DE102006007432A1

DE102006007432A1 - Diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches und Verfahren zur Herstellung eines solchen diffraktiven optischen Elementes

Info

Publication number: DE102006007432A1
Application number: DE200610007432
Authority: DE
Inventors: Bernd Dr. Kleemann; Markus Seesselberg; Johannes Dr. Ruoff
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2006-02-17
Filing date: 2006-02-17
Publication date: 2007-08-23

Abstract

Es wird bereitgestellt ein diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches, mit mehreren aneinandergrenzenden, sich entlang eines vorgegebenen geometrischen Verlaufs erstreckenden Beugungsstrukturen (2, 3, 4), die jeweils senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) eine Breite (b1, b2, b3) aufweisen, die größer ist als die größte Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und die aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, die für die Beugungswirkung sorgen, wobei die Abmessungen der mindestens zwei Materialien in Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) und/oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) stets kleiner ist als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereiches und wobei solche Materialien als die mindestens zwei Materialien ausgewählt sind, deren Brechungsindizes verschieden und jeweils im gesamten Wellenlängenbereich ungleich 1 sind sowie deren Brechungsindizes eine Beziehung zueinander erfüllen, die von einer vorbestimmten Beugungseffizienz einer vorbestimmten Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elementes abhängt, wobei die bestimmte Beugungseffizienz im gesamten Wellenlängenbereich für jede Wellenlänge mindestens so groß ist wie ein vorbestimmter Beugungseffizienzwert (eta<SUB>Vorgabe</SUB>).

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches. Solche Elemente werden in breitbandigen optischen Systemen häufig zur Korrektur von Farbfehlern eingesetzt, beispielsweise in Fotoobjektiven ( US 6,381,079 ), in Head-Mounted-Displays ( US 5,790,312 ) und Okularen ( US 5,966,244 ). Die Beugungseffizienz dieser diffraktiven optischen Elemente hängt von der Wellenlänge ab. Bei Furchenbreiten, die deutlich größer als die Wellenlänge sind, kann bei einer Design-Wellenlänge, die typischerweise in der Nähe der Mitte des betrachteten Wellenlängenbandes liegt, theoretisch eine Beugungseffizienz von 100% erreicht werden. Je nach Breite des Wellenlängenbandes beträgt die Beugungseffizienz bei längeren oder kürzeren Wellenlängen als die Design-Wellenlänge jedoch weniger als 80%. Das übrige Licht wird in unerwünschte Beugungsordnungen gebeugt. Dieses sogenannte Falschlicht führt häufig zu einer starken Kontrastminderung oder auch zu Doppelbildern. Beides sind unerwünschte Erscheinungen, die die Qualität der optischen Systeme mit dem diffraktiven optischen Element mindern.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, ein diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches vorzusehen, das eine hohe Beugungseffizienz über den gesamten Wellenlängenbereich aufweist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch ein diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches, mit mehreren aneinandergrenzenden, sich entlang eines vorgegebenen geometrischen Verlaufs erstreckenden Beugungsstrukturen, die jeweils senkrecht zur Erstreckungsrichtung eine Breite aufweisen, die größer ist als die größte Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und die jeweils aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, die für die Beugungswirkung sorgen, wobei die Abmessung der mindestens zwei Materialien in Erstreckungsrichtung und/oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung stets kleiner ist als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und wobei solche Materialien als die mindestens zwei Materialien ausgewählt sind, deren Brechungsindizes verschieden und jeweils im gesamten Wellenlängenbereich ungleich 1 sind sowie deren Brechungsindizes eine Beziehung zueinander erfüllen, die von einer vorbestimmten Beugungseffizienz einer vorbestimmten Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elementes abhängt, wobei die vorbestimmte Beugungseffizienz im gesamten Wellenlängenbereich für jede Wellenlänge mindestens so groß ist wie ein vorbestimmter Beugungseffizienzwert.

Die mindestens zwei Materialien sind bevorzugt auf einer Oberfläche eines Trägers bzw. eines Substrats aufgebracht. Die Richtung senkrecht zur Erstreckungsrichtung ist bevorzugt tangential zur Oberfläche (Tangentialrichtung).

Bei dem erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Element werden innerhalb der Beugungsstrukturen somit sogenannte Sub-Wellenlängen-Strukturen verwendet, wobei die Materialien in Abhängigkeit eines vorbestimmten und somit gewünschten Beugungseffizienzwertes ausgewählt werden. Abhängig von dem vorbestimmten Beugungseffizienzwert kann eine Beziehung der Brechungsindizes der benötigten Materialien abgeleitet und anhand dieser Beziehung dann die notwendigen Materialien ausgewählt werden.

