專利名稱：紅外線衍射透鏡的制作方法
技術領域：
本發明涉及紅外線衍射透鏡，尤其涉及在寬范圍的波段的紅外線入射的情況下可使焦距的改變減小的紅外線衍射透鏡。
背景技術：
在接收從相離開的物體發出的紅外線來非接觸地測量物體面的溫度，或接收從生物體發出的紅外線來檢測可疑者的應用領域中，紅外線傳感器的需要增大。
圖10是概略說明現有的紅外線傳感器的概略圖。如圖10所示，現有的紅外線傳感器10包括將紅外線20聚光用的半球形透鏡12和接收紅外線20的傳感部。
傳感部包括封裝外殼14和在封裝外殼內設置的紅外線受光器16。封裝外殼14是為了保證紅外線受光器16對干擾等的影響的可靠性而設置的，因此紅外線受光器16被氣密密封在該封裝外殼14內。在該封裝外殼14的一個面上設置將封裝外殼14氣密密封，同時使聚光的紅外線20透過的氣密密封窗18。
在如上所述的傳感器一部分的外側設置將從發熱物體發出的紅外線20聚光到上述紅外線受光器16的面上用的透鏡12。
這種透鏡12為了保證寬的入射角度，如圖10所示，組合了彎曲成半球狀，且可將入射紅外線20聚光到紅外線受光器16的多個透鏡。
另一方面，由于將這種透鏡設置在封裝外殼14的外部，有紅外線傳感器10本身變大的問題。進一步，為了低價的目的，廣泛進行將聚乙烯樹脂作為材料通過射出成形來制作透鏡12，但是聚乙烯對于紅外線的透射率僅為40％～50％左右，為了使紅外線傳感器10的靈敏度提高，希望損失更小的紅外線透鏡。
為了解決上述這種問題，提出了通過蝕刻制作硅等的基板的紅外線用衍射透鏡(例如參考專利文獻1)。這種透鏡由于透鏡部分的厚度與波長相同程度，非常薄，所以可以將由透鏡的材料引起的吸收損失抑制到極低水平，與一般的樹脂制的透鏡相比，優點多。
另外，由于上述的衍射型透鏡可以同時在基板上一起制作多個透鏡，所以還提出有使設置了對應于多個入射方向的透鏡的硅等的基板本身與圖10中的封裝外殼14上設置的氣密密封窗18兼用的提案(例如參考專利文獻2)。
專利文獻1日本特許第2713550號公報專利文獻2日本特許第3106796號公報非專利文獻1D.W.Sweeney and G.E.Sommargren，“Harmonicdiffractive lenses”，Appl.Opt.，34，pp.2469-2475(1995)但是，上述這種衍射透鏡與使用了聚乙烯為代表的樹脂的紅外線用透鏡相比有各種特征，另一方面，透鏡的焦距根據波長而不同，有像差的問題。
圖11是概略說明衍射透鏡的設計波長和焦點的關系的概略圖。使用圖11來概略說明上述問題。
上述這種衍射透鏡是在預先決定了設計波長后，設計周期分布。因此，這種衍射透鏡在波長與設計波長不同的紅外線中使用的情況下，衍射透鏡的焦點位置與設計上的位置不同。這是因為例如在波長λ下設計的焦距f的透鏡對于與設計波長不同的λ’的波長，作為焦距f’為由下面的式5定義的透鏡來工作。
數式1f′=λλ′f]]>(式5)即，如圖11(a)所示，若將設計波長的紅外線50a入射到衍射透鏡30時，則紅外線50a焦點會聚在放置在光軸60上的焦點f的位置上的受光器40上，但是若如圖11(b)所示，入射比設計波長短的波長的紅外線50b時，由于焦點f的位置比設計波長的焦點遠，所以紅外線50b在光軸60上的比受光器40遠的位置上會聚焦點，受光器40中的紅外線的受光效率降低。另外，若入射比設計波長長的波長的紅外線50c時，則由于焦點f的位置比設計波長的焦點近，所以紅外線50c在受光器40的前面會聚焦點，這時，受光器40的受光效率也降低了。
上述這種問題在為加以防范而檢測來自外部的入侵者，或感應進入到房間的人而接通照明開關的這種用途下使用的紅外線傳感器中成為大問題。這是因為一般根據人的體溫釋放的紅外線分布在6～10μm的波長上，為了提高傳感器的靈敏度，要求不漏過這種寬波長范圍的紅外線來接收。
