DE60128761T2

DE60128761T2 - Diffraktives optisches Element und optisches System mit diesem

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Publication number: DE60128761T2
Application number: DE60128761T
Authority: DE
Inventors: Takeharu Ohta-ku Okuno; Hideki Ohta-ku Ogawa
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2001-09-07
Publication date: 2008-02-07
Anticipated expiration: 2021-09-08
Also published as: EP1186914A2; DE60128761D1; JP3486606B2; EP1186914A3; JP2002082214A; US20020105726A1; EP1186914B1; US6937397B2

Description

Gebiet der Erfindung und diesbezüglicher Stand der Technik
Diese Erfindung bezieht sich auf ein diffraktives optisches Element und ein optisches System mit diesem. Genauer gesagt betrifft die Erfindung ein diffraktives optisches Element und ein optisches System, welches das verwendet, durch das eine hohe Diffraktionseffizienz über einen breiten Wellenlängenbereich erreichbar ist, und durch das, wenn es in einem optischen System verwendet wird, eine hohe und gleichmäßige Diffraktionseffizienz über den gesamten Bildwinkel, der von einem axialen Licht zu einem abaxialen Licht reicht, erreichbar ist.
Eine von herkömmlichen Verfahren zum Korrigieren einer chromatischen Aberration eines optischen Systems ist, Linsen aus unterschiedlichen Glasmaterialien mit unterschiedlichen Dispersionen zu kombinieren.
Eine Alternative zu dem Kombinieren von Linsen aus unterschiedlichen Glasmaterialien, um die chromatische Aberration zu reduzieren, ist ein Verwenden eines diffraktiven optischen Elements, in dem ein Diffraktions- bzw. Beugungsgitter, das eine Lichtdiffraktionsfunktion hat, an einer Linsenoberfläche oder in einem Bereich eines optischen Systems ausgebildet ist, wie in "SPIE", Ausgabe 1354, International Lens Design Conference, 1990, behandelt ist, oder in der Japanischen Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 213421/1992 , der Japanischen Patentoffenlegungsschrift Nr. 324262/1994 oder dem US-Patent Nr. 5,044,706 , als Beispiel, offenbart ist.
Dies basiert auf einem physikalischen Phänomen, dass zwischen einer refraktiven Oberfläche und einer diffraktiven Oberfläche in einem optischen System chromatische Aberrationen bezüglich Lichtstrahlen einer bestimmten Referenzwellenlänge in entgegengesetzte Richtungen produziert werden.
Weiterhin kann ein solches diffraktives optisches Element, wie etwa eine Linse mit aspherischer Oberfläche, durch Verändern der Periode der periodischen Struktur des Gitters davon einen Effekt bereitstellen. Daher ist es sehr effektiv, die Aberration bzw. den Abbildungsfehler zu reduzieren.
Hier gilt, dass wenn ein Vergleich hinsichtlich der Lichtrefraktionsfunktion getroffen wird, während an einer Linsenoberfläche ein einzelner Lichtstrahl für ein einzelner Lichtstrahl gehalten wird, auch nachdem dieser refraktiert wurde, dieser dadurch an einer diffraktiven Oberfläche in Lichtstrahlen verschiedener Diffraktionsordnungen geteilt wird.
In Anbetracht dessen, dass wenn ein diffraktives optisches Element in einem optischen System zu verwenden ist, es notwendig ist, die Gitterstruktur zu bestimmen, so dass ein Lichtfluss eines Wellenlängenbereichs, der zu verwenden ist, in einer vorbestimmten Ordnung (nachstehend wird diese ebenso als "Auslegungsordnung" bezeichnet) zu konzentrieren. Wo Licht zu einer vorbestimmten Ordnung konzentriert wird, wird die Intensität von Lichtstrahlen von den anderen Diffraktionsordnungen klein. Wenn die Intensität Null ist, bedeutet dies, dass ein solches Diffraktionslicht nicht existiert.
Zu diesem Zweck, um die vorstehend beschriebenen Merkmale zu erfüllen, muss die Diffraktionseffizienz von Diffraktionslicht bei der Auslegungsordnung ausreichend hoch sein. Wenn es Lichtstrahlen mit Diffraktionsordnungen gibt, die unterschiedlich in der Auslegungsordnung sind, werden solche Lichtstrahlen an einem Ort dargestellt, der unterschiedlich dem Licht der Auslegungsordnung ist. Daher resultiert dies in ungewünschtem Licht, wie etwa Flackern („flare").
Daher ist es in einem optischen System mit einem diffraktiven optischen Element sehr wichtig, die spektrale Verteilung der Diffraktionseffizienz bei der Auslegungsordnung sowie der Bewegung von Lichtstrahlen von Ordnungen, die unterschiedlich der Auslegungsordnung sind, zu beachten.
8 zeigt ein diffraktives optisches Element 1, bei dem ein Beugungsgitter 3 mit einer Schicht auf einem Substrat 2 bereitgestellt ist, das an einer bestimmten Oberfläche in einem optischen System ausgebildet ist. 9 zeigt Diffraktionseffizienzkurven dieses diffraktiven optischen Elements hinsichtlich bestimmten Diffraktionsordnungen.
Im Folgenden entspricht jeder Wert von Diffraktionseffizienzen der Proportion der Lichtmenge eines individuellen Diffraktionslichts zu dem gesamten übertragenen Licht, und es schließt ein Reflektionslicht bei einer Gitterschnittstelle aus, zum Beispiel um eine Komplexität zu vermeiden.
Was das optische Material dieses Beugungsgitters betrifft, wurde ein durch ultraviolette Strahlen härtbares Harz 1 (nd = 1,513, νd = 51,0) verwendet. Die Gitterdicke d1 betrug 1,03 Mikrometer. In dieser Zeichnung zeigt die Abszissenachse die Wellenlänge, und die Ordinatenachse bezeichnet die Diffraktionseffizienz.
Dieses diffraktive optische Element 1 ist so gestaltet, dass es eine höchste Diffraktionseffizienz hinsichtlich eines verwendeten Wellenlängenbereichs (ungefähr eine Wellenlänge von 530 nm) zeigt. Die Auslegungsordnung ist die erste Ordnung.
Diffraktionseffizienzen bei Diffraktionsordnungen benachbart der Auslegungsordnung (d. h. nullte und zweite Ordnung eines Lichts um die erste Ordnung), sind ebenso gezeigt. Es wird aus der Zeichnung ersichtlich, dass die Diffraktionseffizienz für die Auslegungsordnung bei einer bestimmten Wellenlänge (nachstehend als "Auslegungswellenlänge" bezeichnet) am Höchsten wird. Bei anderen Wellenlängen nimmt die Effizienz schrittweise ab.
In der vorstehend beschriebenen Struktur ist die Auslegungsordnung die erste Ordnung. Jede Abnahme der Diffraktionseffizienz bei dieser Auslegungsordnung führt zu Diffraktionslicht anderer Ordnungen, und daher zu Flackern. Insbesondere wo mehrere Beugungsgitter verwendet werden, verursacht eine Abnahme der Diffraktionseffizienz bei einer anderen Wellenlänge als der Auslegungswellenlänge einen Abfall des Übertragungsfaktors.
