專(zhuān)利名稱(chēng)：衍射光學(xué)器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種衍射光學(xué)器件，尤其是一種防止甚至在小光柵周期區(qū)域內(nèi)衍射交率下降的衍射光學(xué)器件。
用于實(shí)現(xiàn)光衍射的衍射光學(xué)部件，有一個(gè)衍射光柵條紋圖案。此柵紋圖案通過(guò)在一基片上布置一組光柵單元而構(gòu)成。衍射效率是投射于衍射光學(xué)部件上的光發(fā)生衍射那部分光的比率，它取決于光柵條紋的圖案。一般地講，衍射效率的高低是確定衍射光學(xué)器件質(zhì)量的一個(gè)最主要的要素。
傳統(tǒng)的衍射光學(xué)器件之一是一種衍射微透鏡，它使垂直照射在其上的光發(fā)生衍射。參見(jiàn)

圖1和2，其中表示了這種傳統(tǒng)的衍射微透鏡100。圖1是微透鏡100的平面圖，表示出了它的光柵條紋圖案，而圖2是微透鏡100的一個(gè)剖面圖。微透鏡100包括一個(gè)基片11。垂直地投射在基片11底表面上的光在基片上方會(huì)聚和準(zhǔn)直。如圖1所示，一組光柵單元18被同心地安置在基片11的上表面，從而形光柵條紋圖案。光柵單元18所在位置的周期(下文中稱(chēng)為″光柵周期″)向著基片11的外圓方向逐漸地減小。如圖2所示，每個(gè)光柵單元18都有一個(gè)矩形截面。
圖3是另一種衍射微透鏡200的剖面圖，是由J.Jahns和S.T.Walker在″由蒸鍍薄膜制成的衍射微透鏡二維陳列″，應(yīng)用光學(xué)(AppliedOptics)Vol.29，No.7，PP931～936(1990)。微透鏡200包括基片11和一組安置在基片11頂表面的光柵單元28，每個(gè)光柵單元28有數(shù)個(gè)不連續(xù)的相位階梯。在圖3的實(shí)例中，每個(gè)光柵單元28有包括基片11頂表面在內(nèi)的四個(gè)相位階梯。采用這種記數(shù)方法，圖2中微透鏡100中的光柵單元18則有兩個(gè)階梯。這一光柵單元相位階梯的記數(shù)方法將在本說(shuō)明書(shū)中繼續(xù)使用。
衍射微透鏡100有一個(gè)41％的衍射效率，而衍射微透鏡200有一個(gè)高達(dá)81％的衍射效率。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)光柵單元的相位階梯數(shù)越大，衍射效率就越高。比如，每個(gè)光柵單元有8個(gè)相位階梯的情況下衍射效率為95％，每個(gè)光柵單元有16個(gè)相位階梯的情況下衍射效率為99％。
鑒于上述衍射效率與相位階梯數(shù)之間的關(guān)系，很容易作出假設(shè)，任一種類(lèi)型的衍射光學(xué)器件都呈這一關(guān)系。
在光以偏于垂直于基片方向一個(gè)角度入射時(shí)，事實(shí)是相位階梯數(shù)越大，光柵周期較大的區(qū)域衍射效率越高。包括本發(fā)明的發(fā)明人在內(nèi)的探索者的發(fā)現(xiàn)，在光柵周期較小，即近似為入射光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，當(dāng)相位階梯數(shù)增加時(shí)，衍射效率明顯地降低。
而且，在光柵周期小的區(qū)域，精密加工難以實(shí)現(xiàn)。因此，實(shí)際上不可能將光柵單元加工成理想的形狀，從而降低了衍射光學(xué)器件的光學(xué)特性。
本發(fā)明一方面涉及了一種衍射光學(xué)器件，它包括使發(fā)生衍射的光透射的基片，和一個(gè)位于基片上并含有一組各有多個(gè)不連續(xù)相位階梯的光柵單元的光柵部分。該組光柵單元這樣安置，基片表面區(qū)域不同處其光柵周期不同，而且隨光柵周期的變化則相位階梯數(shù)不同。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，隨著光柵周期的減小相位階梯數(shù)逐漸減少。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在光柵周期至少為第一預(yù)定數(shù)乘以光波長(zhǎng)所得第一值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)至少為3。在光柵周期小于第一值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)是2。第一預(yù)定值大致在1.5至3之間。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，光柵部分在光柵周期小于第一值的區(qū)域內(nèi)的占空比例基本上在0.15與0.5之間。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在光柵周期至少為第2預(yù)定數(shù)乘以光波長(zhǎng)所得第二值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)至少為4。在光柵周期小于第二值且至少為第一值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)為3。第二值大致在2至5之間且比第一預(yù)定數(shù)大。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在光柵周期至少為第3預(yù)定數(shù)乘以光波長(zhǎng)所得第三值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)至少為5。在光柵周期小于第三值且至少為第二值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)為4。第三值大致在4與7之間，并大于第二預(yù)定數(shù)。
