DE102005035550A1 - Breitbandiges diffraktives optisches Element - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein breitbandiges diffraktives optisches Element, welches aus mindestens zwei kombinierten optischen Gittern aufgebaut ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Gradientenindexgitter mit dem Phasenverlauf P¶3¶(lambda, z) in eine erstes Gradientenindexmaterial (3) mit dem Dispersionsverhalten n¶3¶(z, lambda) eingebracht ist, weiterhin ein zweites Gradientenindexgitter mit dem Phasenverlauf P¶4¶(lambda, z) in ein zweites Gradientenindexmaterial (4) mit dem Dispersionsverhalten n¶4¶(z, lambda) eingebracht ist und beide Gradientenindexmaterialien (3, 4) phasenstarr zueinander angeordnet sind.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein breitbandiges diffraktives optisches Element, welches mindestens aus zwei kombinierten optischen Gittern aufgebaut ist.
  • Durch G.M. Morris, K.J. McIntyre: „Optical system design with diffractive optics" In: J. Turunen, F. Wyrowski (Eds.), Diffractive Optics for Industrial and Commercial Applications, Akademie Verlag Berlin, 1997 ist bekannt, daß durch die Verwendung von diffraktiven Elementen in optischen Systemen abbildungsverbessernde Ergebnisse sowie Material-, Volumen- und Preiseinsparungen in z.T. erheblichem Maße erzielt werden können. Die Kombination aus diffraktiven und refraktiven Elementen wird im weiteren als hybride Optik bezeichnet. Ein derartiges Beispiel ist ein Teleobjektiv gemäß der US 6,381,079 B1 , welches refraktive Linsen und ein diffraktives Element im Strahlengang verwendet.
  • Ein wesentliches Problem beim Einsatz von hybrider Optik für einen großen Spektralbereich zwischen einer kurzen Wellenlänge λshort und einer größeren Wellenlänge λlong (z.B. den sichtbaren Spektralbereich ) besteht aber darin, mit dem diffraktiven Element möglichst 100% des transmittierten Lichts in eine einzige vorgegebene Beugungsordnung zu lenken.
  • Das Material, aus dem ein oberflächenstrukturiertes diffraktives optisches Element mit dreieckförmigem Profil besteht, weist üblicherweise einen im ganzen diffraktiven optischen Element gleichen, aber von der Wellenlänge abhängigen Brechzahlverlauf n(λ) auf, der auch als Dispersion bezeichnet wird. Bei Vorgabe einer Designwellenlänge λ0 in dem Spektralbereich mit λshort < λ0 < λlong, die sich üblicherweise in der Nähe der Mitte zwischen λshort und λlong befindet, und einer Beugungsordnung m, berechnet sich die optische Phasendifferenz ΦS(λ) nach dem geometrisch-optischen Modell zu
    Figure 00020001
  • Dabei wurde angenommen, dass das diffraktive optische Element der Tiefe d1 = m λ0/(n(λ0) – 1) gegen Luft mit der Brechzahl 1 betrieben wird. Damit berechnet sich die skalare spektrale Effizienz εS(λ) zu:
    Figure 00020002
  • Nur für die Designwellenlänge λ0 gilt cS(λ0) = 0 und die Effizienz εS(λ0) beträgt 100%. Jedoch für Wellenlängen, die von der Designwellenlänge abweichen, also besonders für die spektralen Randbereiche, ist cS deutlich größer als 0:
    εS(λshort) > 0 und εS(λlong) > 0 und damit sinkt die Effizienz für ε(λshort) und ε(λlong) deutlich unter 100% ab.
  • Die Brechzahl einer vermessenen Probe des optischen Kunststoffs PMMA (Polymethylmethacrylat) wird im Wellenlängenbereich zwischen 400nm und 700nm beispielsweise durch folgende Formel beschrieben:
    Figure 00020003
    • α0 = 2.212992500697
    • α1 = –0.0274549596890 μm–2
    • α2 = 0.00525274724910 μm2
    • α3 = 0.000795277802880 μm4
  • Setzt man diesen Brechzahlverlauf nPMMA(λ) ein in die Gleichungen (1) und (2), so erhält man beispielsweise den Verlauf der Beugungseffizienz εPMMA(λ) für eine konventionelle Blazestruktur aus PMMA gegen Luft. Als Beispiel soll hier die Beugungseffizienz εPMMA(λ) für m = 1 und den Wellenlängenbereich zwischen λshort = 400nm und λlong = 700nm berechnet werden; als Design- Wellenlänge wird λ0 = 550nm verwendet. Damit ergibt sich grafisch der in 13 dargestellte Verlauf der Beugungseffizienz εPMMA(λ) für m = 1.
