DE19533591A1

DE19533591A1 - Optisches Beugungselement

Info

Publication number: DE19533591A1
Application number: DE19533591A
Authority: DE
Inventors: Ayami Imamura; Tetsuya Ishii
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1994-09-12
Filing date: 1995-09-11
Publication date: 1996-03-14
Also published as: US5847877A

Description

Hintergrund der Erfindung Anwendungsbereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beugungs element, das eine Vielzahl von übereinandergestapelten Schichten umfaßt, um mindestens eine Grenzfläche zu bilden, die aus benachbarten Schichten aus verschiedenen optischen Materialien bestehen, wobei eine Relief-Struktur in der Grenzschicht ausgebildet ist, und insbesondere ein opti sches Beugungselement mit einer geringeren Wellenlängen abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades über einen weiten Wellenlängenbereich

Stand der Technik

Das optische Beugungselement der obenbeschriebenen Art be steht beispielsweise aus einer Beugungslinse mit Sammel wirkung. Eine derartige Beugungslinse hat gegenüber den normalen Brechungslinsen folgende Vorteile.

(1) Die Beugungslinse kann leicht eine asphärische Welle er zeugen, so daß Abweichungen wirksam korrigiert werden kön nen.
(2) Die Beugungslinse hat keine nennenswerte Dicke, so daß ein optisches System mit solchen Beugungslinsen kompakt und hinsichtlich der Konstruktion flexibel ausgeführt werden kann.
(3) Bei der Beugungslinse hat eine der Dispersion der Beu gungslinse entsprechende Größe einen negativen Wert, so daß Abweichungen wirksam korrigiert werden können.

Das optische Beugungselement mit den obigen Vorteilen kann eine Eigenschaft eines optischen Systems verbessern, wie beispielsweise in "Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-level Diffractive Optical Element" von Gary J. Swanson in Technical Report 854, MIT Lincoln Laboratory, August 1989, beschrieben. Bei diesem bekannten optischen Beugungselement wird eine Sägezahn-Reliefstruktur durch Stufen in mehreren Ebenen simuliert.

Wie oben erwähnt, hat das optische Beugungselement gegen über dem normalen optischen Brechungselement zahlreiche Vorteile. Der Beugungs-Wirkungsgrad des optischen Beugungs elements ist jedoch relativ stark von der Wellenlänge ab hängig, so daß es verschiedene Probleme zu lösen gilt. Wird das optische Beugungselement als ein Linsenelement verwen det, so ist die Bildung einer Vielzahl gebeugter Licht strahlen, d. h. einer Vielzahl von Brennpunkten, uner wünscht. Deshalb wird bei einer herkömmlichen in der Fig. 1 dargestellten Beugungslinse eine Oberfläche aus einem transparenten Substrat 101 zu einer Sägezahn-Reliefstruktur 102 in der Weise spanend bearbeitet, daß die Strahlungs energie auf einen gebeugten Strahl mit einer vorgegebenen Ordnung beschränkt ist.

Wird die Oberfläche des Substrats 101 zu der in der Fig. 1 dargestellten Sägezahn-Reliefstruktur 102 spanend bearbei tet, so hängt die Wellenlänge des gebeugten Strahls, auf den die Energie beschränkt ist, von der Tiefe der Ein schnitte der Reliefstruktur 102 ab. Es ist deshalb unmög lich, die Energie der Lichtstrahlen auf einen Wellenlängen bereich zu beschränken. Dieses Phänomen verursacht keinerlei Probleme bei monochromatischer Strahlung, z. B. einem Laserstrahl, kann jedoch bei einem optischen System, z. B. einer Kamera, bei dem man es mit weißem Licht zu tun hat, nicht vernachlässigt werden.

Wird eine Vielzahl von Wellenlängen verwendet, um eine Farbabweichung zu korrigieren, so muß der Beugungs-Wir kungsgrad für eine vorgegebene einzelne Wellenlänge opti miert werden. Dann wird der Beugungs-Wirkungsgrad für andere Wellenlängen als diese vorgegebene verringert. Wird insbesondere das optische Beugungselement für ein optisches Abbildungssystem zur Erfassung eines sichtbaren Bildes verwendet, dann könnten bedingt durch Lichtstrahlen uner wünschter Ordnung Farbabweichungen und Verzerrungen auftre ten.

Die Fig. 2 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades erster Ordnung von der Wel lenlänge des bekannten optischen Beugungselements, dessen Substrat 101 aus BK7 besteht und dessen Reliefstruktur 102 eine solche Tiefe hat, daß der Beugungs-Wirkungsgrad für eine Wellenlänge von λ = 520 nm 100% wird. Wie aus dem Gra phen der Fig. 2 zu ersehen ist, erreicht der Beugungs-Wir kungsgrad innerhalb eines Wellenlängenbereichs des sicht baren Lichtes von 400 nm bis 700 nm ein Maximum bei einer Wellenlänge von 530 nm und nimmt mit zunehmender Differenz der Wellenlänge zu dem optimalen Wert von 520 nm ab. Der Beugungs-Wirkungsgrad nimmt insbesondere stark ab, wenn die Wellenlänge kleiner als 520 nm wird. Eine derartige Abnahme des Beugungs-Wirkungsgrades für andere Wellenlängen als die vorgegebene kann aufgrund einer Zunahme von Lichtstrahlen unerwünschter Ordnung eine unerwünschte Auswirkung auf ein optisches System haben. Dies beeinträchtigt offensichtlich die Funktion des optischen Systems mit dem optischen Beu gungselement.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines neuartigen und nützlichen optischen Beugungsele ments, bei dem die Abhängigkeit der Wellenlänge vom Beu gungs-Wirkungsgrades und unerwünschte Farbabweichungen und Verzerrungen aufgrund von Strahlen unerwünschter Ordnung verringert werden.

