专利名称：光学材料及由其模制的光学元件和叠层型衍射光学元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学材料，以及由该光学材料模制的光学元件、衍射光学元件和叠层型衍射光学元件。
背景技术：
通常，利用光的折射的折射光学系统通过使用由具有不同色散特性的玻璃材料制成的透镜组合来降低色差。例如，在望远镜内，使用由高色散玻璃材料制成的正透镜和由低色散玻璃材料制成的负透镜的组合，来校正在物镜轴上出现的色差。然而，如果在透镜配置或数量上或者在可用的玻璃材料上存在限制，则有时很难充分地校正色差。
A.D.Kathman和S.K.Pitalo在“Binary Optics in Lens Design.”International Lens Design Conference，1990，SPIE Vol.1354，p297-309中公开了组合使用具有反射平面的折射光学元件和具有衍射光栅的衍射光学元件允许使用少量透镜来降低色差。
这利用了基准波长的光束引起的色差在光学元件的反射平面和折射平面之间在方向上相反的物理现象。而且，如果改变利用衍射光学元件连续形成的衍射光栅的周期，则可以获得与非球面透镜的特性等同的特性。
然而，在衍射光学元件上入射的光束按照衍射效应被划分成不同级(order)的多个光。此时，与设计级不同级的衍射光聚焦在与所设计级的光不同的位置上，引起炫光(flare)。
美国专利第US 5847877号公开了通过优化光学元件的光学色散和在光学元件之间的边界上形成的光栅形状，实现在宽波长范围上的高衍射效率的技术。该技术使在可用波长范围内的光通量集中在特定级上，从而降低不相干衍射光(设计级)的强度，进而防止炫光。
美国专利第US 5847877号还公开了组合使用由光学散射低色散材料制成的衍射光学元件和由光学散射高色散材料制成的衍射光学元件，以提供在宽波长范围上具有高衍射效率的配置。
也就是说，在光学散射低色散材料和光学散射高色散材料之间的光学色散差越大，所获得的光学元件的衍射效率越高，且光学元件的场角越宽。因而，为了以高精确性校正色差，需要组合具有较高色散(较小阿贝数)的材料和具有较低色散(较大阿贝数)的材料。
美国专利第US 6912092号公开了一种光学材料，其中由nd＞-6.667×10-3vd+1.70给出相对于线n的在折射率(nd)与阿贝数(vd)之间的关系，并且由θg，F≤-2vd×10-3+0.59给出在二级色散(θg，F)与阿贝数(vd)之间的关系。如果满足上述等式，则可以在整个可视区域上改善衍射效率。在美国专利第US 6912092号中公开的光学材料是通过在用作基体(base)的有机树脂内混合并分散微粒而生成的复合材料。微粒由具有高色散和低二级色散特性的透明导电金属氧化物制成。所公开的可能的透明导电金属氧化物包括ITO、ATO、SnO2和ZnO。
然而，利用微粒和树脂的复合材料，在微粒和树脂之间的界面上出现光学散射。通常，光学散射(瑞利散射)与颗粒大小的六次幂、波长倒数的四次幂和反射系数(折射率之比)成正比地增加。诸如ITO等金属氧化物的微粒通常具有比用作基体的有机树脂更大的反射系数，导致在金属氧化物和基体之间反射系数的大比值。因此，必需降低光学散射。
利用金属氧化物微粒和用作基体的有机树脂的复合物来降低光学散射，必需将颗粒大小降低到至少低于将要使用的光波长。然而，由于范德华力，金属氧化物微粒凝聚随着颗粒大小的减小而增加。这增加了表观颗粒大小，导致剧烈的光学散射。
此外，为了降低光学散射，期望最小化每种微粒的颗粒大小分布，并尽可能地使每种微粒的物理属性均匀。然而，金属氧化物微粒的制造要求非常严格。制造条件的略微差别可能导致金属氧化物的缺氧，并影响结晶度。这些改变进而影响微粒的形状和物理属性，使得非常难以保持微粒的颗粒大小和物理属性均匀。
发明内容
本发明的目的是提供一种降低光学散射的光学材料，该光学材料具有与其中在有机树脂内分散有诸如ITO等导电金属氧化物的微粒的复合物等同的低色散特性和二级色散特性。
通过向用作基体的有机树脂添加导电聚合物微粒，以使导电聚合物微粒将分散在有机树脂内，发明人提供了一种满足关系式θg，F≤-2vd×10-3+0.59的光学材料，其中vd是阿贝数，和“θg，F”是二级色散。
根据本发明的可能导电聚合物包括3，4-亚乙二氧基噻吩/聚苯乙烯磺酸(3，4-ethylenedioxythiophene/polystyrenesulfonic acid)(PEDOT/PSS)。
