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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Beugungselement
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 und genauer gesagt auf ein optisches Beugungselement
mit einem Gitteraufbau, der eine Vielzahl an Wellenlängen oder
ein vorbestimmtes Band an Wellenlängen von Licht bei einer speziellen
Ordnung (oder Gestaltungsordnung) konzentriert. Außerdem bezieht
sich die vorliegende Erfindung auf optische Systeme, die derartige
optische Beugungselemente verwenden.
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Beschreibung des zugehörigen Standes
der Technik
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Bislang
sind optische Systeme im Hinblick auf die chromatischen Aberrationen
korrigiert worden, indem zwei Glasmaterialien (Linsen) mit verschiedener
Dispersion kombiniert worden sind.
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Anders
als bei diesem herkömmlichen
Verfahren zum Verringern der chromatischen Aberrationen ist ein
neues Verfahren zum weiteren Verringern der chromatischen Aberrationen
durch eine Anwendung eines optischen Beugungselementes, bei dem ein
Beugungsgitter mit einer Beugungsfunktion an einer Linsenfläche oder
an einem Teil des optischen Systems vorgesehen ist, beispielsweise
in SPIE Band 1354 „International
Lens Design Conference" (1990),
in den offengelegten japanischen Patentanmeldungen Nr. Hei 4-213
421 und Nr. Hei 6-324 262 und in dem U.S.-Patent Nr. 5 044 706 offenbart.
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Das
vorstehend beschriebene neue Verfahren ist unter Verwendung eines
physikalischen Phänomens
entwickelt worden, bei dem die Brechungsfläche und die Beugungsfläche bei
einem optischen System chromatische Aberrationen für die Lichtstrahlen
einer bestimmten Referenzwellenlänge
in den jeweiligen entgegengesetzten Richtungen erzeugen.
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Darüber hinaus
kann ein derartiges optisches Beugungselement so gestaltet werden,
dass es sich wie eine asphärische
Linse verhält,
indem sein periodischer Aufbau geändert wird, was einen großen Vorteil
im Hinblick eines Verringerns von vielen Aberrationen mit sich bringt.
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Nachstehend
sind die Wirkungen des Lichts, das durch die Brechungsfläche und
die Beugungsfläche
tritt, verglichen. Im Hinblick auf die Brechungsfläche bleibt
ein Strahlbündel,
nachdem es gebrochen worden ist, auch im Hinblick auf die Zahl ein
Strahlbündel.
Im Hinblick auf die Beugungsfläche
bricht ein Strahlbündel
beim Beugen in eine Anzahl an Strahlbündeln in Beugungsordnungen
auf.
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Somit
besteht, wenn das optische Beugungselement als ein Linsensystem
verwendet wird, kein Bedarf an einem Bestimmen des Gitteraufbaus in
einer derartigen Weise, dass ein Lichtstrahlbündel von dem Bereich mit der
verwendungsfähigen
Wellenlänge
in einer speziellen Ordnung (nachstehend ist diese auch als die „Gestaltungsordnung" bezeichnet) konzentriert
wird. Bei einer Situation, bei der Licht bei dieser speziellen Ordnung
konzentriert wird, werden die Intensitäten der Lichtstrahlbündel der
anderen Beugungsordnungen gering. Wenn die Intensität „0" ist, kann die entsprechende
Beugungsordnung als nicht vorhanden erachtet werden.
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Für diesen
Zweck muss die Beugungseffizienz für die Lichtstrahlbündel bei
der Gestaltungsordnung ausreichend hoch sein. Bei einer anderen
Situation, bei der die gebeugten Strahlen bei den anderen Ordnungen
außer
der Gestaltungsordnung vorhanden sind, fokussieren sie sich selbst
bei anderen Orten als es die Strahlen bei der Gestaltungsordnung tun,
wobei sie zu Licht werden, das ein Flackern oder Streulicht erzeugt.
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Bei
einem optischen System, das das optische Beugungselement anwendet,
ist es daher von großer
Bedeutung, sogar die Spektralverteilung der Beugungseffizienten
bei der Gestaltungsordnung und das Verhalten der Strahlen bei den
anderen Ordnungen gänzlich
zu berücksichtigen.
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12 zeigt
ein optisches Beugungselement 1 mit einer Lage, bei dem
ein Beugungsgitter 3 an einem Substrat 2 gebildet
ist, das einen Teil eines optischen Systems bildet. 13 zeigt
charakteristische Kurven des optischen Beugungselementes 1 für ausgewählte Ordnungen
der Beugungseffizienz gegenüber
Wellenlängen.
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Die
Werte der Beugungseffizienz sind in Prozent der Menge an gebeugtem
Licht von jeder Wellenlänge
in Bezug auf die Gesamtmenge des übertragenen Lichtes angegeben.
Das reflektierte Licht von der Gittergrenze oder dergleichen wird
bei der Bewertung nicht berücksichtigt.
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Als
das optische Material des optischen Beugungselementes 1 wird
ein Kunststoffmaterial mit der Bezeichnung „PMMA" (nd = 1,4917, νd = 57,4) verwendet. Die Gitterdicke „d" ist als 1,07 μm bestimmt. In 13 zeigt
die Abszissenachse die Wellenlänge und
die Ordinatenachse zeigt die Beugungseffizienz.
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Das
optische Beugungselement 1 ist so gestaltet, dass die Beugungseffizienz
bei einer Wellenlänge
von 530 nm bei der ersten Ordnung am höchsten ist (durchgehende Linie
in 13). Das heißt,
die Gestaltungsordnung ist die erste Ordnung.
