DE69818581T2

DE69818581T2 - Beugungselement und damit ausgestattetes optisches System

Info

Publication number: DE69818581T2
Application number: DE69818581T
Authority: DE
Inventors: Takehiko Ohta-ku Nakai
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-07-28
Filing date: 1998-07-27
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2018-07-28
Also published as: EP0895099B1; EP0895099A2; JPH1144810A; DE69818581D1; JP3495884B2; US6480332B1; EP0895099A3

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Beugungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, und insbesondere auf ein optisches Beugungselement, welches solch eine Gitterstruktur aufweist, daß Strahlen mit einer Vielzahl von Wellenlängen oder Strahlen eines bestimmten Wellenlängenbands sich bei einer bestimmten Ordnung der Beugung (einer baulich vorgegebenen Ordnung) konzentrieren, sowie ein optisches System, welches das optische Beugungselement umfaßt.
Bis jetzt war eines der Verfahren zum Korrigieren von chromatischer Aberration in einem optischen System ein Verfahren bei dem zwei sich in ihrer Dispersion unterscheidende Glas(linsen)materialien kombiniert worden sind.
Im Gegensatz zu den Verfahren zum Reduzieren chromatischer Aberration durch Kombinieren von Glasmaterialien, ist ein weiteres Verfahren bekannt, welches offenbart ist in der Optikliteratur, wie zum Beispiel in "International Lens Design Conference (1990)", SPIE Vol. 1354, etc., sowie in den Beschreibungen von JP-A-4-213421, JP-A-6-324262 und US-A-5,044,706. Im Falle dieses Verfahrens wird chromatische Aberration mittels eines optischen Beugungselements korrigiert, welches mit einem Beugungsgitter bereitgestellt wird, um einen Beugungseffekt zu erzielen, und welches auf einer Linsenoberfläche oder einem Teil eines optischen Systems angebracht ist. Dieses Verfahren beruht auf dem physikalischen Phänomen, daß die Richtung, in welcher eine chromatische Aberration für einen Lichtstrahl einer Referenzwellenlänge auftritt, sich zwischen einer brechenden Oberfläche und einer Beugungsoberfläche in einem optischen System umkehrt.
Weiterhin kann das optische Beugungselement gemäß einer solchen Art so angeordnet sein, daß es durch Variieren der Periode einer periodischen Struktur ihres Beugungsgitters einen vorteilhaften Korrektureffekt vergleichbar einer sphärischen Linse auf die Aberration bewirkt.
Hierbei tritt im Vergleich zu einem auf Lichtstrahlen einwirkenden Brechungsvorgang, bei dem ein Lichtstrahl auch nach der Brechung an einer Linsenoberfläche ein einzelner Strahl bleibt, die Situation auf, daß ein Lichtstrahl nach der Beugung an einer Beugungsoberfläche in Lichtstrahlen mit einer Vielzahl von Ordnungen aufgespalten wird.
Verwendet man ein optisches Beugungselement für ein Linsensystem ist es deshalb notwendig, die Gitterstruktur in solch einer Weise festzulegen, daß ein Lichtfluß in einem nützlichen Wellenlängenbereich bei einer bestimmten Beugungsordnung konzentriert wird (im folgenden als baulich vorgegebene Ordnung zeichnet). Konzentriert sich der Lichtstrom bei einer bestimmten Ordnung, so haben gebeugte Lichtstrahlen, die nicht zum Lichtstrom der vorgegebenen Ordnung gehören einen niedrigeren Intensitätsgrad. Wird die Intensität gleich Null, so treten keine gebeugten Lichtstrahlen auf.
Um das oben genannte Merkmal zu verwirklichen, muß der Beugungswirkungsgrad eines Lichtstrahls der baulich vorgegebenen Ordnung ausreichend hoch sein. Weiterhin werden in einem Fall, wo es einige Lichtstrahlen gibt mit Beugungsordnungen, die sich von der baulich vorgegebenen Ordnung unterscheiden, diese Lichtstrahlen auf einen anderen Ort abgebildet als der Abbildungsort des Lichtstrahls der vorgegebenen Ordnung, wodurch sie als Störlicht auftreten.
Für ein optisches System, welches ein optisches Beugungselement verwendet, ist es deshalb wichtig, ausreichend Aufmerksamkeit auf die spektrale Verteilung des Wirkungsgrads der Beugung bei der baulich vorgegebenen Ordnung zu richten, sowie auf das Verhalten von Strahlen von gebeugtem Licht bei Ordnungen, die sich von der baulich vorgegebenen Ordnung unterscheiden.
12 zeigt einen Fall, wo ein optisches Beugungselement 1, welches ein Beugungsgitter 3 aufweist und aus einer Schicht auf einer Basisplatte 2 besteht, auf der Oberfläche eines optischen Systems ausgebildet ist. In diesem Fall wird ein Beugungswirkungsgrad für eine vorgegebene Ordnung der Beugung wie in 13 gezeigt, erhalten, welche die Kennlinie des Beugungswirkungsgrads zeigt. Dieses optische Beugungselement besteht aus Kunststoff, nämlich PMMA (nd = 1,4917 und vd = 57,4). Die Gitterdicke d ist auf 1,07 μm festgesetzt. In 13 entspricht die Abszissenachse des Graphen der Wellenlänge (nm) und die Ordinatenachse entspricht dem Beugungswirkungsgrad (%).
Das optische Beugungselement 1 ist so ausgelegt, daß sein Beugungswirkungsgrad am höchsten wird in der ersten Ordnung der Beugung (in 13 als durchgezogene Linie gezeichnet) im benutzbaren Wellenlängenbereich (das heißt bei Wellenlängen von 530 nm und darum herum). Mit anderen Worten bedeutet das, daß die baulich vorgegebene Ordnung des optischen Beugungselements 1 die erste Ordnung ist.
Weiterhin zeigt 13 auch den Beugungswirkungsgrad einer Beugungsordnung in der Nähe der vorgegebenen Ordnung, das heißt Licht nullter Ordnung und Licht zweiter Ordnung (erste Ordnung ± eine Ordnung). Wie in 13 gezeigt, wird bei der vorgegebenen Ordnung der Beugungswirkungsgrad am höchsten bei einer bestimmten Wellenlänge (im Nachfolgenden als "baulich vorgegebene Wellenlänge") bezeichnet und verringert sich allmählich bei anderen Wellenlängen. In diesem Fall ist die baulich vorgegebene Wellenlänge λ auf 530 nm gesetzt. Der untere Bereich des Beugungswirkungsgrads, welcher bei der baulich vorgegebenen Ordnung erzielt wird, führt zu Beugungslicht bei anderen Ordnungen und erscheint als Störlicht. Weiterhin wird in einem Fall, wo das optische System mit einer Vielzahl von optischen Beugungselementen versehen ist, ein Abfallen im Beugungswirkungsgrad bei Wellenlängen, die sich von der baulich vorgegebenenen Wellenlänge unterscheiden, letztendlich zu einem Absinken im Transmissionsfaktor führen.
Ein allgemeines optisches Beugungselement mit einem Aufbau, der in der Lage ist, zu einer Verringerung des Abfalls im Beugungswirkungsgrad zu führen, ist in DE-A-195 33 591 (Mitglied der Patentfamilie zu JP-A-9-127321) offenbart. Genauer gesagt wird dort das optische Beugungselement so aufgebaut, daß ein Laminieren einer Vielzahl von Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf einer Basisplatte erfolgt und ein Reliefmuster eines Beugungsgitters auf einer Grenzschicht zwischen den Schichten aus verschiedenen Materialien ausgebildet wird.
