CN101750653B

CN101750653B - 衍射光学元件及其制造方法

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Publication number: CN101750653B
Application number: CN2009102541538A
Authority: CN
Inventors: 中林正明
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2008-12-10
Filing date: 2009-12-10
Publication date: 2012-09-19
Anticipated expiration: 2029-12-10
Also published as: US20120320461A1; US20140232028A1; JP2010160474A; JP5590851B2; US20100142053A1; CN101750653A; US8270080B2; US8743460B2

Abstract

一种衍射光学元件及其制造方法，所述衍射光学元件包括置于第一玻璃透镜基板和第二玻璃透镜基板之间的第一树脂层和第二树脂层，第一树脂层和第二树脂层之间的边界面具有衍射光栅形状，所述衍射光栅形状包括多个斜面和壁面。第二树脂层由其中分散有金属氧化物微粒的氟树脂构成。由于在施加紫外光的固化期间，在该材料中易于产生折射率分布，因此通过大体垂直于衍射光栅形状的斜面施加紫外光，沿垂直于斜面的厚度方向形成折射率分布。

Description

衍射光学元件及其制造方法

技术领域

本发明涉及用于光学***等的衍射光学元件，和制造所述衍射光学元件的方法。

背景技术

作为校正光学***中的色差的方法之一，已知一种组合由色散性质不同的玻璃材料构成的两个透镜的方法。同时，已知另外一种在透镜表面上设置具有衍射效应的衍射光学元件，从而减小色差的方法。该方法使用相对于具有指定基准波长的光线，光学***中的折射面和衍射面表现相反方向的色差输出的物理现象。

此外，为了调整衍射光学元件的折射率和阿贝数，US6759471(专利文献1)公开一种复合材料，其中由透明导电金属氧化物，比如ITO、ATO、SnO₂或ZnO构成的微粒被混合/分散在可紫外固化的粘结剂树脂中。此外，专利文献1还公开通过层叠两个树脂层而形成的层叠的衍射光学元件。在具有色差校正效果的光学***中，这种层叠的衍射光学元件能够大大降低要使用的波长区域中在设计级(order)附近的衍射效率。

近年来，当衍射光学元件被用作照相机镜头时，要求衍射光栅的纳米级形状精度。不过，在使用光固化树脂的情况下，由于树脂从用紫外光等辐照的位置开始反应，由于固化速率的差异，在固化树脂中产生密度差异，导致不均匀的折射率分布。

发明内容

按照本发明，提供一种包括玻璃透镜基板和由置于玻璃透镜基板上的光固化树脂构成的树脂层的元件，所述树脂层具有衍射光栅形状，所述衍射光栅形状包括多个斜面和壁面。树脂层的折射率取决于树脂层的厚度而变化，并且折射率的变化基于大体垂直于斜面施加的光。

参考附图，根据示例性实施例的下述描述，本发明的其它特征将变得清晰。

附图说明

图1A-1D均是图解说明本发明的原理的衍射光栅的横截面图。

图2A-2C均是图解说明本发明的原理的衍射光栅的横截面图。

图3是按照本发明的衍射光学元件的横截面图。

图4A-4E是表示形成按照本发明的衍射光学元件的方法的横截面图。

图5A-5D是表示形成按照本发明的衍射光学元件的方法的横截面图。

图6A和6B是表示将光施加到按照第一实施例的衍射光学元件的方法的横截面图。

图7A和7B是表示将光施加到按照第二实施例的衍射光学元件的方法的横截面图。

具体实施方式

首先，将描述实现本发明的基本原理。通过潜心研究，本发明人发现当光固化树脂被固化时，由于固化速率的差异，在树脂中产生不均匀的折射率分布。这是由固化期间未固化树脂的流动所造成的树脂密度的不同引起的。此外，就其中分散有微粒的树脂来说，不均匀的折射率分布更显著。其原因在于当未固化的树脂在固化期间流动时，微粒也流动，这导致微粒含量的差异。从而，在快速固化的部分中，微粒的含量低，在缓慢固化的部分中，微粒的含量高。特别地，就氟树脂来说，已确认由于粘度低于其它光固化树脂，因此流动性较高，不均匀的折射率分布更为显著。