本发明提供一种叠层型衍射光学元件，包括由高色散材料形成的衍射光栅，该衍射光栅具有在其一个表面上形成的衍射形状；和由低色散材料形成的衍射光栅，该衍射光栅具有在其一个表面上形成的衍射形状，其中以彼此相对的关系放置衍射光栅的相应衍射平面，高色散材料包括在有机树脂内分散的导电聚合物材料微粒，阿贝数和二级色散满足关系式θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
结合附图，根据下述描述，本发明的以上和其它目的将变得更加显而易见。
图1是图示阿贝数与二级色散特性之间的关系的曲线图。
图2(a)、(b)和(c)是图示根据例1的光学元件的模制处理的截面图。
图3是图示根据例1的光学元件的模制处理的截面图。
图4是图示根据例1的叠层型衍射光学元件的结构的截面图。
图5是图示根据例1的叠层型衍射光学元件的一级衍射强度的曲线图。
图6是图示根据例2的叠层型衍射光学元件的结构的截面图。
图7是图示根据例2的叠层型衍射光学元件的一级衍射强度的曲线图。
图8是图示根据比较例1的叠层型衍射光学元件的结构的截面图。
图9是图示根据比较例1的叠层型衍射光学元件的一级衍射强度的曲线图。
图10是图示根据比较例2的叠层型衍射光学元件的结构的截面图。
图11是图示根据比较例2的叠层型衍射光学元件的一级衍射强度的曲线图。
图12是双层衍射光学元件的截面图。
图13(a)、(b)和(c)是图示根据例3的光学元件模制处理的截面图。
图14(a)、(b)和(c)是图示根据例3的光学元件模制处理的截面图。
图15是图示根据例3的多层衍射光学元件的一级衍射强度的曲线图。
具体实施例方式 图1是图示可商业获得的典型光学材料与在美国专利第US6059411号中公开的使用透明导电金属氧化物的光学材料的阿贝数和二级色散特性之间的关系。在图1中，纵轴代表二级色散(θg，F)，横轴代表阿贝数(vd)。从图1可以看出，不包括透明导电金属氧化物的典型光学材料的二级色散满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
阿贝数vd由下式给出vd＝(nd-1)/(nF-nC)，其中nd是在波长587.6nm处的折射率，nF是在波长486.1nm处的折射率，nC是在波长656.3nm处的折射率，而ng是在波长435.8nm处的折射率。
随着波长减小，光学元件中的光的折射率更急剧地改变，导致与所设计的折射率差别变大。因而，波长越短，则在设计级上的衍射效率越低。物质的波长色散的这种急剧变化可归因于由(θg，F)＝(ng-nF)/(nF-nC)给出的折射率的二级色散。折射率的二级色散(θg，F)越小，衍射效率越高。因而，必需满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
本发明提供一种光学材料，其中在用作基体的有机树脂内分散有导电聚合物材料微粒。所述光学材料的二级色散满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59。因此，所述光学材料导致降低的光学散射，具有与在有机树脂内分散有诸如ITO等导电金属氧化物的微粒的复合物等同的优良光学色散特性和二级色散特征。
有机导电聚合物的折射率小于金属氧化物微粒的折射率，使得容易选择其折射率接近基体树脂折射率的材料。因而，能够显著地降低光学散射。期望有机导电聚合物微粒和有机树脂之间折射率之差落入±0.05的范围内。
此外，有机导电聚合物微粒易于在用作基体的有机树脂内分散，但是难以凝聚，因为有机树脂和微粒都是有机物质，相互之间有亲合力。因而，能够在有机树脂内高浓度地胶态分散导电物质，从而降低光学散射。
通常，并不认为导电聚合物微粒在制造设备和材料类型方面难以合成和精制。因此，导电聚合物微粒具有比金属氧化物微粒更高的物理属性再现性，金属氧化物的物理属性受到缺氧或结晶度的严重影响。
(有机导电聚合物微粒) 期望有机导电聚合物微粒的折射率接近用作基体的有机树脂的折射率。因而，可以使用聚噻吩型聚合物材料作为用于所述微粒的有机导电聚合物。尤其是，聚3，4-亚乙二氧基噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)最合适。
而且，期望有机导电聚合物微粒的平均直径在2到300nm的范围内。如果微粒的平均直径小于2nm，则难以制成微粒。另一方面，因为凝聚等可能导致光学散射，因此大于300nm的平均直径有问题。此外，根据所需特性，可以使用一种有机导电聚合物或者两种或更多种有机导电聚合物的组合。
