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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Fachgebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Beugungselement, welches
solch eine Beugungsgitterstruktur aufweist, dass sich ein Lichtstrom eines
nutzbaren Wellenlängenbereiches
bei einer bestimmten Ordnung (Auslegungsordnung) konzentriert, und
ein optisches System, welches das optische Beugungselement aufweist.
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Beschreibung
des Standes der Technik
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Während es üblich war,
eine chromatische Aberration bzw. einen Bildfehler eines optischen
Systems durch Kombination verschiedener Linsenmaterialien zu verkleinern,
wurde ein anderes Verfahren zum Reduzieren einer chromatischen Aberration
in der optischen Literatur, wie etwa in „International Lense Design
Conference (1990)",
SPIE Vol. 1354, etc. und in den Dokumenten JP-A-4-213421, JP-A-6-324262
und US-A-5,044,706, offenbart, wobei ein optisches Beugungselement
(oder ein Beugungsgitter), welches eine Beugungsfunktion aufweist,
an einer Linsenfläche
oder innerhalb eines optischen Systems angeordnet wird. Dieses Verfahren basiert
auf einem physikalischen Phänomen,
dass an einer Strahlbrechungsfläche
eine Richtung, in welcher eine chromatische Aberration für Lichtstrahlen eines
bestimmten Wellenlängenbereiches
auftritt, entgegengesetzt zu der Richtung an einer Strahlbeugungsfläche wird.
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Beim
Vergleich einer Strahlbrechungsfläche (Linsenfläche) mit
einer Strahlbeugungsfläche
hinsichtlich der Wirkungsweise an einfallenden Lichtbündeln verbleibt
nach der Strahlbrechung an der Strahlbrechungsfläche ein Lichtbündel ein
Bündel, wohingegen
ein Lichtbündel
in eine Vielzahl von Bündeln
von verschiedenen Ordnungen aufgeteilt wird, wenn es durch die Strahlbeugungsfläche gebeugt wird.
Von daher wird bei der Verwendung eines optischen Strahlbeugungselementes
die Gitterstruktur des optischen Beugungselementes derart ausgelegt, um
einen Lichtfluss eines gängigen
Wellenlängenbereiches,
was von nun an als „nutzbarer
Wellenlängenbereich" bezeichnet wird,
bei einer bestimmten Beugungsordnung (was von nun an als „Auslegungsordnung" bezeichnet wird)
zu konzentrieren. Mit einem Lichtfluss, der bei einer bestimmten
Beugungsordnung, wie etwa bei einer + ersten Ordnung oder einer – ersten
Ordnung, konzentriert wird, weisen Bündel des Beugungslichtes von
Ordnungen, die sich von der bestimmten Beugungsordnung unterscheiden,
einen geringen Intensitätswert
auf. Wenn die Intensität
der Bündel
Null wird, hört
das Beugungslicht auf zu existieren.
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Beim
Steigern der Beugungseffizienz bei Beugungslicht einer m-ten Ordnung
ist eine Struktur, die eine Phasendifferenz hervorruft, angeordnet,
um den Bündeln
eines jeden optischen Weges in der Beugungsrichtung eine Phasendifferenz
von 2 πm
zu geben. Die Lichtbündel
werden dann durch diese Anordnung veranlasst, miteinander zu interferieren,
und sie werden von daher verstärkt.
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12 zeigt eine strukturelle
Anordnung eines optischen Beugungselementes 1 vom Transmissions-
bzw. Durchlass-Typ. In dem optischen Beugungselement 1 wird
die Gitterdicke eines Beugungsgitters 3 als d angenommen,
und der Brechungsindex des Materials des Beugungsgitters 3 wird
als n angenommen. Um Licht einer Wellenlänge λ von einer m-ten Beugungsordnung
eine Phasendifferenz von 2 πm
zu geben, ist es hinsichtlich der strukturellen Anordnung erforderlich,
die folgende Bedingung zu erfüllen: 2 πm = 2πd(n – d)/λ (1)
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In
einem Fall, wo die Bedingung der obigen Formel (1) bei jeder Gitterrille
erfüllt
ist, wird die Beugungseffizienz höher.
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Die
tatsächliche
Struktur des optischen Beugungselementes, die zum Erzielen dieser
Beugungsfunktion notwendig ist, wird eine Phasen-Fresnel-Struktur
genannt. Es gibt verschiedene bekannte Arten zum Anordnen der Phasen-Fresnel-Struktur. Bei
einer bekannten Art sind Abstände,
für welche
die Phasendifferenz 2 πm
gegeben sind, derart angeordnet, dass sie sich nacheinander fortsetzen.
Bei einer anderen bekannten Art wird eine fortlaufende Phasendifferenzverteilung
vom Phasen-Fresnel-Typ in einer binären Formgebung stufenförmig angenähert. Bei
einer weiteren, bekannten Art wird eine kleine periodische Struktur
vom Phasen-Fresnel-Typ in einer dreiecksförmigen Wellenformgebung angenähert. Jede
dieser Strukturen ist entweder an der Oberfläche einer flachen Platte oder
an einer konvexen oder konkaven Linsenfläche innerhalb eines optischen Systems
angeordnet. Ferner wird das optische Beugungselement von diesem
Typ beispielsweise mit einer Pressform hergestellt, die durch einen
Halbleiterherstellungsprozess, wie etwa Lithographie, vorbereitet
ist, oder es wird durch maschinelle Herstellung oder mit einem Abdruck
hergestellt, der auf der Basis eines solchen Musters ausgebildet
ist.
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Das
optische Beugungselement ist in der Lage, eine chromatische Aberration,
die an einer Strahlbrechungsfläche
aufgrund der Dispersion durch ein Glasmaterial auftritt, in großem Maße zu verringern. Das
optische Beugungselement kann derart angeordnet sein, dass es durch
Variation der Periode von seiner periodischen Struktur einen großen Effekt
hinsichtlich der Verringerung der Aberration hat, wie eine asphärische Linse.