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Des
Weiteren sind die Beugungseffizienzen der nächsten Ordnungen von der ersten
Ordnung (oder der (1 ± 1)-ten
Ordnung, das heißt
der nullten Ordnung und der zweiten Ordnung) ebenfalls zum Zwecke
des Vergleichs abgebildet. Wie dies in 13 gezeigt
ist, nimmt bei der Gestaltungsordnung die Beugungseffizienz den
höchsten
Wert bei einer bestimmten Wellenlänge (nachstehend ist diese
als die „Gestaltungswellenlänge" bezeichnet) ein und
fällt allmählich bei
den anderen Wellenlängen
ab.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Aufbau wird der verringerte Abschnitt
der Beugungseffizienz bei der Gestaltungsordnung zu den gebeugten
Strahlen bei den anderen Ordnungen, das heißt ein Streulicht (Flackern).
Außerdem
führt,
wenn eine Vielzahl an Beugungsgittern verwendet wird, das Verringern der
Beugungseffizienz bei den anderen Wellenlängen gegenüber der Gestaltungswellenlänge zu einer Verringerung
des Übertragungsvermögens (Transmission).
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Ein
Aufbau, der das Absinken der Beugungseffizienz mindern kann, ist
in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 10-133
149 vorgeschlagen worden. Das in diesem Vorschlag vorgeschlagene
optische Beugungselement ist in 14 gezeigt,
wobei zwei Beugungsgitter 4 und 5 an einem Substrat 2 in übereinander
gelagerter Beziehung angewendet worden sind, um ein Beugungsgitter
mit einem laminierten Aufbau im Querschnitt auszubilden. Die Brechungsindizes
und Dispersionseigenschaften der Materialien der beiden Lagen und
die Gitterdicke von jeder Lage sind optimal gestaltet, um eine hohe Beugungseffizienz über das
gesamte sichtbare Spektrum zu verwirklichen. 15 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Spektraleigenschaften
von dem in 14 gezeigten optischen Beugungselement 1.
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Ein
anderer Aufbau, der die Verringerung der Beugungseffizienz vermindern
kann, ist in der offengelegten japanischen Patentanmeldung Nr. Hei 9-127
322 vorgeschlagen worden. Wie dies in 16 gezeigt
ist, sind drei Beugungsgitter 4, 21 und 5 gestaltet
worden, indem drei verschiedene Materialarten und zwei verschiedene
Gitterdicken d1 und d2 optimal ausgewählt worden sind und benachbart
zueinander an dem Substrat 2 gelagert worden sind, wobei
ihre Nuten bei gleichen Abständen
verteilt worden sind, womit eine hohe Beugungseffizienz über den
gesamten Bereich des sichtbaren Spektrums verwirklicht worden ist,
wie dies in 17 gezeigt ist.
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Bei
den früheren
bekannten optischen Beugungselementen, die vorstehend beschrieben
sind, gibt es eine detaillierte Beschreibung über die Materialien und die
Gitterdicken, mit denen das Reliefmuster ausgebildet ist (nachstehend
ist dies auch als „Beugungsgitterfläche" bezeichnet). Jedoch
ist im Hinblick auf die Werte zur Verwendung bei der Gitterteilung
und der Gesamtsumme der Gitterdicken, die den Abstand zwischen zwei
Gittern (Beugungsgittern) umfassen, lediglich die Bedingung des
Wertes Q, die das Beugungsgitter der dünnen Art erfüllt, erläutert.
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Jedoch
muss, da eine Vielzahl an Beugungsgittern laminiert werden, um die
Verringerung der Beugungseffizienz über den gesamten Bereich des sichtbaren
Spektrums zu verringern, eine Anzahl an Gestaltungsparametern berücksichtigt
werden. Unter all den Kombinationen der Faktoren sind jene Faktoren,
die in den vorstehend aufgeführten
Dokumenten offenbart sind, in einigen Fällen nicht immer die besten.
Obgleich dies nachstehend ausführlicher
beschrieben ist, ist beispielsweise die Gitterteilung viel zu gering
und ist der Abstand zwischen zwei Beugungsgittern (die Dicke d3
in 16) viel zu groß.
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Des
Weiteren wird bei den bislang bekannten optischen Beugungselementen,
die vorstehend beschrieben sind, in Bezug auf die Gitterteilung
bei jedem Reliefmuster lediglich vorgeschlagen, dass sämtliche
Abstände
zueinander gleich gestaltet werden und die entsprechenden Nuten
in zueinander stehender Beziehung angeordnet werden, und das jeweils
Betreffende ist lediglich dargestellt. Anders ausgedrückt wird
eine Vorraussetzung in derartiger Weise aufgestellt, dass die Gitterränder der
beiden Reliefmuster zueinander ausgerichtet werden.
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Ein
gattungsgemäßes optisches
Beugungselement ist aus der Druckschrift US-A-4 426 130 bekannt
und weist eine Vielzahl an laminierten Beugungsgittern auf, die
zwei Beugungsgitter umfassen, die aus Materialien gestaltet sind,
die sich im Hinblick auf die Dispersion voneinander unterscheiden.
Jedes der Vielzahl an Beugungsgittern hat ein Gitterprofil mit Rändern, und
zumindest ein Teil der übereinander
angeordneten oder überlagerten
Gitterabschnitten der Vielzahl an Beugungsgittern ist voneinander in
einer Richtung der Gitterteilung von jedem Beugungsgitter versetzt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches Beugungselement
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 derart weiterzuentwickeln, dass eine hohe Beugungseffizienz
erzielt wird und Streulicht (flare) oder dergleichen wirksam unterdrückt wird.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung wird diese Aufgabe durch ein optisches Beugungselement mit
den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
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Ein
optisches System mit einem derartigen optischen Beugungselement
ist in Anspruch 15 definiert.