因此，衍射透鏡的特征仍要求即使寬范圍的波段內的任意的紅外線入射，也可抑制焦點的位置改變的對紅外線使用的衍射透鏡。
發明內容
因此，本發明鑒于這種情況而作出，其目的是提供一種新的且改進后的紅外線衍射透鏡，該衍射透鏡的特征在于在寬波長范圍的紅外線中，可以減小焦距的改變。
為了解決上述問題，本發明人進行了銳意研究，結果想到了可緩和透鏡的焦距對波長的依賴性的紅外線衍射透鏡。
即，為了解決上述問題，根據本發明的某一方面，提供了一種紅外線衍射透鏡，該紅外線衍射透鏡具有根據入射紅外線的波段內的規定的基準波長而確定的規定深度的凹凸形狀，上述入射紅外線為1.1～16μm的波段；所述凹凸形狀的深度h相對于透鏡的材質的折射率n、上述基準波長λ和諧波次數m，用式1來定義，上述諧波次數是2以上10以下的整數，數式2h=mλn-1]]>(式1)。
基于該結構的紅外線衍射透鏡把具有上述寬范圍的波段的多個不同波長的紅外線聚光在同一焦點上。結果，對于寬范圍的波段的紅外線，可以使焦距的改變減小，可以在上述波段整個范圍內高效地聚光。
所述凹凸形狀可以通過蝕刻形成。通過由該方法來形成上述凹凸形狀，可以容易且低成本地制作本發明的紅外線衍射透鏡。
所述凹凸形狀可以以通過蝕刻或切削加工制作的母型為基礎，通過轉印成形來形成。通過用該方法來制作，可以容易、低成本且大量地生產本發明的紅外線衍射透鏡。
所述入射紅外線可以是6～10μm的波段。由于該波段是生物體發出的紅外線的波段，所以可以高效地將生物體發出的紅外線聚光。
所述凹凸形狀的至少一部分的被包含光軸的平面所截斷的截面可以具有鋸齒形狀。所述凹凸形狀的至少一部分的被包含光軸的平面截斷的截面可以具有N級(N是3以上的整數)的階梯形狀，所述凹凸形狀的深度h可以用下式2定義的深度h’來近似。通過使上述凹凸形狀的截面為該形狀，可以使本發明的紅外線衍射透鏡的透鏡厚度變薄，數式3h′=mλn-1×N-1N]]>(式2)。
所述透鏡的材質可以使用折射率為2以上的材質。通過使用該材質，可以減小上述凹凸形狀的深度h。
所述透鏡的材質可以是從由Si、Ge、GaAs、InP和GaP組成的組中選擇的任一組。該材質由于分別使紅外線透射過的波段不同，所以本發明的紅外線衍射透鏡可以選擇所聚光的紅外線的波段。
可以對本發明的紅外線衍射透鏡的表面或背面的至少任一方實施無反射涂層。通過實施該無反射涂層，可以防止所入射的紅外線被本發明的紅外線衍射透鏡反射，使透過的紅外線的比率減小。
根據本發明，可以提供一種可高效地使寬波長范圍的紅外線聚光的紅外線衍射透鏡。
圖1A是概略表示本發明的第一實施方式的紅外線衍射透鏡的剖面圖。
圖1B是概略表示本發明的第二實施方式的紅外線衍射透鏡的剖面圖。
圖2是對于凹凸部的深度及其效果進行概略說明的概略圖。
圖3是表示衍射透鏡的衍射效率和諧波次數的關系的曲線圖。
圖4是表示入射紅外線的波長和衍射次數的關系的曲線圖。
圖5是概略表示本發明的紅外線衍射透鏡的仿真的設置的概略圖。
圖6A是表示了現有的紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。
圖6B是表示透射過現有的紅外線衍射透鏡的紅外線被具有上述有效開口的紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
圖7A是表示本發明的實施例1的紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。
圖7B是表示透射過本發明的實施例1的紅外線衍射透鏡的紅外線被具有上述有效開口的紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