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In
dem Fall des obig erwähnten
Beispiels aus dem Stand der Technik werden durch den Beugungseffekt
verschiedene Aberrationen, insbesondere eine chromatische Aberration,
verringert. Der durch Einbeziehen des optischen Beugungselementes
in einem optischen System erzielte Effekt kann beispielsweise an
einer Zeichnung, welche Aberrationen oder dergleichen zeigt, bestätigt werden.
Wenn jedoch die Beugungseffizienz für das Beugungslicht der Auslegungsordnung
nicht hoch ist, wird dort tatsächlich kein
Licht existieren. Es ist von daher notwendig, eine hinreichend hohe
Beugungseffizienz für
Beugungslicht der Auslegungsordnung zu haben. In einem Fall, wo
ferner etwas Licht besteht, das von der Auslegungsordnung verschiedene
Beugungsordnungen hat, wird dieses Licht bei einem unterschiedlichen Teil,
wo das Licht der Auslegungsordnung abgebildet wird, abgebildet.
Solch ein Licht wird von daher Streulicht, welches den Kontrast
der Abbildung herabsetzt. Von daher ist es für jedes optische System wichtig,
dass es ausgelegt ist, einen Beugungseffekt zu verwenden, eine spektrale
Verteilung der Beugungseffizienz und das Verhalten des Lichtes der
von der Auslegungsordnung verschiedenen Beugungsordnungen zu betrachten.
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13 zeigt die spektrale Charakteristik
der Beugungseffizienz, die für
eine spezielle Beugungsordnung mit dem in 12 gezeigten optischen Beugungselement
erzielt wird, welches an einer bestimmten Fläche innerhalb eines optischen
Systems ausgebildet wird. In 13 zeigt
die Abszissen-Achse die Wellenlänge
und die Ordniaten-Achse die Beugungseffizienz an. Das optische Beugungselement
ist so ausgelegt, dass die Beugungseffizienz bei der ersten Beugungsordnung
(in 13 durch eine Kurve
mit durchgezogener Linie gezeigt) am größten wird. Anders ausgedrückt bedeutet
dies, dass die Auslegungsordnung die erste Ordnung ist. 13 zeigt ferner die Beugungseffizienz
für Beugungsordnungen
in der Nähe
der Auslegungsordnung, d. h., der 0-ten Ordnung und der 2-ten Ordnung ((1 ± 1)-ten
Ordnung). Wie in 13 gezeigt,
wird bei der Auslegungsordnung die Beugungseffizienz bei einer bestimmten
Wellenlänge
(von nun an als „Auslegungswellenlänge" bezeichnet) am größten und
sie nimmt bei den anderen Wellenlängen schrittweise ab. Der Grund
hierfür
ist wie folgt. Die Gitterdicke, die erforderlich ist, um die Phasendifferenz
2π auszubilden,
wird mittels der Formel (1) ausgedrückt. In einem Fall, wo die
Gitterdicke festgelegt ist, um die Bedingung dieser Formel für die Auslegungswellenlänge zu erfüllen, wird
diese Bedingung nicht ganz für andere
Wellenlängen
erfüllt,
wodurch eine Abnahme der Beugungseffizienz verursacht wird.
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Der
Anteil der Abnahme der Beugungseffizienz bei der Auslegungsordnung
wird Beugungslicht von anderen Ordnungen und erscheint als Streulicht. In
einem Fall, wo das optische Beugungselement mit einer Vielzahl von
Beugungsgittern versehen ist, verursacht die Abnahme der Beugungseffizienz
bei Wellenlängen,
die sich von der Auslegungswellenlänge unterscheiden, unter Umständen eine
Abnahme im Transmissionsfaktor.
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Im
Hinblick der obigen Probleme haben die Erfinder der vorliegenden
Erfindung ein optisches Beugungselement entwickelt, wie es in dem
Dokument JP-A-8-30154 offenbart wird, welches eine Gitterstruktur
wie die in 18 gezeigte aufweist.
In der in 18 gezeigten
Gitterstruktur überlappen
sich eine Vielzahl von Beugungsgittern, die ein erstes Beugungsgitter 3a und
ein zweites Beugungsgitter 3b aufweisen, welche aus zumindest
zwei Arten von Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen hergestellt
sind. Mit dem derart angeordneten optischen Beugungselement bleibt
seine Beugungseffizienz bei der Auslegungsordnung über den
gesamten Bereich der nutzbaren Wellenlängen hoch, wie es in 19 gezeigt wird.
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Ein
anderes optisches Beugungselement, welches durch Überlappung
von Beugungsgittern von zwei verschiedenen Arten von Materialien
ausgebildet ist, wurde in dem Dokument US-A-5,017,000, etc. offenbart. Dieses optische
Element hängt
jedoch mit einer Vielfach-Fokusierlinse zusammen, und es wurde nichts
hinsichtlich der Frage, wie seine Beugungseffizienz gesteigert werden kann,
offenbart.
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Ein
optisches Beugungselement, welches die Eigenschaften der Oberbegriffe
von Patentanspruch 1 aufweist, ist in dem Dokument JP-A-9-12732
offenbart, welches zu dem Dokument DE-A-195 33 591 gehört. Dieses bekannte optische Beugungselement
und ebenso ein optisches Beugungselement gemäß dem Dokument JP-A-9-127322
sind derart ausgelegt, um durch Herabsetzen der Wellenlängenabhängigkeit
der Beugungseffizienz Farbfluktuationen und die Entstehung von Streulicht
aufgrund von Licht nicht benötigter Beugungsordnungen
zu verhindern. Im einzelnen wird das optische Beugungselement durch
Schichtung einer Vielzahl von verschiedenen optischen Materialien
(zwei oder drei optische Materialien) mit einem oder zwei an der
Grenzfläche
zwischen den verschiedenen optischen Materialien ausgebildeten Reliefmustern
ausgebildet.
