CN114616508A - 具有衍射部件的波前操纵器 - Google Patents

Abstract

描述了一种波前操纵器(13)，该波前操纵器包括光轴(47)和沿光轴(47)彼此前后布置的至少两个衍射光学部件(14，16，19)。衍射光学部件(14，16，19)各自包括具有多个衍射全息结构元件的衍射结构(15，17，24，25)，其中波前操纵器(13)被设计成借助于至少两个衍射光学部件(14，16，19)的衍射结构(15，17，24，25)在至少两个彼此不同的状态(20，21，22)之间改变波前。

Description

具有衍射部件的波前操纵器

本发明涉及一种波前操纵器，该波前操纵器具有沿光轴彼此前后布置的至少两个衍射光学部件；以及一种波导组件。本发明还涉及波前操纵器和/或波导组件的用途以及一种具有波前操纵器和/或波导组件的光学设备。

在Luiz W.Alvarez的US 3,305,294中描述了光学元件，这些光学元件至少具有第一光学部件和第二光学部件，这些光学部件沿光轴彼此前后布置、分别具有折射性自由曲面、并且可垂直于光轴彼此相反移位。通过使具有自由曲面的光学部件横向移位可以改变由这两个部件构造成的光学元件的折射力效果。因此，这样的光学元件还可以被称为Alvarez元件或Vario透镜。与可变的折射力相对应的是可变的焦点位置，该可变的焦点位置可以由平行于轴线入射的光束的波前的抛物线分量的变化来描述。在这个意义上，可以将Vario透镜视为专用的波前操纵器。

除此之外，还从I.M.Barton等人的“Diffractive Alvarez Lens，Optics Letters2000(25)，Seiten 1-3[折射性Alvarez透镜，光学快报2000(25)，第1-3页]”中已知如下元件，这些元件沿光轴彼此前后布置、关于光轴可横向地彼此相反移位、并且具有衍射面。在此，由两个可移位的元件构成的光学元件的衍射效应取决于这两个元件相对于彼此的横向位置。

在文献US 4 455 061和US 2003/0076556 A1中描述了用于形成光束的全息光学元件，在US 4 455 061中尤其是在激光扫描仪范围内的激光。在文献DE 10 2011 055 777A1中公开了一种光学元件，该光学元件具有至少两个光学部件，这些光学部件沿光轴彼此前后布置并且垂直于光轴彼此可移动地布置并具有折射结构和衍射结构。

“波导”被理解为包括由于其物理性质而被设计成用于传输波的非均质材料的构件。光波导被设计成用于传输光波，即波长在400至700纳米范围内的波。

在文献DE 10 2016 115 938 A1中描述了一种具有衍射耦合输入元件以及衍射耦合输出元件的波导组件，其中耦合输入元件和/或耦合输出元件可以是体积全息图。对此的应用示例是全息相机，即相敏相机，所谓的HoloCam。在HoloCam的情况下，基于其原理，仅在位于波导中的耦合输入元件的有限距离处或无限远处的平面上发生聚焦。就HoloCam而言值得期望的是，在多个平面之间对待衍射到波导中的光进行聚焦，最好不会对其他波长的透射光产生光学成像影响。例如，如果使用了尤其由窗玻璃制成的光学平板，则对特定的波长(例如530nm)进行聚焦和耦合输入，同时不对其他波长进行聚焦和耦合输入，从而使眼睛继续穿过光学平板来观察。

主要使用折射性(折光性)或反射性光学来构造元件来进行聚焦和形成光束。然而，这样的构造元件需要相对较大的结构空间且具有相对较大的重量。

因此本发明的第一目的是，提供一种有利的波前操纵器，其具有相对较小的重量且需要的结构空间较小。本发明的另一目的是，提供一种有利的波导组件和一种有利的光学设备。本发明的又另一目的是，提供针对根据本发明的波前操纵器和/或根据本发明的波导组件的有利的用途。

第一目的通过根据权利要求1所述的波前操纵器来实现，第二目的通过根据权利要求17所述的波导组件来实现，第三目的通过根据权利要求19所述的光学设备来实现，以及第四目的通过根据权利要求22所述的波前操纵器的用途来实现。从属权利要求包含本发明的有利的设计方案。

根据本发明的波前操纵器包括光轴和至少两个衍射光学部件，例如至少第一衍射光学部件和第二衍射光学部件。“衍射光学部件”被理解为在其上衍射入射波、尤其光波并且以此方式产生干涉的光学部件。至少两个衍射光学部件沿光轴彼此前后布置。例如，它们分别包括可以与光轴垂直地或与光轴成20度至90度的角度延伸的平面。衍射光学部件，即例如第一衍射光学部件和第二衍射光学部件，分别包括具有多个衍射全息结构元件的衍射结构。在此，该衍射结构优选布置在相应的衍射光学部件的与光轴垂直地或与光轴成20度至90度的角度延伸的平面上。波前操纵器被设计成借助于该至少两个衍射光学部件的衍射结构在至少两个彼此不同的状态、尤其彼此不同的焦点之间改变波前。

各个衍射光学部件都可以被设计为透射性、反射性或半透反射性光学部件。换言之，它们可以在透射和/或反射中发挥其衍射光学效应，即同时具有衍射和透射光学特性和/或同时具有衍射和反射光学特性。

衍射结构可以被设计为全息图光栅，即被设计为全息形成的光栅、优选体积全息光栅。衍射全息结构元件可以通过全息记录或全息成像产生，即全息地产生，或者可以是计算机生成的或CGH产生的(CGH-computer generated hologram，计算机生成全息图)。全息图是两个相干辐射源的干涉图案的记录或成像，这些辐射源例如是可见光的光源、尤其是激光。体积全息光栅是以体积全息图的形式实现的光栅。体积全息图是通常在光敏体积材料中通过用两个或更多个相干光波曝光和显影而产生的全息图。