在本發(fā)明一個(gè)實(shí)施方案中，其光柵單元隨著其相位階梯數(shù)的不同而有不同高度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，在多個(gè)不連續(xù)的相位階梯中最底層階梯是基片的表面。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，最小的光柵周期大于1/2n光波長(zhǎng)，其中n是基片的折射率，而在光柵部分占空比例隨光柵周期不同而變化。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，光柵單元相對(duì)于其中心對(duì)稱(chēng)安置且在同一方向上呈弧形，并且沿該方向光柵周期逐漸變小。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該組光柵單元沿同一方向直線(xiàn)延伸，且在垂直于光柵單元延伸方向的方向上光柵周期是變化的。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，光柵部分用一薄膜覆蓋。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，薄膜是反射膜。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，薄膜是非反射的膜。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，基片包含一個(gè)傳播光的光導(dǎo)區(qū)。
本發(fā)明另一方面涉及了一種衍射光學(xué)器件，它包括使透射的光衍射的基片，和一個(gè)位于基片上且包含著一組光柵單元的光柵部分。該組光柵單元的布置使基片表面的不同區(qū)域有不同的光柵周期。最小的光柵周期要大于1/2n光波長(zhǎng)，其中n是基片的折射率。光柵部分有一個(gè)隨光柵周期而變化的占空比率。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，占空比率在光柵周期小于3至4倍光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)小于0.5。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，占空比率隨著光柵周期的減小而逐漸變小。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，該組光柵單元隨著光柵周期的不同而有不同的高度。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該組光柵單元的高度在光柵周期小于3至4倍光波長(zhǎng)的區(qū)域之內(nèi)隨著光柵周期的減小而逐漸降低。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，該組光柵單元的一部分，其每一個(gè)至少有3個(gè)不連續(xù)的相位階梯。
這樣，本文所描述的發(fā)明能夠提供一種衍射光學(xué)器件，它在其整個(gè)區(qū)域內(nèi)，對(duì)于以偏開(kāi)其垂直方向一個(gè)角度入射的光都有高的衍射效率且有即使是小光柵周期也易于制作的光柵單元。
本發(fā)明的這些及其它優(yōu)點(diǎn)，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人將通過(guò)閱讀和理解下述參考附圖的詳細(xì)說(shuō)明而得以明了。
圖1是對(duì)垂直入射光進(jìn)行衍射的傳統(tǒng)衍射光學(xué)器件的平面圖；圖2是圖1傳統(tǒng)衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖3是對(duì)垂直入射光進(jìn)行衍射的另一傳統(tǒng)衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖4是本發(fā)明第一實(shí)例衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖5是圖4衍射光學(xué)器件的平面圖；圖6是表示圖4中衍射光學(xué)器件中光線(xiàn)如何行進(jìn)的剖面圖；圖7是一圖表，表示了圖4所示衍射光學(xué)器件中光柵單元有2和3個(gè)相位階梯的區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間的關(guān)系；圖8是本發(fā)明第二實(shí)例衍射光學(xué)器件的平面圖；圖9是本發(fā)明第三實(shí)例衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖10是一個(gè)圖表，表示了當(dāng)光入射角為20°時(shí)，圖9所示衍射光學(xué)器件中光柵單元有2到5個(gè)相位階梯的區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間的關(guān)系；圖11是一個(gè)表示了當(dāng)光入射角為30°時(shí)，圖9所示衍射光學(xué)器件中光柵單元有2到5個(gè)相位階梯的區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間關(guān)系的圖表；圖12是本發(fā)明第四實(shí)例衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖13是圖12所示衍射光學(xué)器件的平面圖；圖14是表示與光入射角為20°時(shí)，圖12所示衍射光學(xué)器件占空比率為0.3，0.4和0.5的區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間關(guān)系的圖表；圖15是表示當(dāng)光入射角為30°時(