Das optische Beugungselement der Art mit einem Gitteraufbau, der gebildet wird durch Laminieren einer Vielzahl von Schichten auf einer Basisplatte, kann so ausgebildet werden, daß ein hoher Beugungswirkungsgrad durch Kombinieren von Komponentenschichten auf verschiedene Weisen entsteht. Einige dieser Kombinationen führen jedoch dazu, daß die Dicke des Gitters des optischen Beugungselements dicker ist als im Falle eines herkömmlichen Elements, welches aus einer einzelnen Schicht besteht, da die Materialien welche Beugungsgitter an ihren Grenzflächen bilden, nicht anders angeordnet werden können, um einen ausreichend großen Unterschied im Brechungsindex aufzuweisen. Solch eine Kombination, welche eine Vergrößerung der Dicke des Gitters verursacht, führt zu einem Problem, in dem Fall, wo der Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen sich ändert, was zu einer Verringerung des Beugungswirkungsgrads führt.
Im Falle von Temperaturschwankungen verursachen einige dieser Kombinationen somit einen Abfall des Beugungswirkungsgrads des optischen Beugungselements dieser Art, so daß dieser niedriger wird als bei einem optischen Beugungselement, welches aus einer einzelnen Schicht in herkömmlicher Weise hergestellt ist.
Es ist ein Ziel der Erfindung, ein optisches Beugungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so weiter zu entwickeln, daß sein Beugungswirkungsgrad durch Änderungen des Brechungsindex, welcher auf Temperaturschwankungen beruht, nicht stark beeinträchtigt wird.
Diese Aufgabe wird durch ein optisches Beugungselement mit den Merkmalen nach Anspruch 1 erfüllt.
Vorteilhafte weitere Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
Ein optisches System mit einem optischen Beugungselement und ein Gerät, welches ein solches optisches System aufweist, sind in den Ansprüchen 10 bzw. 13 definiert.
Bevorzugterweise umfaßt die Vielzahl von Beugungsgittern ein Brechungsgitter, in welchem eine Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode sich monoton in einer Richtung verkleinert, sowie ein Beugungsgitter, in welchem eine Beugungsschichtdicke hiervon sich innerhalb einer Periode monoton in dieser Richtung vergrößert.
Hat das optische Beugungselement eine optische Gestalt (optische Weglänge), welche so ausgebildet ist, daß sich die Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode monoton vergrößert, so kommt es insbesondere innerhalb der Vielzahl von Lagen zumindest zu einer Dispersion bei den Materialien der Schicht mit sich monoton veringernder Gitterschichtdicke, welche größer ist als zumindest eine Dispersion der Materialien der Schicht mit sich monoton vergrößernder Gitterschichtdicke.
Hat das optische Beugungselement eine optische Gestalt (optische Weglänge), welche so ausgebildet ist, daß sie die Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode monoton vergrößert, so ist die Dispersion zumindest eines der Materialien in der Lage, so ausgebildet, daß sich die Gitterschichtdicke monoton vergrößert und größer ist als die Dispersion zumindest eines der Materialien, welches in der Lage ausgebildet ist, bei der sich die Gitterschichtdicke monoton verkleinert.
Weiterhin ist zumindest eine der Vielzahl der Lagen aus einem optischen Kunststoffmaterial hergestellt oder besteht aus einer mit Ultraviolettstrahlung aushärtbarem Harz.
Weiterhin liegt der verwendbare Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektrum.
Weiterhin ist die Vielzahl von Schichten auflaminiert auf eine Basisplatte, und eine mit der Basisplatte in Kontakt stehende Schicht innerhalb der Vielzahl von Schichten besteht aus demselben Material wie das Material der Basisplatte.
Ein optisches System gemäß der Erfindung verwendet das optische Beugungselement, welches ausgeführt ist gemäß einem der oben erläuterten Aspekte der Erfindung.
Das optische Beugungselement gemäß der Erfindung ist insbesondere verwendbar für ein optisches Bildformungssystem und ein optisches Beobachtungssystem.
Die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung ist anwendbar auf optische Geräte und elektronische Geräte, welche die oben genannten optischen Systeme aufweisen.
Das oben genannte Ziel und weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen zusammen mit den beigefügten Zeichnungen.
Es zeigen:
1 eine Draufsicht, welche die wesentlichen Teile eines optischen Beugungselements gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
2 einen Querschnitt, welcher die wesentlichen Teile eines optischen Beugungselements gemäß der ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
3 den Beugungswirkungsgrad, welcher bei der vorgegebenen Ordnung der Beugung des optischen Beugungselements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auftritt.
4 den Beugungswirkungsgrad, welcher bei einer Ordnung nahe bei der vorgegebenen Ordnung des optischen Beugungselements gemäß der ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auftritt.
5 einen Querschnitt, welcher die wesentlichen Teile eines optischen Beugungselements gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6 ein schematisches Diagramm, welches das optische Beugungselement gemäß der zweiten Ausführungsform zeigt.
7 beispielhaft eine Abänderung des optischen Beugungselements in der zweiten Ausführungsform.
8 ein weiteres Beispiel einer Änderung des optischen Beugungselements in der zweiten Ausführungsform.
9 einen Querschnitt, welcher die wesentlichen Teile eines optischen Beugungselements gemäß der dritten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
10 eine schematische Darstellung eines optischen Systems, welches ein optisches Beugungselement gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung zeigt.
11 ein optisches System, welches ein optisches Beugungselement gemäß einer fünften Ausführungsform der Erfindung zeigt.
12 einen Querschnitt, welcher wesentliche Teile eines herkömmlichen optischen Beugungselements zeigt.
13 den Beugungswirkungsgrad eines herkömmlichen optischen Beugungselements.
14 den Beugungswirkungsgrad, welcher bei der vorgegebenen Ordnung der Beugung bei einem herkömmlichen optischen Beugungselement erzielt wird.
15 den Beugungswirkungsgrad, welcher bei einer Ordnung nahe der vorgegebenen Ordnung bei einem herkömmlichen optischen Beugungselement erzielt wird.
Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben.
1 zeigt eine Draufsicht auf ein optisches Beugungselement gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. In 1 besteht das optische Beugungselement 1 aus einem laminierten Teil 3, welcher gebildet wird durch Laminieren einer Vielzahl von Schichten auf der Oberfläche einer Basisplatte 2.
2 ist ein Querschnitt eines Teils des optischen Beugungselements längs einer Linie A-A' in 1. In 2 ist dieser Teil des optischen Beugungselements in einer nicht maßstäblichen Darstellung in Richtung der Tiefe des Gitters (Beugungsgitters) gezeichnet. Das optische Beugungselement gemäß der ersten Ausführungsform wird dadurch ausgebildet, daß auf der Basisplatte 2 eine erste Schicht 3-1 und eine zweite Schicht 3-2 auflaminiert werden, welche aus Materialien bestehen, die sich in ihrer Dispersion voneinander unterscheiden (Abbé Nr. vd). Eine erste Beugungsgitteroberfläche 3a ist an der Grenze zwischen der ersten Schicht 3-1 und der zweiten Schicht 3-2 ausgebildet und eine zweite Beugungsgitteroberfläche 3b ist an der Grenze zwischen der zweiten Schicht 3-2 und Luft ausgebildet. Somit ist ein erstes Beugungsgitter 3-1 ausgebildet durch die erste Schicht und die erste Beugungsgitteroberfläche 3a, und ein zweites Beugungsgitter 3-2 ist ausgebildet durch die zweite Schicht, und die erste Beugungsgitteroberfläche 3a, welche in Kontakt steht mit der zweiten Schicht und der zweiten Beugungsgitteroberfläche 3d.
Dementsprechend hat ein optisches Beugungselement gemäß der ersten Ausführungsform einen Aufbau, welcher aus dem ersten Beugungsgitter 3-1 besteht, und dem zweiten Beugungsgitter 3-2 besteht, welches auf dem ersten Beugungsgitter 3-1 ausgebildet ist.
