[发明专利]光学材料及由其模制的光学元件和叠层型衍射光学元件

说明书

技术领域

本发明涉及光学材料，以及由该光学材料模制的光学元件、衍射光学元件和叠层型衍射光学元件。

背景技术

通常，利用光的折射的折射光学系统通过使用由具有不同色散特性的玻璃材料制成的透镜组合来降低色差。例如，在望远镜内，使用由高色散玻璃材料制成的正透镜和由低色散玻璃材料制成的负透镜的组合，来校正在物镜轴上出现的色差。然而，如果在透镜配置或数量上或者在可用的玻璃材料上存在限制，则有时很难充分地校正色差。

A.D.Kathman和S.K.Pitalo在“Binary Optics in Lens Design.”International Lens Design Conference，1990，SPIE Vol.1354，p297-309中公开了组合使用具有反射平面的折射光学元件和具有衍射光栅的衍射光学元件允许使用少量透镜来降低色差。

这利用了基准波长的光束引起的色差在光学元件的反射平面和折射平面之间在方向上相反的物理现象。而且，如果改变利用衍射光学元件连续形成的衍射光栅的周期，则可以获得与非球面透镜的特性等同的特性。

然而，在衍射光学元件上入射的光束按照衍射效应被划分成不同级(order)的多个光。此时，与设计级不同级的衍射光聚焦在与所设计级的光不同的位置上，引起炫光(flare)。

美国专利第US 5847877号公开了通过优化光学元件的光学色散和在光学元件之间的边界上形成的光栅形状，实现在宽波长范围上的高衍射效率的技术。该技术使在可用波长范围内的光通量集中在特定级上，从而降低不相干衍射光(设计级)的强度，进而防止炫光。

美国专利第US 5847877号还公开了组合使用由光学散射低色散材料制成的衍射光学元件和由光学散射高色散材料制成的衍射光学元件，以提供在宽波长范围上具有高衍射效率的配置。

也就是说，在光学散射低色散材料和光学散射高色散材料之间的光学色散差越大，所获得的光学元件的衍射效率越高，且光学元件的场角越宽。因而，为了以高精确性校正色差，需要组合具有较高色散(较小阿贝数)的材料和具有较低色散(较大阿贝数)的材料。

美国专利第US 6912092号公开了一种光学材料，其中由nd＞-6.667×10^-3vd+1.70给出相对于线n的在折射率(nd)与阿贝数(vd)之间的关系，并且由θg，F≤-2vd×10^-3+0.59给出在二级色散(θg，F)与阿贝数(vd)之间的关系。如果满足上述等式，则可以在整个可视区域上改善衍射效率。在美国专利第US 6912092号中公开的光学材料是通过在用作基体(base)的有机树脂内混合并分散微粒而生成的复合材料。微粒由具有高色散和低二级色散特性的透明导电金属氧化物制成。所公开的可能的透明导电金属氧化物包括ITO、ATO、SnO₂和ZnO。

然而，利用微粒和树脂的复合材料，在微粒和树脂之间的界面上出现光学散射。通常，光学散射(瑞利散射)与颗粒大小的六次幂、波长倒数的四次幂和反射系数(折射率之比)成正比地增加。诸如ITO等金属氧化物的微粒通常具有比用作基体的有机树脂更大的反射系数，导致在金属氧化物和基体之间反射系数的大比值。因此，必需降低光学散射。

利用金属氧化物微粒和用作基体的有机树脂的复合物来降低光学散射，必需将颗粒大小降低到至少低于将要使用的光波长。然而，由于范德华力，金属氧化物微粒凝聚随着颗粒大小的减小而增加。这增加了表观颗粒大小，导致剧烈的光学散射。

此外，为了降低光学散射，期望最小化每种微粒的颗粒大小分布，并尽可能地使每种微粒的物理属性均匀。然而，金属氧化物微粒的制造要求非常严格。制造条件的略微差别可能导致金属氧化物的缺氧，并影响结晶度。这些改变进而影响微粒的形状和物理属性，使得非常难以保持微粒的颗粒大小和物理属性均匀。

发明内容

本发明的目的是提供一种降低光学散射的光学材料，该光学材料具有与其中在有机树脂内分散有诸如ITO等导电金属氧化物的微粒的复合物等同的低色散特性和二级色散特性。

通过向用作基体的有机树脂添加导电聚合物微粒，以使导电聚合物微粒将分散在有机树脂内，发明人提供了一种满足关系式θg，F≤-2vd×10^-3+0.59的光学材料，其中vd是阿贝数，和“θg，F”是二级色散。