期望在用作基体的有机树脂中有机导电聚合物微粒的重量含量在0.03％和60.0％之间。当重量含量低于0.03％时，则不能获得足够的二级色散特性。而且，有机导电聚合物通常是有色的，高于60.0％的重量含量将使得难以保证所制造光学元件的透射率。
将有机导电聚合物微粒以分散在溶剂内的状态混合在基体树脂内。用于溶解用作基体的有机树脂或者保持有机导电聚合物微粒分散在溶剂中的分散溶剂的例子包括但不限于水；诸如甲苯、苯和二甲苯等的芳香烃；诸如乙醇和异丙醇等的醇；诸如环己烷等的脂环烃；诸如乙酸乙酯和乙酸丁酯等的乙酸酯；诸如丙酮和丁酮等的酮类；诸如DMF、DMAc和NMP等的酰胺；诸如己烷和辛烷等的脂肪烃；诸如乙醚和丁基卡必醇等的乙基化物；和诸如二氯甲烷和四氯化碳等卤代烃。根据将要使用的有机导电聚合物微粒，可以选择有机溶剂。可以单独使用单个有机溶剂，但是只要维持分散性，就可以组合使用两种或更多种有机溶剂。
(用作基体的有机树脂) 用作基体的有机树脂可以是聚合物、低聚物和单体中的任意一种，诸如光聚合和热聚合等聚合类型并不受限。适当的有机树脂包括丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸类树脂、乙烯基树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚氨酯树脂、CAB树脂、蜜胺树脂和环氧树脂。可以单独使用上述树脂之一，或者可以组合使用两种或更多种树脂。然而，从透明性、相容性、分散性、可硬化性、可模制性和耐用性等角度来看，期望使用丙烯酸类树脂、甲基丙烯酸类树脂、乙烯基树脂或者它们的不饱和乙烯基的混合物。
(光聚合引发剂) 当使用可光聚合的树脂作为用作基体的有机树脂时，可以使用基于曝光的自由基形成机制，其中使用自由基聚合引发剂作为光聚合引发剂。通常，这适合于透镜等的复制。可用的光聚合引发剂包括2-苄基-2-二甲氨基-1-(4-吗啉基苯基)-1-丁酮、1-羟基-环己基-苯基酮、2-羟基-2-甲基-1-苯基-丙烷-1-酮、双(2，4，6-三甲基苯甲酰基)-苯基膦氧化物、4-苯基二苯甲酮、4-苯氧基二苯甲酮、4，4’-二苯基二苯甲酮、和4，4’-二苯氧基二苯甲酮。
光聚合引发剂与用作基体的有机树脂的比例可以根据照射剂量和附加加热温度，按照需要来确定，或者根据所得聚合物的期望平均分子量来调整。对于根据本发明的树脂硬化和模制，将要添加给树脂的光聚合引发剂的期望重量比例介于0.01％和10.00％之间，尽管这可以根据所添加的吸收可见光的有机导电聚合物微粒的量而改变。根据对于用作基体的有机树脂的反应性，可以使用一种光聚合引发剂或者两种或更多种光聚合引发剂的组合。
(热聚合引发剂) 当使用可热聚合的树脂作为用作基体的有机树脂时，可以使用基于热的自由基形成机制，其中使用自由基聚合引发剂作为热聚合引发剂。通常，这适合于透镜等的复制。当使用可热聚合的树脂时，可用的热聚合引发剂包括例如偶氮二异丁腈(AIBN)、过氧化苯甲酰、过氧新戊酸、过氧新己酸、过氧新己酸叔己酯、过氧新癸酸叔丁酯、过氧新癸酸叔己酯、过氧新己酸枯基酯和过氧新癸酸枯基酯。
热聚合引发剂与用作基体的有机树脂的比例可以根据加热温度和在模制过程中存在的氧的量，按照需要而确定。而且，可以组合使用两种或更多种引发剂。此外，可以根据期望的所得物品的聚合度，调整比例。要添加给树脂的热聚合引发剂的期望重量比例介于0.01％和10.00％之间。根据与用作基体的有机树脂的反应性，可以使用一种热聚合引发剂或者两种或更多种热聚合引发剂的组合。
(光学材料的制作过程) 接着，将描述使用树脂、聚合引发剂、有机导电聚合物微粒和分散溶剂的光学材料的制备处理。将代表性地描述使用可光聚合树脂作为用作基体的有机树脂的情况。
首先，有机导电聚合物微粒呈胶态分散在溶剂内，在该溶剂内溶解有选定的可光聚合树脂和光聚合引发剂。在这种情况下，期望将溶剂及有机导电聚合物微粒与树脂组合，该树脂将最低程度地阻止有机导电聚合物微粒的分散。
一旦物质完全地溶解，在确定有机导电聚合物微粒在没有沉淀的情况下被适当地分散之后，使用蒸发器去除溶剂。在这种情况下，期望根据溶剂的沸点和残留溶剂量调整压力降低的程度。溶剂的突然蒸发或去除可能使有机导电聚合物微粒的凝聚程度恶化，从而削弱可分散性。而且，在利用减压去除溶剂的过程中，可以在不削弱可分散性的范围内根据需要加热溶剂。以这种方式获得根据本发明的光学材料。如此获得的光学材料可能包含不能彻底去除的残留溶剂，最终模制品的耐用性和光学属性可能根据残留溶剂的含量而受到影响。因而，期望残留溶剂的重量含量处于除了溶剂重量之外的总重量的0.01％和0.50％之间。