shí)，圖12所示衍射光學(xué)器件中占空比率為0.3，0.4或0.5的區(qū)域內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化的光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間關(guān)系的圖表；圖16是表示當(dāng)光入射角為20°時(shí)，圖12所示衍射光學(xué)器件中占空比率與標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期之間關(guān)系的圖表；圖17是表示圖12所示衍射光學(xué)器件中光線(xiàn)如何行進(jìn)的剖面圖；圖18是本發(fā)明第五實(shí)例衍射光學(xué)器件的平面圖；圖19是本發(fā)明第六實(shí)例衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖20是表示圖19所示衍射光學(xué)器件，有不同占空比率和不同高度的區(qū)域內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間關(guān)系的圖表；圖21是具反射薄膜的本發(fā)明變型的衍射光學(xué)器件剖面圖；圖22是具有底部連在一起的一組光柵單元的本發(fā)明另一變型衍射光學(xué)器件的剖面圖；圖23是具有用正性抗蝕劑形成的一組光柵單元的本發(fā)明又一變型衍射光學(xué)器件的剖面圖。
在下文中，將通過(guò)參考附圖對(duì)實(shí)例進(jìn)行解釋的方式描述本發(fā)明。例1參見(jiàn)圖4至7，將描述本發(fā)明第一實(shí)例中的衍射光學(xué)器件10。圖4是衍射光學(xué)器件10的剖面圖，而圖5是其平面圖。
如圖4和5所示，衍射光學(xué)器件10包括一個(gè)基片1和一個(gè)位于基片1頂表面上的光柵部分2?；?和光柵部分2由使透射的至少一種波長(zhǎng)的光(如，波長(zhǎng)為0.6328μm的光)被衍射的材料構(gòu)成?；?和光柵部分2可以由互不相同的材料構(gòu)成，或可以由同一種材料構(gòu)成一體。
光柵部分2包括布置成一種光柵條紋圖案的一組光柵單元21。每個(gè)光柵單元21有一個(gè)多階的截面，即有多個(gè)相位階梯。
衍射光學(xué)器件10例如可作為圖6所示離軸透鏡使用。離軸透鏡上的入射光軸，不同于從離軸透鏡出射光的光軸。如圖6所示，在基片1的光導(dǎo)區(qū)12成Z字形傳播的光5穿過(guò)基片1的上表面走出，成為出射光6。光導(dǎo)區(qū)12有反射層4A和4B并分別位于其頂表面和底表面，以交替地多次反射著光束5。于是，光束5從Y軸的負(fù)端向正端成Z字形傳播，并以偏離基片1頂表面垂直方向的一個(gè)入射角入射到光柵部分2。接著，光束5透過(guò)光柵部分2并且垂直地出射到基片1的上方。此處，″垂直地出射″是指出射光6的光軸基本垂直于基片1的頂表面，即，平行于Z軸。通過(guò)將基片1的一部分作成光導(dǎo)區(qū)12，使衍射光學(xué)器件10光學(xué)系統(tǒng)在Z軸方向的尺寸明顯地減小了。
光柵部分2有如圖5所示的光柵條紋圖案，為的是把以某一偏角入射的光5會(huì)聚到距離基片1頂表面f處的點(diǎn)3上。構(gòu)成光柵條紋圖案的每個(gè)光柵單元21都是凸向Y軸正方向的弧形線(xiàn)。朝著Y軸正方向，光柵周期逐漸減小而光柵單元21的曲率則逐漸增大。這種光柵條紋圖案在下文中將作詳細(xì)說(shuō)明。在點(diǎn)3可以放置光學(xué)數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)，如光盤(pán)。這種情況下，至少一部分出射光6被光學(xué)數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)反射并返回到衍射光學(xué)器件10處。光學(xué)數(shù)據(jù)記錄介質(zhì)反射的光被引入一個(gè)光檢測(cè)器。不用說(shuō)，衍射光學(xué)器件可以用于各種其他用途。
盡管圖6中一個(gè)衍射光學(xué)器10使用了一個(gè)基片，但是一個(gè)基片可以在通過(guò)在基片1的頂表面，底表面，或者頂?shù)變蓚€(gè)表面上提供多個(gè)光柵部分2，而被多個(gè)衍射光學(xué)器件所共用。用于非衍射目的的其它類(lèi)型的光學(xué)器件，如激光光源或光檢測(cè)器也可以制作在基片1上。
如圖4所示，光柵部分2被分為兩個(gè)區(qū)域；光柵周期較小的區(qū)域2A和光柵周期較大的區(qū)域2B。區(qū)域2A的光柵周期小于1.6倍的入射光波長(zhǎng)，而區(qū)域2B的光柵周期至少有1.6倍的入射光波長(zhǎng)。在此例中，區(qū)域2B的每個(gè)光柵單元21有三個(gè)相位階梯，而區(qū)域2A的每個(gè)光柵單元21有兩個(gè)相位階梯。更加仔細(xì)地看，區(qū)域2B中每個(gè)光柵單元21包括有距基片1頂表面高度為0的第一階梯，高度為1/2hB的第二階梯，和高度為hB的第三階梯。區(qū)域2A中每個(gè)光柵單元21有距基片1頂表面高度為0的第一階梯和高度為hA的第二階梯。
根據(jù)本發(fā)明的發(fā)明人所做的實(shí)驗(yàn)，在三相位階梯處的衍射效率高于光柵周期較大的區(qū)域2B內(nèi)兩相位階梯處的衍射效率。在光柵周期近似于入射光波長(zhǎng)的2A區(qū)域中，三相位階梯處的衍射效率迅速降低；而兩相位階梯處的衍射效率下降的速率很小或者甚至有所提高。
