專利名稱：光學(xué)材料、光學(xué)元件、光學(xué)系統(tǒng)、層疊型衍射光學(xué)元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及折射光學(xué)元件以及衍射光學(xué)元件等光學(xué)元件中使用的光學(xué)材料。特別是涉及折射率色散高的光學(xué)材料以及由其形成的光學(xué)元件，衍射光學(xué)元件，層疊型衍射光學(xué)元件。
背景技術(shù)：
以往，在僅由光的折射構(gòu)成的折射光學(xué)系統(tǒng)中，通過色散特性不同的玻璃組合減少色差。例如，在望遠(yuǎn)鏡等物鏡中把色散小的玻璃作為正透鏡，色散大的玻璃作為負(fù)透鏡，通過把它們組合使用，修正在軸上出現(xiàn)的色差。因而，在限制透鏡的結(jié)構(gòu)、片數(shù)的情況下或者限制所使用的玻璃的情況下等，非常難以充分地修正色差。
另外，在SPIE Vol.1354國際透鏡設(shè)計會議(1990)中，公開了在透鏡面或者光學(xué)系統(tǒng)的一部分上，通過使用具有衍射光柵的衍射光學(xué)元件減小色差的方法。該方法是利用了在作為光學(xué)元件的折射面和衍射面中，對于某種基準(zhǔn)波長的光線的發(fā)生色差的方向成為相反為樣的物理現(xiàn)象的方法。進(jìn)而，這樣的衍射光學(xué)元件通過使該衍射光柵的周期性構(gòu)造的周期變化，能夠具有與非球面透鏡相同的效果。因此，在降低色差方面具有非常大的效果。
這里，說明光線的衍射作用。一般入射到作為折射系統(tǒng)的光學(xué)元件的球面以及非球面物鏡中的一條光線在由其球面以及非球面折射了以后還成為一條光線。對此，入射到作為衍射系統(tǒng)的光學(xué)元件的衍射光學(xué)元件中的一條光線通過衍射作用分為各次的多條光線。
從而，為了充分地發(fā)揮作為光學(xué)系統(tǒng)所使用的衍射光學(xué)元件的特長，必須把使用波長區(qū)的光束集中在特定次數(shù)(以后也稱為設(shè)計次數(shù))。在使用波長區(qū)的光束集中在設(shè)計次數(shù)中的情況下，除此以外的衍射次數(shù)的衍射光的強度非常低。因此，設(shè)計次數(shù)以外的光線不會成為在與設(shè)計次數(shù)的光線不同的位置成像的光斑光。
預(yù)先決定衍射光柵的光柵構(gòu)造，使得使用波長區(qū)的光束集中在設(shè)計次數(shù)，使衍射效率充分高的結(jié)構(gòu)公開在特開平09-127321號(專利文獻(xiàn)1)，特開平09-127322號(專利文獻(xiàn)2)，特開平11-044808號(專利文件3)，特開平11-044810號(專利文獻(xiàn)4)中。這些結(jié)構(gòu)成為組合構(gòu)成多個光學(xué)元件，通過最佳地選擇各光學(xué)元件的折射率色散和光學(xué)元件邊界面中所形成的光柵的形狀，在大波長范圍內(nèi)具有高衍射效率的結(jié)構(gòu)。具體地講，通過在基板上層疊多個光學(xué)材料，在其邊界面的至少一個上形成輔助圖形，階梯形狀，奎諾仿等，形成所希望的衍射光學(xué)元件。
在這些以往專利中，為了得到具有大波長范圍高衍射效率的結(jié)構(gòu)，把折射率色散相對低的材料與折射率色散相對高的材料組合起來。具體地講，在特開平09-127321號的情況下，作為折射率色散低的材料使用BMS81(nd＝1.64，νd＝60.1ォハラ制)，作為折射率色散高的材料使用塑料光學(xué)材料PC(nd＝1.58，νd＝3.5帝人化成)。同樣，在特開平09-127322號的情況下，作為折射率色散低的材料使用LaL14(nd＝1.698，νd＝5.55ォハラ制)，丙烯樹脂(nd＝1.49，νd＝57.7)，Cytop(nd＝1.34149，νd＝93.8旭玻璃制)，作為折射率色散高的材料使用塑料光學(xué)材料PC(nd＝1.58，νd＝30.5帝人化成)。在特開平11-044808號以及特開平11-044810號的情況下，作為折射率色散低的材料，使用C001(nd＝1.525，νd＝50.8大日本ィンキ制)，PMMA(nd＝1.4917，νd＝57.4)，BMS81(nd＝1.64，νd＝60.1ォハラ制)，作為折射率色散高的材料使用塑料光學(xué)材料PC(nd＝1.58，νd＝30.5帝人化成)，PS(nd＝1.5918，νd＝31.1)等。
另外，在折射率色散的高的材料和低的材料中，折射率色散的差越大所構(gòu)成的光學(xué)元件的衍射效率越高，光學(xué)元件的視角越廣。為此，需要使用折射率色散更高(阿貝數(shù)小)的材料，由此能夠更正確地修正色差。
圖1是示出作為光學(xué)材料，市場銷售的材料的阿貝數(shù)和折射率的曲線圖。圖1中，縱軸是折射率(nd)，橫軸是阿貝數(shù)(νd)。上述的特開平09-127321號，特開平09-127322號，特開平11-044808號，特開平11-044810號中記載的光學(xué)材料包括在圖1中。如從圖1所知，一般的光學(xué)材料的折射率滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.70。另外，圖中所示的直線是nd＝-6.667×10-3νd+1.70。另外，在圖1中所示的有機高分子的光學(xué)材料中阿貝數(shù)最小的是作為阿貝數(shù)為17.3的聚乙烯咔唑(PVCZ)。
但是，為了進(jìn)一步提高衍射光學(xué)元件的性能，僅簡單地使用折射率色散高(阿貝數(shù)小)的材料，雖然可視區(qū)整個區(qū)域的衍射效率高，但是在使用波長區(qū)將部分地發(fā)生衍射效率的衰落。圖2是示出在作為折射率色散高的材料使用了聚乙烯咔唑的情況下，使用了聚乙烯咔唑的多層衍射光學(xué)元件的衍射效率的曲線圖。圖2的縱軸示出衍射效率，橫軸示出波長。如圖2所示，在使用波長區(qū)(400nm～700nm)中，400～420nm，630～700nm中的衍射效率是95％左右的非常低的程度，特別是在短波長區(qū)中的衍射效率的降低顯著。為此需要進(jìn)一步改良。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供僅簡單地使用折射率色散高(阿貝數(shù)小)的材料，通過使用考慮了折射率nd，阿貝數(shù)νd，二次色散θg，F(xiàn)以及折射率nd與阿貝數(shù)νd的關(guān)系，阿貝數(shù)νd與二次色散θg，F(xiàn)的關(guān)系的光學(xué)材料，使可視區(qū)整個區(qū)域中的衍射效率提高的同時，不發(fā)生各波長區(qū)中部分衍射效率的衰落的光學(xué)材料以及光學(xué)元件。
