CN202548353U - 衍射光学元件及摄像装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种衍射光学元件及摄像装置。在被覆基体和光学调整层的结构的衍射光学元件中，若基体与光学调整层的接合强度低下，则在光学调整层中产生裂缝或剥离等缺陷。在本实用新型的衍射光学元件(100)中，在基体(1)的平面状的第二区域(6)上形成有多个固定槽(3)。以覆盖这样的基体(1)的形成了衍射栅格(2)的第一区域(5)和形成了固定槽(3)的第二区域(6)的方式被覆光学调整层(9)。

Description

衍射光学元件及摄像装置

技术领域

本实用新型涉及衍射光学元件。

背景技术

衍射光学元件是在由玻璃或树脂等光学材料构成的基体的表面具备多个栅格结构的光学元件。

衍射光学元件在各种光学***中使用，已知例如用作以下用途等：设计为将规定次数的衍射光汇集于1点的透镜、空间低通滤波器、偏振全息等。

衍射光学元件具有能够使光学***变得紧凑的特征。

此外，与折射相反，波长越长的光衍射越显著，由于发现了这一现象，所以通过将衍射光学元件与折射类的光学元件组合，还能够改善光学***的色像差和像面弯曲。

另一方面，衍射效率在理论上依赖于光的波长，所以在上述的衍射光学元件中存在如下课题：若将衍射光学元件设计为对于规定的波长的光衍射效率最佳，则对于其他波长衍射效率降低。

对于这样的课题，在专利文献1中，公开了一种相位差型的衍射光学元件，具备由光学材料构成并在表面设有衍射栅格的基体、以及由与基体不同的光学材料构成并覆盖衍射栅格的光学调整层。

专利文献1：日本特开2010-102000号公报

通常，在上述的衍射光学元件那样被覆两种性质不同的材料的情况下，在衍射光学元件的制作工艺中发生的主要缺陷是光学调整层自身发生的裂缝、以及基体与光学调整层的界面剥离。剥离和裂缝的现象直接引起缺陷，所以作为其对策，例如进行如下等方法，即：使两种材料的热收缩率大致相同，抑制收缩率差引起的应力。

但是，本申请发明人发现，在通过模具成型法试制使用了构成光学调整层的合成材料的衍射光学元件时，即使使基体与光学调整层的热收缩率大致相同，在光学调整层中也发生一定程度的裂缝及剥离，很难杜绝。由此判断出，不仅需要使材料彼此的性质吻合，还需要进一步提高接合强度的结构上的发明。

实用新型内容

本实用新型是鉴于上述课题而做出的，其目的在于，提供一种衍射光学元件，能够提高基体与光学调整层的接合强度，抑制裂缝和剥离。

本实用新型的衍射光学元件具有：基体，由含有第一树脂的第一光学材料构成，在表面具有衍射栅格形状；以及光学调整层，由含有第二树脂的第二光学材料构成，形成在所述基体的所述衍射栅格形状上；所述基体具有：第一区域，在表面具有所述衍射栅格形状；以及第二区域，与所述第一区域相比位于外侧；所述光学调整层形成为覆盖所述第一区域和所述第二区域的至少一部分，在所述第二区域中形成有多个固定槽。

具体而言，本实用新型提供一种衍射光学元件，具有：基体，在表面具有衍射栅格形状；以及光学调整层，形成在所述基体的所述衍射栅格形状上；所述基体具有在表面具有所述衍射栅格形状的第一区域、以及与所述第一区域相比位于外侧的第二区域；所述光学调整层形成为覆盖所述第二区域的至少一部分和所述第一区域；在被所述光学调整层覆盖的第二区域形成有多个固定槽。