Der Anmelder der gegenständlichen Anmeldung hat eine Struktur vorgeschlagen, durch die ein Abfall der Diffraktionseffizienz über einen breiten Wellenlängenbereich reduziert werden kann ( Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 133149/1998 ). Das in dieser Druckschrift vorgeschlagene diffraktive optische Element weist zwei Beugungsgitter einer akkumulierten sektionalen Form auf, wie in 10 gezeigt, in dem die Beugungsgitter 4 und 5 auf einem Substrat 2 akkumuliert sind. Durch Optimieren des Refraktionsindex, der Dispersionseigenschaft und der Gitterdicke der Materialien, die die beiden Beugungsgitter bilden, wird eine hohe Diffraktionseffizienz bei einer bestimmten Ordnung über einen breiten Wellenlängenbereich erreicht.
Die Japanische Patentanmeldungsoffenlegungsschrift Nr. 127322/1997 zeigt eine Struktur, durch die ein Abfall einer Diffraktionseffizienz reduziert werden kann. 11 zeigt diese Struktur, bei der das Beugungsgitter durch Verwenden von drei unterschiedlichen Materialien und zwei unterschiedlichen Gitterdicken d1 und d2 hergestellt ist. Durch Optimieren der Materialien und der Dicke wird eine hohe Diffraktionseffizienz über den gesamten sichtbaren Bereich erreicht.
Bei herkömmlichen diffraktiven optischen Elementen, wie etwa den vorstehend Beschriebenen, behandeln die Druckschriften, was die Gitterdicke des Beugungsgitters betrifft, nur einen einzelnen Zustand zum Erhalten der größten Diffraktionseffizienz hinsichtlich Licht, das senkrecht auf die Oberfläche eines Substrates auftrifft, wo das Beugungsgitter ausgebildet ist (das heißt, ein Lichteinfall mit einem Einfallswinkel von Null Grad). Die Gitterdicke wird unabhängig von dem Ort (Position) konstant gehalten.
Wenn jedoch ein diffraktives optisches Element tatsächlich in einem optischen System, zum Beispiel einem optischen Bilderfassungssystem mit einem Weitwinkel, das für eine Silber-Salz-Kamera oder einer Digitalkamera verwendet wird, oder einem optischen Weitwinkel-Observationssystem, wie etwa ein Teleskop, ein Fernglas oder ein Mikroskop, verwendet wird, fällt das Licht nicht immer senkrecht auf dem gesamten Bereich des diffraktiven Gitters mit einem Einfallswinkel von Null Grad auf, oder mit einer Winkelverteilung, die gleichmäßig in positiven und negativen Richtungen um die Null Grad verteilt ist.
Wenn die Gitterdicke, wie bei dem herkömmlichen vorstehend beschriebenen diffraktiven optischen Element, konstant gehalten wird, wenn Licht mit einem Einfallswinkel, anders als Null Grad, oder Licht mit einer Einfallswinkelverteilung, die über einen Winkel verteilt ist, der anders als Null Grad beträgt, auf das Gitter einfällt, wird die Diffraktionseffizienz dort niedrig. Dies verursacht Unannehmlichkeiten, wie etwa ein Abfall der Lichtmenge und ein Anstieg von Flackern.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, ein diffraktives optisches Element bereitzustellen, durch das eine hohe Diffraktionseffizienz erreicht werden kann, auch wenn dieses in einem optischen System mit einem Weitwinkel verwendet wird.
Es ist eine weitere Aufgabe der gegenwärtigen Erfindung, ein optisches System mit solch einem diffraktiven optischen Element bereitzustellen.
Gemäß einem ersten Aspekt der gegenwärtigen Erfindung ist ein diffraktives optisches Element bereitgestellt, mit: einer Vielzahl von Beugungsgittern aus Materialien, die verschiedene Dispersionen haben, und akkumuliert ausgebildet sind; wobei mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgitter eine variable Gitterdicke hat. Die Gitterdicke ist eine größte Dicke von Gitterelementen oder Gitterbereichen.
Ein zweiter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf den ersten Aspekt beziehen, und die Gitterdicke des mindestens einen Beugungsgitters kann variieren, um schrittweise von einer zentralen Region des diffraktiven optischen Elements in Richtung einer peripheren Region davon abzunehmen.
Ein dritter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf den ersten Aspekt beziehen, und die Gitterdicke des mindestens einen Beugungsgitters kann variieren, um von einer zentralen Region des diffraktiven optischen Elements in Richtung einer peripheren Region davon anzusteigen.
Ein vierter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis dritten Aspekt beziehen, und die Vielzahl von Beugungsgittern kann zwei Beugungsgitter umfassen, um sich so einander gegenüber zu liegen, wobei eine Luftschicht dazwischen eingeschoben ist.
Gemäß einem fünften Aspekt der gegenwärtigen Erfindung ist ein diffraktives optisches Element bereitgestellt, mit: einer Vielzahl von Beugungsgittern, die in Schichten einer Nummer L + 1, die von einer α-ten Schicht zu einer (α + L)-ten Schicht in einer Reihenfolge von der Lichteinfallsseite reicht; wobei das diffraktive optische Element eine Region umfasst, die angeordnet ist, so dass wo sich eine Diffraktionsordnung bei einer m-ten Ordnung befindet, und wenn ein bestimmter Lichtstrahl an einem j-ten Beugungsgitterelement einfällt, aus einer Reihenfolge von dem Zentrum, in einer α-ten Schicht-Beugungsgitter mit einem Einfallswinkel θα(j), sich die Gitterdicke jedes Gitterelements der Beugungsgitter ändert, um die folgende Bedingung hinsichtlich mehreren Auslegungswellenlängen, die für einen gemeinsamen Wert m eingestellt sind, zu erfüllen:
wobei

ni: der Brechungsindex eines lichteintrittsseitigen Materials oder Mediums eines Beugungsgitters in der i-ten Schicht (α ≤ i ≤ α + L) hinsichtlich einer Wellenlänge λ0 ist;
ni': der Brechungsindex eines Lichtaustrittsmaterials oder Mediums des Beugungsgitters der i-ten Schicht ist;
θi(j): der Einfallswinkel des bestimmten Lichtstrahls an dem j-ten Gitterelement in einer Reihenfolge von dem Zentrum des Beugungsgitters der i-ten Schicht ist;
θi'(j): der Austrittswinkel des bestimmten Lichtstrahls von dem j-ten Gitterelement in einer Reihenfolge von dem Zentrum des Beugungsgitters der i-ten Schicht ist;
di(j): die Gitterdicke des j-ten Gitterelements in einer Reihenfolge von dem Zentrum des Beugungsgitters der i-ten Schicht ist, wobei diese einen positiven Wert einnimmt, wenn das lichtaustrittsseitige Material oder Medium an einer Seite vorhanden ist, an der positives Licht erster Ordnung relativ zu Licht nullter Ordnung produziert wird, während diese einen negativen Wert einnimmt, wenn das lichteingangsseitige Material oder Medium dort vorhanden ist;
K: eine beliebige reelle Zahl, nicht kleiner als 0,9 und nicht größer als 1,1 ist; und
λ0: eine Auslegungswellenlänge ist.