Weiterhin sind gemäß der ersten Ausführungsform das erste Beugungsgitter 3-1 und das zweite Beugungsgitter 3-2 übereinanderliegend auf solch eine Weise ausgebildet, daß die Gitterschichtdicke d1 des ersten Beugungsgitters 3-1 sich innerhalb einer Periode, wie in 2 gezeigt von links nach rechts monoton verringert und die Gitterschichtdicke d2 des zweiten Beugungsgitters 3-2 sich innerhalb einer Periode von links nach rechts monoton vergrößert.
Das optische Beugungselement gemäß der ersten Ausführungsform ist gekennzeichnet durch einen Gitteraufbau, bei dem eine Vielzahl von Schichten aus zumindest zwei Materialien sich voneinander in der Dispersion unterscheiden auf einer Basisplatte auflaminiert sind, um in jeder Schicht ein Beugungsgitter in jeder Lage zu bilden. Der Gitteraufbau ist gekennzeichnet durch eine Gesamtsumme der Werte, welche erhalten werden durch Multiplikation der Gitterschichtdicke eines jeden Beugungsgitters mit einer Veränderungsrate des Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen des Materials für ein jedes Beugungsgitter, welche ausreichend klein ist im Vergleich mit einer benutzbaren Wellenlänge.
Weiterhin ist es ein Merkmal der ersten Ausführungsform, daß die Schichten aus Materialien bestehen, welche sich in ihrer Dispersion unterscheiden, um zumindest ein Paar von Gittern zu bilden, wobei die Gitterschichtdicke einer Lage sich monoton vergrößert und die der anderen Schicht sich monoton verkleinert innerhalb einer Periode.
Es ist ein weiteres Merkmal der ersten Ausführungsform, daß falls das optische Beugungselement eine optische Gestalt (optische Weglänge) aufweist, welche so ausgeformt ist, daß sich die Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode monoton vergrößert, es innerhalb der Vielzahl der Schichten es zumindest ein Material innerhalb der Schicht gibt, bei der sich die Gitterschichtdicke vergrößert, dessen Dispersion größer ist als die Dispersion zumindest eines der Materialien, welche in der Schicht ausgeformt sind, in dem sich die Gitterschichtdicke monoton vergrößert.
Falls das optische Beugungselement eine optische Gestalt (optische Weglänge) aufweist, bei der sich die Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode monoton verkleinert, so gibt es weiterhin zwischen der Vielzahl der Schichten zumindest ein Material innerhalb der Schicht, bei der sich die Gitterschichtdicke monoton vergrößert, dessen Dispersion größer ist als die Dispersion bei zumindest einem der Materialien in der Schicht, bei der sich die Gitterschichtdicke monoton verkleinert.
Eine Kombination von Materialien der Schichten, welche das erste und zweite Beugungsgitter 3-1 und 3-2 bilden, um so einen höheren Beugungswirkungsgrad über einen breiten Wellenlängenbereich zu ergeben, wird im folgenden beschrieben. Vor dieser Beschreibung wird das Verhalten in Bezug auf den Beugungswirkungsgrad des Beugungsgitters der Zweischichtstruktur sowie des Beugungswirkungsgrads der herkömmlichen Kombination von Materialien wie folgt beschrieben. 12 zeigt ein optisches Beugungselement 1 vom Transmissionstyp, welches dazu dient, in Luft verwendet zu werden. Um einen maximalen Beugungswirkungsgrad für eine vorgegebene Wellenlänge λ0 mit einem optischen Beugungselement gemäß dieses Typs zu erhalten, muß die optische Weglängendifferenz d0 zwischen dem Scheitelpunkt und dem Tiefpunkt eines Beugungsgitters ein ganzzahliges Vielfaches der vorgegebenen Wellenlänge sein, was wie folgt beschrieben wird: d0 = (n0 – 1)d = mλ0 (1),wobei n0 der Brechungsindex des Materials bei der Wellenlänge λ0 ist, d eine maximale Gittertiefe und m die Beugungsordnung.
Da sich im Falle eines optischen Beugungselements mit einer Zweischichtstruktur zwei Beugungsgitter in gegenläufigen Richtungen überlagern, um ein optisches Beugungselement zu ergeben, wird eine notwendige Bedingung gemäß der Formel (1) wie folgt formuliert: (n01 – 1)d1 – (n02 – 1)d2 = mλ0 (2), wobei die maximalen Gittertiefen d1 und d2 der ersten und zweiten Schichten Absolutwerte sind, n01 der Brechungsindex bei der Wellenlänge λ0 des Materials der ersten Lage, und n02 der Brechungsindex der Wellenlänge λ0 des Materials der zweiten Lage.
Dann kann der Beugungswirkungsgrad n wie folgt angegeben werden: n = sinc2[{(n01 – 1)d1 – (n02 – 1)d2}/mλ0 – 1] = sinc2 (ϕ0 =/mλ0) (3),wobei ϕ0 einen Phasenfehler bedeutet, welcher ausgedrückt wird als
ϕ0 = (n01 – 1) d1 – (n02 – 1) d2 – mλ0. Weiterhin kann er analytisch ausgedrückt werden als "sinc(x) = sin(πx)/πx".
Wird die Formel (2) für den gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich erfüllt, so kann der Phasenfehler ϕ0 in der Formel (3) gleich "0" werden. Dann kann der Beugungswirkungsgrad n für alle nutzbaren Wellenlängen maximiert werden, was ausgedrückt werden kann durch n = sinc²[0] = 1.
Die Gitterform in der Gitterstruktur des optischen Beugungselements 1 gemäß der ersten Ausführungsform wird im folgenden auf der Basis von tatsächlichen Werten beschrieben. Der nutzbare Wellenlängenbereich soll im sichtbaren Spektrum liegen und die vorgegebene Ordnung des Beugungsgitters sei die positive erste Ordnung (m = 1). Die Basisplatte 2 und die erste Schicht 3-1, welche das erste Beugungsgitter 3-1 bildet, wird aus einem Acrylharz mit niedriger Feuchtigkeitsabsorption gebildet (nd = 1,4970, vd = 56,0). Die zweite Schicht 3-2, welche das zweite Beugungsgitter 3-2 bildet, wird aus einem Material hergestellt, welches als "Immersion Liquid I. L1160" bezeichnet wird (nd = 1,4820, vd = 42,3), wobei es sich um ein Produkt der Firma Cargille Laboratories Inc. handelt.
Der Brechungsindex n1 des Materials der ersten Schicht beträgt 1,49911, 1,50810 und 1,49432 bei der e-Linie (Wellenlänge = 0,546 μm) der g-Linie (Wellenlänge = 0,436 μm) und der c-Linie (Wellenlänge = 0,656 μm).
Der Brechungsindex n2 des Materials der zweiten Schicht beträgt andererseits 1,48480, 1,49692 und 1,47881 bei den e-, g- bzw. c-Linien. Deshalb wird die Formel (2) für diese Wellenlängen wie folgt ausgedrückt: (1,49911 – 1)d1 – (1,48480 – 1)d2 = 0,54607 (4) (1,50810 – 1)d1 – (1,49692 – 1)d2 = 0,435835 (5) (1,49432 – 1)d1 – (1,47881 – 1)d2 = 0,65627 (6).
Da es nur zwei Variablen für diese drei Gleichungen gibt, ist es unmöglich, irgendeinen Wert für die Dicke des Materials zu erhalten, welcher alle drei Formeln erfüllt.