Erfindungsgemäß wird ein optisches Beugungselement bereit gestellt, das eine Vielzahl von Schichten umfaßt, einschl. mindestens einer durch benachbarte Schichten aus verschie denen optischen Materialien bestehenden gebildeten Grenz fläche und einer in der Grenzfläche ausgeformten Relief struktur, und insbesondere ein optisches Beugungselement, das für eine Vielzahl von Wellenlängen eingesetzt wird, wobei eine erste und eine zweite benachbarte Schicht, zwi schen denen die Reliefstruktur ausgeformt ist, aus opti schen Materialien mit den Brechungsindizes n₁(λ) bzw. n₂(λ) bestehen, die die folgenden Bedingungen für beliebige Wel lenlängen λ₁ und λ₂ erfüllen:

dabei λ₁ < λ < λ₂.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Wellen längen λ₁ und λ₂ mit 400 nm bzw. 700 nm gewählt. Dann kann das optische Beugungselement aus verschiedenen optischen Materialien hergestellt werden, so daß sich eine optimale Kombination der optischen Materialien für die erste und zweite Schicht ergibt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des optischen Beu gungselements entsprechend der Erfindung wird die zweite Schicht mit einem Brechungsindex n₂(λ) aus einem Glas, das Tl₂O enthält, gebildet. Die erste Schicht mit einem Bre chungsindex n₁(λ) kann dann aus einer Gruppe gewählt wer den, die zahlreiche handelsüblich erhältliche optische Glä ser umfaßt. Wird beispielsweise die zweite Schicht aus einem Silikatglas mit einem Tl₂O-Anteil von 2,00 Mol-% bis 25,00 Mol-% hergestellt, so kann die erste Schicht mit dem Brechungsindex n₁(λ) dann aus einem Glas bestehen, das aus der BSM7, BSM81, BSL7, BAL5, BAL50, BAL22, LAL11, LAL12, LAL18, YGH51, LAH67, LAH55, LAH57 und LAH75 umfassenden Gruppe gewählt wird.

Um die optische Eigenschaft des optischen Beugungselements zu verbessern, wird die Reliefstruktur vorzugsweise so aus geformt, daß die Tiefe d und die Teilung T der Einschnitte der Reliefstruktur die folgende Bedingung erfüllen:

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine Schnittansicht eines bekannten opti schen Beugungselements;

Fig. 2 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades von der Wellenlänge des bekannten optischen Beugungselements;

Fig. 3 ist eine schematische Ansicht zur Verdeutli chung einer Phasenversatzfunktion Φ(x) einer Reliefstruktur mit einem sägezahnförmigen Quer schnitt;

Fig. 4 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit der Phasenamplitude von der Wellenlänge ent sprechend der in der Fig. 2 dargestellten Wel lenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungs grades;

Fig. 5 ist ein Graph zur Darstellung der Wellenlängen abhängigkeit der Elemente R(λ) und D(λ), die eine Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wir kungsgrades einer in der Fig. 4 dargestellten Phasenamplitude bestimmen;

Fig. 6 ist ein Graph, der die Abhängigkeit der die Reliefstruktur bildenden optischen Materialien von der Wellenlänge in einem ersten Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements zeigt;

Fig. 7 ist ein Graph zur Darstellung der Wellenlängen abhängigkeit der Elemente R′(λ) und D(λ), die eine Abhängigkeit der Phasenamplitude von der Wellenlänge der in der Fig. 6 dargestellten optischen Materialien bestimmen;

Fig. 8 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades von der Wellenlänge des bekannten optischen Beugungselements und eines optischen Beugungselements, für das zwei optische Materialien nicht geeignet gewählt sind;

Fig. 9 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit der Phasenamplitude von der Wellenlänge des bekannten optischen Beugungselements und des ersten Ausführungsbeispiels des erfindungs gemäßen optischen Beugungselements;

Fig. 10 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades von der Wellenlänge entsprechend der der in der Fig. 9 dargestell ten Phasenamplitude;

Fig. 11 ist eine Schnittansicht zur Darstellung der we sentlichen Struktur des erfindungsgemäßen opti schen Beugungselements;

Fig. 12 ist eine Schnittansicht zur Darstellung der Struktur einer Modifikation des erfindungsge mäßen optischen Beugungselements;

Fig. 13 ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements, bei dem die Relief struktur rechtwinklige Einschnitte enthält;

Fig. 14 ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements, das zwei Grenz ebenen enthält;

Fig. 15 ist eine Schnittansicht zur Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsge mäßen optischen Beugungselements;

Fig. 16 ist ein Graph zur Darstellung der Schwankungen des Brechungsindex und der Dispersion der opti schen Materialien, bei denen dem SiO₂ 0 Mol-% bis 25 Mol-% Tl₂O hinzugefügt wird;

Fig. 17 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Brechungsindex der beiden die Reliefstruk tur-Grenzebene bildenden optischen Materialien von der Wellenlänge in einem zweiten Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements;

Fig. 18 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit der Phasenamplitude des bekannten optischen Beugungselements und des zweiten Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen optischen Beu gungselements von der Wellenlänge;

Fig. 19 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades von der Wellenlänge entsprechend der der in der Fig. 18 gezeigten Phasenamplitude; und

Fig. 20 ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbei spiels des erfindungsgemäßen Beugungselements vom reflektierenden Typ.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Die Fig. 3 zeigt eine Phasenversatzfunktion Φ(x) einer Reliefstruktur mit einem sägezahnförmigen Querschnitt. Die se Funktion Φ(x) kennzeichnet eine Oberflächenwellenmodu lation der Reliefstruktur und ist eine periodische Funktion entsprechend der Querschnittkonfiguration der Reliefstruk tur. Es sei nunmehr angenommen, daß eine Größe der variie renden Phasenversatzfunktion als Phasenamplitude bezeichnet wird. Dann ergibt sich ein Beugungs-Wirkungsgrad η_m für eine Ordnung m der durch die Phasenversatzfunktion Φ(x) der in der Fig. 3 dargestellten Reliefstruktur wie folgt:

Die Phasenamplitude in der Gleichung (1) kann durch die folgende Gleichung bestimmt werden:

in der n den Brechungsindex eines Substratmaterials, d die Tiefe der Einschnitte der Reliefstruktur und λ die Wellen länge des Lichts bedeuten. Außerdem wird der Brechungsindex von Luft mit 1 angenommen. Des weiteren wird hier angenom men, daß eine Tiefe d₀ der Einschnitte, die für eine Wel lenlänge λ₀ so optimiert ist, daß der Beugungs-Wirkungsgrad für einen Strahl der Ordnung m₀ wie folgt ausgedrückt wer den kann:

Die Gleichung (2) kann dann auf folgende Weise umgeformt werden:

Die obige Gleichung (4) besagt, daß die Phasenamplitude a für die vorgegebene Einschnittiefe d₀ von der Wellenlänge abhängt und daß eine Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs- Wirkungsgrades aus der Wellenlängenabhängigkeit der Phasen amplitude a resultiert, wie aus der Gleichung (1) zu erse hen ist.