Ein sechster Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis fünften Aspekt beziehen, und der bestimmte Lichtstrahl kann ein Lichtstrahl mit einen ungefähren Durchschnittseinfallswinkel aller Lichtstrahlen, die das Gitterelement durchlaufen, haben.
Ein siebter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis fünften Aspekt beziehen, und der bestimmte Lichtstrahl kann ein Lichtstrahl, unter Lichtstrahlen sein, die das Gitterelement durchlaufen, das den größten Absolutwert eines Einfallswinkels hat.
Ein achter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis fünften Aspekt beziehen, und wenn das diffraktive optische Element in einem optischen System verwendet wird, kann der bestimmte Lichtstrahl ein Lichtstrahl sein, der das Gitterelement durchläuft, und das Zentrum des optischen Systems durchläuft.
Ein neunter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis achten Aspekt beziehen, und mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgittern kann auf einer flachen Oberfläche und einer gewölbten Oberfläche ausgebildet sein.
Ein zehnter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis neunten Aspekt beziehen, und mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgittern kann entweder auf einer flachen oder einer gewölbten Oberfläche ausgebildet sein, wobei bei dem mindestens einen Beugungsgitter die Gitterdicke und die Dicke von der flachen oder der gewölbten Oberfläche zu der Mulde des Beugungsgitters schwanken kann.
Ein elfter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis zehnten Aspekt beziehen, und die Auslegungswellenlänge ist die des sichtbaren Lichtes.
Ein zwölfter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis elften Aspekt beziehen, und bei der Vielzahl von Beugungsgittern kann die Gitterdicke jedes Beugungsgitters nicht kleiner als 2,0 Mikrometer und nicht größer als 30 Mikrometer sein.
Ein dreizehnter Aspekt der gegenwärtigen Erfindung kann sich auf einen des ersten bis zwölften Aspekt beziehen, und mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgittern kann durch Formpressen eines durch Energie härtbares Material ausgebildet sein.
Gemäß einem vierzehnten Aspekt der gegenwärtigen Erfindung ist ein optisches System bereitgestellt, das mindestens ein diffraktives optisches Element gemäß einem der vorstehend beschriebenen ersten bis dreizehnten Aspekt umfasst. Dieses optische System kann ein bildendes optisches System oder ein optisches System zur Überwachung sein.
Diese und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden unter Berücksichtigung der folgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der gegenwärtigen Erfindung in Zusammenhang mit den anhängenden Zeichnungen verstanden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Frontansicht eines Hauptbereichs eines diffraktiven optischen Elements gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung.
2 ist eine schematische und eine sektionale Ansicht eines Hauptbereichs des diffraktiven optischen Elements gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
3 ist eine schematische Draufsicht eines diffraktiven optischen Elements gemäß der gegenwärtigen Erfindung.
4 ist eine schematische und eine sektionale Ansicht eines Hauptbereichs eines diffraktiven optischen Elements gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung.
5 ist eine schematische Ansicht eines optischen Systems zum Fotografieaufnehmen gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, das das diffraktive optische Element der gegenwärtigen Erfindung verwendet.
6 ist eine schematische und eine sektionale Ansicht eines Hauptbereichs eines diffraktiven optischen Elements gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung.
7 ist eine schematische Ansicht eines vierten Ausführungsbeispiels, das ein diffraktives optisches Element gemäß der gegenwärtigen Erfindung verwendet.
8 ist eine sektionale Ansicht eines herkömmlichen diffraktiven optischen Elements.
9 ist ein Graph zum Erläutern der Diffraktionseffizienz eines herkömmlichen diffraktiven optischen Elements.
10 ist eine sektionale Ansicht eines weiteren herkömmlichen diffraktiven optischen Elements.
11 ist eine sektionale Ansicht eines weiteren herkömmlichen diffraktiven optischen Elements.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele
1 ist eine Frontansicht eines ersten Ausführungsbeispiels eines diffraktiven optischen Elements gemäß der gegenwärtigen Erfindung. In der Zeichnung hat ein diffraktives optisches Element 1 eine mehrschichtige Struktur mit einem Substrat 2 und einer Vielzahl von Beugungsgittern, die angehäuft bzw. akkumuliert auf der Oberfläche des Substrats ausgebildet sind. Diese Beugungsgitter bestehen aus Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen.
2 zeigt die sektionale Form des diffraktiven optischen Elements 1 aus 1, entlang einer Linie A-A' in 1. Für ein besseres Verständnis ist die Illustration in 2 in der Dickerichtung des Beugungsgitters vergrößert.
Was die Form des Beugungsgitters dieses Ausführungsbeispiels betrifft, sind ein Beugungsgitter einer ersten Schicht 4 und ein Beugungsgitter einer zweiten Schicht 5 auf dem Substrat 2 angehäuft, um gegeneinander mit einer Luftschicht 8, die dazwischen eingeschoben ist, gegenüber zu stehen. Gitterelemente dieser Beugungsgitter sind entlang einer eindimensionalen Richtung (X-Richtung) angeordnet. Bei einer Schnittstelle zwischen dem Beugungsgitter der ersten Schicht 4 und der Luftschicht 8 ist eine erste Beugungsgitteroberfläche 6 definiert. Bei einer Schnittstelle zwischen der Luftschicht 8 und dem Beugungsgitter der zweiten Schicht 5 ist eine zweite Beugungsgitteroberfläche 7 definiert. Hier gilt, dass in diesen Gitteroberflächen die Gitterdicke d mit der Position entlang der Oberfläche (X-Richtung) schwankt, so dass eine größte Diffraktionseffizienz bei einem bestimmten Lichtstrahl oder Strahlen einer Auslegungswellenlänge erreicht werden können, die auf die Gitterelemente auftreffen. 2 zeigt einen Fall, in dem die Gitterdicke d1(p) der ersten Schicht bei dem p-ten Gitterelement in einer Reihenfolge von dem Zentrum, sowie die Gitterdicke d2(p) der zweiten Schicht davon, und die Gitterdicke d1(q) der ersten Schicht bei dem q-ten Gitterelement in einer Reihenfolge von dem Zentrum, sowie die Gitterdicke d2(q) der zweiten Schicht davon, sich voneinander unterscheiden. Insbesondere gelten die Beziehungen d1(p) > d1(q) und d2(p) > d2(q).
Hier gilt, dass das Zentrum Ca einen Mittelpunkt in der Distanz des diffraktiven optischen Elements 1 in der X-Richtung (Richtung der Anordnung des Gitterelements) darstellt. Die Zentralachse erstreckt sich durch diesen Mittelpunkt und senkrecht zu den Oberflächen des Substrats 2.
In der gegenwärtigen Erfindung ist entlang der Gitteroberfläche die Gitterdicke gemäß der Position der Oberfläche jedes Gitterelements optimiert. Dies stellt sicher, dass wenn das diffraktive optische Element in einem optischen System eingebaut wird, dass die Diffraktionseffizienz gleichmäßig über den gesamten Sichtwinkelbereich ist, und daher ein ungewünschtes Flackern zufriedenstellend vermieden werden kann. Daher ist eine hohe Diffraktionseffizienz erreichbar.