Bei dem erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Element wird somit vorteilhaft eine Sub-Wellenlängen-Strukturierung eingesetzt, wobei die Materialien in Abhängigkeit der gewünschten Beugungseffizienz gewählt werden. Damit ist es möglich, über den gesamten vorbestimmten Wellenlängenbereich die gewünschte Beugungseffizienz zu erreichen, so daß das diffraktive optische Element störendes Falschlicht aus parasitären Beugungsordnungen wesentlich verringern kann. Damit kann das diffraktive optische Element in vielen breitbandigen optischen Systemen eingesetzt werden, in denen diffraktive optische Elemente aufgrund des Falschlichtes bisher nicht verwendet werden konnten. Dies führt zu einer Reduzierung des Volumens, des Gewichts und des Preises des entsprechendes optischen Systems.

Die vorbestimmte Beugungseffizienz liegt insbesondere im Bereich von 80 bis 100%. In diesem Bereich ist die Unterdrückung des störenden Falschlichtes für die meisten Fälle ausreichend.

Insbesondere besteht jede Beugungsstruktur des Elementes aus den gleichen Materialien. Das vereinfacht die Herstellung.

Die mindestens zwei Materialien sind bevorzugt jeweils kein gasförmiges Medium, sondern z. B. als Festkörper oder Flüssigkeit vorgesehen.

Jede Beugungsstruktur kann aus genau zwei Materialien bestehen. Dies führt einerseits dazu, daß die Herstellung leicht möglich ist. Andererseits kann die zu erfüllende Beziehung der Brechungsindizes der beiden Materialien mit Hilfe der sogenannten Effektives-Medium-Theorie relativ einfach abgeleitet werden. Wenn der vorbestimmte Beugungseffizienzwert η_Vorgabe gegeben ist, müssen die Brechungsindizes n₁(λ) und n₂(λ) (n₁(λ) > n₂(λ)) der beiden Materialien beide folgende Ungleichungen gleichzeitig erfüllen

wobei λ₀ eine Wellenlänge innerhalb des Wellenlängenbereichs ist (z.B. liegt λ₀ in der Mitte) und A wie folgt definiert ist:

Dabei ist η_Vorgabe ein Wert im Bereich von 0 bis 1. Bei einer Beugungseffizienz von 80 % ist η_Vorgabe = 0,80 und A = 0,26.

Bei dem Element können die Beugungsstrukturen eine örtlich variierende Dicke aufweisen. Es ist jedoch möglich, sie mit einer konstanten Dicke herzustellen. Insbesondere können die Beugungsstrukturen auf einem Träger aufgebracht sein.

Das Element kann als transmissives oder reflektives Element ausgebildet sein. Wenn es als reflektives Element ausgebildet ist, sind die mindestens zwei Materialien bevorzugt auf einem reflektiven Substrat (z.B. ein Metallspiegel) aufgebracht, das für den reflektiven Effekt sorgt. Da die elektromagnetische Strahlung zweimal die durch die mindestens zwei Materialien auf dem Substrat gebildete Schicht durchläuft (aufgrund der Reflexion am Substrat), kann die Dicke der Schicht im Vergleich zu einem transmissiven Elemente halbiert sein.

Es ist auch möglich, als mindestens eine der zwei Materialien eine Flüssigkeit, beispielsweise ein Immersionsöl auszuwählen.

Die Beugungsstrukturen können jeweils einen ringförmigen, insbesondere einen kreisringförmigen Verlauf aufweisen und sind in diesem Fall bevorzugt konzentrisch angeordnet. Es ist auch möglich, daß die Breite der Beugungsstrukturen so variiert, daß das Element eine abbildende Eigenschaft aufweist.

Bei dem Element können, in Draufsicht gesehen (also in Richtung der einfallenden elektromagnetischen Strahlung bzw. senkrecht zur Erstreckungsrichtung sowie senkrecht zur Tangentialrichtung), die mindestens zwei Materialien nebeneinander angeordnet sein. Dies vereinfacht insbesondere die Herstellung des Elementes.

Zumindest eines der Materialien in jeder Beugungsstruktur kann in der Form von Säulen, Kugeln oder Ringen ausgebildet sein.

Die Beugungsstrukturen können insbesondere als blazende Strukturen ausgebildet sein. Unter blazenden Strukturen wird hier eine Anordnung der mindestens zwei Materialien verstanden, die zu einem dreiecksförmigen Verlauf der effektiven Brechzahl der Anordnung der mindestens zwei Materialien führt.

