DE602004011367T2

DE602004011367T2 - Beugende optische struktur mit einer flüssiggrenzfläche

Info

Publication number: DE602004011367T2
Application number: DE602004011367T
Authority: DE
Inventors: Bernardus H. Hendriks; Stein Kuiper
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2003-08-20
Filing date: 2004-08-05
Publication date: 2009-01-08
Anticipated expiration: 2024-08-06
Also published as: EP1658518A1; ATE384276T1; EP1658518B1; CN100432711C; JP2007503013A; WO2005019882A1; US20080204880A1; CN1839328A; KR20060054442A; DE602004011367D1

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System und insbesondere ein optisches System, das ein Beugungselement umfasst.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Systeme, die auf eine gegebene, einen Bereich unterschiedlicher Wellenlängen umfassende Eingangsstrahlung einwirken, führen gewöhnlich eine chromatische Aberration in Form einer Änderung einer Brennweite ein, die wellenlängenabhängig ist. Ein Beispiel eines solchen optischen Systems ist eine Bilderfassungsvorrichtung, z. B. eine Fotokamera zum Aufzeichnen von Bildern unter Verwendung eines Strahlenbündels, das unterschiedliche Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung umfasst.
Die Einführung einer chromatischen Aberration in ein Strahlenbündel in einem solchen optischen System kann gewöhnlich durch optische Elemente des Systems verursacht werden. Diese optischen Elemente, z. B. eine Linse, werden aus einem Material gebildet, z. B. Polycarbonat, das eine bestimmte optische Dispersion und einen bestimmten Brechungsindex für eine bestimmte Wellenlänge aufweist. Optische Dispersion ist eine vom Brechungsindex eines Materials bei einer Wellenlänge einer gegebenen Strahlung abhängige Größe. Deswegen wird eine erste Wellenlänge, die in einer gegebenen Strahlung enthalten ist, um einen ersten Brechungswinkel gemäß einem ersten Brechungsindex des Polycarbonats gebrochen. Ein Strahlenbündel einer zweiten, andersartigen Wellenlänge der gegebenen Strahlung wird um einen zweiten, andersartigen Brechungswinkel gemäß einem zweiten, andersartigen Brechungsindex des Polycarbonats gebrochen. Eine optische Dispersion wird gewöhnlich durch eine Abbesche Zahl (V_d) angegeben. Ein verhältnismäßig niedriger Wert der Abbeschen Zahl repräsentiert eine verhältnismäßig große optische Dispersion und umgekehrt. Eine verhältnismäßig große optische Dispersion entspricht einer verhältnismäßig großen Änderung eines Brechungswinkels bei unterschiedlichen Wellenlängen eines gegebenen Strahlenbündels.
Um eine chromatische Aberration, die durch eine optische Dispersion verursacht wird, zu kompensieren, können ein brechendes optisches Element und ein beugendes optisches Element gemeinsam verwendet werden, um auf eine gegebene Strahlung einzuwirken. Brechende und beugende optische Elemente weisen eine optische Dispersion mit einander entgegengesetzten Vorzeichen auf, und ein brechendes und ein beugendes Element, die in geeigneter Weise entworfen sind, können deswegen angeordnet werden, um eine chromatische Aberration zu kompensieren, die vom jeweils anderen Element eingeführt wird.
Ein beugendes optisches Element ist im Allgemeinen so entworfen, dass es eine bestimmte Beugungsordnung für ein gegebenes Strahlenbündel auswählt. Bei einem Strahlenbündel, das einen Bereich unterschiedlicher Wellenlängen umfasst, z. B. sichtbares weißes Licht, kann das beugende optische Element jedoch unterschiedliche Beugungsordnungen für die unterschiedlichen Wellenlängen auswählen. Diese Ineffizienz bei der Auswahl einer bestimmten Beugungsordnung bewirkt eine Verschlechterung der Bildqualität der fotografischen Kamera und wird als „Störlicht" (flare) bezeichnet.
Das US-Patent US6330110 beschreibt ein beugendes optisches Element, das drei oder mehr Schichten umfasst. An einer Grenzfläche zwischen benachbarten Schichten, wobei jede Schicht aus einem von einer benachbarten Schicht verschiedenen Material gebildet wird, gibt es ein Beugungsgitter. Durch Auswählen der Materialien, aus denen die unterschiedlichen Schichten gebildet werden, und Auswählen einer Änderung der Tiefe jeder Schicht verringert das Beugungsgitter das Störlicht eines Strahlenbündels, das einen Bereich unterschiedlicher Wellenlängen umfasst, indem überwiegend eine gleiche Beugungsordnung für jede der unterschiedlichen Wellenlängen ausgewählt wird.
Die europäische Patentanmeldung EP1193512 offenbart ein beugendes optisches Element, das mindestens zwei aneinander angrenzende Beugungsgitter umfasst. Jedes Beugungsgitter ist zwischen zwei Schichten gebildet, wobei jede Schicht aus einem anderen Material ist und eine andere optische Dispersion hat. Das beugende optische Element weist eine Krümmung sowie eine hohe Auswahleffizienz für eine bestimmte Beugungsordnung für jede unterschiedliche Wellenlänge eines gegebenen Strahlenbündels auf.
Die japanische Patentanmeldung 127322/1997 beschreibt ein optisches Beugungselement, das ein erstes und ein zweites Beugungsreliefmuster umfasst. Das erste Reliefmuster ist an einer Grenzfläche zwischen einem Acryl- und einem Polycarbonat-Material gebildet. In einer Ausführungsform ist das zweite Reliefmuster an einer Grenzflä che zwischen dem Polycarbonat-Material und Luft gebildet. Eine Tiefe von Kanälen des ersten Reliefmusters ist von einer Tiefe von Kanälen des zweiten Reliefmusters verschieden, sodass das optische Beugungselement eine hohe Auswahleffizienz für eine bestimmte Beugungsordnung für jede unterschiedliche Wellenlänge eines gegebenen Strahlenbündels hat.
Die optischen Systeme, die im US-Patent US6330110 , in der europäischen Patentanmeldung EP1193612 und in der japanischen Patentanmeldung 127322/1997 offenbart sind, werden jeweils gemäß ähnlichen Verfahren hergestellt. Damit jedes der optischen Systeme die gewünschte Beugung genau ausführt und eine bestimmte Beugungsordnung auswählt, ist es erforderlich, Elemente der optischen Systeme während eines Herstellungsprozesses mit einem hohen Präzisionsgrad zu formen und auszurichten. Das Erreichen dieses hohen Präzisionsgrads bei der Herstellung, häufig bis zu einer Genauigkeit von einigen Mikrometern, ist verhältnismäßig zeitraubend und kostenmäßig unwirtschaftlich. Das ist insbesondere in einem optischen System der Fall, das mehrere Schichten umfasst, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet werden, wobei jede Schicht zumindest eine beugende Oberfläche hat, wie z. B. im US-Patent US6330110 .
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verbesserungen zu schaffen für optische Systeme, die ein gegebenes Strahlenbündel beugen, insbesondere für jene zum Erhalten einer bestimmten Beugungsordnung, sowie Verbesserungen für Verfahren zur kostengünstigen Herstellung solcher optischen Systeme mit einem hohen Präzisionsgrad.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein optisches System geschaffen, das ein Beugungselement umfasst, das aus einem im Wesentlichen starren ersten Material mit einem ersten Brechungsindex gebildet wird, wobei das Beugungselement Folgendes aufweist:

a) eine erste Vielzahl von Rillen an einer ersten Grenzfläche des beugenden Elements zu einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex und
b) eine zweite, andersartige Vielzahl von Rillen an einer zweiten, andersartigen Grenzfläche zu einem dritten Material mit einem dritten Brechungsindex, wobei die erste und die zweite Vielzahl von Rillen in Bezug zueinander ausgerichtet sind, sodass eine kombinierte beugende Wirkung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Grenzfläche an einer Seite des starren ersten Materials angeordnet ist und die zweite Grenzfläche an einer anderen, der einen Seite des starren ersten Materials gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, wobei das dritte Material eine Flüssigkeit ist.

Das zweite Material kann ein Festkörper oder alternativ ein Fluid sein. Ein Fluid ist eine Substanz, die eine Form hat, die sich in Reaktion auf eine ausgeübte Kraft ändert. Fluide neigen dazu, zu einer Form einer umschließenden Oberfläche des Fluids zu fließen und sich an diese anzupassen. Gase, Dampfe, Flüssigkeiten und Mischungen aus Festkörpern und Flüssigkeiten, die fließen können, sind Beispiele von Fluiden.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems geschaffen, das ein Beugungselement umfasst, welches aus einem im Wesentlichen starren ersten Material mit einem ersten Brechungsindex gebildet wird, wobei das Beugungselement bei der Herstellung Folgendes umfasst:

a) eine erste Vielzahl von Rillen an einer ersten Beugungsgrenzfläche zu einem zweiten Material mit einem zweiten Brechungsindex, und
b) eine zweite Vielzahl von Rillen an einer zweiten Beugungsgrenzfläche zu einem dritten Material mit einem dritten, andersartigen Brechungsindex, wobei die erste Grenzfläche an einer Seite des starren ersten Materials angeordnet ist und die zweite Grenzfläche an einer anderen, der einen Seite des starren ersten Materials gegenüberliegenden Seite angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Vielzahl von Rillen in Bezug zueinander ausgerichtet sind, sodass eine kombinierte beugende Wirkung erreicht wird, wobei das Verfahren das Aufbringen des zweiten Materials auf die erste Vielzahl von Rillen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Aufbringen des dritten Materials auf der zweiten Vielzahl von Rillen als Flüssigkeit umfasst.