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In
dem optischen Beugungselement, welches in den zuvor erwähnten Dokumenten JP-A-9-127321
oder JP-A-9-127322 offenbart wird, gibt es zwei Wellenlängen, bei
welchen die Phasenamplitude „1" wird, wie es in 15 gezeigt ist. Das optische
Beugungselement ist von daher auf der Basis von diesen Wellenlängen so
angeordnet, dass es zwei optimierte Wellenlängen (Auslegungswellenlängen) aufweist,
wo die maximale Beugungseffizienz erzielt werden kann. 16 zeigt die bei der Auslegungswellenlänge erzielte
Beugungseffizienz, und 17 zeigt
die bei den Beugungsordnungen in der Nachbarschaft der Auslegungswellenlänge erziele
Beugungseffizienz. Da es zwei Auslegungswellenlängen gibt, neigt sich die Beugungseffizienz
bei beiden Enden des nutzbaren Wellenlängenbereiches von 400 nm bis
700 nm nach unten. In dem Fall von 16 fällt an der
Seite der längeren
Wellenlängen die
Beugungseffizienz auf einen Pegel von 94% oder in der Größenordnung
ab. Dann wächst
an der Seite der längeren
Wellenlängen
in umgekehrter Proportion zu der in 16 gezeigten
Beugungseffizienz die bei Beugungsordnungen in der Nachbarschaft
der Auslegungsordnung erzielte Beugungseffizienz auf bis zu 2% oder
in der Größenordnung
an, wie es in 17 gezeigt
wird.
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Die
Verwendung des optischen Beugungselementes hat unter bestimmten
Bedingungen von daher für
den nutzbaren Wellenlängenbereich
von 400 nm bis 700 nm nicht immer hinreichend den Betrag der Erzeugung
des Streulichtes aufgrund von Licht nicht benötigter Ordnungen erfüllt. Es
wurde von daher für
das optische Beugungselement gewünscht, eine
höhere
Beugungseffizienz für
den nutzbaren Wellenlängenbereich
zu haben. Die oben genannten speziellen Bedingungen schließen beispielsweise
einen Fall ein, wo das optische Beugungselement, welches die obig
genannte Beugungseffizienz aufweist, bei einer bildaufnehmenden
Linse einer Kamera oder dergleichen angewandt wird. In dem Fall
der Kamera wird ein Film an einer Entwicklungsebene verwendet, und
dort treten verschiedene bildaufnehmende Bedingungen (Objekt- und
Belichtungsbedingungen) auf. Unter solchen verschiedenen Bedingungen,
wird in dem Fall, wenn beispielsweise eine Lichtquelle mit hohem
Leuchtgrad als Teil des Objektes existiert, die Lichtquelle, während eine
angemessene Belichtung für
andere Teile des Objektes bei der Bildaufnahme eingestellt wird,
mit hoher Leuchtkraft, die höher
als eine für
den Film angemessene Belichtung ist, gesättigt. Da die Belichtung für die Lichtquelle
um ein Vielfaches höher
als die der angemessenen Belichtung ist, wird in diesem Fall selbst
ein kleiner Beitrag des Beugungslichtes von Ordnungen in der Nähe der Auslegungsordnung
um ein Vielfaches multipliziert. Dann neigt der kleine Beitrag des
Beugungslichtes dazu, in Streulicht um die Lichtquelle, wie ein
Halo, zu resultieren.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung liegt darin, ein optisches Beugungselement
und ein optisches System, welches das optische Beugungselement aufweist,
anzugeben, das über
den gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich
eine hohe Beugungseffizienz hat, wobei der Betrag des nicht benötigten Beugungslichtes
gering gemacht wird.
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Die
obige Aufgabe wird durch die Erfindung, wie sie in den beigefügten Patentansprüchen definiert
wird, erzielt.
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Die
obige und andere Aufgaben und Eigenschaften der Erfindung werden
anhand der nachfolgenden detaillierten Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen
hiervon, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen gegeben wird,
ersichtlich.
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KURZE BESCHREIBUNG VON
VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
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1 ist eine Draufsicht, die
wesentliche Teile eines optischen Beugungselementes gemäß einer
ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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2 ist eine entlang einer
Linie A-A' von 1 genommene Schnittansicht.
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3 ist eine grafische Darstellung
zum Erläutern
der Phasenamplitude des optischen Beugungselementes gemäß der ersten
Ausführungsform.
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4 ist eine grafische Darstellung,
die die bei einer Auslegungsordnung des optischen Beugungselementes
gemäß der ersten
Ausführungsform erzielte
Beugungseffizienz zeigt.
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5 ist eine grafische Darstellung,
die die bei Ordnungen in der Nähe
der Auslegungsordnung des optischen Beugungselementes gemäß der ersten
Ausführungsform
erzielte Beugungseffizienz zeigt.
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6 zeigt eine Beugungslinse,
bei welcher das optische Beugungselement gemäß der ersten Ausführungsform
angewandt wird.
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7 ist eine Schnittansicht,
die eine binäre Gitterformgebung
zeigt, welche zu dem optischen Beugungselement gemäß der ersten
Ausführungsform
zugehört.
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8 ist eine Schnittansicht,
die wesentliche Teile eines optischen Beugungselementes gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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9 ist eine Schnittansicht,
die wesentliche Teile eines optischen Beugungselementes gemäß einer
dritten Ausführungsform
der Erfindung zeigt.
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10 zeigt schematisch ein
optisches System, welches das optische Beugungselement gemäß einer
vierten Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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11 zeigt schematisch ein
anderes optisches System, welches das optische Beugungselement gemäß einer
fünften
Ausführungsform
der Erfindung verwendet.
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12 ist eine Schnittansicht,
die exemplarisch die Anordnung von wesentlichen Teilen eines herkömmlichen
optischen Beugungselementes zeigt.
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13 ist eine grafische Darstellung,
die die Beugungseffizienz des herkömmlichen optischen Beugungselementes
von 12 zeigt.
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14 ist eine Schnittansicht,
die ein anderes Beispiel eines herkömmlichen optischen Beugungselementes
zeigt.
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15 ist eine grafische Darstellung,
die die Phasenamplitude des herkömmlichen
optischen Beugungselementes von 14 zeigt.
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16 ist eine grafische Darstellung,
die die bei einer Auslegungsordnung des herkömmlichen optischen Beugungselementes
von 14 erzielte Beugungseffizienz
zeigt.
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17 ist eine grafische Darstellung,
die die bei Ordnungen in der Nähe
der Auslegungsordnung des herkömmlichen
optischen Beugungselementes von 14 erzielte
Beugungseffizienz zeigt.