Die Fig. 4 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit der Phasenamplitude von der Wellenlänge entsprechend der in der Fig. 2 dargestellten Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades.

Zur wesentlich detaillierter Erläuterung der Wellenlän genabhängigkeit der Phasenamplitude werden die Elemente R(λ) und D(λ) definiert, die die in der Gleichung (4) aus gedrückte Wellenlängenabhängigkeit der Phasenamplitude bestimmen.

Die Fig. 5 ist ein Graph zur Darstellung der Wellenlängen abhängigkeit der Phasenamplitude von den Elementen R(λ) und D(λ), die durch die Gleichung (5) definiert werden. Wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist, nimmt sowohl R(λ) als auch D(λ) entsprechend einer Erhöhung der Wellenlänge gleichmäßig ab. Es ist zu beachten, eine Änderung von D(λ) größer ist als die von R(λ). Das bedeutet, daß die Wellenlängenabhängig keit des Beugungs-Wirkungsgrades von der Reliefstruktur hauptsächlich von dem Element D(λ) abhängt.

Nach verschiedenen Experimenten und Analysen haben die Er finder festgestellt, daß das Element R(λ) dazu dienen kann, die Wellenlängenabhängigkeit des Elements D(λ) auszuglei chen, so daß die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wir kungsgrades verbessert werden kann. Das bedeutet, daß dann, wenn die Reliefstruktur in einer Grenzfläche zwischen ge stapelten Schichten aus verschiedenen optischen Materialien ausgebildet wird, wobei eines der optischen Materialien einen hohen Brechungsindex und eine geringe Dispersion und das andere einen niedrigen Brechungsindex und eine hohe Dispersion hat, die Wellenlängenabhängigkeit der Phasen amplitude entsprechend der Gleichung (4) wie folgt ausge drückt werden kann:

Aus dieser Gleichung (6) können die die Wellenlängenabhän gigkeit der Phasenamplitude bestimmenden Elemente R′(λ) und D(λ) entsprechend der Gleichung (5) wie folgt angegeben werden:

Dabei sind n₁(λ) und n₂(λ) die Brechungsindizes des opti schen Materials mit hohem Brechungsindex und niedriger Dis persion bzw. des Materials mit niedrigem Brechungsindex und geringer Dispersion.

Wie oben erläutert, wird die Reliefstruktur bei dem bekann ten optischen Beugungselement dadurch gebildet, daß man sich die Differenz der Brechungsindizes zwischen Luft und dem Substratmaterial zunutze macht, aber entsprechend der Erfindung wird die Reliefstruktur dadurch gebildet, daß man sich die Differenz der Brechungsindizes zwischen benachbar ten Schichten aus verschiedenen optischen Materialien zu nutze macht. Erfindungsgemäß kann dann die Wellenlängen abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades durch die Optimie rung der Kombination der optischen Materialien verbessert werden. Gemäß der Erfindung bestehen die erste und zweite Schicht aus verschiedenen optischen Materialien mit den Brechungsindizes n₁(λ) bzw. n₂(λ), die die folgenden Bedin gungen erfüllen:

dabei bezeichnen λ₁ und λ₂ die kürzeste und längste Wellen länge eines Wellenlängenbereichs, in dem das optische Beu gungselement zu verwenden ist. Deshalb gilt λ₁ < λ < λ₂.

Bei dem bekannten optischen Beugungselement erhöht das Element R(λ) in der Gleichung (5) die Wellenlängenabhän gigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades, während das Element D(λ) hauptsächlich für die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades verantwortlich ist. Werden erfin dungsgemäß die optischen Materialien so gewählt, daß sie die obengenannte Bedingung (8) erfüllen, dann dient das durch die Gleichung (7) definierte Element R′(λ) zur Ver ringerung der Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wir kungsgrades. Es ist zu beachten, daß für die kürzeste und längste Wellenlänge λ₁ und λ₂ innerhalb des zu verwendenden Wellenlängenbereichs erfindungsgemäß beliebige Werte ge wählt werden können. Vorzugsweise wird der Wellenlängenbe reich innerhalb des Bereichs des sichtbaren Lichtes, wie es bei normalen Kameras verwendet wird, gewählt, da in diesem Fall viele handelsüblich erhältlichen optischen Materialien verwendet werden können, so daß eine optimale Kombination einfach zu verwirklichen ist. In einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungs elements werden deshalb λ₁ und λ₂ mit 400 nm bzw. 700 nm gewählt.

Es ist zu beachten, daß ein optisches Beugungselement mit einer in einer Grenzfläche zwischen der aus verschiedenen optischen Materialien bestehenden ersten und der zweiten Schicht ausgeformten Reliefstruktur bereits bekannt ist. So wird beispielsweise in der japanischen Offenlegungsschrift Kokai Hei 2-43503 ein erstes bekanntes optisches Beugungs element beschrieben, bei dem eine Vielzahl von Beugungs linsen in den Grenzflächen zwischen verschiedenen optischen Materialien so ausgeformt sind, daß entsprechende Beugungs linsen einen kleineren Vergrößerungsfaktor haben können. Diese Aufgabe unterscheidet sich grundlegend von der der vorliegenden Erfindung. Des weiteren lehrt diese Veröffent lichung nichts über die Eigenschaften der optischen Mate rialien.

In der japanischen Offenlegungsschrift Kokai Hei 5-66370 ist ein zweites bekanntes optisches Beugungselement mit einer in einer Grenzfläche zwischen Schichten aus ver schiedenen optischen Materialien ausgeformten Relief struktur beschrieben. Dieses zweite bekannte optische Beugungselement ist als ein wellenlängenselektives opti sches Tiefpaßfilter des Phasengittertyps aufgebaut. Bei diesem Tiefpaßfilter ist die Differenz der Brechungsindizes für grünes Licht zwischen den Schichten aus verschiedenen optischen Materialien Null, so daß im wesentlichen keine Beugungsoperation für grünes Licht erfolgt und die Grenz frequenz nahe der Wellenlänge des grünen Lichtes hoch ist. Das bedeutet, daß durch die Wahl verschiedener Dispersionen der optischen Materialien die Grenzfrequenz in dem Maße ab nimmt, in dem sich die Wellenlänge von der des grünen Lich tes entfernt. Die Phasenamplitude wird auf diese Weise ver größert, um die Beugungsoperation zu verbessern.

