DE102019127590A1

DE102019127590A1 - Wellenfrontmanipulator mit diffraktiven Komponenten

Info

Publication number: DE102019127590A1
Application number: DE102019127590.3A
Authority: DE
Inventors: Andreas Lütz; Matthias Hillenbrand
Original assignee: Carl Zeiss Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 2019-10-14
Filing date: 2019-10-14
Publication date: 2021-04-15
Also published as: CN114616508A; EP4045951A1; WO2021074011A1

Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (13) beschrieben, welcher eine optische Achse (47) und mindestens zwei diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, die entlang der optischen Achse (47) hintereinander angeordnet sind. Die diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) umfassen jeweils eine diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) mit einer Anzahl an diffraktiven holographischen Strukturelementen, wobei der Wellenfrontmanipulator (13) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) zwischen mindestens zwei voneinander abweichenden Zuständen (20, 21, 22) zu variieren.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator mit mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung des Wellenfrontmanipulators sowie ein optisches Gerät mit einem Wellenfrontmanipulator.
In US 3,305,294 von Luiz W. Alvarez sind optische Elemente mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, jeweils eine refraktive Freiformfläche aufweisen und senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar sind, beschrieben. Durch laterales Verschieben der optischen Komponenten mit den Freiformflächen lässt sich die Brechkraftwirkung eines aus den beiden Komponenten aufgebauten optischen Elements variieren. Derartige optische Elemente werden daher auch Alvarez-Elemente oder Variolinsen genannt. Eine variable Brechkraft entspricht einer variablen Fokuslage, welche durch eine Änderung des parabolischen Anteils der Wellenfront eines parallel zur Achse einfallenden Strahlbündels beschreibbar ist. In diesem Sinne kann eine Variolinse als ein spezieller Wellenfrontmanipulator angesehen werden.
Daneben sind aus I.M. Barton et al., Diffractive Alvarez Lens, Optics Letters 2000 (25), Seiten 1-3 Elemente bekannt, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, in Bezug auf die optische Achse lateral gegeneinander verschiebbar sind und diffraktive Flächen aufweisen. Die diffraktive Wirkung eines aus den beiden verschiebbaren Elementen gebildeten optischen Elements hängt dabei von der lateralen Stellung der beiden Elemente zueinander ab.
In dem Dokument DE 10 2016 115 938 A1 wird eine Wellenleiteranordnung mit einem diffraktiven Einkoppelelement und einem diffraktiven Auskoppelelement beschrieben, wobei es sich bei dem Einkoppelelement und/oder dem Auskoppelelement um ein Volumenhologramm handeln kann. Ein Anwendungsbeispiel hierfür sind holographische Kameras, also phasensensitive Kameras, sogenannte HoloCams. Bei einer HoloCam findet prinzipbedingt nur eine Fokussierung auf eine Ebene statt, die in einem endlichen Abstand von einem Einkoppelelement in einen Wellenleiter oder im Unendlichen liegt. Im Zusammenhang mit HoloCams ist es wünschenswert, das in den Wellenleiter zu beugende Licht zwischen mehreren Ebenen zu fokussieren, im besten Falle ohne optischen abbildenden Einfluss auf das transmittierte Licht anderer Wellenlänge. Zum Beispiel sollte bei der Verwendung einer optischen Planplatte, insbesondere aus Fensterglas, eine bestimmte Wellenlänge, beispielsweise 530nm, fokussiert und eingekoppelt werden, während andere Wellenlängen nicht fokussiert und eingekoppelt werden, sodass das Auge weiterhin durch die optische Planplatte schaut.
Zum Fokussieren und zur Strahlformung werden überwiegend refraktive (brechende) oder reflektierende optische Bauelemente benutzt. Solche Bauelemente beanspruchen jedoch relativ viel Bauraum und weisen ein vergleichsweise hohes Gewicht auf.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Verfügung zu stellen, der ein geringes Gewicht aufweist und wenig Bauraum beansprucht. Es ist eine zweite Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorteilhaftes optisches Gerät zur Verfügung zu stellen. Eine dritte Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Verwendung für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator anzugeben.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch ein optisches Gerät nach Anspruch 17 und die dritte Aufgabe durch eine Verwendung eines Wellenfrontmanipulators gemäß Anspruch 20. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator umfasst eine optische Achse und mindestens zwei diffraktive optische Komponenten, zum Beispiel mindestens eine erste diffraktive optische Komponente und eine zweite diffraktive optische Komponente. Unter einer diffraktiven optischen Komponente wird eine optische Komponente verstanden, an welcher einfallende Wellen, insbesondere Lichtwellen, gebeugt werden und auf diese Weise Interferenz erzeugt wird. Die mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten sind entlang der optischen Achse hintereinander angeordnet. Sie umfassen zum Beispiel jeweils eine Ebene, welche sich senkrecht oder in einem Winkel zwischen 20 Grad und 90 Grad zur optischen Achse erstrecken kann. Die diffraktiven optischen Komponenten, also beispielsweise die erste diffraktive optische Komponente und die zweite diffraktive optische Komponente, umfassen jeweils eine diffraktive Struktur mit einer Anzahl an diffraktiven holographischen Strukturelementen. Dabei ist die diffraktive Struktur vorzugsweise in der Ebene der jeweiligen diffraktiven optischen Komponente, welche sich senkrecht oder in einem Winkel zwischen 20 Grad und 90 Grad zur optischen Achse erstreckt, angeordnet. Der Wellenfrontmanipulator ist dazu ausgelegt, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten zwischen mindestens zwei voneinander abweichenden Zuständen, insbesondere voneinander abweichenden Fokussen, zu variieren.
Die einzelnen diffraktiven optischen Komponenten können als transmissive, reflektive oder transflektive optische Komponenten ausgestaltet sein. Sie können mit anderen Worten ihre diffraktive optische Wirkung in Transmission und/oder Reflektion entfalten, also gleichzeitig diffraktive und transmissive optische Eigenschaften und/oder gleichzeitig diffraktive und reflektive optische Eigenschaften aufweisen.
Die diffraktive Struktur kann als Hologramm-Gitter ausgebildet sein, also als holographisch hergestelltes Gitter, vorzugsweise als volumenholographisches Gitter. Die diffraktiven holographischen Strukturelemente können durch eine holographische Aufnahme bzw. Abbildung, also holographisch, erzeugt sein oder computergeneriert bzw. CGH-erzeugt sein (CGH - computer generated hologram). Ein Hologramm ist die Aufnahme bzw. Abbildung eines Interferenzmusters von zwei kohärenten Strahlungsquellen, zum Beispiel Lichtquellen für sichtbares Licht, insbesondere Laserlicht. Volumenholographische Gitter sind als Volumenhologramme implementierte Gitter. Ein Volumenhologramm ist ein Hologramm, welches allgemein in einem lichtempfindlichen Volumenmaterial durch Belichtung mit zwei oder mehr kohärenten Lichtwellen und Entwicklung erzeugt wird.
Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators lässt sich zum Beispiel eine Fokussierungsvorrichtung realisieren, beispielsweise für eine holographische Kamera. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator zum Beispiel als Fokussierungsvorrichtung ausgelegt sein. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat im Vergleich zu Fokussierungseinrichtungen, welche refraktive optische Bauelemente verwenden, den Vorteil, dass er deutlich weniger Bauraum beansprucht und damit besonders für eine Anwendung im Zusammenhang mit flachen optischen Geräten, wie beispielweise Smartphones, HoloCams, Head Up-Displays, Datenbrillen, Kameras oder Anzeigevorrichtungen, insbesondere Projektoren, oder auch im Zusammenhang mit Smartglas geeignet ist.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten zwischen diskreten Zuständen oder kontinuierlich zu variieren. Damit ist insbesondere ein Umschalten zwischen verschiedenen Fokusebenen oder Fokuslinien oder Fokuspunkten oder ein Zoomen möglich. Zum Beispiel kann die Bewegung der einzelnen diffraktiven optischen Komponenten zueinander kontinuierlich erfolgen oder es kann zwischen einzelnen diskreten Zuständen umgeschaltet werden.
Der Wellenfrontmanipulator kann mindestens eine mechanische und/oder elektrische und/oder akustische Einrichtung zum Variieren, beispielsweise Umschalten, des Zustands einer Wellenfront umfassen. Mit anderen Worten kann das Variieren der Wellenfront durch eine Änderung der diffraktiven Eigenschaften des Wellenfrontmanipulators insgesamt erfolgen, wobei die diffraktiven Eigenschaften durch eine mechanische und/oder elektrische und/oder akustische Einwirkung verändert werden können.
In einer vorteilhaften Variante können eine erste diffraktive optische Komponente und eine zweite diffraktive optische Komponente jeweils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar, insbesondere lateral verschiebbar und/oder um eine parallel zur optischen Achse angeordnete Achse, bei welcher es sich auch um die optische Achse handeln kann, drehbar angeordnet sein. Laterales Verschieben bedeutet ein Verschieben senkrecht zur optischen Achse. In einer weiteren Variante kann mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten eine durch Änderung einer an der diffraktiven optischen Komponente anliegenden elektrischen Spannung oder durch Änderung einer durch die diffraktive optische Komponente fließende Stromstärke hinsichtlich ihrer diffraktiven Eigenschaften variierbare diffraktive Struktur aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel kann der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator zwei lateral zueinander verschiebbare Phasenplatten umfassen, zum Beispiel diffraktive Alvarez-Lohmann-Linsen mit ein holographisches Interferenzmuster bildenden diffraktiven Strukturelementen. Diffraktive Alvarez-Lohmann-Linsen mit kubischem Oberflächenprofil sind zum Beispiel in A. Grewe, et al, Opto- mechanische Mikrosysteme zur hyperspektralen Bildgebung, Mikrosystemtechnik Kongress 2013, 14. - 16. Oktober 2013 in Aachen (https://www.tuilmenau.de/fileadmin/media/mms/Publikationen/_Gre13_MST-Kongress.pdf) beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die diffraktiven Alvarez-Lohmann-Linsen jedoch mit Hologrammen ausgestattet.
Ein elektrisches Variieren bzw. eine elektrische Umschaltung der diffraktiven Eigenschaften mindestens einer diffraktiven Struktur und damit der Wellenfront kann zum Beispiel durch Änderung einer Spannung oder eines Stromflusses in der Nähe mindestens einer diffraktive optische Komponente erreicht werden. Dazu kann die diffraktive optische Komponente eine durch eine elektrische Spannung aktiv/inaktiv schaltbare diffraktive Schicht (DOE-Layer), sogenannte Switchable Bragg Gratings, umfassen. Schaltbare Bragg-Gitter werden zum Beispiel in Sutherland, R. L., et al, „Switchable holograms in a new photopolymer-liquid crystal composite“ SPIE: Diffractive an Holographie Optics Technology, 2404:132-, Feb. 9-10 1995 und Sutherland, R. L., et al, „Electrically switchable volume gratings in polymer-dispersed liquid crystals“ Appl.Phys.Lett., 64(9): 1074-1076, Feb. 28, 1994 beschrieben.
Weiterhin kann mindestens eine diffraktive optische Komponente durch elektrische Spannung polarisationsschaltbare Elemente, zum Beispiel Flüssigkristallschichten, in Kombination mit statischen polarisationssensitiven Optiken, zum Beispiel Meta-Surfaces oder volumenholographische optische Elemente (vHOE), die das Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtungen in verschiedene Richtungen ablenken, umfassen. Prinzipiell ist eine Ausgestaltung mit Phasenplatten, Metaoberflächen, plasmonische Elementen und fresnelierte Elementen möglich. Eine elektromagnetische Metaoberfläche ist eine Art künstliches Blattmaterial mit einer Dicke unterhalb der Wellenlänge der zu verwendenden Strahlung. Metaoberflächen können entweder strukturiert oder unstrukturiert sein, mit Mustern mit Subwellenlängenskalierung in den horizontalen Dimensionen.
Ein akustisches Variieren, insbesondere Umschalten, kann dadurch realisiert werden, dass mindestens eine diffraktive optische Komponente mindestens einen akusto-optischen Modulator umfasst, zum Beispiel die diffraktive Struktur eine schaltbare Brechungsindexverteilung aufweist. Prinzipiell sind auch Kombinationen aus den beschriebenen Varianten möglich, zum Beispiel ein schaltbares Bragg-Gitter (Switchable Bragg Grating) für große diskrete Positionssprünge und eine laterale Verschiebung zur Abtastung der Zwischenbereiche.
Die diffraktive Struktur, insbesondere das holographische Interferenzmuster, mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten kann ein Zentrum, zum Beispiel eine Mittelachse oder Mittellinie oder Mittelpunkt, umfassen. Mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum, insbesondere in lateraler Richtung, können die Abstände der Strukturelemente zueinander abnehmen oder zunehmen. In Abhängigkeit davon ist die Bewegungsrichtung der diffraktiven optischen Komponenten zueinander im Fall einer erwünschten Fokussierung zu wählen. Das Zentrum kann in Bezug auf die Abstände der Strukturelemente eine Spiegelachse bilden bzw. definieren. Die diffraktive Struktur, insbesondere das holographische Interferenzmuster, mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten kann Strukturelemente umfassen, wobei der Abstand, insbesondere der laterale Abstand, und/oder die Orientierung benachbarter Strukturelemente, mit anderen Worten die Gitterkonstante und/oder der Winkel (z.B. Blaze-Winkel), in Abhängigkeit von dem Abstand von einem Zentrum der diffraktiven Struktur durch ein Polynom beschrieben wird.