如果过度减压，如果减压涉及加热，或者如果减压处理持续延长的时间段，则也可以去除与溶剂一起添加的分散剂以及在用作基体的有机树脂中包括的单体等。因而，必需考虑各物质的分子量、沸点和升华性，来调整减压程度、温度和时间。
(衍射光学元件的模制) 接着将描述在模制衍射光学元件的处理中使用光聚合方法从光学材料生成模压成形层的处理。为了在用作衬底的光学透明材料上形成薄膜层结构，例如使用平板玻璃作为衬底。另一方面，将金属材料用于模具，所述模具容纳精细光栅结构。模压成形涉及在平板玻璃和模具之间浇注具有流动性的光学材料，并在其上轻压。在维持此状态的同时执行光聚合。将通常是紫外线光或可见光的合适波长的光用于在该光聚合反应中曝光，以支持利用光聚合引发剂的自由基形成机制。例如，通过用作衬底的光学透明材料，所述衬底具体而言是平板玻璃，将用于制备光学材料的单体和其它成分均匀地曝光。根据利用光聚合引发剂的自由基形成机制或者光聚合引发剂的含量，按照需要确定用于曝光的光量。
另一方面，在利用光聚合反应产生光学材料的模压成形层时，可能期望将注入模具的单体和其它成分均匀地曝光。因而，可能期望选择这样一种波长的光，即，该波长的光允许通过用作衬底的光学透明材料，具体而言平板玻璃，而均匀地曝光。为此，根据本发明，更为合适的是降低在用作衬底的光学透明材料上包含光学材料模压成形体的衍射光栅的总厚度。类似地，也可以将热聚合方法用于模压成形层的产生。在此情况下，期望保持整体温度均匀，根据本发明，降低在用作衬底的光学透明材料上包括光学材料模压成形体的衍射光栅的总厚度将更为合适。
结合上述方法之一使用根据本发明的光学材料允许短时间内生成衍射光学元件，其中通过在衬底上层叠多层具有不同光波长色散的材料来生成衍射光学元件，该衍射光学元件被设计为在整个可用波长范围上具有特定级(设定级)的高衍射效率。而且，可以添加脱模剂、敏化剂、稳定剂和增稠剂。
下面将描述本发明的示例，但是本发明并不以任何方式限制于这些示例。使用椭圆偏振计(由J.A.Woollam Co.，Inc.制造)来测量折射率，使用分光光度计U-4000(由Hitachi，Ltd.制造)来测量散射率，并使用粒度计ZS(由Sysmex Corp.制造)来测量颗粒大小。
<示例1> 将参考图2、图3和图4的(a)、(b)和(c)描述根据示例1的叠层型衍射光学元件的配置和制造方法。首先，将10.00g的1-乙烯基-2-吡咯烷酮(其折射率是1.523)和0.31g的用作光引发剂的1-羟基环己基苯基甲酮添加到45.00g的水溶液，该溶液包含1.30wt％的胶状分散导电聚合物微粒，即PEDOT/PSS(由Aldrich Co.制造；产品编号48309-5和56059-6；平均直径80nm；折射率1.529(列表值))。使用搅拌器搅拌混合物以便于分散和溶解。随后，在减压下去除溶剂，从而制备光学材料11。
接着，如图2(a)所示，将光学材料11提供给在此例子中形成为衍射光栅形状的模具21。随后，如图2(b)所示，将平板玻璃31(由SCHOTT GLAS GmbH制造；商品名称BK7；在下文中缩写为BK7)放置在光学材料11上并使用紫外光源(由HOYA-SCHOTTCorp制造的EX250)在20J/cm2(40mW/cm2)的条件下曝光。随后，如图2(c)所示，从模具21去除硬化的光学元件41，从而生成衍射光学元件51。光学元件41的光学材料11的光学特性如下nd＝1.5269；vd＝26.75；θg，F＝0.452。该光学特性满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
另一方面，为了制造另一个光学元件，使用光硬化树脂RC-C001(由Dainippon Ink and Chemicals Inc.制造)来制备光学材料12。RC-C001的光学特性如下nd＝1.5228和vd＝51.42。接着，如图3(a)所示，将光学材料12提供给在此例子中形成为衍射光栅形状的模具22。随后，如图3(b)所示，将平板玻璃(BK7)32放置在光学材料12上，并使用紫外光源(由HOYA-SCHOTT Corp.制造的EX250)在30J/cm2(40mW/cm2)的条件下曝光。随后，如图3(c)所示，从模具22去除硬化的光学元件42，从而生成衍射光学元件52。