例如，借助于根据本发明的波前操纵器可以实现例如用于全息相机的聚焦设备。换言之，根据本发明的波前操纵器例如可以被设计为聚焦设备。与使用折射光学构造元件的聚焦设备相比，根据本发明的波前操纵器具有如下优点，即，该波前操纵器需要明显更小的结构空间，并且因此特别适用于与平面光学设备(例如是智能手机、HoloCam、平视显示装置、数码眼镜、相机或显示设备、尤其是投影仪)相关联的用途或者还适用于与智能眼镜相关联的用途。

优选地，波前操纵器被设计成借助于该至少两个衍射光学部件的衍射结构在离散状态之间或连续地改变波前。由此尤其可以在不同的焦平面或焦线或焦点之间切换或缩放。例如，各个衍射光学部件相对于彼此的移动可以连续地进行，或者可以在各个离散状态之间切换。

波前操纵器可以包括至少一个机械的和/或电的和/或声学的装置，以改变(例如切换)波前的状态。换言之，波前的改变总体上可以通过波前操纵器的衍射特性的变化来进行，其中可以通过机械的和/或电的和/或声学上的作用来改变衍射特性。

在有利的变体中，第一衍射光学部件和第二衍射光学部件分别可以被布置成在垂直于光轴的平面上可相对于彼此移动，尤其可横向地移位和/或围绕平行于光轴布置的轴线(该轴也可以是光轴)可旋转。横向移位意味着垂直于光轴移位。在另一变体中，这些衍射光学部件中的至少一个衍射光学部件可以具有衍射结构，该衍射结构可以在其衍射特性方面由于施加在衍射光学部件上的电压的变化或由于流经衍射光学部件的电流强度的变化而改变。

在实施例中，根据本发明的波前操纵器可以包括两个可相对于彼此横向移位的相位板，例如具有构成全息干涉图案的衍射结构元件的衍射性Alvarez-Lohmann透镜。例如，在A.Grewe等人的“Opto-mechanische Mikrosysteme zur hyperspektralen Bildgebung，Mikrosystemtechnik Kongress 2013，14.-16.Oktober 2013 in Aachen[用于高光谱成像的光学机械显微系统，2013年显微系统技术学会，2013年10月14日至16日，亚琛](https://www.tu-ilmenau.de/fileadmin/media/mms/Publikationen/_Gre13_MST-Kongress.pdf)”中描述了具有立方表面轮廓的衍射性Alvarez-Lohmann透镜。然而在本发明的范围内，衍射性Alvarez-Lohmann透镜配备有全息图。

例如，可以由于至少一个衍射光学部件附近的电压和电流的变化来实现对至少一个衍射结构的衍射特性以及因此对波前的电改变或电切换。为此，衍射光学部件可以包括可由电压主动/非主动切换的衍射层(DOE Layer，DOE层)，即所谓的可切换布拉格光栅(Switchable Bragg Grating)。例如，在Sutherland，R.L.等人的″Switchable hologramsin a new photopolymer-liquid crystal composite″SPIE：Diffractive anHolographic Optics Technology，2404：132-，Feb.9-101995[“新型光聚合物-液晶复合物中的可切换全息图”，SPIE：衍射全息光学技术，2404：132-，1995年2月9日至10日]和Sutherland，R.L.等人的″Electrically switchable volume gratings in polymer-dispersed liquid crystals″Appl.Phys.Lett.，64(9)：1074-1076，Feb.28，1994[“聚合物-分散液晶中的可电切换体光栅”，应用物理学快报，64(9)：1074-1076，1994年2月28日]中描述了可切换布拉格光栅。

此外，至少一个衍射光学部件可以包括可由电压进行偏振切换的元件(例如液晶层)，与诸如超表面(Meta-Surface)或体积全息光学元件(volumenholographischeoptische Elemente，vHOE)的静态偏振敏感光学器件相组合，它们将具有不同偏振方向的光偏转到各个方向。原则上，可以实现具有相位板、超表面、等离子体元件、和菲涅尔元件的设计方案。电磁超表面是厚度小于要使用的辐射波长的人造薄片材料。超表面可以是结构化的或者是非结构化的，其在水平维度上具有亚波长缩放的图案。

可以以如下方式实现声学上的改变(尤其切换)，即，至少一个衍射光学部件包括至少一个声光调制器，例如衍射结构具有可切换的折射率分布。原则上，还可以实现所描述的变体的组合，例如用于较大的离散位置跳跃的可切换的布拉格光栅(Switchable BraggGrating)和用于扫描中间区域的横向移位。

这些衍射光学部件中的至少一个衍射光学部件的衍射结构、尤其全息干涉图案可以包括中心，诸如中心轴线或中心线或中心点。尤其在横向方向上，随着与中心的距离的增大，结构元件彼此间的距离也可以减小或增大。根据于此，可以在期望的聚焦的情况下选择衍射光学部件相对于彼此的运动方向。中心可以针对于结构元件的距离构成或限定镜像轴线。这些衍射光学部件中的至少一个衍射光学部件的衍射结构、尤其全息干涉图案可以包括结构元件，其中根据与衍射结构的中心的距离通过多项式来描述相邻结构元件的距离、尤其横向距离和/或取向、换言之光栅常数和/或角度(例如闪耀角)。

第一衍射光学部件和第二衍射光学部件可以在针对光轴而言的轴向方向上以固定的距离彼此布置。该距离可以被选择得尽可能得小，例如在0至0.1mm之间。根据所选择的距离，尤其在距离较大的情况下，在设计施加在光学部件上的全息干涉图案时，必须考虑存在于衍射光学部件之间的材料(例如空气)的折射率。换言之，这两个衍射光学部件之间的其他距离也是可能的，但是这需要适配相应的全息干涉图案。