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Vorteilhafte
Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
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Die
Merkmale der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachstehend dargelegten
detaillierten Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den beigefügten
Zeichnungen deutlich hervor.
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KURZBESCHREIBUNG
DER VERSCHIEDENEN ZEICHNUNGEN
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1 zeigt
eine Vorderansicht von einem optischen Beugungselement gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt
eine ausschnittartige Schnittansicht in einem vergrößerten Maßstab von
dem optischen Beugungselement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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3 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen
der Positionsverschiebung oder Versetzung und der Beugungseffizienz
für die
Gestaltungsordnung in Bezug auf Wellenlängen bei dem optischen Beugungselement
gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel.
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4 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Beziehung zwischen
de Positionsverschiebung und der Beugungseffizienz für die Gestaltungsordnung
bei dem optischen Beugungselement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel.
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5 zeigt
eine Draufsicht auf den Hauptabschnitt eines optischen Beugungselementes
gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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6 zeigt
eine Querschnittsansicht von dem optischen Beugungselement entlang
einer Linie A-A' von 5.
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7 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Gitterteilung und
der Positionsverschiebung in Bezug auf die Gitterzahl bei dem optischen
Beugungselement gemäß dem zweiten
Ausführungsbeispiel.
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8 zeigt
eine Draufsicht auf den Hauptabschnitt eines optischen Beugungselementes
gemäß einem
dritten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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9 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Gitterteilung und
der Positionsverschiebung in Bezug auf die Gitterzahl bei dem optischen
Beugungselement gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel.
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10 zeigt
eine schematische Darstellung von einem optischen System, das das
optische Beugungselement gemäß einem
vierten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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11 zeigt
eine schematische Darstellung von einem optischen System, das das
optische Beugungselement gemäß einem
fünften
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung verwendet.
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12 zeigt
eine ausschnittartige Schnittansicht von einem Hauptabschnitt eines
herkömmlichen
optischen Beugungselementes.
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13 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Beugungseffizienz
für Beugungsordnungen
bei dem in 12 gezeigten optischen Beugungselement.
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14 zeigt
eine ausschnittartige Schnittansicht von einem Hauptabschnitt eines
anderen herkömmlichen
optischen Beugungselementes.
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15 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Beugungseffizienz
für die
erste Ordnung bei dem in 14 gezeigten
optischen Beugungselement.
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16 zeigt
eine ausschnittartige Schnittansicht von dem Hauptabschnitt eines
weiteren herkömmlichen
optischen Beugungselementes der Laminatart.
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17 zeigt
eine grafische Darstellung zur Erläuterung der Beugungseffizienz
für die
erste Ordnung bei dem in 16 gezeigten
optischen Beugungselement.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Nachstehend
sind bevorzugte Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen
detailliert beschrieben.
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1 zeigt
eine Vorderansicht von einem optischen Beugungselement gemäß einem
ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Unter Bezugnahme auf 1 hat
das optische Beugungselement 1 einen derartigen Aufbau,
dass ein Mehrlagenbeugungsgitter 3, das aus einer Vielzahl an
Beugungsgittern besteht, an einem Substrat 2 ausgebildet
ist.
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2 zeigt
eine ausschnittartige Schnittansicht von dem in 1 gezeigten
optischen Beugungselement 1 entlang einer Linie A-A' in 1.
Im Übrigen
ist die Darstellung von 2 in der Richtung der Tiefe
des Gitters (Beugungsgitter) erheblich verformt.
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Das
Beugungsgitter 3 gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
ist derart geformt, dass an dem Substrat 2 ein Beugungsgitter 4 als
eine erste Lage und ein Beugungsgitter 5 als eine zweite
Lage, die sich im Hinblick auf die Dispersion voneinander unterscheiden,
laminiert sind, wobei eine Luftlage AIR zwischen ihnen gesetzt worden
ist.
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Eine
erste Beugungsgitterfläche 6 ist
durch die Grenze zwischen einem Gitterabschnitt 4a der ersten
Lage und der Luftlage AIR ausgebildet und eine zweite Beugungsgitterfläche 7 ist
durch die Grenze zwischen der Luftlage AIR und einem Gitterabschnitt 5a der
zweiten Lage ausgebildet. Bei den laminierten Beugungsgittern 4 und 5 sind
die Positionen der jeweiligen Gitterränder 8 der Gitterabschnitte 4a und 5a,
die jeweils Gitterabstände
der Beugungsgitter 4 und 5 bilden, voneinander
in der Richtung der Gitterteilung (in der Richtung des Pfeils A-A') relativ versetzt
oder verschoben. Dann wirken sämtliche
somit laminierten Lagen optisch als ein optisches Beugungselement.
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Des
Weiteren nimmt bei den laminierten Beugungsgittern 4 und 5 gemäß dem ersten
Ausführungsbeispiel
eine Gitterdicke d1 des ersten Beugungsgitters 4 bei einer
Periode von ihr monoton ab unter Betrachtung von links nach rechts
in 2, und eine Gitterdicke d2 des zweiten Beugungsgitters 2 nimmt
bei einer Periode von ihr monoton unter Betrachtung von links nach
rechts in 2 zu.
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Des
Weiteren ist die Luftlage AIR zwischen die Beugungsgitterflächen 6 und 7 gesetzt.
Durch diesen Aufbau können
die Nuten der Beugungsgitterflächen 6 und 7 flacher
gestaltet werden, so dass das optische Beugungselement abänderbar
wird, um die Herstellverfahren zu erleichtern.