Betragen zum Beispiel die maximalen Gittertiefen d1 und d2, welche aus den Formeln (4) und (5) ausgewählt werden durch Festlegen der e- und g-Linien, so bekommt man die Ergebnisse d1 = 35,4 μm und d2 = 35,4 μm. Werden diese Dickewerte in die linke Seite der Formel (6) eingesetzt, so ergibt sich das Ergebnis 0,549, was bedeutet, daß diese optische Weglängendifferenz 0,549 μm beträgt. Diese optische Weglängendifferenz von 0,549 μm ist kleiner als die Wellenlänge von 0,65627 μm der c-Linie in Formel (6). Dies bedeutet eine geringfügige Abweichung von der Bedingung, daß der Beugungswirkungsgrad maximiert sein soll. Der Beugungswirkungsgrad fällt somit ab auf einen Wert von n = sinc¹(0,549/1 × 0,656 – 1) = 98%, oder in dieser Größenordnung, in der Formel (3). Für eine jede Wellenlänge innerhalb des nutzbaren Wellenlängenbereichs wird der Beugungswirkungsgrad auf diese Weise aus der Beziehung zwischen der optischen Weglängen-differenz und der Wellenlänge erhalten.
14 zeigt den Beugungswirkungsgrad, welcher im sichtbaren Spektrum mit den oben angegebenen maximalen Gittertiefen d1 und d2 erhalten wird. In 14 zeigt eine durchgezogene Linie (i) den Beugungswirkungsgrad des optischen Beugungselements 1, welcher erhalten wird, während er in einem Anfangszustand ist, bei dem die oben genannte Beziehung erfüllt wird. Im Falle der 14 wird die Beugungswirkungsgradmaximierungsbedingung erfüllt, um den Beugungswirkungsgrad zu 100% werden zu lassen für die Wellenlängen der g- und e-Linien. Wie bei der Wellenlänge der c-Linie fällt der Beugungswirkungsgrad auf 98% oder ähnliche Werte ab. Verglichen mit dem Beugungswirkungsgrad eines herkömmlichen Beugungsgitters, welches aus einer Schicht gebildet wird und welcher auf 68% bei 400 nm abfällt, wie in 13 gezeigt, wird jedoch ein ausreichend hoher Beugungswirkungsgrad über das gesamte sichtbare Spektrum hinweg bei der ersten Ausführungsform erzielt.
15 zeigt den Beugungswirkungsgrad, welcher bei einer Ordnung in der Nähe der vorgegebenen Ordnung der Beugung erzielt wird, und welcher die nullte Ordnung und zweite Ordnung umfaßt. In 15 zeigt die Kurve (i) den Beugungswirkungsgrad, welcher um die vorgegebene Ordnung erzielt wird (inklusive der nullten und zweiten Ordnung), im ursprünglichen Zustand. Wie aus 15 ersichtlich ist, wird gebeugtes Licht bei der Ordnung in der Nähe der vorgegebenen Ordnung stark herabgesetzt auf einen Wert von weniger als 2% über den gesamten Bereich hinweg.
Schwankungen im Beugungswirkungsgrad, welche stattfinden, wenn die Brechungsindizes der Materialien der ersten und zweiten Lage sich aufgrund vom Temperaturschwankungen ändern, werden im folgenden beschrieben. Der Betrag der Änderung des Brechungsindex n eines jeden Materials, welcher durch eine Temperatur t verursacht wird (eine Rate der Änderung im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen) wird mit dn/dt angesetzt, und der Betrag der Änderung in der Temperatur wird mit Δt angesetzt. Der Brechungsindex eines jeden Materials wird sich dadurch aufgrund von Temperaturschwankungen in folgender Weise ändern: n01t = n01 + (dn01/dt) × Δt, und n02t = n02 + (dn02/dt) × Δt.
Deshalb kann der Beugungsgwirkungsgrad ηt, welcher nach einer Temperaturänderung erhalten wird, auf der Basis der Formel (3) wie folgt ausgedrückt werden: ηt = sinc2[{(n01t – 1)d1 – (n02t – 1)d2}/mλ0 – 1] = sinc2[{(n01 – 1)d1 – (n02 – 1)d2}/mλ0 – 1 + {(dn01/dt) × d1 – (dn02/dt) × d2)}Δt/mλ0] = sinc2(ϕ0/mλ0 + ϕt Δt/mλ0) (7)
In der vorstehenden Formel (7) ist der Term des Phasenfehlers ϕ0 = {(n01 – 1)d1 – (n02 – 1)d2} – mλ0 ein Wert, welcher festgelegt wird durch die Form im ursprünglichen Zustand und hängt nicht von der Temperaturänderung ab.
Um Schwankungen in Beugungswirkungsgrad aufgrund von Temperaturschwankungen zu unterdrücken, ist es deshalb notwendig, daß der Wert des Ausdrucks ϕt = {(dn01/dt) × d1 – (dn02/dt) × d2} klein gemacht wird.
Der Betrag der Änderung des Beugungswirkungsgrads aufgrund einer Temperaturänderung um 10° ergibt sich bei den oben genannten Materialien wie folgt:
Die Änderungsraten im Brechungsindex der Materialien der ersten und zweiten Schichten sind dn01/dt = 1,2 × 10^–4 und dn02/dt = –3,85 × 10^–4.
In diesem Fall wird angenommen, daß die Wellenlängenabhängigkeit der Änderungsrate im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen vernachläßigbar sein soll, um die Beschreibung zu erleichtern. Da die Dicke eines jeden Gitters so gewählt ist, daß die Formeln (4) und (5) erfüllt ist, beträgt der Phasenfehler ϕ0 gleich Null (ϕ0 = 0) für die g- und e-Linie.
Andererseits wird der Wert ϕt zu ϕt = (1.2 × 10–4) × 35,4 – (–3.85 × 10–4) × 35,4 = 0,0094.
Deshalb wird der Beugungswirkungsgrad ηt für die g- und e-Linie wie folgt: ηt = sinc2 (0,0094 × 10/1 × 0,435835) = 0,857 ηt = sinc2 (0,0094 × 10/1 × 0,54607) = 0,907
Wie oben gezeigt, fällt der Beugungswirkungsgrad für die g-Linie stark ab um ungefähr 14%, während er zumindest 97% oder darüber über den gesamten Wellenlängenbereich im ursprünglichen Zustand beträgt.
In den 14 und 15 bedeutet die Kurve (ii) den Beugungswirkungsgrad, welcher nach einer Temperaturänderung erhalten wird. Im Gegensatz zum Beugungswirkungsgrad, welcher im ursprünglichen Zustand erhalten wird, wie er durch die Kurve (i) dargestellt wird, kann der Beugungswirkungsgrad nach der Temperaturänderung, wie er durch die Kurve (ii) dargestellt ist, nicht das Hauptziel verwirklichen, welches darin besteht, einen hohen Beugungswirkungsgrad mittels eines Mehrschichtbeugungsgitters zu erzielen. Ein Versuch, die Änderung des Beugungswirkungsgrads auf 2% oder weniger zu erreichen würde jedoch erfordern, daß die zulässige Änderung der Temperatur auf 3,6° beschränkt wäre. Solch eine Beschränkung macht jedoch eine Temperaturregelung mittels spezieller Geräte notwendig. Die Verwendung eines solchen Geräts ist jedoch nicht einfach bei Linsen für herkömmliche Kameras, Videokameras und Büromaschinen.
Die Materialien, welche bei der ersten Schicht der ersten Ausführungsform verwendet werden sollen, und dazu dienen, den Abfall des Beugungswirkungsgrads zu unterdrücken, welcher durch die Änderungen des Brechungsindex verursacht wird, werden als nächstes beschrieben. Die Auswahl von Materialien mit Hinblick auf die ursprüngliche Leistungsfähigkeit des optischen Beugungselements wird so bestimmt, daß die Beziehung gemäß der Gleichung (2) soweit wie möglich erfüllt ist.