圖8A是表示本發明的實施例2的紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。
圖8B是表示透射過本發明的實施例2的紅外線衍射透鏡的紅外線被具有上述有效開口的紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
圖9A是表示本發明的實施例3的紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。
圖9B是表示透射過本發明的實施例3的紅外線衍射透鏡的紅外線被具有上述有效開口的紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
圖10是概略說明現有的紅外線傳感器的概略圖。
圖11是概略說明衍射透鏡的設計波長和焦點的關系的概略圖。
具體實施例方式
下面參考附圖來詳細說明本發明的最佳實施方式。另外，在本說明書和附圖中，對實質上具有相同功能結構的構成要素標注同一標號，從而省略重復說明。
圖1A是用包含光軸170的平面來截斷本發明的第一實施方式的紅外線衍射透鏡100的剖面圖。另外，在下面的說明中，使用圖1A中所記載的坐標軸。
本實施方式的紅外線衍射透鏡100由折射率為2以上的材質形成。作為形成紅外線衍射透鏡100的材質的例子，例如可以使用硅(Si，折射率3.43)、鍺(Ge，折射率4.01)、砷化鎵(GaAs，折射率3.42)、銦磷(InP，折射率3.37)、磷化鎵(GaP，折射率3.35)。其中，本發明的紅外線衍射透鏡的材質不僅限于上述材質，只要是折射率為2以上的材質，可以使用任意的材質。
紅外線衍射透鏡100可通過改變其材質，來選擇透射的紅外線的波段。例如在作為材質使用了Si的情況下，可以選擇性地使具有1.1～16μm左右的波長的紅外線透射過。另外，在使用Ge的情況下，可以選擇性地使具有1.8～23μm左右的波長的紅外線透射過，在使用GaAs的情況下，可以選擇性地使具有1.0～18μm左右的波長的紅外線透射過，在使用InP的情況下，可以選擇性地使具有1.0～14μm左右的波長的紅外線透射過，在使用GaP的情況下，可以選擇性地使具有0.53～16μm左右的波長的紅外線透射過。
如圖1A所示，紅外線衍射透鏡100例如在表面上形成平面部110，在背面形成凹凸部130。紅外線從表面朝向Y軸正方向入射到紅外線衍射透鏡100上。這里，所謂紅外線衍射透鏡100的表面是指紅外線入射的面，所謂紅外線衍射透鏡100的背面是指紅外線出射的面。
紅外線衍射透鏡100例如相對光軸170為對稱的形狀。紅外線衍射透鏡100的凹凸部130例如由半圓形狀部130a和鋸齒形狀部130b構成。半圓形狀部130a具有規定的直徑，其中心存在于例如光軸170上。另外，在半圓形狀部130a的外周形成有鋸齒形狀部130b。各個鋸齒形狀部130b如圖1A所示，接近光軸170的一側的側面垂直地形成。另外，距光軸170遠的一側的側面為如圖1A所示的平緩的彎曲面。另外，從Y軸上方看到的紅外線衍射透鏡100的整體形狀例如是圓形狀，半圓形狀部130a和鋸齒形狀部130b配置為同心圓狀。
上述的垂直側面的高度h是使用所使用的透鏡材質的折射率n、所設定的基準波長λ和諧波次數m，由下面的式1定義的值。這里，上述的諧波次數m是2以上10以下的整數。
數式4
h=mλn-1]]>(式1)另外，各個鋸齒形狀部130b的橫向寬度，即X軸方向的橫向寬度例如設置為越離開光軸170越小。
圖1B是用包含光軸170的平面來截斷本發明的第二實施方式的紅外線衍射透鏡200的剖面圖。在下面的說明中，使用圖1B中所記載的坐標軸。