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18 ist eine Schnittansicht,
die wesentliche Teile eines optischen Beugungssystems zeigt, welches
in dem Dokument JP-A-8-307154 offenbart ist.
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19 ist eine grafische Darstellung,
die die Beugungseffizienz des optischen Beugungssystems von 18 zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Im
folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung detailliert unter Hinzunahme der Zeichnungen beschrieben.
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1 ist eine Draufsicht, die
ein optisches Beugungselement gemäß einer ersten Ausführungsform
der Erfindung zeigt. Unter Hinzunahme auf 1 setzt sich das optische Beugungselement 1 aus
einem Beugungsgitter-Teil 3 zusammen, welches an der Oberfläche einer
Basisplatte 2 ausgebildet ist.
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2 ist eine entlang einer
Linie A-A' von 1 genommene Schnittansicht
des optischen Beugungselementes. Das optische Beugungselement 1 ist
in einer Formgebung gezeigt, die in der Richtung der Tiefe der Beugungsgitter übertrieben wird.
Die sektionale Formgebung des optischen Beugungselementes 1 weist
ein erstes, an der Basisplatte 2 ausgebildetes Beugungsgitter 3a,
ein zweites, an dem ersten Beugungsgitter 3a ausgebildetes
Beugungsgitter 3b und ein drittes, an dem zweiten Beugungsgitter 3b ausgebildetes
Beugungsgitter 3c auf. Diese Beugungsgitter 3a, 3b und 3c sind
eines auf dem anderen geschichtet.
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Ferner
ist die Formgebung eines jeden Beugungsgitters in der ersten Ausführungsform
so, dass die Gitterdicken des ersten und dritten Beugungsgitters 3a und 3c so
ausgelegt sind, dass sie, wie es in 2 gezeigt
wird, innerhalb einer Periode monoton von links nach rechts abnehmen,
während
die Gitterdicke des zweiten Beugungsgitters 3b so ausgelegt ist,
dass sie innerhalb einer Periode monoton anwächst. Von daher ist zumindest
ein Beugungsgitter von den beiden Arten von Gitterformgebungen,
die unterschiedlich die Gitterdicken ändern, von einem anderen Beugungsgitter überlagert,
welches von der anderen Gitterformgebung ist.
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Als
nächstes
wird nachfolgend eine Kombination der Materialien des ersten, zweiten
und dritten Beugungsgitters 3a, 3b und 3c und
eine Gitterformgebung, mittels welcher die Beugungseffizienz bei der
Auslegungsordnung eines optischen Beugungselementes über einen
weiten Bereich von Wellenlängen
gesteigert werden kann, beschrieben.
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In
dem Fahl eines gewöhnlichen
einschichtigen Beugungsgitters vom Transmissionstyp, welches in
Luft verwendet werden muss, wie es in 12 gezeigt
wird, ist eine Bedingung zum Maximieren der Beugungseffizienz für eine Wellenlänge λ0 wie folgt. Wenn
ein Lichtfluss senkrecht auf das Beugungsgitter 3 auftrifft,
ist die Differenz der optische Weglänge d0 zwischen dem Gitterkamm
und der Gitterrinne des Beugungsgitters 3 so ausgelegt,
dass sie ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge λ0 ist, wie es nachfolgend ausgedrückt wird: d0 = (n0 – 1) d = mλ0 (2)wobei n0
den Brechungsindex des Materials bei der Wellenlänge λ0 darstellt, d eine Gitterdicke
(Differenz zwischen der maximalen Dicke und der minimalen Dicke
des Beugungsgitters) darstellt, und m die Zahl der Beugungsordnung
darstellt.
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Wenn
Licht einer Wellenlänge λ senkrecht auf
das Beugungsgitter auftrifft, welches eine optische Weglängendifferenz
d(λ) aufweist,
kann die Beugungseffizienz η des
gewöhnlichen,
einschichtigen optischen Beugungselementes wie folgt ausgedrückt werden: η = sinc2{d(λ)/mλ – 1}
=
sinc2{((n(λ) – 1)d/mλ – 1} (3)wobei n(λ) den bei
der Wellenlänge λ erzielten
Brechungsindex des Materials darstellt.
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Ein
mehrschichtiges, optisches Beugungselement, welches sich aus zwei
oder mehreren Schichten zusammensetzt, ist im Grunde genommen das
gleiche wie das einschichtige, optische Beugungselement. Um zu erzielen,
dass das mehrschichtige optische Beugungselement über sämtliche
Komponentenschichten als Beugungsgitter agiert, wird eine optische
Weglängendifferenz
d(λ) von
der Gitterdicke eines jeden Beugungsgitters erzielt. Mit den optischen
Weglängendifferenzen,
die für
sämtliche
Schichten erzielt wurden, werden dann diese Werte zusammenaddiert,
um eine Summe zu erzielen. Das mehrschichtige optische Beugungselement
ist derart ausgebildet, dass die Summe ein ganzzahliges Vielfaches
der Wellenlänge
wird, für welche
die Beugungseffizienz maximiert werden muss. In 2 ist die erste Ausführungsform so ausgelegt, dass
sie ein dreischichtiges optisches Beugungselement ist. Jedoch ist
die Erfindung nicht auf diese Struktur beschränkt, sondern sie ist bei allen Beugungsgitterstrukturen
anwendbar, die sich aus mehr als drei geschichteten Schichten zusammensetzen.
In diesem Fall wird die Gitterdicke derart angenommen, dass sie eine
Differenz zwischen der maximalen Dicke und der minimalen Dicke innerhalb einer
Periode für
jedes Beugungsgitter ist, und der Brechungsindex bei der Wellenlänge λ0 des Materials
der L-ten Schicht wird als n0L angenommen. Dann kann eine Formel,
die für
ein mehrschichtiges, optisches Beugungselement gilt und die der
Formel (2) entspricht, wie folgt ausgedrückt werden: (n01 – 1) d1 ± (n02 – 1)d2 ± ...