Um die Beschreibung zu erleichtern wird das optische Beugungselement, welches wie in 2 gezeigt, aus zwei Schichten besteht, in der folgenden Beschreibung verwendet. Der Beugungswirkungsgrad welcher erreichbar ist, wenn sich die Brechungsindizes der Materialien aufgrund einer Temperaturänderung ändern, wird durch die oben genannte Formel (7) beschrieben. In einem Fall, wo das ursprüngliche Leistungsvermögen gut ist, kann davon ausgegangen werden, daß der Wert ϕ0 ≈ 0. Um die Schwankungen im Beugungswirkungsgrad zu verringern, muß der Wert "ϕt × Δt" in der Formel (7) ausreichend klein sein. Der Wert ϕt muß deshalb klein sein.
Die erste Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, daß das optische Beugungselement aus zwei Schichten aus unterschiedlichen Materialien bestehen, welche kombiniert werden, um den Wert ϕt klein zu machen.
Der zulässige Wert für ϕt wird zunächst beschrieben. In dem Fall, daß Schwankungen des Beugungswirkungsgrads auftreten, die 2% nicht über den gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich überschreiten, wird der zulässige Wert ϕt wie folgt erreicht. Nimmt man an, daß der Wert der Temperaturänderung Δt 30° beträgt, so darf der Wert von "ϕt/m λ0" nicht größer als 2,6 × 10^–3 sein. Geht man dann davon aus, daß die vorgegebene Ordnung des Beugungsgitters die erste Ordnung ist (m = 1), und der nutzbare Wellenlängenbereich das sichtbare Spektrum zwischen 0,4 bis 0,7 μm ist, so muß die Kombination der Materialien und der maximalen Gittertiefe so festgelegt sein, daß der Wert ϕt nicht 1,04 × 10^–3 für die kurze Wellenlänge von 0,4 μm und 1,82 × 10^–3 für die lange Wellenlänge von 0,7 μm überschreitet.
Eine praktische Kombination der Materialien wird als nächstes beschrieben. Die meisten optischen Materialien, welche innerhalb des sichtbaren Spektrums verwendet werden, sind sogenanntes optisches Glas. Falls die beiden der zwei verschiedenen Materialien ausgesucht werden aus optischen Glasmaterialien, so betragen die Änderungen im Brechungsindex "dn01/dt" und "dn02/dt", und sie sind selber kleine Werte in der Größenordnung von nur 10^–6. Deshalb ergibt sich in diesem Fall die oben genannte Tiefe des Gitters zu 35 μm oder ähnlichen Werten und führt zu einem Wert von ϕt bei einem ausreichend kleinen Wert.
Es ist jedoch nicht einfach mit Hinblick auf die maschinelle Bearbeitung zwei verschiedene Materialien zu haben, bei denen es sich jeweils um optische Glasmaterialien handelt. Um den Herstellungsprozeß zu erleichtern ist es deshalb zu bevorzugen, daß zumindest eines der zwei verschiedenen Materialien ein optisches Kunststoffmaterial ist, oder ein mit ultravioletter Strahlung aushärtbares Harz, oder ähnliches. Zunächst wird eine Kombination beschrieben, bei der ein optisches Glasmaterial als eines der beiden unterschiedlichen Materialien verwendet wird, sowie ein optisches Kunststoffmaterial oder ein mit ultravioletter Strahlung aushärtbares Harz als anderes verwendet wird.
Der Wert der Änderung im Brechungsindex "dn/dt", des optischen Kunststoffmaterials ist –1,2 × 10^–4 oder in diesem Bereich. Verglichen mit diesem Wert ist der Wert der Änderung im Brechungsindex "dn/dt" des optischen Glases ausreichend klein. Deshalb kann im Falle dieser Kombination der Effekt einer Änderung im Brechungsindex des Glasmaterials vernachlässigbar sein. Im Falle der Kombination, bei der ein optisches Glasmaterial als erste Schicht verwendet wird und ein optisches Kunststoffmaterial als zweite Schicht verwendet wird kann zum Beispiel die Kombination so gewählt werden, daß sie einen Wert "ϕt ≈ (–dn02/dt) × d2" weniger aufweist als der oben genannte gewünschte Wert. Solch ein Wert ist erreichbar, um einen Abfall im Beugungswirkungsgrad aufgrund von Temperaturschwankungen auf ein Maß zu beschränken, welches 2% nicht überschreitet und zwar durch Anordnen des Beugungsgitters auf einer Seite der Kunststoffmaterialschicht, so daß eine maximale Gittertiefe "d" den Wert von 8,5 μm nicht überschreitet.
Wird optisches Kunststoffmaterial oder ein mit ultravioletter Strahlung aushärtbares Harz für die beiden der zwei Lagen verwendet, so können die beiden Lagen, die unterschiedlich sind, nicht so angeordnet werden, daß ein ausreichend großer Unterschied im Brechungsindex zwischen ihnen besteht. Deshalb ist es nicht einfach, die Gitterschichtdicke eines jeden Beugungsgitters dünn zu machen. Deshalb ist es wünschenswert, eine solche Kombination von Materialien zu finden, bei welcher der Wert ϕt einen vorgegebenen Wert nicht überschreitet, und zwar dadurch, daß die Beträge der Änderungen im Brechungsindex der beiden Schichten ausreichend gegeneinander versetzt sind.
Nimmt man zum Beispiel an, daß die Werte dn/dt (die Beträge der Änderung im Brechungsindex, d. h. die Änderungsraten im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankung) der beiden verschiedenen Materialien denselben Wert haben und auch dasselbe Vorzeichen und daß die maximalen Gittertiefen d1 und d2 dieselben sind, so kann der Abfall im Beugungswirkungsgrad aufgrund von Temperaturschwankungen exakt auf Null gesetzt werden. Falls der Unterschied in der Tiefe zwischen den maximalen Gittertiefen d1 und d2 so ausgelegt wird, daß er 8,5 μm nicht übertrifft, ist es weiterhin möglich, einen Abfall im Beugungswirkungsgrad aufgrund von Temperaturschwankungen zu unterdrücken bis zu einem Wert, der 2% nicht überschreitet, und zwar auf dieselbe Weise wie in dem Fall, wo ein optisches Kunststoffmaterial und ein mit Ultraviolettstrahlung aushärtbares Harzmaterial für nur eine der Lagen verwendet wird.
3 und 4 sind graphische Darstellungen, welche den Beugungswirkungsgrad zeigen, der bei Verwendung eines optischen Beugungselements erhalten wird, welches gemäß der vorliegenden Erfindung angeordnet ist. 3 zeigt den Beugungswirkungsgrad für das gebeugte Licht der ersten positiven Ordnung, welches die vorgegebene Ordnung ist. 4 zeigt den Beugungswirkungsgrad für das gebeugte Licht der nullten und zweiten Ordnung, welche neben der vorgegebenen Ordnung liegen.
Im Falle eines optischen Beugungselements gemäß der ersten Ausführungsform wird ein optisches Kunststoffmaterial PMMA (nd = 1,4917, vd = 57,4) als erste Schicht verwendet und ein anderes optisches Kunststoffmaterial PS (nd = 1,5918, vd = 31,1) als zweite Schicht. Das optische Beugungselement wird ausgebildet durch Laminieren dieser Schicht, wie in 2 gezeigt.
In diesem Falle beträgt die maximale Gittertiefe der ersten Schicht 18,9 μm und die der zweiten Schicht 14,7 μm. Sowohl die erste als auch die zweite Schicht bestehen aus Kunststoffmaterial. Die Änderungsraten im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen sind ungefähr gleich und betragen ungefähr dn/dt = –1,2 × 10^–4.
