DE4110614A1

DE4110614A1 - Linse, insbesondere brillenglas

Info

Publication number: DE4110614A1
Application number: DE19914110614
Authority: DE
Inventors: Karl-Josef Becker
Original assignee: Rupp & Hubrach KG
Current assignee: Rupp & Hubrach KG
Priority date: 1991-04-02
Filing date: 1991-04-02
Publication date: 1992-10-08

Description

Die Erfindung betrifft eine Linse nach dem Oberbe griff des Anspruches 1.

Diffraktive Optiken, also Linsen, deren optische Wirkung nicht über Brechung, also refraktiv, sondern über Beugung, also diffraktiv erzeugt wird, sind be reits aus Appl. Phys. Lett. 52 (21), 23 May 1988, Sei ten 1771 bis 1773 bekannt. Dort ist der Einsatz einer solchen als Mikrooptik ausgebildeten Optik für Laserlicht, also für monochromatisches Licht, be schrieben.

Aus der DE-Zeitschrift "Der Augenoptiker 9/90", Sei ten 16 bis 18 ist der Einsatz von diffraktiven Lin sen als Kontaktlinsen bekannt. Bei diesen müssen im Gegensatz zur Anwendung für Laserlicht die Abbild ungseigenschaften farbneutral im gesamten Bereich des sichtbaren Lichts sein. Eine Anwendung derarti ger diffraktiver Optiken, wie sie mit einem Durch messer von etwa 5 mm als Kontaktlinsen eingesetzt werden, die geschützt am Auge des Trägers angebracht werden, für normale Brillengläser oder sonstige Lin sen in Durchmesserbereichen von 30 bis 80 oder be vorzugt 60 bis 80 mm ist nicht ohne weiteres mög lich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Linsen der gattungsgemäßen Art und insbesondere Brillengläser mit mindestens einer Oberfläche mit einer diffrak tiven Struktur zu schaffen, die für einen robusten Betrieb geeignet sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merk male im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 gelöst. Durch die Schutzschicht werden die empfindlichen diffraktiven Strukturen, nämlich das in die entspre chende Oberfläche geäzte oder mittels eines Lasers geschnittene Phasengitter abgedeckt und damit gegen mechanischen Verschleiß, Verschmutzung und derglei chen geschützt. Die nach außen hin glatte Schutz schicht kann leicht gereinigt werden.

Beugungserscheinungen sind normalerweise sehr wel lenlängenabhängig; diese Tatsache spielt bei Anwen dungen im Laserbereich keine Rolle, da hier mit mo nochromatischem Licht gearbeitet wird. Bei Linsen für das gesamte Spektralgebiet und insbesondere bei Brillengläsern werden zur Erzeugung eines Beugungs gitters definierte Gitterstrukturen mit variablem Abstand auf der entsprechenden Oberfläche des Grund körpers aufgebracht. Diese Gitter werden nochmals mit Unterstrukturen verfeinert, durch die sowohl unerwünschtes Streulicht vermieden werden soll als auch die insbesondere bei Brillengläsern notwendige Achromasie, also Farbneutralität, erreicht wird. Die Größe und Form dieser Strukturen bewirken dann die gewünschten optischen Abbildungseigenschaften, so daß also eine Linse mit einer beliebigen Brennweite, aber der Dicke und dem Gewicht eines Plan- oder Nullglases entsteht.

Um eine hohe diffraktive Wirkung zu erreichen, ist die Weiterbildung nach Anspruch 2 von großem Vor teil. Die Ansprüche 3 und 4 geben jeweils für Glas bzw. Kunststoff als Material des Grundkörpers bevor zugte Brechzahl-Bereiche an, denen in der Praxis verfügbare Materialien entsprechen.

Besonders vorteilhaft ist es, nach Anspruch 5 eine Deckscheibe als Schutzschicht einzusetzen, dessen bevorzugte, möglichst niedrige Brechzahl-Bereiche in Anspruch 6 angegeben sind. Kitte nach Anspruch 7 sind in der Praxis verfügbar.

