专利名称：光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学元件，特别涉及一种聚焦光的透镜等聚光装置和衍射光的衍射光栅等衍射装置等。
背景技术：
闪耀光栅(blazed grating)，是具备锯齿状表面(sawtooth blazedsurface)的光学元件，该锯齿状表面包含多个光透射倾斜面。表面形成闪耀光栅的聚光装置在非专利文献1及专利文献1上公布。
参照图10及图11，说明聚光装置的现有例。
图10所示的聚光装置，具备由塑料等透明材料形成的具有表面1a、1b的基体1。基体1具有环绕光轴对称的透镜形状，在其表面1b上形成截面具有锯齿形状的衍射光栅1G。聚光装置的透镜表面1a、1b，形成以光轴L为中心轴的球面或非球面。构成衍射光栅1G的多个光透射倾斜面分别在表面1b上具有以光轴L为中心轴的环形状，沿半径方向配置。从而，衍射光栅的阶梯差形成为以光轴L为中心轴的同心圆状。
向基体71入射的光2经表面1a折射后，在形成衍射光栅1G的表面1b上同时受到折射及衍射。从聚光装置射出的光3聚焦到检测面4上。
接下来，参照图11，说明由图10所示聚光装置的透镜表面1b产生的的衍射的原理。图11中，为了简便起见，而将表面1b当作平面叙述。
图11所示的装置，具有表面1b上形成具有锯齿状截面的衍射光栅1G的基体1。基体1具有折射系数n。衍射光栅1G的间距为Λ。通过该衍射光栅1G，波长λ的光2进行衍射，发生1级次衍射光3和2级次衍射光3”等衍射光。
为了简便起见，若以光2的入射角(基体1的背面的法线与光2的光轴之间的角度)为0，则q级次衍射光的衍射角度θ(上述法线和衍射光之间的角度)用下述(式1)表示。
sinθ＝qλ/Λ(式1)在此，q为整数，表示衍射光的级次。
0级次光3’的情况是q＝0，衍射角度θ为0。通常，夹着0级次光3’在相反侧也发生-1级次衍射光和-2级次衍射光等。但是，由于衍射光栅1G的截面为锯齿状，-侧级次的衍射光被减弱，+侧级次的衍射光被增强。衍射光栅1G的截面上的阶梯差d满足下面(式2)时，q级次衍射光的衍射效率就为最大。
d＝|qλ/(n-1)| (式2)在此，n为基体1(透明介质)的折射系数，λ为入射光2的波长。还有，间距Λ在基体1表面上无须一定，间距Λ也可以是基体1上的位置的函数。使间距Λ作为位置的函数变化，从而能够根据从基体1射出的位置调整衍射角。通过这样进行，再加上表面1a、1b的球面化等，就能够将衍射光3聚焦到1点。
接下来，参照图12及图13说明其他现有技术。该现有技术，具有专利文献1具体所示的构成。
图12所示的聚光装置，由折射系数及色散(dispersion)特性不同的2种透明介质(塑料和紫外线固化树脂等)形成。透镜部1由第1材料形成并具有透镜形状。在表面1b上形成具有锯齿状截面的衍射光栅1G，具有与图10的透镜1同样的构成。该聚光装置与图10的聚光装置的不同点在于，由第2材料形成的透明层7覆盖衍射光栅1G形成的透镜表面1b。在透明层7的表面7S上，不反映衍射光栅1G的凹凸形状，而具有沿着透镜表面1b的平滑形状。
第2材料，比第1材料折射系数高、色散低。聚光装置的制造方法，例如，连续进行以下工序即可将已经形成衍射光栅1G的透镜部分1压入金属模的工序，在透镜部分1和金属模的间隙中填充第2材料而使之紫外线固化的工序，和使金属模与透镜部分1间隔开的工序等。
入射到聚光装置的光2，由透镜部1表面1a折射后，在衍射光栅1G同时受到折射及衍射。并且，透过透明层7的表面7S时，进一步进行折射，从而聚光到检测面4上。
接下来，参照图13说明由图12所示的聚光装置进行衍射的原理。在此，也为了简便起见，将面1a和面1b等当作平面进行说明。将基体1的折射系数设为n，将透明层7的折射系数设为n’，在面1b上形成的衍射光栅1G具有间距Λ的锯齿状截面。
波长λ的光2，通过衍射光栅1G衍射出1级次衍射光3、2级次衍射光3”等。衍射方位和锯齿方向的关系，相对于图11所示的衍射光栅1G是相反的。这是因为折射系数满足n＜n’的关系。
若以光2的入射角(与面法线所成的角度)为0，则q级次衍射光的衍射角度θ(与面法线所成的角度)由所述的(式1)赋予。0级次光3’是q＝0，衍射角度θ为0。通常，夹着0级次光3’在相反侧也发生-1级次衍射光和-2级次衍射光等，不过，由于衍射光栅截面形成锯齿状，从而-侧级次的衍射光被减弱，+侧级次的衍射光被增强。衍射光栅截面的深度d满足下面(式3)时，q级次衍射光的衍射效率为最大。