In diesem Ausführungsbeispiel ist der Abstand des Beugungsgitters in der eindimensionalen Richtung fixiert, oder alternativ wird diese mit einer bestimmten Proportion geändert. Die Gitterdicke wird gemäß der Position in der eindimensionalen Richtung (X-Richtung) verändert.
Als nächstes wird die Einfallswinkelabhängigkeit der Diffraktionseffizienz eines Beugungsgitters zum Bestimmen einer optimalen Gitterdicke jedes Beugungsgitterelements erläutert.
In einem diffraktiven optischen Element 1 mit einem gewöhnlichen Beugungsgitter, wie etwa in der sektionalen Ansicht von 8 gezeigt, ist die Bedingung zum Erhalten einer größten Diffraktionseffizienz bei einer Auslegungswellenlänge λ0, dass die Differenz des optischen Pfads, die in dem Licht (Wellenlänge λ0) bei dem Oberflächenabsatzbereich des Beugungsgitters (Element) 3 produziert wird, gleich einem Vielfachen mit einer ganzen Zahl der Wellenlänge ist. Im Allgemeinen wird dies wie folgt ausgedrückt: (n1 – n1')d1 = mλ0 (m ≠ 0) (1)wobei n1 und n1' Refraktionsindizes des lichteinfallsseitigen Materials oder Mediums, und des lichtausfallsseitigen Materials oder Mediums der Beugungsgitteroberfläche hinsichtlich der Wellenlänge λ0 sind, d1 die Gitterdicke, und m die Diffraktionsordnung (ungleich der nullten Ordnung) ist. Die vorstehende Gleichung ist eine Bedingung für einen Fall, in dem der Einfallswinkel von einfallendem Licht und der Ausfallswinkel der m-ten Ordnung des Diffraktionslichts beide gleich Null Grad sind, oder bei Null Grad angenähert werden.
Wenn jedoch der Ausfallswinkel der m-ten Ordnung des Diffraktionslichts so groß ist, dass diese nicht als Null Grad angenähert werden kann, ist die größte Diffraktionseffizienz mit dem Zustand der vorstehenden Gleichung (1) nicht erreichbar. Es ist notwendig, eine Gleichung zu verwenden, bei der der Ausfallswinkel berücksichtigt wird. Das heißt, der Zustand, bei dem eine größte Diffraktionseffizienz erreichbar ist, lautet: (n1 – n1'cosθ1')d1 = mλ0 (2)wobei θ1' der Ausfallswinkel der m-ten Ordnung des Diffraktionslichts von dem Gitter 3 ist. Jedoch ist θ1' ein Winkel des Ausfallswinkels des Diffraktionslichts hinsichtlich einer Normalen Ha auf die Oberfläche, wo das Gitter ausgebildet ist. Es ist kein Winkel hinsichtlich der Beugungsgitteroberfläche, wie etwa eine mikroskopisch betrachtete gebrannte Form. Dies gilt ebenso bei den Ausdrücken des Einfallswinkels und des Ausfallswinkels, worauf sich nachstehend bezogen wird.
In gewöhnlichen diffraktiven optischen Elementen, insbesondere wenn ein diffraktives optisches Element in einem Bereich eines optischen Systems zur Fotoaufzeichnung, oder einem optischen System zur Überwachung verwendet wird, ist nicht sichergestellt, dass bei allen Gittern, die an unterschiedlichen Positionen platziert sind, Lichtstrahlen mit Null Grad, oder einem Winkel, der bei Null Grad angenähert werden kann, auftrifft. Die Bedingung zum Sicherstellen einer größten Diffraktionseffizienz bei einem Lichtstrahl einer Wellenlänge λ0, die auf einem Gitter mit einem Einfallswinkel θ1 auftrifft, ist gegeben durch: (n1cosθ1 – n1'cosθ1')d1 = mλ0 (3)
In den Fällen von diffraktiven optischen Elementen des Anhäufungstyps mit zwei oder mehr Schichten mit angehäuften Beugungsgittern, ist das Konzept für die Bedingung zum Erreichen einer größten Diffraktionseffizienz, während der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel von Licht berücksichtigt werden, im Wesentlichen das gleiche. Genauer gesagt ist die Bedingung zum Erreichen einer größten Diffraktionseffizienz hinsichtlich eines Lichtstrahls einer Wellenlänge λ0, der mit einem Einfallswinkel θ1 auftrifft, wobei eine m-te Diffraktionsordnung durch das Beugungsgitter mit angehäuften Schichten einer Anzahl n produziert werden, wie folgt:
wobei n1 und n1' Refraktionsindizes eines lichteinfallsseitigen Materials oder Mediums, und des lichtausfallsseitigen Materials oder Mediums des Beugungsgitters der i-ten Schicht in einer Reihenfolge von der Lichteinfallsseite hinsichtlich der Wellenlänge λ0 sind. Ebenso sind θ1 und θ1' der Einfallswinkel und der Ausfallswinkel des Lichts auf und von dem Beugungsgitter der i-ten Schicht in einer Reihenfolge von der Lichteinfallsseite.
Es sei hier angemerkt, dass obwohl d1 die Gitterdicke gemessen entlang einer normalen auf die Oberfläche ist, wo das Beugungsgitter der i-ten Schicht ausgebildet ist, einen positiven Wert einnimmt, wenn das lichtausfallsseitige Material oder Medium an einer Seite vorhanden ist, wo ein Licht mit positiver erster Ordnung hinsichtlich Licht der nullten Ordnung produziert wird, wohingegen diese einen negativen Wert einnimmt, wenn das lichteinfallsseitige Material oder Medium dort vorhanden ist.
In der gegenwärtigen Erfindung muss eine bestimmte Anmerkung auf die Einfallswinkelverteilung von Lichtstrahlen einer Auslegungswellenlänge λ0, die auf einem j-ten Gitter (Element) eines Gitters einer i-ten Diffraktionsschicht in einer Reihenfolge von der zentralen Achse Ca auftrifft, gemacht werden, dass eine optimale Gitterdicke gemäß Gleichung (4) berechnet wird, auf der Basis des Einfallswinkels eines bestimmten Lichtstrahls, der einem Mittelwert, einem Gravitationszentrumswert, einem Maximalwert, oder dergleichen entspricht.
In diesem Ausführungsbeispiel, wie vorstehend beschrieben, werden mehrere Beugungsgitter aus unterschiedlichen Materialien als Schichten angehäuft. Gleichung (4) ist hinsichtlich des gleichen Wertes m (zum Beispiel m = 1) erfüllt, unter Berücksichtigung von mindestens zwei Wellenlängen, um so sicherzustellen, dass die Diffraktionseffizienz in der bestimmten Ordnung (Auslegungsordnung) über den gesamten genutzten Wellenlängenbereich (sichtbarer Bereich) hoch ist. Ebenso variiert die Gitterdicke bei mindestens einem der mehreren Beugungsgitter.