在本实用新型的的衍射光学元件中，所述光学调整层的厚度为：在所述第二区域中，形成有所述固定槽的位置比未形成所述固定槽的位置厚。

在本实用新型的的衍射光学元件中，所述多个固定槽中，位于最外侧的固定槽的深度比位于最内侧的固定槽的深度浅。

在本实用新型的的衍射光学元件中，在所述多个固定槽中，位于最内侧的固定槽最深，越位于外侧的槽越浅。

在本实用新型的的衍射光学元件中，所述多个固定槽中最深的固定槽的深度为0.05mm以下。

在本实用新型的的衍射光学元件中，所述多个固定槽是轴中心与所述衍射栅格形状的轴中心一致的同心圆形状。

在本实用新型的的衍射光学元件中，所述第二区域的表面的一部分是平面形状，所述光学调整层的表面的截面形状在所述第一区域中是与连接所述衍射栅格形状的衍射阶梯的前端而成的包络线相同的形状，所述光学调整层的表面的截面形状在所述第二区域中是沿着所述基体的形状的平面形状。

在本实用新型的的衍射光学元件中，所述光学调整层的厚度为：从连接所述衍射栅格形状的衍射阶梯的前端而成的包络线沿着法线方向到所述光学调整层的表面的距离为0.05mm以下。

另外，本实用新型还提供一种摄像装置，具备：本实用新型的衍射光学元件；光圈；折射光学元件；以及摄像元件。

在本实用新型的摄像装置中，所述摄像元件将透过所述衍射光学元件、所述光圈及所述折射光学元件的入射光转换为电信号。

附图说明

图1(a)及图1(b)是表示本实用新型的实施方式的衍射光学元件的基体的图。

图2是表示本实用新型的实施方式的衍射光学元件的基体的图。

图3(a)、图3(b)及图3(c)是表示本实用新型的实施方式的固定槽的其他例的图。

图4是表示测定光学调整层向固定槽的进入量而得到的结果的图。

图5是表示本实用新型的实施方式的衍射光学元件的图。

图6是表示应用了衍射光学元件的摄像装置的一例的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本实用新型的实施方式。

(实施方式1)

图1(a)、图1(b)及图2是表示本实用新型的第一实施方式的衍射光学元件的基体1的图。

图1(a)是在表面形成有衍射栅格2及固定槽3的基体的俯视图，图1(b)是基体1的侧截面图。

由含有第一树脂的第一光学材料构成的基体1在其表面具备衍射栅格2及固定槽3。衍射栅格2和固定槽3形成为，其形成轴中心4大致一致。

在表面形成有衍射栅格2的第一区域5具有凸状的截面形状，该凸状的截面形状具有透镜作用。在位于第一区域5的外侧并具有包围第一区域5的俯视形状的第二区域6上形成有多个固定槽3。另外，在本实施方式1中，将第一区域5的截面形状设为凸状，但是本实用新型不限定于此，也可以是凹状。此外，固定槽3的形状例如是轴中心与形成于第一区域5的衍射栅格2大致一致的同心圆形状，但是本实用新型不限定于此。

作为第一光学材料，只要在使用的整个波段与第二光学材料及衍射栅格的深度d之间成立式(1)的关系、并且作为光学元件具有充分的透光性就能够使用。

$0.9d\≤\left|\frac{m\·\mathrm{\λ}}{n1\left(\mathrm{\λ}\right)-n2\left(\mathrm{\λ}\right)}\right|\≤1.1d$

其中：

n1(λ)：第一光学材料在波长λ下的折射率

n2(λ)：第二光学材料在波长λ下的折射率

m：衍射次数

                                          …(1)

考虑到加工的容易性和后述的第二光学材料的选择范围，构成本实施方式1中的基体1的第一光学材料含有树脂。

作为第一光学材料使用含有树脂的材料的理由是，考虑在透镜的生产中生产性最能够期待的模具成型的情况下，对于含有玻璃的材料，模具的耐久性与树脂相比大幅恶化，所以具有衍射栅格形状的基体1的制造并不容易，与此相对，含有树脂的材料能够应用于注射成型等批量生产性较高的制造方法。此外，由于含有树脂的材料容易通过模具成型或其他加工法来实施微细加工，所以具有容易应对衍射栅格2的间距(pitch)或衍射阶梯(在图中省略)的形状变更的优点。此外，对于衍射光学元件的小型化和轻量化也是有利的。