本發(fā)明為解決上述的課題，提供d線的折射率與阿貝數(shù)的關(guān)系是nd＞-6.667×10-3νd+1.07，阿貝數(shù)νd與二次色散θg，F(xiàn)的關(guān)系是θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59的光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供上述阿貝數(shù)νd是30以下的光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供上述光學(xué)材料由ITO構(gòu)成的光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供包含上述二次色散θg，F(xiàn)為0.45以下無機納微粒子的光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供上述光學(xué)材料是包括聚苯乙烯和ITO納微粒子的光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供上述ITO納微粒子的粒徑是2～50nm的光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供從上述光學(xué)材料制作的光學(xué)元件。
另外本發(fā)明提供在上述光學(xué)元件的表面上形成衍射面的衍射光學(xué)元件以及以形成折射面為特征的折射光學(xué)材料。
另外本發(fā)明提供使上述衍射光學(xué)元件和具有與上述衍射光學(xué)元件不同的光學(xué)特性的衍射光學(xué)元件的相互的衍射面對峙后組合起來構(gòu)成的層疊型衍射光學(xué)元件。
另外本發(fā)明提供以具有上述光學(xué)元件為特征的投影光學(xué)系統(tǒng)以及攝影光學(xué)系統(tǒng)。
圖1是示出一般的光學(xué)材料中的折射率與阿貝數(shù)的分布的曲線圖。
圖2是示出使用了PVCZ的多層衍射光學(xué)元件的可視波長區(qū)的衍射效率的曲線圖。
圖3是示出一般光學(xué)材料中的阿貝數(shù)與二次色散的分布的曲線圖。
圖4A、4B、4C是示出ITO的可視波長區(qū)的折射率的曲線圖。
圖5A、5B、5C是示出實施例1中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖6A、6B、6C是示出實施例1中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖7是示出實施例1中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖8是示出實施例1中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖9A、9B、9C是示出實施例2中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖10是示出實施例2中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖11是示出實施例2中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖12A、12B、12C是示出實施例3中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖13是示出實施例3中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖14是示出實施例3中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖15A、15B、15C、15D、15E、15F、15G、15H、15I是示出實施例4中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖16是示出實施例4中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖17是示出實施例4中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖18A、18B、18C是示出比較例1中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖19是示出比較例1中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖20是示出比較例1中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖21A、21B、21C是示出比較例2中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖22是示出比較例2中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖23是示出比較例2中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖24A、24B、24C是示出比較例3中的光學(xué)元件的成形工藝的剖面圖。
圖25是示出比較例3中的多層衍射光學(xué)元件的構(gòu)造的剖面圖。
圖26是示出比較例3中的多層衍射光學(xué)元件的一次衍射光強度的曲線圖。
圖27是第2實施形態(tài)中的投影光學(xué)系統(tǒng)的模式圖。
圖28是第3實施形態(tài)中的攝影光學(xué)系統(tǒng)的模式圖。
具體實施例方式