Eine erste diffraktive optische Komponente und eine zweite diffraktive optische Komponente können in einem festgelegten Abstand in axialer Richtung bezüglich der optischen Achse zueinander angeordnet sein. Dieser Abstand ist vorzugsweise so gering wie möglich zu wählen, beispielsweise zwischen 0 und 0,1 mm. In Abhängigkeit von dem gewählten Abstand, insbesondere bei großen Abständen, sind unter Berücksichtigung des Brechungsindexes des zwischen den diffraktiven optischen Komponenten vorhandenen Materials, beispielsweise von Luft, bei der Auslegung der auf den optischen Komponenten aufgebrachten holographischen Interferenzmuster zu berücksichtigen. Mit anderen Worten sind auch andere Abstände zwischen den beiden diffraktiven optischen Komponenten möglich, erfordern aber eine Anpassung der jeweiligen holographischen Interferenzmuster.
Die Strukturelemente der diffraktiven Struktur können als Erhebungen oder Vertiefungen oder Verfärbungen, zum Beispiel Schwärzungen, oder chemische Materialveränderungen ausgestaltet sein. Weiterhin können die Strukturelemente als räumlich in lateraler Richtung zueinander benachbarte Bereiche mit voneinander abweichendem Brechungsindex ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Brechzahl der Strukturelemente von der Brechzahl des Materials der jeweiligen diffraktiven optischen Komponente um einen Wert zwischen 0,05 und 0,15, beispielsweise 0,01 abweichen. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von Volumenhologrammen erreicht werden. Dabei kann als Material ein Fotopolymer verwendet werden.
In einer weiteren Variante können einzelne bzw. festgelegte Bereiche eine bestimmte Brechungsindexdifferenz aufweisen. Die Brechungsindexdifferenz der einzelnen Bereiche kann von dem Abstand des jeweiligen Bereichs von dem Zentrum der diffraktiven Struktur abhängen. Dabei kann es sich bei dem Zentrum um eine Spiegelachse handeln. Die Brechungsindexdifferenz kann mit zunehmenden Abstand des Bereichs von dem Zentrum zunehmen oder abnehmen. Dabei kann die Zunahme oder Abnahme gemäß einem festgelegten Polynom verlaufen. Vorteilhafterweise kann die diffraktive Struktur eine variierbare, zum Beispiel zwischen verschiedenen Zuständen umschaltbare, Brechungsindexverteilung aufweisen. Hierdurch lässt sich zum Beispiel ein Umschalten zwischen diskreten Zuständen, insbesondere Fokussen, realisieren.
Mindestens eine der diffraktiven Strukturen kann durch ein Volumenhologramm und/ein Flächenhologramm und/oder ein Amplitudenhologramm und/oder ein Phasenhologramm und/oder ein Transmissionshologramm und/oder ein Weißlichthologramm und/oder ein unter weißem Licht rekonstruierbares Hologramm und/oder ein echtfarbiges Hologramm gebildet werden.
Die folgenden Beschreibung zu verschiedenen Hologrammtypen ist aus https://www.spektrum.de/lexikon/optik/holographie/1343 entnommen: Eine Hologrammaufzeichnung kann sowohl in dünnen lichtempfindlichen Schichten (ebenes Hologramm) als auch in lichtempfindlichen dicken Medien (Volumenhologramm) erfolgen. Bei der Herstellung von Hologrammen spielt die Dicke des verwendeten Speichermaterials eine wichtige Rolle. Objekt- und Referenzwelle bilden ein räumlich stehendes Interferenzmuster, das vom optischen Speichermedium (Hologramm) registriert wird. Bei der Rekonstruktion werden beide Hologrammtypen mit der ursprünglichen Referenzwelle rekonstruiert. Das ebene Hologramm fügt zur hindurchgehenden nullten Beugungsordnung die verschiedenen Beugungsordnungen hinzu, die auch bei einem normalen ebenen Gitter zu erwarten sind. Die erste Beugungsordnung stellt das rekonstruierte Bild, hier die rekonstruierte ebene Welle, dar. Im Volumenhologramm hingegen wird nach dem Gesetz der Bragg-Reflexion neben der nullten Beugungsordnung nur die +1. oder die -1. Beugungsordnung erzeugt. Ein dickes optisches Speichermedium bietet den Vorteil, dass in ihm mehrere Interferenzstrukturen überlagert werden können; das Volumenhologramm besteht dann aus vielen superponierten Interferenzstrukturen. Durch Einhaltung bestimmter Winkel bzw. Wellenlängen bei der Rekonstruktion kann Bild für Bild aus dem Volumenhologramm rekonstruiert werden. Bei einem Amplitudenhologramm wird das Interferenzmuster als Schwärzungsverteilung aufgezeichnet (das Hologramm moduliert über die Extinktion die Rekonstruktionswelle). Bei einem Phasenhologramm wird das Interferenzmuster in Form eines Oberflächenreliefs oder einer Brechzahlverteilung innerhalb des Mediums gespeichert. Das Hologramm beeinflusst dann die Phase der Rekonstruktionswelle.
Mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten kann als Platte oder Folie oder Film ausgestaltet sein. Eine Ausgestaltung als Folie oder Film hat den Vorteil, dass der Wellenfrontmanipulator minimalen Bauraum beansprucht. Eine Ausgestaltung als Platte hat den Vorteil einer höheren Robustheit und einer längeren Lebensdauer bei ebenfalls vergleichsweise geringem beanspruchtem Bauraum. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter eine Platte eine Komponente verstanden, die nicht in sich verformbar ausgestaltet ist. Unter einer Folie wird eine optische Komponente verstanden, welche in Bezug auf die Ebene, die durch ihre Oberfläche in einer x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems aufgespannt wird, in z-Richtung, also senkrecht zu der x-y-Ebene verformbar ist. Es kann zum Beispiel eine Kunststofffolie verwendet werden. Unter einem Film wird eine zusammenhängende Materialschicht verstanden, welche vorzugsweise auf ein Substrat aufgebracht ist. Dabei kann der Film, zum Beispiel ein Silberhalogenidfilm, mit dem Substrat fest oder lösbar verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist mindestens eine diffraktive optische Komponente eine Dicke von weniger als 1 mm, beispielsweise eine Dicke zwischen 0,1 und 0,5 mm auf. Auf diese Weise kann eine äußerst platzsparende Fokussierung oder Defokussierung von Wellen, insbesondere Lichtwellen erreicht werden.
Vorzugsweise sind die diffraktiven optischen Komponenten zumindest teilweise transparent, insbesondere für sichtbares Licht transparent, ausgestaltet. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit einer Anwendung für Headup-Displays oder Datenbrillen oder AR-Brillen (AR - augmented reality) von Vorteil.