參考圖7，將更為詳細(xì)地說(shuō)明上述實(shí)驗(yàn)。圖7是一個(gè)表示衍射效率與標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期Λ/λ之間關(guān)系的圖表。符號(hào)Λ表示光柵周期，而λ表示光波長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)是在光入射角θ為20°且區(qū)域2A和2B的折射率n為1.5的條件下進(jìn)行的。如圖7實(shí)線(xiàn)所表示的，在每個(gè)有三相位階梯的光柵單元場(chǎng)合中有較大光柵周期的區(qū)域2B中衍射效率大于50％，但在光柵周期近于入射光波長(zhǎng)的區(qū)域2A中該效率急劇下降。如虛線(xiàn)所表示的，在每個(gè)光柵單元有兩個(gè)相位階梯處，衍射效率在區(qū)域2B內(nèi)為30％到40％，但當(dāng)光柵周期減小時(shí)，該效率提高。尤其在光柵周期近似為兩或三倍入射光波長(zhǎng)處，當(dāng)光柵周期減小時(shí)衍射效率迅速地提高。比如，在光柵周期為1.6倍的入射光波長(zhǎng)處，有兩相位階梯的光柵單元其衍射效率等于三相位階梯光柵單元的衍射效率。因此，例如通過(guò)在光柵周期至少有1.6倍入射光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)提供有三相位階梯的光柵單元21，而在光柵周期小于1.6倍入射光波長(zhǎng)處提供有兩相位階梯的光柵單元21，可以使整個(gè)衍射光學(xué)器件10保持高的衍射效率。
如上所述，存在著一個(gè)老問(wèn)題，即在光柵周期近于入射光波長(zhǎng)的區(qū)域難于完成精密加工，且預(yù)定的方法難以形成有多層相位階梯的光柵單元，隨之便引起光學(xué)特性變劣。因?yàn)楸景l(fā)明的發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，當(dāng)光柵周期減小時(shí)最佳相位階梯數(shù)也減小。因此，即使有光柵周期小的區(qū)域的衍射光學(xué)器件也能容易地進(jìn)行生產(chǎn)。更具體地講，在傳統(tǒng)裝置中，有三相位階梯的光柵單元可以適于在光柵周期較大的區(qū)域內(nèi)制作，但在光柵周期較小的區(qū)域內(nèi)，由于要有使邊緣尖銳的步驟，故不能制出有三相位階梯的光柵單元。本實(shí)例的衍射光學(xué)器件中，在光柵周期小于1.6倍入射光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)，對(duì)光柵單元21來(lái)說(shuō)僅兩個(gè)相位階梯就足夠了。因此，精密加工較為容易，而可按設(shè)計(jì)制作光柵單元21。
在此實(shí)例中，相位階梯數(shù)在1.6的標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期處從2變?yōu)?(即當(dāng)光柵周期等于1.6倍入射光波長(zhǎng)時(shí))。盡管相位階梯數(shù)改變處的最佳標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期，隨光的入射角度等因素的不同而不同，但已證實(shí)只要在1.5至3之間這些標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期處改變相位階梯數(shù)，可得到基本相同的效果。
本實(shí)例中衍射光學(xué)器件10的其他參數(shù)可以是如下這些圓形開(kāi)口的直徑為1mm；入射光波長(zhǎng)λ＝0.6328μm；光的入射角θ＝20°；焦距為2.5mm。在相位階梯數(shù)為3的區(qū)域2B中，光柵周期例如在1.0與2.0μm之間；高度hB例如為0.84μm。在相位階梯數(shù)為2的區(qū)域2A中，光柵周期例如在0.89μm與1.0μm之間；高度hA例如為0.63μm。光柵單元21的高度隨著相位階梯數(shù)而變，在此方式中衍射效率是優(yōu)化的，在區(qū)域2A中，占空比率d1/ΛA(圖4)例如是0.3。占空比率是一種材料所占區(qū)域而非空隙與一個(gè)光柵周期用光柵部分2的截面表示的整個(gè)區(qū)域之比。
現(xiàn)將圖5所示光柵條紋圖案做詳細(xì)說(shuō)明。在圖5所示的X-Y坐標(biāo)系中，入射光波長(zhǎng)為λ，基片1的折射率是n，光入射角是θ，相移函數(shù)表示為Φ(X，y)＝k((X2＋y2＋f2)1/2＋nySinθ－f)－2mπk＝λ/2π且m是使0≤Φ≤2π的整數(shù)且表示光柵條紋圖案的次序。從這個(gè)相移函數(shù)中可得，序數(shù)為m的光柵部分2的弧線(xiàn)形狀，是一橢圓的頂部，其中橢圓的中心表示為(0，nSinθ(mλ＋f)/(1－n2Sin2θ)，短軸(X軸)的長(zhǎng)度為dx＝2(m2λ2＋2mλf＋n2f2Sin2θ)1/2/(1－n2Sin2θ)1/2，而長(zhǎng)軸(y軸)的長(zhǎng)度表示為dy＝dx/(1－n2Sin2θ)1/2不言自明，本發(fā)明的衍射光學(xué)裝置的光柵條紋圖案不限于圖5所示的一種，而可以根據(jù)用途自行設(shè)計(jì)。
使透過(guò)的光被衍射的基片1與光柵部分2，例如由玻璃或合成樹(shù)脂之類(lèi)的材料構(gòu)成。使用紅外光的情況下，基片1和光柵部分2可以由硅或砷化鎵之類(lèi)的半導(dǎo)體材料構(gòu)成。
第一實(shí)施例中的衍射光學(xué)器件10是用電子束繪圖的方法制作的。根據(jù)此方法，基片1上涂以合成樹(shù)脂，如對(duì)電子束敏感的電子束抗蝕劑(象PMMA或CMS)，然后用電子束輻照合成樹(shù)脂層。根據(jù)所要制作的衍射光學(xué)器件截面的形狀，來(lái)控制輻照電子束的量。例如當(dāng)使用正性抗蝕劑時(shí)，用較少輻照量的電子束照射較厚的區(qū)域，以提高顯影后遺留厚度與顯影前厚度的比率。電子束照射之后，對(duì)所得疊層進(jìn)行顯影以制作出衍射光學(xué)器件10。本發(fā)明的衍射光學(xué)器件可以制成其他適用的規(guī)格。