Bei diesem Aufbau, ähnlich einer Dechromatisation in einem gewöhnlichen dioptrischen System, werden mehrere Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen in Kombination verwendet, so dass die Wellenlängenabhängigkeit der Diffraktionseffizienz reduziert wird, und eine hohe Diffraktionseffizienz über den gesamten verwendeten Wellenlängenbereich erreichen zu können. Da weiterhin die Winkelverteilungen von Lichtstrahlen, die an unterschiedlichen Positionen auf der Oberfläche einfallen, wo das Beugungsgitter ausgebildet ist, in Betracht gezogen werden, und die Gitterdicke von individuellen Gitterelementen bestimmt wird, um eine größte Diffraktionseffizienz an entsprechenden Gitterelementen zu erlangen, kann die Diffraktionseffizienz von dem Zentrum zu der Peripherie des Blickwinkels gleichmäßig und hoch gehalten werden. Ebenso kann ein Flackern verhindert werden.
Mindestens ein Beugungsgitter unter den geschichteten Beugungsgittern umfasst einen Bereich, in dem sich die Gitterdicke von dem zentralen Bereich in Richtung des peripheren Bereichs davon ändert, um allmählich abzunehmen oder allmählich anzusteigen.
Vorteilhafte Effekte der gegenwärtigen Erfindung werden mit Bezug auf bestimmte Beispiele beschrieben.
Als ein diffraktives optisches Element des geschichteten Typs der gegenwärtigen Erfindung, in diesem Falle mit zwei Schichten von Beugungsgittern, wobei jedes ein solches wie in 2 gezeigt wird, aufweist, wird betrachtet. Als ein Beispiel eines Materials, ist in diesem Fall das Beugungsgitter 4 der ersten Schicht aus einem Harz, das mit ultravioletten Strahlen aushärtet 1, hergestellt (nd = 1,513, νd = 51,0), das eines der durch Energie aushärtbaren Materialien ist, während das Beugungsgitter der zweiten Schicht 5 aus einem Harz, das durch ultraviolette Strahlen aushärtet 2, hergestellt ist (nd = 1,636, νd = 22,8), das ebenfalls ein durch Energie aushärtbares Harz ist. In diesem Ausführungsbeispiel wird die Gitterdicke jedes Gitterelements bestimmt, nicht kleiner als 2,0 Mikrometer, und nicht größer als 30 Mikrometer zu sein.
Das Beugungsgitter der ersten Schicht 4 kann aus einem hitzehärtendem Harz als ein durch Energie härtbares Harz hergestellt sein.
In einem Beugungsgitter, in dem ein bestimmter Lichtstrahl bei einem Einfallswinkel von Null Grad darauf einfällt, wenn die Auslegungswellenlänge λ0 590 nm ist, und die Auslegungsdiffraktionsordnung die erste Ordnung ist, wird die Gitterdicke, die eine größte Diffraktionseffizienz erreicht, in der Gleichung, die den Einfallswinkel und den Ausfallswinkel nicht berücksichtigt, das heißt, in Gleichung (4), durch Austauschen von θi und θi' durch 0 (Null) bestimmt. Als ein Beispiel kann die Gitterdicke des Beugungsgitters der ersten Schicht 4 9,13 Mikrometer betragen, und die Gitterdicke des Beugungsgitters der zweiten Schicht 5 6,43 Mikrometer betragen.

Die nachstehende Tabelle 1 ist ein Vergleichsbeispiel und zeigt Diffraktionseffizienzen von Diffraktionslichter einer ersten Ordnung (Auslegungsordnung), nullter Ordnung und zweiter Ordnung, hinsichtlich Lichtstrahlen einer Wellenlänge von 590 nm, die bei Einfallswinkeln von –20 Grad, –15 Grad, –10 Grad, 0 Grad, 5 Grad, 10 Grad, 15 Grad und 20 Grad auf ein Beugungsgitter einfallen, das mit denselben Gitterdickenkombinationen wie vorstehend bestimmt werden, und einen Gitterabstand von 1 mm haben. Hier, was den Einfallswinkel in dem Fall von 2 betrifft, ist der Einfallswinkel von links negativ, während der Einfallswinkel von rechts positiv ist. TABELLE 1

WELLENLÄNGENABHÄNGIGKEIT VON DIFFRAKTIONSEFFIZIENZ (Gitterabstand: 1 mm)
EINFALLSWINKEL (Grad)	GITTERDICKE (Mikrometer)			DIFFRAKTIONSEFFIZIENZ η(%)
	1-te Schicht	2-te Schicht	1-te Ordnung	0-te Ordnung	2-te Ordnung
–20			93,05651	1,53511	2,77984
–15			98,15766	0,47911	0,64738
–10			99,70429	0,08458	0,09536
–5			99,98768	0,00370	0,00379
0	9,13	6,43	99,99986	0,00004	0,00004
5			99,94526	0,01621	0,01707
10			99,36153	0,17734	0,21158
15			96,89299	0,76891	1,13843
20			89,68200	2,10545	4,37704

In der Tabelle 1 ist die Diffraktionseffizienz η(λ0) ein Wert, der aus der folgenden Gleichung berechnet werden kann: η(λ0) = sinc2 [π{M – Φ(λ0)/λ0)] (5)wobei M eine gewünschte Diffraktionsordnung zum Berechnen der Effizienz ist, und Φ(λ0) gegeben ist durch:
In der gegenwärtigen Erfindung wird diese eingestellt durch: Φ(λ0) = (n1cosθ1 – n1'cosθ1')d1 + (n2cosθ2 – n2'cosθ2')d2 (6a)
Wobei n1 der Refraktionsindex des lichteinfallsseitigen Materials oder Mediums des Beugungsgitters der ersten Schicht 4 hinsichtlich einer Wellenlänge λ0 ist, n1' der Refraktionsindex des lichtausfallsseitigen Materials oder Mediums des Beugungsgitters der ersten Schicht 4 hinsichtlich einer Wellenlänge λ0 ist, n2 der Refraktionsindex des lichteinfallsseitigen Materials oder Mediums des Beugungsgitters der zweiten Schicht 5 hinsichtlich einer Wellenlänge λ0 ist, n2' der Refraktionsindex des lichtausfallsseitigen Materials oder Mediums des Beugungsgitters der zweiten Schicht 5 hinsichtlich einer Wellenlänge λ0 ist, θ1 ist der Einfallswinkel auf das Beugungsgitter der ersten Schicht 4, θ1' ist der Ausfallswinkel von dem Beugungsgitter der ersten Schicht 4, θ2 ist der Einfallswinkel auf das Beugungsgitter der zweiten Schicht 5, θ2' ist der Ausfallswinkel von dem Beugungsgitter der zweiten Schicht 5, d1 ist die Gitterdicke des Beugungsgitters der ersten Schicht 4, d2 ist die Gitterdicke des Beugungsgitters der zweiten Schicht 5. Was die Gitterdicke betrifft, nimmt diese einen positiven Wert ein, wenn an dem Seitenwandbereich des Gitters das lichtausfallsseitige Material an einer Seite vorhanden ist, wo Licht positiver erster Ordnung relativ zu Licht nullter Ordnung produziert wird, während diese einen negativen Wert einnimmt, wenn das lichteinfallsseitige Material dort vorhanden ist. In 2, in der ersten Schicht, gibt es ein Lichtausfallsseitiges Medium (in diesem Beispiel Luft), an der Seite, an der positives Diffraktionslicht erster Ordnung auftritt, und es nimmt einen positiven Wert ein (9,13 Mikrometer). In der zweiten Schicht gibt es ein lichtaustrittsseitiges Medium (in diesem Beispiel durch ultraviolette Strahlen härtbares Harz), an der Seite, an der positives Diffraktionslicht erster Ordnung relativ zu Licht nullter Ordnung auftritt, und diese nimmt einen positiven Wert ein (6,43 Mikrometer).