Das Herstellungsverfahren umfasst vorzugsweise das Formen des Beugungselements unter Verwendung von Spritzgießen. Die Verwendung eines Spritzgießprozesses ermöglicht eine genaue Ausrichtung der ersten und zweiten Vielzahl von Rillen des Beugungselements durch die Ausrichtung, die durch das Einpassen von Formteilen in die Spritzgießvorrichtung geschaffen wird. Dadurch enthält das Beugungselement, wenn es aus der Form entnommen wird, an beiden Seiten Rillen, die in Bezug zueinander genau ausgerichtet sind, sodass eine kombiniert beugende Wirkung erreicht werden kann. In bevorzug ten Ausführungsformen sind die erste und die zweite Vielzahl von Rillen paarweise angeordnet, sodass sie miteinander übereinstimmen.
Vorzugsweise wird das zweite Material als Fluid aufgebracht und das Verfahren zur Herstellung des Beugungselements umfasst das Aufbringen des zweiten und des dritten Materials auf die erste bzw. zweite Vielzahl von Rillen des im Wesentlichen starren Beugungselements. Es ist dadurch möglich, das optische System mit einem hohen Präzisionsgrad auf verhältnismäßig einfache, effiziente und kostengünstige Weise herzustellen.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung, die lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erfolgt, deutlich.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine schematische Darstellung eines optischen Systems, das ein Beugungselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
2 zeigt in grafischer Form eine Effizienz einer Beugung, die durch eine Vielzahl von Rillen nach dem Stand der Technik erbracht wird.
3 zeigt in grafischer Form eine Effizienz einer Beugung, die durch zwei Vielzahlen von Rillen gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erbracht wird.
4 zeigt eine vergrößerte grafische Darstellung der in 3 gezeigten Effizienz der Beugung.
5 zeigt eine schematische Darstellung, die das Beugungselement gemäß einer unterschiedlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
6 zeigt eine schematische Darstellung, die das Beugungselement gemäß einer weiteren unterschiedlichen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
7 zeigt in schematischer Form ein optisches System, das ein Beugungselement gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
1 zeigt ein Beugungselement als Teil eines optischen Systems gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Das optische System umfasst ein Beugungselement 2, das aus einem ersten Material, das im Wesentlichen starr und in diesem Beispiel cyclisches Olefin-Copolymer (COC) ist, gebildet wird. Mit im Wesentlichen starr ist gemeint, dass eine Form des ersten Materials unveränderlich ist.
Das Beugungselement 2 ist kreisförmig und hat einen Radius um eine optische Achse OA, wobei der Radius längs einer Richtung senkrecht zur optischen Achse OA verläuft. Das Beugungselement 2 ist in der Weise geformt, dass es auf einer Seite eine erste Vielzahl von Rillen 4 und auf der anderen Seite eine zweite, andersartige Vielzahl von Rillen 6 aufweist. Die erste Vielzahl von Rillen 4 liegt an einer ersten Grenzfläche 7 des Beugungselements 2 zu einem zweiten, andersartigen Material. In dieser Ausführungsform ist das zweite Material ein Fluid und ist ein Gas, wobei das Gas Luft 8 ist. Die zweite Vielzahl von Rillen 6 liegt an einer zweiten, andersartigen Grenzfläche 9 des Beugungselements 2 zu einem dritten, andersartigen Material. In dieser Ausführungsform ist das dritte Material eine Flüssigkeit, z. B. Wasser 10. Sowohl die erste als auch die zweite Vielzahl von Rillen 4, 6 sind konzentrisch um die optische Achse OA angeordnet. Das erste Material hat einen ersten Brechungsindex n₁, das zweite Material hat einen zweiten, andersartigen Brechungsindex n₂ und das dritte Material hat einen dritten, andersartigen Brechungsindex n₃. Tabelle 2 gibt Werte des ersten, zweiten und dritten Brechungsindex n₁, n₂ bzw. n₃ bei festgelegten Wellenlängen λ_n (450 nm, 550 nm, 650 nm) eines Strahlenbündels an. Das erste, zweite und dritte Material COC, Luft bzw. Wasser haben außerdem eine unterschiedliche optische Dispersion, die durch einen Wert einer Abbeschen Zahl (V_d) angegeben ist. Tabelle 1

Material Brechungsindex bei der Wellenlänge λ Abbesche Zahl (V_d)

n (450 nm) n (550 nm) n (650 nm)