Der dreiecksförmige Verlauf weist bevorzugt eine ansteigende Flanke auf, an der sich eine im wesentlichen senkrechte Flanke anschließt.

Da mehrere Beugungsstrukturen bzw. blazende Strukturen vorgesehen sind, liegt ein periodischer dreiecksförmiger Verlauf der effektiven Brechzahl (mit bevorzugt veränderlicher Periode in Tangentialrichtung) vor.

Der Wellenlängenbereich, für den das diffraktive optische Element ausgelegt ist, kann eine spektrale Breite von mindestens 200 nm für z.B. den sichtbaren Wellenlängenbereich aufweisen. Ausgehend von der obigen Wellenlänge λ₀ und dem oben angegebenen Parameter A kann man die minimale Wellenlänge λ_min und die maximale Wellenlänge λ_max des Wellenlängenbereichs wie folgt bestimmen:

Die maximale spektrale Breite beträgt dann λ_max – λ_min. Somit kann man die spektrale Breite bestimmen, wenn der Wellenlängenbereich, für den das diffraktive optische Element ausgebildet ist, z.B. im infraroten Wellenlängenbereich liegt, oder wenn der Wellenlängenbereich im UV-Bereich liegt.

Die Brechungsindizes der Materialien sind bevorzugt größer als 1.

Die Aufgabe wird ferner gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches, mit mehreren aneinandergrenzenden, sich entlang eines vorgegebenen geometrischen Verlaufs erstreckenden Beugungsstrukturen, die jeweils senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung eine Breite aufweisen, die größer ist als die größte Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und die jeweils aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, die für die Beugungswirkung sorgen, wobei die Abmessungen der mindestens zwei Materialien in Erstreckungsrichtung und/oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung so gewählt werden, daß sie stets kleiner sind als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und wobei solche Materialien als die mindestens zwei Materialien ausgewählt werden, deren Brechungsindizes verschieden und jeweils im gesamten Wellenlängenbereich ungleich 1 sind sowie deren Brechungsindizes eine Beziehung zueinander erfüllen, die von einer vorbestimmten Beugungseffizienz einer vorbestimmten Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elements abhängt, wobei die vorbestimmte Beugungseffizienz im gesamten Wellenlängenbereich für jede Wellenlänge mindestens so groß ist wie ein vorbestimmter Beugungseffizienzwert, wobei die Beugungsstrukturen aus den gewählten Materialien hergestellt werden.

Mit diesem Herstellungsverfahren können ausgehend von einer vorgegebenen und somit einer gewünschten Beugungseffizienz die Materialien ausgewählt werden, die geeignet sind, bei einer Sub-Wellenlängen-Strukturierung der Beugungsstrukturen den gewünschten Beugungseffizienzwert zu erreichen.

Der vorbestimmte Beugungseffizienzwert kann insbesondere so gewählt werden, daß er in einem Bereich von 80 bis 100%, bevorzugt im Bereich von 95%–100% liegt.

Die Beugungsstrukturen können jeweils aus den gleichen Materialien hergestellt werden. insbesondere kann jede Beugungsstruktur aus genau zwei Materialien hergestellt werden, was die Herstellung vereinfacht. Ferner kann bei zwei Materialien für jede Beugungsstruktur die Beziehung der Brechungsindizes der Materialien relativ leicht aus der Effektives-Medium-Theorie abgeleitet werden. So müssen die Brechungsindizes der beiden Materialien bei einem Beugungseffizienzwert η_Vorgabe die beiden folgenden Ungleichungen

gleichzeitig erfüllen, wobei n₁(λ) und n₂(λ) die wellenlängenabhängigen Brechungsindizes der beiden Materialien (mit n₁(λ) > n₂(λ)) bezeichnen. λ₀ ist eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich, insbesondere in der Mitte des Wellenlängenbereiches und A ist durch folgende Beziehung gegeben:

Die Beugungsstrukturen können mit einer örtlich variierenden Dicke oder auch mit einer konstanten Dicke hergestellt werden. Ferner ist es möglich, daß für eines der mindestens zwei Materialien eine Flüssigkeit gewählt wird.

Die Beugungsstrukturen können jeweils mit einem ringförmigen, insbesondere einem kreisringförmigen Verlauf hergestellt werden.

Es ist auch möglich, die Breite der Beugungsstrukturen so zu variieren, daß das Element eine abbildende Eigenschaft aufweist.

