DE102006012225A1 - Optical element, process for its preparation and apparatus for carrying out the process - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Bauteil mit einem als optischem Element ausgebildeten Substrat, wobei eine Seite des Substrats mit einem Film aus einem photoadressierbaren Polymer beschichtet und in diesem photoadressierbaren Polymer ein Polarisations-Hologramm erzeugt ist, ein Verfahren zu dessen Herstellung und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.The present invention relates to an optical component with a substrate designed as an optical element, one side of the substrate being coated with a film of a photoaddressable polymer and a polarization hologram being produced in this photoaddressable polymer, a method for its production and a device for implementation this procedure.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element, ein Verfahren zur Herstellung des optischen Elementes sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens zur Herstellung des optischen Elementes. Die vorliegende Erfindung ist insbesondere auf dem Gebiet des schnellen Prototypenbaus ("Rapid Prototyping") für optische Elemente, beispielsweise eine optische Linse („Lens Rapid Prototyping") verwendbar.The The present invention relates to an optical element, a method for producing the optical element and a device for execution the method for producing the optical element. The present Invention is particularly in the field of rapid prototyping ("Rapid Prototyping") for optical Elements, for example, an optical lens ("lens rapid prototyping") used.
Bei Entwicklung und Fertigung neuer optischer Geräte wird üblicherweise zunächst eine numerische Simulation der zu erwartenden Eigenschaften des neuen optischen Gerätes durch Strahlverfolgung („Ray Tracing") oder vergleichbare Verfahren durchgeführt, um die Eigenschaften der Optik abschätzen zu können. Mit den derzeit zur Verfügung stehenden Computerprogrammen lassen sich darüber hinaus bestimmte Parameter der benötigten optischen Elemente, wie z.B. eine Brennweite einer Linse, optimieren, wodurch bestimmte Leistungsdaten der Optik, z.B. einer Auflösung eines abbildenden Systems, verbessert werden können.at Development and production of new optical devices is usually a first numerical simulation of the expected properties of the new optical device by ray tracing ("Ray Tracing ") or similar Procedure performed, to be able to estimate the properties of the optics. With the currently available Computer programs also allow certain parameters the needed optical elements, such as e.g. a focal length of a lens, optimize, whereby certain performance data of the optics, e.g. a resolution of a imaging system, can be improved.
Die derart berechneten Leistungsdaten lassen sich allerdings selten vollständig erreichen, da die zur Umsetzung einer wie vorstehend beschriebenen, theoretisch vorgenommenen Optimierung notwendigen optischen Elemente mit den errechneten optimierten Parametern (z.B. eine optische Linse mit einer bestimmten, auf die Anwendung angepassten Brennweite oder asphärischen Form) nicht zur Verfügung stehen. Insbesondere bei der Fertigung kleiner Stückzahlen oder Testaufbauten ist es aber im allgemeinen weder wirtschaftlich noch zeitlich möglich, eine geringe Anzahl von derartigen Bauteilen (wie z.B. asphärisch geschliffene Linsen mit maßgeschneiderten Eigenschaften) herzustellen.The However, such calculated performance data can rarely be Completely since, in order to implement a theoretically made optimization necessary optical elements with the calculated optimized parameters (e.g., an optical lens with a specific, adapted to the application focal length or aspherical Form) not available stand. Especially in the production of small quantities or test setups, but it is generally neither economical still possible in time, one small number of such components (such as aspherically ground Lenses with tailor made Properties).
Ein Verfahren, um optische Elemente mit frei wählbaren Eigenschaften, wie z.B. der Brennweite, und mit maßgeschneiderter asphärischer Korrektur, würde daher im schnellen Prototypyenbau wünschenswert.One Method to optical elements with arbitrary properties, such as e.g. the focal length, and with tailor made aspherical Correction, would therefore desirable in rapid prototyping.