COC 1,5443 1,5357 1,53512 56

Luft 1 1 1 → ∞

Wasser 1,3441 1,3359 1,3308 33
Das Beugungselement 2 ist so gebildet, dass es eine ringförmige Oberfläche 12 hat, die außerhalb der äußersten Rillen der ersten und zweiten Vielzahl von Rillen 4, 6 angeordnet ist. Ein Einfassungselement 13 ist so geformt, dass es eine komplementäre ringförmige Oberfläche 15 hat, die mit der ringförmigen Oberfläche 12 des Beugungselements zusammenpasst, um eine fluiddichte Dichtung zu bilden. Das Einfassungselement 13 schafft eine fluiddichte Einfassung für das Wasser 10, das die Einfassung vollständig füllt. Durch diese Füllung wird die zweite Grenzfläche 9 zwischen dem Beugungselement 2 und dem Wasser 10 unabhängig von der Orientierung des Systems ununterbrochen aufrechterhalten.
Jede Rille der ersten Vielzahl von Rillen 4 hat eine erste Tiefe d₁ und jede Rille der zweiten Vielzahl von Rillen 6 hat eine zweite, andersartige Tiefe d₂. Die erste als sowie die zweite Tiefe d₁, d₂ verlaufen jeweils in einer Richtung parallel zur optischen Achse OA und sind voneinander verschieden. Unter Bezugnahme auf die in 1 gezeigte Anordnung sind in diesem Beispiel die erste und die zweite Tiefe jeweils positiv, wobei die verwendete Konvention darin besteht, dass die Rillen an gegenüberliegenden Seiten der Rille und zur Mittelebene des Beugungselements 2 gemessen werden. Es wird angemerkt, dass eine oder beide der ersten und zweiten Tiefe d₁, d₂ in alternativen Ausführungsformen negativ sein können.
Jede Rille der ersten und zweiten Vielzahl von Rillen 4, 6 ist in dieser Ausführungsform geblazed. Außerdem hat jede Rille der ersten und zweiten Vielzahl von Rillen 4, 6 eine Breite w in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse OA. Für jede Rille, z. B. eine erste Rille 11a, der ersten Vielzahl von Rillen 4 gibt es eine übereinstimmende Rille, z. B. eine zweite Rille 11b, der zweiten Vielzahl von Rillen 6, die ein Paar 11 einer Vielzahl von übereinstimmenden Paaren bilden. Alle Rillen eines Paars 11, in diesem Beispiel die erste und die zweite Rille 11a, 11b, von übereinstimmenden Rillen haben im Wesentlichen die gleiche Breite, d. h beide Breiten stimmen miteinander überein.
Die Breite von Paaren übereinstimmender Rillen ändert sich längs eines Radius, der senkrecht zur optischen Achse verläuft. Ein Paar übereinstimmender Rillen in einem kleineren radialen Abstand längs des Radius von der optischen Achse OA hat eine erste Breite w₁ und ein anderes Paar übereinstimmender Rillen in einem größeren Abstand von der optischen Achse OA hat eine zweite, andersartige Breite w₂. Als Ergebnis der Ausrichtung der Paare von Rillen aus der ersten Vielzahl und der zweiten Vielzahl von Rillen 4, 6 in der Weise, dass sie übereinstimmen, wird eine kombinierte beugende Wirkung an einem gegebenen Strahlenbündel erzeugt, das sich längs der optischen Achse OA bewegt. Das gegebene Strahlenbündel umfasst eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen λ. In dieser Ausführungsform umfasst das Strahlenbündel einen Bereich von Wellenlängen im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen etwa 400 nm und 800 nm.
Mit der ersten Vielzahl von Rillen 4 mit der ersten Tiefe d₁ und der zweiten Vielzahl von Rillen 6 mit der zweiten Tiefe d₂, der Änderung der Breiten w von Paaren übereinstimmender Rillen längs des Radius von der optischen Achse OA, den spezifischen Brechungsindizes n₁, n₂ und n₃ des ersten, zweiten und dritten Materials und dem Blazing sowohl der ersten als auch der zweiten Vielzahl von Rillen 4, 6 ist das Beugungselement 2 so eingerichtet, dass es eine gewünschte Beugungsordnung m des gegebenen Strahlenbündels auswählt. Die erste und die zweite Vielzahl von Rillen 4, 6 sind so angeordnet, dass sie die folgende Beziehung für eine Wellenlänge λ_n, in diesem Beispiel eine Entwurfswellenlänge λ₀ des Strahlenbündels erfüllen: –(n1 – n2)d1 + (n1 – n3)d2 = mλ0 (1)
Nach dem Stand der Technik wird die Beziehung (1) für eine Entwurfswellenlänge λ₀ = 550 nm näherungsweise gelöst, wenn eine ausgewählte Beugungsordnung eine erste Beugungsordnung m = 1 ist. Das Auswählen der zweiten Tiefe d₂ = 0 ergibt eine erste Tiefe von näherungsweise d₁ = –1,027 μm. Dass diese erste Tiefe d₁ negativ ist, entspricht einer Höhe von Stegen aus einer Vielzahl von Stegen, die sich anstelle der Vielzahl von Rillen über eine Oberfläche des Beugungselements erheben.
Eine Beugungseffizienz η für die Auswahl der Beugungsordnung m, in diesem Fall der ersten Beugungsordnung m = 1, wird unter Verwendung der folgenden Beziehung angegeben:
2 zeigt in grafischer Form, für den Stand der Technik, die Beugungseffizienz η für jede unterschiedliche Wellenlänge λ_n des gegebenen Strahlenbündels. Eine erste Diagrammlinie 16 ist als Funktion der Effizienz η auf einer ersten Achse 17 gegen die Wellenlänge λ_n auf einer zweiten Achse 18 aufgetragen, wobei die zweite Achse 18 senkrecht zur ersten Achse 16 ist.
In einem Beispiel dieser Erfindung wird die Beziehung (1) für die Entwurfswellenlänge λ₀ = 550 nm näherungsweise gelöst, wobei eine ausgewählte Beugungs ordnung eine erste Beugungsordnung m = 1 ist und näherungsweise eine erste Tiefe d₁ = 13,431 μm und eine zweite Tiefe d₂ = 38,763 μm beträgt. 3 zeigt in grafischer Form für dieses zweite Beispiel die Beugungseffizienz η für alle unterschiedlichen Wellenlängen λ_n des gegebenen Strahlenbündels. Eine zweite, andersartige Diagrammlinie 20 ist in ähnlicher Weise wie die erste Diagrammlinie 16 auf der ersten und der zweiten Achse 17, 18 aufgetragen.
4 zeigt in grafischer Form die Beugungseffizienz η für das zweite Beispiel als vergrößerte Ansicht, wobei eine dritte, andersartige Diagrammlinie 22 aufgetragen ist als Funktion der Beugungseffizienz η – auf einer Achse 24 größeren Maßstabs als die erste Achse 17 – gegen die Wellenlänge λ_n auf der zweiten Achse 18. In diesem zweiten Beispiel wird die Beugungseffizienz η der Auswahl der ersten Beugungsordnung m = 1 für alle Wellenlängen λ_n des gegebenen Strahlenbündels im Wesentlichen maximiert. Im Wesentlichen maximiert ist in diesem Beispiel dort, wo die Beugungseffizienz η für Wellenlängen λ_n im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zwischen etwa 400 nm und 800 nm einen Wert im Bereich von annähernd 90% bis 100% und stärker bevorzugt im Bereich von annähernd 95% bis 100% hat.
In einem Herstellungsprozess des Beugungselements 2 wird gemäß einer beschriebenen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das erste Material aus COC anfänglich als Fluid in eine gewünschte Form, die die übereinstimmenden ersten und zweiten Vielzahl von Rillen 4, 6 und die ringförmige Oberfläche 12 einschließt, geformt. Das Formen umfasst einen Spritzgießprozess, wodurch die erste und die zweite Vielzahl von Rillen 4, 6 leicht ausgerichtet werden können, indem einfach die Formteile des Spritzgießgeräts ausgerichtet werden. Nach dem Spritzgießprozess des ersten Materials, wobei das erste Material nun im Wesentlichen starr ist, wird das zweite Material, Luft 8, auf die erste Vielzahl von Rillen 4 aufgebracht und das dritte Material, Wasser 10, wird auf die zweite Vielzahl von Rillen 6 als Flüssigkeit aufgebracht.
5 zeigt in schematischer Form eine andere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Elemente dieser Ausführungsform sind Elementen einer zuvor beschriebenen Ausführungsform ähnlich. Ähnliche Bezugszeichen für diese Elemente werden verwendet, wobei sie um 100 vergrößert sind, und entsprechende frühere Beschreibungen von Merkmalen dieser Elemente sollten so verstanden werden, dass sie hier ebenfalls gelten.
Das dritte Material ist in dieser Ausführungsform salzhaltiges Wasser 110 und es gibt ein zusätzliches viertes, andersartiges Material in der Einfassung, die durch das Einfassungselement 113 bereitgestellt wird. Das Einfassungselement 113 ist aus einem transparenten Material gebildet. In einer Ausführungsform ist das vierte Material ein Öl 114. Das Wasser 110 und das Öl 114 sind nicht mischbar und sind durch einen Fluidmeniskus 116 getrennt. Das Wasser 110 ist elektrisch leitend und das Öl 114 ist elektrisch isolierend und ist z. B. ein Silikonöl oder ein Alkan. Das Wasser 110 und das Öl 114 sind vorzugsweise so beschaffen, dass sie eine gleiche Dichte haben, sodass eine Konfiguration des Fluidmeniskus 116 im Wesentlichen unabhängig von der Orientierung ist, d. h. ohne Abhängigkeit von Gravitationswirkungen zwischen dem Wasser 110 und dem Öl 114. Dies kann durch eine geeignete Wahl des Öls 114 erreicht werden, wobei z. B. Alkane oder Silikonöle durch den Zusatz molekularer Bestandteile modifiziert werden können, um ihre Dichte zu erhöhen, damit sie mit der des Wassers 110 übereinstimmt.
Bei dieser Ausführungsform befindet sich eine untere ringförmige Oberfläche 118 einer ringförmigen ersten, aus einem metallischen Material gebildeten Elektrode 119, die konzentrisch um die optische Achse OA angeordnet ist, in Kontakt mit der ringförmigen Oberfläche 112 des Beugungselements 102. Teile einer oberen ringförmigen Oberfläche 120 der ringförmigen ersten Elektrode 119 befinden sich in Kontakt mit der ringförmigen Oberfläche 115 des Einfassungselements 113 und ein Teil der oberen ringförmigen Oberfläche 120 der ringförmigen ersten Elektrode 119 befindet sich in Kontakt mit dem Wasser 110.