第1實施形態(tài)通常，基于光學(xué)元件的光的折射率是波長越短越急劇地變化，與所設(shè)計的折射率的差增大。為此，波長越短對于設(shè)計次數(shù)的衍射效率越降低。本發(fā)明者們發(fā)現(xiàn)這種物質(zhì)的波長色散的急劇變化起因于折射率的二次色散θg，F(xiàn)＝(ng-nf)/(nf-nc)，折射率的二次色散(θg，F(xiàn))越小則衍射效率越提高。
圖3是與圖1相同，示出作為光學(xué)材料，市場銷售的材料的阿貝數(shù)與二次色散的關(guān)系的曲線圖。圖3中，縱軸是二次色散(θg， F)，橫軸是阿貝數(shù)(νd)。如從圖3所知，一般的光學(xué)材料的二次色散滿足θg，F(xiàn)＞-2×10-3νd+0.59本發(fā)明者著眼于降低二次色散的值，研究了通過使在聚合物等光學(xué)材料中含有在通常光學(xué)材料中不使用的阿位數(shù)小的無機氧化物的納微粒子，從而是否能夠做成滿足折射率的二次色散的光學(xué)材料。作為阿貝數(shù)小的無機氧化物，考慮TiO2(nd＝2.2652，νd＝11.8)，Nb2O5(nd＝2.367，νd＝14.0)，ITO(nd＝1.8581，νd＝5.53)，Cr2O3(nd＝2.2178，νd＝13.4)，BaTiO3(nd＝2.4362，νd＝11.3)等。研究的結(jié)果，通過使用ITO，能夠得到滿足以及折射率的二次色散滿足θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59的光學(xué)材料。另外，這時的光學(xué)材料的阿貝數(shù)最好是30以下。如果大于30，則與折射率色散低的材料的折射率色散的差減小，不能夠得到所希望的衍射效率。
于是，詳細(xì)地研究了ITO。ITO與其它的無機氧化物不同，除去由電子遷移引起的折射率的變化以外，通過錫的摻雜或者由氧的空穴發(fā)生自由載流子，折射率變化。圖4A、4B以及4C示出ITO的波長與折射率的關(guān)系。圖4A示出由電子遷移引起的各波長中的折射率的變化，圖4B示出由自由載流子引起的各波長中的折射率的變化。另外，圖4C示出由電子遷移引起的折射率的變化和由自由載流子引起的折射率的變化組合起來的實際的ITO的各波長中的折射率的變化。如從圖4A所知，由電子遷移引起的折射率色散在可視區(qū)中在400nm～450nm的短波長一側(cè)急劇地變化。另外如從圖4B所示，由自由載流子引起的折射率色散在可視區(qū)中，在600nm～700nm的長波長一側(cè)其變化劇烈。通過把這兩種影響組合起來，與其它的無機氧化物相比較，折射率的二次色散(θg，F(xiàn))非常小。從而，與ITO相同，能夠使用透明的而且有自由載流子影響的SnO2以及ATO(摻雜了銻的SnO2)等。
另外，ITO通常是構(gòu)成透明電極的材料，通常，在液晶顯示元件、EL元件等中使用。大多在其厚度為50～500nm的范圍內(nèi)使用。但是，通過真空成膜整形，還能夠在50nm以下厚度的衍射光學(xué)元件中使用。另外，由于ITO能夠與作為主要聚合物的市場銷售的UV硬化樹脂相組合，因此作為光學(xué)材料能夠非常容易地制造，特別是能夠容易地適用在通過光硬化制造的衍射光學(xué)元件中。
另外，ITO，SnO2以及ATO等的無機氧化膜物粒子的二次色散(θg，F(xiàn))最好是0.45以下。這是因為如果大于0.45，則與折射率色散低的材料的折射率色散的差減小，不能夠得到所希望的衍射效率。
另外，在使用ITO納微粒子時其粒徑最好是2～50nm。如果粒徑大于50nm則混合物的光散射加大，不能夠作為光學(xué)元件使用。另外，如果粒徑小于2nm，則表面量子效果加大，顯示不出ITO的特性。
另外，含有ITO的光學(xué)材料在阿貝數(shù)νd相同的情況下，與滿足nd≤-6.667×10-3νd+1.07條件的材料相比較，滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07條件的材料的二次色散(θg，F(xiàn))小。因此，降低設(shè)計次數(shù)以外的衍射光的效果大。
另外，作為含有ITO的聚合物，最適宜的是能夠混合ITO納微粒子均勻色散的聚苯乙烯。含有ITO的聚苯乙烯能夠通過使在苯乙烯單體中添加了ITO納微粒子的材料硬化得到。其中，含有ITO的聚合物不限于聚苯乙烯，作為光學(xué)材料滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07而且θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59即可。
如以上說明的那樣，通過使用在聚合物等光學(xué)材料中添加ITO納微粒子可以得到的，nd＞-6.667×10-3νd+1.07而且θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59的特性的光學(xué)材料，能夠提供更正確地修正色差的光學(xué)元件。另外，能夠提供不發(fā)生部分衍射效率的衰落，在各使用波長區(qū)中衍射效率非常穩(wěn)定的光學(xué)元件。
另外在本實施形態(tài)中僅說明了衍射光學(xué)系統(tǒng)，但是本發(fā)明不限于該系統(tǒng)。本發(fā)明還能夠在使用了折射率色散的二次色散小的特性的衍射光學(xué)系統(tǒng)中利用。
實施例1參照圖5A～5C至8，說明實施例1中的層疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。首先，在使平均粒徑10nm的ITO納微粒子以4.4w％色散了的三氯甲烷溶液100g中添加了12g苯乙烯單體和0.15g光起始劑1-羥基-環(huán)己-苯-酮以后，減壓去除三氯甲烷溶液，制造了光學(xué)原料2。
接著如圖5A所示，在加工衍射光柵形狀的模具1中供給光學(xué)原料2。然后，如圖5B所示，在光學(xué)原料2上放入玻璃(BK7)平板3，用UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)以20000mJ/cm2(100mW/cm2，200秒)進(jìn)行照射。然后，如圖5C所示，把硬化了的光學(xué)材料2’從模具1中脫模，制造了衍射光學(xué)元件4。另外，該光學(xué)原料2通過UV曝光硬化，形成進(jìn)行了苯乙烯的聚合的聚苯乙烯和ITO納微粒子的光學(xué)材料。從而，光學(xué)材料2’的光學(xué)特性是(nd＝1.606，νd＝22.7，θg，F(xiàn)＝0.495)。該光學(xué)特性同時滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07，θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59。