Aus
dem Stand der Technik ist bekannt, daß sich die Funktionen von optischen
Linsen oder anderen optischen Elementen auch mit holographischen optischen
Elementen („HOE") erzeugen lassen,
wie dies beispielsweise in der
Ein besonderer Vorteil einer Kombination konventioneller Linse mit diesen holographischen optischen Elementen ist darin zu sehen, daß die brechenden Oberflächen der konventionellen Linsen (Refraktion) und die holographischen Strukturen im Bereich der Wellenlänge (Diffraktion) ein unterschiedliches Vorzeichen der Dispersion aufweisen, wodurch eine Kombination von Linse und holographischem optischen Element eine sehr effektive Korrektur von Farbfehlern ermöglicht. Die hierfür verwendeten holographischen Elemente beruhen auf dem Prinzip der Beugung an einer räumlich variierenden Absorption (sogenannte Amplitudenhologramme) oder eines räumlich variierenden Brechungsindexes (Phasenhologramme) oder einer Reflexion mit räumlich variierenden Laufzeiten (Reflexionshologramme).One particular advantage of a combination of conventional lens with these Holographic optical elements can be seen in that the refractive surfaces the conventional lenses (refraction) and the holographic Structures in the range of wavelength (diffraction) a different Have the sign of the dispersion, creating a combination of Lens and holographic optical element a very effective Correction of color errors possible. The one for this used holographic elements are based on the principle of Diffraction at a spatial varying absorption (so-called amplitude holograms) or a spatial varying refractive index (phase holograms) or a reflection with spatial varying maturities (reflection holograms).
Nach dem Stand der Technik werden diese holographischen optischen Elemente überwiegend durch Photolithographie, d.h. Belichten und Ätzen, oder durch Prägen hergestellt.To In the prior art, these holographic optical elements are predominantly through Photolithography, i. Exposure and etching, or by embossing.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Bauelement, insbesondere eine optische Linse, mit maßgeschneiderten optischen Eigenschaften, wie z.B. Asphären, bereitzustellen, sowie ein Verfahren sowie ein Vorrichtung zur Herstellung desselben anzugeben.It an object of the present invention is an optical device, in particular an optical lens, with tailored optical properties, such as. aspheres to provide, as well as a method and an apparatus for manufacturing indicate the same.
Die vorgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Bauelement mit einem als optischem Element ausgebildeten Substrat, wobei eine Seite des Substrats mit einem Film aus einem photo-adressierbaren Polymer beschichtet und in diesem photo-adressierbaren Polymer ein Polarisationshologramm erzeugt ist.The The aforementioned object is achieved by an optical component with a formed as an optical element substrate, wherein a Side of the substrate with a film of a photo-addressable Polymer coated and in this photo-addressable polymer, a polarization hologram is generated.
Vorzugsweise kann die Seite des Substrats, auf der das photo-adressierbare Polymer angeordnet ist, eben ausgebildet sein. Weiterhin kann das Substrat als Plankonvexlinse ausgebildet sein, auf dessen planarer Seite das photo-adressierbare Polymer angeordnet ist.Preferably may be the side of the substrate on which the photo-addressable polymer is arranged, just trained. Furthermore, the substrate be designed as Plankonvexlinse on its planar side the photo-addressable polymer is arranged.
Weiterhin kann das Polarisationshologramm als ein Phasenpolarisationshologramm mittels direktem Belichten mit Laserlicht im photo-adressierbaren Polymer ausgebildet sein.Farther For example, the polarization hologram may be a phase polarization hologram by direct exposure to laser light in the photo-addressable polymer be educated.
Hinsichtlich des Verfahrensaspekts wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung des vorgenannten optischen Bauteils, wobei das Polarisationshologramm durch Belichten einer Oberfläche des photo-adressierbaren Polymers direkt auf dem optischen Element erzeugt wird.Regarding of the method aspect, the aforementioned object is achieved by a Process for producing the aforementioned optical component, wherein the polarization hologram by exposing a surface of the photo-addressable polymer produced directly on the optical element becomes.
Vorzugsweise kann das photo-adressierbare Polymer auf die Oberfläche des Substrats durch Aufschleudern aufgebracht werden.Preferably The photo-addressable polymer can be applied to the surface of the Substrate are applied by spin coating.
Weiterhin kann das Polarisationshologramm mittels Laserlicht, insbesondere mittels linear polarisiertem Licht, erzeugt werden.Furthermore, the polarization hologram be generated by laser light, in particular by means of linearly polarized light.