Die Kurven (i) und (ii) in 3 und 4 entsprechen dem Beugungswirkungsgrad, die Kurve (i) zeigt den Beugungswirkungsgrad, welcher im ursprünglichen Zustand erreicht wird, und die Kurve (ii) zeigt den Beugungswirkungsgrad, der nach Temperaturschwankungen erhalten wird, und zwar in derselben Weise wie im Falle der 14 und 15 zuvorstehend beschrieben worden ist. In diesem Fall wird die Änderung der Temperatur Δt jedoch mit 30° angesetzt. Gemäß der herkömmlichen Kombination von Materialien, welche festgelegt wird, ohne auf den entgegengesetzten Effekt der Temperaturschwankungen zu achten, wird der Beugungswirkungsgrad durch eine Änderung der Temperatur von nur ungefähr 10°, wie in 14 gezeigt, stark erniedrigt. Verglichen mit der herkömmlichen Kombination beträgt die Rate der Änderung im Beugungswirkungsgrad bei der Kombination von Materialien gemäß der ersten Ausführungsform nur ungefähr 2% und weniger, was einem ausreichenden Unterdrückungseffekt entspricht.
Während die erste Ausführungsform beschrieben worden ist mit Bezugnahme auf eine Kombination von Materialien zum Unterdrücken der Änderungsrate des Beugungswirkungsgrads auf 2% und weniger, wird im folgenden ein zulässiger Bereich des Werts "ϕt Δt" beschrieben, bei dem es sich um einen Faktor von Beugungswirkungsgradschwankungen aufgrund von Temperaturschwankungen handelt.
Die erste Ausführungsform ist angeordnet auf Grundlage der Annahme, daß der Wert von ϕ0, der dem ursprünglichen Leistungsvermögen entspricht, ausreichend klein gewählt ist. Im Falle eines optischen Beugungselements, wie es in 12 zu Vergleichszwecken gezeigt ist, und welches aus einer einzelnen Schicht besteht, werden die ursprünglichen Werte für _0 nicht klein. Im Falle der 12 beträgt der Brechungsindex des als Material für die Schicht verwendeten PMMA 1,50798 bei einer Wellenlänge von 400 nm und 1,48787 bei einer Wellenlänge von 700 nm. Deshalb kann der Wert ϕ0 wie folgt ausgedrückt werden: ϕ0 = 0,4 = (1,50798 – 1) 1,07 – 1 × 0,4 = 0, 359 mλ0 ϕ0 = 0,7 = (1,48787 – 1) 1,07 – 1 × 0,7 = –0,254 mλ0
Der Wert ϕ0 beim oben erläuterten optischen Beugungselement aus einer Schicht zeigt, daß, falls der Absolutwert von "ϕt × Δt" des optischen Beugungselements gemäß der Erfindung so gewählt werden kann, daß er einen Wert von "mλ0/4" nicht überschreitet, sein Beugungswirkungsgrad niemals schlechter wird als im ursprünglichen Zustand des aus einer Schicht bestehenden optischen Beugungselements, und zwar selbst dann, wenn Temperaturschwankungen auftreten, so daß sich ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ergibt.
Es ist zu bevorzugen, daß der Absolutwert von "ϕt × Δt" auf einen Wert herabgedrückt wird, der "1/8 mλ0" nicht überschreitet, da dann der Betrag von Schwankungen im Beugungswirkungsgrad, welcher stattfindet im Falle von Temperaturschwankungen, auf eine Rate herabgedrückt werden kann, die 5% nicht überschreitet. Wie oben beschrieben, besteht ein Merkmal der ersten Ausführungsform darin, daß Materialien so kombiniert werden, daß die Summe der Werte (dn/dt) × d verringert wird, wobei es sich um Produkte der Änderungsraten im Brechungsindex dn/dt der Materialen aufgrund von Temperaturschwankungen und der maximalen Gittertiefe d handelt. Gemäß der baulichen Anordnung können die Schwankungen im Beugungswirkungsgrad ausreichend unterdrückt werden, und zwar selbst im Falle einer Änderung der Temperatur von ungefähr 30°, so daß das optische Beugungselement verwendet werden kann für ein Linsensystem einer herkömmlichen Kamera, eines Videogeräts, einer Büromaschine oder ähnlichem, ohne Temperaturregelungsmechanismus.
Ein optisches Beugungselement gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung wird als nächstes beschrieben.
Die oben erläuterte erste Ausführungsform weist eine Kombination von zwei Schichten von Materialen auf. Gemäß der Erfindung ist jedoch die Anzahl der Schichten des optischen Beugungselements nicht auf zwei beschränkt. Die Gitterform des optischen Beugungselements gemäß der vorliegenden Erfindung kann aus einer Vielzahl von Schichten 3-1, 3-2 und 3-3 bestehen, wie in 5 gezeigt. Deshalb wird im folgenden ein optisches Beugungselement aus mehreren Schichten beschrieben, welches aus zwei oder mehr Schichten besteht.
Um die Beschreibung zu erleichtern, wird davon ausgegangen, daß das optische Beugungselement eine Beugungsgitterform aufweist, welche eine Anzahl L von Schichten aufweist, die bei jeder Schicht voneinander durch Luft getrennt sind, wie in 6 gezeigt. 5 zeigt einen Aufbau, bei dem Beugungsgitteroberflächen 3a, 3b und 3c so angeordnet sind, daß sie in engem Kontakt miteinander stehen, um gemeinsam als ein Beugungsgitter zu wirken. Falls die Reflektion an Beugungsgitteroberflächen ignoriert werden kann, sind die optischen Wirkungen der optischen Beugungselemente der 5 und 6 identisch zueinander. In diesem Falle wird davon ausgegangen, daß die maximale Gittertiefe der Unterschied zwischen der maximalen Dicke und der minimalen Dicke innerhalb einer Periode eines jeden Beugungsgitters ist.
Nimmt man an, daß der Brechungsindex der L-ten Lage, welcher bei einer Wellenlänge λ0 erhalten wird, n0L beträgt, so nimmt eine Formel (2) entsprechende Formel folgende Gestalt an: (n01 – 1)d1 ± (n02 – 1)d2 ± ... ± (n0L – 1)dL = mλ0 (8).
Nimmt man an, daß ϕ0 = (n01 – 1)d1 ± (n02 – 1)d2 ± ... ± (n0L – 1)dL – mλ0 gilt, so kann der Beugungswirkungsgrad _ des gesamten optischen Beugungselements wie folgt beschrieben werden: η = sinc2(ϕ0/mλ0) (9).
Geht man in 6 davon aus, daß in Bezug auf die Richtung der Beugung, falls die Beugung nach links von dem gebeugten Licht nullter Ordnung als positive Beugungsordnung angenommen wird und daß "±" in der Formel (8) eingesetzt wird, so ergibt sich folgendes. Eine Beugungsstruktur, bei welcher die Dicke des Gitters sich von links nach rechts verringert, wie in 6 gezeigt, d. h. daß die erste und dritte Lage hat ein positives (+) Vorzeichen. Eine andere Gitterform, bei der die Dicke des Gitters sich von links nach rechts vergrößert, d. h. bei der zweiten Schicht, hat dann ein negatives (-) Vorzeichen.
Als nächstes wird eine Rate der Änderung im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankung des Materials der L-ten Schicht angenommen mit dn0L/dt und der Betrag der Änderung der Temperatur wird mit Δt angesetzt, wobei die Änderung im Brechungsindex einer jeden Lage aufgrund von Temperaturschwankungen wie folgt angesetzt werden kann: n0Lt = n0L + (dn0L/dt) × Δt.
Deshalb kann der Beugungswirkungsgrad ηt, welcher durch Temperaturschwankungen verursacht wird, wie folgt ausgedrückt werden: ηt = sinc2[{(n01t – 1)d1 ± (n02t – 1)d2} ± ... ± (n0Lt – 1)dL – mλ0}/mλ0] = sinc2[{(n01t – 1)d1 ± (n02t – 1)d2} ± ... ± (n0L – 1)dL – mλ0}/mλ0 + {(dn01/dt) × d1 ± (dn02/dt) × d2 ± ... ± (dn0L/dt) × dL}Δt/mλ0] = sinc2{(ϕ0/mϕ0) + ϕtΔt/(mλ0 0)} (10),wobei ϕt = {(dn01/dt) × d1 ± (dn02/dt) × d2 ± ... ± (dn0L /dt) × dL}.