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Es
ist klar, dass das optische Beugungselement gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel
einen derartigen Aufbau hat, dass zumindest zwei Beugungsgitter,
die aus zumindest zwei Materialien mit unterschiedlicher Dispersion
gestaltet sind, übereinander
in einer in Kontakt stehenden (oder annähernd in Kontakt stehenden)
Beziehung angeordnet sind, und eine derartige Gitterform, bei der
Gitterränder
der entsprechenden Gitterabschnitte der Beugungsgitter voneinander
in der Richtung der Gitterteilung relativ versetzt sind.
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Indem
die Gitterränder
der entsprechenden Gitterabschnitte voneinander relativ versetzt
sind, kann eine höhere
Beugungseffizienz als in dem Fall erhalten werden, bei dem keine
Versetzung bei dem Aufbau von 1 vorhanden
ist. Bei einer Anwendung bei einem optischen System kann auch ein Streulicht
oder dergleichen in vorteilhafter Weise auf ein Minimum unterdrückt werden.
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Nachstehend
ist das optische Beugungselement der vorliegenden Erfindung vom
Gesichtspunkt der Beugungseffizienz erörtert. Bei einem normalen optischen
Beugungselement 1 der Einlagenübertragungsart, wie es in 12 in
einer Schnittansicht gezeigt ist, wird die Beugungseffizienz bei
der Gestaltungswellenlänge λ0 unter der
Bedingung am höchsten,
dass, wenn ein Lichtstrahlbündel
senkrecht an dem Beugungsgitter 3 einfällt, die Differenz zwischen den
optischen Bahnlängen
gegenüber
der Spitze und dem Tal des Beugungsgitters 3 (oder die
maximale optische Bahnlängendifferenz)
gleich einem Vielfachen der Gestaltungswellenlänge ist. Somit ergibt sich
die folgende Beziehung: (n011 – n021)d
= mλ0 (1).
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Hierbei
ist n011 der Brechungsindex für
die Wellenlänge λ0 eines Materials
an der Lichteingangsseite und n021 ist der Brechungsindex für die Wellenlänge λ0 von einem
Material an der Lichtausgangsseite. Bei dem normalen optischen Beugungselement
ist die Lichtausgangsseite einer Luftlage zugewandt, so dass n021
= 1,0. Des Weiteren repräsentiert
d die Gitterdicke und m steht für
die Ordnungszahl der Beugung. Selbst bei einem optischen Beugungselement
mit zwei oder mehr Beugungsgitterlagen sind die Grundgesetze in ähnlicher
Weise angewendet. Um sämtliche
Lagen als ein Beugungsgitter fungieren zu lassen, wird die Differenz
zwischen den Längen
der optischen Bahn gegenüber der
Spitze und dem Tal von dem Gitterabschnitt von jedem Beugungsgitter,
das in der Grenze zwischen beliebigen benachbarten zwei Lagen ausgebildet
ist, zunächst
herausgefunden. Für
sämtliche
Grenzen werden die Differenzen aufsummiert. Somit wird eine Bestimmung
dahingehend gemacht, dass die Gesamtsumme gleich einem Vielfachen
der Gestaltungswellenlänge
wird. In dem Fall des in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiels
wird daher die folgende Bedingung erhalten: (n011 – n021)d1 ± (n022 – n012)d2
= mλ0 (2)wobei n011
der Brechungsindex für
die Wellenlänge λ0 eines Materials
an der Lichteingangsseite des ersten Beugungsgitters 4 ist,
n021 der Brechungsindex für
die Wellenlänge λ0 eines Materials
(AIR) an der Lichtausgangsseite von dem ersten Beugungsgitter 4 ist,
n012 der Brechungsindex für
die Wellenlänge λ0 eines Materials
(AIR) an der Lichteingangsseite des zweiten Beugungsgitters 5 ist,
n022 der Brechungsindex für
die Wellenlänge λ0 eines Materials
an der Lichtausgangsseite von dem zweiten Beugungsgitter 5 ist
und d1 und d2 jeweils die Gitterdicken von dem ersten Beugungsgitter 4 und
dem zweiten Beugungsgitter 5 sind.
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Da
hierbei eine Beugung an jeder Seite von der Null-Ordnung auftritt, wird die unter Betrachtung von 2 sich
nach links ergebende Beugung als positiv bei der Beugungsordnung
angenommen. Dann bedeutet das Symbol „±„ in der Gleichung (2) nunmehr „+" in dem Fall des
ersten Beugungsgitters 4, bei dem die Gitterdicke unter
Betrachtung von links nach rechts in 2 abnimmt,
oder es bedeutet „–„ in dem
Fall des zweiten Beugungsgitters 5, bei dem die Beugungsdicke
unter Betrachtung von links nach rechts in 2 zunimmt.
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Obwohl
die Beugungsgitterflächen 6 und 7 in 2 so
dargestellt sind, dass sie an den Grenzen zu der Luft ausgebildet
sind, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Wie
dies aus der Gleichung (2) hervorgeht, kann anstelle von Luft ein
optisches Material mit dem Ergebnis angewendet werden, dass die
Beugungsgitterfläche
an der Grenze zwischen den beiden Materialien ausgebildet ist.
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Außerdem ist
bei der vorliegenden Erfindung eine derartige Gitterform gestaltet,
dass die Gitterränder 8 der
entsprechenden Gitterabschnitte (4a, 5a) der Beugungsgitter 4 und 5 relativ
voneinander in der Richtung der Gitterteilung (in der Richtung des Pfeils
A-A') versetzt oder verschoben
sind.
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Derartige
Merkmale der vorliegenden Erfindung erzeugen Effekte, die durch
das Zitieren von praktischen Beispielen nachstehend beschrieben sind.