Bevorzugterweise wird ein Phasenpolarisationshologramm im photo-adressierbaren Polymer erzeugt.preferably, becomes a phase polarization hologram in the photo-addressable polymer generated.
In vorrichtungstechnischer Hinsicht wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur Durchführung des vorgenannten Verfahrens, wobei ein kollimierter Strahl polarisierten Lichts über eine Optik auf die eine Schicht des photo-adressierbaren Polymers auf dem optischen Element fokussierbar ist.In Device-related aspects, the aforementioned object is achieved by a Apparatus for carrying out the above method, wherein a collimated beam of polarized light over a Optics onto the one layer of the photo-addressable polymer on the optical Element is focusable.
Vorzugsweise umfaßt diese Vorrichtung eine Einrichtung zur Manipulation einer Polarisationsachse des kollimierten Strahls polarisierten Lichts, die zwischen einer Lichtquelle und der Optik angeordnet ist.Preferably comprises this device is a device for manipulating a polarization axis of the collimated beam of polarized light passing between a Light source and the optics is arranged.
Die Vorrichtung kann eine Lichtquelle zur Erzeugung von Laserlicht, insbesondere von linear polarisiertem Licht, aufweisen.The Device may be a light source for generating laser light, in particular of linearly polarized light.
Weiterhin kann ein Auftreffpunkt des Lichtes, insbesondere des Lasers, auf dem photo-adressierbaren Polymer durch Reflexion an einer bewegbaren Reflexionseinrichtung veränderbar sein. Zugleich oder alternativ hierzu kann ein Positioniertisch vorgesehen sein, auf dem das Substrat lagerbar ist, wobei ein Auftreffpunkt des Lichtes, insbesondere des Lasers, auf dem photo-adressierbaren Polymer durch Verschiebung des Positioniertisches und/oder Verschiebung des auf dem Positioniertisch angeordneten Substrats veränderbar sein kann.Farther may be an impact point of the light, in particular of the laser, on the photo-addressable one Polymer by reflection on a movable reflection device variable be. At the same time or alternatively, a positioning table be provided, on which the substrate is storable, wherein a point of impact of the light, in particular of the laser, on the photo-addressable Polymer by displacement of the positioning table and / or displacement of the arranged on the positioning table substrate changeable can be.
Die Vorrichtung kann zudem ein Steuergerät aufweisen, mit dem eine Orientierung der Polarisationsachse des kollimierten Strahls polarisierten Lichts und eine Position des Strahlfokus auf dem photo-adressierbaren Polymer steuerbar ist.The Device may also have a control unit with which an orientation the polarization axis of the collimated beam polarized light and a position of the beam focus on the photo-addressable polymer is controllable.
Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den beigefügten Figuren näher beschrieben. In diesen zeigen:The The present invention will be described below with reference to preferred embodiments in conjunction with the attached Figures closer described. In these show:
Wie vorstehend erläutert, werden holographische optische Elemente gemäß dem Stand der Technik überwiegend durch Photolithographie oder durch Prägen hergestellt. Im Gegensatz hierzu lehrt die vorliegende Erfindung holographische optische Elemente auf der Basis von Polarisationshologrammen zu verwenden, welche durch das direkte Belichten eines photo-adressierbaren Polymers (PAP) entstehen.As explained above, For example, holographic optical elements of the prior art become predominant produced by photolithography or by embossing. In contrast For this purpose, the present invention teaches holographic optical elements based on polarization holograms which by directly exposing a photo-addressable polymer (PAP) arise.
Die Eigenschaften photoadressierbarer Polymere sind beispielsweise in einer Veröffentlichung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Polymerforschung (IAP) von E. Schab-Balcerzak, B. Sapich, J. Stumpe: "Photoinduced optical Anisotropy in new poly(amid imide)s with azobenzene units", Polymer, 46 (2005) 49 veröffentlicht.The Properties of photoaddressable polymers are, for example, in a publication of the Fraunhofer Institute for Applied Polymer Research (IAP) by E. Schab-Balcerzak, B. Sapich, J. Stumpe: "Photoinduced optical anisotropy in new poly (amide imides) s with azobenzene units ", Polymer, 46 (2005) 49 published.