為了批量生產(chǎn)的目的，衍射光學(xué)器件可以以較低的成本，用鎳電成形方法構(gòu)成的模并用紫外固化樹(shù)脂由該模來(lái)復(fù)制。尤其是排成陣列的衍射光學(xué)器件，可以用此法同時(shí)高精度地特性均勻地制作出來(lái)。用這種電子束抗蝕劑的合成樹(shù)脂構(gòu)成的光柵部分2，可以通過(guò)離子束蝕刻轉(zhuǎn)移到玻璃等構(gòu)成的基片1上。在這種情況下，衍射光學(xué)器件性能穩(wěn)定，不隨溫度變化。
如上所述，當(dāng)光相對(duì)基片1表面垂直方向以一個(gè)偏離角入射時(shí)，在光柵部分2整個(gè)區(qū)域內(nèi)，衍射效率不一定因相位階梯數(shù)增加而提高。衍射效率隨光柵周期而在不同的相位階梯數(shù)處有一個(gè)峰值。因此，通過(guò)依據(jù)光柵周期建立優(yōu)化的光柵單元相位階梯數(shù)，可以在整個(gè)衍射光學(xué)器件10內(nèi)獲得高的衍射效率。而且，由于最佳相位階梯數(shù)在光柵周期較小的區(qū)域內(nèi)隨光柵周期的減小而減少，即使是光柵周期小的光柵單元也能容易地制出。實(shí)例2參考圖8，將對(duì)本發(fā)明第二實(shí)例中的衍射光學(xué)器件20進(jìn)行說(shuō)明。圖8是衍射光學(xué)器件20的一個(gè)平面圖。與第一實(shí)例相同的那些單元在此處將采用相同的標(biāo)號(hào)，而對(duì)它們的說(shuō)明將被省略。
在第二實(shí)例中，基片1上的光柵部分2中的光柵單元22是沿著X軸方向延伸的直線(xiàn)形狀。光柵周期在Y軸方向變化。有這樣光柵單元22的衍射光學(xué)器件20被作為一個(gè)柱面離軸透鏡使用，相對(duì)于基片1表面垂直方向以一個(gè)偏離角入射的光僅在一個(gè)軸的方向上會(huì)聚。圖8所示實(shí)例中，光束在Y軸方向會(huì)聚。
衍射光學(xué)器件20的截面與圖4所示衍射光學(xué)器件10的截面相似。在衍射光學(xué)器件20中，在光柵周期較大的區(qū)域2B′中提供有三個(gè)相位階梯的光柵單元22，而在光柵周期較小的區(qū)域2A′中提供有兩個(gè)相位階梯的光柵單元22，可以獲得與第一實(shí)例中所得相同的效果。實(shí)例3參考圖9到11，將說(shuō)明本發(fā)明第三實(shí)例中的衍射光學(xué)器件30。圖9是一個(gè)表示衍射光學(xué)器件30基本結(jié)構(gòu)的剖面圖。圖10是一個(gè)表示當(dāng)光入射角為20°時(shí)標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間關(guān)系的圖表。圖11是一個(gè)表示光入射角為30°時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期與第一級(jí)衍射效率之間關(guān)系的圖表。在此，與第一實(shí)例相同的那些單元將采用相同的標(biāo)號(hào)，且對(duì)其說(shuō)明也被省略了。
衍射光學(xué)器件30是一個(gè)光柵周期沿一個(gè)方向變化的離軸透鏡。包括光柵單元23的光柵部分2被分成2A″到2D″四個(gè)區(qū)域。四個(gè)區(qū)域之中光柵周期最大的區(qū)域2D″中，每個(gè)光柵單元23有五個(gè)相位階梯。光柵周期第二大的區(qū)域2C″中光柵單元23有四個(gè)相位階梯，光柵周期第二小的區(qū)域2B″中光柵單元23有三個(gè)相位階梯，而光柵周期最小的區(qū)域2A″中有二個(gè)相位階梯。
通過(guò)圖10可了解到，區(qū)域2A＂有一個(gè)例如為1.2≤Λ/λ＜1.6的標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期。區(qū)域2B″有一個(gè)例如是1.6≤Λ/λ＜3.1的標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期。區(qū)域2C″有一個(gè)例如是3.1≤Λ/λ＜4.7的標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期。區(qū)域2D″有一個(gè)例如是4.7≤Λ/λ＜5.5的標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期。每個(gè)區(qū)域的高度例如是，區(qū)域2A″為0.633μm，區(qū)域2B″為0.84μm，區(qū)域2C″為0.95μm，及區(qū)域2D″為1.01μm。衍射光學(xué)器件30的其它參數(shù)例如是如下圓形開(kāi)口直徑為1mm；入射光波長(zhǎng)λ＝0.6328μm；光入射角度θ＝20°焦距為1.4mm，這比第一實(shí)例中的離軸透鏡10的要短。在這種短焦距離軸透鏡中，光柵周期的變化率較高。
如圖10所示，有五個(gè)相位階梯的光柵單元其衍射效率，在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期為4.7點(diǎn)處變得比四相位階梯光柵單元衍射效率要低。四相位階梯的光柵單元其衍射效率，在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期為3.1點(diǎn)處變得比三相位階梯光柵單元的衍射效率要低。同樣地，三相位階梯的光柵單元其衍射效率在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期為1.6處，變得比二相位階梯光柵單元的衍射效率要低。因此，通過(guò)為每個(gè)區(qū)域提供具有最佳相位階梯的光柵單元23，在整個(gè)衍射光學(xué)器件30中可獲得高的衍射效率。