± (n0L – 1)dL =
mλ0 (4)
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Die
gleiche Bedingung, die obig für
das einschichtige optische Beugungselement beschrieben wurde, gilt
ebenso für
das mehrschichtige optische Beugungselement vom geschichteten Typ
hinsichtlich einer Differenz der optischen Weglänge. In dem Fall des mehrschichtigen
optischen Beugungselementes wird seine Beugungseffizienz η so, wie
es durch die nachfolgende Formel ausgedrückt wird, wenn Licht einer
Wellenlänge λ senkrecht
auf das Beugungsgitter auftrifft, das die optische Weglängendifferenz
d(λ) aufweist: η = sinc2{d(λ)/mλ – 1}
=
sinc2[{(n1(λ) – 1)d1 ± (n2(λ) – 1)d2 ± ...
± (nL(λ) – 1)dL}/mλ – 1] (5)wobei nL(λ) den Brechungsindex
darstellt, der bei der Wellenlänge λ des Materials
der L-ten Schicht, d. h., des L-ten
Beugungsgitters, erzielt wird.
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Wie
es in 2 dargestellt
ist, wird mit Beugung von Licht in die linke Seite von dem Beugungslicht
0-ter Ordnung, was als positive Beugungsordnung angenommen wird,
das in der Formel (5) gezeigte Zeichen „±" wie folgt. Eine Gitterformgebung, in
welcher, wie es in 2 gezeigt
wird, die Dicke des Gitters von der linken Seite zu der rechten
Seite abnimmt, d. h., die Formgebung des Beugungsgitters 3a und 3c,
wird so betrachtet, das es in positiver Richtung der Beugung ist.
Umgekehrt wird eine Gitterformgebung, in welcher die Gitterdicke
von links nach rechts zunimmt, d. h., die Formgebung des Beugungsgitters 3b,
so betrachtet, das es in negativer Richtung der Beugung ist.
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Erfindungsgemäß gibt es
innerhalb eines gemeinsamen Wellenlängenbereiches, der in der vorliegenden
Erfindung ebenso als „nutzbarer
Wellenlängenbereich" bezeichnet wird,
drei Wellenlängen,
bei welchen die Beugungseffizienz bei einem maximalen Wert vorliegt,
um die Formel (4) zu erfüllen.
Diese drei Wellenlängen
werden ebenso als die „Auslegungswellenlängen" bezeichnet. Verglichen
mit den Anordnungen in dem Beispiel aus dem Stand der Technik liefert
die Anordnung der Erfindung über
den gesamten Bereich der nutzbaren Wellenlängen einen höheren Wert
der Beugungseffizienz.
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Die
Ausführungsform
der Erfindung wird ferner auf der Basis von ihrer praktischen Anordnung mit
Hilfe von Beispielen wie folgt beschrieben. In dem Fall von einem
Beispiel ist der nutzbare Wellenlängenbereich ein sichtbares
Spektrum, die Auslegungsordnung des Beugungsgitters ist eine +-erste Ordnung
(m = 1), und es gibt drei Auslegungswellenlängen. In diesem Fall sind zumindest
drei Arten von Materialien erforderlich, die sich in der Dispersion
unterscheiden. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird für das optische
Beugungselement angenommen, dass es eine minimal durchführbare Struktur
ist, die sich aus drei Schichten von Beugungsgittern zusammensetzt,
welche aus drei verschiedenen Arten von Materialien hergestellt
sind.
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Mit
dem nutzbaren Wellenlängenbereich,
für den
das sichtbare Spektrum angenommen wird, wird für das optische Beugungselement
angenommen, dass es drei Auslegungswellenlängen aufweist, d. h., eine
Wellenlänge
von 410 nm, die Wellenlänge
der F-Linie und die Wellenlänge
der C-Linie. In diesem Fall wird ein Plastik-Kunstharzmaterial,
PMMA (nd = 1,49171, νd
= 57,4) für
das erste Beugungsgitter 3a verwendet. Ein Plastik-Kunstharzmaterial,
PC (nd = 1,58306, νd
= 30,2), wird für
das zweite Beugungsgitter 3b verwendet. Ein ultraviolett
aushärtbares
Kunstharz, HV16 (nd = 1,5980, νd
= 28,0), welches ein Erzeugnis von ADEERU Co. ist, wird für das dritte
Beugungsgitter 3c verwendet.
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Demgemäß beträgt der Brechungsindex
n1 des ersten Beugungsgitters 3a bei der Wellenlänge von
410 nm 1,50634, 1,49773 bei der Wellenlänge der F-Linie und 1,48917
bei der Wellenlänge
der C-Linie. Der Brechungsindex n2 des zweiten Beugungsgitters 3b liegt
bei diesen Wellenlängen
jeweils bei 1,61362, 1,59679 und 1,57750. Der Brechungsindex n3
des dritten Beugungsgitters 3c liegt bei diesen Wellenlängen jeweils
bei 1,63482, 1,61319 und 1,59183. Von daher werden gemäß der Formel
(4) die folgenden Formeln aufgestellt: (1,50634 – 1)d1
+
(1,61362 – 1)d2
+
(1,63482 – 1)d3
0 0,41 (6) (1,49773 – 1)d1
+ (1,59679 – 1)d2
+
(1,61319 – 1)d3
= 0,48607 (7) (1,48917 – 1)d1
+ (1,57750 – 1)d2
+
(1,59183 – 1)d3
= 0,65627 (8)
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Da
es drei Variablen für
diese drei Formeln gibt, können
die Dicken der Materialien, die sämtliche dieser Formeln erfüllen, univalent
erzielt werden. Die Lösung
dieser Formeln gibt die Werte der Gitterdicken d1, d2 und d3 wie
folgt an: d1 = 27,50 μm,
d2 = –36,22 μm und d3
= 13,73 μm.
Die Gitterdicke d2 ist in diesem Fall ein negativer Wert. Dies bedeutet, dass
das Ziel der strukturierten Anordnung erzielt werden kann, indem
veranlasst wird, dass die Gitterdicke d2 zunimmt und abnimmt, um
invers zu den Gitterdicken der anderen Gitterdicken d1 und d2 zu sein.
Die bei der Wellenlänge
von 410 nm und der Wellenlänge
der F-Linie und der Wellenlänge
der C-Linie erzielte Beugungseffizienz η wird η = 1,00, was ein maximaler
Wert ist, weil der Wert innerhalb „( )" der Formel (5) als „0" von „d0 = mλ" erzielt wird.
