专利名称：层叠衍射光学元件和光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种层叠衍射光学元件，具体地涉及一种色差减小的层叠衍射光学元件。
背景技术：
衍射光学元件(以下被称为D0E)提供任意的光焦度(optical power)，并且具有能够有效地减小折射光学系统的色差的反常色散特性。然而，DOE几乎总是具有降低的光焦度，以被用在多色光的光学系统中，以便良好地校正色差。这是因为DOE的色散比折射的色散大非常多，因此，具有大大有助于图像形成的光焦度的DOE增大对于各种波长的衍射能力(diffraction power)的差异,这增大了DOE 所产生的色差。因此，DOE的性能没有被充分利用。日本专利No.3966303公开了在其每个表面上具有高度不同的两级台阶(binary steps)的拾取透镜。该拾取透镜将一个表面上的两级台阶的高度分别设置为等于不希望衍射通过该两级台阶的波长的整数倍的值和与希望衍射通过该两级台阶的波长的整数倍不同的值，从而仅使所需波长的光衍射。而且，日本专利公开No. 9-189892公开了包括液晶DOE的显示光学系统。该显示光学系统执行来自光源的光的波长的高速时分切换，诸如R — G — B — R—...，并且与时分切换同步地切换液晶DOE的参数,从而抑制像差(aberration)的产生。将对透射型DOE的示例进行描述，在该示例中，同心环形带形成在其折射率η ( λ d) 为I. 5168( λ d = 587. 56nm)的透明平面基板上。当DOE的衍射阶次(order)为+1阶并且其焦距为50mm时，如果入射光瞳与所述环形带同轴地设置并且入射光瞳的直径为5mm， 则R-B的纵向色差(λ K = 640nm和λ B = 480nm)增大到15. 704mm。在折射透镜具有等于 DOE的折射率的折射率和50mm焦距的情况下，曲率半径为-28. 63mm,并R-B的纵向色差为
0.775mm0此外，将对反射型DOE的示例进行描述，该反射型DOE将25°的入射角转换为 60°的反射角，并且其衍射阶次为+1阶，焦距为50mm。在该DOE中，R-B的纵向色差增大到 40mm或更大。这些描述是针对单独使用DOE的情况。然而，在具有强的能力(power)的DOE被用于包括透镜或反射镜的光学系统中的情况下，由于DOE的衍射，产生极大的色差，这可妨碍光学系统的形成。日本专利No. 3966303和日本专利公开No. 9-189892中所公开的DOE可解决上述问题。然而，日本专利No. 3966303中所公开的DOE是多级带片(multi-level zone plate) D0E，其可能获得不充分的衍射效率。此外，日本专利公开No. 9-189892中所公开的液晶DOE 涉及环形带间隔的精度取决于像素单元的尺寸的问题以及其时间响应性不能得到充分改进的问题。
发明内容
本发明提供一种具有强的能力并且能够减小由于衍射而产生的色差的层叠衍射光学兀件。本发明提供一种层叠衍射光学元件作为其一方面，该层叠衍射光学元件包括彼此层叠的多个衍射光栅，各个衍射光栅由相同的透光材料形成；和形成在各个衍射光栅的光栅表面上的多个反射膜，每个反射膜设置在衍射光栅之间。每个反射膜反射特定的波长范围中的光，并且透射与该特定的波长范围不同的波长范围中的光，对于各个反射膜的特定的波长范围彼此不同。各个衍射光栅的光栅表面根据对于各个反射膜的特定的波长范围被形成为彼此不同的形状。本发明提供一种层叠衍射光学元件作为其另一方面，该层叠衍射光学元件包括彼此层叠的多个衍射光栅，各个衍射光栅由彼此不同的透光材料形成。各个衍射光栅的光栅表面被形成为彼此不同的形状。在衍射光栅层叠的层叠方向上彼此相邻的衍射光栅的折射率对于一特定的颜色的光具有相互不同的色散特性。每个光栅表面使特定的颜色的光衍
射。
本发明提供一种包括上述层叠衍射光学元件的光学系统作为其又一方面。
从以下参照附图对示例性示例(实施例)的描述，本发明的进一步特征和方面将变得清晰。
图I示意性地显示作为本发明的示例I的反射型DOE的结构。
图2示意性地显示作为本发明的示例2的透射型DOE的结构。
图3示意性地显示作为本发明的示例3的反射型DOE的结构。
图4显示包括示例3的反射型DOE的光学系统。
图5是显示示例3的反射型DOE中所使用的二向色膜(dichroic film)的反射率特性的曲线图。
图6是显示示例3的反射型DOE对于波长λ Β的反射式衍射效率的曲线图。
图7是显示示例3的反射型DOE对波长λ e和Xr的透射式衍射效率的曲线图。