Das Polarisationshologramm beruht hierbei auf der räumlichen Variation der Doppelbrechung („Phasen-Polarisationshologramm") bzw. des Dichroismus eines Mediums („Amplituden-Polarisationshologramm"). Im folgenden werden Phasen-Polarisationshologramme entsprechend der Veröffentlichung von Gabriella Cincotti: ,Polarization Gratings': Design and Applications, IEEE Journal of quantum electronics, Vol. 39, No.12, December 2003, Abschnitt B („Space-variant retarder") vereinfachend als Polarisationshologramme bezeichnet.The Polarization hologram is based on the spatial variation of birefringence ("phase polarization hologram") or dichroism of a medium ("amplitude polarization hologram") Phase polarization holograms according to the publication by Gabriella Cincotti: Polarization Gratings: Design and Applications, IEEE Journal of quantum electronics, Vol. 39, No.12, December 2003, section B ("Space-variant retarder ") referred to as polarization holograms.
Die Herstellung des Phasenpolarisationshologramms beruht auf der Eigenschaft von photo-adressierbaren Polymeren („PAP"), wonach das PAP-Material unter Laserbestrahlung seine Molekülstruktur wechselt. Das Material ist für eine bestimmte Wellenlänge empfindlich, welche die Schreibwellenlänge des Hologramms darstellt. Bei von der Schreibwellenlänge verschiedenen Wellenlängen (den sogenannten Lesewellenlängen) kann das Hologramm zerstörungsfrei ausgelesen werden. Eine bei der Schreibwellenlänge punktuelle Veränderung des PAP-Materials läßt sich dann vorzugsweise mit abgeschwächtem Laserlicht, auslesen.The Preparation of the phase polarization hologram is based on the property from photo-addressable Polymers ("PAP"), after which the PAP material under laser irradiation changes its molecular structure. The material is for a certain wavelength sensitive, which represents the write wavelength of the hologram. At from the write wavelength different wavelengths (the so-called reading wavelengths) The hologram can be non-destructive be read out. A punctual change at the writing wavelength of the PAP material can be then preferably with weakened Laser light, read out.
Bei
dem vorliegenden optischen Bauteil ist, wie beispielsweise aus
Eine
Vorrichtung zur Erzeugung solcher Polarisationshologramme durch
direktes Belichten ist in
Die
Vorrichtung weist eine Lichtquelle
Eine
Optik
Die
Lichtquelle
Das
optische Bauteil
Durch
einen Steuerrechner
Durch
das sukzessive Belichten des PAP-Materials
Wie
vorstehend schon dargelegt, zeigt
Das
Phasenpolarisationshologramm kann nun zur Korrektur der optischen
Eigenschaften der Plankonvexlinse
Das
zur Korrektur der optischen Eigenschaften notwendige Polarisationshologramm
ist in
Vorliegend
ist jedoch im Gegensatz zum Stand der Technik auch eine besonders
einfache Realisierung von deutlich mehr als zwei Quantisierungsstufen
Mit dem vorliegend verwandten Phasenpolarisationshologramm sind theoretische Beugungseffizienzen von 100% für zirkular polarisiertes Licht einer Händigkeit (z.B. rein linkshändig zirkular polarisiertes Licht) erreichbar. Demgegenüber läßt sich z.B. mit einem binären Amplitudenhologramm nur eine maximale Beugungseffizienz von ca. 46% erzielen. Die hohe Beugungseffizienz von Polarisationshologrammen ist aber für die Anwendung von großer Bedeutung, da bei holographischen optischen Bauteilen mit geringer Beugungseffizienz stets nur ein Teil des Lichtes durch das Hologramm gebeugt wird, so daß der Rest die Funktionsweise des optischen Bauteils stört. Hierbei gilt, daß Polarisationshologramme qualitativ hochwertiger einzuschätzen sind, wenn ausschließlich zirkular polarisiertes Licht verwendet wird.With The presently related phase polarization hologram is theoretical Diffraction efficiencies of 100% for circularly polarized light of handedness (e.g., purely left-handed circular polarized light). On the other hand, e.g. with a binary amplitude hologram only achieve a maximum diffraction efficiency of about 46%. The height However, diffraction efficiency of polarization holograms is for the application of great Meaning, as with holographic optical components with low Diffraction efficiency always only part of the light through the hologram is bent, so that the Rest interferes with the functioning of the optical component. in this connection applies that polarization holograms qualitatively to estimate higher quality are, if only circularly polarized light is used.