Das Einfassungselement 113 umfasst eine zylindrische zweite Elektrode 122, die aus einem metallischen Material gebildet wird und so angeordnet ist, dass eine longitudinale Achse mit der optischen Achse OA zusammenfällt. Eine Fluidkontaktschicht 124 verringert eine Hysterese in einem Kontaktwinkel des Fluidmeniskus 116 mit einer zylindrischen Wand des Einfassungselements 113. Die Fluidkontaktschicht 124 wird vorzugsweise aus einem amorphen Fluorkohlenstoff wie Teflon^TM AF1600, das von DuPont^TM hergestellt wird, gebildet. Die AF1600-Beschichtung kann durch wiederholte Tauchbeschichtung der zweiten Elektrode 122 hergestellt werden, wodurch eine homogene Schicht mit einer im Wesentlichen gleichförmigen Dicke gebildet wird. Die europäische Patentanmeldung Nr. 02075649 , die durch Nennung als hierin aufgenommen betrachtet wird, liefert weitere Einzelheiten von Systemen, die Elektrobenetzungskräfte verwenden, um eine Konfiguration eines Fluidmeniskus zu modifizieren.
Wenn über die erste und die zweite Elektrode 119, 122 keine Spannung angelegt ist, hat die Fluidkontaktschicht 124 eine höhere Benetzbarkeit in Bezug auf das Wasser 110 als in Bezug auf das Öl 114. Infolge von Elektrobenetzungskräften ändert sich die Benetzbarkeit durch das Wasser 110 beim Anlegen einer Spannung V über die erste Elektrode 119 und die zweite Elektrode 122, die dazu neigt, einen Kontaktwinkel des Fluidmeniskus 116 an der Dreiphasenlinie (die Kontaktlinie zwischen der Fluidkontaktschicht 124, dem Wasser 110 und dem Öl 114) zu ändern. Eine Konfiguration des Fluidmeniskus 116, der das zweite und das dritte Material trennt, kann auf diese Weise in Abhängigkeit von der angelegten Spannung V₁ modifiziert werden. Bei dieser Ausführungsform hat die Konfiguration des Fluidmeniskus eine rotationssymmetrische Krümmung, die um die optische Achse OA zentriert ist. Durch Änderung der Spannung V₁, die über die erste und die zweite Elektrode 119, 112 angelegt wird, ändert sich die Krümmungsrate des Fluidmeniskus 116 entsprechend. Wenn über die erste und die zweite Elektrode 119, 112 keine Spannung angelegt wird, ist die Krümmung des Fluidmeniskus 116 bei Betrachtung längs der optischen Achse OA vom Wasser 110 her konvex.
Der Fluidmeniskus 116 mit einer bestimmten Krümmungsrate wirkt als Linse auf das gegebene Strahlenbündel, wobei das gegebene Strahlenbündel bereits durch das Beugungselement 102 zu der ersten Beugungsordnung m = 1 gebeugt wurde. Eine Änderung der Krümmungsrate des Fluidmeniskus 116 ändert die fokussierende Wirkung der Linse.
6 zeigt in schematischer Form eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der keine Elektrobenetzungskräfte verwendet werden, um eine Konfiguration eines Fluidmeniskus zu modifizieren. Elemente dieser Ausführungsform sind gleichfalls Elementen von zuvor beschriebenen Ausführungsformen ähnlich. Ähnliche Bezugszeichen, um 200 erhöht, werden für diese Elemente verwendet und frühere Beschreibungen von Merkmalen dieser Elemente sind so zu verstehen, dass sie auch hier gelten.
Bei dieser Ausführungsform sind eine erste Vielzahl von Rillen 226 und eine zweite Vielzahl von Rillen 228 dahingehend etwas verschieden von den Vielzahlen von Rillen zuvor beschriebener Ausführungsformen, dass die Rillen geradlinig sind und parallel zueinander längs einer Richtung senkrecht zur optischen Achse OA angeordnet sind. Die erste und die zweite Vielzahl von Rillen 226, 228 haben jedoch gleichfalls eine erste Tiefe d₁ und eine andersartige zweite Tiefe d₂, sind geblazed und übereinstimmend in Paaren angeordnet, wobei diese sämtlichen Merkmale bewirken, dass das Beugungselement 202 eine gewünschte Beugungsordnung m eines gegebenen Strahlenbündels auswählt. Eine Rille der ersten Vielzahl von Rillen 226 und eine Rille der zweiten Vielzahl von Rillen 228, die ein Paar 211 bilden, haben im Wesentlichen eine gleiche Breite. Die Breiten aller Rillen der ersten und der zweiten Vielzahl von Rillen 226, 228 sind im Wesentlichen gleich.
7 zeigt in schematischer Form ein optisches System, das ein Beugungselement 302 der vorliegenden Erfindung umfasst, welches den Beugungselementen vorheriger Ausführungsformen ähnlich ist. Ähnlich wie bei Beschreibungen des Beugungselements vorheriger Ausführungsformen ist bei dem Beugungselement 302 ein Einfassungselement 313 angeordnet, um eine fluiddichte Einfassung zum Aufnehmen des Wassers 310 zu schaffen. Das optische System ist z. B. so beschaffen, dass es eine Bilderfassungsvorrichtung wie z. B. eine Fotokamera umschließt. Das optische System umfasst eine Vielzahl von Linsen 330, wobei jede Linse mindestens eine brechende Oberfläche hat. Die Linsen 330 und das Beugungselement 302, die mit dem Einfassungselement 313 angeordnet sind, werden längs einer optischen Achse OA ausgerichtet, sodass ein gegebenes Strahlenbündel, das Wellenlängen umfasst, die einer zu erfassenden Bildszene entsprechen, auf ein Bildaufzeichnungselement 332 fokussiert wird. Das Bildaufzeichnungselement ist z. B. ein chemischer fotografischer Film oder eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (Charged Couple Device, CCD). Das Einschließen des Beugungselements 302 in das optische System ermöglicht, dass eine gewünschte bestimmte Beugungsordnung m der Wellenlängen des gegebenen Strahlenbündels durch das als Linse wirkende Beugungselement 302 ausgewählt und jedwedes Störlicht des Strahlenbündels im Wesentlichen eliminiert wird.