Als das optische Beugungselement der laminierten Mehrlagenart der
vorliegenden Erfindung wird ein optisches Beugungselement mit zwei
Lagen erachtet, das in 2 gezeigt ist. Für die erste
Lage (das erste Beugungsgitter 4) ist das hierbei gewählte Material
ein bei UV aushärtendes
Harz C001 (nd = 1,524, νd
= 50,8), das durch die Dai-Nippon Ink Chemical Industry Co. Ltd.
hergestellt worden ist. Für
die zweite Lage (zweites Beugungsgitter 5) ist ein anderes
bei UV aushärtendes
Harz (nd = 1,635, νd
= 23,0) gewählt
worden.
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Die
Dicke des ersten Beugungsgitters 4 wird als d1 = 9,5 μm angenommen,
die Dicke des zweiten Beugungsgitters 5 wird als d2 = 6,9 μm angenommen,
der Abstand zwischen den beiden Beugungsgittern 4 und 5 wird
als DL = 1,0 μm
angenommen und die Gitterteilung wird als 30 μm angenommen.
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Zunächst hat
das herkömmliche
Beispiel, bei dem keine Relativverschiebung oder Relativversetzung
der Gitterränder
vorhanden ist, die Beugungseffizienz, die in 15 gezeigt
ist. In 15 wird eine durchgehende Linienkurve
erhalten, wenn die Gestaltungsparameter die gleichen Werte haben
wie jene, die vorstehend erwähnt
sind. Im Übrigen
ist zum Zwecke des Vergleichs die Beugungseffizienz in diesem Fall,
die erhalten wird, wenn die Gitterteilung lediglich auf 140 μm erhöht wird,
durch die gestrichelte Linienkurve gezeigt.
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Wie
dies aus dem Vergleich der beiden Kurven hervorgeht, ergibt sich
eine niedrigere Beugungseffizienz aus der geringeren Gitterteilung.
Diese Verringerung hat eine Höhe
von 4–5%
und darüber
hinaus ist sie gleichförmig über den
gesamten Bereich der Wellenlänge,
wobei sie als das Streulicht nicht vernachlässigbar ist und es daher erwünscht ist, eine
Verbesserung vorzunehmen.
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Als
Nächstes
ist ein Fall erläutert,
bei dem die Parameter die vorstehend zitierten Werte haben und wie
bei der Erfindung die Gitterränder
voneinander relativ versetzt sind. Unter Bezugnahme auf 2 haben
das erste und das zweite Beugungsgitter 4 und 5 m-te
Gitterabschnitte, wobei ihre Gitterränder 8 jeweils bei
Abständen
RL(m) und RL + 1(m) gemessen von einem bestimmten Referenzpunkt sind.
Die Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) zwischen
den Gitterrändern 8 ist
durch die folgende Gleichung ausgedrückt: Δ × L(m) =
RL(m) – RL
+ 1(m).
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3 zeigt
eine grafische Darstellung der Werte für den Parameter der Beugungseffizienz
bei der ersten Ordnung als die Gestaltungsordnung, die in bezug
auf die Wellenlänge
ausgedruckt sind, wenn die Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) von –1,5 μm bis 2,25 μm variiert.
Wie dies aus der grafischen Darstellung von 3 ersichtlich
ist, wird die Beugungseffizienz höher, wenn die Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) in
der Reihenfolge von 0,75, 1,5, 0, 2,25, –0,75, –1,5 μm variiert. Aus diesem Umstand wurde
herausgefunden, dass die Beugungseffizienz 2–3% verbessert über den
gesamten Bereich der Wellenlängen
ist, wenn die Gitterränder
voneinander um einen Abstand von ungefähr 0,75 μm verschoben sind, im Vergleich
zu dem Fall, bei dem die Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) gleich „0" ist, wie dies beim
herkömmlichen
Beispiel der Fall ist.
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Außerdem zeigt 4 eine
Variation der Beugungseffizienz bei einer Wellenlänge von
550 nm, indem die Abszisse bei der Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) genommen
wird. Unter Bezugnahme auf 4 erreicht
genauer gesagt die Beugungseffizienz einen Spitzenwert, wenn die
Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) 1,0 μm ist oder
ungefähr
bei diesem Wert.
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Des
Weiteren wird unter der Annahme, dass es während der Herstellung geschieht,
dass die Gitterränder 8 nicht
mit dem optimalen Wert der Relativpositionsverschiebung Δ × L(m) übereinstimmen,
die Beugungseffizienz dazu gebracht, dass sie sich wie folgt ändert. Wenn
die Toleranz für
das Positionieren beispielsweise ± 0,5 μm beträgt, führt dies bei dem herkömmlichen
Beispiel dazu, dass, da es bei ihm keine Relativpositionsverschiebung
(Δ × L(m) =
0) gibt, die Abweichung von dem idealen Wert bei einem Positionsfehler
von ± 0,5 μm reflektiert
wird, was wiederum bewirkt, dass die Beugungseffizienz um ungefähr 5% schwankt.
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Andererseits
rangiert die Relativpositionsverschiebung bei 1,0 ± 0,5 μm, d. h.,
sie variiert von 0,5 bis 1,5 μm,
was somit ermöglicht,
den Variationsbereich der Beugungseffizienz auf 1% oder weniger zu
begrenzen, wie dies aus der grafischen Darstellung von 4 hervorgeht.
Daher hat, während
bei dem Beispiel des Standes der Technik zum Halten der hohen Beugungseffizienz
eine Notwendigkeit zum genauen Ausrichten der Ränder der sich gegenüberstehenden
Gitterabschnitte vorhanden ist, die Anordnung der vorliegenden Erfindung
einen zusätzlichen
Vorteil eines vergleichsweise moderaten Gestaltens der Toleranz
für den
Zusammenbau gegenüber
dem herkömmlichen
Beispiel.