d＝|qλ/(n’-n)|(式3)还有，间距Λ也可以不为一定值，将它作为位置的函数来调整折射角，再加上表面1a、1b的球面化等，就能够将衍射光3聚焦到1点。
非专利文献1应用光电子技术手册(応用光エレキトロニクスハンドブツク)(昭晃堂发行)，P474-477专利文献1特开平9-127321号公报这样的现有聚光装置及衍射装置中存在以下问题。
图14是表示聚光装置的第1现有例的基体1的色散特性的图表。图表所示的曲线5，表示可使用于基体1的光学材料的折射系数和波长的关系。由图14可知，在可见光的区域，波长越短折射系数越单调地增加。所有的光学材料都具有这样的色散特性。例如，当为ゼオニツクス时，相对于C线(波长λC＝0.6563μm)的折射系数nC＝1.522983，相对于F线(波长λF＝0.4861μm)的折射系数nF＝1.532271。当为聚碳酸酯时，相对于C线的折射系数nC＝1.578401，相对于F线的折射系数nF＝1.597809。
图15是表示当由相对于d线(波长λd＝0.5876μm)的折射系数nd＝1.60、阿贝数ν＝33的塑料材料制作基体1时的衍射效率与波长的关系的图表。该塑料材料，实际上是眼镜等所使用的普通材料。衍射光栅具有图11所示的结构而阶梯差d＝0.83μm。相对于波长λ的折射系数n近似地用以下(式4)表示。
n＝nd-(λd-2-λ-2)(nd-1)/ν(λF-2-λC-2) (式4)在图15的图表中，0级次光、1级次衍射光及2级次衍射光的衍射效率分别由曲线6’、曲线6、曲线6”表示。
1级次衍射光的衍射效率(曲线6)在波长0.51μm附近达到极大，但随着偏离波长0.50μm而下降。0级次光及2级次衍射光的衍射效率，随着偏离波长0.51μm而增大。这是由于(式2)所示的衍射效率最大的条件依赖于波长及折射系数。
若波长小于1级衍射的最优值(0.51μm)，则(式2)右边的分子λ减小的同时基于色散特性而使分母(n-1)增大。另一方面，若波长大于1级衍射的最优值(0.51μm)，则(式2)右边的分子λ增大的同时分母(n-1)减小。这样，若波长偏离1级衍射效率达到最大的值，则折射系数(分母)及波长(分子)双方均变化，从而衍射效率急剧地下降。
因此，根据图10所示的聚光装置，相对于特定波长的光而言，只能够将1级次衍射光3聚光到检测面4上，而除此之外的波长的光，发生0级次光3’和2级次衍射光3”等其他的衍射光(相对于1级次衍射光3的杂散光)。聚光装置作为照相机用透镜进行使用时，这些杂散光的存在导致再生像的劣化。
根据图12及图13所示的聚光装置，就能够解决这种问题。图16是表示构成图13所示的基体1(第1材料)及透明层7(第2材料)的材料的色散特性(折射系数的波长依赖特性)的图表。
第1材料，随着波长缩短而折射系数单调增加(曲线5)。第2材料，也是随着波长缩短而折射系数单调增加(曲线5’)。第2材料具有比第1材料高的折射系数，其色散也少。若用数式表现它，则如以下(式5)及(式6)。
nF’＞nF且nC’＞nC(式5)(nC’-nC)/(nF’-nF)＞1 (式6)在此，将第1材料及第2材料的相对于C线的折射系数设为nC及nC’、相对于F线的折射系数设为nF及nF’。
如果能够满足(式5)、(式6)，则能够缓和从(式3)所示的衍射效率最大的条件的疏远(alienation)。也就是，根据基体1及透明层7的色散特性，若波长小于最优值，则(式3)右边的分子λ减小而分母(n’-n)也减小。另一方面，若波长大于最优值，则(式3)右边的分子λ增大而分母(n’-n)也增大。任一种情况均减弱从衍射效率最大的条件的疏远。
不过，通常，折射系数越高，色散也就越大。即，折射系数相对高的光学材料，其色散相对也大；色散相对小的光学材料，其折射系数也相对小。因此，同时满足(式5)、(式6)的光学材料的组合极少，即使存在效果也小(例如，(式6)左边近似为1)。从而，图12所示的聚光装置无法在现实中实用化。
发明内容
本发明即是为了解决上述问题而做成的，其主要目的在于，提供一种光学元件，不仅采用能够在现实中使用的光学材料并能够在较宽的波长区域内维持高衍射效率且抑制杂散光的发生。