  • Aus der Literatur sind verschiedene Ansätze zur Verbesserung der Breitbandigkeit bekannt.
  • Gemäß der US 5,734,502 besteht das diffraktive optische Element aus einer sandwich-artigen Anordnung von zwei Phasengittern 1 und 2 aus unterschiedlichen Materialien mit einer Grenzfläche dazwischen, wie in 1 dargestellt, deren Höhe d so gewählt wird, dass die geforderte optische Phase näherungsweise erzielt wird. Die beiden Materialien müssen bestimmte Dispersionseigenschaften erfüllen, so dass derzeit nur wenige reale Materialien zur Verfügung stehen, um den gewünschten Phasenverlauf zu erreichen.
  • Gemäß der EP 1 148 355 A1 besteht das diffraktive Element aus zwei Phasengittern 1 und 2 mit gleicher Gitterkonstante, die sich mit den Profilflächen gegenüber stehen, wie in 2 dargestellt. Durch die Verwendung von verschiedenen Materialien und Dicken sowie durch einen Luftkeil zwischen beiden Gittern werden solche Phasenbedingungen geschaffen, daß der Gangunterschied für verschiedene Wellenlängen immer dem optimalen Phasenverlauf nach der skalaren Beugungstheorie entspricht und somit 100% Effizienz in einem relativ breitbandigen Bereich gesichert werden kann.
  • Ein Vorteil ist, dass durch die zwei oder mehr Materialien und damit verbunden den zwei oder mehr Materialdicken mehr Materialien in Frage kommen, um die gewünschten Phasenbedingungen zu erfüllen. Nachteil ist die hohe Toleranzempfindlichkeit bezüglich der Materialdicken, einer Verkippung und dem lateralen Versatz der beiden Gitter zueinander.
  • Für ein bekanntes Doppelgitter nach der 2 erhält man analog zu (1) die optische Phasendifferenz
    Figure 00030001
    mit d1, d2, als Profiltiefen, n1, n2 als Brechungsindizes der entsprechenden Materialien und der Wellenlänge λshort < λ < λlong.
  • Die Effizienz berechnet sich analog zu (2)
    Figure 00040001
  • Bei geschickter Wahl der Profiltiefen, des Gitterabstandes und der Materialen mit ihren Dispersionseigenschaften läßt sich bei dieser klassischen Doppelgittervariante das Phasenverhalten über der Wellenlänge nahezu konstant halten und somit ist die Bedingung cD = 0 über einen großen Spektralbereich näherungsweise erfüllbar. Damit läßt sich erreichen, daß die über das Spektrum von λshort < λ < λlong integrierte Effizienz εD(λ) über einen entsprechenden Wert einer konventionellen Blazestruktur gegen Luft liegt, das heißt, es gilt
    Figure 00040002
  • Damit hat das Beugungsgitter nach 2 weniger Falschlicht in unerwünschten Beugungsordnungen als die konventionelle Blazestruktur nach 1.
  • 3 stellt gewissermaßen eine Umkehrung von 2 dar, indem sich hier der Luftkeil außen befindet, so wie es in der JP 10-133,149 A beschrieben ist. Der Vorteil liegt in der geringeren Toleranzempfindlichkeit gegenüber der 2. Nachteilig ist aber, daß das außenliegende Gitter gegen Verschmutzungen empfindlich ist.
    •
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, neuartige breitbandige diffraktiv optische Elemente zu schaffen, welche gegenüber einem einfachen Dreiecksprofil eine höhere Effizienz für die spektralen Randbereiche λshort und λlong aufweisen. Weiterhin sollen die neuen breitbandigen diffraktiven optischen Elemente vielfältiger anwendbar und kostengünstiger herstellbar sein, indem die hohe Toleranzempfindlichkeit bezüglich Materialdicken, Luftabstand und lateralem Versatz vermieden wird.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein breitbandiges diffraktives optisches Element durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils im Anspruch 1 gelöst.
  • Vorteilhafte Weiterbildungen sind den Unteransprüchen 2 bis 10 zu entnehmen. Das Wesen der Erfindung besteht darin, den optimalen Phasenverlauf, der eine breitbandige Anwendung ermöglicht, hauptsächlich durch die Verwendung von mindestens zwei Gradientenindexgittern zu erreichen.
  • Die Gitter sind dabei äußerlich gesehen vorzugsweise Planplatten gleicher oder verschiedener Dicke, die zusammen verkittet, angesprengt oder auch mit einem Luftabstand kleiner 5 μm zueinander angeordnet werden. Diese können aber auch mit strukturierten Planplatten kombiniert oder selbst strukturiert sein.