图1A是常用的衍射光栅100的横截面图。为光学有效面的斜面111和定义光栅的高度的壁面112构成衍射光栅形状。在衍射光学元件中，当衍射光栅100由其中分散有金属氧化物微粒的光固化树脂材料构成时，如上所述，由于固化速率的差异，在固化的衍射光栅中出现不均匀的折射率分布。

图1B-1D均是表示折射率分布状态的示意图，其中对衍射光栅的光施加方向用箭头表示。图1B表示基本垂直于衍射光栅101的斜面111施加光的情况。这种情况下，就折射率分布而论，折射率沿垂直于斜面111的方向逐渐变化。此外，图1C表示沿朝着壁面112、与垂直于斜面111的方向偏离的方向，对衍射光栅102的每个斜面111施加光的情况。这种情况下，就折射率分布而论，折射率从斜面111和壁面112形成的顶点开始，沿斜面111方向和沿垂直于壁面112的方向逐渐变化。即，形成折射率分布，以致在图1C中的衍射光栅的每个光栅槽中，折射率从左到右变化。此外，图1D表示沿朝着壁面112的对面、与垂直于斜面111的方向偏离的方向，对衍射光栅103的每个斜面111施加光的情况。这种情况下，就折射率分布而论，在图1D的衍射光栅的每个光栅槽中，折射率从右到左逐渐变化。

随着固化继续下去，光固化树脂材料的流动性降低。于是，随着离光源的距离的增大，折射率的变化减小。事实上，当辐照光是紫外光等时，由于衍射光栅103的内部折射率的变化，光被折射。这里，为了便于描述，假定不发生这种折射。

图2A-2C分别表示当图1B-1D中所示的衍射光栅101-103之一被包含在包括多个透镜的光学***中时的光路。

图2A表示当使用图1B中所示的衍射光栅时的光路。根据图2A，显然平行入射光线101a和101b通过具有相同折射率分布的区域。从而，已通过衍射光栅的入射光线101a和101b在保持平行状态的同时，基本按照相同的方式被折射，并被射出。从而，通过预先考虑到折射值设定光学设计值，能够实现高的衍射效率。

图2B表示当使用图1C中所示的衍射光栅时的光路。根据图2B，显然平行入射光线102a和102b通过具有完全不同的折射率分布的区域。特别地，由于从壁面112开始的折射率的差异，已通过衍射光栅的入射光线102a和102b沿完全不同的方向被射出。事实上，很难确定入射光线102a如何被折射，光学设计值不能被校正，导致衍射效率的降低。

图2C表示当使用图1D中所示的衍射光栅时的光路。根据图2C，显然平行入射光线103a和103b通过具有不同折射率分布的区域。不过，折射率分布的差异小，入射光线103a和103b在保持平行状态的同时，基本按照相同的方式被折射，并被射出。从而，和图2A中一样，通过预先考虑到折射值设定光学设计值，能够实现高的衍射效率。

根据上面所述，当实际形成衍射光栅时，通常可选择图1B和2A中所示的衍射光栅101。就图1D和2C中所示的衍射光栅103而论，尽管次于衍射光栅101，不过折射率分布可被限制于可通过光学设计充分处理的范围。不过，就图1C和2B中所示的衍射光栅102来说，难以确定入射光线102a的光路，并且衍射效率被降低。从而，在一个实施例中，要施加的紫外光的入射角相对于入射面111为90°，并且入射角应朝着斜面中树脂层的较薄部分、偏离垂直于每个斜面111的方向。