圖11表示了光入射角為30°時(shí)，第一級(jí)衍射的效率與標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期之間的關(guān)系。當(dāng)光入射角改變時(shí)，相位階梯數(shù)要做改變處的最佳標(biāo)準(zhǔn)光柵周期也要變。然而，本發(fā)明人已經(jīng)證實(shí)，只要相位階梯數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期為4至7之間處從五變?yōu)樗模跇?biāo)準(zhǔn)化光柵周期為2至5之間處從四變?yōu)槿?，在?biāo)準(zhǔn)化光柵周期為1.5至3之間處從三變?yōu)槎纯色@得同樣的效果。
在上述實(shí)例中，描述了用于會(huì)聚以垂直偏向角入射光束的離軸透鏡。本發(fā)明在光以偏向角入射時(shí)提供了與其他衍射光學(xué)器件相同的作用。實(shí)例4參考圖12至17，本發(fā)明第四實(shí)例中的衍射光學(xué)器件40將得到說(shuō)明。圖12是衍射光學(xué)器件40的剖面圖，而圖13是它的平面圖。與第一實(shí)施例相同的那些單元在此將采用相同的標(biāo)號(hào)，而省略掉對(duì)它的說(shuō)明。
正如從圖12和13中可以理解到的，衍射光學(xué)器件40有一個(gè)與圖5衍射光學(xué)器件10相似的平面圖，而剖面圖不同于衍射光學(xué)器件10。光柵部分2中光柵單元24各有一個(gè)矩形截面。占空比率d/Λ隨光柵周期而變。符號(hào)Λ表示光柵周期，而符號(hào)λ表示光波長(zhǎng)。占空比率是材料所占區(qū)域而非空隙與一個(gè)光柵周期以光柵部分2的剖面表示的全部區(qū)域之比。
在要被衍射的光透過(guò)基片1到達(dá)光柵部分2的情況下，要被衍射的光在真空中波長(zhǎng)為λ，設(shè)定每個(gè)光柵周期Λ都大于λ/2。
在反射型衍射光學(xué)器件的情況下，其中，要被衍射的光受到在光柵部分2上形成的反射層的反射，在真空中要被衍射的光的波長(zhǎng)為λ，而基片1折射指數(shù)為n，因此使每個(gè)光柵周期Λ都大于λ/2n。
在第四實(shí)例中，光柵周期較大的區(qū)域占空比率定為0.5，并隨光柵周期的減小而減小。(占空比率將在下文詳述)光柵單元24的高度h是恒定的，而與光柵周期無(wú)關(guān)。衍射光學(xué)器件40的其他參數(shù)例如是如下圓形開(kāi)口直徑為1mm；入射光波長(zhǎng)為6328μm；光入射角θ＝20°。光柵周期例如是0.633μm至6.3μm，而光柵單元24的高度h例如為0.63μm。
根據(jù)本發(fā)明人所作的實(shí)驗(yàn)，當(dāng)光束相對(duì)于基片1頂表面的垂直方向以一個(gè)偏向角入射時(shí)，衍射效率在光柵周期較大的區(qū)域中占空比率近似為0.5處最高。本發(fā)明人已發(fā)現(xiàn)，在光柵周期近似為入射光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)衍射效率隨占空比率的減小而提高。實(shí)驗(yàn)將在下文中詳細(xì)地描述。
圖14表示當(dāng)光入射角為20°且光柵部分2的折射率為1.5時(shí)第一級(jí)衍射效率與標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期之關(guān)系。如圖14實(shí)線(xiàn)所表示的，當(dāng)占空比率為0.5時(shí)則在光柵周期較大的區(qū)域衍射效率為40％，但是在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期小到3的區(qū)域內(nèi)衍射效率要降低。當(dāng)占空比率為0.4(點(diǎn)劃線(xiàn))和0.3(虛線(xiàn))時(shí)，在光柵周期較大的區(qū)域內(nèi)衍射效率小于占空比率為0.5時(shí)的情況，但在光柵周期較小的區(qū)域衍射效率大于占空比率為0.5時(shí)的情況。
圖15表示了光入射角為30°時(shí)第一級(jí)衍射效率與標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期之關(guān)系。其結(jié)果與圖14的基本相同，即衍射效率在各不同的占空比率中有一個(gè)依光柵周期而定的峰值。
因此，按光柵周期來(lái)改變占空比率，可以在整個(gè)衍射光學(xué)器件40中獲得高的衍射效率。
在此實(shí)例中，按圖16所示那樣確定占空比率與光柵周期之關(guān)系。在光柵周期較大的區(qū)域內(nèi)占空比率為0.45至0.5，在光柵周期較小的區(qū)域內(nèi)占空比率如圖16所示變化。表示最佳占空比率的曲線(xiàn)取決于各種條件。在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期小于3至4的區(qū)域內(nèi)占空比率最好小于0.5?？傊ㄟ^(guò)使占空比率隨光柵周期減小而逐步減小，可以改善衍射效率。
如圖17所示，衍射光學(xué)器件40被用作離軸透鏡。如圖17所示，在基片1的光導(dǎo)區(qū)12內(nèi)以Z形傳播的光束5從基片1的頂表面射出成為出射光6。光導(dǎo)區(qū)12在其頂表面和底表面上各自有反射層4A和4B，以重復(fù)交替地反射光束5。這樣光束5就會(huì)以Z形傳播并最終垂直地出射到基片1的上方。
如圖13所示，光柵條紋圖案相對(duì)于其中心對(duì)稱(chēng)，而且彎向一個(gè)方向。朝著此方向光柵周期逐步減小，光柵單元24的曲率增大。
衍射光學(xué)器件40每部分的材料和它們的制作方法與所述的第一實(shí)例是相同，因此省略對(duì)其的說(shuō)明。實(shí)例5參考圖18，將描述本發(fā)明第五實(shí)例的衍射光學(xué)器件50，圖18是衍射光學(xué)器件50的平面圖。與第四實(shí)例相同的單元將采用相同的標(biāo)號(hào)并省略對(duì)其的說(shuō)明。