Es ist ebenso aus der Gleichung ersichtlich, dass hinsichtlich der in Tabelle 1 gezeigten Diffraktionseffizienzen eine Lichtreflexion an den Schnittstellen oder eine Lichtverdunklung durch Beugungsgitter nicht berücksichtigt werden.
Es wird aus Tabelle 1 ersichtlich, dass in einem Beugungsgitter mit Gitterelementen mit der gleichen Gitterdicke die Diffraktionseffizienz des Diffraktionslichts erster Ordnung (Auslegungsordnung) mit einem Anstieg eines absoluten Werts des Einfallswinkels abfällt, während die Diffraktionseffizienzen von Diffraktionslichtern nullter Ordnung und zweiter Ordnung, bei einer anderen als der Auslegungsordnung, größer werden. Diese Diffraktionslichter, die anders als die Auslegungsordnung sind, führen zu flackerndem Licht (Störlicht), und es wird gewünscht, dies zu verbessern oder diese zu reduzieren.

In Anbetracht dessen, gemäß der gegenwärtigen Erfindung, wird die Gitterdicke jedes Gitterelements variiert, um Gleichung (4) zu erfüllen, um eine größte Diffraktionseffizienz zu erlangen, gemäß dem Einfallswinkel von auf das Gitterelement einfallendem Licht. Tabelle 2 zeigt Diffraktionseffizienzen bei variierenden Gitterdicken in diesem Beispiel. TABELLE 2

DIFFRAKTIONSEFFIZIENZ BEI GITTERDICKEN, DIE EINEM EINFALLSWINKEL ENTSPRECHEN (Gitterabstand: 1 mm)
EINFALLSWINKEL (Grad)	GITTERDICKE (Mikrometer)			DIFFRAKTIONSEFFIZIENZ η(%)
EINFALLSWINKEL (Grad)	1-te Schicht	2-te Schicht	1-te Ordnung	0-te Ordnung	2-te Ordnung
–20	8,32	5,90	99,99869	0,00040	0,00040
–15	8,69	6,14	99,99957	0,00013	0,00013
–10	8,94	6,31	99,99982	0,00006	0,00006
–5	9,09	6,40	99,99988	0,00004	0,00004
0	9,13	6,43	99,99988	0,00004	0,00004
5	9,07	6,39	99,99989	0,00003	0,00003
10	8,90	6,28	99,99995	0,00002	0,00002
15	8,62	6,10	100,00000	0,00000	0,00000
20	8,23	5,85	99,99965	0,00011	0,00011

Die Gitterdicken sind ein Beispiel von Werten, bei denen die Gitterdicke d verändert wird, um die Gleichung (4) zu erfüllen.
Es wird aus Tabelle 2 ersichtlich, dass durch Erreichen einer optimalen Gitterdicke gemäß dem Einfallswinkel eine sehr hohe Diffraktionseffizienz hinsichtlich jedes Einfallswinkels erreicht wird, und dass die Effizienz klar verbessert wird, als im Vergleich mit der herkömmlichen Struktur, die in Tabelle 1 gezeigt wird, die ein Beispiel ist, wo die Gitterdicke mit einem Einfallswinkel und einem Ausfallswinkel optimiert ist, wobei beide gleich Null Grad sind.
Wenn jedoch ein diffraktives optisches Element tatsächlich in einem optischen System verwendet wird, können Lichtstrahlen mit einer bestimmten Einfallswinkelverteilung auf ein Gitterelement (Beugungsgitter) auftreffen, das sich bei einer bestimmten Distanz von dem optischen Achsenzentrum des optischen Systems befindet.
In Anbetracht dessen, um eine optimale Diffraktionseffizienz über den gesamten Blickwinkel zu erreichen, während die Einfallswinkelverteilung von Lichtstrahlen, die auf Bereiche (Beugungselemente) des diffraktiven optischen Elements auftreffen, zu berücksichtigen, wobei diese Gitterdicken hinsichtlich dem Einfallswinkel eines Lichtstrahls optimiert werden, entsprechend eines Mittelwertes, eines Schwerpunktwertes oder eines größten Absolutwertes, zum Beispiel, die von der Einfallswinkelverteilung von allen Lichtstrahlen, die die Gitterelemente durchlaufen, oder dem Einfallswinkel eines Lichtstrahls, der das Zentrum einer Blende eines optischen Systems mit dem darin eingebauten diffraktiven optischen Element durchlauft, bestimmt werden, und an den Gitterelementen angewendet werden.
In diesem Ausführungsbeispiel ist die Gitterdicke nicht geringer als 2,0 Mikrometer und nicht größer als 30 Mikrometer. Zufriedenstellende Diffraktionseffizienzen sind dadurch bereitgestellt. Die Gitterdicke kann in einem Bereich von Null bis 1,2 Mikrometer gemäß dem Blickwinkel verändert werden, und dies ist bezüglich der optischen Leistungsfähigkeit bevorzugt.
Ebenso wird aus Tabelle 1 ersichtlich, dass der Abfall einer Diffraktionseffizienz in einem diffraktiven optischen Element des Schichttyps mit Beugungsgittern einer gebrannten Form, wie etwa in 2 gezeigt, größer ist, wenn der Einfallswinkel positiv wird, als wenn dieser negativ wird. Das heißt, dass es Fälle gibt, wobei die Optimierung der Gitterdicke bevorzugt nicht hinsichtlich des Einfallswinkels eines bestimmten Lichtstrahls durchgeführt werden kann, wobei der Einfallswinkel einem Durchschnittswert, der von der Einfallswinkelverteilung bestimmt wird, entspricht, oder dem Einfallswinkel eines zentralen Lichtstrahls der Blende des optischen Systems mit dem diffraktiven optischen Element, sondern besser hinsichtlich des Einfallswinkels eines Lichtstrahls mit einem Einfallswinkel, der leicht positiv ist.
In diesem Ausführungsbeispiel sind eindimensionale Beugungsgitter 4 und 5 auf einer flachen Oberfläche des Substrats 2 ausgebildet. Jedoch werden im Wesentlichen die gleichen vorteilhaften Resultate erhalten als in einem Fall, wo diese auf einer gewölbten Oberfläche eines gewölbten Substrats ausgebildet sind.
Es sei hier angemerkt, dass wenn Beugungsgitter auf einer gewölbten Oberfläche, wie vorstehend beschrieben ausgebildet sind, die Gitterdicke davon definiert sein sollte, entlang einer Normalen zu dieser Oberfläche gemessen zu werden.
Weiterhin gilt in diesem Ausführungsbeispiel, wie in 1 gezeigt, das Beugungsgitterelemente direkt auf dem Substrat ausgebildet sind. Jedoch können Gitterelemente konzentrisch ausgebildet sein, wie in 3 gezeigt, um eine Diffraktionslinse mit einer Linsenfunktion bereitzustellen, wobei der Gitterabstand allmählich von dem Zentrum zu der Peripherie abnimmt. Im Wesentlichen die gleichen vorteilhaften Effekte können mit dieser Struktur erreicht werden.