Die mindestens zwei Materialien können, in Draufsicht auf das Element gesehen, nebeneinander angeordnet werden. Ferner können die Materialien in der Form von Säulen, Kugeln oder Ringen ausgebildet werden.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielshalber anhand der beigefügten Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Elementes;
2 eine Draufsicht auf eine der Beugungsstrukturen des Elementes von 1;
3a den Brechzahlverlauf der effektiven Brechzahl exemplarisch für drei der Beugungsstrukturen;
3b den Verlauf des Volumenanteils des ersten Materials innerhalb der exemplarisch drei Beugungsstrukturen;
4 eine perspektivische Ansicht des Schnittes A-A von 2;
5–7 Brechzahlverläufe von Materialkombinationen für die Beugungsstrukturen;
8 den Verlauf der Beugungseffizienz im betrachteten Wellenlängenbereich der Materialkombination von 5–7;
9 die Abhängigkeit der Dicke h der Beugungsstrukturen für die Materialkombinationen von 5 – 7;
10 eine Darstellung gemäß 4 einer anderen räumlichen Anordnung der beiden Materialien in der Beugungsstruktur;
11 eine andere räumliche Anordnung der beiden Materialien in der Beugungsstruktur gemäß der Darstellung von 4, und
12 eine weitere Möglichkeit der Anordnung der beiden Materialien.
Bei der in 1 gezeigten Ausführungsform ist das diffraktive optische Element 1 als Linse für elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich von 450 nm bis 700 nm (also im sichtbaren Spektrum und somit für Licht) ausgebildet.
Das Element umfaßt kreisringförmige, geblazte Beugungsstrukturen 2, 3 und 4, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und deren Breite b1, b2, b3 senkrecht zur jeweiligen Erstreckungsrichtung E1, E2, E3 (hier Umfangsrichtung) größer ist als die maximale Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs. Somit sind hier die Breiten b1, b2, b3 jeweils größer als 700 nm. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur drei Beugungsstrukturen bzw. blazende Strukturen 2, 3, 4 dargestellt. Natürlich kann das Element 1 mehr als drei Beugungsstrukturen aufweisen.
Jede Beugungsstruktur 2, 3, 4 besteht hier aus genau zwei unterschiedlichen Materialien, die ihrerseits, in der Draufsicht gesehen, kreisringförmig sind. Die Breiten der Kreisringe der beiden Materialien sind jedoch so gewählt, daß sie kleiner ist als die minimale Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, hier also kleiner als 450 nm. Insbesondere ist die Breite so gewählt, daß sie sehr viel kleiner als die minimale Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs ist. Die Breite kann kleiner als die halbe minimale Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs sein.
In 2 ist in Draufsicht eine Blazestruktur 2 der Blazestrukturen 2, 3, 4 dargestellt, wobei schraffiert ein erstes Material mit einem ersten Brechungsindex n₁ eingezeichnet ist. Von diesem ersten Material sind zwei Ringe 5, 6 vorgesehen. Ferner ist ein zweites Material dazwischen angeordnet. Von dem zweiten Material mit dem Brechungsindex n₂ sind wiederum zwei Ringe 7, 8 schematisch dargestellt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind nur vier Ringe 5–8 eingezeichnet. Tatsächlich können natürlich mehr Ringe in jeder Beugungsstruktur 2, 3, 4 vorgesehen sein. So können mindestens 6 oder 8 Ringe eine einzelne Beugungsstruktur 2, 3, 4 bilden.
Die Breite der Ringe 5, 6 des ersten Materials nimmt von innen nach außen zu, wohingegen die Breite der Ringe 7, 8 des zweiten Materials von innen nach außen abnimmt. Die Breite der Ringe 5 bis 8 ist jeweils sehr viel kleiner als die minimale Wellenlänge des vorbestimmten Wellenlängenbereichs.