衍射结构的结构元件可以被设计为凸起部或凹陷部或变色(例如涂黑部)或化学材料变化部。此外，结构元件可以被设计成在空间上在横向方向上彼此相邻的、具有彼此不同的折射率的区域。例如，结构元件的折射率与相应的衍射光学部件的材料的折射率的差值在0.05至0.15之间，例如为0.01。这例如可以通过使用体积全息图来实现。在此，可以使用光聚合物来作为材料。

在另一变体中，各个或固定的区域可以具有特定的折射率差。各个区域的折射率差可以取决于相应区域与衍射结构的中心的距离。在此，该中心可以是镜像轴线。折射率差可以随着区域与中心的距离的增大而增大或减小。在这种情况下，增大或减小可以根据固定的多项式来进行。有利地，衍射结构可以具有可变的、例如可在各种状态之间切换的折射率分布。由此，例如可以实现在离散状态、尤其焦点之间的切换。

这些衍射结构中的至少一个衍射结构可以由体积全息图、和平面全息图、和/或振幅全息图、和/或相位全息图、和/或透射全息图、和/或白光全息图、和/或在白光下可重建的全息图、和/或真彩色全息图构成。

以下关于各种全息图类型的描述取自https://www.spektrum.de/lexikon/optik/holographie/1343：全息图记录既可以在较薄的光敏层(平面全息图)中进行，也可以在较厚的光敏介质(体积全息图)中进行。在制造全息图时，所使用的存储材料的厚度尤为重要。物体波和参考波构成由光学存储介质(全息图)记录的、在空间上静止的干涉图案。在重建时，用原始参考波来重建两个全息图类型。平面全息图将不同的衍射级数添加到待通过的第零衍射级数，这些不同的衍射级数在正常的平面光栅中也是预期的。第一衍射级数表示重建的图像，在此是重建的平面波。而在体积全息图中，根据布拉格反射定律，除了第零衍射级数之外，仅产生第+1衍射级数或第-1衍射级数。较厚的光学存储介质提供如下优点，即在其中可以重叠多个干涉结构；因此，体积全息图由多个叠加的干涉结构构成。通过在重建时保持特定角度或波长可以从体积全息图中重建出一个又一个的图像。在振幅全息图的情况下，干涉图案被记录为黑度分布(全息图藉由消光来调制重建波)。在相位全息图的情况下，干涉图案以表面起伏或折射率分布的形式被存储在介质内。于是，全息图影响重建波的相位。

这些衍射光学部件中的至少一个衍射光学部件可以被设计为板或箔片或膜。箔片或膜的设计方案有如下优点，即波前操纵器所需的结构空间最小。板的设计方案有如下优点，即在所需的结构空间同样相对较小的情况下具有较好的稳定性和较长的使用寿命。在本发明的范围内，“板”被理解为被设计成自身不可变形的部件。“箔片”被理解为如下光学部件，该光学部件是关于在笛卡尔坐标系的x-y平面上由该光学部件的表面展开的平面沿z方向、即垂直于x-y平面可变形的。例如可以使用塑料箔片。“膜”被理解为优选施加到基底上的连贯的材料层。在此，膜、例如卤化银膜可以与基底牢固地或可松脱地相连接。

在优选的设计方案中，至少一个衍射光学部件具有小于1mm的厚度，例如在0.1至0.5mm之间的厚度。以这种方式可以实现对波、尤其光波的特别节省空间的聚焦或散焦。

优选地，衍射光学部件被设计为至少部分透明的，尤其对于可见光是透明的。这尤其就用于平视显示装置或数码眼镜或AR眼镜(AR-augmented reality，增强现实)的用途而言是有利的。

在特别有利的第一变体中，波前操纵器包括四个衍射光学部件，其中第一衍射光学部件和第二衍射光学部件直接彼此相邻并且被布置成在第一横向方向上可彼此相反移位，并且第三衍射光学部件和第四衍射光学部件直接彼此相邻并且被布置成在第二横向方向上可彼此相反移位。例如，第一横向方向和第二横向方向可以彼此垂直地或以另外的相对于彼此的固定角度延伸。在具有两个衍射光学部件的设计方案中，这些衍射光学部件分别具有布置在横向方向上的全息干涉图案、可以将波聚焦到平面上的某一线上，而借助于具有四个衍射光学部件的所述设计方案，其中每个光学部件都具有在横向方向上延伸的全息干涉图案，可以将波聚焦到平面上的某一点上。

在另一设计变体中，至少两个衍射光学部件可以被布置成相对于彼此围绕平行于光轴的轴线可旋转。在此，在具有四个衍射光学部件的上述变体中，例如第一衍射光学部件和第二衍射光学部件可以一起被布置成相对于第三衍射光学部件和第四衍射光学部件可旋转。然而，附加于此或替代于此，第一衍射光学部件和第二衍射光学部件还可以被布置成相对于彼此可旋转。以相同的方式，第三衍射光学部件和第四衍射光学部件也可以被布置成相对于彼此可旋转。第二衍射光学部件和第三衍射光学部件可以被设计成牢固地彼此相连接。例如，第二衍射光学部件和第三衍射光学部件可以被集成在唯一的构件中。

在特别有利的第二变体中，波前操纵器包括三个衍射光学部件，其中第三衍射光学部件在光轴方向上布置在第一衍射光学部件与第二衍射光学部件之间。第三衍射光学部件尤其可以被布置成相对于第一衍射光学部件和第二衍射光学部件可旋转，例如可通过平移和/或旋转而移动，或者被设计成在其衍射特性方面可变的。