Bei dem obengenannten zweiten bekannten optischen Beugungs element ist die Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen den verschiedenen optischen Materialien ausgeformt, um die Differenz der Brechungsindizes für das grüne Licht zu Null zu machen, d. h., um die Phasenamplitude zu Null zu machen. Dieses Prinzip ist identisch mit demjenigen einer Art Schaltelement, das in der japanischen Offenlegungsschrift Kokai Sho 64-61726 beschrieben wird, bei dem die Steuerung auf Basis einer Differenz der Brechungsindizes von Null er folgt.

Bei der vorliegenden Erfindung ändert sich eine Größenbe ziehung der Brechungsindizes der beiden optischen Materia lien mit einer Grenzfläche, in der die Reliefstruktur aus geformt ist, wie aus der Bedingung (8) zu ersehen ist, in nerhalb des zu verwendenden Wellenlängenbereichs nicht. Des weiteren wird bei der vorliegenden Erfindung bei geeigneter Auswahl der optischen Materialien die Wellenlängenabhängig keit des Beugungswirkungsgrades verringert, indem man die Grundfunktion des Elements D(λ) des optischen Beugungs elements mittels des Elements R′(λ) aufhebt. Dies ist in keiner der obigen dem Stand der Technik zugehörigen Ver öffentlichungen berücksichtigt worden. So wird beispiels weise in der zweiten dem Stand der Technik zugehörigen Ver öffentlichung der Beugungs-Wirkungsgrad tatsächlich dadurch kontrolliert, daß die Beugungsoperation bei grünem Licht zu Null gemacht wird, während jedoch die Wellenlängenabhängig keit des Beugungs-Wirkungsgrades für einen Wellenlängen bereich nahe des grünen Lichtes nicht optimal kontrolliert wird. Das bedeutet, daß in dieser zweiten dem Stand der Technik zugehörigen Veröffentlichung die Grundfunktion D(λ) des optischen Beugungselements überhaupt nicht berücksich tigt ist. Mit anderen Worten, die vorliegende Veröffentli chung basiert auf einem Prinzip, das von denjenigen der obengenannten dem Stand der Technik zugehörigen Veröffent lichungen vollkommen verschieden ist. Erfindungsgemäß kann die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades über den gesamten zu verwendenden Wellenlängenbereich opti mal verringert werden.

Die Fig. 6 ist ein Graph, der die Abhängigkeit des Bre chungsindex der beiden optischen Materialien des erfin dungsgemäßen optischen Beugungselements von der Wellenlänge zeigt. Es ist zu beachten, daß die Differenz zwischen den Brechungsindizes dieser optischen Materialien für einen kleineren Wellenlängenbereich gering, jedoch für einen breiteren Wellenlängenbereich groß ist. Werden solche opti schen Materialien gewählt, so nimmt das durch die Gleichung (7) ausgedrückte Element R′(λ) gleichmäßig zu und hebt den Einfluß des Elements D(λ) auf. Die durch die Gleichung (6) beschriebene Wellenlängenabhängigkeit der Phasenamplitude nimmt deshalb ab, und die Wellenlängenabhängigkeit des Beu gungs-Wirkungsgrades wird verbessert. Bei dem bekannten optischen Beugungselement mit einer in der Oberfläche des Substrats ausgeformten Reliefstruktur ändert sich das Ele ment R(λ) nicht wesentlich, wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist. Die beiden optischen Materialien werden jedoch erfin dungsgemäß so gewählt, daß das Element R′(λ) entsprechend einer Zunahme der Wellenlänge zunimmt.

Wird die obige Bedingung (8) durch die Wahl der beiden optischen Materialien nicht erfüllt, so verschlechtert sich die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades im Vergleich mit dem bekannten optischen Beugungselement, bei dem die Reliefstruktur in der Oberfläche des Substrats ausgeformt ist. Wird beispielsweise die Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen BK7 (Material mit niedrigem Bre chungsindex und hoher Dispersion) und PC (Polykarbonat material mit hohem Brechungsindex und geringer Dispersion) ausgeformt, so entwickelt sich die Wellenlängenabhängigkeit wie durch die Kurve B in der Fig. 8 dargestellt, was einer Verschlechterung gegenüber der Kurve A für das bekannte optische Beugungselement entspricht, bei dem die Relief struktur in der Oberfläche eines aus BK7 bestehenden Sub strats ausgeformt ist. Die Kurven A und B in der Fig. 8 repräsentieren die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs- Wirkungsgrades für einen Fall, in dem die Relieftiefe so gewählt ist, daß der Beugungs-Wirkungsgrad für eine Wellen länge von λ = 520 nm 100% wird. Ist deshalb die Kombination der optischen Materialien nicht geeignet, verschlechtert sich die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungs grades. Erfindungsgemäß werden die optischen Materialien so gewählt, daß sie die obige Bedingung (8) erfüllen, wodurch die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades verbessert werden kann.

Nunmehr soll die Tiefe der Einschnitte der Reliefstruktur des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements erläutert werden. Bei der vorliegenden Erfindung kann die Tiefe der Einschnitte der Reliefstruktur, die in der Grenzfläche zwi schen den verschiedenen optischen Materialien ausgeformt ist, durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden:

Dadurch wird die Reliefstruktur so optimiert, daß der Beu gungs-Wirkungsgrad der Ordnung m₀ bei einer Wellenlänge λ₀ 100% wird.

Die Tiefe der Scheinschnitte der Reliefstruktur in dem optischen Beugungselement ist im allgemeinen größer als die des bekannten optischen Beugungselements, bei dem die Re liefstruktur in der Substratoberfläche ausgeformt ist. Mit größer werdender Tiefe der Einschnitte der Reliefstruktur nimmt die Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades von dem Einfallswinkel zu, woraus sich ein Problem ergeben könnte, wenn das erfindungsgemäße optische Beugungselement in einem tatsächlichen optischen System eingesetzt wird. Außerdem könnte die durch die Gleichung (1) angegebene Beziehung nicht korrekt festgelegt werden. Eine Reliefstruktur mit einer großen Tiefe wird im allgemeinen als dickes Gitter bezeichnet.

In der vorliegenden Erfindung wird ein die Tiefe der Ein schnitte der Reliefstruktur kennzeichnender Parameter Q durch die folgende Gleichung (10) angegeben:

Dabei bezeichnet d die Tiefe der Einschnitte der Relief struktur und λ die Wellenlänge.