Nachdem die Breite sehr viel geringer ist als die minimale Länge des Wellenlängenbereiches, "sieht" die auf die Linse 1 treffende elektromagnetische Strahlung lediglich eine gemittelte bzw. effektive Brechzahl, die von den Brechzahlen der beiden Materialien sowie deren Volumenanteilen abhängt.
Aus der sogenannten Effektives-Medium-Theorie (EMT) kann die effektive Brechzahl näherungsweise wie folgt berechnet werden
Dabei bezeichnen n₁(λ) und n₂(λ) die Brechzahl der beiden Materialien, wobei hier das Material mit der höheren Brechzahl als Material Nummer 1 numeriert wurde. V1(r →) und V2(r →) bezeichnen den Volumenteil des ersten bzw. zweiten Materials in einem Würfel der Größenordnung λ³ am Ort r →. λ ist die kleinste Wellenlänge des Bereiches (hier also 450 nm).
Bei den hier verwendeten Materialien unterscheiden sich, wie sich nachfolgend noch ergibt, die Brechungsindizes beider Materialien um nicht mehr als 0,2. In diesem Fall kann die Gleichung 1 in einer sehr guten Nährung (bei einem absoluten Fehler von kleiner als 0,004) durch den folgenden linearen Ansatz ersetzt werden neff (λ, r →) = V1(r →)n1 (λ) + V2(r →)n2(λ) (3).
In 3a ist der gewünschte Verlauf der effektiven Brechzahl n_eff(λ₀,r), den das Element für elektromagnetische Strahlung mit der Wellenlänge λ₀ (λ₀ ist eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich, also hier aus dem Bereich von 450–700 nm) aufweisen soll, um die gewünschte blazende Wirkung zu haben, für die drei Beugungsstrukturen 2, 3, 4 gezeigt. r_a bezeichnet den einen Randpunkt der jeweiligen Beugungsstruktur 2, 3, 4 in radialer Richtung (senkrecht zur Erstreckungsrichtung), an dem die effektive Brechzahl größer ist als am anderen Randpunkt r_b der jeweiligen Beugungsstruktur 2, 3, 4. r_a und r_b sind hier nur für die zweite Beugungsstruktur 3 eingezeichnet.
Damit der in 3a gezeigte effektive Brechzahlverlauf erreicht wird, muß der Volumenanteil V₁ des Materials 1 so verlaufen, wie in 3b gezeigt ist. Es wird also abhängig vom gewünschten Verlauf der effektiven Brechzahl, der sich durch die gewünschte optische Wirkung des Elementes ergibt, der Verlauf des Volumenanteils V₁ ermittelt, so daß das Element hergestellt werden kann, wobei die Differenz V₁(r →_a) – V₁(r →_b) noch frei gewählt werden kann (soweit das Element technologisch noch realisierbar ist). Die Differenz liegt im Bereich von 0 bis 1, wobei die Dicke h (Dicke h ist z. B. in 4 eingezeichnet, in der perspektivisch der Schnitt A-A von 2 gezeigt ist) um so geringer ist, je größer die Differenz ist.
Innerhalb der skalaren Theorie und unter Verwendung der durchgeführten linearen Nährung der obigen Gleichung 1 sowie unter Voraussetzung, daß die Dicke h gemäß der nachfolgend noch angegebenen Gleichung 13 gewählt ist, kann man die Beugungseffizienz η(λ) wie folgt berechnen
mit
Somit hängt die Beugungseffizienz η(λ) nicht von den Volumenanteilen V₁ und V₂ ab.
Die Beugungseffizienz bezeichnet hier den Anteil von der auf die Linse 1 fallenden elektromagnetischen Strahlung, der in die gewünschte Beugungsordnung gebeugt wird (hier die positive oder negative erste Beugungsordnung). λ₀ ist hier eine Wellenlänge im betrachteten Wellenlängenbereiches. Der hier berücksichtigte Wellenlängenbereich beträgt 450 bis 700 nm. Ausgehend von der Gleichung 4 wird eine gewünschte Beugungseffizienz bzw. ein Beugungseffizienzwert vorgegeben. Bei einem Beugungseffizienzwert η_Vorgabe ergibt sich z.B., daß der Betrag des Arguments in der Klammer in der Formel 4 kleiner als A sein muß.