在另一有利的变体中，波前操纵器具有至少一个衍射光学部件，该至少一个衍射光学部件在垂直于光轴延伸的平面上包括被设计为呈二维光栅或三维光栅形式的全息干涉图案。在该设计方案中可以实现的是，在两个对应设计的衍射光学部件的情况下，可以通过使这些衍射光学部件彼此以45度角移位来实现聚焦到某一点上。

借助于所描述的设计变体，可以将波、尤其光波聚焦到某一点上或聚焦到沿光轴或平行于光轴延伸的某一线上。借助于作为这些衍射光学部件中的至少一个衍射光学部件的结构的体积全息图，可以额外地聚焦到某一点上，即换言之，还可以沿光轴方向或沿z轴进行聚焦。

根据本发明的波导组件包括至少一个波导和至少一个已经描述的、根据本发明的波前操纵器。波导可以被设计为光波导。有利地，波前操纵器与波导处于操作性连接，即被设计成尤其用于操纵耦合输入到波导中或从波导中耦合输出的波前并且优选对应地在空间上与波导相连接。波导可以具有用于耦合输入波、例如光波的输入端，以及用于耦合输出波、例如光波的输出端。

优选地，上述波前操纵器布置在输入端和/或输出端处，有利地布置在沿着由输入端或输出端限定的光轴的光束路径中。在此，布置在输入端处的波前操纵器的光轴可以与输入端处的波导的光轴是一致或者与其平行地延伸。附加于此或替代于此，布置在输出端处的波前操纵器的光轴可以与输出端处的波导的光轴一致或者与其平行地延伸。

例如，至少一个波前操纵器可以被设计为关于波导的耦合输入元件和/或耦合输出元件，即被设计成用于将波、尤其光波耦合输入到波导中和/或从波导耦合输出。至少一个波前操纵器可以至少部分地被集成到波导中。在有利的变体中，波前操纵器的这些衍射光学部件中的一个衍射光学部件、尤其衍射光学部件的衍射结构可以是波导的组成部分，例如布置在波导内。

根据本发明的波导组件具有上面已经结合根据本发明的波前操纵器所提到的优点。波导组件尤其可以有效率地传送和/或输出有针对性地操纵的波前，尤其在所需结构空间较小的同时可以具有较宽的聚焦范围。

根据本发明的另一方面，提供一种光学设备。根据本发明的光学设备例如可以是光学观察设备，例如显微镜(尤其是手术显微镜)、望远镜、相机、波导、物镜(尤其是变焦物镜和/或全息物镜)等。然而，光学设备还可以是诸如光学测量设备的其他光学设备。光学设备配备有至少一个根据本发明的波前操纵器。因此，在根据本发明的光学设备中可以实现参照根据本发明的波前操纵器描述的效果和优点。

相机尤其可以是全息相机、和/或用于移动电话的相机、和/或显微镜相机。显示设备可以是数码眼镜、或投影仪(尤其是被设计成用于单独聚焦颜色的投影仪)、或(尤其是在汽车中使用的)平视显示装置、或被设计用于显微镜的显示设备。

在结合HoloCam使用波前操纵器的情况下，本发明可以实现焦平面可切换的HoloCam。在此，可以在各个离散状态之间进行切换，或者可以覆盖最终状态之间的连续的值范围。

根据的本发明的另一方面，提供至少一个根据本发明的波前操纵器和/或根据本发明的波导组件的用途。在根据本发明的用途中，至少一个根据本发明的波前操纵器和/或根据本发明的波导组件用于使波前、尤其光波前聚焦。

原则上，本发明可以实现：改变与物体的聚焦距离，尤其实现可切换的二次相位函数和/或线性相位函数；改变主光束方向，例如在不同场位置之间进行切换，以获得更大的视场(FOV-field of view，视场)。此外，对于不同的波长，可以以固定距离实现物体的清晰成像。

在下文中，将通过多项式展开来描述折射自由曲面的形状，该多项式展开在有限多个特定的多项式阶数为零的情况下具有不同的展开系数，并且可以类似地用于衍射结构。通过如下的多项式展开来描述与折射自由曲面相关的衍射结构，该多项式展开在与折射自由曲面的多项式展开相同的多项式阶数为零的情况下也具有不同的展开系数。在此，描述折射自由曲面的多项式展开和描述相关衍射结构的多项式展开的展开系数(分别被分配给同一多项式阶数)彼此处于固定的函数关系。在此，描述折射自由曲面的多项式展开和描述相关衍射结构的多项式展开的分别被分配给同一多项式阶数的展开系数尤其可以处于线性函数关系。该函数关系尤其可以取决于在相应的光学部件中使用的材料，即取决于其色散。尤其，在此对于具有非零系数的所有多项式阶数均可以存在相同的函数关系。

第一多项式展开和第二多项式展开的多项式可以分别取决于代表垂直于光学元件的光轴的各个方向的两个变量。在此，这两个方向可以相对于彼此而垂直，其中一个方向与光学部件的移动方向相对应，并且其中描述折射自由曲面的多项式展开和描述相关衍射结构的多项式展开分别在代表光学部件的移动方向的变量中仅具有奇数多项式阶数。于是，描述折射自由曲面的多项式展开和描述相关衍射结构的多项式展开分别在代表与光学部件的移动方向垂直的方向的变量中仅需要偶数多项式阶数。

DE 10 2011 055 777描述了用于构造衍射面以及用于使用设有衍射结构和自由曲面的光学元件的其他细节，关于这些方面，请参考该文献。

下面将借助实施例参照附图详细地阐述本发明。尽管详细地通过优选实施例进一步展示并描述了本发明，但本发明并不局限于所公开的示例，并且本领域技术人员可以在不脱离本发明的保护范围的情况下从中推导出其他变体。

附图不一定是非常详细和完全按照比例的，并且可以有所放大和缩小地示出，以提供更佳的视角。因此，在此公开的功能细节不应被理解为限制性的，而是仅作为为本技术领域的技术人员提供指导的说明性基础，以便以多种方式使用本发明。