Wenn Q < 1, wird eine Reliefstruktur im allgemeinen als dünne Reliefstruktur klassifiziert. Deshalb wird auch bei dem erfindungsgemäßen optischen Beugungselement die Teilung T der Reliefstruktur so gewählt, daß die obige Bedingung Q < 1 erfüllt wird. Das bedeutet, daß vorzugsweise die folgende Bedingung zu erfüllen ist:

Nach verschiedenen Experimenten haben die Erfinder festge stellt, daß sich die Eigenschaften der dünnen Reliefstruk tur erzielen lassen, wenn die Bedingung Q < 0,1 erfüllt wird. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfin dungsgemäßen optischen Beugungselements wird deshalb die Reliefstruktur so ausgeformt, daß sie der folgenden Bedin gung genügt:

Im folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements detailliert beschrieben.

Bei einem ersten Ausführungsbeispiel wird die Reliefstruk tur in einer Grenzfläche zwischen einem optischen Glas gemäß BSM81 (hergestellt von der OHARA Company) und einem optischen PC-Kunststoff (Polykarbonat) ausgeformt. Die Wel lenlängenabhängigkeit dieser Matrialien ist in der Fig. 6 dargestellt. Die mit n₁(λ) gekennzeichnete Kurve repräsen tiert die Wellenlängenabhängigkeit von Glas gemäß BSM81 (Material mit hohem Brechungsindex und geringer Disper sion), und die mit n₂(λ) gekennzeichnete Kurve repräsen tiert die Wellenlängenabhängigkeit von PC (Material mit niedrigem Brechungsindex und hoher Dispersion). Die Aus wirkung einer solchen Kombination aus optischen Materialien auf die Wellenlängenabhängigkeit der Phasenamplitude ist unter Bezugnahme auf die Fig. 7 beschrieben worden. Die Verbesserung der Wellenlängenabhängigkeit der Phasenampli tude durch eine solche Kombination wird deshalb hier anhand der Fig. 9 beschrieben.

In der Fig. 9 kennzeichnet die Kurve A die Wellenlängenab hängigkeit des bekannten optischen Beugungselements, bei dem die Reliefstruktur in der Oberfläche eines Substrats aus Glas gemäß BSM81 ausgeformt ist, und die Kurve B zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements, bei dem die Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen den beiden oben genannten Materialien, d. h. BSM81 und PC, ausgeformt ist. Im Fall der Kurve A wird der Beugungs-Wirkungsgrad bei einer Wellenlänge von 520 nm auf 100% optimiert, und im Fall der Kurve B wird bei einer Wellenlänge von 587,56 nm eine Optimierung für die d-Linie vorgenommen. Beim vor liegenden Ausführungsbeispiel ist die Verbesserung des Beugungs-Wirkungsgrades für einen kleineren Wellenlängen bereich bemerkenswert, so daß zur Optimierung vorzugsweise eine größere Wellenlänge gewählt wird. Die Schwankung der Phasenamplitude kann dann über einen breiten zu verwenden den Wellenlängenbereich unterdrückt werden.

Die Fig. 10 ist ein Graph zur Darstellung der Abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades von der Wellenlänge entspre chend der in der Fig. 9 dargestellten Wellenlängenabhän gigkeit der Phasenamplitude. Die Kurve A repräsentiert die Wellenlängenabhängigkeit des bekannten optischen Beugungs elements, und die Kurve B zeigt die Wellenlängenabhängig keit des vorliegenden die obengenannten optischen Materia lien (BSM81 und PC) verwendenden Ausführungsbeispiels. Wie aus den Kurven A und B in der Fig. 10 zu ersehen ist, kann in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel die Wellenlängen abhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades erheblich auf einen vernachlässigbar kleinen Wert unterdrückt werden.

Das vorliegende Ausführungsbeispiel verwendet Polykarbonat, PC, als das optische Kunststoffmaterial, es können jedoch auch andere optische Kunststoffmaterialien verwendet wer den, da die üblichen optischen Kunststoffmaterialien nied rige Brechungsindizes und hohe Dispersion aufweisen. Außer dem lassen sich optische Kunststoffmaterialien leicht in die gewünschten Formen bringen, so daß sich das optische Beugungselement sehr viel leichter herstellen läßt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen den beiden verschiedenen optischen Materialien ausgeformt, so daß sie frei von Staub, Finger abdrücken und Beschädigung bleibt. Das optische Beugungs element ist deshalb wirksam gegen harte Umgebungseinflüsse geschützt. Ist die Reliefstruktur in der Oberfläche des Substrats ausgeformt, so lassen sich Staub und Fingerab drücke, die darauf zurückbleiben, nur ziemlich schwer ent fernen.

Nunmehr soll der Aufbau des optischen Beugungselements des vorliegenden Ausführungsbeispiels detaillierter beschrieben werden.

Die Fig. 11 ist eine Schnittansicht des ersten Ausführungs beispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel wird als optisches Beugungselement ein Prisma verwendet. Zu diesem Zweck ist eine Reliefstruktur mit Sägezahnform und konstanter Teilung in der Grenzfläche zwischen einer ersten optischen Mate rialschicht 11 aus PC und einer zweiten optischen Material schicht 12 aus Glas gemäß BSM81 ausgeformt. Außenflächen 31 und 32 der ersten und zweiten optischen Materialschicht 11 und 12 sind eben ausgeformt.

Die Fig. 12 ist eine Schnittansicht eines zweiten Ausfüh rungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungsele ments. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist in der Grenz fläche zwischen der PC-Schicht 11 und der BSM81-Glasschicht 12 eine Reliefstruktur so ausgeformt, daß das optische Beu gungselement als Sammellinse dient. Zu diesem Zweck ist die Außenfläche 31 der ersten PC-Schicht 11 gekrümmt ausge formt.

Beim ersten und zweiten Ausführungsbeispiel des optischen Beugungselements (Fig. 11 und 12) wird ein auf das optische Element auftreffender Lichtstrahl in einer gegebenen Rich tung gebeugt. Diese von dem optischen Beugungselement mit sowohl einer Beugungs- als auch Brechungsebene ausgeführte Beugungsoperation des Lichtstrahls hat keine nennenswerte Wellenlängenabhängigkeit. Dies ist auf die Tatsache zurück zuführen, daß die Wellenlängenabhängigkeit an der Oberflä che der Reliefstruktur 21 oder 32 sowie diejenige an den Außenflächen 31 und 32 zueinander komplementär werden, so daß Farbabweichungen gegeneinander aufgehoben werden kön nen.