图3是表示按照第一实施例的层叠衍射光学元件10的横截面图。附图标记1表示弯月形第一玻璃透镜基板，附图标记2表示凸面第二玻璃透镜基板。第一树脂层3和第二树脂层4按照从第一玻璃透镜基板1一侧开始的顺序被置于第一和第二玻璃透镜基板1和2之间。第一树脂层3和第二树脂层4均由利用光(比如紫外光)固化的光固化树脂构成。金属微粒分散在第二树脂层4中。第一树脂层3和第二树脂层4之间的边界面具有衍射光栅形状，所述衍射光栅形状具有锯齿形(saw-toothed)截面。由于具有衍射光栅形状的边界面的缘故，层叠的衍射光学元件10表现出衍射效应。具有衍射光栅形状的边界面包括作为光学有效面的斜面11和限定光栅的高度的壁面12。

在图3中所示的层叠的衍射光学元件10中，斜面11的倾角并不恒定。所述倾角从层叠的衍射光学元件10的中心到周边逐渐变化。在普通的光学设计中，当使斜面11相互连接时，形成非球面形状。于是，随着从层叠衍射光学元件10的中心到其周边的距离的增大，斜面11的倾角变平缓(gentle)。

下面将参考图4A和5D，描述制造层叠的衍射光学元件10的方法。首先，如图4A中所示，用于形成第一树脂层3的适量光固化树脂材料3a被逐滴滴加到通过加工NiP镀层或类似物而获得的模片(molding die)上。使光固化树脂材料3a与反应引发剂混合，以致能够引发光固化。随后，如图4B中所示，第一玻璃透镜基板1被布置成覆盖光固化树脂材料3a。接下来，如图4C中所示，通过逐渐降低玻璃透镜基板1，使逐滴滴加的光固化树脂材料3a和玻璃透镜基板1相互接触，玻璃透镜基板1和模片5之间的空间被填充光固化树脂材料3a，以致其中不包括气泡。顺便提及，为了预先改善玻璃透镜基板1和光固化树脂材料3a之间的附着力，用旋涂器把硅烷耦联剂涂到玻璃透镜基板1的表面，随后用干燥箱干燥。

随后，如图4D中所示，通过经第一玻璃透镜基板1施加紫外光，光固化树脂材料3a被固化，并与第一玻璃透镜基板1结合。随后，如图4E中所示，通过升高第一玻璃透镜基板1的周边部分，使已被结合在一起的第一玻璃透镜基板1和第一树脂层3从模片5脱离。从而，获得包括第一玻璃透镜基板1和树脂层3的衍射光学元件。

就包括多个树脂层的层叠衍射光学元件来说，在图4A-4E中所示的步骤之后还进行下述步骤。如图5A中所示，用于形成第二树脂层4的树脂材料4a被逐滴滴加到第二玻璃透镜基板2上。随后，如图5B中所示，使第一树脂层3朝下地把已在图4E中所示的步骤中结合在一起和形成的第一玻璃透镜基板1和第一树脂层3布置在光固化树脂材料4a之上。通过把金属氧化物微粒分散在氟树脂材料中，制备光固化树脂材料4a，并使之与反应引发剂混合，以致能够引发光固化。随后，如图5C中所示，通过逐渐降低第一玻璃透镜基板1，使逐滴滴加的光固化树脂材料4a和第一树脂层3相互接触，第二玻璃透镜基板2和第一树脂层3之间的空间被填充光固化树脂材料4a，以致其中不包括气泡。

随后，如图5D中所示，通过经第一玻璃透镜基板1施加紫外光，光固化树脂材料4a被固化，第一玻璃透镜基板1，第一树脂层3，第二树脂层4和第二玻璃透镜基板2被结合在一起。随后，对玻璃透镜基板的周边部分应用密封材料以密封内部。从而，获得图3中所示的层叠的衍射光学元件10。

如上所述，随着从层叠衍射光学元件10的中心到其周边的距离的增大，斜面11的倾角变平缓。从而，如果在图4D和5D中所示的步骤中沿指定方向施加紫外光，那么在任意斜面11中，出现如图1C和2B中所示的折射率分布的可能性增大。