接着，通过典型的汽相淀积在衍射光学元件51和衍射光学元件52的衍射平面上形成防反射膜。随后，如图4所示，通过以使各自的衍射平面彼此面对以在其间形成间隙的方式组合衍射光学元件51和52，来生成叠层型衍射光学元件61。使用隔体71建立在衍射光学元件51和衍射光学元件52之间的间隔。两个衍射光学元件51和衍射光学元件52的光栅栅距都是80.00μm。在衍射光学元件51和衍射光学元件52的衍射光栅之间的距离是谷-谷28.90μm和峰-峰1.50μm。衍射光学元件51的峰是13.12μm高，衍射光学元件52的峰是14.28μm高。
图5是图示所制造的叠层型衍射光学元件61在入射角0°处的一级衍射光强度随着波长改变(400nm至700nm)的曲线图，其中横坐标代表波长，纵坐标代表衍射效率。在图5中，衍射效率在波长430nm处是98.9％，在波长500nm处是100.0％，并且在波长700nm处是97.6％。因而，叠层型衍射光学元件61的衍射效率在整个可用的波长范围上高于97％，产生较好的强度波长分布。
使用典型方法计算一级衍射光，该方法涉及通过比较带有衍射光栅的膜和没有衍射光栅的膜之间的透射率来测量衍射效率，其中两个膜的平均膜厚度相等。
<示例2> 使用与示例1相同的方法制备光学材料13，除了具有胶状分散的水溶液的量是65.00g。
而且，使用在该例子中形成为衍射光栅形状的模具和平板玻璃33，通过与例1相同的模制方法制造衍射光学元件53。该光学材料13的光学特性如下nd＝1.5249；vd＝22.29；θg，F＝0.422。该光学特性满足θg，F ≤-2vd×10-3+0.59和θg，F≤0.45。
另一方面，为了制造另一个光学元件，使用在该例子中形成为衍射光栅形状的模具和平板玻璃34来制造衍射光学元件54。所使用的光学材料12与例1相同，该光学材料12的光学特性如下nd＝1.5228和vd＝51.42。
接着，在衍射光学元件53和衍射光学元件54的衍射平面上形成抗反射膜。随后，如图6所示，通过以使各自的衍射平面彼此面对以在其间形成间隙的方式组合衍射光学元件53和54，来生成叠层型衍射光学元件62。使用隔体72来建立在衍射光学元件53和衍射光学元件54之间的间隔。两个衍射光学元件53和衍射光学元件54的光栅栅距都是80.00μm。在衍射光学元件53和衍射光学元件54的衍射光栅之间的距离是谷-谷29.40μm和峰-峰1.50μm。衍射光学元件53的峰是13.61μm高，并且衍射光学元件54的峰是14.28μm高。
图7是图示所制造的叠层型衍射光学元件62在入射角度0°处的一级衍射光强度随着波长改变(400nm至700nm)的曲线图，其中横坐标代表波长，纵坐标代表衍射效率。在图7中，衍射效率在波长430nm处是100.0％，在波长500nm处是100.0％，和在波长700nm处是99.9％。因而，叠层型衍射光学元件62的衍射效率在整个可用波长范围上高于99％，产生比例1好很多的强度波长分布。
<比较例1> 接着，将描述根据比较例1的叠层型衍射光学元件的配置和制造方法。在比较例1中，使用光学材料14而不是在例1中使用的光学材料11。光学材料14的光学特性如下nd＝1.6694；vd＝19.16；θg，F＝0.687。通过混合和溶解9.00g乙烯基咔唑、1.00g聚乙烯基咔唑、1.76g二乙烯基苯和0.36g Irgacure 184(由Chiba Specialty Chemicals Co.，Ltd.制造)来制备光学材料14。该材料的光学特性并不满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59以及θg，F≤0.45。
使用在该比较例中形成为衍射光栅形状的模具和平板玻璃35，通过与例1相同的模制方法来制造衍射光学元件55。
另一方面，为了制造另一个光学元件，使用在该比较例中形成为衍射光栅形状的模具和平板玻璃36来制造衍射光栅元件56。所使用的光学材料12与例1相同，光学材料12的光学特性如下nd＝1.5228和vd＝51.42。
接着，在衍射光学元件55和衍射光学元件56的衍射平面上形成防反射膜。随后，如图8所示，通过以使相应的衍射平面彼此面对以在其间形成间隙的方式组合衍射光学元件55和56，来生成叠层型衍射光学元件63。使用隔体73来建立在衍射光学元件55和衍射光学元件56之间的间隔。两个衍射光学元件55和衍射光学元件56的光栅栅距都是80.00μm。在衍射光学元件55和衍射光学元件56的衍射光栅之间的距离是谷-谷26.00μm和峰-峰1.50μm。衍射光学元件55的峰是10.22μm高，和衍射光学元件56的峰是14.28μm高。
图9是图示所制造的叠层型衍射光学元件63在入射角度0°上的一级衍射光强度随着波长改变(400nm至700nm)的曲线图，其中横坐标代表波长，纵坐标代表衍射效率。在图9中，衍射效率在整体上低于例1和例2中叠层型衍射光学元件的衍射效率。尤其在400至470nm和550至600nm上，衍射效率非常低。