Durch das vorstehend beschriebene direkte Schreiben von Polarisationshologrammen auf die eine auf eine ebene Fläche eines optischen Bauteils aufgebrachte PAP-Schicht, entfällt zudem eine Justierung von Hologramm und Bauteil.By the direct writing of polarization holograms described above on the one on a flat surface an optical component applied PAP layer, also eliminates an adjustment of hologram and component.
Weiterhin ist das PAP-Polymer im Vergleich zu optischen Gläsern preiswert in seiner Herstellung und Verarbeitung.Farther For example, the PAP polymer is inexpensive to manufacture compared to optical glasses Processing.
Zudem steht mit Plankonvexlinsen als Substrat für den PAP-Film ein sehr preiswertes optisches Bauelement zur Verfügung.moreover stands with plano-convex lenses as a substrate for the PAP film a very inexpensive optical component available.
Außerdem sind mit dem vorliegenden Verfahren Hologramme mit mehr als zwei Quantisierungsstufen (im Gegensatz zum konventionellen photolithographischen Verfahren) nicht aufwendiger in ihrer Herstellung. Auch dies ermöglicht die Realisierung von höherer Beugungseffizienz und qualitativ besseren Hologrammen.Besides, they are with the present method holograms with more than two quantization levels (in contrast to the conventional photolithographic process) not expensive in their production. This also allows the Realization of higher Diffraction efficiency and better quality holograms.
Durch die Verwendung von optischen Bauteilen als Träger im Gegensatz zur Holographie auf ebenen Substraten entstehen deutlich geringere Anforderungen an die Kohärenz der zum Auslesen verwendeten Lichtquelle, da beim Auslesen jedes Hologramms die Kohärenzlänge der Lichtquelle in der Größenordnung der durch das Hologramm verursachten Phasenverschiebung liegen muß. Dient, wie in dem vorliegenden Verfahren, das Hologramm zur optischen Korrektur eines bestehenden optischen Elementes, sind die Anforderungen an die Kohärenz der Leselichtquelle gegenüber einem reinen holographischen optischen Element deutlich schwächer. Damit sind die beschriebenen Kombinationen von holographischem optischen Element und konventionellem optischen Element für eine breitere Auswahl an Lichtquellen einsetzbar.By the use of optical components as a carrier in contrast to holography on flat substrates significantly lower requirements to coherence the light source used for reading, as each readout Hologram the coherence length of the Light source of the order of magnitude must be due to the hologram caused phase shift. serves, as in the present method, the hologram for optical correction of an existing optical element, are the requirements of the coherence of Reading light source opposite a pure holographic optical element significantly weaker. In order to are the described combinations of holographic optical Element and conventional optical element for a wider choice of light sources used.
Die
Dicke des Photopolymers wird bevorzugt derart gewählt, daß ein maximaler
Phasenunterschied von einer halben Lichtwellenlänge (also 180 Grad = pi) entsteht.
Mit den sehr großen
Brechungsindexvariationen, die man in PAP-Materialien erreicht (typischerweise
mehr als Delta n = 0.1, siehe B.L. Lachut, S.A. Maier, H.A. Atwater,
M.J.A. de Dood, A. Polman, R. Hagen and S. Kostromin: "Large Spectral birefringence
in photoadressable polymer films",
Adv. Mat. 16, 1746 (2004)) bedeutet das in Transmissi onsgeometrie
eine Schichtdicke von lambda/Delta n, also bei 600 nm und Delta
n = 0,1 Wellenlänge:
6
Mikrometer in Transmission bzw. in 3 Mikrometer in Reflexion (wg.
doppeltem Weg durch die Schicht).The thickness of the photopolymer is preferably chosen such that a maximum phase difference of half a wavelength of light (ie 180 degrees = pi) is formed. With the very large refractive index variations achieved in PAP materials (typically more than delta n = 0.1, see BL Lachut, SA Maier, HA Atwater, MJA de Dood, A. Polman, R. Hagen and S. Kostromin: "Large Spectral birefringence in photoaddressable polymer films ", Adv. Mat. 16, 1746 (2004)) means in transmissi onsgeometrie a layer thickness of lambda / delta n, ie at 600 nm and delta n = 0.1 wavelength:
6 microns in transmission and 3 microns in reflection (due to double path through the layer).