  • Als Freiheitsgrad steht die Dicke und das Dispersionsverhalten der beiden ausgewählten Gradientenindexmaterialien zur Verfügung, d.h. n3(λ,z) und n4(λ,z). Die Phasendifferenz ΦG(λ) ist definiert als die Differenz der Phasen zu beiden Seiten einer Furche an den Orten gi – δ und gi + δ, wobei der Abstand δ klein ist gegenüber der Furchenbreite gi: ΦG(λ) = P3n(λ,gn – δ) + P4n(λ,gn – δ) – P3n(λ,gn + δ) – P4n(λ,gn + δ) n = 1, 2, (6).
  • Die zugehörige Beugungseffizienz εG(λ) berechnet sich analog zu (2) wiederum zu
    Figure 00050001
  • Bei geschickter Wahl der Brechzahlverläufe n3(λ,z) und n4(λ,z) der beiden Gradientenindexmaterialien 3, 4 sowie ihrer Dicken d3 und d4 läßt sich die Phasendifferenz ΦG(λ) zwischen λshort und λlong näherungsweise konstant halten; damit ändert sich auch die Beugungseffizienz εG(λ) nur wenig mit der Wellenlänge. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die über das Spektrum von λshort bis λlong gemittelte Effizienz ε G(λ) des erfindungsgemäßen DOEs über dem entsprechenden Wert einer konventionellen Blazestruktur gegen Luft liegt, dh. es gilt
    Figure 00060001
  • Das erfindungsgemäße DOE hat damit weniger Falschlicht in unerwünschten Beugungsordnungen als die konventionelle Blazestruktur.
  • Die Gradientenindexprofile können dabei innerhalb einer Platte eine gleiche Periode g haben oder unterschiedliche Periodenbreiten gn aufweisen.
  • Eine Platte kann gleiche oder unterschiedliche Brechzahlgradientenprofile aufweisen.
  • Die Herstellung der einzelnen diffraktiven optischen Elemente mit Gradientenindexprofilen kann nach den Methoden aus z.B. H.M. Smith (Ed.), „Holographic Recording Materials" Springer Verlag Berlin, 1977 oder T. Yatagai, R. Sugawara, H. Hashizume, and M. Seki: "Phase-only computer-generated hologram produced by an ion-exchange technique" Opt. Lett. 13 (1988), 952-954 oder H.C. Bolstad, T. Yatagai, and M. Seki: "Optimization of phase-only computer-generated hologram using an ion-exchange process" Opt. Eng. 31 (1992), 1259-1263 oder R.-P. Salmio, J. Saarinen, J. Turunen, A. Tervonen: "Graded-index diffractive structures fabricated by thermal ion exchange" App. Opt. 36 (1997), 2048-2057 vorgenommen werden. Während einerseits holographisch durch Interferenz zu belichtende Materialien wie Silberhalogenide, Dichromatgelantine und Photopolymere verwendet werden, sind es andererseits spezielle Glassorten, in denen durch Ionenaustausch ein Gradientenindex erzeugt wird.
  • Wichtig ist, daß zwischen den mindestens zwei Platten eine zueinander bezogene, starre Phasenbeziehung herrscht. Die Phasen können beide stetig fallen oder steigen. Weiterhin kann eine Phase steigen und die andere Phase fallen.
  • Weitere Realisierungen des erfindungsgemäßen DOEs bestehen aus K verschiedenen Schichten, wobei K ≥ 1 gilt (ein erfindungsgemäßes DOE mit K = 1 wäre eine Gradientenindexmaterial-Schicht, deren Oberfläche geblazt ist). Die zugehörige Phasendifferenz ΦK(λ) ist wiederum definiert als die Differenz der Phasen zu beiden Seiten einer Furche an den Orten gn – δ und gn + δ, wobei der Abstand δ klein ist gegenüber der Furchenbreite gn:
    Figure 00070001
  • Die zugehörige Beugungseffizienz εG(λ) berechnet sich analog zu (2) zu
    Figure 00070002
  • Bei geschickter Wahl der Brechzahlverläufe nk(λ,z) der beteiligten Materialien sowie ihrer Dicken dk und gegebenenfalls ihrer zusätzlichen Oberflächenstrukturierung läßt sich die Phasendifferenz ΦK(λ) zwischen λshort und λlong näherungsweise konstant halten; damit ändert sich auch die Beugungseffizienz εK(λ) nur wenig mit der Wellenlänge. Auf diese Weise läßt sich erreichen, daß die über das Spektrum von λshort bis λlong gemittelte Effizienz εK(λ) des erfindungsgemäßen DOEs über dem entsprechenden Wert einer konventionellen Blazestruktur gegen Luft liegt, dh. es gilt
    Figure 00070003
  • Das erfindungsgemäße DOE hat damit weniger Falschlicht in unerwünschten Beugungsordnungen als die konventionelle Blazestruktur.