<比较例2> 在比较例2中，使用光学材料15，而不是在例1中使用的光学材料11。将描述根据比较例2的叠层型衍射光学元件的配置和制造方法。通过将Disperbyk-180(由BYK-Chemie Japan KK制造的分散剂的商品名称)添加到二甲苯溶液中以便分散剂的重量含量将是2.22％，来制备包含分散剂的二甲苯溶液。接着，在二甲苯溶液中添加和分散平均直径15nm(列表值)的ITO微粒，以便ITO的重量含量将是10.0％。向45.75g的包含ITO微粒的所得二甲苯溶液中，添加和分散下述物质1.50g的Aronix M-6200(由Toagosel Co.，Ltd.制造的紫外线硬化树脂的商品名称)、0.75g的三(2-丙烯酰氧乙基)异氰酸酯、0.75g的季戊四醇三丙烯酸酯、1.50g的甲基丙烯酸二聚环戊二烯基乙酯和0.09g的1-羟基环己基苯基甲酮。随后，在减压下去除溶液，从而制备光学材料15。
该光学材料15的光学特性如下nd＝1.5655；vd＝22.76；θg，F＝0.440。光学特性满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
使用在该比较例中形成为衍射光栅形状的模具和平板玻璃37，通过与例1相同的模制方法制造衍射光学元件57。
另一方面，为了制造另一个光学元件，使用在该比较例中形成为衍射光栅形状的模具和平板玻璃38来制造衍射光栅元件58。所使用的光学材料12与例1相同，光学材料12的光学特性如下nd＝1.5228和vd＝51.42。
接着，在衍射光学元件57和衍射光学元件58的衍射平面上形成防反射膜。随后，如图10所示，通过以使各自的衍射平面彼此面对以在其间形成间隙的方式组合衍射光学元件57和58，来生成叠层型衍射光学元件64。使用隔体74来建立在衍射光学元件57和衍射光学元件58之间的间隔。两个衍射光学元件57和衍射光学元件58的光栅栅距都是80.00μm。在衍射光学元件57和衍射光学元件58的衍射光栅之间的距离是谷-谷27.96μm和峰-峰1.50μm。衍射光学元件57的峰是12.18μm高，并且衍射光学元件58的峰是14.28μm高。
图11是图示所制造的叠层型衍射光学元件64在入射角度0°处的一级衍射光强度随着波长改变(400nm至700nm)的曲线图，其中横坐标代表波长，纵坐标代表衍射效率。在图11中，衍射效率在波长430nm处是99.9％，在波长500nm处是99.9％，和在波长700nm处是100.0％。因此，叠层型衍射光学元件64的衍射效率在整个可用波长范围上高于99％，产生与例2的情况中相同的优良强度波长分布。
在表1中示出了在例1和例2以及比较例1和2中获得的光学材料的物理属性、光学散射率的测量值、微粒分散稳定性的评价值和一级衍射光在不同波长(430nm、500nm和700nm)上入射角度0°处的衍射效率。制备厚度约为10μm的膜并将其用于测量光学材料的物理属性和光学散射率。为了评价微粒的分散稳定性，将制备的光学材料在凉爽和黑暗的场所内存放固定的时间段，并根据光学散射率的变化，在光学材料之间比较微粒的沉降和凝聚。通常，如果叠层型衍射光学元件的衍射效率是99％或者之上，将该衍射效率视为良好。因而，在该实验中，根据衍射效率在400nm至700nm的整个可视区域上是否是99％或者之上，给出良好或者差的评价。而且，对于每个光学材料11、13、14和15，如果光学元件满足条件θg，F ≤-2vd×10-3+0.59，则使用O标记，或者如果光学元件不满足该条件，则使用×标记。
关于根据表1内衍射效率的评价，用O标记其衍射效率在整个可视区域上是99％或者之上的光学元件，用Δ标记其衍射效率从95％(包含)至99％(不包含)的光学元件，并且用×标记其衍射效率低于95％的光学元件。
而且，为了测量光学材料的光学散射率，在平板玻璃上形成每个光学材料的25μm厚的膜。随后，测量光学散射率。关于表1内光学散射率的评价标准，用O给出其最大光学散射率在整个可视区域上低于0.6％的光学材料，并用×给出其最大光学散射率是0.6％或者之上的光学材料。关于微粒分散稳定性的评价标准，如果在室温和常规湿度的黑暗空间内存储三个月之后光学散射率的改变低于0.2％，则给出O的评价，如果所述改变是0.2％或之上，则给出×的评价。
表1