图2是将图1(b)中示出的A部扩大而成的图，示出固定槽3的详细形状。另外，在本实施方式1的说明中，说明了固定槽的数量为3条的情况，但是本实用新型不限定于此。

在图2中，将3条固定槽3从距离第一区域5较近侧(即内周侧)起分别表示为D1、D2、D3。位于最外侧的固定槽D3的深度比位于最内侧的固定槽D1的深度浅。

在图2所示的例子中，固定槽D1、D2、D3各自的深度全部不同。其槽深度构成为，最内侧的固定槽D1最深，最外侧的固定槽D3最浅，中间的固定槽D2为二者之间的深度，像这样，越位于外周侧的槽逐渐变浅。

如上所述，若在固定槽3中填充光学调整层9(图5)，则基体1与光学调整层9的接触面积增加，接合强度提高。因此，优选为光学调整层9在固定槽中无间隙地填充。

本申请发明人们详细研究了固定槽3的形状与光学调整层9的进入量之间的关系。

结果发现，如图2所示，通过采用使距离第一区域5侧较近的固定槽3较深、越向外周侧则逐渐变浅的结构，到外周侧的固定槽3为止，光学调整层9都能够充分填充。

作为具体的一例，将固定槽D1的槽深度形成为0.01mm、将固定槽D2形成为0.0075mm、将固定槽D3形成为0.005mm。优选最深的固定槽D1的深度为0.05mm以下，在该例中取0.01mm。

进而，槽间的形成间距为，以第一区域5与第二区域6之间的界面7为基准，在从界面7离开0.01mm的位置形成固定槽D1。并且，固定槽D1与D2的间隔及固定槽D2与D3的间隔分别以0.025mm间距形成(尺寸在图中示出)。此外，本次形成的各个固定槽3设为仅一边以40°倾斜的槽形状。

另外，在本实施方式1中，说明了固定槽数为3条、且为具有直角三角形状的截面的槽，但是2条至5条也能够得到同样的效果。

其中，图2所示的固定槽3的开口部8越大，则向固定槽填充的后述的光学调整层原料越增多，所以优选开口部8的宽度设定为0.05mm以下。此外，如果固定槽3的开口部8过窄，则光学调整层原料无法进入，所以优选开口部8的宽度设定为0.005mm以上。

图3(a)至图3(c)是作为上述的固定槽3的其他例，表示具有与上述的截面形状不同的形状的固定槽的图。

图3(a)表示截面形状近似于在深度方向上倾斜的2边交叉的倒等边三角形的固定槽20。该结构也能够得到与上述同样的接合强度。

图3(b)表示具有与平坦面21大致成90°的竖壁22、23的四边形的截面形状的固定槽24。该结构也能够得到与上述同样的接合强度。

图3(c)表示具有规定曲率的曲面的截面形状的固定槽25。该结构也能够得到与上述同样的接合强度。

图4是表示互相改变多个固定槽3的形成深度所得出的实验结果的图。在实验中，使用将3条固定槽深度统一为0.016mm的基体1来成型光学调整层9，并且将成膜后的光学调整层9从基体1剥离并反转，使用激光显微镜实际测量从底面到突起前端的高度(向固定槽3的进入量)。其结果可知，仅第一区域5侧的固定槽D1成为填充至与槽形成深度同等的高度的状态，光学调整层9进入至固定槽D1的槽底的前端部并固化。

与此相对，在外周侧的固定槽D2及D3中，向固定槽的进入量逐渐减少，分别为0.015mm、0.014mm，不是完全填满固定槽的状态。如果考虑在槽内部无间隙地填充光学调整层9时能够发挥最大的附着强度，则在这样的状态下，可以认为固定槽D2及D3的附着强度劣于固定槽D1。