    •
  • Die Erfindung wird nachfolgend an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
  • 1: Kombinierte Gitter mit Dreiecksprofil nach dem Stand der Technik
  • 2: Kombinierte Gitter mit Dreiecksprofil und Luftkeil zwischen den beiden Materialien nach dem Stand der Technik
  • 3: Kombinierte Gitter mit Dreiecksprofil nach dem Stand der Technik mit außenliegender Gitterstruktur
  • 4: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus planparallelen Platten und gleicher Periode
  • 5: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus planparallelen Platten und sich ändernder Periode und Zwischenschicht
  • 6: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus unterschiedlich geformten Platten mit zusätzlicher refraktiver Wirkung und Zwischenschicht
  • 7: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus planparallelen Platten und refraktiven Linsen
  • 8: Kombiniertes Gradientenindexgitter mit Strukturierung
  • 9: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus einer Mehrzahl planparalleler Platten
  • 10: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus einer Mehrzahl planparalleler Platten und beidseitiger Strukturierung
  • 11: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus einer Mehrzahl planparalleler Platten und strukturierten Deckschichten
  • 12: Kombiniertes Gradientenindexgitter aus einer Mehrzahl von Gradientenindexgittern in Form planparalleler Platten und einer strukturierten Deckschicht sowie eines strukturierten Gradientenindexgitters
  • 13: Effizienzverlauf für ein diffraktives Element mit Strukturierung aus PMMA nach dem Stand der Technik
  • 14: Effizienzverlauf für ein erfindungsgemäßes diffraktives optisches Element
  • Die 1 bis 3 und 13 stellen den Stand der Technik dar, der einleitend beschrieben wurde.
  • 4 zeigt schematisch die Kombination zweier Gradientenindexgitter zu dem erfindungsgemäßen breitbandigen diffraktiven optischen Element.
  • Eine erste Platte mit der Dicke d3 mit dem Brechzahlprofil P3i(λ, z) ist mit einer zweiten Platte mit der Dicke d4 verbunden, die ein Brechzahlprofil P4i(λ, z) aufweist. Der Index i repräsentiert die entsprechende Periode der Struktur. In 4 sind vier nebeneinander liegende Gitterperioden dargestellt. Die beiden Brechzahlprofile wiederholen sich periodisch und sind phasenstarr aneinandergekoppelt, d.h. die Punkte niederer Brechzahl eines Gradientenindexgitters decken sich mit den Punkten hoher Brechzahl des anderen Gradientenindexgitters. Die Brechzahlverläufe sind einander gegenläufig. In der unteren Schicht der Dicke d4 wächst der Brechungsindex in jeder Gitterfurche mit wachsendem z nahezu linear- in der oberen Schicht der Dicke d3 ist es umgekehrt: der Brechungsindex in jeder Gitterfurche fällt mit wachsendem z nahezu linear.
  • Äußerlich erscheinen die beiden Gitter als Planplatte, von der Wirkung her haben sie aber die gleiche Funktion wie die oben in den 1 bis 3 dargestellten klassischen Gittervarianten mit Dreiecksprofil.
  • Die Periode der Brechzahlprofile ist hier konstant. Sie kann aber auch variieren, wie dies in 5 gezeigt ist.
  • Wie zu 1 eingangs erläutert, erhält man eine breitbandige Wirkung aus zwei diffraktiven optischen Elementen aus verschiedenen Materialien, wenn die Profiltiefen d1, d2 mit den Brechzahlen n1, n2 in der folgenden Weise bestimmt werden:
    Figure 00090001
  • Da diese Gleichung nur für klassische diffraktive optische Elemente gilt, die gegen Luft betrieben werden, kann sie bei den erfindungsgemäßen breitbandigen diffraktiven optischen Elementen nicht angewendet werden. Dazu wird nachfolgend eine Formel speziell für zwei kombinierte Gradientenindexgitter hergeleitet.
  • Zur Herstellung der breitbandigen diffraktiven optischen Elemente werden zwei optisch transparente Materialien vorzugsweise aus Glas verwendet, da die Brechzahlveränderung vorzugsweise durch Ionenaustausch erfolgt. Andere Gradientenindexmaterialien sind Photopolymere und Chalcogenide.