另一方面，為了形成又一個光學(xué)元件，作為光學(xué)材料準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。如圖6A所示，在氮氣環(huán)境中把加工衍射光柵的模具5加熱到280℃以后，使光硬化樹脂6流入到加工成衍射光柵的模具5中。在其上面放上玻璃(BK7)平板7，如圖B所示那樣加壓。然后，用未圖示的UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)照射了3000mJ/cm2(100mW/cm2，30秒)以后，如圖6C所示，把硬化了的光學(xué)材料6’從模具5脫模，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件4和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖7所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件10。9是決定衍射光學(xué)元件4與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件4和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是80.00μm。衍射光學(xué)元件4與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是24.00μm，峰間的間隔是1.50μm。衍射光學(xué)元件4的峰的高度是9.79μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是12.71μm。
圖8示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件10中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖8中，波長400nm時的衍射效率是99.3％，波長500nm時的衍射效率是99.7％，波長700nm時的衍射效率是99.4％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件10的衍射效率在使用波長的整個區(qū)域成為99％以上，可以說顯示出非常良好的強度的波長分布。
實施例2其次，參照圖9A、9B、9C，圖6A、6B、6C，圖10，圖11，說明實施例2中的層疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。首先，在使平均粒徑10nm的ITO納微粒子以8.8w％色散了的三氯甲烷溶液100g中添加了12g苯乙烯單體和0.15g光起始劑1-羥基-環(huán)己-苯-酮以后，減壓去除三氯甲烷溶液，制造了光學(xué)原料2。
接著如圖9A所示，在加工衍射光柵形狀的模具11中供給光學(xué)原料12。然后，如圖9B所示，在光學(xué)原料12上放入玻璃(BK7)平板13，用UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)以20000mJ/cm2(100mW/cm2，200秒)進(jìn)行照射。然后，如圖9C所示，把硬化了的光學(xué)材料12’從模具11中脫模，制造了衍射光學(xué)元件14。另外，該光學(xué)原料12通過UV曝光硬化，形成進(jìn)行了苯乙烯的聚合的聚苯乙烯和ITO納微粒子的光學(xué)材料。從而，光學(xué)材料12’的光學(xué)特性是(nd＝1.620，νd＝18.2，θg，F(xiàn)＝0.442)。該光學(xué)特性同時滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07，θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59。
另一方面，作為為了形成又一個光學(xué)元件的光學(xué)材料，準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。通過與圖6A～圖6C所示的實施例1相同的方法，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件14和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖10所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件20。19是決定衍射光學(xué)元件14與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件14和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是85.00μm。衍射光學(xué)元件14與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是18.67μm，峰間的間隔是1.50μm。衍射光學(xué)元件14的峰的高度是7.25μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是9.29μm。
圖11示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件20中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖11中，波長400nm時的衍射效率是99.3％，波長500nm時的衍射效率是99.9％，波長700nm時的衍射效率是99.9％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件20的衍射效率在使用波長的整個區(qū)域成為99％以上，可以說顯示出非常良好的強度的波長分布。