Die "bevorzugte Dicke" hängt demnach von der Wellenlänge, dem maximalen Brechungsindexunterschied bei dieser Wellenlänge (Materialeigenschaft) und der Geometrie ab.The "preferred thickness" depends accordingly from the wavelength, the maximum refractive index difference at this wavelength (material property) and geometry.
Eine
Abbildung eines weiteren optischen Bauteils ist in
Die „bevorzugte
Dicke" liegt z.B.
beim dem in
Bei Versuchen hat sich zudem allgemein eine Schichtdicke im Bereich von 1,7 Mikrometer ± 0,2 Mikrometer als Genauigkeit als ausreichend herausgestellt.at In addition, tests generally have a layer thickness in the range of 1.7 microns ± 0.2 Micrometer as accuracy proved sufficient.
Die Verwendung mehrerer PAP Schichten zur Ausbildung eines optischen Elementes ist möglich und wegen der Wellenlängenabhängigkeit der optischen Eigenschaften (Delta n(lambda) und Absorption) auch von Vorteil.The Use of multiple PAP layers to form an optical Element is possible and because of the wavelength dependence the optical properties (delta n (lambda) and absorption) as well advantageous.
Ein Aufbringen des PAP-Materials auf das optische Element kann entsprechend einer Belackung von Wafern (Photolithographie) und/oder einer Beschichtung beschreibbarer CD-ROM-Rohlinge durchgeführt werden.One Applying the PAP material on the optical element can accordingly a coating of wafers (photolithography) and / or a coating recordable CD-ROM blanks are performed.
Grundsätzlich wird beim vorstehend beschriebenen Schreibvorgang die „ganze" PAP-Schicht in voller Dicke belichtet. Diese Schicht ist aber so dünn, daß sie als "Oberfläche" (im Sinne eines Oberflächen-Hologramms) auffaßbar ist. Vorliegend wird also nicht „in der Tiefe" geschrieben, vielmehr ist die Schicht optisch gesehen nur aus Oberfläche aufzufassen.Basically in the above-described writing process, the "whole" PAP layer in full Thickness exposed. However, this layer is so thin that it can be called a "surface" (in the sense of a surface hologram). apprehended is. In the present case, therefore, it is not written "in the depths", but rather the layer is optically to be understood only from surface.
Es wurden jedoch auch Versuche durchgeführt, um eine Belichtung in der Tiefe des PAP-Materials zu erreichen, wobei das PAP Material in unterschiedlichen Tiefen belichtet wird.It However, attempts were also made to provide an exposure in the depth of the PAP material to reach, with the PAP material at different depths is exposed.
Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit hierzu ergibt sich dann, wenn mehrere untereinander liegende PAP-Schichten, die auf verschiedene Schreib-Wellenlängen sensitiviert sind (ähnlich wie beim Farbfilm), verwendet werden.A particularly advantageous possibility this results when several PAP layers lying one below the other, which are sensitized to different write wavelengths (similar to the Color film).
Ein Verfahren zur Herstellung optischer Bauteile durch das Belichten in der Tiefe ist insbesondere realisierbar, insbesondere wenn ein optisch homogenes Volumen aus PAP-Polymer verwendet wird.One Method for producing optical components by exposure in depth is particularly feasible, especially if a optically homogeneous volume of PAP polymer is used.
Weiterhin ist der vorliegende Versuchsaufbau vorzugsweise derart abzuändern, daß das Schreiblicht die PAP-Schicht nicht komplett durchdringt.Farther the present experimental design is preferably modified so that the writing light does not completely penetrate the PAP layer.
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