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Es
sollte hierbei bemerkt werden, dass, wenn die Gitterteilung abnimmt,
die Relativpositionsverschiebung der Gitterränder bei der vorliegenden Erfindung
eher größer gestaltet
wird, so dass die Beugungseffizienz weiter verbessert wird. Außerdem wird
bevorzugt, dass, wenn der Abstand zwischen dem L-ten Beugungsgitter
und dem (L + 1)-ten Beugungsgitter zunimmt, die Relativpositionsverschiebung
der Gitterränder
größer gestaltet
wird.
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Genauer
gesagt wird, wenn n1L und n2L die Brechungsindizes für eine beliebige
Wellenlänge λ an der Lichteingangsseite
bzw. an der Lichtausgangsseite von einem Material des L-ten Beugungsgitters
sind, θL
ein Winkel eines einfallenden Strahles zu einer normalen Linie eines
Gitters ist, P die Gitterteilung ist, dL eine Gitterdicke des L-ten
Beugungsgitters ist und dL ein Abstand zwischen dem L-ten Beugungsgitter
und dem (L + 1)-ten
Beugungsgitter ist; bevorzugt, dass die Relativpositionsverschiebung Δ × L der
Gitterränder,
die die Gitterteilung von dem (L + 1)-ten Beugungsgitter und die
Gitterteilung von dem L-ten Beugungsgitter ausbilden, die folgende Bedingung
erfüllen: 0 < Δ × L ≤ 2((dL/2)
+ DL)·tanαL+1 αL+1 = sin–1((n1L·sinθL – (n1L – n2L)d1/P)/n2L).
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Wenn
in der tatsächlichen
Praxis die Relativpositionsverschiebung Δ × L nicht größer als „2((dL/2)
+ DL)·tanαL+1" ist, kann der Effekt
der vorliegenden Erfindung nicht in angemessener Weise erhalten
werden.
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In
Verbindung mit dem ersten Ausführungsbeispiel
ist zu beachten, dass anstelle der Luftlage der Raum zwischen dem
L-ten Beugungsgitter und dem (L + 1)-ten Beugungsgitter anderweitig
mit einem Material gefüllt
sein kann, dessen Brechungsindex sich von jedem der Materialien
von dem L-ten Beugungsgitter
und dem (L + 1)-ten Beugungsgitter unterscheidet.
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Außerdem kann
bei dem ersten Ausführungsbeispiel
das optische Beugungselement in eine Anzahl an Bereichen geteilt
sein, und bei Beugungsgittern, die an einem Teil der Vielzahl an
Bereichen angeordnet sind, können
die Gitterränder
voneinander in der Richtung der Gitterteilung verschoben sein. Des
Weiteren kann die Relativpositionsverschiebung der Gitterränder beeinflusst werden,
indem die Breite der Gitterteilung an einem speziellen Abschnitt
des Gitterabschnittes variiert.
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Ein
zweites Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben. Obgleich
das erste Ausführungsbeispiel
in Verbindung mit der Beugungsgitterform beschrieben ist, die eine spezielle
konstante Gitterteilung hat, ist die vorliegende Erfindung nicht
darauf beschränkt.
In der Tat ist die vorliegende Erfindung sogar auf eine Art an optischem
Beugungselement anwendbar, bei dem die Gitterteilung des Beugungsgitters
allmählich
variiert. In diesem Fall ist es in Abhängigkeit von der Größe der Gitterteilung
lediglich erforderlich, die Relativpositionsverschiebung zu ändern.
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5 zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung einer optischen Beugungslinse
als ein Beispiel einer allmählichen
Variation der Gitterteilung. 6 zeigt
eine Querschnittsansicht entlang einer Linie A-A' aus 5. In diesem
Fall ist es allgemein so, dass, wie dies in 6 gezeigt
ist, zwei Beugungsgitter 4 und 5, deren Teilungen
zunehmend kleiner werden, mit dem Voranschreiten von der Linsenmitte
zu dem Rand an dem Substrat 2 ausgebildet sind, wobei die
Relativpositionsverschiebung Δr immer
größer wird.
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7 zeigt
eine grafische Darstellung, die sich auf die optische Beugungslinse
bezieht, die konzentrische Gitter mit einer Mitte an ihrer optischen Achse
hat, wobei die radiale Verteilung der Gitterteilungen gezeigt ist
und die Relativpositionsverschiebung Δr bei der Ordinate abgetragen
ist und die Gitterzahl, die von der Mitte aus gezählt wird,
bei der Abszisse abgetragen ist. Die Gitterteilungsbreite (die durch
eine durchgehende Linienkurve in 7 gezeigt
ist) nimmt schnell von 200 μm
in der paraxialen Zone ab und nimmt dann langsam ab, wobei sie schließlich ungefähr 30 μm erreicht.
Die Relativpositionsverschiebung Δr
in μm (die
durch eine gestrichelte Linienkurve in 7 gezeigt
ist) nimmt von annähernd „0" bei oder in der
Nachbarschaft von der Mitte in der paraxialen Zone zu und nimmt
dann langsam zu, wenn sie zu dem Rand hin geht.
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Das
zweite Ausführungsbeispiel
ist in Verbindung mit der ebenen Platte 2 beschrieben,
an die das Beugungsgitter 4 gesetzt wird. Jedoch kann das
Beugungsgitter an einer sphärischen
Fläche
wie der Linsenfläche
vorgesehen sein. Selbst dann können ähnliche
Ergebnisse erzielt werden.