Das in 3 gezeigte diffraktive optische Element 1 ist ein zweites Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung, und es weist eine Vielzahl von Beugungsgittern 3 mit einem Gitterabstand auf, der allmählich von dem Zentrum (optische Achse) La zu der Peripherie abnimmt, wobei diese Beugungsgitter auf einem Substrat 2 angehäuft sind.
In diesem Beispiel wird ebenso die Gitterdicke jedes Beugungsgitters 3 von dem Zentrum La zu der Peripherie variiert.
4 ist eine sektionale Ansicht eines Hauptbereichs des zweiten Ausführungsbeispiels der gegenwärtigen Erfindung, entlang einer Linie A-A in 3. In dem ersten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung, wie in 2 gezeigt, wird nur die Gitterdicke entlang einer vorbestimmten Richtung (X-Richtung) variiert. Im Vergleich werden in dem zweiten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung, wie in 4 gezeigt, nicht nur die Gitterdicken d1(j) und d2(j) entlang des Zentrums zu der Peripherie variiert, sondern ebenso die Dicke 16 (Gitterbasisdicke) von der Oberfläche, wo das Beugungsgitter ausgebildet ist, zu dem Tiefpunkt des Gitters variiert. In einem diffraktiven optischen Element kann ein Effekt, der einer aspherischen Linse äquivalent ist, einfach durch Ändern des Gitterabstands erhalten werden. Jedoch wird auch durch Ändern der Gitterbasisdicke ein aspherischer Linseneffekt einfach erreicht. In diesem Ausführungsbeispiel steigt die Gitterbasisdicke allmählich von dem Zentrum in Richtung der Peripherie an.
Wenn das diffraktive optische Element 1 des zweiten Ausführungsbeispiels in einem optischen System verwendet wird, ist eine große Diffraktionseffizienz hinsichtlich Lichtstrahlen eines breiten Wellenlängenbereichs erreichbar.
5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines optischen Systems, das ein diffraktives optisches Element gemäß der gegenwärtigen Erfindung verwendet. Insbesondere ist 5 eine sektionale Ansicht eines optischen Systems zum Fotoaufzeichnen, wie etwa zum Beispiel eine Kamera. In 5 bezeichnet 9 eine Fotoaufnahmelinse, in der ein diffraktives optisches Element 1 gemäß der gegenwärtigen Erfindung auf einem Substrat 2 bereitgestellt ist, das eine Linse ist. 10 bezeichnet eine Blende, und 11 ist ein Film, der einer Aufzeichnungsebene entspricht, oder ein festes Bildaufzeichnungselement, wie etwa ein CCD.
Das diffraktive optische Element hat eine geschichtete Struktur mit mehreren Beugungsgittern, die aus Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen bestehen. Mit diesem Aufbau wird die Wellenlängenabhängigkeit der Diffraktionseffizienz deutlich verbessert. Ebenso werden Gitterdicken, die auf Basis der Einfallswinkelverteilung entsprechend der Position auf der Gitteroberfläche optimiert werden, erhalten. Als eine Folge davon, wird die Diffraktionseffizienz nicht nur hinsichtlich axialen Lichts sehr verbessert, sondern ebenso hinsichtlich abaxialen Lichts. Daher wird eine hochqualitative Fotoaufzeichnungslinse mit weniger flackerndem Licht mit einer hohen Auflösung über den gesamten Blickwinkel erreicht. Weiterhin kann das diffraktive optische Element 1 der gegenwärtigen Erfindung durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, wie in 6 gezeigt, nachdem die Beugungsgitter 4 und 5 produziert werden, werden diese an dem peripheren Bereich 12 davon aneinander verklebt. Daher wird eine billige Linse, die für eine Massenproduktion geeignet ist, als eine Fotoaufzeichnungslinse bereitgestellt.
Obwohl dieses Ausführungsbeispiel eine Fotoaufzeichnungslinse einer Kamera betrifft, ist dies nur ein Beispiel. Im Wesentlichen die gleichen vorteilhaften Effekte sind erreichbar, wenn die Erfindung zum Beispiel bei einer Fotoaufzeichnungslinse einer Videokamera angewendet wird.
7 ist eine schematische Ansicht eines Hauptbereichs eines optischen Systems mit einem diffraktiven optischen Element gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung. Insbesondere zeigt 7 einen Bereich eines optischen Systems zur Überwachung, zum Beispiel eines Fernglases. In der Zeichnung bezeichnet 13 ein Prisma (Bildinversionseinrichtung) zum Invertieren eines Bildes, und 14 bezeichnet eine Okularlinse. 15 bezeichnet eine Evaluationsebene (Pupillenebene). 1 ist ein diffraktives optisches Element der gegenwärtigen Erfindung. Das diffraktive optische Element 1 ist bereitgestellt, um eine chromatische Aberration, zum Beispiel an der Abbildungsebene 11 des gesamten optischen Systems, zu korrigieren.
Das diffraktive optische Element hat einen geschichteten Aufbau mit mehreren Beugungsgittern, die aus Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen hergestellt sind. Mit diesem Aufbau wird die Wellenlängenabhängigkeit der Diffraktionseffizienz merklich verbessert. Ebenso werden Gitterdicken, die auf Basis der Einfallswinkelverteilung entsprechend der Position auf der Gitteroberfläche optimiert werden, gegeben. Als eine Folge davon, wird die Diffraktionseffizienz nicht nur hinsichtlich axialen Lichts sehr verbessert, sondern ebenso hinsichtlich abaxialen Lichts. Daher wird eine hochqualitative Fotoaufzeichnungslinse mit weniger Flackerlicht mit einer hohen Auflösung über den gesamten Blickwinkel erreicht. Weiterhin kann das diffraktive optische Element der gegenwärtigen Erfindung durch ein einfaches Verfahren hergestellt werden, und daher wird ein billiges optisches System, das für eine Massenproduktion geeignet ist, als ein optisches System zur Überwachung bereitgestellt.
In diesem Ausführungsbeispiel ist das diffraktive optische Element 1 an der Objektivlinsenseite in dem optischen System zur Überwachung bereitgestellt. Jedoch ist dies nur ein Beispiel. Es kann an der Oberfläche der Prismaoberfläche oder an der Position der Okularlinse 14 bereitgestellt sein. Wenn es an der Objektseite der Abbildungsebene bereitgestellt wird, wird der Effekt zum Reduzieren der chromatischen Aberration nur an der Objektivlinsenseite produziert. Daher ist im Fall eines optischen Systems zur Überwachung mit bloßem Auge vorzugsweise mindestens ein diffraktives optisches Element an der Objektivlinsenseite bereitgestellt.
Weiterhin gilt, dass obwohl dieses Ausführungsbeispiel ein Fernglas betrifft, dass dies nur ein Beispiel ist. Es kann an einem Teleskop, einem astronomischen Teleskop oder einem Mikroskop angewendet werden. Darüber hinaus werden im Wesentlichen die gleichen vorteilhaften Effekte in Fällen eines Suchers eines optischen Typs, wie etwa einer Videokamera oder einer Linsenblendenkamera, erreicht.