因此，本实施方式1的固定槽结构为：越向外周侧则使固定槽深度越浅，消除进入量不足的情况。

图5是表示本实用新型的第一实施方式的衍射光学元件100的侧截面图。在具备衍射栅格2及固定槽3的基体1上，使用后述的模具，以覆盖第一区域5和第二区域6的至少一部分的方式成膜光学调整层9。

此外，称量光学调整层9的原料，使第二区域6上的光学调整层9成膜为完全填满固定槽3。

进而，光学调整层9的表面是与连接衍射栅格2的形状所具有的衍射阶梯的前端而成的包络线(如图5中虚线所示)同等的非球面形状，通过转印模具形状来形成光学调整层9的表面。此外，从包络线沿着法线方向到光学调整层9的表面的长度(光学调整层9的膜厚)为0.03mm以下。如果膜厚极端地增加，则像差增大，并且随着树脂的固化收缩而难以控制表面形状。因此，膜厚优选为衍射栅格阶梯的深度以上且0.1mm以下，特别是0.05mm以下。此外，在第二区域6的表面的一部分的平面部分中，光学调整层9的表面是沿着其基体形状的大致平面形状。

进而，构成光学调整层9的材料使用满足式(1)的关系、且在设定的膜厚下具有充分的透光性的材料。构成本实施方式1中的光学调整层9的第二光学材料使用在树脂中分散无机粒子而成的合成材料。由此，能够调整第二光学材料的折射率及色散系数(阿贝数)。通过将调整后的具有适当的折射率及色散系数的第二光学材料用于光学调整层9，能够改善使用衍射光学元件100的光的波段的衍射效率。

此外，通过将折射率高的无机粒子分散到树脂中，能够使第二光学材料具有以树脂单体无法达到的高折射率。

通常，无机粒子比树脂的折射率高。因此，在基体1使用含有第一树脂的第一光学材料，而作为光学调整层9使用在第二树脂中分散无机粒子而得到的第二光学材料的情况下，为了进行调整以使第二光学材料与第一光学材料相比表现出高折射率低波长色散性，作为无机粒子能够选择的材料较多，因此是优选的。换言之，优选为第一光学材料与第二光学材料相比具有低折射率高波长色散性。

如上所述，作为光学调整层9使用由合成材料构成的第二光学材料的情况下，第二光学材料需要具有与第一光学材料相比较高的折射率，并且具有与第一光学材料相比较低的波长色散性。因此，分散到第二树脂中的无机粒子也优选为以低波长色散性、即高色散系数的材料为主成分。例如，特别优选为从由氧化锆(色散系数：35)、氧化钇(色散系数：34)、氧化镧(色散系数：35)、氧化铪(色散系数：32)、氧化钪(色散系数：27)、氧化铝(色散系数：76)、及二氧化硅(色散系数：68)构成的组中选择的至少1种氧化物为主成分。此外，也可以使用它们的复合氧化物。

在使用衍射光学元件100的光的波段中，只要满足式(1)，也可以除了这些无机粒子之外，还使例如以氧化钛和氧化锌等为代表的表现出高折射率的无机粒子等共存。

作为基体1的第一光学材料，选择例如聚碳酸酯系树脂、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、脂环式丙烯酸树脂等丙烯酸系树脂、脂环式烯烃树脂等，由于透光性优越，所以是优选的。对于这些树脂，出于提高成型性或机械特性等目的，可以与其他树脂共聚合，或与其他树脂进行掺杂(alloy)，也可以将其他树脂混合，也可以不仅含有1种树脂而含有2种以上的树脂。