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Außerdem ist,
obwohl das zweite Ausführungsbeispiel
unter der Annahme dargestellt ist, dass die Brechungsordnung die
erste Ordnung ist, die vorliegende Erfindung nicht auf das Licht
der ersten Ordnung beschränkt.
Selbst für
das Licht in der zweiten Ordnung oder anderen Ordnungen können, wenn
die kombinierte optische Bahnlängendifferenz
als gleich der erwünschten
Gestaltungswellenlänge
bei der erwünschten
Beugungsordnung bestimmt wird, ähnliche
Ergebnisse erzielt werden.
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Ein
drittes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf
die 8 und 9 beschrieben. 8 zeigt eine
Vorderansicht von einem optischen Beugungselement gemäß dem dritten
Ausführungsbeispiel.
Unter Bezugnahme auf 8 ist ein Beugungsgitter 3 in drei
Bereiche 3-1, 3-2 und 3-3 geteilt. Die
Relativpositionsverschiebung der Gitterränder unterscheidet sich bei
den jeweiligen Bereichen 3-1, 3-2 und 3-3, obwohl
innerhalb von jedem der Bereiche 3-1, 3-2 und 3-3 die Relativpositionsverschiebung
konstant bleibt. Bei jedem der Bereiche ist der Versatz konstant. 9 zeigt
eine grafische Darstellung in ähnlicher
Weise wie bei 7, wobei die Verteilung der Gitterteilung
und die Relativpositionsverschiebung Δr in Bezug auf die Gitterzahl
gezeigt sind. In diesem Fall ist es, indem lediglich die Gitterteilungsbreite
von dem Gitterabschnitt, der an der Grenze zwischen zwei benachbarten
Bereichen liegt, selbst wenn die Verteilung der restlichen Teilungen
die gleiche ist, möglich,
die Relativpositionsverschiebung zu erhalten. Demgemäß kann vom
Gesichtspunkt der Herstellung der Aufbau, der die Effekte der vorliegenden Erfindung
bewirkt, noch leichter verwirklicht werden.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist nachstehend beschrieben, wobei es
auf ein optisches System angewendet ist, das das optische Beugungselement
unter Bezugnahme auf 10 verwendet. 10 zeigt
in einer Längsschnittansicht
ein optisches fotografisches System für die Kamera oder dergleichen.
Unter Bezugnahme auf 10 ist eine fotografische Linse 9 in
ihrem Inneren mit einer Membran 10 und einem optischen Beugungselement 1 versehen,
die in einer ebenen Plattenform ausgebildet sind. Ein Film oder
eine CCD ist an eine Fokussierebene 11 gesetzt.
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Da
das optische Beugungselement 1 mit einer Vielzahl an Beugungsgittern
in laminierter Form aufgebaut ist, ist die Wellenlängen-Ansprechcharakteristik
der Beugungseffizienz erheblich verbessert, so dass es möglich ist,
eine fotografische Linse mit hoher Leistung mit weniger Streulicht
und mit einer hohen Auflösungsleistung
bei den niedrigen Frequenzen zu erhalten. Außerdem ist das optische Beugungselement
der vorliegenden Erfindung, wie dies in 6 gezeigt
ist, sogar auf eine derartige einfache Herstelltechnik abänderbar,
dass zwei Beugungsgitter getrennt hergestellt werden und dann miteinander
an ihren Rändern
zementiert werden. Im Hinblick auf die fotografische Linse kann
daher die vorliegende Erfindung eine Linse aufzeigen, die im Hinblick
auf die Massenherstellung ausgezeichnet ist und geringe Kosten mit
sich bringt.
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Obwohl
das vierte Ausführungsbeispiel
in 10 mit dem optischen Beugungselement 1 dargestellt
ist, das an der Fläche
der ebenen Glasplatte vorgesehen ist, die sich benachbart zu der
Membran 10 befindet, ist die vorliegende Erfindung nicht
darauf beschränkt.
Das Beugungsgitter kann anderweitig an der Linsenfläche positioniert
sein. Des Weiteren kann eine Vielzahl an optischen Beugungselementen
bei einer einzelnen fotografischen Linse angewendet werden.
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Außerdem ist,
obwohl das vierte Ausführungsbeispiel
als Anwendung bei einer Kamera für den
Zweck der Fotografie beschrieben ist, die vorliegende Erfindung
nicht darauf beschränkt.
Es sollte verständlich
sein, dass die vorliegende Erfindung auf eine Aufnahmelinse für die Videokamera,
auf den Bildscanner eines Büroinstrumentes
und auf die Leselinse des digitalen Kopiergerätes anwendbar ist. Selbst in
diesen Fällen
werden ähnliche
Ergebnisse erzielt.
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Unter
Bezugnahme auf 11 ist ein fünftes Ausführungsbeispiel der vorliegenden
Erfindung unter Anwendung bei einem optischen Betrachtungssystem
wie ein Binokel (z.B ein Fernglas) beschrieben. In 11 sind
eine Objektivlinse 12, ein optisches Beugungselement 1,
ein Bilderrichtungsprisma 13 (eine Bildumkehreinrichtung) und
ein Okular 14 in dieser Reihenfolge von der Objektseite
vor einer Betrachtungsebene (Pupille) 15 angeordnet. Das optische
Beugungselement 1 der vorliegenden Erfindung ist hinter
die Objektivlinse 12 gesetzt, um chromatische Aberrationen
an einer Bildebene 11 zu korrigieren.