diese Ungleichung kann man in die beiden nachfolgenden Ungleichungen umformen
die gleichzeitig erfüllt sein müssen (wobei n₁(λ) > n₂(λ)) und A wie folgt bestimmt wird:
Bei einer Beugungseffizienz von 95 % (also η_Vorgabe = 0,95) ist A = 0,13 und ergeben sich folgende Ungleichungen 10 und 11:
Ausgehend von den Ungleichungen 10 und 11 werden als erstes und zweites Material nun solche Materialien ermittelt, deren wellenlängenabhängigen Brechungsindizes die Ungleichungen 10 und 11 im gesamten hier betrachteten Wellenlängenbereich (also von 400 bis 700 nm) erfüllen.
Es wurden die Materialkombinationen N-BAF52 mit Polycarbonat, K-LaFK60 mit Polycarbonat sowie K-VC81 und Ultem als mögliche Kombinationen ermittelt. Das Glas N-BAF52 wird von der Firma Schott hergestellt. Die Gläser K-LaFK60 und K-VC81 werden von der Firma Sumita hergestellt. Der Kunststoff Ultem wird von GE Plastics vertrieben, wobei sich die Brechzahl von Ultem als Funktion der Wellenlänge λ wie folgt berechnen läßt nUltem(λ) = 1,6034 + λ–2 18828 nm2 (12).
In den 5, 6 und 7 sind die entsprechenden Brechzahlverläufe für die angegebenen Materialkombinationen gezeigt. So zeigt somit 5 die Brechzahlverläufe für N-BAF52 und Polycarbonat. 6 zeigt die Brechzahlverläufe für K-LaFK60 und Polycarbonat und 7 zeigt die Brechzahlverläufe für K-VC81 und Ultem.
In 8 sind die Beugungseffizienzen für die beschriebenen Materialkombinationen im Vergleich zu einem herkömmlichen Blazeprofil (mit Oberflächenstrukturierung und ohne Sub-Wellenlängenstrukturierung) aus PMMA mit der umgebenden Luft gezeigt. Wie sich aus dieser Darstellung entnehmen läßt, ist die Beugungseffizienz für die beschriebenen Materialkombinationen über den gesamten Wellenlängenbereich von 450 bis 700 nm deutlich besser als für die Materialkombination PMMA mit Luft. Dabei wurde für N-BAF52 mit Polycarbonat λ₀ = 500 nm, für K-LaFK60 mit Polycarbonat λ₀ = 575 nm, K-VC81 mit Ultem λ₀ = 560 nm und für PMMA mit Luft λ₀ = 550 nm gewählt.
Die Dicke h der Linse 1 bzw. der Beugungsstrukturen 2, 3, 4 läßt sich gemäß der nachfolgenden Gleichung 13 beschreiben
wobei r →a und r →b jeweils den Randpunkt einer der Beugungsstrukturen mit größerem bzw. kleinerem effektiven Brechungsindex bezeichnet.
Aus Gleichung 13 ist ersichtlich, daß die Dicke h vom erzielten effektiven Brechungsindex n_eff (λ0, r →) und damit von den verwendeten Materialien und der Variation des Volumenanteils V1(r →) abhängt.
Zur Kompensation des Einfallswinkels des Lichtes kann ein Wert für h gewählt werden, der von dem Wert gemäß Gleichung 13 abweicht. In 9 ist die Abhängigkeit der Dicke h für die drei angegebenen Materialkombinationen gezeigt. Man erkennt, daß mit wachsendem Wert der Differenz der Volumenanteile V1(r →a) – V1(r →b) die Dicke h immer geringer wird. Typischerweise beträgt die Dicke h weniger als 100 μm. Bevorzugt sind jedoch geringere Dicken h, da bei geringen Dicken h die Beugungseffizienz weniger stark mit dem Einfallswinkel der auftreffenden Strahlung (auftreffenden Lichtes) abnimmt. Weiterhin nimmt bei höherer Dicke h die Beugungseffizienz aufgrund von rigorosen Effekten im Vergleich zu den skalar berechneten Werten ab. Daher sind Materialkombinationen bevorzugt, bei denen die Dicke h möglichst gering wird. Besonders bevorzugt werden die Materialkombination und die Volumendifferenz V1(r →a) – V1(r →b) so gewählt, daß Dicken h kleiner als 10 μm erreicht werden.