在第五例中，基片1上的光柵部分2，其中的光柵單元25是沿X軸延伸的直線(xiàn)形的。光柵周期在Y方向變化。有光柵單元25的衍射光學(xué)器件50被用作一種柱面離軸透鏡，以便僅在一個(gè)軸的方向會(huì)聚相對(duì)基片1表面之垂直方向以偏向角入射的光，在圖18所示實(shí)例中，光在Y軸方向會(huì)聚。
衍射光學(xué)器件50有一個(gè)與圖12衍射光學(xué)器件40相類(lèi)似的截面。在衍射光學(xué)器件50中，通過(guò)用如第四例中的方法改變占空比率，可以得到與第四例所得的相同的效果，諸如衍射效率的改善。實(shí)例6參考圖19和20，將描述本發(fā)明第六實(shí)施的衍射光學(xué)器件60。圖19是衍射光學(xué)器件60的剖面圖，而圖20是表示標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期與第一級(jí)衍射效率之關(guān)系的圖表。與第四實(shí)例中相同的單元將采用相同的標(biāo)號(hào)，且對(duì)其的說(shuō)明將被省略。
如圖19所示，光柵部分2的光柵單元26將按不同的高度與不同的占空比率設(shè)置。如圖20所示，在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期為3或更大的區(qū)域內(nèi)，光柵單元26有相同的高度。在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期小于3的區(qū)域內(nèi)，光柵單元26的高度是變化的，以使衍射效率基本均勻。盡管表示最佳高度的曲線(xiàn)取決于各種條件，但在標(biāo)準(zhǔn)化光柵周期小于3至4的區(qū)域內(nèi)高度隨要求而變化。
總之，通過(guò)隨著光柵周期的減小而降低光柵單元26的高度，來(lái)改善衍射效率。在此例中，光柵單元的占空比率與高度是隨光柵周期而變的，以防止光柵周期小的區(qū)域衍射效率變劣。因此，在整個(gè)衍射光學(xué)器件60中衍射效率基本均勻。其結(jié)果是，在光會(huì)聚點(diǎn)的光分布是均恒的。
在上述例子中，衍射光學(xué)器件都是做離軸透鏡來(lái)垂直地會(huì)聚光線(xiàn)，該光線(xiàn)相對(duì)于在基片表面的垂直方向以一個(gè)偏向角入射。在光以一個(gè)偏向角入射時(shí)，本發(fā)明的各個(gè)衍射光學(xué)器件都有相同的效果。
在第一至第三例中，在相位階梯數(shù)為2的區(qū)域內(nèi)，占空比隨光柵周期而變。
在上述的實(shí)例之中，描述的是透射型的衍射光學(xué)器件。本發(fā)明也適用于光柵部分2上有反射膜的反射型器件。圖21是有反射膜7的反射型衍射光學(xué)器件70的剖面圖。作為反射膜7，采用是在傳統(tǒng)衍射光學(xué)器件中所用的那種。
除反射膜之外的其他膜是非反射膜，諸如保護(hù)薄膜或防反射薄膜，都可以用來(lái)代換反射膜7。防反射膜用于透射型衍射光學(xué)裝置中。
在上述的例子當(dāng)中，光柵單元彼此隔開(kāi)，但其底部可以連在一起。圖22是這種衍射光學(xué)器件80的剖面圖?；?的頂表面都被遮蓋了。
圖23是用正性抗蝕劑形成光柵條紋圖案的衍射光學(xué)器件90，主要起衍射作用的光柵單元的形狀無(wú)論采用的是正或負(fù)性抗蝕劑都是一樣的。
根據(jù)本發(fā)明，如已經(jīng)描述過(guò)的內(nèi)容，相位階梯數(shù)隨光柵周期而變。用此結(jié)構(gòu)可以改進(jìn)整個(gè)器件的衍射效率，尤其當(dāng)光相對(duì)于基片1表面的垂直方向以一個(gè)偏向角入射時(shí)。通過(guò)隨光柵周期的減小而減少最佳相位階梯數(shù)，即使在光柵周期較小的區(qū)域內(nèi)光柵單元也容易制作。
在每個(gè)光柵單元都為矩形截面時(shí)，每個(gè)截面對(duì)應(yīng)的占空比率隨光柵周期而被定在最佳值上。在此方式中，即使在光柵周期較小的區(qū)域，以一個(gè)偏向角入射的光衍射效率也會(huì)得到改善。而且，通過(guò)隨光柵周期而同時(shí)改變光柵單元高度與占空比率，使衍射效率在整個(gè)裝置中保持均勻。結(jié)果使光會(huì)聚點(diǎn)處光分布均恒。
各種其它變型對(duì)本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講都是顯而易見(jiàn)而能迅速做出的。而沒(méi)有背離本發(fā)明的構(gòu)思與范圍。因此，在此提出的說(shuō)明書(shū)其本意不是對(duì)權(quán)利要求書(shū)的范圍進(jìn)行限定，相反，權(quán)利要求書(shū)有著廣泛的解釋。
權(quán)利要求
1.一種衍射光學(xué)器件，其特征在于包括一個(gè)讓透過(guò)的光被衍射的基片；和一個(gè)位于基片上，并包含了一組都具有多個(gè)不連續(xù)相位階梯的光柵單元的光柵部分，其中該組光柵單元按不同的光柵周期布置在基片表面的不同區(qū)域之內(nèi)，而且隨光柵周期不同有不同的相位階梯數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于相位階梯數(shù)隨著光柵周期減小而逐漸變小。
3.根據(jù)權(quán)利要求2的衍射光學(xué)器件，其特征在于在光柵周期至少為第一預(yù)定數(shù)乘以光波長(zhǎng)所得第一值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)至少為3，在光柵周期小于第一值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)為2，且第一預(yù)定數(shù)大致在1.5與3之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的衍射光學(xué)器件，其特征在于光柵部分在光柵周期小于第一值的區(qū)域內(nèi)有大致在0.15至0.5之間的占空比率。