  • Der Einfachheit halber wird angenommen, dass der lineare Phasenverlauf durch einen linearen Brechzahlverlauf erzeugt wird. In der 4 ist ein breitbandiges diffraktives optisches Element gezeigt, welches aus den zwei Gradientenindexmaterialien 3, 4 aufgebaut ist. Im zweiten Gradientenindexmaterial 4 wächst dann die Brechzahl für steigendes z innerhalb eines Abschnittes linear an. Am Punkt a hat es dann die geringste Brechzahl und im Punkt b die größte. Bei dem ersten Gradientenindexmaterial 3 ist es genau umgekehrt.
  • Betrachten wir nun zwei Lichtwege senkrecht in a und b durch die beiden Materialien mit den Brechzahlen n3(z), n4(z) der Dicke d3 und d4, wobei n3L, n3H die niedrigere/höhere Brechzahl des ersten Materials und n4L, n4H die niedrigere/höhere Brechzahl des zweiten Materials bedeuten. Dann bilden wir die Differenz der beiden Lichtwege: Lichtweg in b – Lichtweg in a: n3H d3 + n4L d4 – n3L d3 – n4H d4, woraus folgt: Δn3(λ) d1 – Δn4(λ) d4 = λ mit Δn3(λ) = n3H(λ) – n3L(λ) und Δn4(λ) = n4H(λ) – n4L(λ).
  • Für konstruktive Interferenz muss die Differenz der beiden Lichtwege λ sein, wie oben gefordert.
  • Diese Gleichung kann für zwei feste Wellenlängen immer nach d3 und d4 aufgelöst werden, so dass für diese beiden Wellenlängen λ1 und λ2 mit λ1 < λ2 in skalarer Näherung 100% Effizienz erzielt werden können. Zwischen diesen beiden Wellenlängen sowie unterhalb λ1 und oberhalb λ2 sinkt die Effizienz durch eventuell nicht optimal aufeinander abgestimmtes Brechzahlverhalten etwas ab. Je nach Brechzahldifferenz der beiden Materialien ergeben sich unterschiedliche Profiltiefen d3 und d4 für die beiden Gradientenindexmaterialien 3, 4.
  • In der Tabelle sind drei Materialkombinationen für Ionenaustauschgläser und deren Dimensionierung angegeben, die aufgrund ihrer unterschiedlichen Dispersionseigenschaften auch zu unterschiedlichen Dicken der Gradientenindexmaterialien 3, 4 führen.
    Figure 00110001
    • • Bei dem Glas BGG 31 von Schott kann durch einen Ionenaustauschprozess eine Brechzahlerhöhung von nd = 1.47381 um 0.1 erreicht werden.
    • • Bei dem GRINTECH Glas, bei dem ein Ionenaustausch von Ag-Na verwendet wird (GRINTECH_Ag), liegt die Brechzahlerhöhung bei 0.14 (von 1.51 auf 1.65), bei einem Ionenaustausch von Li-Na (GRINTECH_Li) liegt die Brechzahlerhöhung bei 0.013 (von 1.511 auf 1.524).
  • Die Dispersionseigenschaft der GRINTECH-Gläser wird nicht, wie bei optischen Gläsern üblich, durch die Größen nd und νd beschrieben, sondern in der folgenden Art und Weise:
    Zuerst wird die Brechzahl n(λref) = nref für die Referenz-Wellenlänge λref = 670nm berechnet oder angegeben. Für jede Brechzahl im Gradientenindex-Bereich berechnet sich deren Dispersion dann gemäß n2(λ) = n2(λref) + K1(λ2 – λ2 ref)/λ2 (12)wobei sich K1 als Funktion von n2 ref folgendermaßen als lineare Approximation berechnet: K1(nref) = K11 + K13 n2 ref. (13)
  • Dadurch, dass sich sowohl die Brechzahlen n(λref) bei der Referenz-Wellenlänge als auch n(λ) bei anderen Wellenlängen für die Funktionsfähigkeit des erfindungsgemäßen breitbandigen diffraktiven optischen Elementes über dem Ort (Koordinate z) ändern müssen, wird durch die Formeln (12), (13) in denen die Brechzahländerungen bei anderen Wellenlängen beschrieben werden, implizit auch eine Abhängigkeit von der Ortskoordinate z mit vorausgesetzt.
  • Somit bestimmen die beiden Konstanten K11, K13 die Dispersion des Glassystems – für zwei der bei GRINTECH verwendeten Gläser sind die Konstanten nachfolgend angegeben.