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Die
Beugungseffizienz von Licht von anderen sichtbaren Wellenlängen wird
als nächstes
erzielt. Da die Gitterdicke bereits bestimmt wurde, wird die Beugungseffizienz
für jede
Wellenlänge
gemäß der Formel
(5) berechnet. 3 zeigt
Werte der Phasenamplitude d(λ)/mλ, die für die jeweiligen
Wellenlängen
erzielt werden. 4 zeigt
Werte der bei der Auslegungsordnung für die jeweiligen Wellenlängen erzielte
Beugungseffizienz. 5 zeigt
Werte der Beugungseffizienz, die bei Beugungsordnungen in der Nähe der Auslegungsordnung
(0-te und 2-te Ordnung) für
die jeweiligen Wellenlängen
erzielt werden.
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Wie
es von 3 verständlich ist,
gibt es drei Auslegungswellenlängen,
wo die Phasenamplitude innerhalb des sichtbaren Spektrums „1" wird. Ferner überschreiten
die Werte der Phasenamplitude bei Wellenlängen, die sich von den Auslegungswellenlängen unterscheiden,
nicht 5%. Dieses zeigt an, dass die Beugungseffizienz bei der Auslegungsordnung
hervorragend ist, und dass sie für
den gesamten Bereich der nutzbaren Wellenlängen weniger als 99% ist. Ferner
ist die Beugungseffizienz bei anderen Beugungsordnungen in der Nähe der Auslegungsordnung
(0-te und 2-te Ordnung) ebenso gut, da sie einen geringen Wert von
lediglich 0,3% oder weniger annimmt.
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Mit
den Materialien, die, wie obig beschrieben, angemessen ausgewählt sind,
ist das optische Beugungselement so ausgebildet, dass es für den gesamten
nutzbaren Wellenlängenbereich
eine hohe Beugungseffizienz aufweist.
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Die
obige Beschreibung zeigt, dass ein optisches Beugungselement, welches
in der Lage ist, Bedingungen zum Erzielen der Aufgabe der Erfindung
zu erfüllen,
durch Ausbilden einer Kombination von Materialien drei verschiedener
Arten ausgebildet werden kann. Beim tatsächlichen Ausführen der
Erfindung jedoch wird eine Suche für die Kombination der Materialien
und der Gitterdicke in der Reihenfolge der Prozeduren entgegen der
zuvor gegebenen Beschreibung gemacht. Beispielsweise wird zunächst ein
Wert der Beugungseffizienz wie gewünscht festgelegt. Wenn der
gewünschte
Wert der Beugungseffizienz gleich oder über 98% ist, kann die Beugungseffizienz η wie folgt
ausgedrückt
werden: η =
sinc2(d(λ)/mλ – 1) ≥ 0,98
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Dann
kann für
den gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich
eine Beugungseffizienz von wenigstens 98% erzielt werden, wenn „d(λ)/mλ die folgende
Bedingung erfüllt 0,9217 ≤ d(λ)/mλ ≤ 1,0783 (9)
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Die
obig genannte optische Weglängendifferenz d(λ)
= (n1(λ) – 1)d1
± (n2(λ) – 1)d2 ± ...
± (nL(λ) – 1)dL
wird
in die Formel (9) substituiert, um den folgenden Ausdruck zu erzielen: 0,9217 ≤ {(n1(λ) – 1)d1
± (n2(λ) – 1)d2 ± ...
± (nL(λ) – 1)dL}/mλ ≤ 1,0783 (10)
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An
letzter Stelle wird eine Suche nach dem Brechungsindex der Materialien
und der Gitterdicke durchgeführt,
die die mittels der obigen Formel (10) ausgedrückte Bedingung erfüllen. Dann
werden die Formgebung des Gitters und die zu verwendenden Materialien
gemäß dem Ergebnis
der Suche festgelegt. In einem Fall, wo ein Wert der Beugungseffizienz
annehmbar ist, der anstatt 98% wenigstens 95% beträgt, wird
die Formel (10) wie nachfolgend gezeigt: 0,8755 ≤ {(n1(λ) – 1)d1
± (n2(λ) – 1)d2 ± ...
± (nL(λ) – 1)dL}/mλ ≤ 1,1245 (11)
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Solch
eine Modifikation erhöht
die Materialarten, die miteinander kombiniert werden können, und
vergrößert von
daher den Auswahlbereich von solchen Materialien, die kostengünstig sind
und die sich hinsichtlich ihrer Beständigkeit auszeichnen.
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In
dem Vorangehenden wurden ein optisches Beugungselement mit drei
Auslegungswellenlängen,
die drei Schichten von Materialien und die Formgebung des Gitters
beschrieben. In diesem Fall ist bei kürzeren Wellenlängen die Änderung
in der Phasenamplitude groß,
wie es anhand der grafischen Darstellung der Phasenamplitude von 3 ersichtlich wird. Von
daher ist es bevorzugt, zumindest zwei der drei Auslegungswellenlängen in
der kürzeren
Wellenlängenseite
der Mitten-Wellenlänge des
nutzbaren Wellenlängenbereiches
zu haben. Mit den derart angeordneten Auslegungswellenlängen kann
der Wert der Phasenamplitude über
den gesamten Bereich der nutzbaren Wellenlängen herabgesetzt und der Wert
der Beugungseffizienz erhöht werden.
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Der
Wert der Änderung
in der Phasenamplitude kann herabgesetzt werden, indem eine Wellenlängendifferenz
zwischen den Auslegungswellenlängen
derart ausgelegt wird, dass sie zumindest 50 nm beträgt. Aufgrund
solch einer Anordnung kann die eventuelle Änderung der Beugungseffizienz
herabgesetzt werden, selbst wenn die Phasenamplitude einige Fehler
aufgrund eines Herstellungsfehlers, etc. aufweist.