In einer ersten besonders vorteilhaften Variante umfasst der Wellenfrontmanipulator vier diffraktive optische Komponenten, wobei eine erste und eine zweite diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer ersten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind und eine dritte und eine vierte diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer zweiten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind. Die erste und die zweite laterale Richtung können beispielsweise senkrecht zueinander oder in einem anderen festgelegten Winkel zueinander verlaufen. Während bei einer Ausgestaltung mit zwei diffraktiven optischen Komponenten, welche jeweils ein in einer lateralen Richtung angeordnetes holografisches Interferenzmuster aufweisen, eine Fokussierung von Wellen zu einer Linie in einer Ebene möglich ist, wird mittels der beschriebenen Ausgestaltung mit vier diffraktiven optischen Komponenten, wobei jede optische Komponente ein in einer lateralen Richtung sich erstreckendes holographisches Interferenzmuster aufweist, eine Fokussierung von Wellen zu einem Punkt in einer Ebene ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante können mindestens zwei diffraktive optische Komponenten zueinander um eine Achse parallel zur optischen Achse drehbar angeordnet sein. Dabei können in der zuvor beschriebenen Variante mit vier diffraktiven optischen Komponenten zum Beispiel die erste und die zweite diffraktive optische Komponente gemeinsam in Bezug auf die dritte und die vierte diffraktive optische Komponente drehbar angeordnet sein. Es können aber zusätzlich oder alternativ dazu auch die erste und die zweite diffraktive optische Komponente in Bezug aufeinander drehbar angeordnet sein. In gleicher Weise können auch die dritte und die vierte diffraktive optische Komponente in Bezug aufeinander drehbar angeordnet sein. Die zweite und die dritte diffraktive optische Komponente können fest miteinander verbunden ausgestaltet sein. Zum Beispiel können zweite und die dritte diffraktive optische Komponente in einem einzigen Bauteil integriert sein.
In einer zweiten besonders vorteilhaften Variante umfasst der Wellenfrontmanipulator drei diffraktive optische Komponenten, wobei eine dritte diffraktive optische Komponente in Richtung der optischen Achse zwischen einer ersten und einer zweiten diffraktiven optischen Komponente angeordnet ist. Insbesondere kann die dritte diffraktive optische Komponente in Bezug auf die erste und die zweite diffraktive optische Komponente bewegbar angeordnet sein, beispielsweise durch Translation und/oder Rotation bewegbar, oder hinsichtlich ihrer diffraktiven Eigenschaften variierbar ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Variante weist der Wellenfrontmanipulator mindestens eine diffraktive optische Komponente auf, welche in der sich senkrecht zur optischen Achse erstreckenden Ebene ein in Form eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitters ausgestaltetes holographisches Interferenzmuster umfasst. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, im Fall von zwei entsprechend ausgestalteten diffraktiven optischen Komponenten durch eine Verschiebung dieser in einem Winkel von 45 Grad zueinander eine Fokussierung auf einen Punkt zu erzielen.
Mittels der beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ist eine Fokussierung von Wellen, insbesondere Lichtwellen, auf einen Punkt oder eine auf der optischen Achse oder parallel zur optischen Achse verlaufende Linie möglich. Mittels eines Volumenhologramms als Struktur mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten ist zusätzlich eine Fokussierung auf einen Punkt, also mit anderen Worten auch eine Fokussierung in Richtung der optischen Achse bzw. in z-Richtung möglich.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Erfindung wird ein optisches Gerät zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße optische Gerät kann beispielsweise ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, ein Teleskop, eine Kamera, ein Wellenleiter, ein Objektiv, insbesondere ein Zoom-Objektiv und/oder ein holographisches Objektiv, etc. sein. Es kann aber auch ein anderes optisches Gerät wie beispielsweise eine optische Messeinrichtung sein. Es ist mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ausgestattet. In dem erfindungsgemäßen optischen Gerät können daher die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt werden.
Bei der Kamera kann es sich insbesondere um eine holographische Kamera und/oder eine Kamera für ein Mobiltelefon und/oder eine Mikroskopkamera handeln. Bei der Anzeigevorrichtung kann es sich um eine Datenbrille oder einen Projektor, insbesondere einen Projektor, der dazu ausgelegt ist Farben einzeln zu fokussieren, oder ein Headup-Display, insbesondere für eine Anwendung in einem Automobil, oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung handeln.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei einer Anwendung des Wellenfrontmanipulators im Zusammenhang mit einer HoloCam eine im Hinblick auf die Fokusebene schaltbare HoloCam. Dabei kann entweder zwischen einzelnen diskreten Zuständen umgeschaltet werden oder ein kontinuierlicher Wertebereich zwischen Endzuständen abdeckt werden.
Gemäß einem dritten Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators zur Verfügung gestellt. In der erfindungsgemäßen Verwendung dient wenigstens ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator zum Fokussieren von Wellenfronten, insbesondere Lichtwellenfronten.
Grundsätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Variation der Fokusdistanz zum Objekt, insbesondere die Realisierung einer durchschaltbaren quadratischen Phasenfunktion und/oder linearen Phasenfunktion, eine Variation der Hauptstrahlrichtung, zum Beispiel eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Feldpositionen, zur Erfassung eines größeren Sichtfeldes (FOV - field of view). Es kann zudem eine scharfe Abbildung eines Objektes in fixer Distanz für verschiedene Wellenlängen erreicht werden.
Im Folgenden wird die Beschreibung der Form einer refraktiven Freiformfläche durch eine Polynomentwicklung dargestellt, die in endlich vielen bestimmten Polynomordungen von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist, und analog für eine diffraktive Struktur angewendet werden kann. Die einer refraktiven Freiformfläche zugehörige diffraktive Struktur wird durch eine Polynomentwicklung beschrieben, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynomordnung zugeordnet sind, stehen dabei in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander. Dabei können die jeweils derselben Polynomordnung zugeordneten Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung insbesondere in einem linearen funktionalen Zusammenhang stehen. Der funktionale Zusammenhang kann insbesondere von dem in der jeweiligen optischen Komponente verwendeten Material, d.h. von dessen Dispersion, abhängen. Insbesondere kann hierbei ein gleicher funktionaler Zusammenhang für alle Polynomordnungen mit von Null verschiedenen Koeffizienten vorliegen.
Die Polynome der ersten und der zweiten Polynomentwicklung können jeweils von zwei Variablen anhängen, die verschiedene Richtungen senkrecht zur optischen Achse des optischen Elements repräsentieren. Dabei können die beiden Richtungen senkrecht aufeinander stehen, wobei die eine Richtung der Bewegungsrichtung der optischen Komponenten entspricht und wobei die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung jeweils nur ungerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufweisen, welche die Bewegungsrichtung der optischen Komponenten repräsentiert. Die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung brauchen dann jeweils nur gerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufzuweisen, welche die zur Bewegungsrichtung der optischen Komponenten senkrechte Richtung repräsentiert.
Weitere Einzelheiten zur Konstruktion der diffraktiven Flächen und zur Anwendung von mit diffraktiven Strukturen und Freiformflächen versehenen optischen Elementen sind die DE 10 2011 055 777 beschrieben, auf die hinsichtlich dieser Aspekte verwiesen wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.

1 zeigt schematisch eine holographische Kamera (HoloCam) in einer geschnittenen Ansicht.
2 zeigt schematisch ein refraktives Fokussystem und ein diffraktives Fokussystem.
3 zeigt beispielhaft eine diffraktive optische Komponente mit einem Hologramm und ein Diagramm, welches die Gitterlinienzahl in Abhängigkeit von einem Abstand von einem Zentrum zeigt.