  • Figure 00120001
  • Für die Bestimmung der notwendigen Dicken der Materialkombinationen und die Berechnung der Effizienzabhängigkeiten (siehe 14) wird das folgende Vorgehen angewandt:
    • • Für die Gradientenindex-Gläser sind die maximale und minimale Brechzahl bei einer Referenzwellenlänge λref = 670 nm durch das Glassystem gegeben: für das Glas GRINTECH_Ag sind das z.B.: nmin (67 nm) = 1.51, nmax(670 ∼ nm) = 1.65.
    • • Nun erfolgt die Zuordnung zu lokalen Positionen des Gradientenindexmaterials (z- Koordinate in 4), so dass für das zweite Gradientenindexmaterial 4 im Punkt a die minimale Brechzahl nmin (670 ∼ nm) = 1.51 anzusetzen ist und im Punkt b die maximale Brechzahl nmax (670 ∼ nm) = 1.65. Für das erste Gradientenindexmaterial 3 ist im Punkt a die maximale Brechzahl nmax anzusetzen und im Punkt b die minimale Brechzahl nmin des selben Materials. Das wird in z-Richtung periodisch wiederholt.
    • • Es wird ferner angenommen, dass der Übergang vom Minimum zum Maximum der Brechzahl durch einen linearen Anstieg beschrieben wird.
    • • Die Dispersionseigenschaften der Gradientenindex-Gläser werden dadurch berücksichtigt, dass sowohl die Koeffizienten als auch die Dispersionsgleichung und die Koeffizientenbestimmung bei der Bestimmung der Wellenlängenabhängigkeit in den Punkten a und b verwendet werden.
    • • Für das Glas BGG31 wird die Cauchyformel sowohl für die Brechzahl nd = 1.47381 als auch für die um 0.1 höhere Brechzahl n = 1.57381 verwendet.
  • Die Rechnungen basieren auf der skalaren Methode und unter der Annahme einer linearen Brechzahlveränderung. Die zu erwartende Breitbandigkeit umfasst im Beispiel einen Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 700 nm mit einer Beugungseffizienz im Bereich zwischen 0,99 und 1 wie dies in 14 gezeigt ist.
  • Die angegebenen Effizienzeigenschaften basieren auf idealen Voraussetzungen der Gradientenindex-Materialschichten, wie sie in 4 dargestellt sind: über jede Periode in positiver z-Richtung wächst oder fällt die Phase linear. Mit den derzeit bekannten Verfahren lässt sich ein solches derartiges Verhalten nur annähernd erzeugen.
  • Bei den in den Ausführungsbeispielen angeführten Gläsern werden thermische, teilweise feldunterstützte, Ionenaustauschprozesse verwendet, wobei z.B. Natriumionen durch andere Ionen (z.B. Silberionen) ausgetauscht werden, wodurch sich die Brechzahl verändert und gewünschte Phasenverläufe erzeugt werden können. Die Verfahren sind zum Beispiel beschrieben in:
    Risto-Pekka Salmio, J. Saarinen, J. Turunen, A. Tervonen: Graded-index diffractive structures fabricated by thermal ion exchange, Applied Optics (36) 1997, 2048-2057 oder in T. Varenkamp, H. Kreitlow, S. Schütte, C. Thoma, DOE aus Glas für den Nd: YAG-Laser, Photonik (3) 2002, 6-8.
  • Neben den Ionenaustauschverfahren bei Gläsern gibt es noch eine ganze Reihe weiterer Materialien, bei denen z.B. durch Lichteinwirkung (i.a. Laserlicht, aber auch UV Licht) Brechzahlunterschiede im jeweiligen Material erzeugt werden können. Dazu gehören z.B. die Chalcogenide und Photopolymere, aber es gibt noch weitere Materialien, bei denen das ebenfalls möglich ist, die aber nicht alle hier erwähnt oder gar behandelt werden können.
  • Um in Chalcogeniden oder Photopolymeren Brechzahlunterschiede zu erzeugen, können unterschiedliche Techniken eingesetzt werden. Bei den Chalcogeniden werden die Brechzahlunterschiede mit einer Wellenlänge eingeschrieben, die unterhalb einer speziellen Wellenlänge liegen, bei der das Material lichtempfindlich ist.
  • Die entsprechenden Techniken können z.B. sein:
    Holographie: Erzeugung der gewünschten Brechzahlverläufe durch Interferenz zweier oder mehrerer ebener, sphärischer oder asphärischer Wellen in einer Schicht aus den entsprechenden Materialien (s.a. 6). An den Stellen der höchsten Intensität der interferierenden Wellen wird die höchste Brechzahldifferenz in das Schichtmaterial geschrieben. Um eine Brechzahldifferenz einzuschreiben, die die gewünschte lineare Phase erzeugt, müssen evtl. mehrere Belichtungen durchgeführt werden.