本发明的光学元件，具备第1光透射层和第2光透射层，上述第1光透射层具有包含规定第1闪耀角的多个第1光透射倾斜面的第1锯齿状表面(sawtooth blazed surface)，上述第2光透射层具有包含规定第2闪耀角的多个第2光透射倾斜面的第2锯齿状表面，且与上述第1光透射层的上述第1锯齿状表面接触。上述第1光透射倾斜面的倾斜方向和上述第2光透射倾斜面的倾斜方向相反。
优选实施方式中，上述第1光透射层具有透镜形状。
优选实施方式中，还包括具有透镜形状的构件，上述第1光透射层由具有上述透镜形状的构件支撑。
优选实施方式中，上述第1锯齿状表面上的上述第1光透射倾斜面的配置间距，随着上述第1光透射层的位置而变化。
优选实施方式中，在以上述第1光透射层的折射系数为n，以上述第2光透射层的折射系数为n’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’，以使用的光的平均波长为λ时，{d’(n’-1)-d(n-n’)}/λ是在以某一整数值为中心±0.2以下的范围内。
优选实施方式中，以上述第1光透射层的阿贝数为ν，以上述第2光透射层的阿贝数为ν’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’时，满足d’/d＜ν’/ν-1的关系。
优选实施方式中，上述第1光透射层的折射系数及色散，比上述第2光透射层的折射系数及色散高。
优选实施方式中，上述多个第1光透射倾斜面中的任意第1光透射倾斜面与透过了上述第1光透射倾斜面的光所透过的上述第2光透射倾斜面之间的位置偏移量δ，为上述第1光透射倾斜面位于的部分的排列间距Λ的5％以下。
优选实施方式中，m及n分别是1以上的整数，上述第1锯齿状表面的间距用m×Λ表示时，上述第2锯齿状表面的间距用n×Λ表示。
根据本发明的光学元件，具备第1光透射层和第2光透射层，上述第1光透射层具有包含规定第1闪耀角的多个第1光透射倾斜面的第1锯齿状表面，上述第2光透射层具有包含规定第2闪耀角的多个第2光透射倾斜面的第2锯齿状表面，且与上述第1光透射层的上述第1锯齿状表面接触，当p、q为极性不同的0以外的整数时，透过上述第1光透射层的光80％以上作为p级次光进行衍射，透过上述第2光透射层的光80％以上作为p级次光进行衍射。
优选实施方式中，以上述第1光透射层的阿贝数为ν，以上述第2光透射层的阿贝数为ν’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’时，满足d’/d＜ν’/ν-1的关系。
优选实施方式中，上述第1光透射层的折射系数及色散，比上述第2光透射层的折射系数及色散高。
优选实施方式中，p+q＝1的关系成立。
优选实施方式中，以上述第1光透射层的折射系数为n，以上述第2光透射层的折射系数为n’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’，以使用的光的平均波长为λ时，0.7λ＜|(n-n’)d/p|＜1.2λ及0.7λ＜|(n’-1)d’/q|＜1.2λ的关系成立。
优选实施方式中，上述第2锯齿状表面相对于上述第1锯齿表面的位置偏移量δ，为上述第1锯齿状表面的间距Λ的5％以下。
优选实施方式中，m及n分别是1以上的整数，上述第1锯齿状表面的间距用m×Λ表示时，上述第2锯齿状表面的间距用n×Λ表示。
发明的效果根据本发明，根据层叠的2个衍射光栅的新颖配置，能够在较宽的波长区域内维持高的衍射效率，并且抑制杂散光的发生。另外，通过调整2个锯齿截面的阶梯差，从而可以大幅度地拓宽透明材料组合多样性。
图1是示意地表示本发明涉及的光学元件的概略结构的剖视图。
图2是表示本发明涉及的光学元件的第1实施方式的剖视图。
图3是用以说明第1实施方式中的光学元件的衍射原理的剖视图。
图4是表示第1实施方式中的基体1及透明层7的色散特性的图表。
图5是表示基于第1实施方式中的光学元件的衍射效率的波长依赖性的图表。
图6是表示基于第1实施方式中的光学元件的衍射效率的波长依赖性的图表。
图7是表示第1实施方式的变形例的剖视图。
图8是表示基于第1实施方式中的光学元件的衍射效率的波长依赖性随着δ/Λ如何变化的图表。
图9是表示本发明涉及的光学元件的第2实施方式的剖视图。
图10是表示聚光装置的第1现有例的剖视图。
图11是用以说明图10所示的聚光装置的衍射原理的剖视图。
图12是表示聚光装置的第2现有例的剖视图。