5.根據(jù)權(quán)利要求3的衍射光學(xué)器件，其特征在于在光柵周期至少為第二預(yù)定數(shù)乘以光波長(zhǎng)所得的第二值區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)至少為4，在光柵周期小于第二值且至少為第一值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)為3，以及第二值大致在2與5之間并大于第一預(yù)定數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的衍射光學(xué)器件，其特征在于在光柵周期至少為第三預(yù)定數(shù)乘以光波長(zhǎng)所得第三值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)至少為5，在光柵周期小于第三值且至少等于第二值的區(qū)域內(nèi)，相位階梯數(shù)是4，并且第三值大致在4至7之間且大于第2預(yù)定數(shù)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于光柵單元隨其相位階梯數(shù)的不同有不同的高度。
8.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于多個(gè)不連續(xù)相位階梯之中的最底層是基片的表面。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于最小的光柵周期比光波長(zhǎng)的1/2n大，這里n為基片的折射率，而光柵部分的占空比隨光柵周期變化。
10.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于光柵單元相對(duì)于其中心對(duì)稱(chēng)地分布而且向同一方向彎曲，在此方向上光柵周期逐漸變小。
11.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于該組光柵單元在同一方向沿直線(xiàn)延伸，且光柵周期在垂直于光柵單元延伸方向的方向上是變化的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于用一薄膜覆蓋光柵部分。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的衍射光學(xué)器件，其特征在于的薄膜是反射膜。
14.根據(jù)權(quán)利要求12的衍射光學(xué)器件，其特征在于中的薄膜是抗反射透膜。
15.根據(jù)權(quán)利要求1的衍射光學(xué)器件，其特征在于的基片包含一個(gè)供光束傳播的光導(dǎo)區(qū)。
16.一種衍射光學(xué)器件，其特征在于包括一個(gè)使透過(guò)的光被衍射的基片；和一個(gè)位于基片上并包含一組光柵單元的光柵部分，其中該組光柵單元以不同光柵周期被分置在基片表面不同區(qū)域內(nèi)，最小的光柵周期大于光波長(zhǎng)的1/2n倍，這里n為基片折射率，光柵部分有一個(gè)隨光柵周期而變的占空比率。
17.根據(jù)權(quán)利要求16的衍射光學(xué)器件，其特征在于在光柵周期小于2至4倍光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)占空率小于0.5。
18.根據(jù)權(quán)利要求17的衍射光學(xué)器件，其特征在于隨著光柵周期的減小，占空比率也逐漸變小。
19.根據(jù)權(quán)利要求16的衍射光學(xué)器件，其特征在于該組光柵單元依光柵周期的不同而有不同的高度。
20.根據(jù)權(quán)利要求19的衍射光學(xué)器件，其特征在于該組光柵單元的高度在光柵周期小于3至4倍光波長(zhǎng)的區(qū)域內(nèi)隨光柵周期的減小而逐漸變低。
21.根據(jù)權(quán)利要求16的衍射光學(xué)器件，其特征在于的光柵單元相對(duì)于其中心對(duì)稱(chēng)地設(shè)置而且在同一個(gè)方向上彎曲，在此方向上光柵周期逐漸變小。
22.根據(jù)權(quán)利要求16的衍射光學(xué)器件，其特征在于的該組光柵單元在同一方向上沿直線(xiàn)延伸，而且在垂直于光柵單元延伸方向的方向上光柵周期是變化的。
23.根據(jù)權(quán)利要求16的衍射光學(xué)器件，其特征在于的光柵部分上覆蓋著一層薄膜。
24.根據(jù)權(quán)利要求23的衍射光學(xué)器件，其特征在于的薄膜是反射膜。
25.根據(jù)權(quán)利要求23的衍射光學(xué)器件，其特征在于的薄膜是非反射膜。
26.根據(jù)權(quán)利要求17的衍射光學(xué)器件，其特征在于的基片包含一個(gè)供光束傳播的光導(dǎo)區(qū)。
27.根據(jù)權(quán)利要求16的衍射光學(xué)器件，其特征在于該組光柵單元的一部分其每一個(gè)都有至少三個(gè)不連續(xù)的相位階梯。
全文摘要
一種衍射光學(xué)器件，包括一個(gè)讓衍射光透過(guò)的基片；和一個(gè)位于基片上并包含著一組光柵單元的光柵部分，其中每個(gè)光柵單元都有多個(gè)不連續(xù)的相位階梯。該組光柵單元以不同的光柵周期布置在基片表面不同區(qū)域中，且依據(jù)光柵周期的不同而有相位階梯數(shù)的不同。
文檔編號(hào)G02B6/124GK1116719SQ9411281
公開(kāi)日1996年2月14日 申請(qǐng)日期1994年10月18日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月18日
發(fā)明者鹽野照弘, 小川久仁 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社