  • Verwendung von Grautonmasken und Belichtung: Die Grautonmaske enthält die Information über den Verlauf der Intensität der Lichteinwirkung auf das sich unter der Maske befindliche lichtempfindliche Material. Die Belichtung kann dann mit Licht erfolgen, das auf die Schicht die größte Wirkung hat. Die Maske muss so beschaffen sein, dass nach der Belichtung und einer eventuellen Fixierung die gewünschte lineare Phase im Material erreicht wird. Laserschreiben: Da die Materialien lichtempfindlich sind, kann die Belichtung auch direkt mit einem fokussierten Laserstrahl erfolgen. Dazu muss die Dosierung der Intensität der Laserstrahlung sehr genau und reproduzierbar sein, denn dadurch werden die gewünschten Brechzahlunterschiede erzeugt.
  • 5 zeigt schematisch weiterhin die Kombination zweier Gradientenindexgitter mit Dicken d3 und d4 und einer Zwischenschicht 5 mit einer Brechzahl n5 und einer Dicke d5.
  • In diesem Beispiel variiert die Periode der Brechzahlprofile.
  • Auch hier sind die beiden Brechzahlprofile P3n(λ, z) und P4n(λ, z) phasenstarr aneinandergekoppelt. Die Punkte niederer Brechzahl beider Gradientenindexgitter überdecken sich, eben so die Punkte hoher Brechzahl. Die Brechzahlverläufe sind in z-Richtung gleichläufig und die Gitterfurchen sind unterschiedlich breit. Hier ist ein rotationssymmetrisches Teil dargestellt, wobei die Periode der Brechzahlprofile von einer Symmetrieachse 6 ausgehend in Richtung des Außendurchmessers 7 abnimmt.
  • 6 zeigt beispielhaft eine Linse, die aus zwei kombinierten, geformten Platten besteht, die Gradientenindexgitter beinhalten.
  • Diese weisen eine zusätzliche refraktive Wirkung auf. Das erste und des zweite Gradientenindexmaterial 3 und 4 können sphärisch oder asphärisch geformt sein. Die Zwischenschicht 5 kann entfallen, wenn die Oberflächenformen der beiden Materialien sich entsprechen oder wenn die optische Anordnung dies erfordert. In diesem Beispiel verlaufen die Brechzahlprofile der beiden Gradientenindexmaterialien ausgehend von der Symmetrieachse 6 gleichläufig bis zum Außendurchmesser 7 der Linse.
  • 7 zeigt ein breitbandiges diffraktives optisches Element das zwei Gradientenindexmaterialien 3, 4 unterschiedlicher Dicke enthält, die zwischen zwei plankonvexen Linsen 8 und 9 eingebettet sind. In den Gradientenindex-Schichten wächst oder fällt der Brechungsindex in jeder Gitterfurche ausgehend von der Symmetrieachse 6 bis zum Außendurchmesser 7 periodisch.
  • Es können aber auch mehr als zwei Gradientenindexmaterialien vorgesehen sein. Die beiden plankonvexen Linsen können mit ihren Planflächen entweder direkt auf der äußeren Gradientenindex-Schicht angebracht sein oder in einem kleinen Abstand zu ihr.
  • 8 zeigt beispielhaft zwei kombinierte Gradientenindexgitter, bei denen eine der Platten, hier das erste Gradientenindexmaterial 3, eine zusätzliche diffraktive Wirkung hat.
  • Das dargestellte Beispiel zeigt schematisch die diffraktive optische Struktur 10 in der freiliegenden optischen Wirkfläche des Gradientenindexmaterials 3.
  • 9 zeigt ein breitbandiges diffraktives optisches Element, welches aus K Gradientenindex-Schichten unterschiedlicher Dicke und Materialien mit in z-Richtung unterschiedlich breiten Gitterfurchen besteht. In allen Schichten wächst oder fällt der Brechungsindex in jeder Gitterfurche mit wachsendem z nahezu linear.
  • 10 zeigt ein breitbandiges diffraktives optisches Element, welches aus K Gradientenindex-Schichten unterschiedlicher Dicke und Materialien mit in z-Richtung unterschiedlich breiten Gitterfurchen besteht. In allen Schichten wächst oder fällt der Brechungsindex in jeder Gitterfurche mit wachsendem z nahezu linear. Hier sind die beiden außenliegenden Gradientenindex-Schichten strukturiert. Sie weisen jeweils eine diffraktive optische Struktur 10 auf.