图13是用以说明图12所示的聚光装置的衍射原理的剖视图。
图14是表示聚光装置的透明基板可使用的材料的色散特性的图表。
图15是表示第1现有例的衍射效率的波长依赖性的图表。
图16是表示第2现有例所采用的2种材料的色散特性的图表。
图中，1-基体(第1光透射层)，1G-衍射光栅(第1锯齿状表面)，1a、1b-基体表面，2-入射光，3-1级次衍射光，3’-0级次光，3”-2级次衍射光，4-检测面，7-透明层(第2光透射层)，7S-透明层的表面，7G-衍射光栅(第2锯齿状表面)，10-第1锯齿状表面，12-第1光透射倾斜面，20-第2锯齿状表面，22-第2光透射倾斜面，L-光轴，α-第1闪耀角，β-第2闪耀角。
实施发明的优选方式本发明的光学元件具备具有第1锯齿状表面(sawtooth blazed surface)的第1光透射层、和具有第2锯齿状表面的第2光透射层，所述第1光透射层和所述第2光透射层层叠在一起。首先，参照图1，说明本发明涉及的光学元件的构成概略。
图1中，示意地表示本发明的光学元件中的第1锯齿状表面10及第2锯齿状表面20的截面。第1锯齿状表面10具有规定第1闪耀角α的多个第1光透射倾斜面12，第2锯齿状表面20具有规定第2闪耀角β的多个第2光透射倾斜面22。
第1锯齿状表面10及第2锯齿状表面20任意一个均具有将各个截面呈三角形状的单位结构周期性地排列的结构。单位结构相对于基准面的高度，在第1锯齿状表面10及第2锯齿状表面20间无须为一致。在图示的例子中，以「d」表示第1锯齿状表面10上的单位结构的高度(称为「阶梯差」)，以「d’」表示第2锯齿状表面20上的阶梯差。
本说明书中，将构成单位结构的表面的2个面中的面积相对大的面称为「光透射倾斜面」，将该光透射倾斜面与基准面之间的角度定义为闪耀角。构成单位结构的表面的2个面中除「光透射倾斜面」以外的面，相对于基准面大致垂直，对光的衍射不造成实质性影响。
上述的闪耀角，其大小满足0°＜α＜90°、0°＜β＜90°的关系，为锐角。第1及第2光透射倾斜面12、22的法线方向，相对于基准面的法线方向倾斜与闪耀角相等的角度。本说明书中，将该倾斜方向称为「光透射倾斜面的倾斜方向」，图1中，以粗的黑箭头表示。本发明中，光透射倾斜面的倾斜方向，在第1锯齿状表面10及第2锯齿状表面20间设定为正相反。
图1中，记载了基准面为平面的情况，但基准面也可以是曲面。另外，闪耀角α、β无须在基准面上保持一定值，可以随着位置而变化。
图1中没有明示，不过，第1锯齿状表面10形成在第1光透射层上，第2锯齿状表面20形成在与第1锯齿表面10接触的第2光透射层上。第1光透射层无须是具有一样厚度的板状构件，可以是具有透镜形状的基体材料。另外，第1光透射层可以被支撑在其他透明构件上。
通过本发明的光学元件采用上述构成从而发挥怎样的作用呢？对本发明的优选实施方式进行说明后就会明白。
以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。
(实施方式1)参照图2及图8，对本发明涉及的光学元件的第1实施方式进行说明。本实施方式的光学元件为聚光装置。
首先，参照图2。图2所示的聚光装置，由折射系数及色散特性不同的2种透明材料(塑料和紫外线固化树脂等)制成。由第1材料构成的基体1，具有透镜形状，具有光入射侧的面1a及光射出侧的面1b。在基体1的光射出侧的表面1b上，形成有截面具有锯齿形状的衍射光栅1G。基体1其功能是作为「第1光透射层」。
基体1的表面1a、1b形成以光轴L为中心轴的球面或非球面。构成衍射光栅1G的多个光透射倾斜面，分别在表面1b上具有以光轴L为中心轴的环形状，沿半径方向排列。因此，衍射光栅1G的阶梯差形成以光轴为中心的同心圆状。
由第2材料构成的透明层7，形成在形成了衍射光栅1G的基体1的光射出侧表面1b上，其功能是作为「第2光透射层」。在透明层7的表面7S上，形成有在与衍射光栅1G的「倾斜方向」相反方向具有「倾斜方向」的衍射光栅7G。构成衍射光栅7G的多个光透射倾斜面，也分别在表面7S上具有以光轴L为中心轴的环形状，沿半径方向排列。
本实施方式中，图1所示的「倾斜方向」，或朝向光轴L，或朝向从光轴呈大致放射状延伸的方向。这样，本实施方式中，所谓层叠的2个衍射光栅1G、7G的「倾斜方向」处于正相反的关系，是指上下接近的位置(对应的位置)的「倾斜方向」正相反，位置不同的「倾斜方向」的关系不一定正相反。