Die Fig. 13 ist eine Schnittansicht eines dritten Ausfüh rungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungsele ments. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Reliefstruktur 22 mit rechtwinkligem Querschnittsprofil in der Grenzfläche zwischen der ersten PC-Schicht 11 und der zweiten BSM81-Glasschicht 12 ausgeformt. Ist die Relief struktur 22 als rechtwinkliges Profil ausgeformt, so wird eine Vielzahl gebeugter Strahlen erzeugt, und die Wellen längenabhängigkeit der Intensitätsverteilung jedes dieser Lichtstrahlen kann unterdrückt werden. Ein derartiges opti sches Beugungselement wird deshalb vorzugsweise als ein räumliches Tiefpaßfilter verwendet, bei dem die Wellenlän genabhängigkeit der Grenzfrequenz verringert worden ist.

Die Fig. 14 ist eine Schnittansicht eines dritten Ausfüh rungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Beugungsele ments. Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden drei Schichten 11, 12 und 13 bereitgestellt, und zwei Relief strukturen 21 und 22 sind in den Grenzflächen dieser Schichten ausgeformt. Die mittlere Schicht 12 besteht aus PC oder Glas gemäß BSM81, und die äußeren Schichten 11 und 13 bestehen aus Glas gemäß BSM81 oder PC, oder alle drei Schichten bestehen aus verschiedenen optischen Materialien. Das vorliegende Ausführungsbeispiel läßt sich vorteilhaft in einer Anwendung einsetzen, bei der ein Lichtbeugungs winkel bedingt durch die Strukturteilung begrenzt ist, da das Ausmaß der Lichtbeugung durch die entsprechenden Struk turen (Beugungsoberfläche) reduziert werden kann. Es ist deshalb einfach, eine gewünschte Eigenschaft zu erzielen. Außenflächen 31 und 35 der ersten und dritten Schicht 11 und 13 werden eben ausgeformt.

Die Fig. 15 ist eine Schnittansicht eines vierten Ausfüh rungsbeispiels des erfindungsgemäßen optischen Beugungsele ments. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel sind eben falls drei Schichten 11, 12 und 14 vorgesehen, eine Relief struktur 23 ist in der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht 11 und 12, und eine sphärische Oberfläche ist in der Grenzfläche zwischen der zweiten und dritten Schicht 12 und 14 ausgeformt. In dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel können die ersten und die zweite Schicht 11 und 12 aus verschiedenen optischen Materialien, wie PC oder Glas gemäß BSM81, die dritte Schicht 14 kann aus einem be liebigen optischen Material bestehen. Auch bei diesem Aus führungsbeispiel sind Außenflächen 31 und 36 der ersten und dritten Schicht eben ausgeformt.

Entsprechend einer weiteren Ausführungsform der Erfindung besteht das optische Material mit einem niedrigen Bre chungsindex n₂(λ) und einer hohen Dispersion aus Glas, das mindestens TlO₂ enthält. Wird zu einem Glasmaterial TlO₂ hinzugefügt, so nehmen im allgemeinen der Brechungsindex und die Dispersion zu. Bei einer geringen Menge von TlO₂ ist die Zunahme des Brechungsindex klein, die Dispersion nimmt jedoch abrupt zu; wird die TlO₂-Menge erhöht, dann steigt der Brechungsindex abrupt, aber die Zunahme der Dis persion ist gering. Die Fig. 16 zeigt die Kennlinien von Glas, aus denen die Änderung des Brechungsindex und der Abbeschen Zahl zu entnehmen ist, wenn TlO₂ entsprechend einer Menge von 0 Mol-% bis 25 Mol-% dem SiO₂-Glas (Sili katglas) zugesetzt wird. Es ist zu beachten, daß sich die Abbesche Zahl umgekehrt proportional zur Dispersion ver hält.

Wie aus der Fig. 16 zu ersehen ist, hat SiO₂-TlO₂-Glas im Vergleich zu handelsüblich erhältlichem Silikatglas einen niedrigen Brechungsindex und eine hohe Dispersion, so daß SiO₂-TlO₂-Glas vorteilhaft als das optische Material mit dem niedrigen Brechungsindex n₂(λ) und der hohen Dispersion verwendet werden kann. Das optische Material mit hohem Bre chungsindex n₁(λ) und geringer Dispersion kann dann leicht aus zahlreichen handelsüblich erhältlichen optischen Mate rialien gewählt werden.

Erfindungsgemäß ist das optische Material mit niedrigem Brechungsindex n₂(λ) und hoher Dispersion nicht auf das obengenannte Zweikomponenten-Glas SiO₂-TlO₂ beschränkt, sondern kann andere Substanzen enthalten, die den Bre chungsindex und/oder die Dispersion ändern. Durch eine geeignete Wahl der Zusätze und deren Mengen können der Bre chungsindex und die Dispersion von Glas auf vielerlei Weise geändert werden, so daß verschiedene Arten von Glasmateria lien mit einer Verteilung in der Nähe der in der Fig. 16 dargestellten Kurve verwirklicht werden können.

Erfindungsgemäß kann TlO₂ zu anderen Glasmaterialien als SiO₂ hinzugefügt werden. So kann TlO₂ beispielsweise zu B₂O₃ (Boroxidglas) hinzugefügt werden. Bei Änderung eines Grund- oder Substratglasmaterials verschiebt sich der Ausgangs punkt der in der Fig. 16 dargestellten Kurve, und außerdem ändern sich der Brechungsindex und die Dispersion. Deshalb kann eine Kombination der beiden verschiedenen optischen Materialien aus einem breiteren Bereich gewählt werden.

Auf diese Weise ist es durch geeignete Wahl eines Ausgangs- Glasmaterials, der Zusätze und der Zusatzmengen möglich, ein Glasmaterial zu erhalten, das jedem gewünschten Punkt der Glaskennlinien entspricht. Es ist zu beachten, daß bei Hinzufügen von mehr als 30 Mol-% TlO₂ nur schwer ein Glas herzustellen ist, so daß die TlO₂-Menge vorzugsweise unter 30 Mol-% zu halten ist.