實施例3其次，參照圖12A、12B、12C，圖6A、6B、6C，圖13，圖14，說明實施例3中的層疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。首先，在使平均粒徑10nm的ITO納微粒子以10w％色散了的三氯甲烷溶液200g中添加了12g苯乙烯單體和0.15g光起始劑1-羥基-環(huán)己-苯-酮以后，減壓去除三氯甲烷溶液，制造了光學(xué)原料22。
接著如圖12A所示，在加工衍射光柵形狀的模具21中供給光學(xué)原料22。然后，如圖12B所示，在光學(xué)原料22上放入玻璃(BK7)平板23，用UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)以20000mJ/cm2(100mW/cm2，200秒)進(jìn)行照射。然后，如圖12C所示，把硬化了的光學(xué)材料22’從模具21中脫模，制造了衍射光學(xué)元件24。另外，該光學(xué)原料22通過UV曝光硬化，形成進(jìn)行了苯乙烯的聚合的聚苯乙烯和ITO納微粒子的光學(xué)材料。從而，光學(xué)材料22’的光學(xué)特性是(nd＝1.648，νd＝13.3，θg，F(xiàn)＝0.385)。該光學(xué)特性同時滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07，θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59。
另一方面，作為為了形成又一個光學(xué)元件的光學(xué)材料，與實施例1相同，準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。通過與圖6A～圖6C所示的實施例1相同的方法，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件24和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖13所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件30。29是決定衍射光學(xué)元件24與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件24和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是80.00μm。衍射光學(xué)元件24與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是13.21μm，峰間的間隔是1.50m。衍射光學(xué)元件24的峰的高度是4.66μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是7.05μm。
圖14示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件30中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖14中，波長400nm時的衍射效率是99.7％，波長500nm時的衍射效率是100％，波長700nm時的衍射效率是100％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件30的衍射效率在使用波長的整個區(qū)域成為99％以上，可以說顯示出非常良好的強度的波長分布。
實施例4其次，參照圖15A～15I，圖6A～6C，圖16，圖17，說明實施例4中的層疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。首先，裝載添加了1％光起始劑1-羥基-環(huán)己-苯-酮的甲基丙烯酸甲酯，制造了光學(xué)原料32。接著如圖15A所示，在加工衍射光柵形狀的模具31中供給光學(xué)原料32。然后，如圖15B所示，在光學(xué)原料32上放入玻璃(BK7)平板33，用UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)照射了3000mJ/cm2(100mW/cm2，30秒)。然后，如圖15C所示，把硬化了的光學(xué)材料32’從模具31中脫模，制造了衍射光學(xué)元件34。然后，如圖15E所示，在真空度2×10-4pa下，在光學(xué)材料32’上作為光學(xué)材料成膜了2μm的ITO35。然后，如圖15F所示，通過研磨ITO的表面，做成了1條牛頓線以下的平面。然后，如圖15G所示，把涂敷了硅烷耦合劑的玻璃板36粘接在ITO上，然后，如圖15H所示，通過加入甲基·異丁基甲酮溶劑使硬化了的PMMA溶解，制作了圖15I所示的ITO的衍射元件形狀37。作為這時的光學(xué)材料的ITO的光學(xué)特性是(nd＝1.857，νd＝5.7，θg，F(xiàn)＝0.291)。
另一方面，作為為了形成又一個光學(xué)元件的光學(xué)材料，與實施例1相同，準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。通過與圖6A～圖6C所示的實施例1相同的方法，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件37和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖16所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件40。39是決定衍射光學(xué)元件37與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件37和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是80μm。衍射光學(xué)元件37與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是6.22μm，峰間的間隔是1.5μm。衍射光學(xué)元件37的峰的高度是1.34μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是3.38μm。