4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 13 in Form eines diffraktiven Fokussystems in drei verschiedenen Betriebszuständen.
5 zeigt schematisch die in der 1 gezeigte HoloCam mit einem vor dem Einkoppelhologramm angeordneten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator.
6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante für eine HoloCam mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator.
7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
8 zeigt verschiedene Fokussierungsmöglichkeiten mittels des in der 7 gezeigten Wellenfrontmanipulators schematisch in perspektivischen Ansichten.
9 zeigt schematisch eine erste Variante einer HoloCam mit einem schaltbaren Wellenfrontmanipulator.
10 zeigt schematisch eine zweite Variante einer HoloCam mit einem schaltbaren Wellenfrontmanipulator.
11 zeigt schematisch zwei Varianten für eine relative Dimensionierung des Einkoppelhologramms und damit des Wellenfrontmanipulators und des Auskoppelhologramms einer Holocam in einer Draufsicht.
12 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät.
13 zeigt schematisch eine reflektive Variante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.

Die 1 zeigt schematisch eine holographische Kamera (HoloCam) in einer geschnittenen Ansicht. Die HoloCam 26 umfasst einen Wellenleiter 1, ein Objektiv 4 und eine Kamera bzw. einen Sensor 5. Der Wellenleiter 1 umfasst ein Einkoppelhologramm 2 und ein Auskoppelhologramm 3. In Ausbreitungsrichtung der Wellen ist hinter dem Auskoppelhologramm 3 außerhalb des Wellenleiters 1 das Objektiv 4 und hinter dem Objektiv 4 die Kamera bzw. der Sensor 5 angeordnet. Die optische Achse des Einkoppelhologramms 2 ist mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet. Die optische Achse des Auskoppelhologramms 3, des Objektives 4 und der Kamera bzw. des Sensors 5 ist mit der Bezugsziffer 42 gekennzeichnet. Die Ausbreitungsrichtung der Wellen, insbesondere Lichtwellen zu dem Wellenleiter 1 ist durch einen Pfeil 31 gekennzeichnet. Die Ausbreitungsrichtung der den Wellenleiter 1 durch das Auskoppelhologramm 3 verlassenden Wellen ist durch einen Pfeil 32 gekennzeichnet. Die Ausbreitung der Wellen ist als Strahlengang durch Linien mit der Bezugsziffer 29 gekennzeichnet.
Durch das Einkoppelhologramm 2 wird ein festgelegter Fokus 6 realisiert. Dieser weist einen Abstand 31 zu dem Wellenleiter 1 auf. Von dem Fokus 6 mit der Fokuslänge 33, bei welchem es sich um einen Fokuspunkt, eine Fokuslinie oder eine Fokusebene handeln kann, ausgehende Lichtwellen werden über das Einkoppelhologramm 2 in den Wellenleiter 1 eingekoppelt, in diesem zu dem Auskoppelhologramm 3 weitergeleitet und über das Auskoppelhologramm 3 durch das Objektiv 4 zu der Kamera bzw. dem Sensor 5 geleitet. In dem in der 1 gezeigten Beispiel verlaufen die optischen Achsen 41 und 42 parallel zur z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 45. Die Oberflächen 43 und 44 des Wellenleiters 1 erstrecken sich in der x-y-Ebene des Koordinatensystems 45. Das Einkoppelhologramm 2 und das Auskoppelhologramm 3 weisen jeweils ein holographisches Indifferenzmuster auf, welches sich in y-Richtung oder in der x-y-Ebene erstreckt, also senkrecht zu der jeweiligen optischen Achse 41 bzw. 42, also lateral zu der jeweiligen optischen Achse.
Die 2 zeigt schematisch ein refraktives Fokussystem 12 und ein diffraktives Fokussystem 13. Der kollimierte Strahlengang durch die beiden Fokussysteme ist jeweils durch Pfeile mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. Das gezeigte refraktive Fokussystem 10 umfasst ein erstes Alvarez-Element 11, welches eine erste Freiformoberfläche 11A umfasst, und ein zweites Alvarez-Element 12, welches eine zweite Freiformoberfläche 12A umfasst. Die Freiformflächen 11A und 12A sind einander zugewandt angeordnet. Die Alvarez-Elemente 11 und 12 weisen einen Abstand in Richtung der optischen Achse 46 zueinander auf. Durch das refraktive Fokussystem 10 werden die sich durch das Fokussystem 10 ausbreitenden Wellen, insbesondere Lichtwellen, durch Refraktion (Brechung) an den Freiformoberflächen 11A und 12A in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Freiformoberflächen 11A und 12A und in Abhängigkeit von der lateralen Position der Alvarez-Elemente 11 und 12 zueinander in Bezug auf ihre Ausbreitungsrichtung und insbesondere ihren lateralen Abstand von der optischen Achse 46 verändert. In der in der 2 gezeigten Variante wird durch das refraktive Fokussystem 10 ein lateraler Versatz bewirkt.
Das in der 2 gezeigte diffraktive Fokussystem 13 umfasst eine erste diffraktive optische Komponente 14, welche als Substrat mit einem Hologramm 15 ausgestaltet ist, und eine zweite diffraktive optische Komponente 16, welche als Substrat mit einem Hologramm 17 ausgestaltet ist. Die erste und die zweite diffraktive optische Komponente 14 und 16 sind in einem axialen Abstand zueinander angeordnet und erstrecken sich lateral zur optischen Achse 47. Die Hologramme 15 und 17 erstrecken sich ebenfalls lateral bzw. senkrecht zur optischen Achse 47. Durch das diffraktive Fokussystem 13 wird die Ausbreitungsrichtung der Wellen, insbesondere Lichtwellen durch Beugung an den Hologrammen 15 und 17 diffraktiv verändert. In der in der 2 gezeigten Variante wird ein Versatz zur optischen Achse 47 bewirkt. Durch beide in der 2 gezeigten Fokussysteme kann durch eine laterale Verschiebung einerseits der Alvarez-Elemente 11 und 12 zueinander und andererseits der diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 zueinander eine Fokussierung, also ein konvergenter Strahlengang, oder eine Defokussierung, also ein divergenter Strahlengang, der Wellen erzielt werden.
Die 3 zeigt beispielhaft eine diffraktive optische Komponente 14 mit einem Hologramm 15 und ein Diagramm, welches die Gitterlinienzahl 18 in Abhängigkeit von einem Abstand von einem Zentrum 28 der diffraktiven Struktur zeigt. Dabei ist auf der x-Achse der Abstand y der Strukturelemente, insbesondere der Gitterlinien des Holorammgitters von dem Zentrum bzw. einer Mittellinie, insbesondere Spiegelachse, 28 in mm aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Gitterlinienanzahl 18 (LP - Line Pitch) in 1/mm aufgetragen. In der gezeigten Variante ist die Gitterlinienzahl 18 im Bereich der Mittellinie 28 minimal und steigt mit zunehmenden Abstand von der Mittellinie 28 an. Alternativ zu der gezeigten Variante kann auch die Gitterlinienanzahl im Bereich der Mittellinie 28 maximal sein und mit zunehmendem Abstand von der Mittellinie 28 abfallen.