In Anbetracht der Teilung ist außerdem die in einem Glas mit niedrigem Brechungsindex und hoher Dispersion enthal tene TlO₂-Menge vorzugsweise größer als 7,5 Mol-%. Das Glas mit dem TlO₂-Anteil kann dann vorteilhaft mit handelsüblich erhältlichen Gläsern mit hohem Brechungsindex n₁(λ) und ge ringer Dispersion kombiniert werden. In diesem Fall kann der rechte Term der Gleichung (11) kleiner sein als der Wert, der sich bei der Verwendung von optischem Kunststoff material mit niedrigem Brechungsindex und hoher Dispersion ergibt. Die Teilung der Reliefstruktur kann deshalb kleiner ausgeführt und damit der Lichtbeugungswinkel vergrößert werden. Auf diese Weise läßt sich die Anwendbarkeit des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements verbreitern.

In diesem Ausführungsbeispiel bestehen die erste und zweite Schicht aus einem optischen Glas gemäß LA11 (hergestellt von OHARA) bzw. einem SiO₂-TlO₂-Glas (TlO₂: 8,75 Mol-%). Die Fig. 17 zeigt die Wellenlängenabhängigkeit des Brechungs index dieser optischen Glasmaterialien. Die Kurve n₁(λ) kennzeichnet die Wellenlängenabhängigkeit des als optisches Material mit hohem Brechungsindex dienenden optischen Ma terials, und die Kurve n₂(λ) repräsentiert die Wellenlän genabhängigkeit des SiO₂-TlO₂-Glases, das als optisches Material mit niedrigem Brechungsindex und hoher Dispersion dient.

Die Fig. 18 stellt die Wellenlängenabhängigkeit der Phasen amplitude dar. Die Kurve A kennzeichnet die Wellenlängen abhängigkeit der Phasenamplitude des bekannten optischen Beugungselements, bei dem Reliefstruktur in der Oberfläche eines Substrats aus LA11-Glas ausgeformt ist, und die Kurve B repräsentiert die Wellenlängenabhängigkeit bei der vor liegenden Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Beugungselements, bei dem eine Sägezahn-Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen den verschiedenen optischen Mate rialien aus Glas gemäß LA11 und SiO₂-TlO₂-Glas ausgeformt ist. Es ist zu beachten, daß das bekannte optische Beu gungselement bei einer Wellenlänge von 510 nm und das vor liegende Ausführungsbeispiel der Erfindung bei der d-Linie (587,56 nm) optimiert ist. Bei dem vorliegenden Ausfüh rungsbeispiel ist außerdem die Verbesserung der Wellenlän genabhängigkeit für einen niedrigeren Wellenlängenbereich bemerkenswert, so daß das optische Element vorzugsweise so optimiert wird, daß es den maximalen Beugungs-Wirkungsgrad bei einer gegenüber dem bekannten Element relativ langen Wellenlänge erreicht.

Erfindungsgemäß können die erste und zweite Schicht aus vielerlei Arten unterschiedlicher optischer Materialien bestehen. Für zahlreiche Arten von Kombinationen aus ver schiedenen optischen Materialien sind die Beugungs-Wir kungsgrade für einen Wellenlängenbereich von 40 nm bis 700 nm in der folgenden Tabelle 1 zusammengefaßt. In dieser Tabelle sind auch die Beugungs-Wirkungsgrade der bekannten optischen Beugungselement angegeben. In dieser Tabelle 1 bezieht sich die obere Zeile jeder Spalte auf handelsüblich erhältliche Gläser (optisches Material 1), und die untere Zeile bezieht sich auf SiO₂-TlO₂-Gläser mit einem in Mol-% angegebenen TlO₂-Anteil (optisches Material 2). Bei den bekannten optischen Beugungselementen ist die Reliefstruk tur in der Außenfläche des Substrats aus den in der oberen Zeile der jeweiligen Spalte angegebenen Gläsern ausgeformt. Bei dem erfindungsgemäßen optischen Beugungselement ist die Reliefstruktur in den Grenzflächen zwischen den in der obe ren und der unteren Zeile angegebenen optischen Materialien ausgeformt. Wie aus der Tabelle 1 ersichtlich ist, kann die Wellenlängenabhängigkeit des Beugungs-Wirkungsgrades bei dem erfindungsgemäßen optischen Beugungselement bemerkens wert verbessert werden. Das bedeutet, daß der Beugungs- Wirkungsgrad über den gesamten Wellenlängenbereich von 400 nm bis 700 nm auf über 90% gehalten werden kann.

Tabelle 1

In der Tabelle 1 ist ein Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 700 nm gewählt worden, jedoch können gemäß der Erfindung der obere und untere Grenzwert des Wellenlängen bereichs beliebig festgesetzt werden. Es werden jedoch fast alle optischen Geräte unter sichtbarem Licht verwendet, und außerdem gibt es viele optische Materialien, die in dem obigen Wellenlängenbereich verwendet werden können, der zur Durchführung der Optimierung vorteilhaft ist. Für die Pra xis ist deshalb die Anwendung bei sichtbarem Licht vorteil haft.

Des weiteren ist zu beachten, daß die Menge des TlO₂ konti nuierlich geändert werden kann, so daß sich Glasmaterialien ergeben, deren Eigenschaften entlang der in der Fig. 16 dargestellten Kurve verteilt sind. Außerdem ist es auch möglich, andere Substanzen als TlO₂ hinzuzufügen, um eine Feineinstellung des Brechungsindex und der Dispersion zu erzielen. Daraus können verschiedene Gläser mit geringfügig gegenüber der Kurve in der Fig. 16 versetzten Eigenschaften erhalten werden. Des weiteren kann anstelle des Glas-Grund materials SiO₂ ein anderes Material, z. B. B₂O₃ verwendet werden. Durch Änderung des TlO₂-Anteils können auch in die sem Fall der Brechungsindex und die Dispersion des B₂O₃- TlO₂-Glases verändert werden.

Wie oben beschrieben, ist es durch Ändern der Menge des zu dem Glas-Ausgangsmaterial hinzuzufügenden TlO₂ möglich, ein Glasmaterial mit den gewünschten Eigenschaften eines nied rigen Brechungsindex und einer hohen Dispersion zu erhal ten. Deshalb können verschiedene Arten optischer Materia lien mit hohem Brechungsindex und geringer Dispersion vor teilhaft mit dem Glasmaterial kombiniert werden. Mit ande ren Worten, es lassen sich zahlreiche Kombinationen, die die Bedingung (8) erfüllen, auf einfache Weise mittels han delsüblich erhältlicher optischer Gläser finden.