Bei der gegenwärtigen Erfindung, wie vorstehend beschrieben, wird ein diffraktives optisches Element in einen Bereich eines optischen Systems verwendet, und um eine größte Lichtverwendungseffizienz in dem gesamten optischen System zu erreichen, wird die Einfallswinkelverteilung aller Lichtstrahlen, die die Gitterelemente an unterschiedlichen Positionen auf dem diffraktiven optischen Element durchlaufen, in Betracht gezogen, und die Gitterdicke jedes Beugungsgitters wird auf optimale Werte entsprechend den Positionen auf der Oberfläche geändert. Größte Diffraktionseffizienzen werden dadurch an entsprechenden Gitterelementen erhalten.
Insbesondere weist das diffraktive optische Element dieses Ausführungsbeispiels mehrere Beugungsgitter mit unterschiedlichen Dispersionen auf, die in Schichten angehäuft sind, auf. Dies ermöglicht ein Vergrößern der Diffraktionseffizienz von Licht bei einer bestimmten Ordnung (Auslegungsordnung) und über den gesamten verwendeten Wellenlängenbereich. Wobei solch ein diffraktives optisches Element in einem optischen System zu verwenden ist, werden optimale Gitterdicken der Gitterelemente bestimmt, während die Einfallswinkelverteilung aller Lichtstrahlen, die auf die Gitterelemente an Positionen von dem optischen Achsenzentrum zu der Peripherie auftreffen, berücksichtigt werden. Mit diesem Aufbau werden gleichmäßige und große Diffraktionseffizienzen von dem Zentrum zu der Peripherie des Blickwinkels erreicht. Daher wird ein optisches System mit einem diffraktiven optischen Element, durch das ein Flackern reduziert werden kann, bereitgestellt.
Gemäß der gegenwärtigen Erfindung, wie vorstehend beschrieben, wird ein diffraktives optisches Element, das eine große Diffraktionseffizienz über einen breiten Blickwinkel erreicht, auch bei Verwenden in einem optischen Weitwinkelsystem, erreicht.
Während die Erfindung mit Bezug auf die hier offenbarten Strukturen beschrieben wurde, ist diese nicht auf die ausgeführten Details beschränkt, und diese Anmeldung ist dazu gedacht, solche Modifikationen oder Veränderungen abzudecken, die innerhalb des Umfangs der nachfolgenden Patentansprüche liegen.

Claims

Diffraktives optisches Element (1), mit: einer Vielzahl von laminierten Beugungsgittern (4, 5), die zwei Beugungsgitter aufweisen, die aus Materialien hergestellt sind, die verschiedene Dispersionen aufweisen; und einem Substrat (2), auf dessen oberer Oberfläche mindestens eines der Vielzahl von Gittern (4) ausgebildet ist; wobei einfallendes Licht auf das optische Element über einen Beugungsvorgang beeinflusst wird, wenn es die Vielzahl von Beugungsgittern und das Substrat durchläuft; wobei mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgittern eine variable Gitterdicke (d) aufweist, die gemäß einer Position entlang des mindestens einen Beugungsgitters variiert; dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgittern (4) eine variable Dicke (16) von der oberen Oberfläche des Substrats (2) bis zu individuellen Durchgängen des mindestens einen Beugungsgitters (4) aufweist, die gemäß einer Position entlang des mindestens einen Beugungsgitters (4) variiert, wodurch ein nicht-sphärischer Einfluss geschaffen wird.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die maximale Gitterdicke (d) des mindestens einen Beugungsgitters (4) variiert, um von einem zentralen Bereich (La) des diffraktiven optischen Elements in Richtung eines äußeren Bereichs davon allmählich abzunehmen.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die maximale Gitterdicke (d) des mindestens einen Beugungsgitters (4) variiert, um von einem zentralen Bereich (La) des diffraktiven optischen Elements in Richtung eines äußeren Bereichs davon allmählich anzusteigen.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Beugungsgittern zwei Beugungsgitter (4, 5) umfasst, die so laminiert sind, sich einander gegenüberzuliegen, wobei eine Luftschicht (8) dazwischen eingeschoben ist.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1, wobei die obere Oberfläche gewölbt ist.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1, mit: einer Vielzahl von Beugungsgittern (4, 5), die in Schichten einer Anzahl L + 1 ausgebildet sind, die sich von einer α-ten Schicht bis zu einer (α + L)-ten Schicht in einer Reihenfolge beginnend von der Lichteintrittsseite erstrecken; wobei das diffraktive optische Element einen Bereich umfasst, der dort angeordnet ist, wo eine Beugungsordnung bei der m-ten Ordnung liegt, und wenn ein bestimmter Lichtstrahl auf ein j-tes Beugungsgitterelement einfällt, in einer Reihenfolge beginnend von dem Zentrum, in einer α-ten Schicht eines Beugungsgitters bei einem Einfallswinkel θα(j), sich die Gitterdicke (d) jedes Gitterelements der Beugungsgitter ändert, um die folgende Bedingung bezüglich mehrerer Auslegungswellenlängen, die für einen gemeinsamen Wert m eingestellt sind, zu erfüllen,
wobei ni den Brechungsindex eines Mediums auf der Seite des Lichteinfalls eines Beugungsgitters in der i-ten Schicht (α ≤ i ≤ α + L) bezüglich einer Wellenlänge λ0 darstellt; ni' den Brechungsindex eines Mediums auf der Seite des Lichtaustritts des Beugungsgitters der i-ten Schicht darstellt; θi(j) den Einfallswinkel des bestimmten Lichtstrahls auf das j-te Beugungselement in einer Reihenfolge, beginnend von dem Zentrum, des Beugungsgitters der i-ten Schicht darstellt; θi'(j) den Austrittswinkel des bestimmten Lichtstrahls von dem j-ten Beugungselement in einer Reihenfolge, beginnend von dem Zentrum, des Beugungsgitters der i-ten Schicht darstellt; di(j) die Gitterdicke des j-ten Beugungselements in einer Reihenfolge, beginnend von dem Zentrum, des Beugungsgitters der i-ten Schicht darstellt, wobei diese einen positiven Wert einnimmt, wenn das Medium der Lichtaustrittsseite sich an einer Seite befindet, wo positives Licht erster Ordnung relativ zu Licht der 0-ten Ordnung produziert wird, während diese einen negativen Wert einnimmt, wenn das Medium der Lichteingangsseite dort vorhanden ist; K eine beliebige reelle Zahl ist, die nicht kleiner als 0,9 und nicht größer als 1,1 ist; und λ0 eine Auslegungswellenlänge darstellt.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 6, wobei die Auslegungswellenlänge (λ0) die des sichtbaren Lichts ist.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei bei der Vielzahl von Beugungsgittern (4, 5) die Gitterdicke (d) jedes Beugungsgitters nicht kleiner als 2,0 μm und nicht größer als 30 μm ist.
Diffraktives optisches Element gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 6, wobei mindestens eines der Vielzahl von Beugungsgittern (4, 5) durch Ausformen eines unter Energiebeaufschlagung aushärtenden Materials gebildet wird.
Optisches System (9), das mindestens ein diffraktives optisches Element (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche umfasst.