In der 4 ist ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 in Form eines diffraktiven Fokussystems mit wellenlängenselektiven Volumenhologrammen in drei verschiedenen Betriebszuständen gezeigt. Die links gezeigte Variante entspricht dabei der in der 2 gezeigten Variante. In der in der Mitte gezeigten Variante wurden die erste diffraktive Komponente 14 und die zweite diffraktive Komponente 16 lateral bzw. senkrecht zur optischen Achse 47 gegeneinander verschoben. Dadurch wird abweichend von dem in dem links gezeigten Betriebszustand erzielten kollimierten Strahlengang 20 ein divergenter Strahlengang 21 für die entsprechende Designwellenlänge λ₁ realisiert. In der in der 4 rechts gezeigten Variante wurden die diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 in einer entgegengesetzt zu der in der mittleren Variante gezeigten Richtung zueinander lateral verschoben. Durch diese Verschiebung wurde ein konvergenter Strahlengang 22 für die entsprechende Designwellenlänge λ₁ realisiert. Die laterale Verschiebung der diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 34 gekennzeichnet. Die Richtung und das Ausmaß, um welches zur Erzielung eines gewünschten Strahlengangs die diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 in Bezug aufeinander verschoben werden müssen, hängt dabei von der Verteilung der Gitterlinienzahl 18, wie beispielsweise in der 3 gezeigt, ab. Wellenlängen λ₂ , die von der Designwellenlänge λ₁ abweichen, werden vom Volumenhologramm nicht beeinflusst und bleiben auch nach dem Durchtritt ohne virtuelle oder reelle optische Abbildung.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Hologramme können jeweils durch Belichtung eines Substrats mit photosensitivem Material erzeugt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 13 lässt sich, wie in der 4 gezeigt, mittels der durch die Hologramme erzeugten Freiformwellenfront eine Fokussierung bzw. Defokussierung erzielen. Ein Anwendungsbeispiel im Zusammenhang mit einer HoloCam ist in der 5 schematisch gezeigt. Die 5 zeigt die in der 1 gezeigte HoloCam 26 mit einem vor dem Einkoppelhologramm 2 angeordneten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 13.
Durch eine Verschiebung 34 der diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 in Bezug aufeinander lässt sich der ansonsten feste Fokus variieren. Es kann also beispielsweise ein kollimierter Strahlengang bzw. ein Fokus 9 im Unendlichen oder ein erster Fokus 7 oder ein zweiter Fokus 8 eingestellt werden. Der Fokus kann also einerseits entlang der optischen Achse 47 verschoben werden. Dies ist durch einen Pfeil 48 gekennzeichnet. Zusätzlich oder alternativ dazu kann aber auch ein Versatz in transversaler Richtung, also ein Verschieben der optischen Achse 47 bzw. ein transversaler Versatz des Fokus von der optischen Achse 41, welche durch das Einkoppelhologramm 2 vorgegeben ist, erzielt werden. Dies ist durch einen Pfeil 49 gekennzeichnet.
Die 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante für eine HoloCam mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. In dieser Variante ist die zweite diffraktive optische Komponente in den Wellenleiter 1 der HoloCam integriert und bildet gleichzeitig das Einkoppelhologramm 2A. In der in der 6 gezeigten Variante umfasst die HoloCam 26 ein Gehäuse 30. Dabei ist in das Gehäuse 30 sowohl der Wellenleiter 1 als auch die erste diffraktive optische Komponente 14 eingespannt. Die erste diffraktive optische Komponente 14 ist dabei so in dem Gehäuse 30 angeordnet, dass sie transversal bzw. lateral zur optischen Achse 47 verschiebbar ist.
Zusätzlich zu den in den 4 und 5 gezeigten Varianten können auch zwei Wellenfrontmanipulatoren 13 miteinander kombiniert und vorzugsweise hintereinander angeordnet werden, wobei die diffraktiven optischen Komponenten eines ersten Wellenfrontmanipulators in einer ersten transversalen bzw. lateralen Richtung zueinander verschiebbar angeordnet sind und ein zweiter Wellenfrontmanipulator so ausgestaltet ist, dass dessen diffraktiven optischen Komponenten in einer zweiten transversalen bzw. lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Dabei kann die erste laterale Richtung senkrecht zur zweiten lateralen Richtung angeordnet sein oder einen festgelegten Winkel zu dieser aufweisen. Durch eine solche Ausgestaltung ist eine Fokussierung auf einen Fokuspunkt in einer Fokusebene möglich. Grundsätzlich können die verwendeten Hologramme als Volumenhologramme ausgestaltet sein. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Volumenhologramms lässt sich auch eine Fokussierung in z-Richtung realisieren. Weiterhin können die verwendeten Hologramme als sich in x-y-Ebene erstreckende zweidimensionale Hologrammgitter ausgestaltet sein. Im Falle einer Ausgestaltung als zweidimensionale Hologrammgitter lässt sich auch mittels lediglich eines Wellenfrontmanipulators, also unter Verwendung von nur zwei in Bezug aufeinander verschiebbare diffraktive optische Komponenten eine Fokussierung auf einen Fokuspunkt in einer festgelegten Fokusebene, also eine Fokussierung in x-y- und z-Richtung erreichen.
Eine weitere Ausführungsvariante ist in den 7 und 8 gezeigt. In dieser Variante ist zwischen der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 und der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 eine dritte diffraktive optische Komponente 19 angeordnet. Die dritte diffraktive optische Komponente umfasst zwei Hologramme 38 und 39. Dabei ist ein erstes Hologramm 38 in der der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 zugewandten Oberfläche angeordnet und ein zweites Hologramm 39 in der der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 zugewandten Oberfläche angeordnet. Die erste diffraktive optische Komponente 14 und die dritte diffraktive optische Komponente 19 und die zweite diffraktive optische Komponente 16 weisen jeweils einen Abstand in axialer Richtung zueinander auf. Dieser Abstand ist dabei so gering wie möglich um einerseits den Bauraum so gering wie möglich zu halten und andererseits den Einfluss des zwischen den jeweiligen diffraktiven optischen Komponenten befindlichen Mediums, insbesondere Luft, auf den Strahlenverlauf zu vermeiden. Der Abstand liegt vorzugsweise zwischen 0 und 0,1 mm. Je größer der Abstand gewählt wird, desto stärker muss die Brechung durch das in dem Zwischenraum befindliche Medium, insbesondere durch Luft, bei der Erstellung der verwendeten Hologramme berücksichtigt werden.