Alternativ zu einer Deckscheibe als Schutzschicht kann nach Anspruch 8 ein Kunststoff-Lack verwendet werden, d. h. die Schutzschicht wird durch Lackauf trag auf die mit diffraktiven Strukturen versehene Oberfläche erzeugt. In der Praxis verfügbare Lacke mit vorteilhaften Eigenschaften ergeben sich aus An spruch 9. Wenn es sich um ein Brillenglas handelt, dann ist die Weiterbildung nach Anspruch 10 von be sonderem Vorteil.

Da die Anzahl der notwendigen diffraktiven Struk turen mit zunehmendem Durchmesser und mit zunehmen der dioptrischer Wirkung, d. h. mit abnehmender Brennweite, zunimmt und damit auch die Größe der Strukturen abnimmt, was zu erhöhtem Fertigungsauf wand führen kann, kann es sinnvoll sein, gemäß An spruch 11 einen Teil der dioptrischen Wirkung bzw. Brennweite über Brechung zu erzeugen. In einem sol chen Fall wird ein Hybridsystem geschaffen, d. h. der Grundkörper hat eine konventionelle Linsenform mit konventionellen Brecheigenschaften. Insbesondere bei einem solchen Hybridsystem kann der Einfluß der Dispersion weitgehend neutralisiert werden und damit die Achromasie erreicht werden. Unter Dispersion versteht man die Materialeigenschaft aller transpa renten Materialien, unterschiedliche Brennweiten für Licht unterschiedlicher Wellenlänge zu haben. Dieser Dispersionseffekt ist bei der Refraktion und bei der Diffraktion jeweils umgekehrt, so daß die Überlagung dieser Effekte zu einer angenäherten gegenseitigen Aufhebung führen kann.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Er findung werden nachfolgend anhand einiger Zeichnun gen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Prinzipschema einer diffraktiven Abbil dung,

Fig. 2 einen Teilausschnitt aus einem Phasengitter für nicht monochromatisches Licht,

Fig. 3 die Brennpunktveränderungen bei einer Hybrid linse, die mit einer Schutzschicht aus Kunst stoff-Lack versehen ist und

Fig. 4 eine Hybridlinse mit einer Deckscheibe als Schutzschicht.

Fig. 1 zeigt einen Grundkörper 1 in Form einer ebe nen Scheibe, einer sogenannten Planscheibe, aus Glas und zwar aus hochbrechendem Glas. Auf der Innenseite 2, also der dem Brennpunkt 3 zugewandten Seite des Grundkörpers 1, sind diffraktive Strukturen 4 in Form von Vertiefungen ausgebildet. Es handelt sich hierbei um ein Phasengitter. Wie aus Fig. 1 ersicht lich ist, nimmt die Breite der diffraktiven Struk turen, d. h. die Breite der einzelnen Vertiefungen mit zunehmendem Abstand von der durch den Brennpunkt 3 gehenden optischen Achse 5 nach außen ab.

Auf die Außenseite 6 des Grundkörpers 1 trifft aus parallelen Lichtstrahlen 7 bestehendes Licht auf, das an den Kanten 8 der diffraktiven Strukturen 4 derart gebeugt wird, daß es zum Brennpunkt 3 hin fokusiert wird. Die Darstellung in Fig. 1 gilt für monochromatisches Licht.

In der Darstellung in Fig. 2 sind aus dem Grundkör per 1 diffraktive Strukturen 4 vergrößert herausge zeichnet, wobei jede einzelne diffraktive Struktur 4 zahlreiche diffraktive Feinstrukturen 9 aufweist, die für eine entsprechende Beugung von nicht mono chromatischem Licht, beispielsweise also von sicht barem Licht, notwendig sind.

Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist in den Fig. 1 und 2 keine Schutzschicht zeichnerisch dargestellt.