圖17示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件40中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖17中，波長400nm時的衍射效率是99.8％，波長500nm時的衍射效率是100％，波長700nm時的衍射效率是100％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件40的衍射效率在使用波長的整個區(qū)域成為99％以上，可以說顯示出非常良好的強度的波長分布。
比較例1其次，參照圖18A～18C，圖6A～6C，圖19，圖20，說明比較例1中的折疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。作為比較例1，代替實施例1所示的光學(xué)原料2，作為光學(xué)材料使用了光學(xué)特性(nd＝1.636，νd＝22.8，θg，F(xiàn)＝0.697)的光硬化樹脂102。其光學(xué)特性滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07，但是不滿足θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59。
如圖18A所示，在模具101中供給了光硬化樹脂102。如圖18B所示，用玻璃(BZ7)平板103按壓其表面，用未圖示的UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)照射了20000mJ/cm2(100mW/cm2，200秒)。然后，如圖18C所示，把光硬化樹脂102從模具101中脫模，制造了衍射光學(xué)元件104。
另一方面，作為為了形成又一個光學(xué)元件的光學(xué)材料，與實施例1相同，準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。通過與圖6A～圖6C所示的實施例1相同的方法，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件104和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖19所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件110。109是決定衍射光學(xué)元件104與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件104和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是80μm。衍射光學(xué)元件104與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是17.06μm，峰間的間隔是1.50μm。衍射光學(xué)元件104的峰的高度是6.43μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是9.13μm。
圖20示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件110中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖20中，波長400nm時的衍射效率是97％，波長500nm時的衍射效率是98.3％，波長700nm時的衍射效率是95.3％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件110的衍射效率與實施例1～4的層疊型衍射光學(xué)元件的衍射效率相比較，總體降低。特別是400～410nm，450～530nm，650～700nm中的衍射效率顯著降低。
比較例2其次，參照圖21A～21C，圖6A～6C，圖22，圖23，說明比較例2中的折疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。作為比較例2，首先，在使平均粒徑10nm的ITO納微粒子以4.8w％色散了的MEK溶液100g中添加了12g甲基丙烯酸甲脂和0.15g光起始劑1-羥基-環(huán)己-苯-酮以后，用減壓去除了MEK溶液的原料制造了光學(xué)原料112。
接著如圖21A所示，在模具111中供給了光學(xué)原料112。接著如圖21B所示，在光學(xué)原料112上用玻璃(BZ7)平板113按壓，用未圖示的UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)照射了20000mJ/cm2(100mW/cm2，200秒)。然后，如圖21C所示，把光學(xué)原料112從模具111中脫模，制造了衍射光學(xué)元件114。此時，硬化光學(xué)原料112后形成的光學(xué)材料的光學(xué)特性為(nd＝1.523，νd＝23.0，θg，F(xiàn)＝0.53)。該光學(xué)特性滿足θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59，但不滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.70。
另一方面，作為為了形成又一個光學(xué)元件的光學(xué)材料，與實施例1相同，準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。通過與圖6A～圖6C所示的實施例1相同的方法，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件114和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖22所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件120。119是決定衍射光學(xué)元件114與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件114和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是80.0μm。衍射光學(xué)元件114與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是23.56μm，峰間的間隔是1.50μm。衍射光學(xué)元件114的峰的高度是12.47μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是11.09μm。