作为光学调整层9的第二光学材料，可以使用例如聚甲基丙烯酸甲酯、丙烯酸酯、异丁烯酸酯、尿烷丙烯酸酯、环氧丙烯酸酯、聚酯丙烯酸酯等(甲基)丙烯酸树脂。此外，也可以使用环氧树脂、氧杂环丁烷树脂、烯硫醇(enethiol)树脂，还可以使用聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸丁二醇酯及聚己丙酰胺等聚酯树脂。此外，也可以使用聚苯乙烯等聚苯乙烯树脂；聚丙烯等烯烃树脂；尼龙等聚酰胺树脂；聚酰亚胺或聚醚酰亚胺等聚酰亚胺树脂；聚乙烯醇；丁缩醛树脂；醋酸乙烯树脂；脂环式聚烯烃树脂等。此外，也可以使用这些树脂的混合体或共聚合体，还可以使用将这些树脂编成而成的树脂。

根据本实施方式，在基体的第二区域上形成有多个固定槽。由此，能够大幅提高基体与光学调整层的接合强度。因此，能够抑制制造时产生的光学调整层的裂缝缺陷，大幅提高生产性。

根据本实施方式，在基体的第二区域上形成的多个固定槽中位于最外侧的固定槽的深度比位于最内侧的固定槽的深度浅。由此，能够进一步大幅提高基体与光学调整层的接合强度。因此，能够抑制制造时产生的光学调整层的裂缝缺陷，大幅提高生产性。此外，能够提供一种可靠性高的衍射光学元件，防止由于环境的变化和长期使用等而从光学调整层的端部逐渐加重的基体与光学调整层的剥离。

这种剥离影响图像品质，在摄像时成为画面整体强调了白色而对比度恶化的低品质的图像。

【实施例】

(实施例1)

作为本实用新型的具体的一例，制作了图1及图2所示的基体1。

作为构成基体1的第一光学材料的第一树脂，使用聚碳酸酯树脂(d线折射率1.585、色散系数28)将第一光学材料注射成型，由此制作了基体1。

将固定槽D1的槽深度设为0.01mm、将固定槽D2的槽深度设为0.075mm、将固定槽D3的槽深度设为0.005mm。进而，槽间的形成间距为，以第一区域5与第二区域6之间的界面7为基准，在从界面7离开0.01mm的位置形成固定槽D1。固定槽D1与D2的间隔及固定槽D2与D3的间隔分别以0.025mm间距形成(尺寸在图中示出)。此外，本次形成的固定槽3设为仅一边以40°倾斜的槽形状。

在本基体1上，通过模具成型形成在紫外线固化树脂中分散了氧化锆添加剂而成的光学调整层9。作为紫外线固化树脂使用了丙烯酸酯树脂(d线折射率1.600、色散系数33)。

光学调整层9在固定槽3中无间隙地填充，基体1与光学调整层9表现出良好的接合强度。

(比较例1)

通过与实施例1相同的方法，制作了比较例1的衍射光学元件。

与实施例1的差异是，将3条固定槽的深度统一为0.016mm。

在实验中，使用将3条固定槽深度统一为0.016mm的基体来成型光学调整层，并且将成膜后的光学调整层从基体剥离并反转，使用激光显微镜实际测量从底面到突起前端的高度(向固定槽的进入量)。

其结果可知，如图4所示，仅第一区域侧的固定槽D1成为填充至与槽形成深度同等的高度的状态，光学调整层进入至固定槽D1的槽底的前端部并固化。

与此相对，在外周侧的固定槽D2及D3中，向固定槽的进入量逐渐减少，分别为0.015mm、0.014mm，不是完全填满固定槽的状态。如果考虑在槽内部无间隙地填充光学调整层9时能够发挥最大的附着强度，则在这样的状态下，可以认为固定槽D2及D3的附着强度劣于固定槽D1。

图6是表示应用了衍射光学元件的摄像装置的一例的图。另外，摄像装置不限定于图6所示的方式。如图6所示，摄像装置100由光学***101、摄像元件105及图像处理部110构成。