图1以剖开的视图示意性地示出了全息相机(HoloCam)。

图2示意性地示出了折射聚焦系统和衍射聚焦系统。

图3示例性地示出了具有全息图的衍射光学部件和图表，该图表示出了光栅线数量与距中心的距离的关系。

图4以三种不同运行状态示出了呈衍射聚焦系统形式的根据本发明的波前操纵器13。

图5示意性地示出了在图1中示出的HoloCam，该HoloCam具有布置在耦合输入全息图前的根据本发明的波前操纵器。

图6示意性地示出了具有根据本发明的波前操纵器的HoloCam的另一实施变体。

图7示意性地示出了根据本发明的波前操纵器的另一实施变体。

图8以立体图示意性地示出了借助于在图7中示出的波前操纵器进行的不同的聚焦可能性。

图9示意性地示出了具有可切换的波前操纵器的HoloCam的第一变体。

图10示意性地示出了具有可切换的波前操纵器的HoloCam的第二变体。

图11以俯视图示意性地示出了Holocam的耦合输入全息图以及因此波前操纵器和耦合输出全息图的相对尺寸设定的两个变体。

图12示意性地示出了根据本发明的光学设备。

图13示意性地示出了根据本发明的波前操纵器的反射变体。

图14示意性地示出了根据本发明的波导组件。

图1以剖开的视图示意性地示出了全息相机(HoloCam)。HoloCam 26包括波导1、物镜4、以及相机或传感器5。波导1包括耦合输入全息图2和耦合输出全息图3。在波的传播方向上，在耦合输出全息图3的后方、在波导1的外部布置有物镜4并且在物镜4的后方布置有相机或传感器5。耦合输入全息图2的光轴用附图标记41来标记。耦合输出全息图3、物镜4和相机或传感器5的光轴用附图标记42来标记。波、尤其是光波到波导1的传播方向由箭头31来标记。穿过耦合输出全息图3离开波导1的波的传播方向由箭头32来标记。通过具有附图标记29的线将波的传播标记为光束路径。

通过耦合输入全息图2实现了固定的焦点6。该焦点具有与波导1的距离31。从具有焦距33的焦点6(可以是焦点、焦线或焦平面)处发出的光波经由耦合输入全息图2耦合输入到波导1中、在该波导中被传送到耦合输出全息图3、并且经由耦合输出全息图3穿过物镜4被引导到相机或传感器5。在图1中示出的示例中，光轴41和42平行于笛卡尔坐标系45的z轴延伸。波导1的表面43和44在坐标系45的x-y平面内延伸。耦合输入全息图2和耦合输出全息图3分别具有全息的无差图案(Indifferenzmuster)，该无差图案沿y方向或者在x-y平面内延伸，即垂直于相应的光轴41或42、即横向于相应的光轴延伸。

图2示意性地示出了折射聚焦系统12和衍射聚焦系统13。穿过这两个聚焦系统的准直光束路径分别用带附图标记20的箭头来标记。所示折射聚焦系统10包括：包括第一自由曲面11A的第一Alvarez元件11，以及包括第二自由曲面12A的第二Alvarez元件12。自由曲面11A和12A彼此相对布置。Alvarez元件11和12在光轴46的方向上相对于彼此具有一定的距离。藉由折射聚焦系统10，通过自由曲面11A和12A处的折射(折光)使穿过聚焦系统10而传播的波(尤其光波)根据自由曲面11A与12A之间的距离以及根据Alvarez元件11和12彼此就波的传播方向而言的横向位置及尤其根据波与光轴46的横向距离而发生改变。在图2中示出的变体中，通过折射聚焦系统10引起横向偏置。

在图2中示出的衍射聚焦系统13包括被设计为具有全息图15的基底的第一衍射光学部件14以及被设计为具有全息图17的基底的第二衍射光学部件16。第一衍射光学部件和第二衍射光学部件14和16被布置成彼此相距一定的轴向距离并且横向于光轴47延伸。全息图15和17同样横向于或垂直于光轴47延伸。藉由衍射聚焦系统13，通过在全息图15和17处的衍射使波、尤其光波的传播方向发生改变。在图2中示出的变体引起相对于光轴47的偏置。藉由在图2中示出的两个聚焦系统，一方面通过使Alvarez元件11和12、并且另一方面通过使衍射光学部件14和16彼此横向移位可以实现对波的聚焦(即会聚光束路径)或散焦(发散光束路径)。

图3示例性地示出了具有全息图15的衍射光学部件14和图表，该图表示出了光栅线数量18与距衍射结构的中心28的距离的关系。在此，在x轴上，以mm为单位描绘了结构元件的距离y、尤其全息光栅的光栅线与中心或中心线(尤其镜像轴线)28的距离。在y轴上，以1/mm为单位描绘了光栅线数量18(LP-Line Pitch)。在所示的变体中，光栅线数量18在中心线28的区域是最小的，并且随着与中心线28的距离的增大而增加。替代于所示的变体，光栅线数量还可以在中心线28的区域是最大的，并且随着与中心线28的距离的增大而减少。

在图4中以三种不同运行状态示出了呈具有波长选择性的体积全息图的衍射聚焦系统形式的根据本发明的波前操纵器13。在此，左侧示出的变体与在图2中示出的变体相对应。在中间示出的变体中，第一衍射部件14和第二衍射部件16横向于或垂直于光轴47彼此相反移位。由此，不同于在左侧示出的运行状态中实现的经准直的光束路径20，实现了对于对应的设计波长λ₁的发散光束路径21。在图4右侧示出的变体中，衍射光学部件14和16在与中间的变体中示出的方向相反的方向上彼此横向地移位。通过该移位实现了对于对应的设计波长λ₁的会聚光束路径22。衍射光学部件14和16的横向移位用带有附图标记34的箭头来标记。为了实现期望的光束路径，衍射光学部件14和16相对于彼此必须移位的方向和程度在此取决于(例如在图3中示出的)光栅线数量18的分布。不同于设计波长λ₁的波长λ₂不会受到体积全息图的影响并且在通过之后也没有虚拟或真实的光学图像。