  • 11 zeigt ein breitbandiges diffraktives optisches Element, welches aus K-2 Gradientenindexmaterialien unterschiedlicher Dicke und Materialien mit in z-Richtung unterschiedlich breiten Gitterfurchen besteht. In allen Schichten wächst oder fällt der Brechungsindex in jeder Gitterfurche mit wachsendem z nahezu linear. Die beiden zusätzlichen außenliegenden Schichten sind aus anderen Materialien und diese sind so oberflächenstrukturiert, daß diese diffraktive optische Elemente 11 sind.
  • 12 zeigt ein breitbandiges diffraktives optisches Element aus K-2 Gradientenindex-Schichten unterschiedlicher Dicke und Materialien mit in z-Richtung unterschiedlich breiten Gitterfurchen. In allen Schichten wächst oder fällt der Brechungsindex in jeder Gitterfurche mit wachsendem z nahezu linear. Eine zusätzliche außenliegende Schicht aus einem homogenen Material ist oberflächenstrukturiert und bildet ein diffraktives optisches Element 11. Die andere außenliegende Oberfläche ist eine Gradientenindex-Schicht, die ebenfalls oberflächenstrukturiert ist und eine diffraktive optische Struktur 10 aufweist.
    • 1
    erstes Phasengitter
    2
    zweites Phasengitter
    3
    erstes Gradientenindexmaterial
    4
    zweites Gradientenindexmaterial
    5
    Zwischenschicht
    6
    Symmetrieachse
    7
    Linsenrand
    8
    plankonvexe Linse
    9
    plankonvexe Linse
    10
    diffraktive optische Struktur
    11
    diffraktives optisches Element
    i
    Zählindex
    n
    Brechungsindex
    P
    Phasenfunktion
    z
    Richtung senkrecht zur optischen Achse
    K
    Anzahl der Schichten
    λ
    Wellenlänge
    m
    Beugungsordnung
    n
    Nummer der Periode
    d
    Profiltiefe
    ε
    Skalar berechnete Beugungseffizienz
    π
    Pi
    e
    Blazewinkel
    g
    Gitterweite
    Φ
    Phasendifferenz
    C
    Hilfsfunktion

Claims (11)

  1. Breitbandiges diffraktives optisches Element, welches aus mindestens zwei kombinierten optischen Gittern aufgebaut ist dadurch gekennzeichnet, daß ein erstes Gradientenindexgitter mit dem Phasenverlauf P3(λ,z) in ein erstes Gradientenindexmaterial (3) mit dem Dispersionsverhalten n3(z,λ) eingebracht ist, weiterhin ein zweites Gradientenindexgitter mit dem Phasenverlauf P4(λ,z) in ein zweites Gradientenindexmaterial (4) mit dem Dispersionsverhalten n4(z,λ) eingebracht ist und beide Gradientenindexmaterialien (3, 4) phasenstarr zueinander angeordnet sind.
  2. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenstarrheit des Phasenverlaufes in einer Richtung senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung (z-Richtung) gleichgerichtet oder entgegengesetzt gerichtet ist und die jeweiligen Extremwerte der Brechungsindizes jedes Gradientenindexgitters einander zugeordnet sind.
  3. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenindexmaterialien (3, 4) so aneinanderliegend oder so miteinander verbunden sind, daß ihre Grenzflächen senkrecht zum Gradient der Brechzahlverläufe liegen.
  4. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gradientenindexmaterialien (3, 4) eine Luftschicht liegt.
  5. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Gradientenindexmaterialien (3, 4) eine Zwischenschicht (5) aus einem homogenen Medium liegt.
  6. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenindexmaterialien (3, 4) planparallele Platten sind.
  7. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche von 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenindexmaterialien (3, 4) gewölbt sind und eine gleiche oder eine variierende Dicke aufweisen.
  8. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche von 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Gradientenindexprofile innerhalb eines Gradientenindexmaterials (3, 4) eine gleiche Periode haben oder unterschiedliche Perioden aufweisen.
  9. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche von 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß innerhalb eines Gradientenindexmaterials (3, 4) gleiche oder unterschiedliche Brechzahlgradientenprofile eingebracht sind.
  10. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche von 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gradientenindexmaterial (3, 4) eine diffraktive optische Struktur (10) auf einer seiner optischen Flächen hat.
  11. Breitbandiges diffraktives optisches Element nach einem der Ansprüche von 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf einer der Oberflächen des Gradientenindexmaterials (3, 4) ein diffraktives optisches Element (11) aufgebracht ist.
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