从表1可以看出在例1和2以及比较例1和2中由满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59的光学材料制成的叠层型衍射光学元件61、62和64在整个可视区域上具有较为稳定的衍射效率。具体而言，由具有低于25的阿贝数和满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59的光学材料13和15制成的衍射光学元件构成的叠层型衍射光学元件62和64在整个可视区域上具有高于99％的衍射效率，表明极度的稳定性。
然而，在衍射效率评估中产生良好结果的例1和2以及比较例1中，尽管光学材料11、13和15满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59，但是光学材料表现出光学散射率的明显差别。
在分散导电聚合物微粒的例1和例2中，光学材料11和13表现为光学散射率低至其中分散有ITO无机物质的比较例2中的光学材料15的光学散射率的1/7。可以看出在其中分散有有机微粒的例1和例2中的光学材料11和13具有与并未包含微粒的光学材料14的光学散射特性等同的光学散射特性。而且，确认光学材料11和13具有非常优秀的分散稳定性光学散射率没有改变，无微粒沉淀，并且在保存三个月或者更长时间之后微粒分散几乎没有改变。
此外，检查光学材料的光学属性再现性。通过关注在该例子中使用的PEDOT/PSS的分子量和微粒大小，在与这些例子中相同的组成和制备条件下，将从微粒制造到光学材料制备的处理重复三次。因此，确认通过在量或者相对比例上精确地制备光学材料中的树脂等，可以在所有情况下获得几乎等同的光学属性(折射率、阿贝数、二级色散特性和透射率)。
关于在比较例2中使用的ITO微粒，在与比较例相同的条件下，将从微粒制造到光学材料制备的处理类似地重复三次，以便能够获得与比较例等同的微粒大小。然而，即使在ITO微粒的相同制备条件下，在光学属性上也存在微小变化。具体而言，从黄色到深紫色的透射率变化很大。而且，确认ITO微粒的透射率(或者吸收率)可能与上述其它物理属性非常相关。认为制造条件的略微差别通常可能导致在ITO的缺氧或者结晶度方面的很大改变，并且这种略微不同影响物理属性。
因此，确认有机物质的微粒，即在该例子中使用的PEDOT/PSS，具有与ITO等无机微粒相比极为优异的光学属性再现性。
尽管已经在本实施例中描述了彼此相对地放置两个衍射光学元件的衍射平面的双层衍射光学元件，但是本发明并不限于此，并且可应用于多层衍射光学元件，其中层叠两层以上的衍射光学元件。
<例3> 该示例涉及具有如图12所示配置的多层衍射光学元件。将参考图13(a)、(b)和(c)和图14(a)、(b)和(c)详细描述该示例。图12是图示双层衍射光学元件65的示例的截面图。在图12中，该双层衍射光学元件65包括玻璃衬底39、第一层81和在第一层81上层叠的第二层82，以便不在第一层81和第二层82之间形成间隙。第二层82由在例1和例2中所示的满足条件θg，F≤-2vd×10-3+0.59的光学材料制成。第一层81由其阿贝数大于第二层82光学材料的阿贝数的光学材料制成。第一层81由其折射率大于第二层82光学材料的折射率的光学材料制成。也就是说，在这样的叠层型衍射光学元件(即，其中在其间没有间隙的情况下层叠第一层81和第二层82)的情况下，为了获得衍射效率，组合较大折射率和较低色散的第一层81和较小折射率和较高色散的第二层82的结构将是必要的。
如果层数增加，则能够在功能上扩展光学元件。
在所有的例子中，衍射平面具有锯齿形图案，但是也可以使用浮雕图案、梯状图案和开诺全息照片(kinoform)等。
首先，如图13(a)中所示，将在例2中使用的光学材料13提供给在该例子中形成为衍射光栅形状的模具23。随后，如图13(b)中所示，BK7的平板玻璃311被放置在光学材料13上并使用紫外光源(由HOYA-SCHOTT Corp.制造的EX250)在20J/cm2(40mW/cm2)条件下被曝光。随后，如图13(c)所示，从模具23去除硬化的光学元件43，从而生成衍射光学元件59。该光学元件43的光学材料13的光学特性满足θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