在本发明的范围内使用的全息图可以相应地通过对具有光敏材料的基底进行曝光来产生。

借助于根据本发明的波前操纵器13，如图4所示，可以借助于通过全息图产生的自由曲面波前来实现聚焦或散焦。在图5中示意性地示出了结合HoloCam的应用示例。图5示出了在图1中示出的HoloCam 26，该HoloCam具有布置在耦合输入全息图2前的根据本发明的波前操纵器13。图5同时示出了根据本发明的波导组件的实施变体。

通过使衍射光学部件14和16相对于彼此移位34还可以改变在其他情况下固定的焦点。即，例如可以设定准直光束路径或无限远处的焦点9或者设定第一焦点7或第二焦点8。即，一方面，可以使焦点沿光轴47进行移位。这用箭头48来标记。附加于此或替代于此，还可以实现在横向方向上的偏置，即光轴47的移位或焦点从由耦合输入全息图2预先设定的光轴41的横向偏置。这用箭头49来标记。

图6示意性地示出了具有根据本发明的波前操纵器的HoloCam的另一实施变体。图6同时示出了根据本发明的波导组件的实施变体。在该变体中，第二衍射光学部件集成在HoloCam的波导1中并且同时构成耦合输入全息图2A。在图6中示出的变体中，HoloCam 26包括壳体30。在此，在壳体30中夹持有波导1和第一衍射光学部件14。在此，第一衍射光学部件14布置在壳体30中，使得第一衍射光学部件可以横地或横向于光轴47移位。

除了在图4和图5中示出的变体，还可以将两个波前操纵器13彼此组合并且优选地彼此前后布置，其中第一波前操纵器的衍射光学部件被布置成在第一(横或)横向方向上可相对于彼此移位，并且第二波前操纵器被设计成其衍射光学部件在第二(横或)横向方向上可彼此相反移位。在此，第一横向方向可以垂直于第二横向方向布置或者相对于第二横向方向具有固定角度。通过这样的设计方案可以实现聚焦到焦平面中的某一焦点上。原则上，所使用的全息图可以被设计为体积全息图。通过体积全息图的对应的设计方案还可以实现在z方向上的聚焦。此外，所使用的全息图可以被设计为沿x-y平面延伸的二维全息光栅。在设计方案为二维全息光栅的情况下，还可以仅借助于一个波前操纵器、即仅使用两个相对于彼此可移位的衍射光学部件来实现聚焦到固定的焦平面中的某一焦点上，即实现在x-y方向和z方向上的聚焦。

在图7和图8中示出了另一实施变体。在该变体中，在第一衍射光学部件14与第二衍射光学部件之间16布置有第三衍射光学部件19。第三衍射光学部件包括两个全息图38和39。在此，第一全息图38布置在朝向第一衍射光学部件14的表面上并且第二全息图39布置在朝向第二衍射光学部件16的表面上。第一衍射光学部件14和第三衍射光学部件19以及第二衍射光学部件16都分别在轴向方向相对于彼此相距一定的距离。在此，该距离尽可能小，一方面以使结构空间保持尽可能得小，并且另一方面以避免位于相应的衍射光学部件之间的介质、尤其空气对光束走向产生影响。该距离优选在0至0.1mm之间。所选择的距离越大，则在建立所使用的全息图时越要考虑穿过位于间隙之间的介质、尤其穿过空气的折射。

在图8A、图8B和图8C中示意性地以立体图示出了借助于在图7中示出的波前操纵器13进行的不同的聚焦可能性。在图8A中，第三衍射光学部件19沿y方向进行了移位以进行聚焦。这用箭头35来标记。由此，在焦平面40中实现了聚焦到沿x方向延伸的焦线上。在图8B中，第三衍射光学部件19沿x方向进行了移位。这用箭头36来标记。由此实现了在焦平面40中聚焦到沿y方向的某一线上。在图8C中，第三衍射光学部件19沿x方向以及沿y方向进行了移位，例如与x和y方向成45°角度地进行移位。这用箭头37来标记。通过该移位实现了聚焦到焦平面40中的焦点上。此外，通过使第一衍射光学部件14和第二衍射光学部件16相对于彼此移位，可以使焦平面40在轴向方向上移位。

原则上，根据本发明的波前操纵器可以被设计成使得不同的焦平面和不同的焦点变体可以连续被设定或者可以在离散状态之间被切换。

下面借助图9和图10阐述结合HoloCam的、可切换的波前操纵器的实施变体。在这些变体中，衍射光学部件被设计为可切换的衍射光学元件或全息光学元件、或相位板。在此，在图9中，第一全息图25和第二全息图24被设计为基于其衍射特性可通过施加电压而切换的全息图。在此，第一全息图25(如图6中的全息图2A那样)作为耦合输入全息图集成到波导1中。该第一全息图与电路50相连接，通过该电路可以使其状态可以在至少两个不同的衍射状态之间切换。可切换的全息图可以被设计为可切换的布拉格光栅。

第二衍射光学部件16同样包括可切换的全息图24。第二衍射光学部件16同样与电路50相连接，利用该电路，被设计用于聚焦的全息图24可以在至少两个不同的衍射状态之间切换。集成在波导1中的全息图25被设计为耦合输入全息图。由此，波导1同时是第一衍射光学部件14。通过使全息图24和/或25在不同的衍射状态之间切换可以沿x方向、y方向和z方向改变焦点7。