圖23示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件120中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖23中，波長400nm時的衍射效率是99.1％，波長500nm時的衍射效率是99.5％，波長700nm時的衍射效率是98.6％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件120的衍射效率與實施例1～4的層疊型衍射光學(xué)元件的衍射效率相比較，總體降低。
比較例3其次，參照圖24A～24C，圖6A～6C，圖25，圖26，說明比較例3中的折疊型衍射光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)及其制造方法。作為比較例3，代替實施例1所示的光學(xué)原料2，使用了由添加了1％的光起始劑1-羥基-環(huán)己-苯-酮的N-乙烯基咔唑(東京化成工業(yè)制造)構(gòu)成的光學(xué)材料122。
接著如圖24A所示，在模具121中供給了光學(xué)材料122。如圖24B所示，在光學(xué)材料122上用玻璃(BZ7)平板103按壓，在每個模具保持為70℃的狀態(tài)下，用未圖示的UV曝光機(EX250HOYA-SCHOTT公司制)照射了20000mJ/cm2(100mW/cm2，200秒)。在經(jīng)過4小時冷卻到室溫以后，如圖24C所示，把硬化了的光學(xué)材料122’從模具121中脫模，制造了衍射光學(xué)元件124。形成該光學(xué)元件122’的光學(xué)材料的光學(xué)特性是(nd＝1.699，νd＝17.4，θg，F(xiàn)＝0.694)，該光學(xué)特性滿足nd＞-6.667×10-3νd+1.07，但是不滿足θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59。
另一方面，作為為了形成又一個光學(xué)元件的光學(xué)材料，與實施例1相同，準(zhǔn)備了光學(xué)特性(nd＝1.513，νd＝51.0)的光硬化樹脂6。通過與圖6A～圖6C所示的實施例1相同的方法，制造了衍射光學(xué)元件8。
接著，在衍射光學(xué)元件124和衍射光學(xué)元件8的衍射面上成膜了防反射膜以后，如圖25所示那樣，使相互的衍射光柵相對組合，制造了層疊型衍射光學(xué)元件130。129是決定衍射光學(xué)元件124與衍射光學(xué)元件8的間隔的空間。衍射光學(xué)元件124和衍射光學(xué)元件8的各個光柵之間的間隙都是80.00μm。衍射光學(xué)元件124與衍射光學(xué)元件8的相互的衍射光柵的谷間的間隔是11.87μm，峰間的間隔是1.50μm。衍射光學(xué)元件124的峰的高度是3.91μm，衍射光學(xué)元件8的峰的高度是6.45μm。
圖26示出所制造的層疊型衍射光學(xué)元件130中的入射角0的一次衍射光的各波長(400nm～700nm)中的強度的曲線圖。橫軸示出波長，縱軸示出衍射效率。在圖26中，波長400nm時的衍射效率是95.0％，波長500nm時的衍射效率是98.4％，波長700nm時的衍射效率是95.4％。從而，層疊型衍射光學(xué)元件130的衍射效率與實施例1～4的層疊型衍射光學(xué)元件的衍射效率相比較，總體降低。
這里，在表1中示出了實施例1～4以及比較例1～3的入射角0度的一次衍射光的各波長(400nm，500nm，700nm)中的衍射效率。表1中，作為條件1是，作為條件2是。在各光學(xué)材料滿足條件的情況下用○表示，如果不滿足則用×表示。一般層疊型衍射光學(xué)元件的折射效率如果是99％以上則可以說是良好的。因此，本次實驗中的是否良好的判斷根據(jù)在400nm～700nm的可視區(qū)整個區(qū)域中，衍射效率是否為99％以上決定。
表1
如從表1所示，在實施例1～4的光學(xué)材料中，與比較例1～3的光學(xué)材料相比較，可知可視區(qū)的整個區(qū)域(400nm～700nm)中的各使用波長區(qū)的衍射效率非常穩(wěn)定。
第2實施形態(tài)第2實施形態(tài)是示出在投影光學(xué)系統(tǒng)中使用了在上述第1實施形態(tài)中所示的衍射光學(xué)元件的情況。圖27中示出投影光學(xué)系統(tǒng)。圖30中，71是光源，72是十字線，73是投影光學(xué)系統(tǒng)78的透鏡鏡筒，74是透鏡，75是本發(fā)明的衍射光學(xué)元件，76是晶片，77是晶片載置臺。
衍射光學(xué)元件75設(shè)置成使得修正透鏡74的色差。由晶片載置臺77把晶片76定位在所希望的位置，由未圖示的聚焦檢測裝置，把晶片的高度調(diào)整到焦點位置。這里，根據(jù)情況，用未圖示的檢測系統(tǒng)，對于在晶片上已經(jīng)處于曝光下的層的標(biāo)志，對準(zhǔn)十字線。當(dāng)結(jié)束了聚焦和對準(zhǔn)時，打開未圖示的快門，由來自光源71的照明光照明十字線，由投影光學(xué)系統(tǒng)78在晶片76的抗蝕劑層上投影曝光十字線72上的電路圖形。
這樣曝光了的晶片76經(jīng)過眾所周知的顯像處理工藝或者腐蝕工藝的成為多個器件。具有本發(fā)明的光學(xué)元件的光學(xué)系統(tǒng)同樣也能夠適用在圖像形成用的光學(xué)設(shè)備或者透明用的照明裝置等中。另外，作為本發(fā)明的光學(xué)元件，除去衍射光學(xué)元件以外還能夠使用具有所希望形狀的光學(xué)元件。