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Die
Formgebung des Beugungsgitter wurde durch Einschränkung dieser
auf eine Formgebung, die innerhalb einer Periode von Beugungsgittern
erzielt wird, beschrieben. Jedoch ist es bekannt, dass die Beugungseffizienz
im wesentlichen nicht durch den Abstand des Beugungsgitters beeinflusst
wird. Anders ausgedrückt
bedeutet dies, dass die obig beschriebene Anordnung der ersten Ausführungsform nicht
nur bei dem in 1 gezeigten,
eindimensionalen Beugungsgitter anwendbar ist, sondern auch bei optischen
Beugungselementen mit irgendwelchen verschiedenen Gitterabstandsformgebungen,
einschließlich
einer in 6 gezeigten
Beugungslinse, anwendbar ist.
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Ferner
weisen die sektionalen Formgebungen des Gitters eine wie in 1 gezeigte Phasen-Fresnel-Formgebung
und eine wie in 7 gezeigte
stufenförmige
Formgebung auf. Jedoch ist die Erfindung nicht auf diese Formgebungen
beschränkt, sondern
sie gilt für
irgendwelche anderen bekannten Formgebungen.
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In
dem Fall der in 7 gezeigten
stufenförmigen
Formgebung gilt jedoch für
die tatsächliche Gitterdicke
dL' die nachfolgenden
Beziehung zu der Gitterdicke dL der Phasen-Fresnel-Formgebung: dL' = dL × (N – 1)/N,
wobei N die Anzahl der Stufen des stufenförmigen Gitters darstellt. In
einem Fall, wo das optische Beugungselement in der stufenförmigen Formgebung
vorliegt, unterscheidet sich die tatsächliche Gitterdicke d' von der Gitterdicke
d, die bei der Festlegung der optischen Weglängendifferenz verwendet wird.
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Die
erste Ausführungsform
ist, wie sie oben beschrieben wird, ein optisches Beugungselement, welches
ein Beugungsgitter aufweist, das teilweise an einer flachen Platte
angeordnet ist. Jedoch können
die gleichen vorteilhaften Effekte durch Anordnen des Beugungsgitter-Teils
an einer gekrümmten Linse
erzielt werden.
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In
der ersten Ausführungsform
wird das erste Beugungsgitter an der Basis- bzw. Grundplatte ausgebildet.
Die Basisplatte und das erste Beugungsgitter können durch Giessen von einem
und dem gleichen Material zusammen ausgeformt werden.
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Ferner
ist in der ersten Ausführungsform
die Auslegungsbeugungsordnung die erste Ordnung. Jedoch ist sie
nicht auf die erste Ordnung beschränkt. Mit der Auslegungsordnung,
die so ausgelegt ist, dass sie anders als die erste Ordnung ist,
wie etwa die zweite Ordnung, können
die gleichen vorteilhaften Effekte erzielt werden, indem eine zusammengesetzte
optische Weglängendifferenz
hinsichtlich von zumindest drei Wellenlängen derart festgelegt wird, dass
die Auslegungswellenlängen
bei der gewünschten
Beugungsordnung liegen.
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Als
nächstes
wird nachfolgend ein optisches Beugungselement gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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In
der ersten Ausführungsform
wird ein optisches Beugungselement mit drei Auslegungswellenlängen durch
Beugungsgitter einer sich aus drei Schichten zusammensetzenden Struktur
ausgebildet, die gemäß der Erfindung
die kleinste Anzahl von Schichten aufweist. Aus diesem Grund wird
eine Gitterfläche
gleichmässig
an dem letzten Endteil des Beugungsgitters ausgebildet. In der zweiten
Ausführungsform
ist andererseits das letzte Endteil hinsichtlich seiner Beugungsgitterstruktur
so ausgelegt, um eine flache Oberfläche durch Hinzufügen eines
anderen Beugungsgitters 3d auszubilden, wie es in 8 gezeigt wird. Da es in
diesem Fall keine Beugungsfläche
an dem letzten Endteil gibt, räumt
die Bereitstellung des zusätzlichen
Beugungsgitters 3d die Notwendigkeit aus dem Wege, dafür zu sorgen,
dass Schmutz daran gehindern wird, sich in einer Gitterrille abzusetzen,
oder dass eine Antireflexionsbeschichtung hinzugefügt werden
muss, so dass die zweiten Ausführungsform
als ein Element einfacher umgegangen werden kann, als es bei der
ersten Ausführungsform
der Fall ist.
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Als
nächstes
wird ein optisches Beugungselement gemäß einer dritten Ausführungsform
der Erfindung beschrieben.
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In
jeder der ersten und zweiten Ausführungsformen ist die Dicke
des dünnsten
Teiles von jedem zweiten und dritten Beugungsgitter 3b und 3c so
ausgelegt, um „0" zu sein. Diese Anordnung
hat die zweiten und dritten Beugungsgitter bei jedem Gitterabstand
geteilt. Beim Herstellen durch Formpressung mit einer Pressform,
wie etwa eine strukturierte Anordnung, entsteht ein Problem, weil
das optische Beugungselement nicht ohne weiteres von der Form herausgelöst und übertragen
werden kann.
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Um
dieses Problem zu lösen,
wird in der dritten Ausführungsform,
wie es in 9 gezeigt
wird, eine Schicht von einem Material, welches das gleiche wie das
Material des zweiten Beugungsgitters 3b ist, zu der gesamten
Fläche
des Beugungsgitters Teil 3 mit einer gleichförmigen Dicke „doff" hinzugefügt. Durch
diese zusätzliche
Schicht werden in dem Fall der Formpressung mit der Form die Gitterabschnitte des
zweiten Beugungsgitters 3b verbunden, so dass das Beugungsgitter
ohne weiteres von einer Form ausgelöst werden kann. Wenn das dritte
und vierte Beugungsgitter 3c und 3d ebenso auf
diese Weise ausgelegt sind, können
sämtliche
Gitterteile ohne weiteres formgepresst werden.
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10 zeigt als eine vierte
Ausführungsform der
Erfindung ein optisches System, welches ein optisches Beugungselement
verwendet, das gemäß der Erfindung
ausgelegt ist.
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In 10 bezeichnet die Bezugsziffer 5 eine bildaufnehmende
Linse. Eine Blende 6 und das optische Beugungselement 10 gemäß der Erfindung
sind innerhalb der bildaufnehmenden Linse 5 angeordnet. Eine
Abbildungs-Ausbildungsebene 7 ist eine fotosensitive Oberfläche eines
Filmes.