在衍射光栅1G和衍射光栅7G间，使锯齿的刃口(edge)位置(下刃位置)一致。本实施方式的第2材料的折射系数及色散低于第1材料的折射系数及色散。透明层7的厚度优选尽可能形成得薄。
本实施方式的聚光装置，例如，如以下制造。
首先，准备成形的基体1以具有表面形成了衍射光栅的透镜形状。基体1由第1材料形成。接下来，在具有附带衍射光栅的透镜形状的成形面的金属模(没有图示)中插入基体1，在基体1和金属模的间隙中填充第2材料，通过紫外线固化和热固化等方法使该第2材料固化后，使之与金属模隔开。这样，能够获得图2所示的聚光装置。
入射到本实施方式的聚光装置的光2，由基体1表面1a折射后，在形成衍射光栅1G的基体1表面1b同时受到折射及衍射。其后，在形成衍射光栅7G的透明层7表面7S同时受到折射及衍射，作为光3聚光到检测面4上。
接下来，参照图3说明基于本实施方式的光学元件的衍射。图3中，为了简便起见，而将各面当作平面叙述，光2也设为垂直于面入射。
首先，以基体1的折射系数为n，以透明层7的折射系数为n’，以面1b上形成的衍射光栅1G的间距为Λ，以其截面阶梯差为d，以面7S上形成的衍射光栅7G的间距为Λ，以其截面阶梯差为d’。此时，透过衍射光栅1G、7G的光的波面成为间距Λ的锯齿状。其波面上的阶梯差Δ(相位差)用下面(式7)表示。
Δ＝d’(n’-1)-d(n-n’) (式7)若将折射系数n、n’分成不依赖于波长λ的部分(第1项)和依赖的部分(第2项)，则能够由下面2式近似表示。
n＝nO-(λ-λO)σ(式8)n’＝nO’-(λ-λO)σ’ (式9)该式通过比(式4)粗略的线性近似而获得。在此，nO、nO’、λO、σ、σ’均为正数，λO为中心波长，nO、nO’为相对于中心波长的折射系数，σ、σ’为色散系数。因此，相位差Δ由下面(式10)表示。
Δ＝d’(nO’-1)-d(nO-nO’)-(λ-λO){d’σ’-d(σ-σ’)} (式10)
光2上以间距Λ的周期发生相位差Δ，因此，发生1级次衍射光3、2级次衍射光3”等衍射光，q级次衍射光的衍射效率达到最大的条件由下面(式11)设定。
Δ＝qλ (式11)在此，q为整数。
从而，λ＝λO时衍射效率达到最大，减小|Δ/λ|相对于λ的变化量的条件(即，在很宽波长区域内维持高衍射光，抑制杂散光发生的条件)由下面2式表示。
{d’(nO’-1)-d(nO-nO’)}/λ＝q(式12)且{d’σ’-d(σ-σ’)}/qλO＜0 (式13)(式12)是λ＝λO时衍射效率达到最大的条件式(如果左边相对于整数q集中在0.2以下的偏差，则可以说大体上在极大值附近)。另一方面，(式13)是减小|Δ/λ|相对于λ的变化量的条件式。(式13)左边的绝对值越大，就越能够减小|Δ/λ|相对于λ的变化量。
与现有例不同，阶梯差的参数增加为d、d’两个量，因此，同时满足(式12)、(式13)的光学材料的组合可存在较多。还有，阿贝数是与上述σ、σ’的倒数成比例的值，因此，若以对应于σ、σ’的阿贝数为ν、ν’，则(式13)可置换成下面(式14)。
d’/d＜ν’/ν-1(式14)在此，以q＝1继续说明。为了简便起见，假定图3所示的光2的入射角(与面法线所成的角度)为0。此时，q级次衍射光的衍射角度θ(与面法线所成的角度)由上述(式1)赋予。0级次光3’是q＝0，衍射角度为0。通常，夹着0级次光3’在相反侧也发生-1级次衍射光和-2级次衍射光等，但通过使衍射光栅的截面形成为锯齿状，-侧级次的衍射光被减弱，+侧的级次的衍射光被增强。
还有，衍射光栅截面，取代具有如图所示的锯齿状，也可以具有与图中锯齿形状内接的小台阶形状，也可以是单纯的凹凸形状。
间距Λ，在面内无须为一定值。通过将间距Λ作为位置的函数来调整衍射角，再加上表面1a、1b的球面化等，也能够将衍射光3聚焦到1点。
对衍射光栅1G、7G上的衍射现象也可以如以下说明。也就是，以p、q为整数，使阶梯差d、d’满足下面2式。
d＝|pλO/(n-n’)|(式15)d’＝|qλO’/(n’-1)|(式16)此时，在衍射光栅1G中，相对于λO的波长主要衍射p级次光，在衍射光栅7G中，相对于λO’的波长主要衍射q级次光，由此作为衍射光栅1G、7G整体，相对于λO～λO’附近的波长衍射(p+q)级次光。在图3的例中，存在p+q＝1的关系。还有，波长λO、λO’接近，不过也可以不一致。
