8.如权利要求7所述的的光学装置，其特征在于在该光学装置中使用的上述激光波段是1.4μm～1.7μm的红外波段。
全文摘要
本发明的目的在于提供一种能同时实现多种光学功能、且体积小、生产效率高的衍射光学元件及其制造方法、以及光学装置。为此，衍射光学元件(10)具有由多个层(11～13)构成、且各层由光学材料构成的多层部件(10a)。多层部件的互相邻接的层(11、12，及12、13)互相紧密接合，并且光学材料的折射率互不相同。在多层部件的内部，包含上述互相邻接的层紧密接合的边界面(10b、10c)。包含该边界面和多层部件的表面在内的大于等于3个的面中，至少在2个面上分别形成对透射光产生期望的衍射作用的凹凸图形(14、15)，形成在不同面上的凹凸图形，与上述多层部件的层向有关的形状或尺寸互不相同。
文档编号G02B5/18GK1639593SQ0380555
公开日2005年7月13日 申请日期2003年3月18日 优先权日2002年3月18日
发明者中村彻 申请人:株式会社尼康