Die obigen Ausführungsformen sind als erläuternde Beispiele der vorliegenden Erfindung zu verstehen. Weitere Ausführungsformen sind vorgesehen.
In weiteren Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die ersten, zweiten und dritten Materialien nicht auf COC, Luft bzw. Wasser beschränkt sind. Verschiedene Materialien, die im Wesentlichen starr sind, können für das erste Material verwendet werden, wie auch verschiedene Materialien, einschließlich Feststoffe oder alternative Fluids wie etwa eine Flüssigkeit, für das zweite Material verwendet werden können sowie verschiedene Flüssigkeiten für das dritte Material verwendet werden können. Es ist erforderlich, dass ein Brechungsindex und eine optische Dispersion des ersten, zweiten und dritten Materials derart sind, dass eine gewünschte Beugungsordnung für unterschiedliche Wellenlängen eines gegebenen Strahlenbündels ausgewählt wird, während eine chromatische Aberration im Wesentlichen eliminiert wird.
Es ist ferner vorgesehen, dass Tiefen, Breiten und das Blazing von Rillen verschieden sein können von den speziellen, früher beschriebenen Beispielen. Rillen einer Vielzahl von Rillen an einer Grenzfläche können sämtlich eine gleiche Breite haben oder können, wie vorher beschrieben, längs eines Radius untereinander unterschiedliche Breiten haben. Anstelle des Blazings können die Rillen abwechselnd angeordnet sein, um ein binäres Gitter zu bilden. In beschriebenen Ausführungsformen ist zusätzlich jede Vielzahl von Rillen so angeordnet, dass eine Seite des Beugungselements im Wesentlichen abgedeckt wird. Es ist alternativ vorgesehen, dass jede Vielzahl von Rillen so angeordnet ist, dass lediglich ein Teil einer Seite des Beugungselements abgedeckt wird.
Das beschriebene gegebene Strahlenbündel umfasst Wellenlängen des sichtbaren Bereichs des elektromagnetischen Spektrums. Es ist ferner vorgesehen, dass das Beugungselement der vorliegenden Erfindung so eingerichtet ist, dass es eine im Wesentlichen maximale Effizienz einer bestimmten Beugungsordnung für andere unterschiedliche Wellenlängen auswählt, z. B. jene des ultravioletten und des infraroten Strahlungsspektrums.
Bei einem Herstellungsprozess des das Beugungselement enthaltenden optischen Systems kann das zweite Material, das auf die zweite Vielzahl von Rillen aufgebracht wird, ein flüssiges Harz sein, das anschließend unter Verwendung von ultravioletter Strahlung zu einer festen Form gehärtet wird, statt eine Flüssigkeit zu bleiben.
Wie beschrieben, kann eine Konfiguration des dritten Materials unter Verwendung von Elektrobenetzungskräften modifiziert werden. Das Beugungselement in einem optischen System, das Elektrobenetzungskräfte verwendet, ist nicht darauf beschränkt, Rillen zu enthalten, die konzentrisch um die optische Achse angeordnet sind. Geradlinige Rillen, die parallel zueinander angeordnet sind, können alternativ verwendet werden.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist das optische System, welches das Beugungselement umfasst, eine Bilderfassungsvorrichtung, z. B. eine Fotokamera. Es ist vorgesehen, dass das Beugungselement in weiteren optischen Systemen enthalten ist, die auf ein Strahlenbündel einwirken, das eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen im Allgemeinen aus einem großen Bereich von Wellenlängen umfasst, z. B. optische Abtastvorrichtungen, die Daten verwenden, die aus einer Vielzahl unterschiedlicher optischer Platten, z. B. aus einer Compact Disc (CD) oder einer Digital Versatile Disc (DVD) ausgelesen werden. Es versteht sich, dass jedes Merkmal, das im Zusammenhang mit irgendeiner anderen Ausführungsform beschrieben wird, allein oder in Kombination mit anderen beschriebenen Merkmalen verwendet werden kann und außerdem in Kombination mit einem oder mehreren Merkmalen von irgendeiner anderen der Ausführungsformen oder mit einer beliebigen Kombination von irgendwelchen anderen Ausführungsformen verwendet werden kann.
Des Weiteren können Entsprechungen und Modifikationen, die oben nicht beschrieben wurden, außerdem verwendet werden, ohne vom Anwendungsbereich der Erfindung, der in den beigefügten Ansprüchen definiert ist, abzuweichen. Text in den Figuren