图4是表示构成本实施方式的聚光装置的基体1的第1材料及构成透明层7的第2材料的色散特性的图表。第1材料，波长越短而折射系数就越单调地增加(曲线5)。第2材料，也是波长越短而折射系数就越单调地增加(曲线5’)。第2材料比第1材料折射系数低，色散也低。从而，若以第1材料及第2材料的相对于C线的的折射系数为nC及nC’、以相对于F线的折射系数为nF及nF’，则下面2式成立。
nF’＜nF且nC’＜nC(式17)(nC’-nC)/(nF’-nF)＞1(式18)(式17)意思是nO＞nO’，(式18)意思是σ＞σ’。从而，由于(nO’-1)＞1，(nO-nO’)＞1，因此存在无数个满足(式12)的d、d’。另外，由于(σ-σ’)＞0，因此也存在无数个满足作为(式13)变形式的d’/d＜(σ-σ’)/σ’的d、d’。从而，在(式17)、(式18)的条件下，很容易满足(式12)、(式13)，且(式13)左边的绝对值也能够在某一程度上自由地设定得较大。
通常，折射系数高的光学材料的色散大，色散小的光学材料的折射系数小。因此，同时满足(式17)、(式18)的光学材料的组合大量存在，材料组合的多样性以现有例无法比拟的程度增大。
还有，λ＝λO时衍射效率达到最大、减小|Δ/λ|相对于λ的变化量的条件，归根结底是(式12)、(式13)。即使假设折射系数条件是现有例中(式5)、(式6)的关系，如果能够满足(式12)、(式13)，当然就可获得同样的效果。
图5表示本实施方式的光学元件中的各衍射光的衍射效率的波长依赖性。该光学元件中，由折射系数nd＝1.67、阿贝数ν＝20的塑料材料形成基体1，由折射系数nd＝1.49、阿贝数ν＝59的UV树脂形成透明层7。衍射光栅阶梯差d为3.00μm，阶梯差d’为2.31μm。相对于波长λ的折射系数n由(式4)近似表示。
如图5所示，1级次衍射光6在波长0.60μm附近达到极大，在其他波长范围衍射效率下降一些。该降低的程度比现有例大幅度减小。因此，成为杂散光的0级次光和2级次衍射光的衍射效率(曲线6’、6”)被抑制为极低。而且，上述折射系数、阿贝数是已经处于实用水平的塑料材料、UV树脂材料的值，通过现实中的材料组合可获得很大的改善效果。
图5是利用衍射光栅1G相对于λO＝0.540μm的光衍射-1级次光，利用衍射光栅7G相对于λO’＝0.566μm的光衍射+2级次光，由此作为衍射光栅1G、7G整体衍射1级光的模型。也允许除此以外的方式下的衍射。例如，图6是表示各衍射光栅的锯齿截面的阶梯差d＝5.10μm、d’＝3.10μm、基体1的材料的折射系数nd＝1.67、阿贝数ν＝18、透明层7的材料的折射系数nd＝1.49、阿贝数ν＝59时所获得的衍射效率的计算结果的图表。表示利用衍射光栅1G相对于λO＝0.459μm的光衍射-2级次光，利用衍射光栅7G相对于λO’＝0.506μm的光衍射+3级次光，作为衍射光栅1G、7G整体衍射1级次光时的各衍射光的衍射效率。
图6的结果，与图5相比，衍射的中心波长λO、λO’向短波长侧移动。图6的例子中，衍射光栅阶梯差增大，而其特性比图5的特性进一步改善。
根据本发明者的计算，结果可知，基体1和透明层7的折射系数差(nO-nO’)越大，越能够减小衍射光栅1G的阶梯差d，基体1和透明层7的色散差(σ-σ’)越大、还有衍射光栅1G的阶梯差d越大，越能够在很宽的波长区域内确保高的衍射效率性能。若衍射光栅7G的阶梯差d’决定其他条件(衍射光栅1G的阶梯差d、各材料的折射系数和阿贝数)，则可大致根本地确定最优值。
通常，折射透镜，若由折射系数高的材料形成，则能够缩短光程，容易提高NA。另一方面，色散低的材料，能够抑制由于波长不同造成的敷霜(blooming)。可是，通常的光学材料，无论是玻璃还是塑料，都不同时满足高折射系数和低色散性双方。与之相对，如本实施方式那样，在形成衍射光栅的透镜中，基于衍射的色散能力(衍射角的波长依赖性)，从而能够设计性地抵销折射的色散能力(折射角的波长依赖性)。因此，无须拘泥于高折射系数及低色散性的两全。