In den 8A, 8B und 8C sind verschiedene Fokussierungsmöglichkeiten mittels des in der 7 gezeigten Wellenfrontmanipulators 13 schematisch in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In der 8A wurde zur Fokussierung die dritte diffraktive optische Komponente 19 in y-Richtung verschoben. Dies ist durch einen Pfeil 35 gekennzeichnet. Dadurch wurde in der Fokusebene 40 eine Fokussierung auf eine in x-Richtung verlaufende Fokuslinie erzielt. In der 8B wurde die dritte diffraktive optische Komponente 19 in x-Richtung verschoben. Dies ist durch einen Pfeil 36 gekennzeichnet. Dadurch wurde eine Fokussierung in der Fokusebene 40 auf eine Linie entlang der y-Richtung erzielt. In der 8C wurde die dritte diffraktive optische Komponente 19 sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung verschoben beispielsweise in einem Winkel von 45° zur x- und y-Richtung. Dies ist durch einen Pfeil 37 gekennzeichnet. Durch diese Verschiebung wird eine Fokussierung auf einen Fokuspunkt in der Fokusebene 40 erreicht. Weiterhin lässt sich durch ein Verschieben der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 und der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 in Bezug aufeinander die Fokusebene 40 in axialer Richtung verschieben.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator so ausgelegt sein, dass die verschiedenen Fokusebenen und die verschiedenen Fokusvarianten kontinuierlich einstellbar sind oder zwischen diskreten Zuständen umgeschaltet werden können.
Ausführungsvarianten für einen schaltbaren Wellenfrontmanipulator im Zusammenhang mit einer HoloCam werden im Folgenden anhand der 9 und 10 erläutert. In diesen Varianten sind die diffraktiven optischen Komponenten als schaltbare diffraktive optische Elemente bzw. holographisch optische Elemente oder Phasenplatten ausgestaltet. Dabei sind in der 9 das erste Hologramm 25 und das zweite Hologramm 24 als in Bezug auf ihre diffraktiven Eigenschaften durch Anlegen einer elektrischen Spannung schaltbare Hologramme ausgestaltet. Das erste Hologramm 25 ist dabei, wie das Hologramm 2A in der 6, in den Wellenleiter 1 als Einkoppelhologramm integriert. Es ist an einen Stromkreislauf 50 angeschlossen, durch welchen sein Zustand zwischen mindestens zwei verschiedenen diffraktiven Zuständen umschaltbar ist. Die schaltbaren Hologramme können als schaltbare Bragg-Gitter ausgestaltet sein.
Die zweite diffraktive optische Komponente 16 umfasst ebenfalls ein schaltbares Hologramm 24. Die zweite diffraktive optische Komponente 16 ist ebenfalls an einen elektrischen Stromkreislauf 50 angeschlossen, mit welchem das zur Fokussierung ausgelegte Hologramm 24 zwischen mindestens zwei verschiedenen diffraktiven Zuständen umschaltbar ist. Das in den Wellenleiter 1 integrierte Hologramm 25 ist als Einkoppelhologramm ausgelegt. Der Wellenleiter 1 stellt damit gleichzeitig die erste diffraktive optische Komponente 14 dar. Durch Umschalten der Hologramme 24 und/oder 25 zwischen verschiedenen diffraktiven Zuständen lässt der Fokus 7 in x-, y-, und z-Richtung variieren.
In der 10 ist eine Variante des in der 5 gezeigten Beispiels mit schaltbaren Hologrammen gezeigt. Diese Variante kombiniert die Vorteile der Schaltbarkeit, also der Möglichkeit des Wechsels zwischen diskreten Einstellungen des Fokus und der Möglichkeit einer lateralen Verschiebung der schaltbaren diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 und eines schaltbaren Einkoppelhologramms 2 der in Bezug aufeinander, also der Möglichkeit einer kontinuierlichen Veränderung des Fokus. In der in der 10 gezeigten Ausgestaltung lassen sich die Hologramme der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 und der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16, sowie das in den Wellenleiter 1 integrierte Einkoppelhologramm 2 zwischen diskreten diffraktiven Zuständen umschalten. Zusätzlich lassen sich die Komponenten gegeneinander lateral verschieben, was durch Pfeile 34 gekennzeichnet ist.
Grundsätzlich können in allen gezeigten Ausführungsvarianten die Hologramme als zwei- oder dreidimensionale Hologrammgitter ausgestaltet sein. Weiterhin können die einzelnen diffraktiven optischen Komponenten in Bezug aufeinander um die optische Achse oder um eine parallel zur optischen Achse verlaufende Achse gedreht bzw. verdreht werden. Auch auf diese Weise lässt sich eine Fokussierung erzielen. Grundsätzlich können die diffraktiven optischen Komponenten als Platten, Folien oder Filme ausgestaltet sein. Bei einer Ausgestaltung als Film sind die jeweiligen Filme vorzugsweise auf ein Substrat aufgebracht. Eine solche Ausgestaltung bietet sich insbesondere für die in den 7 und 8 gezeigten Ausführungsvarianten an.
Zusätzlich kann der Wellenfrontmanipulator weitere optische Komponenten umfassen, welche beispielsweise vor den diffraktiven optischen Komponenten angeordnet sind. Zum Beispiel kann in Strahlrichtung vor den diffraktiven optischen Komponenten eine oder mehrere Freiformlinsen, ein oder mehrere Linsen, beispielsweise asphärische Linsen und/oder Spiegel angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, dass ein Bandbreitenfilter vor den diffraktiven optischen Komponenten angeordnet ist.
Die 11 zeigt zwei Varianten für eine relative Dimensionierung des Einkoppelhologramms und damit auch des verwendeten Wellenfrontmanipulators und des Auskoppelhologramms einer Holocam in einer Draufsicht. In der in der 11 links gezeigten Variante ist lediglich eine Kamera 5 vorgesehen und ein entsprechend kleines Auskoppelhologramm 3. In diese Variante ist über den Wellenleiter 1 ausgehend von einem sich über nahezu die gesamte Breite des Wellenleiters 1 erstreckendes Einkoppelhologramm 2 bzw. 2A oder 25 zur Fokussierung der Wellen bzw. Strahlen auf das Auskoppelhologramm 3 erforderlich. In dieser Variante ist zum Fokussieren ein entsprechend großflächiger erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 erforderlich. Dabei lassen sich gewünschte kubische Phasenfunktionen durch eine Aufteilung des Gesamtfeldes in mehrere Kanäle oder gegebenenfalls durch eine weitere schaltbare Komponente vor der Kamera erzeugen. Die schaltbare Komponente kann insbesondere zeitsequenziell schaltbar sein, wobei beispielsweise durch sequenzielles Schalten ein breites Gesichtsfeld trotz des Vorhandenseins nur einer Kamera abgedeckt werden kann.
In der in der 11 rechts gezeigten Variante sind mehrere Kameras 5 und ein nahezu die gesamte Breite des Wellenleiters 1 abdeckendes Auskoppelhologramm 3 vorgesehen. In dieser Variante ist lediglich ein kleines Einkoppelhologramm 2 erforderlich, mittels welchem die zu erfassenden Wellen bzw. Strahlen auf das Auskoppelhologramm 3 defokussiert werden müssen. Hierzu ist ein kleiner erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 einsetzbar.
Die 12 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät 51, welches einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 13 umfasst. Bei dem optischen Gerät 51 kann es sich zum Beispiel um einen Wellenleiter oder ein Objektiv oder eine Kamera oder ein optisches Beobachtungsgerät oder eine Anzeigevorrichtung handeln, insbesondere eine Kamera für ein Mobiltelefon und/oder eine Mikroskopkamera oder eine Datenbrille oder einen Projektor oder ein Headup-Display oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung.