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Die
Anwendung von dem laminierten Aufbau bei der Vielzahl an Beugungsgittern
von dem optischen Beugungselement hat die Wellenlängen-Ansprechcharakteristik
der Beugungseffizienz erheblich verbessert. Es ist daher möglich, eine
Objektivlinse zu erhalten, die weniger Streulicht und eine hohe
Auflösungsleistung
bei den niedrigen Frequenzen für eine
hohe Leistung hat. Außerdem
ist das optische Beugungselement der vorliegenden Erfindung auf Herstelltechniken
mit niedrigen Einheitskosten abänderbar.
Daher kann die vorliegende Erfindung ein optisches Betrachtungssystem
aufzeigen, das im Hinblick auf die Massenproduktion ausgezeichnet
ist und bei niedrigen Kosten hergestellt werden kann.
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Obwohl
das fünfte
Ausführungsbeispiel
mit der Objektivlinse 12 dargestellt ist, die zu dem optischen
Beugungselement 1 zugehörig
ist, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt. Die
Prismenfläche
oder das Innere des Okulars 14 kann als ein Element verwendet
werden, an dem das optische Beugungselement ausgebildet ist. Selbst
in diesem Fall können ähnliche
Ergebnisse erzielt werden. Wenn das optische Beugungselement seinen
Ort an der Objektseite der Bildebene 11 einnimmt, erzeugt die
Objektivlinse 12 allein selbst eine Wirkung im Hinblick
auf ein Verringern der chromatischen Aberrationen. In dem Fall des
Beobachtungssystems durch das bloße Auge ist es daher erwünscht, zumindest ein optisches
Beugungselement benachbart zu der Objektivlinse 12 anzuwenden.
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Obwohl
das fünfte
Ausführungsbeispiel
bei einer Anwendung auf Binokel beschrieben ist, ist die vorliegende
Erfindung nicht darauf beschränkt.
Es sollte verständlich
sein, dass die vorliegende Erfindung auch bei terrestrischen Teleskopen
und astronomischen Teleskopen angewendet werden kann. Selbst bei
einer Anwendung bei optischen Suchern von Lamellenverschlusskameras
und Videokameras können ähnliche
Ergebnisse erzielt werden.
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Aus
der vorstehend dargelegten Beschreibung ist ersichtlich, dass das
optische Beugungselement einen derartigen Aufbau hat, bei dem zumindest
zwei Beugungsgitter, die aus zumindest zwei Materialien unterschiedlicher
Dispersion gestaltet sind, übereinander
in einer in Kontakt stehenden (annähernd in Kontakt stehenden)
Beziehung angeordnet sind, und mit einer derartigen Gitterform,
dass Gitterränder
oder Gitterteilungen der entsprechenden Gitterabstände der
Beugungsgitter relativ voneinander in der Richtung der Gitterteilung
(in der Richtung der Anordnung der Gitterabschnitte) versetzt oder
verschoben sind.
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Indem
die Gitterränder
oder Gitterteilungen der entsprechenden Gitterabschnitte voneinander
relativ verschoben sind, kann eine höhere Beugungseffizienz als
in dem Fall erhalten werden, bei dem keine Verschiebung oder Versetzung
bei dem Aufbau von 1 vorhanden ist. Bei der Anwendung
auf ein optisches System kann auch ein Streulicht oder dergleichen
in vorteilhafter Weise auf ein Minimum unterdrückt werden.
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Des
Weiteren ist in einem Fall, bei dem das optische Beugungselement
ein Beugungsgitter mit einem derartigen Aufbau hat, dass die Gitterteilung allmählich variiert,
die Relativpositionsverschiebung ebenfalls so gestaltet, dass sie
gemäß der Gitterteilung
allmählich
variiert.
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Ein
derartiger Aufbau ermöglicht
das Vorsehen eines optischen Beugungselementes, das bei der Anwendung
auf Linsen der Beugungs-Brechungsart und vielen anderen optischen
Systemen eine optimale Beugungseffizienz liefert.
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Außerdem ist
das optische Beugungselement in einer derartigen Weise aufgebaut,
dass die Relativpositionsverschiebung der Ränder bei jeweiligen unterschiedlichen
Bereichen des optischen Beugungselementes unterschiedlich ist. Dieser
Aufbau ermöglicht
die Anwendung von einfacheren und leichteren Herstellverfahren mit
dem Ergebnis, dass das Verringern der Beugungseffizienz maximal
unterdrückt
wird. Wenn ein derartiges optisches Beugungselement bei dem optischen
System verwendet wird, kann ein Streulicht auf eine akzeptable Höhe unterdrückt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
außerdem
die Anwendung eines optischen Beugungselementes bei der hochgenauen
Fotografielinse, womit eine kostengünstige Fotografielinse vorgesehen wird,
während
immer noch eine hohe Leistung beibehalten wird.
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Außerdem wird
das optische Beugungselement der vorliegenden Erfindung bei dem
optischen Beobachtungssystem angewendet. Ein Vorsehen eines optischen
Beobachtungssystems mit geringen Kosten und einer hohen Genauigkeit
wird somit ermöglicht.
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Ein
optisches Beugungselement besteht aus einer Vielzahl an Beugungsgittern,
die sich im Hinblick auf die Dispersion voneinander unterscheiden und
die laminiert sind, während
sie beabstandet sind, um die Beugungseffizienz für eine spezielle Ordnung (Gestaltungsordnung) über einen
gesamten verwendbaren Wellenlängenbereich
zu verbessern, wobei die Ränder
von zumindest einem Teil der entsprechenden Gitterabschnitte von
der Vielzahl der Beugungsgitter voneinander in einer Richtung der
Anordnung der Gitterabschnitte von jedem Beugungsgitter verschoben
oder versetzt sind.