从制造容易的观点而言，优选基体1由塑料材料形成，透明层7由UV固化树脂形成。UV固化树脂，正好是适于本实施方式的条件的低折射系数低色散的材料。另外，塑料材料，虽有某一程度的变化，即使是现状也已经能够确保图5的光学性能。而且，讫今为止的塑料材料开发太过着眼于高折射系数和低色散(高阿贝数)的两全，具有高色散的材料被抛在一边、高折射系数的也有半途而废的倾向，不过，若丢掉低色散这个包袱，则状况大不同。从而，根据本实施方式，光学材料的开发动向能够从高折射系数性和低色散性两全到高折射系数性和高色散性的两全、及低折射系数性和低色散性的两全，能够向适于物性原理的方向变化，对整个业界造成很大的波及效果(材料开发损耗的削减效果)较大。
图7表示本实施方式的变形例。该例子中，在衍射光栅1G和衍射7G间锯齿截面的刃口位置偏移δ。图8表示在与图5相同条件下，使参数δ/Λ变化时的衍射效率的波长依赖性。要维持高性能，优选满足|δ/Λ|＜0.05。
本实施方式中，只在透镜的单面(1b)形成衍射光栅(1G、7G)，不过，也可以在透镜的两面(1a、1b)形成同样的结构。
(实施方式2)接下来，参照图9，说明本发明涉及的光学元件的第2实施方式。本实施方式的光学元件除了透明层7表面7S上形成的衍射光栅7G的间距及阶梯差以外的方面，具有与第1实施方式中的光学元件相同的构成。
图9是表示在本实施方式的光学元件的面1b、7S上的衍射的剖视图。为了简便起见，假定各面1b、7S为平面，光2也设为垂直于面1b入射。
设定基体1的折射系数为n，透明层7的折射系数为n’，面1b上形成的衍射光栅1G的间距为Λ，其截面阶梯差为d，面7S上形成的衍射光栅7G的间距为Λ/2，其截面阶梯差为d’/2。d、d’的大小与第1实施方式中的值相同。
在本实施方式的衍射光栅1G中，由于没有从第1实施方式的衍射光栅1G变化间距和阶梯差条件等，因此，(式15)成立，衍射p级次光。另一方面，在衍射光栅7G中由于阶梯差减小一半，从而使q为偶数，根据(式16)衍射q/2级次光。
从而，(式1)右边的q变为q/2而间距Λ也同时变为一半(Λ/2)，因此，(式1)右边的大小没有变化，衍射角θ不变化。结果是，作为衍射光栅1G、7G整体，在与第1实施方式完全相同的方位上发生相同强度的衍射光。因此，尽管衍射光栅7G的间距和阶梯差不同，但是根据本实施方式的光学元件也获得与第1实施方式完全相同的效果。
在间距大的衍射光栅中，通过采用本实施方式的构成，由于能够减小衍射光栅的阶梯差，从而，容易制作(切削研磨加工等)用以形成衍射光栅7G所必需的金属模。另外，实际制作的阶梯差部，由于加工误差而相对于基准面不垂直而倾斜，该加工误差与光散射相关联。若减小衍射光栅阶梯差，则获得降低光散乱的效果。
本实施方式，并不限定于具有图示结构的元件。例如，也可以使衍射光栅7G的间距及阶梯差为整数倍，或者为整数分之一。另外，也可以使衍射光栅1G的间距及阶梯差为整数倍，或者为整数分之一，也可以采用将它们组合的结构。其中，阶梯差为整数分之一时，阶梯差必须满足(式15)、(式16)，以使至少不低于其最小值(p＝1，q＝1时的值)。本实施方式中的衍射光栅1G、7G的间距的关系，只要满足m、n为1以上的整数时、在衍射光栅1G中为m×Λ而在衍射光栅7G中为n×Λ的关系。
产业上的可利用性本发明的光学元件，作为聚光装置和衍射装置进行工作，能够在更宽的波长区域内维持高衍射效率，从而适用于具有摄像装置和多波长光源的光拾取器等中。
权利要求
1.一种光学元件，具备第1光透射层和第2光透射层，上述第1光透射层具有包含规定第1闪耀角的多个第1光透射倾斜面的第1锯齿状表面，上述第2光透射层具有包含规定第2闪耀角的多个第2光透射倾斜面的第2锯齿状表面，且与上述第1光透射层的上述第1锯齿状表面接触，上述第1光透射倾斜面的倾斜方向和上述第2光透射倾斜面的倾斜方向相反。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，上述第1光透射层具有透镜形状。
3.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，还包括具有透镜形状的构件，上述第1光透射层由具有上述透镜形状的构件支撑。
4.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，上述第1锯齿状表面中的上述第1光透射倾斜面的排列间距，随着上述第1光透射层的位置而变化。