Die Dicke h kann auch so gewählt werden, daß h/b < 0,1 ist, wobei b die minimale Breite b₁, b₂, b₃ der Beugungsstrukturen 2, 3, 4 ist.
Bei der in der Draufsicht von 2 gezeigten Ausführungsform ist jede Beugungsstruktur aus konzentrischen dünnen Ringen aufgebaut. Räumlich betrachtet (perspektivische Schnittdarstellung in 4) sind Hohlzylinder mit der Dicke h (Zylinderlänge) und einer Randbreite, die der Breite der Ringe (in der Draufsicht von 2) entspricht, vorgesehen.
Statt den Hohlzylindern für das erste Material kann das erste Material säulenförmig ausgebildet sein, wobei die Länge der Säule der Dicke h entspricht, wie in 10 gezeigt ist. Der Säulendurchmesser und der Abstand der Säulen ist so gewählt, daß er kleiner ist als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereiches (also kleiner als 450 nm). Die Säulen können regelmäßig oder auch statistisch angeordnet sein. Der Querschnitt der Säulen kann beliebig sein, z.B. rund, dreieckig, viereckig oder unregelmäßig. Die Säulen innerhalb einer Beugungsstruktur können einen gleichen oder unterschiedlichen Querschnitt aufweisen.
Ferner ist es möglich, das erste Material in der Form von Kugeln auszubilden, die in dem zweiten Material eingebettet sind, wie in 11 gezeigt ist. Der Kugeldurchmesser sowie der Abstand zwischen zwei Kugeln ist wiederum so gewählt, daß er sehr viel kleiner ist als die kürzeste Wellenlänge des Wellenlängenbereiches. Die Kugeln können sowohl regelmäßig als auch statistisch angeordnet sein. Das im zweiten Material eingebettete Material muß nicht in Kugelform vorliegen, sondern kann jede beliebige (insbesondere auch zufällige Form) aufweisen, solange die Abmessungen der Formen sowie ihre Abstände nicht größer sind als die kleinste Wellenlänge des betrachteten Wellenlängenbereiches.
Ferner kann das erste Material auch so ausgebildet sein, daß es in der Draufsicht gesehen die Form einer geschlossenen geometrischen Fläche besitzt. Die Fläche kann insbesondere dreiecksförmig sein, wie z.B. in 12 gezeigt ist. Zwischen dem ersten Material ist das zweite Material (hier zur Vereinfachung der Darstellung nicht eingezeichnet) angeordnet. Die Abmessung des ersten Materials in Erstreckungsrichtung der Blazestrukturen ist so gewählt, daß es stets kleiner ist als die minimale Wellenlänge des betrachteten Wellenlängenbereiches. Die maximale Abmessung in Erstreckungsrichtung ist hier d.
Die Beugungsstrukturen der beschriebenen Ausführungsformen sind insbesondere auf einem Träger (in 12 ist der Träger mit dem Bezugszeichen 9 gekennzeichnet) aufgebracht, der eine plane oder auch gekrümmte Oberfläche aufweisen kann.
Die Beugungsstrukturen können ringförmig und insbesondere auch kreisringförmig sein, wobei sie bevorzugt zueinander konzentrisch angeordnet sind.
Die Linse 1 kann in verschiedensten optischen Systemen eingesetzt werden. So kann sie beispielsweise in einem Mikroskopobjektiv verwendet werden und einen Durchmesser von ca. 1 mm aufweisen. Sie kann auch in einem Fotoobjektiv (mit einem Durchmesser von bis zu 10 cm) oder einem Teleskop (mit einem Durchmesser von bis zu 50 cm) eingesetzt werden. Neben dem Wellenlängenbereich von 400 bis 700 nm kann sie auch für den für Nachtsichtgeräte relevante Wellenlängenbereich von 0,8 μm bis 10 μm oder insbesondere für Mikroskope und Spektrometer im Ultraviolettbereich von 120 bis 400 nm ausgelegt sein. Die Breite der Beugungsstrukturen kann im Bereich von 5 mm bis 5 μm liegen, wobei insbesondere bei ringförmigen Beugungsstrukturen mit größerem Abstand von der Mitte des Elementes die Beugungsstrukturen eine geringere Breite aufweisen.