紅外線衍射透鏡200按階梯形狀近似地形成與本發明的第一實施方式的紅外線衍射透鏡100的凹凸部130相同的結構，可以使用與紅外線衍射透鏡100相同的材質來制作。如圖1B所示，紅外線衍射透鏡200例如在表面形成平面部110，在背面形成凹凸部130。紅外線從表面朝向Y軸正方向入射到紅外線衍射透鏡200。這里，所謂紅外線衍射透鏡200的表面是指紅外線入射的面，所謂紅外線衍射透鏡200的背面是指紅外線射出的面。
紅外線衍射透鏡200例如相對光軸170為對稱的形狀。紅外線衍射透鏡200的凹凸部130例如由旋轉對稱的階梯形狀部130c和階梯形狀部130d構成。旋轉對稱的階梯形狀部130c具有規定的直徑，其中心存在于例如光軸170上。另外，在旋轉對稱的階梯形狀部130c的外周形成有階梯形狀部130d。各個階梯形狀部130c、130d最好為至少三級以上的階梯形狀。圖1B中，各個階梯形狀部130c、130d為三級的階梯形狀，但是本發明的紅外線衍射透鏡的階梯的級數并不限于上述例子，例如可以是4級以上。另外，從Y軸上方看到的紅外線衍射透鏡200的整體形狀例如是圓形，旋轉對稱的階梯形狀部130c和階梯形狀部130d按同心圓狀配置。
另外，各個階梯形狀部130c、130d的高度，即階梯形狀的最下級到最上級的階梯的高度(圖1B中的h’)的值是用下面的式2定義的值來近似通過第一實施方式中使用的式1確定的高度h而得到的值。另外，式2的N(N是3以上的整數)表示階梯形狀的級數，圖1B相當于N＝3的情況。
數式5h′=mλn-1×N-1N]]>(式2)
另外，各個階梯形狀部130d的橫向寬度，即X軸方向的橫向寬度例如形成為越離開光軸170越小。
接著，使用圖2來說明作為本發明的特征之一的凹凸部130的深度h的定義方法及其效果。圖2是概略說明凹凸部的深度及其效果的概略圖。
圖2(a)是具有使入射光折曲的功能的一般棱鏡300的側視圖。棱鏡300實現了對于從Y軸負區域入射的光根據其波長λ，使其改變方向射出的功能。
專利文獻1和專利文獻2所公開的衍射透鏡320為了實現與圖2(a)所示的棱鏡300相同的功能，如圖2(b)所示，具有以規定的深度h2來折返棱鏡的結構的周期結構。h2是對于所使用的透鏡的材質的折射率n和透鏡的設計波長λ用下面的式3定義的值。
數式6h2=λn-1]]>(式3)上述的周期結構如從上述的式3所看出的，表示在單位周期結構中，通過槽的最深部分和槽的頭頂部，即圖2(b)的h2的下端部和上端部的入射光彼此的相位差恰好是1波長(λ)。即，該周期結構是將設計波長1個波長作為單位來折返棱鏡的截面結構的結構。在具有這種周期結構的衍射型光學元件中，入射光中，入射光100％衍射為一次衍射光，進行傳播，其傳送方向與通過圖2(a)所示的棱鏡300彎曲后的出射光的傳播方向一致。但是，波長與設計波長λ不同的光沿與圖2(a)所示的棱鏡300的出射光的傳播方向不同的方向來進行傳播。
另一方面，如圖2(c)所示，還存在具有將設計波長λ的m倍(m是整數)作為單位來折返棱鏡的結構的周期結構的光學元件，稱作m次的諧波衍射光學元件(例如，參考非專利文獻1)。即，圖2(c)的h1的值為下面的式1所示的值。在該m次諧波衍射光學元件340中，入射光被100％衍射m次，其衍射方向與基于圖2(a)的棱鏡300的衍射方向一致。
數式7h′=mλn-1]]>(式1)進一步，如上所述，衍射光學元件中，周期結構的折返深度相當于對單位周期結構中的入射光λ的相位差，所以在m次的諧波衍射光學元件中，存在h1為波長與入射光λ不同的λ’的k倍的相位差的情況。這里，k是m之外的整數。換而言之，存在多個滿足下面的式4的關系的k和λ’的組合。