另一方面，使用其中分散有ZrO2微粒的光硬化树脂RC-C001(由Dainippon Ink and Chemicals Inc.制造)制备光学材料16。RC-C001的光学特性如下nd＝1.5228和vd＝51.42。光学材料16的光学特性如下nd＝1.5629和vd＝46.85。接着，如图14(a)所示，将光学材料16提供给形成为衍射光栅形状的衍射光学元件59的表面。随后，如图14(b)所示，BK7的平板玻璃312被放置在光学材料16上，并使用紫外光源(由HOYA-SCHOTT Corp.制造的EX250)在30J/cm2(40mW/cm2)条件下被曝光。随后，如图14(c)所示，通过在包含硬化的光学元件43的衍射光学元件59上层叠包含硬化的光学元件44的衍射光学元件511，来生成双层衍射光学元件66。衍射光学元件59和衍射光学元件511的光栅栅距都是80.00μm。衍射光学元件59和衍射光学元件511的峰高度都是15.30μm。
图15是图示所制造的多层衍射光学元件66在入射角度0°处的一级衍射光强度随着波长改变(400nm至700nm)的曲线图，其中横坐标代表波长，纵坐标代表衍射效率。在图15中，衍射效率在波长430nm处是100.0％，在波长500nm处是100.0％，并且在波长700nm处是99.8％。因此，该多层衍射光学元件66的衍射效率在整个可用波长范围上高于99％，产生非常好的强度波长分布。
本发明提供一种光学材料，其具有高的微粒分散稳定性、优良的光学散射特性和优异的光学属性再现性。该光学材料提供很高的衍射效率。因而，该光学材料的使用使得可以实现光学元件的模制方法、通过该模制方法模制的光学元件和包括该光学元件的光学系统的实现。
虽然已经参考示例实施例描述了本发明，但是将理解本发明并不限于所公开的示例实施例。以下权利要求的保护范围将依据最广泛的解释，从而覆盖所有此类修改和等同结构及功能。
权利要求
1.一种光学材料，包括
有机树脂；和
分散在有机树脂内的导电聚合物材料微粒，其中
阿贝数(vd)和二级色散(θg，F)满足关系
θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
2.根据权利要求1的光学材料，其中
阿贝数(vd)是22至27，并且
二级色散(θg，F)是0.41至0.46。
3.根据权利要求1的光学材料，其中
微粒的平均直径是2至3nm。
4.根据权利要求1的光学材料，其中
有机树脂的折射率与导电聚合物材料的折射率之间的差值是±0.05。
5.根据权利要求1的光学材料，其中
导电聚合物材料是聚噻吩型聚合物材料。
6.根据权利要求1的光学材料，其中
导电聚合物材料是聚3，4-亚乙二氧基噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT/PSS)。
7.一种具有在其表面上形成的衍射形状的衍射光学元件，包括
有机树脂；和
分散在有机树脂内的导电聚合物材料微粒，其中
阿贝数(vd)和二级色散(θg，F)满足关系
θg，F≤-2vd×10-3+0.59。
8.一种叠层型衍射光学元件，包括
由相对小阿贝数(vd)的材料形成并且具有在其一个表面上形成的衍射形状的第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件包括有机树脂；和分散在有机树脂内的导电聚合物材料微粒，其中阿贝数(vd)和二级色散(θg，F)满足关系
θg，F≤-2vd×10-3+0.59；和
由相对大阿贝数(vd)的材料形成并且具有在其一个表面上形成的衍射形状的第二衍射光学元件，其中
第一衍射光学元件的衍射形状的衍射平面设置在第二衍射光学元件的衍射形状的衍射平面上，以在其间不形成间隙。
9.一种叠层型衍射光学元件，包括
由相对小折射率和阿贝数(vd)的材料形成并且具有在其一个表面上形成的衍射形状的第一衍射光学元件，所述第一衍射光学元件包括有机树脂；和分散在有机树脂内的导电聚合物材料微粒，其中阿贝数(vd)和二级色散(θg，F)满足关系
θg，F≤-2vd×10-3+0.59；和
由相对大折射率和阿贝数(vd)的材料形成并且具有在其一个表面上形成的衍射形状的第二衍射光学元件，其中
第一衍射光学元件的衍射形状的衍射平面和第二衍射光学元件的衍射形状的衍射平面被彼此相对地设置，以在其间形成间隙。
全文摘要
本发明提供了光学材料及由其模制的光学元件和叠层型衍射光学元件。使用其阿贝数(vd)和二级色散(θg，F)满足关系θg，F≤-2vd×10-3+0.59的有机光学材料提供一种引起降低的光学散射的光学材料，该光学材料具有优异的光学散射特性和二级色散特性，所述特性等同于在有机树脂内分散有诸如ITO等导电金属氧化物微粒的复合物的特性。
文档编号G02B1/04GK101221251SQ200810002929
公开日2008年7月16日 申请日期2008年1月11日 优先权日2007年1月11日
发明者岩佐英史 申请人:佳能株式会社