图8示意性地显示作为本发明的示例4的反射型DOE的结构。
图9示意性地显示作为本发明的示例4的反射型DOE的结构。
图10是显示光栅表面处的衍射效率的曲线图。
图11和图12是显示用于示例2的透射型DOE的材料的色散特性的曲线图。
图13显示作为本发明的示例5的光学系统。
图14显示作为本发明的示例6的光学系统。
图15是显示用于包括在示例6的光学系统中的透射型DOE的材料的色散特性的曲线图。
具体实施方式
以下将参照附图对本发明的示例性实施例(示例)进行描述。
示例I
图I显示作为本发明的第一示例(示例I)的反射型层叠DOE(层叠衍射光学元件)1。DOE I通过层叠三个衍射光栅层(衍射光栅)而构成，所述三个衍射光栅层(衍射光栅)包括第一层21、第二层22和第三层23。所述三个衍射光栅层由相同的透光介质(材料)形成，并且其折射率(η(λ))也彼此相等。作为反射第一波长范围中的光的反射膜的二向色膜形成在光栅表面11上，光栅表面11设置在第一层21与第二层22之间。作为反射第二波长范围中的光的反射膜的二向色膜形成在光栅表面12上，光栅表面12设置在第二层22与第三层23之间。而且，光栅表面13被形成为反射透过第一层21至第三层23的光的镜面(miiror surface)。该镜面可由气相沉积在第三层23的后表面上的反射膜形成，或者可由金属片形成。形成在光栅表面11和12上的反射膜不限于二向色膜，并且只需是反射特定的波长范围中的光(诸如第一波长范围中的光或第二波长范围中的光)并且透射与该特定的波长范围不同的波长范围中的光的膜。本示例中的所述特定的波长范围中的光的反射和与该特定的波长范围不同的波长范围中的光的透射不必要求100%的反射和100%的透射，gp， 可包括少量透射和反射(例如，5%或10%的透射和反射)。如上所述用相同的材料形成第一层21至第三层23使得整个DOE I薄。在第一层 21至第三层23由树脂形成的情况下，在基板上形成包括镜面的光栅表面13、然后顺序地在其上形成第三层23、二向色膜、第二层22、二向色膜和第一层21可制造D0E。在这种情况下， 可在第一层21的光入射侧表面10上形成抗反射膜。此外，比表面10更靠近光入射侧设置透明基板、然后顺序地在其上形成第一层21、二向色膜、第二层22，二向色膜、第三层23和反射膜可制造作为后表面反射镜的D0E。其上形成二向色膜的光栅表面11和12和其上形成镜面的光栅表面13包括被形成为具有闪耀形状(blazed shape)的光栅环形带的光栅(以下，二向色膜也用标号11和 12表示，镜面也用标号13表示)。环形带被形成有基于所计算的相位差函数而设置的环形带间隔，以便提供所需的光焦度。在本示例中，为了简化说明，假定DOE I总体上被形成为平板形状，并且假定形成在光栅表面11-13和表面10中的每个上的光栅的边缘的包络面为平面。因此，从表面10进DOE I的非单色光透射通过第一层21，然后该非单色光中所包括的第一波长范围中的光被光栅表面11反射和以预先确定的衍射阶次衍射。经反射和衍射的光再次透射通过第一层21，以通过表面10从DOE I出射。因为第一层21和第二层22 的折射率彼此相等，所以所述非单色光中所包括的不同于第一波长范围的波长范围中的光透射通过光栅表面11，而不被衍射。透射通过光栅表面11和第二层22的光之中，第二波长范围中的光被光栅表面12 反射和以预先确定的衍射阶次衍射，然后再次透射通过第二层22和第一层21，以通过表面 10从DOE I出射，而不被光栅表面11衍射。因为第二层22和第三层23的折射率彼此相等，所以透射通过第二层22的光之中，不同于第二波长的波长范围中的光透射通过光栅表面12，而不被衍射。透射通过光栅表面12和第三层23的光被光栅表面13反射和以预先确定的衍射阶次衍射，并且再次透射通过第三层23至第一层21，以通过表面10从DOE I出射，而不被光栅表面12和11衍射。在常规的反射型DOE中，因为被设置为使得衍射效率对于某个波长范围变为最大的光栅表面使整个波长范围中的光衍射，所以难以降低能力的上述波长依赖性。相比而言， 如果针对希望被每个光栅表面衍射的波长范围(即，特定的波长范围)对该光栅表面的形状进行优化，则本示例的DOE I可独立地设置使该波长范围中的光衍射的能力。结果，本示例的DOE I可减小色差。也就是说，本示例的DOE I中的光栅表面11和12根据分别形成在光栅表面11和12上的反射膜的所述特定的波长范围而具有互相不同的形状。