數式8mλ＝kλ’(式4)從上述的式4可以看出，在m次的諧波衍射光學元件340中，除設計波長λ之外，可能存在多個針對入射光在與設計波長λ完全相同的方向上衍射的其他波長λ’的衍射次數k。通過使用該m次的諧波衍射光學元件，可以解決寬波段范圍的光入射到衍射型透鏡的情況下，透鏡的焦距不同的問題。
在上述的非專利文獻1中，已報告了通過將m設為20左右，在比本發明中關注的紅外線短的波段即波長400～680nm的可見光區域中，實現同一焦距的例子。
本實施方式的紅外線衍射透鏡，將上述的m次的諧波衍射光學元件應用于寬范圍的紅外線的波段。即，上述的周期結構相當于本實施方式的鋸齒形狀部分130b或階梯形狀部分130c、130d。在本實施方式中關注的波段例如是1.1～16μm的波段，本實施方式的紅外線衍射透鏡可以高效地對在上述非專利文獻1中關注的波段的約50倍的非常寬范圍的波段的光進行聚光。
如上所述，通過增大諧波次數m，可以解決在寬范圍的波段的光入射的情況下，透鏡的焦距改變的問題，但是要低成本地批量生產這種高次諧波衍射光學元件實際上極其困難。作為低成本地批量生產衍射型透鏡的手段，一般基于在專利文獻1、專利文獻2中公開的光刻和蝕刻技術。但是，在這些技術中，由于周期結構的深度通常通過蝕刻時間來進行控制，所以即使盡可能高精度地進行加工，一般也會產生約5％左右的深度的偏差。
下面，參考圖3來說明使用蝕刻來制作衍射型透鏡的情況下的衍射效率和諧波次數m的關系。圖3是表示衍射效率和諧波次數m的關系的曲線圖。圖3是計算使凹凸形狀的深度為設計值h的95％的深度的諧波衍射型透鏡的衍射效率在諧波次數m增加的情況下，表現出怎樣的變化所得到的結果。
從圖3可以看出，隨著諧波次數m增加、凹凸形狀的深度增加，即使深度僅比設計值淺5％，透鏡的衍射效率也急劇降低。由于這種實際制作透鏡時的困難性，在非專利文獻1中，使用可準確控制凹凸形狀的深度的機械切削技術，來試作m＝20的諧波衍射型透鏡。但是，機械切削技術中，由于需要一個一個地分別制造透鏡，在使用該方法的情況下，在批量生產上存在問題。
進一步，本發明的紅外線衍射透鏡由于關注的波段是紅外線波段，所以波長的單位是μm級，由于諧波次數為m＝20左右的透鏡，凹凸形狀的深度更大，所以其控制更困難。
下面，參考圖4，來說明沿同一方向衍射的波長和衍射次數的關系。圖4是表示設計波長為8μm，諧波次數m為3的情況下的紅外線衍射透鏡中的同一方向上衍射的波長和衍射次數的關系的曲線圖。
從圖4可以看出，在設計波長為8μm，諧波次數m為3的情況下，除設計波長和對應于該設計波長的衍射次數之外，24μm、12μm、6μm、4.8μm、4μm的波長的紅外線的衍射次數k分別是1、2、4、5、6，沿同一方向被100％衍射。從該結果，本發明人發現對于在具有通常的m＝1的結構的紅外線用衍射透鏡(例如，專利文獻1和2所記載的透鏡)中成為問題的透鏡的焦距對波長的依賴性，可以通過使用具有諧波結構的衍射透鏡，對多個波長而言使入射光沿同一衍射方向100％衍射，來解決該依賴問題。
另外，若參考圖3，對于具有95％的制作誤差的衍射型透鏡的衍射效率降低到與現在一般使用的樹脂制透鏡的衍射效率大致相同的40％的衍射效率的情況，關注m＝10左右的情況。從該結果，本發明人想到即使諧波次數m是10左右，與現有的紅外線衍射透鏡相比也表現了良好的衍射效率。
如上述中所說明的，本發明人已經明白在紅外線波段中，通過使用諧波次數m為10左右的較小值的諧波衍射光學元件，可以緩和透鏡的焦距對波長的依賴性，且與現有的透鏡相比，表現了極好的衍射效率。
另外，本發明人已經明白通過使用晶片規模(wafer scale)的低成本的量產技術，經過下面所示的制造工藝，可解決作為諧波衍射光學元件的問題的批量生產性低的問題，而提高批量生產性。