在图10中示出了在图5中示出的、具有可切换的全息图的示例的变体。该变体组合了可切换性的优点，即在焦点的离散设定之间变换的可能性和可切换的衍射光学部件14和16的横向移位的可能性以及可切换的耦合输入全息图2相对于彼此的横向移位的可能性，即焦点连续变化的可能性。在图10中示出的设计方案中，可以使第一衍射光学部件14和第二衍射光学部件16的全息图、以及集成到波导1中的耦合输入全息图2在离散的衍射状态之间进行切换。额外地，可以使部件横向地彼此相反移位，这用箭头34来标记。

原则上，在示出的所有实施变体中，全息图可以被设计为二维或三维的全息图光栅。此外，可以使各个衍射光学部件相对于彼此绕光轴或绕平行于光轴延伸的轴转动或旋转。以这种方式也可以实现聚焦。原则上，衍射光学部件可以被设计为板、箔片或膜。在作为膜的设计方案中，相应的膜优选被施加在基底上。这样的设计方案尤其针对图7和图8中示出的实施变体而提供。

额外地，波前操纵器可以包括例如布置在衍射光学部件前方的另外的光学部件。例如，可以沿光束方向在衍射光学部件前方布置一个或多个自由曲面透镜、一个或多个诸如非球面透镜和/或反射镜的透镜。此外，可以在衍射光学部件前方布置带宽滤波器。

图11以俯视图示出了Holocam的耦合输入全息图以及因此所使用的波前操纵器和耦合输出全息图的相对尺寸设定的两个变体。在图11左侧所示的变体中，仅设有相机5和对应较小的耦合输出全息图3。在该变体中，需要从几乎在波导1的整个宽度上延伸的耦合输入全息图2或2A或25出发藉由波导1将波或光束聚焦到耦合输出全息图3上。在该变体中，需要对应较大面积的根据本发明的波前操纵器13来进行聚焦。在此，可以通过将总场分为多个通道或者在必要时通过相机前的另外的可切换的部件来产生期望的立方相位功能。可切换的部件尤其可以是在时序上可切换的，其中例如即使在仅存在一个相机的情况下也可以通过依次切换来覆盖较宽的视场范围。

在图11右侧所示的变体中，设有多个相机5和几乎覆盖波导1的整个宽度的耦合输出全息图3。在该变体中，仅需要较小的耦合输入全息图2，借助于该耦合输入全息图须将待检测的波或光束聚焦到耦合输出全息图3上。为此可以使用较小的根据本发明的波前操纵器13。

图12示意性地示出了根据本发明的光学设备51，其包括根据本发明的波前操纵器13。光学设备51例如可以是波导、或物镜、或相机、或光学观察设备、或显示设备，尤其是用于移动电话的相机、和/或显微镜相机、或数码眼镜、或投影仪、或平视显示装置、或被设计用于显微镜的显示设备。

在至此所示和所描述的变体中，待操纵的波透射穿过所使用的衍射光学部件。图13示意性地示出了根据本发明的波前操纵器13的反射设计变体，该设计变体针对上述所有设计变体展示了额外或替代性的选择。在图13所示的变体中，使入射波20、尤其光波首先从第二衍射光学部件16的全息图17处朝第一衍射光学部件14的方向被反射并且接着从第一衍射光学部件14的全息图15处被反射。在所示的变体中，在波在第二衍射光学部件16的全息图17处被反射之前，先进行穿过第一光学部件14的透射，并且在波在第一衍射光学部件14的全息图15处被反射之后，进行穿过第二光学部件16的透射。然而，替代于此，光学部件14和16还可以被布置成相对于彼此横向移位，使得仅发生反射且不会发生透射。

图14以一般形式示意性地示出了根据本发明的波导组件52。波导组件52包括波导1(例如光波导)，该波导具有用于将波(例如光波)耦合输入到波导1中的输入端54以及用于将波(例如光波)从波导1耦合输出的输出端55。在输入端54处的光轴用附图标记53来标记，在输出端55处的光轴用附图标记56来标记。

上述根据本发明的波前操纵器13作为耦合输入元件布置在输入端54处并且被设计成用于对待耦合输入到波导中的波进行操纵(例如聚焦或散焦)。附加于此或替代于此，所描述的根据本发明的波前操纵器13可以作为耦合输出元件布置在输出端55处并且被设计成用于对待从波导耦合输出的波进行操纵(例如聚焦或散焦)。优选地，布置在输入端54的波前操纵器13的光轴与输入端54处的光轴53一致或者与其平行地延伸，并且/或者布置在输出端55的波前操纵器13的光轴与输出端55处的光轴56一致或者与其平行地延伸。

在有利的变体中，波前操纵器13的这些衍射光学部件中的一个衍射光学部件、尤其这些衍射结构中的一个衍射结构可以是波导1的组成部分或者可以集成在波导中，例如布置在波导1内。在图5和图6中也示出了对此的示例。

附图标记清单：

1 波导

2 耦合输入全息图

3 耦合输出全息图

4 物镜

5 相机/传感器

6 焦点(固定)

7 第1焦点

8 第2焦点

9 第3焦点(准直)