Fig. 3 zeigt eine sogenannte Hybridlinse, d. h. eine Linse mit einem Grundkörper 1′, der in Form einer klassischen Linse mit Refraktions-Wirkung ausgebil det ist. Es sind auf ihrer Außenseite 6′ auffallende Lichtstrahlen 7 in ihrem Verlauf ausschließlich auf grund der Refraktions-Wirkung des Grundkörpers 1 dargestellt. Hierbei würde also das Licht auf einen Brennpunkt 10 fokusiert. Aufgrund der zusätzlichen diffraktiven Wirkung aufgrund diffraktiver Struktu ren 4 auf der Innenseite 2′ des Grundkörpers 1′ stellt sich ein Brennpunkt 11 ein, dessen Brennweite deutlich geringer ist als die des fiktiven Brenn punktes 10. Die die in Fig. 3 nicht sichtbaren dif fraktiven Strukturen 4 und diffraktiven Feinstruk turen 9 tragende Innenseite 2′ des Grundkörpers 1′ ist mit einer Schutzschicht 12 aus Kunststoff-Lack zum Schutz der diffraktiven Strukturen überzogen. Es handelt sich um einen Kunststoff-Lack bevorzugt auf der Basis von Polysiloxan oder Heteropolysiloxan.

In Fig. 4 ist wiederum eine Hybridlinse entsprechend der Darstellung in Fig. 3 dargestellt, bei der auf der Innenseite 2′ des Grundkörpers 1′ in diesem Fall eine Schutzschicht aus einer gewölbten Deckscheibe 13 angebracht ist, das selber optisch neutral ist, also konstante Dicke aufweist, auch wenn es gewölbt ist. Insbesondere soll die Deckscheibe 13 auch eine gleiche Kurvengestaltung wie die zugehörige Oberflä che, also die Innenseite 2′ des Grundkörpers 1′ auf weisen. Die Deckscheibe 13 ist mit einem Kitt 14 auf die Innenseite 2′ des Grundkörpers 1′ aufgeklebt, wobei die auch in Fig. 4 nicht sichtbaren diffrakti ven Strukturen 4 bzw. 9 von dem Kitt 14 vollständig ausgefüllt werden. Der Kitt 14 und die Deckscheibe 13 haben identische Brechzahlen. Zwischen dem Mate rial des Grundkörpers 1′ einerseits und den Mate rialien der Schutzschicht 12 bzw. der Deckschicht 13 mit Kitt 14 soll ein möglichst großer Brechzahl sprung, d. h. eine möglichst große Brechzahldiffe renz, bestehen. Die Außenseite 15 der Schutzschicht 12 und die Außenseite 15′ der Deckscheibe 13 sind völlig glatt.

Die Ausgestaltung der Linse und insbesondere des Brillenglases mit diffraktiven Strukturen führt zu einer erheblichen Dickenreduktion und damit einer erheblichen Gewichtsreduktion des Grundkörpers 1, 1′, was besonders bei Brillengläsern von Bedeutung ist. In der nachfolgenden Tabelle 1 ist die Gewichtser sparnis und in Tabelle 2 die entsprechende Dicken reduktion am Beispiel von Brillengläsern darge stellt. Ahnliche Gewichts- und Dickeneinsparungen können auch für jede andere Linsenform erzielt wer den. Für die miteinander verglichenen Gläser gilt folgendes:

Glas 1
konventionell, ausschließlich refraktiv ausgebildetes Brillenglas aus Brillenkorn mit einer Brechzahl n_e=1,523
Glas 2	Brillenglas aus hochbrechendem Material mit einer Brechzahl n_e=1,706 mit ausschließlich diffraktiver Wirkung mit einer Deckscheibe aus Brillenkron mit einer Brechzahl n_e=1,523
Glas 3	Hybridlinse, bestehend aus einem refraktiv wirkenden Grundkörper aus hochbrechendem Material mit einer Brechzahl n_e=1,706 und einer optischen Wirkung von 3,00 Dioptrien, restliche Wirkung über diffraktive Optik, Deckscheibe aus Brillenkron mit einer Brechzahl n_e=1,523
Ersparnis	Prozentuale Differenz zwischen Glas 3 und Glas 1.