下面，說明本發明的各實施方式的紅外線衍射透鏡的制造方法。
首先，制作用來制造規定的凹凸形狀的掩模。接著，使用光刻，來制造母型。進一步，使用該母型，通過蝕刻在形成透鏡的規定材質的基板上轉印凹凸形狀。在這樣制作的紅外線衍射透鏡的表面或背面的至少一方上實施無反射涂層。通過使用這種制造方法，可以制造本發明的各實施方式的紅外線衍射透鏡。
另外，在規定的基板上以上述的方法來同時制作多個紅外線衍射透鏡，并在上述的工藝結束后，進行基板的切割，劃分為各個紅外線衍射透鏡，從而可以通過晶片規模來低成本地大量生產多個紅外線衍射透鏡。
上述蝕刻可以使用任意的蝕刻方法，但是最好使用反應性離子蝕刻(Reactive Ion EtchingRIE)。
另外，上述制造方法中，表示了使用蝕刻來制造母型，并通過蝕刻來將其加以轉印的方法，但是也可不制造母型，通過蝕刻來制作本實施方式的紅外線衍射透鏡。另外，還可不通過蝕刻，而通過切削加工來制作母型。
下面，依次說明本發明的具體實施例，但是下面的各實施例始終只不過是用于具體說明本發明的實施方式的實施例，本發明當然不是通過下面的各實施例來加以限定。
(仿真中的參數設定)圖5是用于仿真的光學系統的概略圖。紅外線衍射透鏡100由Si形成，具有圖1A所示的鋸齒形狀的凹凸部。假定紅外線衍射透鏡的直徑d為5mm，在紅外線衍射透鏡100的光軸600上有紅外線受光器400。設紅外線衍射透鏡100和紅外線受光器400之間的間隔1為5mm，紅外線受光器400的有效開口的直徑為500μm。
另外，在各實施例和比較例中，假定入射紅外線500的波段為6～10μm。該波段是多數生物體放出的紅外線的波段。因此，紅外線衍射透鏡對該波段紅外線的性能在將本實施方式的紅外線衍射透鏡用于生物體傳感器的情況下很重要。另外，設紅外線衍射透鏡的設計波長為8μm。該8μm的波長為生物體放出最多的紅外線的代表波長。
在下面表示的比較例和實施例中，通過在固定上述參數的狀態下，使紅外線衍射透鏡的諧波次數m變化，來進行本實施方式的紅外線衍射透鏡和現有的紅外線衍射透鏡的比較。另外，由于諧波次數m變化，當然紅外線衍射透鏡的凹凸形狀的深度h在各實施例和比較例中也為不同的值。
除了進行如上這樣的參數設定之外，使用一般可得到的光學CAD程序，來仿真紅外線的聚光程度和相位分布。
(比較例)圖6A和圖6B表示使用了相當于現有的紅外線衍射透鏡的m＝1的紅外線衍射透鏡的情況下的仿真結果。設計波長是8μm。圖6A是表示紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。圖6B是表示透過了紅外線衍射透鏡的紅外線被具有上述有效開口的紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
參考圖6A，可以看出沿與作為設計波長的8μm相同的方向衍射的波長在6～10μm的波段中不存在。這在上述式4中，也可以看出相對于左邊的mλ的值是8，在k是2以上的整數的情況下，包含在6～10μm的范圍中的λ’不存在。圖6A還兼示出了k＝2的情況，但是可以看出這時受光效率非常低。另外，可以看出在作為設計波長的8μm的情況下，越離開8μm，紅外線衍射透鏡的衍射效率越緩慢降低。另外，實際上透過紅外線衍射透鏡的紅外線整體的衍射效率為圖6A中的各衍射次數k時的衍射效率的疊加，但是在本比較例的情況下可以看出對于紅外線整體的衍射效率，k＝1時的衍射效率所起的作用大，k＝2時的衍射效率幾乎沒有起到作用。