10 折射聚焦系统

11 第1Alvarez元件

11A 第1自由曲面

12 第2Alvarez元件

12A 第2自由曲面

13 衍射聚焦系统/波前操纵器

14 第1基底

15 第1全息图

16 第2基底

17 第2全息图

18 光栅线数量

19 第3基底

20 准直光束路径

21 发散光束路径

22 会聚光束路径

23 一维会聚光束

24 用于聚焦的可切换的DOE/HOE/相位板

25 用于耦合输入的可切换的DOE/HOE/相位板

26 HoloCam

27 衍射结构元件

28 中心/中心线/镜像轴线

29 光束路径

30 壳体/夹持部

31 波传播方向

32 波传播方向

33 焦距

34 横向移位

35 沿y方向的移动

36 沿x方向的移动

37 沿x和y方向的移动

38 全息图

39 全息图

40 焦平面

41 光轴

42 光轴

43 表面

44 表面

45 笛卡尔坐标系

46 光轴

47 光轴

48 轴向焦点移位

49 横向焦点移位

50 电路

51 光学设备

52 波导组件

53 光轴

54 输入端

55 输出端

56 光轴

λ₁ 设计波长

λ₂ 波长≠设计波长

Claims (22)

1.一种波前操纵器(13)，所述波前操纵器包括光轴(47)和沿所述光轴(47)彼此前后布置的至少两个衍射光学部件(14，16，19)，

其特征在于，

所述衍射光学部件(14，16，19)各自包括具有多个衍射全息结构元件的衍射结构(15，17，24，25)，其中所述波前操纵器(13)被设计成借助于所述至少两个衍射光学部件(14，16，19)的衍射结构(15，17，24，25)在至少两个彼此不同的状态(20，21，22)之间改变波前。

2.根据权利要求1所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述波前操纵器(13)被设计成借助于所述至少两个衍射光学部件(14，16，19)的衍射结构(15，17，24，25)在离散状态(7，8)之间或连续地改变波前。

3.根据权利要求1或权利要求2所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述波前操纵器(13)包括用于机械地和/或电气地和/或声学地改变所述波前的状态的至少一个装置(50)。

4.根据权利要求1至3之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

第一衍射光学部件(14)和第二衍射光学部件(16)分别被布置成在垂直于所述光轴(47)的平面上能够相对于彼此移动。

5.根据权利要求4所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述第一衍射光学部件(14)和所述第二衍射光学部件(16)分别被布置成在垂直于所述光轴(47)的平面上能够相对于彼此移位和/或能够围绕平行于所述光轴(47)布置的轴线旋转。

6.根据权利要求1至5之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射光学部件(14，16，19)中的至少一个衍射光学部件具有衍射结构(24，25)，所述衍射结构在其衍射特性方面能够由于施加在所述衍射光学部件(14，16，19)上的电压(50)的变化或由于流经所述衍射光学部件(14，16，19)的电流强度的变化而改变。

7.根据权利要求1至6之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射光学部件(14，16，19)中的至少一个衍射光学部件的所述衍射结构(15，17，24，25)包括中心(28)，并且所述结构元件相对于彼此的距离随着在横向方向上与所述中心(28)的距离的增大而增大或减小。

8.根据权利要求1至7之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射结构(15，17，24，25)包括结构元件，其中根据与所述衍射结构(15，17，24，25)的中心(28)的距离通过多项式来描述相邻结构元件的距离和/或取向。

9.根据权利要求1至8之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射结构(15，17，24，25)的结构元件被设计为凸起部或凹陷部或变色部或化学材料变化部。

10.根据权利要求1至9之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射光学部件(14，16，19)中的至少一个衍射光学部件的所述结构元件被设计成在空间上在横向方向上彼此相邻的、具有彼此不同的折射率的区域。

11.根据权利要求10所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射结构具有可变的折射率分布。

12.根据权利要求11所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

折射率差随着所述区域与所述中心(28)的距离的增大而增大或减小。

13.根据权利要求1至12之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射结构(15，17，24，25)中的至少一个衍射结构由体积全息图、和/或平面全息图、和/或振幅全息图、和/或相位全息图、和/或透射全息图、和/或白光全息图、和/或在白光下可重建的全息图、和/或真彩色全息图构成。

14.根据权利要求1至13之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述衍射光学部件(14，16，19)中的至少一个衍射光学部件被设计为板或箔片或膜。

15.根据权利要求1至14之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述波前操纵器(14)包括四个衍射光学部件(14，16，19)，其中第一衍射光学部件和第二衍射光学部件直接彼此相邻并且被布置成在第一横向方向上可彼此相反移位，并且第三衍射光学部件和第四衍射光学部件直接彼此相邻并且被布置成在第二横向方向上可彼此相反移位。

16.根据权利要求1至14之一所述的波前操纵器(13)，

其特征在于，

所述波前操纵器包括三个衍射光学部件(14，16，19)，其中第三衍射光学部件(19)在所述光轴(47)的方向上布置在第一衍射光学部件(14)与第二衍射光学部件(16)之间。

17.一种波导组件(26，52)，所述波导组件包括至少一个波导(1)包括，

其特征在于，

所述波导组件包括(26，52)至少一个根据前述权利要求之一所述的波前操纵器(13)，其中所述波前操纵器(13)与所述波导(1)处于操作性连接。

18.根据权利要求17所述的波导组件(26，52)，

其特征在于，

所述至少一个波前操纵器(13)被设计为关于所述波导(1)的耦合输入元件和/或耦合输出元件，并且/或者所述至少一个波前操纵器(13)至少部分地被集成到所述波导(1)中。

19.一种光学设备(51)，所述光学设备具有根据前述权利要求之一所述的波前操纵器(13)和/或波导组件(26，52)。

20.根据权利要求19所述的光学设备(51)，

其特征在于，

所述光学设备是波导、或物镜、或相机(26)、或光学观察设备、或显示设备。

21.根据权利要求20所述的光学设备(51)，

其特征在于，

所述相机(26)是全息相机、和/或用于移动电话的相机、和/或显微镜相机，或者所述显示设备是数码眼镜、或投影仪、或平视显示装置、或被设计用于显微镜的显示设备。

22.至少一个根据权利要求1至16之一所述的波前操纵器(13)和/或根据权利要求17或18之一所述的波导组件(26，52)的用于使波前聚焦的用途。

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