In der oben genannten Formel erfolgt die Auswahl des "±" Vorzeichens gemäß der Erhöhung oder Erniedrigung in der Gitterschichtdicke. Deshalb wird die Kombination von dn/dt (die Änderungsrate im Brechungsindex aufgrund der Temperaturschwankung) des Materials und der Gitterschichtdicke des Mehrlagenbeugungsgitters, welches aus zwei oder mehr Schichten besteht, so bestimmt, daß der Wert ϕt weniger als ein vorgegebener Wert beträgt, und zwar auf dieselbe Weise wie bei einem Zweischichtbeugungsgitter, wie vorstehend beschrieben.
Die oben genannte Beschreibung ist beschränkt auf eine Form für eine Periode eines Beugungsgitters. Es ist jedoch bekannt, daß der Beugungswirkungsgrad bei einem Beugungsgitter im wesentlichen nicht beeinflußt wird durch die Gitterkonstante des Beugungsgitters. Deshalb ist die Anordnung der zweiten Ausführungsform nicht nur anwendbar auf ein eindimensionales Beugungsgitter, wie in 1 gezeigt, sondern auch auf alle optischen Beugungselemente von beliebiger Form und Gitterkonstante, zum Beispiel wie bei einer optischen Beugungslinse, wie in 7 gezeigt.
Bezüglich des Querschnitts des Gitters kann die Anordnung der zweiten Ausführungsform auch angewandt werden auf eine abgestufte Gestalt, wie in 8 gezeigt. Die Erfindung kann deshalb durchgeführt werden unter Verwendung einer jeden beliebigen bekannten Gitterform. Im Falle eines abgestuften Gitters, wie es in 8 gezeigt ist, stehen die tatsächlichen maximalen Tiefen d1' und d2' des Gitters in folgender Beziehung zu der maximalen Beugungsgittertiefe d1 und d2 gemäß der oben genannten Form: d1' = d1 × (N – 1)/N d2' = d2 × (N – 1)/N,wobei N der Anzahl der Gitterschritte des abgestuften Beugungsgitters entspricht. Im Falle eines abgestuften Beugungsgitters unterscheidet sich die tatsächliche maximale Gittertiefe d' von der maximalen Gittertiefe d, welche verwendet wird, um optische Weglängenunterschiede zu bestimmen.
Im Falle der ersten und zweiten Ausführungsformen, wie sie oben erläutert worden sind, weist ein optisches Beugungselement ein Beugungsgitter auf, welches auf einer flachen Platte ausgebildet ist. Jedoch kann derselbe vorteilhafte Effekt erzielt werden durch Ausbilden des Beugungsgitters auf einer gekrümmten Linsenoberfläche, anstatt auf einer flachen Platte.
Weiterhin wird die zweite Ausführungsform so angeordnet, daß das erste Beugungsgitter auf der Basisplatte ausgebildet wird, wobei die Anordnung geändert werden kann, um die Basisplatte und das erste Beugungsgitter zusammen auszubilden in einem Körper, und zwar durch Formen aus ein und demselben Material.
Im Falle der zweiten Ausführungsform wird die vorgegebene Beugungsordnung so gewählt, daß sie die erste Ordnung ist. Jedoch ist die vorgegebene Ordnung nicht beschränkt auf die erste Ordnung. Dieselben vorteilhaften Effekte sind erzielbar auf Grundlage der Erfindung, durch Auswählen der vorgegebenen Ordnung als zweite Beugungsordnung oder als eine Beugungsordnung, welche höher ist als die zweite Ordnung, und zwar auf solch eine Weise, daß eine vorgegebene Wellenlänge bei einer höheren Beugungsordnung eingestellt wird.
Als nächstes wird ein optisches Beugungselement gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben. Sowohl bei der ersten als auch bei der zweiten Ausführungsform ist die Gitterschichtdicke des dünnsten Teils der Schicht, welche das zweite Beugungsgitter bildet, gleich Null. Bei diesem Aufbau wird das zweite Beugungsgitter bei jeder Gitterperiode unterteilt. Wählt man ein Spritzgußverfahren als Herstellungsverfahren, so ist es jedoch schwierig, diese Form abzulösen und das zweite Beugungsgitter aus einer Form zu lösen.
Um dieses Problem zu lösen, ist eine dritte Ausführungsform, so in 9 gezeigt, ausgeführt. 9 zeigt einen flachen Teil 4, welcher aus demselben Material besteht, wie das zweite Beugungsgitter 3-2 und bei dem eine gleichmäßige Schichtdicke "doff" dem zweiten Beugungsgitter 3-2 so zugefügt ist, daß der gesamte Bereich des optischen Beugungselements bedeckt ist. Diese strukturelle Anordnung erleichtert es, das zweite Beugungsgitter 3-2 aus der Form zu lösen, in dem Falle, daß eine Form bei der Herstellung verwendet wird.
10 zeigt eine vierte Ausführungsform der Erfindung, bei der ein optisches System ein optisches Beugungselement gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird. 10 zeigt einen Querschnitt des optischen bildaufnehmenden Systems für Kameras etc., wobei eine bildaufnehmende Linse 5 eine Zwischenschicht 6 enthält und das optische Beugungselement 1 von flacher Gestalt ist. Das Bezugszeichen 7 bezeichnet einen Film, welcher als Bildformungsebene verwendet wird.
In dem Falle, wo das optische Beugungselement gemäß der vierten Ausführungsform so ausgeführt ist, daß Farbbilder aufgenommen werden, wird das optische Beugungselement wie folgt angeordnet. In diesem Falle werden für die Spitzenwellenlängen der photoempfindlichen Schichten eines Farbfilms Beziehungen entsprechend den Formeln (4), (5) und (6) auf dieselbe Weise erzielt, wie in der zuvor beschriebenen Art.
Im Falle der 10 wird ein optisches Beugungselement 1 auf einer flachen Glasoberfläche in der Nähe der Zwischenschicht 6 bereitgestellt. Gemäß der Erfindung ist jedoch die Position des optischen Beugungselements 1 nicht auf diese Position beschränkt. Das optische Beugungselement 1 kann auf einer gekrümmten Linsenoberfläche bereitgestellt sein. Es ist auch möglich eine Vielzahl von optischen Beugungselementen zu haben, welche innerhalb der bildaufnehmenden Linse angeordnet sind.
Im Falle der vierten Ausführungsform wird die Erfindung auf eine bildaufnehmende Linse einer Kamera angewandt. Das optische Beugungselement ist jedoch nicht nur anwendbar bei bildaufnehmenden Linsen für Kameras, sondern auch für Videokameras, Bildscanner oder Büromaschinen, Leselinsen von digitalen Kopiergeräten usw.
11 zeigt schematisch als fünfte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein optisches System, welches ein optisches Beugungselement verwendet, welches gemäß der vorliegenden Erfindung ausgeführt ist. 11 ist ein Querschnitt durch ein optisches Beobachtungssystem von zum Beispiel einem Fernglas oder ähnlichem. Die Darstellung der 11 zeigt eine Objektivlinse 8 zum Abbilden eines Objektbilds, ein Bildumkehrprisma 9, zum Wandeln des Objektbilds in ein aufrechtstehendes Bild, eine Okularlinse 10, eine Auswertungsebene (Pupillenebene) 11, und das optische Beugungselement 1. Das optische Beugungselement 1 wird bereitgestellt zum Korrigieren der chromatischen Aberration der Objektivlinse 8, welche in einer Bildgebungsebene 7 stattfindet.