Bei einem Vergleich von Glas 2 mit Glas 1 ergeben sich noch höhere Gewichts- und Dickenreduktionen.

Tabelle 1

Gewichtsersparnis

Tabelle 2

Dickenreduktion (Mittendicke)

Bei sphärischen Linsen sind die diffraktiven Struk turen in Form von konzentrisch zur optischen Achse verlaufenden Ringen ausgebildet. Bei torischen Lin sen verlaufen die diffraktiven Strukturen in Form von Ellipsen. Bei torischen Linsen entfallen auch die bei refraktiv wirkenden Linsen unterschiedlichen Randdicken.

Die in den Fig. 1 und 2 für einen planparallelen Grundkörper 1 dargestellten diffraktiven Strukturen lassen sich auch auf in der Brillenoptik üblichen durchgebogenen Scheiben anbringen, die keine refrak tive Wirkung haben.

Zum Herstellen der diffraktiven Strukturen dienen die üblichen Ätzverfahren mittels Maske. Gleicher maßen können die diffraktiven Strukturen aber auch mittels eines Lasers, insbesondere eines Excimerla sers, in die entsprechende Oberfläche geschrieben werden. Bei einem Excimerlaser handelt es sich um einen UV-Laser, der mit geringer Wellenlänge arbei tet, also sehr feine Strukturen schreiben kann.

Claims

1. Linse für den gesamten Spektralbereich des sicht baren Lichts, insbesondere Brillenglas, bestehend aus einem Grundkörper (1, 1′) aus lichtdurchlässigem Material mit einem Brechwert (n_e) der auf mindestens einer Oberfläche (2, 2′) mit diffraktiven Strukturen (4, 9) zur Erzeugung einer Brennweite versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die mit diffraktiven Strukturen (4, 9) versehene Oberfläche (2, 2′) mit einer auf ihrer Außenseite (15, 15′) glatten Schutz schicht (12, 13) aus lichtdurchlässigem Material versehen ist, dessen Brechwert (n_e) kleiner ist als der Brechwert (n_e) des Materials des Grundkörpers (1, 1′).

2. Linse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1, 1′) aus hochbrechendem Ma terial besteht.

3. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Grundkörper (1, 1′) aus Glas mit einer Brechzahl im Bereich von n_e = 1,44 bis 1,9, bevorzugt n_e = 1,6 bis 1,8 und insbesondere n_e = 1,7 besteht.

4. Linse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Grundkörper (1, 1′) aus Kunststoff mit einer Brechzahl im Bereich von n_e = 1,498 bis 1,7 vorzugsweise n_e = 1,55 bis 1,65 besteht.

5. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Schutzschicht eine Deck scheibe (13) vorgesehen ist, das mit dem Grundkörper (1′) mittels eines Kittes (14) verbunden ist.

6. Linse nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (13) eine Brechzahl im Bereich von n_e = 1,44 bis 1,7, bevorzugt n_e = 1,5 bis 1,6 und insbesondere n_e = 1,523 aufweist.

7. Linse nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekenn zeichnet, daß der Kitt (14) dieselbe Brechzahl (n_e) aufweist, wie die Deckscheibe (13).

8. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (12) aus einem Kunststoff-Lack besteht.

9. Linse nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schutzschicht (12) aus einem Kunststoff-Lack auf der Basis von Polysiloxan oder Heteropolysiloxan gebildet ist.

10. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die diffraktiven Strukturen (4, 9) und die Schutzschicht (12, 13) auf der dem Brenn punkt (3, 11) zugewandten Innenseite (2, 2′) ange ordnet sind.

11. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (1′) refraktiv wirkend ausgebildet und auf mindestens einer Ober fläche (2′) mit einer diffraktiven Struktur (4, 9) versehen ist.

12. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 10, 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (13) aus Glas besteht.

13. Linse nach einem der Ansprüche 1 bis 7 und 10, 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Deckscheibe (13) aus transparentem Kunststoff besteht.