Die die obigen Glasmaterialien enthaltende optische Beu gungselement kann auf die gleiche Weise aufgebaut werden die diejenigen der in den Fig. 11 bis 15 dargestellten Aus führungsbeispiele. So besteht beispielsweise bei einer Aus führungsform ähnlich der der Fig. 11 die erste Schicht 11 aus SiO₂-TlO₂-Glas, die zweite Schicht 13 aus Glas gemäß LA11, und die Sägezahn-Reliefstruktur 21 mit konstanter Teilung ist in der Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht ausgeformt.

Die vorliegende Ausführungsform ist nicht auf die obigen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern für den Fachmann sind zahlreiche Modifikationen und Änderungen innerhalb des Gültigkeitsbereichs der Erfindung möglich. So sind bei spielsweise die optischen Beugungselemente der in den Fig. 11 bis 15 dargestellten Ausführungsbeispiele als optische Elemente des Übertragungstyps aufgebaut, erfindungsgemäß ist es jedoch ebenfalls möglich, ein optisches Beugungs element des Reflexionstyps aufzubauen, indem eine Außen fläche mit einer Spiegelbeschichtung versehen wird. Wie z. B. in der Fig. 20 dargestellt, ist die Reliefstruktur 21 in einer Grenzfläche zwischen der ersten und der zweiten Schicht 11 und 12 ausgeformt, und eine Spiegelbeschichtung 34 ist auf der Außenfläche der zweiten Schicht 12 aufge bracht. Es ist zu beachten, daß die Dicke der zweiten Schicht 12 im wesentlichen gleich ist der Höhe der Relief- Struktur 21. Bei diesem optischen Beugungselement fällt das Licht auf die Außenfläche 31 der ersten Schicht 11. In die sem Fall befindet sich die für die Oberflächenwellen-Modu lation zuständige Reliefstruktur 21 in der Nähe der Spie gelbeschichtung 34, so daß ein Beugungsgitter des Refle xionstyps durch das erfindungsgemäße optische Beugungs element des Reflexionstyps verwirklicht werden kann.

Um des weiteren den Wirkungsgrad des Lichts zu verbessern, können auf Oberflächen ohne Reliefstrukturen und Refle xionsbeschichtungen Anti-Reflexionsbeschichtungen aufge bracht werden.

Wie oben erläutert, ist es bei dem erfindungsgemäßen opti schen Beugungselement, die Entstehung unerwünschter Farb abweichungen und Verzerrungen aufgrund von Strahlung uner wünschter Ordnung bei Verwendung des optischen Elements in einem optischen System, z. B. einer Kamera, die mit weißem Licht arbeitet, zu vermeiden, da die Wellenlängenabhängig keit des Beugungs-Wirkungsgrades wirksam verringert werden kann. Da außerdem die Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen den Schichten aus verschiedenen optischen Mate rialien ausgeformt ist, kann sie wirksam gegen harte Umge bungseinflüsse geschützt werden.

Claims

1. Optisches Beugungselement, das eine Vielzahl von Schichten umfaßt, einschl. mindestens einer durch benachbarte Schichten aus verschiedenen optischen Materialien bestehenden gebildeten Grenzfläche und mindestens einer in der mindestens einen Grenzfläche ausgeformten Reliefstruktur, wobei mindestens eine erste und eine zweite benachbarte Schicht, zwischen denen die Reliefstruktur ausgeformt ist, aus opti schen Materialien mit den Brechungsindizes n₁(λ) und n₂(λ) bestehen, die die folgenden Bedingungen für beliebige Wellenlängen λ₁ und λ₂ erfüllen: dabei λ₁ < λ < λ₂.

2. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 1, bei dem die Wellenlängen λ₁ und λ₂ mit 400 nm bzw. 700 nm ge wählt sind.

3. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem die zweite Schicht mit einem Brechungsindex von n₂(λ) aus einem Glas besteht, das TlO₂ enthält.

4. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 1, bei dem die Reliefstruktur so ausgeformt ist, daß die Tiefe d und die Teilung T der Einschnitte der Reliefstruktur die folgende Bedingung erfüllen:

5. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 3, bei dem das optische Material mit dem Brechungsindex n₂(λ) aus einem Glas mit einem TlO₂-Anteil von nicht mehr als 30 Mol-% besteht.

6. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 3, bei dem das optische Material mit dem Brechungsindex n₂(λ) aus einem Glas mit einem TlO₂-Anteil von nicht weni ger als 7,5 Mol-% besteht.

7. Optisches Beugungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Reliefstruktur so ausgeformt ist, daß sie einen sägezahnförmigen Querschnitt hat.

8. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 7, bei dem die Reliefstruktur so ausgeformt ist, daß sie eine Linsenfunktion hat.

9. Optisches Beugungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens eine Anti-Reflexionsbe schichtung auf mindestens einer Außenfläche des opti schen Elements ohne Reliefstruktur aufgebracht ist.

10. Optisches Beugungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens eine Außenfläche des opti schen Elements ohne Reliefstruktur zu einer gekrümm ten Oberfläche geformt ist.

11. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 10, bei dem die gekrümmte Oberfläche so ausgeformt ist, daß sie eine Linsenfunktion hat.

12. Optisches Beugungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens eines Spiegelbeschichtung auf mindestens einer Außenfläche des optischen Ele ments aufgebracht ist.

13. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 12, bei dem die Spiegelbeschichtung auf der Außenfläche einer äußeren Schicht aufgebracht und die Reliefstruktur in der Grenzfläche zwischen der aus verschiedenen opti schen Materialien bestehenden äußeren und der benach barten Schicht ausgeformt und die Dicke der äußeren Schicht im wesentlichen gleich ist der Tiefe der Ein schnitte der Reliefstruktur.

14. Optisches Beugungselement gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem mindestens eine der ersten und zweiten Schicht aus einem Kunststoffmaterial besteht.

15. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 2, bei dem die erste und zweite Schicht derart aus verschiedenen optischen Materialien bestehen, daß der Beugungs-Wir kungsgrad des optischen Beugungselements über den Wellenlängenbereich größer als 90% ist.

16. Optisches Beugungselement gemäß Anspruch 3, bei dem die zweite Schicht aus einem Silikatglas mit einem Tl₂O-Anteil von 2,00 Mol-% bis 25,00 Mol-% und die erste Schicht mit dem Brechungsindex n₁(λ)aus einem Glas besteht, das aus der BSM7, BSM81, BSL7, BAL5, BAL50, BAL22, LAL11, LAL12, LAL18, YGH51, LAH67, LAH55, LAH57 und LAH75 umfassenden Gruppe gewählt wird.