參考圖6B，可以看出作為設計波長的8μm的紅外線的受光效率為100％，但是隨著與設計波長的波長差距越大，受光效率顯著降低。在圖6A中的紅外線衍射透鏡的衍射效率的值以上，設計波長之外的紅外線的受光效率降低的理由是因為如圖11所示，因波長變化使得透鏡的焦距變化，結果不能被紅外線受光器捕捉到的紅外線的光束增加。
(實施例1)除了紅外線衍射透鏡100的諧波次數m的設計值為3，其它與比較例同樣，來進行仿真。圖7A和圖7B表示仿真的結果。圖7A是表示紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。圖7B是表示透過紅外線衍射透鏡的紅外線被紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
參考圖7A，可以看出除了設計波長8μm(衍射次數k＝3)之外，6μm(衍射次數k＝4)時的衍射效率也為100％，沿與具有8μm的波長的紅外線相同的衍射方向衍射。另外，可以看出對于實際上透過紅外線衍射透鏡的紅外線整體的衍射效率，除了k＝3時的紅外線之外，k＝4時的紅外線也起了很大作用。
參考圖7B，可以看出除了設計波長8μm之外，6μm的波長的受光效率也為100％。另外，與比較例(m＝1)相比，可以看出在6～10μm的波段整體中，受光效率均提高。
(實施例2)除了紅外線衍射透鏡100的諧波次數m的設計值為5之外，與比較例同樣地來進行仿真。圖8A和圖8B表示仿真的結果。圖8A是表示紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。圖8B是表示透過紅外線衍射透鏡的紅外線被紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
參考圖8A，可以看出除了設計波長8μm(衍射次數k＝5)之外，6.6μm(衍射次數k＝6)、10μm(衍射次數k＝4)時的衍射效率也為100％。由此，可以看出具有6.6μm和10μm的波長的紅外線也沿具有8μm的波長的紅外線衍射的方向衍射。
參考圖8B，可以看出與m＝3的實施例1相比，在6～10μm的波段整體中，受光效率顯著提高。
(實施例3)除了紅外線衍射透鏡100的諧波次數m的設計值為7之外，其它均與比較例同樣地來進行仿真。圖9A和圖9B表示仿真的結果。圖9A是表示紅外線衍射透鏡的衍射效率和紅外線波長的關系的曲線圖。圖9B是表示透過紅外線衍射透鏡的紅外線被紅外線受光器接收的效率的曲線圖。
若參考圖9A，可以看出除了設計波長8μm(衍射次數k＝7)之外，還有6.2μm(衍射次數k＝9)、7μm(衍射次數k＝8)、9.4μm(衍射次數k＝6)，至少4個波長中的衍射效率為100％。由此，可以看出具有上述四個波長的紅外線沿同一方向衍射。
若參考圖9B，則可以看出在6～9μm的波段中，受光效率為80％以上，在9～10μm的波段中也得到了75％的受光效率。由此，可以看出通過使用本實施例的紅外線衍射透鏡，在6～10μm的波段整體中，可以得到非常良好的受光效率。
在上述各實施例中，關注透過Si的紅外線的波長區域中6～10μm的波段進行了說明，但是在除了上述波段之外的波段即1.1～6μm和10～16μm中，通過適當改變諧波次數m，如上所述，也可以得到良好的衍射效率、受光效率。
另外，上述中，設紅外線衍射透鏡由Si形成來進行了仿真，但是在由Ge、GaAs、InP、GaP形成紅外線衍射透鏡的情況下，當然也可得到與上述各實施例相同的良好結果。另外，雖然對紅外線衍射透鏡的凹凸部的形狀是鋸齒形狀的情況進行了仿真，但是當然凹凸部也可以是階梯形狀。
如上所述，可以看出在被分類為紅外線的波段中，具有較低次的諧波次數m的衍射光學元件在寬波段范圍中對多個波長具有相同焦距，是非常有用的。
以上，參考