Bei der fünften Ausführungsform ist das optische Beugungselement 1 an der Seite der Objektivlinse 8 angebracht. Jedoch ist gemäß der vorliegenden Erfindung die Position des optischen Beugungselements 1 nicht auf diese Position beschränkt. Derselbe vorteilhafte Effekt ergibt sich auch durch Anordnen des optischen Beugungselements 1 in einer anderen passenden Position, wie zum Beispiel auf der Oberfläche des Prismas 9 oder innerhalb der Okularlinse 10. Wird das optische Beugungselement 1 näher an der Objektseite angebracht als die Bildgebungsebene 7, so gibt es einen Abschwächungseffekt bei der chromatischen Aberration, welcher allein auf der Objektivlinse 8 beruht. Deshalb kann im Falle eines Systems zur Beobachtung mit dem Auge bevorzugbarerweise das optische Beugungselement 1 auf der Seite der Objektivlinse 8 angebracht sein.
Im Falle der fünften Ausführungsform, welche oben beschrieben worden ist, wird die Erfindung auf ein Fernglas angewandt.
Die Anordnung der fünften Ausführungsform ist jedoch nicht nur bei Ferngläsern anwendbar, sondern auch bei einem terrestrischen Teleskop, einem astronomischen Teleskop oder ähnlichem. Derselbe vorteilhafte Effekt ergibt sich auch, wenn man die Anordnung auf einen optischen Sucher einer Kamera mit Linsenverschluß anwendet, eine Videokamera oder ähnlichem.
Eine jede der zuvor stehend erläuterten Ausführungsformen ist so gewählt, daß sich ein optisches Beugungselement ergibt, bei dem ein Beugungsgitter zwei oder mehr Schichten aufweist. Die Materialien in einer jeden der Schichten werden ausgewählt in einer einander gegenwirkenden Kombination bezüglich der Gitterdicken, so daß ein hoher Beugungswirkungsgrad über den gesamten benutzbaren Wellenlängenbereich verwendet werden kann, ohne daß der Beugungswirkungsgrad durch Änderungen im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen abgeschwächt werden kann.
Die Verwendung eines optischen Beugungselements für eine bildaufnehmende Linse erübrigt auch die Notwendigkeit des Anbringens eines speziellen Temperaturregelungsmechanismus innerhalb des Linsensystems. Da die gewünschten Charakteristika unter denselben Betriebsbedingungen erzielt werden können wie die bei einer herkömmlichen Brechungslinse, führt die Verwendung eines optischen Beugungselements zu einer bildaufnehmenden Linse von hoher Genauigkeit bei niedrigen Kosten.
Weiterhin führt die Verwendung eines optischen Beugungselements in einem optischen Beobachtungssystem dazu, daß keine weitere Notwendigkeit besteht, einen speziellen Temperaturregelungsmechanismus innerhalb des optischen Systems anzubringen, um die gewünschten Charakteristika unter denselben Betriebsbedingungen zu erhalten wie bei einem herkömmlichen Brechungssystem. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann somit ein optisches Beobachtungssystem mit einem hohen Genauigkeitsgrad bei niedrigen Kosten erreicht werden.

Claims

Optisches Beugungselement (1) mit Beugungsgitteroberflächen (3a, 3b), welche ausgebildet sind durch eine Vielzahl von Schichten (3-1, 3-2, 3-3), die aus zumindest zwei Arten von Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen bestehen, um den Beugungswirkungsgrad einer vorgegebenen Ordnung über einen Wellenlängenbereich zu erhöhen, wobei zumindest eine der Vielzahl der Schichten (3-1, 3-2, 3-3) aus einem Kunststoffmaterial besteht, wobei wenn man eine Rate der Änderung des Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen des Materials der L-ten Schicht als dnoL/dt bezeichnet, eine maximale Gittertiefe (d1, d2, dL) des auf der L-ten Schicht ausgebildeten Beugungsgitters als dL bezeichnet, und ein Wert, der erhalten wird durch Multiplizieren der Rate der Änderung im Brechungsindex aufgrund von Temperaturschwankungen bei der maximalen Gittertiefe für ein jedes Beugungsgitter und der als ϕt bezeichnet, sich wie folgt ergibt: ϕt = (dno1/dt)d1 ± (dno2/dt)d2 ± ... ± (dnoL/dt)dL,wobei die Auswahl des Vorzeichens ± gemacht wird in Abhängigkeit von einem Anstieg oder Abfall der Beugungsschichtdicke innerhalb einer Periode in einer Richtung, dadurch gekennzeichnet, daß wenn man den Betrag von Temperaturschwankungen mit Δt bezeichnet, die vorgegebene Ordnung mit m und eine vorgegebene Wellenlänge, welche aus dem nutzbaren Wellenlängenbereich stammt, mit λ0, das optische Beugungselement (1) die folgende Bedingung erfüllt: |ϕt·Δt| < m·λ0\8,Δt = 30°C.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Beugungsgittern (3-1, 3-2) ein Beugungsgitter enthält, bei welchem eine Beugungsschichtdicke hiervon innerhalb einer Periode sich monoton in einer Richtung erniedrigt, sowie ein Beugungsgitter, bei dem eine Beugungsschichtdicke sich innerhalb einer Periode monoton in die andere Richtung erhöht.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 2, wobei dann, falls das optische Beugungselement (1) eine bestimmte optische Gestalt und damit eine bestimmte optische Weglänge hat, innerhalb der Vielzahl von Schichten, die ausgebildet sind, um die Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode periodisch zu erhöhen, zumindest eines der Materialien der Schicht, welche ausgebildet ist, um die Gitterschichtdicke monoton zu erniedrigen, die Dispersion größer ist als die Dispersion von zumindest einem der Materialien der Schicht, welche ausgebildet ist, um die Gitterschichtdicke monoton zu erhöhen.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 2, wobei dann, falls das optische Beugungselement (1) eine bestimmte optische Gestalt und damit eine bestimmte optische Weglänge hat, innerhalb der Vielzahl von Schichten, die ausgebildet sind, um die Gitterschichtdicke innerhalb einer Periode periodisch zu erniedrigen, zumindest eines der Materialien der Lage, welche ausgebildet ist, um die Gitterschichtdicke monoton zu erhöhen, die Dispersion größer ist als die Dispersion von zumindest einem der Materialien der Schicht, welche ausgebildet ist, um die Gitterschichtdicke monoton zu erniedrigen.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, wobei zumindest eine der Vielzahl von Schichten aus einem optischen Kunststoffmaterial besteht.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, wobei der nutzbare Wellenlängenbereich im sichtbaren Spektrum liegt.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Schichten auflaminiert sind auf einer Basisplatte, und eine Schicht, welche in Kontakt steht mit der Basisplatte aus der Vielzahl von Schichten aus demselben Material besteht wie das der Basisplatte.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, wobei die Anzahl der Schichten zwei beträgt, und diese dieselbe maximale Gittertiefe aufweisen sich und in zueinander entgegengesetzten Richtungen ihre Gitterschichtdicke vergrößern.
Optisches Beugungselement nach Anspruch 1, wobei eine erste Beugungsgitteroberfläche ausgebildet ist an einer Grenzfläche zwischen der ersten und zweiten Schicht und eine zweite Beugungsgitteroberfläche ausgebildet ist an einer Grenzfläche zwischen der zweiten Schicht und Luft, wobei die Gitterschichtdicken sich in entgegengesetzten Richtungen vergrößern.
Optisches System mit einem optischen Beugungselement nach einem der vorstehenden Ansprüche.
Optisches System nach Anspruch 10, wobei das optische System ein bildformendes optisches System ist.
Optisches System nach Anspruch 10, wobei das optische System ein optisches Beobachtungssystem ist.
Optisches Gerät oder elektronisches Gerät mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 11 oder 12.