而且，本示例的DOE I可优化每个光栅表面处在任意波长范围中的衍射效率，因此使得可确保如图10所示的要被反射和衍射的有限波长范围中的高衍射效率。此外，在图I中，参考字符IL表示照射在DOE I上的某个点上的非单色光(入射光)。光栅表面Ii反射并衍射包括波长X1的第一波长范围中的光，并且透射不同于第一波长范围的波长范围中的光。光栅表面12反射并衍射包括波长λ2的第二波长范围中的光，并且透射不同于第二波长范围的波长范围中的光。光栅表面13反射并衍射透射通过光栅表面11和12的、包括波长λ 3的波长范围中的光。参考字符DLp DL2和DL3分别表示在光栅表面11、12和13处反射并衍射的光线。 参考字符Pp P2和P3以及屯、d2和d3分别表示光栅表面11、12和13上的光线DLp DL2和 DL3的入射点处的环形带间隔(环形带的间距)P和光栅高度d。也就是说，光栅表面11、12 和13上的环形带间隔P1J2和P3以及光栅高度Clpd2和d3在光线DLpDL2和DL3沿着其行进的相同的入射光线轴上互相不同。将环形带间隔PpP2和P3设置为使得各个光栅表面处的能力彼此等同使得能够减小依赖于波长的能力的差异。因为在DOE中，能力随着波长变长而提高，所以只需将各个光栅表面上的环形带间隔设置为使得如果波长为X3CX2CX1... (I)，则满足以下关系P3 < P2 < P1. · · (2)当DOE是轴对称元件时，相位差函数φ—般性地表达如下
权利要求
1.一种层叠衍射光学兀件，包括多个衍射光栅，所述多个衍射光栅彼此层叠，各个衍射光栅由相同的透光材料形成；和形成在各个衍射光栅的光栅表面上的多个反射膜，每个反射膜设置在衍射光栅之间， 其中，每个反射膜反射特定的波长范围中的光并且透射与所述特定的波长范围不同的波长范围中的光，对于各个反射膜的特定的波长范围彼此不同，并且其中，各个衍射光栅的光栅表面根据对于各个反射膜的特定的波长范围而被形成为彼此不同的形状。
2.根据权利要求I所述的层叠衍射光学元件，其中，各个衍射光栅的光栅表面上的环形带间隔和光栅高度在相同的入射光线轴上彼此不同。
3.根据权利要求I或2所述的层叠衍射光学元件，其中，按从光入射侧起的次序，设置第一光栅表面和第二光栅表面中的一个和另一个， 在所述第一光栅表面上，形成反射从紫外到蓝色的波长范围中的光的反射膜，在所述第二光栅表面上，形成反射从红色到红外的波长范围中的光的反射膜，并且其中，第三光栅表面相对于第一光栅表面和第二光栅表面设置在与光入射侧相对的侧，所述第三光栅表面上的反射膜反射透过形成在所述第一光栅表面和所述第二光栅表面上的反射膜的波长范围中的光。
4.一种层叠衍射光学兀件，包括多个衍射光栅，所述多个衍射光栅彼此层叠，各个衍射光栅由彼此不同的透光材料形成，其中，各个衍射光栅的光栅表面被形成为彼此不同的形状，并且其中，在层叠衍射光栅的方向上彼此相邻的衍射光栅的折射率对于一特定的颜色的光具有互相不同的色散特性，并且其中，每个光栅表面使所述一特定的颜色的光衍射。
5.根据权利要求4所述的层叠衍射光学元件，其中，各个衍射光栅的光栅表面上的环形带间隔和光栅高度在相同的入射光线轴上彼此不同。
6.根据权利要求4或5所述的层叠衍射光学元件，其中，(a)进入所述层叠衍射光学元件的光包括其峰值波长为λ i的N个频谱，N ^ 2, i = I至N，λ i > λ i+1，(b)由其折射率为r^_ ( λ J的N+1个透光材料形成的衍射光栅彼此层叠，j = I至N+1，并且(c) j越小，透光材料就越设置在光入射侧，并且其中，所述透光材料的波长特性满足以下关系当 j = i 时，η』(λ D < nJ+1 Oi),当 j > i 时，η」(λ D = ni+1 ( λ ^ ,并且当 j < i 时，η』(λ D < Iii ( λ J。
7.一种光学系统，包括根据权利要求I至6中的任一项的层叠衍射光学元件。
全文摘要
层叠衍射光学元件包括彼此层叠的多个衍射光栅21、22和23，各个衍射光栅由相同的透光材料形成。在该元件中，反射膜形成在各个衍射光栅的光栅表面11和12上，每个反射膜设置在衍射光栅之间。每个反射膜反射特定的波长范围中的光，并且透射与该特定的波长范围不同的波长范围中的光，各个反射膜的特定的波长范围彼此不同。各个衍射光栅的光栅表面根据与各个反射膜对应的特定的波长范围而被形成为彼此不同的形状。
文档编号G02B5/18GK102597821SQ20108004674
公开日2012年7月18日 申请日期2010年10月5日 优先权日2009年10月21日
发明者猪口和隆, 齐藤贤一 申请人:佳能株式会社