第3實施形態(tài)第3實施形態(tài)在攝影光學(xué)系統(tǒng)中使用了在上述第1實施形態(tài)中所示的衍射光學(xué)元件。圖28示出攝影光學(xué)系統(tǒng)。圖28中，攝影光學(xué)系統(tǒng)88分別各至少具有一個以上的衍射光學(xué)元件85，折射光學(xué)元件83，光圈84。圖28中示出在攝影光學(xué)系統(tǒng)88中來自入射物體的光束在感光單元(攝影裝置)86上成像的狀態(tài)。
衍射光學(xué)元件85的設(shè)計次數(shù)的衍射光與折射光學(xué)元件83的合成下進(jìn)行象差修正，使得在特定的波長區(qū)可以得到良好的光學(xué)特性。感光單86由具有不同的分光靈敏度的多個感光體構(gòu)成，成為通過合成來自不同的分光靈敏度的感光體的圖像可以得到全彩色圖像的結(jié)構(gòu)。另外，作為感光單元86通常使用CCD，氯銀酸鈉膠卷，感光體，以及人眼等。
如果依據(jù)本發(fā)明，則通過使用d線的折射率(nd)與阿貝數(shù)(νd)的關(guān)系是nd＞-6.667×10-3νd+1.07，阿貝數(shù)(νd)與二次色散(θg，F(xiàn))的關(guān)系是θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59的光學(xué)材料，能夠提供不發(fā)生由波長引起的部分衍射效率的衰落，可視區(qū)整個區(qū)域中的各使用波長區(qū)的衍射效率良好的光學(xué)元件。換言之，即使是折射率大，nd＜-6.667×10-3νd+1.07的光學(xué)材料，但是如果二次色散(θg，F(xiàn))滿足θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59，則成為衍射效率穩(wěn)定的光學(xué)材料，能夠提供更正確地修正了色差的光學(xué)元件。
另外，通過使用阿貝數(shù)(νd)為30以下的光學(xué)材料，能夠得到衍射效率高的光學(xué)材料。另外，通過使用硬化時的二次色散(θg， F)為0.45以下而且與無機納微粒子的混合體構(gòu)成的光學(xué)材料，能夠得到衍射效率高的光學(xué)材料。另外，通過使用聚苯乙烯和ITO納微粒子，特別是包括粒徑2～50nm的ITO納微粒子的光學(xué)材料，能夠得到不發(fā)生光散射，或者不會由于表面的量子效果增大而不顯示ITO的特性的衍射效率高的光學(xué)材料。
權(quán)利要求
1.一種光學(xué)材料，其特征在于滿足下面的條件如果把對于d線的折射率記為nd，對于d線的阿貝數(shù)記為νd，則nd＞-6.667×10-3νd+1.07如果把對于d線的二次分散性記為θg，F(xiàn)，對于d線的阿貝數(shù)記為νd，則θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)材料，其特征在于上述阿貝數(shù)νd是30以下。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)材料，其特征在于該光學(xué)材料由包含有二次分散性θg，F(xiàn)的值為0.45以下的無機納微粒子的聚合物構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)材料，其特征在于上述無機納微粒子是ITO納微粒子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的光學(xué)材料，其特征在于上述ITO納微粒子的粒徑是2～50nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)材料，其特征在于該光學(xué)材料由ITO形成。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的光學(xué)材料，其特征在于上述聚合物是聚苯乙烯。
8.一種光學(xué)元件，該光學(xué)元件由權(quán)利要求1的光學(xué)材料構(gòu)成，其特征在于該光學(xué)元件通過硬化反應(yīng)形成為所希望的形狀。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)元件，其特征在于一方的表面是具有衍射形狀的衍射面。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的光學(xué)元件，其特征在于一方的表面是具有折射形狀的折射面。
11.一種光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)是在同一個光路中配置權(quán)利要求7的光學(xué)元件和其它的光學(xué)元件而形成。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)是拍攝預(yù)定物體的攝影光學(xué)系統(tǒng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求11所述的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于該光學(xué)系統(tǒng)是在預(yù)定的物體上投影光的投影光學(xué)系統(tǒng)。
14.一種層疊型衍射光學(xué)元件，其特征在于由下述元件構(gòu)成第1衍射光學(xué)元件，其一方的表面是具有衍射形狀的衍射面，且由如果把對于d線的折射率記為nd，對于d線的阿貝數(shù)記為νd，則nd>-6.667×10-3vd+10.7,如果把對于d線的二次分散性記為θg，F(xiàn)，對于d線的阿貝數(shù)記為νd，則θg，F(xiàn)≤-2×10-3νd+0.59的光學(xué)材料形成；第2衍射光學(xué)元件，其比第1衍射光學(xué)元件的阿貝數(shù)大，且其一方的表面是具有衍射形狀的衍射面，該衍射面配置成與第1衍射光學(xué)元件的衍射面相互對峙。
全文摘要
提供一種光學(xué)材料、光學(xué)元件、光學(xué)系統(tǒng)、層疊型衍射光學(xué)元件。通過使用d線的折射率(n
文檔編號G02B5/18GK1487310SQ0315557
公開日2004年4月7日 申請日期2003年8月29日 優(yōu)先權(quán)日2002年8月30日
發(fā)明者宇久田秀雄 申請人:佳能株式會社