了本發明的最佳實施方式，但是本發明當然并不限于該例子。本領域內普通技術人員當然明白可以在權利要求所記載的范疇內，想到各種變更例或改進例，應該了解到這些當然應屬于本發明的技術范圍。
例如，在上述實施方式中，說明了紅外線衍射透鏡相對Y軸具有對稱的截面形狀的情況，但是也可與入射的紅外線的方向相配合，相對Y軸具有非對稱形狀。
另外，在上述各實施方式中，說明了透鏡的材質的折射率是2以上的情況，但是也可使用透鏡的材質的折射率小于2的透鏡。
本發明可適用于在寬范圍的波段中的紅外線入射的情況下使焦距的改變減小的紅外線衍射透鏡。
權利要求
1.一種紅外線衍射透鏡，該紅外線衍射透鏡具有根據入射紅外線的波段內的規定的基準波長而確定的規定深度的凹凸形狀，其特征在于，所述入射紅外線為1.1～16μm的波段；所述凹凸形狀的深度h相對于透鏡的材質的折射率n、所述基準波長λ和諧波次數m，用式1來定義，數式1h=mλn-1]]>(式1)所述諧波次數是2以上10以下的整數。
2.權利要求1所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述凹凸形狀是通過蝕刻形成的。
3.據權利要求1所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述凹凸形狀是以通過蝕刻或切削加工而制作的母型為基礎，通過轉印成形而形成的。
4.根據權利要求1～3中的任一項所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述入射紅外線是6～10μm的波段。
5.根據權利要求1～4中的任一項所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述凹凸形狀的至少一部分的被包含光軸的平面截斷的截面具有鋸齒形狀。
6.根據權利要求1～5中的任一項所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述凹凸形狀的至少一部分的被包含光軸的平面截斷的截面具有N級(N是3以上的整數)的階梯形狀，所述凹凸形狀的深度h利用式2定義的深度h’來近似數式2h′=mλn-1×N-1N]]>(式2)。
7.根據權利要求1～6中的任一項所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述透鏡的材質使用折射率為2以上的材質。
8.根據權利要求1～7中的任一項所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述透鏡的材質是從由Si、Ge、GaAs、InP和GaP組成的組中選擇出的任意材質。
9.根據權利要求1～8中的任一項所述的紅外線衍射透鏡，其特征在于所述紅外線衍射透鏡的表面或背面的至少一方被實施無反射涂層。
全文摘要
本發明提供一種可高效地對寬波長范圍的紅外線進行聚光的紅外線衍射透鏡。根據本發明，一種紅外線衍射透鏡(100)，其具有根據入射紅外線的波段內的規定基準波長而確定的規定深度的凹凸形狀，其特征在于，所述入射紅外線為1.1～16μm的波段；所述凹凸形狀的深度h相對透鏡的材質的折射率n、所述基準波長λ和諧波次數m，用式1來定義，所述諧波次數m是2以上10以下的整數。通過使用該結構的紅外線衍射透鏡，可以高效地對寬范圍的波段的紅外線進行聚光。
文檔編號G01J5/00GK1975468SQ20061013736
公開日2007年6月6日 申請日期2006年10月20日 優先權日2005年12月1日
發明者佐佐木浩紀 申請人:沖電氣工業株式會社
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