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In
diesem Fall ist die bildaufnehmende Linse mittels der Summe des
Transmissionsfaktors des Strahlbrechungslinsen-Teils und der Beugungseffizienz (Transmissionsfaktor)
des Beugungsgitter-Teils so festgelegt, dass sie einen bestimmten
Transmissionsfaktor aufweist, welche gemäß der Erfindung ausgelegt ist.
In dem Fall des herkömmlichen
Beugungsgitters variiert die Beugungseffizienz (Transmissionsfaktor)
des Beugungsgitters gemäß den Wellenlängen um
einen beachtlichen Grad, wie es in 13 gezeigt
wird. Um eine spektrale Charakteristik zu erzielen, die für eine bildaufnehmende
Linse erforderlich ist, ist es von daher notwendig, einen Filter
zu verwenden, wie etwa eine dichroische Beschichtung, um die Transmissionscharakteristik
des optischen Beugungselementes zu korrigieren. Um ferner die spektrale
Charakteristik in die gewünschte
Charakteristik zu bringen, ist es notwendig, nur die Farbe der spektralen
Charakteristik einer zusammengesetzten Transmission zu korrigieren,
indem Betrag des Beugungslichtes von Wellenlängen in der Nähe der Auslegungswellenlänge herabgesetzt
wird. Daraus resultiert, dass es unvermeidlich ist, einen relativ
großen Verlust
bezüglich
des Betrages des Lichtes zu haben.
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Erfindungsgemäß ist andererseits
das optische Beugungselement so ausgelegt, dass es seine Beugungseffizienz
für den
nutzbaren Wellenlängenbereich
bei einem hohen Wert hält.
Von daher kann mit dem optischen Beugungselement auf die gleiche Art
und Weise wie bei einer gewöhnlichen
Strahlbrechungslinse umgegangen werden, und zwar ohne die Notwendigkeit
der Verwendung von irgendeinem speziellen Coating. Da ferner die
Beugungseffizienz bei Ordnungen in der Nähe der Auslegungsordnung von
Beugung hinreichend unterdrückt
wird, kann das Erzeugen von Streulicht unter den ungewöhnlichen bildaufnehmenden
Bedingungen, die zuvor genannt wurden, in großem Maße unterdrückt werden.
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In
dem Fall von 10 setzt
sich das optische Beugungselement aus einer ebenen Glasfläche in der
Nähe der
Blende zusammen. Jedoch ist die Position des optischen Beugungselementes
nicht auf diese Position beschränkt.
Das optische Beugungselement kann an einer gekrümmten Linsenfläche, wie etwa
an einer konvexen oder konkaven Oberfläche, angeordnet sein. Es ist
ebenso möglich,
eine Vielzahl von optischen Beugungselementen innerhalb der bildaufnehmenden
Linse zu verwendet.
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In
dem Fall der vierten Ausführungsform
wird die Erfindung bei der bildaufnehmenden Linse einer Kamera angewandt.
Jedoch ist die Erfindung nicht hierauf beschränkt. Der gleiche vorteilhafte
Effekt kann durch Anwenden der Erfindung bei einer bildaufnehmenden
Linse einer Videokamera, eines Bildscanners, einer Büromaschine,
bei einer Leselinse eines digitalen Kopierers, etc. angewandt werden.
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11 ist eine Schnittansicht,
die als eine fünfte
Ausführungsform
der Erfindung ein optisches System zeigt, welches ein optisches
Beugungselement verwendet, das gemäß der Erfindung ausgelegt ist.
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Das
in 11 gezeigte optische
System ist ein optisches Beobachtungssystem eines Feldstechers oder
dergleichen. Das optische Beobachtungssystem weist ein Objektiv 8,
ein Bildumkehrprisma 9 zum Umkehren einer Abbildung, ein
Okular 10 und eine Auswertungsebene (Pupillenfläche) 11 auf.
In 11 bezeichnet die
Bezugsziffer 1 ein optisches Beugungselement, welches gemäß der Erfindung ausgelegt
ist. Das optische Beugungselement 1 ist zum Zwecke der
Korrektur einer chromatischen Aberration, etc. von dem Objektiv 8 an
der Abbildungs-Ausbildungsebene 7 vorgesehen.
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In
dem Fall der fünften
Ausführungsform
ist das optische Beugungselement 1 an der Seite des Objektives 8 angeordnet.
Jedoch ist die Position des optischen Beugungselementes 1 nicht
auf diese Position beschränkt.
Der gleiche Effekt kann durch Festlegen des optischen Beugungselementes 1 an
der Oberfläche
des Prismas 9 oder innerhalb des Okulars 10 erzielt
werden. Mit dem optischen Beugungselement 1, welches an
der Objektseite der Abbildungs-Ausbildungsebene 11 festgelegt
ist, dient es jedoch dazu, eine chromatische Aberration herabzusetzen,
die im wesentlichen durch das Objektiv 8 hervorgerufen
wird. Von daher ist es in dem Fall eines Beobachtungssystems zum
Beobachten mit dem Auge vorteilhaft, das optische Beugungselement 1 zumindest
an der Seite des Objektives festgesetzt zu haben.
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Ferner
wird die Erfindung in dem Fall der fünften Ausführungsform bei einem Feldstecher
angewandt. Jedoch ist der gleiche Effekt durch Anwenden der Erfindung
bei einem terrestrischen oder astronomischen Teleskop oder bei einem
optischen Sucher einer linsengeshutterten Kamera, einer Videokamera
oder dergleichen erzielbar.
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Gemäß der Anordnung
von jeder offenbarten Ausführungsform
sind eine Vielzahl von Beugungsgittern auf einer Basis- bzw. Grundplatte
passend geschichtet. Durch diese Anordnung können ein optisches Beugungselement
und ein optisches System, welches das optische Beugungselement aufweist, ausgelegt
werden, einen hohen Wert der Beugungseffizienz zu haben, um Farbunregelmäßigkeiten über den
gesamten nutzbaren Wellenlängenbereich
herabzusetzen.