图6A是详细表示图5D中所示的对光固化树脂材料4a施加紫外光的步骤的横截面图，图6B是详细表示其基本(substantial)部分的横截面图。透镜单元6被置于第二玻璃透镜基板2之上。施加的紫外光被透镜单元6折射，沿大体垂直于衍射光栅形状的整个区域内的斜面11的方向进入衍射光栅。图6B中，附图标记20a和20b表示沿大体垂直的方向进入不同斜面11的紫外光光路。透镜单元6是考虑到参考图1A-1D描述的折射率分布设计的。在按照本实施例的层叠衍射光学元件10中，斜面11的倾角从层叠衍射光学元件10的中心到其周边逐渐变化。于是，透镜单元6中使用的透镜包含非球面组件。

紫外灯具有在从紫外光区到可见光区的宽波段上的发射光谱。由于引起光固化树脂材料4a的固化反应的波长区宽约250至400纳米，因此用UV-带通滤光镜7把用于固化的光的波长区限制为360至370纳米。其原因在于因为透镜单元6包括折射透镜，透镜单元6的玻璃材料的折射率随入射在透镜单元6上的光的波长而变化，并且多个波长的光线是以不同的入射角施加的。

透镜单元可被设计成以致大体垂直于所有斜面11施加紫外光，如上所述。在这种情况下，发生图1B和2A中所示的状态。不过，取决于衍射光栅的形状，可能存在就光学设计而论，难以垂直于所有斜面11施加紫外光的情况。在这种情况下，应至少使要施加的紫外光相对于所有斜面11的入射角朝着斜面11一侧偏离由斜面11和壁面12形成的顶点。即，重要的是所有斜面11不处于图1C和2B中所示的状态。

此外，在图4D中所示的对光固化树脂材料3a施加紫外光的步骤中，与图6A和6B中所示的情况一样，使用透镜单元，以致垂直于斜面11施加紫外光。不过，光固化树脂材料3a不具有分散于其中的金属微粒，于是，不会被折射率分布大大地影响，不必添加透镜单元。

在第一实施例中，使紫外光通过第一玻璃透镜基板1施加光固化树脂材料3a，并通过第一玻璃透镜基板1将紫外光施加到光固化树脂材料4a。在第二实施例中，如图7A中所示，通过把透射紫外光的材料用于模片8，能够从模片8一侧固化光固化树脂材料4a。图7B是表示图7A的重点部分的横截面图。在图7A和7B，附图标记30a和30b表示沿垂直于斜面的方向进入不同斜面11的紫外光光路。至于模片8，可以使用由包含甲基丙烯酸酯(methacrylate)作为主要成分的UV固化树脂构成的母模(master)，其中预先把NiP镀层切削加工成光栅形状。这种情况下，透镜单元9被设计成以致紫外光沿垂直方向进入树脂材料4的所有斜面11。

尽管参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明并不局限于公开的示例性实施例。下述权利要求的范围应被赋予最宽广的解释，以包含所有修改及等同的结构和功能。

Claims

1.一种衍射光学元件，包括：

玻璃透镜基板；和

置于玻璃透镜基板上的由光固化树脂构成的树脂层，所述树脂层具有衍射光栅形状，所述衍射光栅形状包括多个斜面和壁面，

其中树脂层的折射率取决于树脂层的厚度而变化，并且折射率的变化的方向大体垂直于斜面。

2.按照权利要求1所述的衍射光学元件，其中树脂层由其中分散有金属微粒的氟树脂构成。

3.一种衍射光学元件，包括：

玻璃透镜基板；和

其中树脂层的折射率取决于树脂层相对于衍射光栅形状的所有斜面的厚度而变化，并且折射率的变化朝着树脂层相对于每个斜面的较薄部分偏离大体垂直于斜面的方向。

4.按照权利要求3所述的衍射光学元件，其中树脂层由其中分散有金属微粒的氟树脂构成。

5.一种衍射光学元件，包括：

第一玻璃透镜基板；

第二玻璃透镜基板；和

布置并层叠在第一玻璃透镜基板和第二玻璃透镜基板之间的第一树脂层和第二树脂层，第一树脂层和第二树脂层均由光固化树脂构成，第一树脂层和第二树脂层之间的边界面具有衍射光栅形状，所述衍射光栅形状包括多个斜面和壁面，