Fig. 2, 3, 4

Efficiency η/% Effizienz η/%

Wavelength λ_n/nm Wellenlänge λ_n/nm

Claims

Optisches System, das ein Beugungselement (2; 102; 202; 302) umfasst, das aus einem im Wesentlichen starren Material mit einem ersten Brechungsindex gebildet wird, wobei das Beugungselement Folgendes aufweist: a) eine erste Vielzahl von Rillen (4; 104; 226) an einer ersten Grenzfläche des Beugungselements zu einem zweiten Material (8; 108; 208) mit einem zweiten Brechungsindex, und b) eine zweite, andersartige Vielzahl von Rillen (6; 106; 228) an einer zweiten, andersartigen Grenzfläche des Beugungselements zu einem dritten Material (10; 110; 210) mit einem dritten Brechungsindex, wobei die erste und die zweite Vielzahl von Rillen in Bezug zueinander ausgerichtet sind, sodass eine kombinierte beugende Wirkung erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, dass die eine Grenzfläche an einer Seite des starren ersten Materials angeordnet ist und die zweite Grenzfläche an einer anderen, der einen Seite gegenüberliegenden Seite des starren ersten Materials angeordnet ist, wobei das dritte Material (10; 110; 210) eine Flüssigkeit ist.
Optisches System nach Anspruch 1, bei dem die erste Vielzahl und die zweite Vielzahl von Rillen (4; 104; 226), (6; 106; 228) geblazed und so eingerichtet sind, dass sie eine gewünschte Beugungsordnung einer gegebenen Eingangsstrahlung auswählen.
Optisches System nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die erste Vielzahl von Rillen eine erste Tiefe (d₁) hat, die zweite Vielzahl von Rillen eine zweite, andersartige Tiefe (d₂) hat und bei dem die erste und die zweite Tiefe voneinander verschieden sind.
Optisches System nach Anspruch 3, bei dem die Rillen so eingerichtet sind, dass sie die folgende Beziehung erfüllen: –(n1 – n2)d1 + (n1 – n3)d2 = mλn, wobei n₁, n₂ und n₃ der erste, zweite bzw. dritte Brechungsindex sind und d₁ und d₂ die erste bzw. die zweite Tiefe sind, m eine gewünschte Beugungsordnung ist und λ_n eine Wellenlänge der gegebenen Eingangsstrahlung ist.
Optisches System nach Anspruch 4, bei dem das gegebene Strahlenbündel eine Vielzahl unterschiedlicher Wellenlängen λ_n umfasst und die Rillen so eingerichtet sind, dass eine Beugungseffizienz η für jede der unterschiedlichen Wellenlängen λ_n im Wesentlichen maximiert wird, wobei die Effizienz η für jede der unterschiedlichen Wellenlängen λ_n des gegebenen Eingangsstrahlenbündels unter Verwendung der folgenden Beziehung angegeben wird:
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die erste Vielzahl und die zweite Vielzahl von Rillen (4; 104; 226), (6; 106; 228) konzentrisch um eine optische Achse (OA) angeordnet sind.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem Breiten der übereinstimmenden Paare im Wesentlichen gleich sind, wobei die Breiten in einer Richtung senkrecht zur optischen Achse verlaufen.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Material eine gegebene optische Dispersion und das dritte Material eine andersartige optische Dispersion aufweist.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das zweite Material ein Fluid ist.
Optisches System nach Anspruch 9, bei dem das zweite Material ein Gas (8; 108; 208) ist.
Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das System so eingerichtet ist, dass es eine Konfiguration des dritten Materials unter Verwendung von Elektrobenetzungskräften modifiziert.
Verfahren zur Herstellung eines optischen Systems, das ein Beugungselement (2; 102; 202; 302) umfasst, das aus einem im Wesentlichen starren ersten Material mit einem ersten Brechungsindex gebildet wird, wobei das Beugungselement bei der Herstellung Folgendes umfasst: a) eine erste Vielzahl von Rillen (4; 104; 226) an einer ersten Grenzfläche des Beugungselements zu einem zweiten Material (8; 108; 208) mit einem zweiten Brechungsindex, und b) eine zweite Vielzahl von Rillen (6; 106; 228) an einer zweiten Grenzfläche des Beugungselements zu einem dritten Material (10; 110; 210) mit einem dritten, andersartigen Brechungsindex, wobei die erste Grenzfläche an einer Seite des starren ersten Materials angeordnet ist und die zweite Grenzfläche an einer anderen, der einen Seite gegenüberliegenden Seite des starren ersten Materials angeordnet ist, wobei die erste und die zweite Vielzahl von Rillen in Bezug zueinander ausgerichtet sind, sodass eine kombinierte beugende Wirkung erreicht wird, wobei das Verfahren das Aufbringen des zweiten Materials auf der ersten Vielzahl von Rillen umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren das Aufbringen des dritten Materials (10; 110; 210) auf die zweite Vielzahl von Rillen als Flüssigkeit umfasst.