Claims

Diffraktives optisches Element für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches, mit mehreren aneinandergrenzenden, sich entlang eines vorgegebenen geometrischen Verlaufs erstreckenden Beugungsstrukturen (2, 3, 4), die jeweils senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) eine Breite (b1, b2, b3) aufweisen, die größer ist als die größte Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und die jeweils aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, die für die Beugungswirkung sorgen, wobei die Abmessung der mindestens zwei Materialien in Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) und/oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) stets kleiner ist als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs, und wobei solche Materialien als die mindestens zwei Materialien ausgewählt sind, deren Brechungsindizes verschieden und jeweils im gesamten Wellenlängenbereich ungleich 1 sind sowie deren Brechungsindizes eine Beziehung zueinander erfüllen, die von einer vorbestimmten Beugungseffizienz einer vorbestimmten Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elementes abhängt, wobei die vorbestimmte Beugungseffizienz im gesamten Wellenlängenbereich für jede Wellenlänge mindestens so groß ist wie ein vorbestimmter Beugungseffizienzwert (η_Vorgabe).
Element nach Anspruch 1, wobei der vorbestimmte Beugungseffizienzwert im Bereich von 0,80 bis 1,0 liegt.
Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem jede Beugungsstruktur (2, 3, 4) jeweils aus den gleichen Materialien besteht.
Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei jede Beugungsstruktur (2, 3, 4) aus genau zwei Materialien besteht.
Element nach Anspruch 4, wobei das erste Material einen ersten wellenlängenabhängigen Brechungsindex n₁(λ) und das zweite Material einen zweiten wellenlängenabhängigen Brechungsindex n₂(λ) aufweist, n₁(λ) größer als n₂(λ) ist und die Materialien so gewählt sind, daß die zu erfüllende Beziehung den folgenden Ungleichungen
entspricht, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, wobei λ₀ eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich ist und
wobei η_Vorgabe der vorbestimmte Beugungseffizienzwert ist.
Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Beugungsstrukturen (2, 3, 4) eine örtlich variierende Dicke (h) aufweist.
Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem eines der mindestens zwei Materialien eine Flüssigkeit ist.
Element nach einem der obigen Ansprüche, bei dem die Beugungsstrukturen (2, 3, 4) jeweils einen ringförmigen, insbesondere einen kreisringförmigen Verlauf aufweisen.
Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei die Breite der Beugungsstrukturen (2, 3, 4) so variiert ist, daß das Element (1) eine abbildende Eigenschaft aufweist.
Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei die mindestens zwei Materialien, in Draufsicht auf das Element (1) gesehen, nebeneinander angeordnet sind.
Element nach einem der obigen Ansprüche, wobei zumindest eines der Materialien in Form von Säulen, Kugeln oder Ringen vorgesehen ist.
Verfahren zur Herstellung eines diffraktiven optischen Elementes für elektromagnetische Strahlung eines vorbestimmten Wellenlängenbereiches, mit mehreren aneinandergrenzenden, sich entlang eines vorgegebenen geometrischen Verlaufs erstreckenden Beugungsstrukturen (2, 3, 4), die jeweils senkrecht zu ihrer Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) eine Breite (b1, b2, b3) aufweisen, die größer ist als die größte Wellenlänge des Wellenlängenbereiches, und die jeweils aus mindestens zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, die für die Beugungswirkung sorgen, wobei die Abmessungen der mindestens zwei Materialien in Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) und/oder senkrecht zur Erstreckungsrichtung (E1, E2, E3) so gewählt werden, daß sie stets kleiner sind als die kleinste Wellenlänge des Wellenlängenbereichs, und wobei solche Materialien als die mindestens zwei Materialien ausgewählt werden, deren Brechungsindizes verschieden und jeweils im gesamten Wellenlängenbereich ungleich 1 sind sowie deren Brechungsindizes eine Beziehung zueinander erfüllen, die von einer vorbestimmten Beugungseffizienz einer vorbestimmten Beugungsordnung des diffraktiven optischen Elementes abhängt, wobei die vorbestimmte Beugungseffizienz im gesamten Wellenlängenbereich für jede Wellenlänge mindestens so groß ist wie ein vorbestimmter Beugungseffizienzwert, wobei die Beugungsstrukturen aus den gewählten Materialien hergestellt werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der vorbestimmte Beugungseffizienzwert so gewählt wird, daß er im Bereich von 0,80 bis 1,0 liegt.
Verfahren nach Ansprüche 12 oder 13, bei dem jede Beugungsstruktur (2, 3, 4) jeweils aus den gleichen Materialien hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, wobei jede Beugungsstruktur (2, 3, 4) aus genau zwei Materialien hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das erste Material einen ersten wellenlängenabhängigen Brechungsindex n₁(λ) und das zweite Material einen zweiten wellenlängenabhängigen Brechungsindex n₂(λ) aufweist, n₁(λ) größer als n₂(λ) ist und die Materialien so gewählt werden, daß die zu erfüllende Beziehung den folgenden Ungleichung
entspricht, die gleichzeitig erfüllt sein müssen, wobei λ₀ eine Wellenlänge im Wellenlängenbereich ist und
wobei η_Vorgabe der vorbestimmte Beugungseffizientwert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, bei dem die Beugungsstrukturen (2, 3, 4) mit einer örtlich variierenden Dicke (h) hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 17, bei dem für eine der mindestens zwei Materialien eine Flüssigkeit gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, bei dem die Beugungsstrukturen (2, 3, 4) jeweils mit einem ringförmigen, insbesondere einem kreisringförmigen Verlauf hergestellt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 19, wobei die Breite der Beugungsstrukturen (2, 3, 4) so variiert wird, daß das Element (1) eine abbildende Eigenschaft aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 20, wobei die mindestens zwei Materialien, in Draufsicht auf das Element (1) gesehen, nebeneinander angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 21, wobei zumindest eines der Materialien in Form von Säulen, Kugeln oder Ringen ausgebildet wird.