光学***101具有光圈102、衍射光学元件103及折射光学元件104。光学***101所具有的衍射光学元件103及折射光学元件104的数量根据光学***的设计目的来决定。另外，本实施方式的光学***101具有各一个衍射光学元件103及折射光学元件104，但是本实用新型的光学***不限定于该数量。例如，光学***101也可以分别具有多个衍射光学元件103及折射光学元件104。

光圈102调整入射到摄像元件105中的光量。另外，光圈102的设置位置根据光学***101的设计目的来决定。即，光圈102并非一定如图6所示设置在被摄体侧。光圈102也可以设置在摄像元件105侧，还可以设置在衍射光学元件103与折射光学元件104之间。

衍射光学元件103是本实施方式的衍射光学元件。通过在衍射光学元件103的基体的第二区域上形成多个固定槽，能够提高基体与光学调整层的接合强度。即，通过构成为容易剥离的光学调整层进入基体的固定槽，使光学调整层的膜厚也变厚，因此能够抑制光学调整层从基体分离。由此，能够抑制因分离而在光学调整层中产生裂缝。因此，能够降低因衍射光学元件103的光学调整层产生分离或裂缝的位置而对入射的光造成的影响。其结果，在接受来自衍射光学元件103的入射光的摄像元件105中，也能够提高图像品质。

因此，在具备调整入射的光量的光圈102、折射光学元件104、衍射光学元件103和将入射的光转换为电信号的摄像元件105的摄像装置100中，能够提高摄像装置100的图像品质。

折射光学元件104例如是凸透镜、凹透镜等，根据光学***的设计目的，设置在衍射光学元件103的前后。

摄像元件105是摄像***的一例，由例如CCD(电荷耦合器件：ChargeCoupled Device)、CMOS(互补金属氧化物半导体：Complementary MetalOxide Semiconductor)等固体摄像元件构成。摄像元件105将透过光学***101的来自被摄体的光转换为电信号。

图像处理部110由例如CPU(中央处理单元：Central Processing Unit)、存储器、***LSI等构成。图像处理部110对根据来自摄像元件105的电信号得到的图像进行画质修正。另外，图像处理部110在摄像装置100中并不是必须的结构。

Claims (10)

1.一种衍射光学元件，具有：

基体，在表面具有衍射栅格形状；以及

光学调整层，形成在所述基体的所述衍射栅格形状上；

所述基体包括在表面具有所述衍射栅格形状的第一区域、以及与所述第一区域相比位于外侧的第二区域；

所述光学调整层形成为覆盖所述第二区域的至少一部分和所述第一区域；

在被所述光学调整层覆盖的第二区域形成有多个固定槽。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述光学调整层的厚度为：在所述第二区域中，形成有所述固定槽的位置比未形成所述固定槽的位置厚。

3.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述多个固定槽中，位于最外侧的固定槽的深度比位于最内侧的固定槽的深度浅。

4.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

在所述多个固定槽中，位于最内侧的固定槽最深，越位于外侧的槽越浅。

5.如权利要求3所述的衍射光学元件，其中，

所述多个固定槽中最深的固定槽的深度为0.05mm以下。

6.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述多个固定槽是轴中心与所述衍射栅格形状的轴中心一致的同心圆形状。

7.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述第二区域的表面的一部分是平面形状，

所述光学调整层的表面的截面形状在所述第一区域中是与连接所述衍射栅格形状的衍射阶梯的前端而成的包络线相同的形状，所述光学调整层的表面的截面形状在所述第二区域中是沿着所述基体的形状的平面形状。

8.如权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

所述光学调整层的厚度为：从连接所述衍射栅格形状的衍射阶梯的前端而成的包络线沿着法线方向到所述光学调整层的表面的距离为0.05mm以下。

9.一种摄像装置，具备：

权利要求1～8中任一项所述的衍射光学元件；

光圈；

折射光学元件；以及

摄像元件。

10.如权利要求9所述的摄像装置，

所述摄像元件将透过所述衍射光学元件、所述光圈及所述折射光学元件的入射光转换为电信号。

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