5.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，当以上述第1光透射层的折射系数为n，以上述第2光透射层的折射系数为n’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’，以使用的光的平均波长为λ时，{d’(n’-1)-d(n-n’)}/λ处于以某一整数值为中心±0.2以下的范围内。
6.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，当以上述第1光透射层的阿贝数为v，以上述第2光透射层的阿贝数为v’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’时，满足d’/d＜v’/v-1的关系。
7.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，上述第1光透射层的折射系数及色散，比上述第2光透射层的折射系数及色散高。
8.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，上述多个第1光透射倾斜面中的任意的第1光透射倾斜面与透过了上述第1光透射倾斜面的光所透过的上述第2光透射倾斜面之间的位置偏移量δ，为上述第1光透射倾斜面位于的部分中的排列间距Λ的5％以下。
9.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，当m及n分别是1以上的整数，上述第1锯齿状表面的间距由m×Λ表示时，上述第2锯齿状表面的间距由n×Λ表示。
10.一种光学元件，具备第1光透射层和第2光透射层，上述第1光透射层具有包含规定第1闪耀角的多个第1光透射倾斜面的第1锯齿状表面，上述第2光透射层具有包含规定第2闪耀角的多个第2光透射倾斜面的第2锯齿状表面，且与上述第1光透射层的上述第1锯齿状表面接触，当p、q为极性不同的0以外的整数时，透过上述第1光透射层的光的80％以上作为p级次光进行衍射，透过上述第2光透射层的光的80％以上作为p级次光进行衍射。
11.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于，以上述第1光透射层的阿贝数为v，以上述第2光透射层的阿贝数为v’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’时，满足d’/d＜v’/v-1的关系。
12.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于，上述第1光透射层的折射系数及色散，比上述第2光透射层的折射系数及色散高。
13.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于，p+q＝1的关系成立。
14.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于，当以上述第1光透射层的折射系数为n，以上述第2光透射层的折射系数为n’，以上述第1锯齿状表面的阶梯差为d，以上述第2锯齿状表面的阶梯差为d’，以使用的光的平均波长为λ时，0.7λ＜|(n-n’)d/p|＜1.2λ及0.7λ＜|(n’-1)d’/q|＜1.2λ的关系成立。
15.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于，上述第2锯齿状表面相对于上述第1锯齿表面的位置偏移量δ，为上述第1锯齿状表面的间距Λ的5％以下。
16.根据权利要求10所述的光学元件，其特征在于，当m及n分别是1以上的整数，上述第1锯齿状表面的间距由m×Λ表示时，上述第2锯齿状表面的间距由n×Λ表示。
全文摘要
本发明的光学元件，具备第1光透射层和第2光透射层，该第1光透射层具有包含规定第1闪耀角(α)的多个第1光透射倾斜面(12)的第1锯齿状表面(10)，该第2光透射层具有包含规定第2闪耀角(β)的多个第2光透射倾斜面(22)的第2锯齿状表面(20)，且与第1光透射层的第1锯齿状表面(10)接触；第1光透射倾斜面(12)的倾斜方向和第2光透射倾斜面(22)的倾斜方向相反。
文档编号G02B5/18GK1977191SQ20058002152
公开日2007年6月6日 申请日期2005年9月27日 优先权日2004年9月29日
发明者西胁青儿, 是永继博 申请人:松下电器产业株式会社