In den bisher gezeigten und beschriebenen Varianten transmittieren die zu manipulierenden Wellen durch die verwendeten diffraktiven optischen Komponenten. Die 13 zeigt schematisch eine reflektive Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 13, welche für alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungsvarianten eine zusätzliche oder alternative Option darstellt. In der in der 13 gezeigten Variante werden die einfallenden Wellen 20, insbesondere Lichtwellen, zunächst von dem Hologramm 17 der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 in Richtung der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 reflektiert und anschließend von dem Hologramm 15 der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 reflektiert. In der gezeigten Variante erfolgt vor der Reflektion der Wellen an dem Hologramm 17 der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 eine Transmission durch die erste optische Komponente 14 und nach der Reflektion der Wellen an dem Hologramm 15 der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 eine Transmission durch die zweite optische Komponente 16. Alternativ dazu können die optischen Komponenten 14 und 16 aber auch so in Bezug aufeinander lateral verschoben angeordnet sein, dass ausschließlich Reflektion und keine Transmission stattfindet.
Bezugszeichenliste

1: Wellenleiter
2: Einkoppelhologramm
3: Auskoppelhologramm
4: Objektiv
5: Kamera / Sensor
6: Fokus (fix)
7: Fokus 1
8: Fokus 2
9: Fokus 3 (kollimiert)
10: Fokussystem refraktiv
11: Alvarez-Element 1
11A: Freiformoberfläche 1
12: Alvarez-Element 2
12A: Freiformoberfläche 2
13: Fokussystem diffraktiv / Wellenfrontmanipulator
14: Substrat 1
15: Hologramm 1
16: Substrat 2
17: Hologramm 2
18: Gitterlinienzahl
19: Substrat 3
20: kollimierter Strahlengang
21: divergenter Strahlengang
22: konvergenter Strahlengang
23: eindimensional konvergenter Strahl
24: schaltbares DOE/HOE/Phasenplatte Fokussierung
25: schaltbares DOE/HOE/Phasenplatte Einkopplung
26: HoloCam
27: diffraktive Strukturelemente
28: Zentrum/Mittellinie/Spiegelachse
29: Strahlengang
30: Gehäuse / Einspannung
31: Wellenausbreitungsrichtung
32: Wellenausbreitungsrichtung
33: Fokuslänge
34: laterale Verschiebung
35: Bewegung in y-Richtung
36: Bewegung in x-Richtung
37: Bewegung in x- und y-Richtung
38: Hologramm
39: Hologramm
40: Fokusebene
41: optische Achse
42: optische Achse
43: Oberfläche
44: Oberfläche
45: kartesisches Koordinatensystem
46: optische Achse
47: optische Achse
48: axiale Fokusverschiebung
49: transversale Fokusverschiebung
50: Stromkreislauf
51: optisches Gerät
λ1: Designwellenlänge
λ2: Wellenlänge ≠ Designwellenlänge

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 3305294 [0002]
DE 102016115938 A1 [0004]
DE 102011055777 [0040]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

I.M. Barton et al., Diffractive Alvarez Lens, Optics Letters 2000 (25), Seiten 1-3 [0003]

Claims

Wellenfrontmanipulator (13), welcher eine optische Achse (47) und mindestens zwei diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, die entlang der optischen Achse (47) hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) jeweils eine diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) mit einer Anzahl an diffraktiven holographischen Strukturelementen umfassen, wobei der Wellenfrontmanipulator (13) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) zwischen mindestens zwei voneinander abweichenden Zuständen (20, 21, 22) zu variieren.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (13) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) zwischen diskreten Zuständen (7, 8) oder kontinuierlich zu variieren.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (13) mindestens eine Einrichtung (50) zum mechanischen und/oder elektrischen und/oder akustischen Variieren des Zustands einer Wellenfront umfasst.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste diffraktive optische Komponente (14) und eine zweite diffraktive optische Komponente (16) jeweils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (47) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste diffraktive optische Komponente (14) und die zweite diffraktive optische Komponente (16) jeweils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (47) relativ zueinander lateral verschiebbar und/oder um eine parallel zur optischen Achse (47) angeordnete Achse drehbar angeordnet sind.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) eine durch Änderung einer an der diffraktiven optischen Komponente (14, 16, 19) anliegenden elektrischen Spannung (50) oder durch Änderung einer durch die diffraktive optische Komponente (14, 16, 19) fließenden Stromstärke hinsichtlich ihrer diffraktiven Eigenschaften variierbare diffraktive Struktur (24, 25) aufweist.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) ein Zentrum (28) umfasst und mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum (28) in lateraler Richtung die Abstände der Strukturelemente zueinander abnehmen oder zunehmen.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) Strukturelemente umfasst, wobei der Abstand und/oder die Orientierung benachbarter Strukturelemente in Abhängigkeit von dem Abstand von einem Zentrum (28) der diffraktiven Struktur (15, 17, 24, 25) durch ein Polynom beschrieben werden.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der diffraktiven Struktur (15, 17, 24, 25) als Erhebungen oder Vertiefungen oder Verfärbungen oder chemische Materialveränderungen ausgestaltet sind.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) als räumlich in transversaler Richtung zueinander benachbarte Bereiche mit voneinander abweichendem Brechungsindex ausgestaltet sind.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur eine variierbare Brechungsindexverteilung aufweist.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexdifferenz mit zunehmendem Abstand des Bereichs von dem Zentrum (28) zunimmt oder abnimmt.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) durch ein Volumenhologramm und/oder ein Flächenhologramm und/oder ein Amplitudenhologramm und/oder ein Phasenhologramm und/oder ein Transmissionshologramm und/oder ein Weißlichthologramm und/oder ein unter weißem Licht rekonstruierbares Hologramm und/oder ein echtfarbiges Hologramm gebildet wird.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) als Platte oder Folie oder Film ausgestaltet ist.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (14) vier diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, wobei eine erste und eine zweite diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer ersten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind und eine dritte und eine vierte diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer zweiten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind.
Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator drei diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, wobei eine dritte diffraktive optische Komponente (19) in Richtung der optischen Achse (47) zwischen einer ersten (14) und einer zweiten diffraktiven optischen Komponente (16) angeordnet ist.
Optisches Gerät (51) mit einem Wellenfrontmanipulator (13) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Optisches Gerät (51) gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Wellenleiter oder ein Objektiv oder eine Kamera (26) oder ein optisches Beobachtungsgerät oder eine Anzeigevorrichtung handelt.
Optisches Gerät (51) gemäß Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kamera (26) um eine holographische Kamera und/oder eine Kamera für ein Mobiltelefon und/oder eine Mikroskopkamera handelt oder bei der Anzeigevorrichtung um eine Datenbrille oder einen Projektor oder ein Headup-Display oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung handelt.
Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 zum Fokussieren von Wellenfronten.