其中第二树脂层的折射率取决于该树脂层相对于衍射光栅形状的所有斜面的厚度而变化，并且折射率的变化的方向大体垂直于斜面的方向、或者朝着该树脂层相对于每个斜面的较薄部分偏离大体垂直于斜面的方向。

6.按照权利要求5所述的元件，其中第二树脂层由其中分散有金属微粒的氟树脂构成。

7.一种衍射光学元件的制造方法，所述衍射光学元件包括玻璃透镜基板和置于玻璃透镜基板上的树脂层，所述树脂层具有衍射光栅形状，所述方法包括：

把光固化树脂材料供给具有衍射光栅形状的模片，所述衍射光栅形状包括多个斜面和壁面；

使玻璃透镜基板与被供给模片的光固化树脂材料接触，从而用光固化树脂材料填充模片和玻璃透镜基板之间的空间；

通过沿大体垂直于模片的衍射光栅形状的斜面的方向、或者沿朝着树脂层相对于每个斜面的较薄部分偏离大体垂直于斜面的方向的方向施加光，固化光固化树脂材料，从而使玻璃透镜基板和具有衍射光栅形状的树脂层结合；和

使已被结合在一起的玻璃透镜基板和树脂层脱离模片。

8.按照权利要求7所述的方法，其中光固化树脂材料是UV固化树脂，施加的光是紫外光，模片由透射紫外光的材料构成，并且穿过模片施加紫外光。

9.按照权利要求7所述的方法，其中光施加方向由置于光源和玻璃透镜基板之间的透镜单元确定。

10.按照权利要求7所述的方法，其中树脂层由其中分散有金属微粒的氟树脂构成。

11.一种衍射光学元件的制造方法，所述元件包括第一玻璃透镜基板、第二玻璃透镜基板与布置并层叠在第一玻璃透镜基板和第二玻璃透镜基板之间的第一树脂层和第二树脂层，所述方法包括：

把第一光固化树脂材料供给具有衍射光栅形状的模片，所述衍射光栅形状包括多个斜面和壁面；

使第一玻璃透镜基板与被供给模片的第一光固化树脂材料接触，从而用第一光固化树脂材料填充模片和第一玻璃透镜基板之间的空间；

通过施加光，固化第一光固化树脂材料，从而使第一玻璃透镜基板与第一树脂层结合；和

使已被结合在一起的第一玻璃透镜基板和第一树脂层脱离模片；

把第二光固化树脂材料供给第二玻璃透镜基板；

使已被结合在一起的第一玻璃透镜基板和第一树脂层与被供给第二玻璃透镜基板的第二光固化树脂材料接触，从而用第二光固化树脂材料填充第一树脂层和第二玻璃透镜基板之间的空间；和

通过沿大体垂直于斜面的方向、或者沿朝着树脂层相对于每个斜面的较薄部分偏离所述大体垂直于斜面的方向的方向施加光，固化第二光固化树脂材料，从而使第一玻璃透镜基板和第一树脂层与第二玻璃透镜基板和第二树脂层相结合。

12.按照权利要求11所述的方法，其中第二树脂层由其中分散有金属微粒的氟树脂构成。

13.按照权利要求11所述的方法，其中第一或第二光固化树脂材料是UV固化树脂，施加的光是紫外光，模片由透射紫外光的材料构成。

14.按照权利要求11所述的方法，其中光施加方向由置于光源和第一玻璃透镜基板之间的透镜单元确定。

15.按照权利要求11所述的方法，其中光施加方向由置于光源和第二玻璃透镜基板之间的透镜单元确定。