EP4045951A1 - Wellenfrontmanipulator mit diffraktiven komponenten - Google Patents

Wellenfrontmanipulator mit diffraktiven komponenten

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Publication number
EP4045951A1
EP4045951A1 EP20816088.7A EP20816088A EP4045951A1 EP 4045951 A1 EP4045951 A1 EP 4045951A1 EP 20816088 A EP20816088 A EP 20816088A EP 4045951 A1 EP4045951 A1 EP 4045951A1
Authority
EP
European Patent Office
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diffractive
wavefront manipulator
diffractive optical
hologram
wavefront
Prior art date
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Pending
Application number
EP20816088.7A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Lütz
Matthias Hillenbrand
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Jenoptik AG
Original Assignee
Carl Zeiss Jena GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Carl Zeiss Jena GmbH filed Critical Carl Zeiss Jena GmbH
Publication of EP4045951A1 publication Critical patent/EP4045951A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/01—Head-up displays
    • G02B27/017—Head mounted
    • G02B27/0172—Head mounted characterised by optical features
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0075—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 with means for altering, e.g. increasing, the depth of field or depth of focus
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4205—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having a diffractive optical element [DOE] contributing to image formation, e.g. whereby modulation transfer function MTF or optical aberrations are relevant
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/42—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect
    • G02B27/4272—Diffraction optics, i.e. systems including a diffractive element being designed for providing a diffractive effect having plural diffractive elements positioned sequentially along the optical path
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/32—Holograms used as optical elements
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B6/00—Light guides; Structural details of arrangements comprising light guides and other optical elements, e.g. couplings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02F—OPTICAL DEVICES OR ARRANGEMENTS FOR THE CONTROL OF LIGHT BY MODIFICATION OF THE OPTICAL PROPERTIES OF THE MEDIA OF THE ELEMENTS INVOLVED THEREIN; NON-LINEAR OPTICS; FREQUENCY-CHANGING OF LIGHT; OPTICAL LOGIC ELEMENTS; OPTICAL ANALOGUE/DIGITAL CONVERTERS
    • G02F1/00—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics
    • G02F1/01—Devices or arrangements for the control of the intensity, colour, phase, polarisation or direction of light arriving from an independent light source, e.g. switching, gating or modulating; Non-linear optics for the control of the intensity, phase, polarisation or colour 

Definitions

  • the present invention relates to a wavefront manipulator with at least two diffractive optical components which are arranged one behind the other along an optical axis, and a waveguide arrangement.
  • the invention further relates to a use of the wavefront manipulator and / or the waveguide arrangement and an optical device with a wavefront manipulator and / or a waveguide arrangement.
  • Alvarez describes optical elements with at least a first optical component and a second optical component, which are arranged one behind the other along an optical axis, each have a refractive free-form surface and can be displaced relative to one another perpendicular to the optical axis. By shifting the optical components laterally with the free-form surfaces, the refractive power effect of an optical element made up of the two components can be varied. Such optical elements are therefore also called Alvarez elements or zoom lenses.
  • a variable refractive power corresponds to a variable focus position, which can be described by a change in the parabolic component of the wave front of a bundle of rays incident parallel to the axis. In this sense, a vario lens can be viewed as a special wavefront manipulator.
  • the documents US 4455061 and US 2003/0076556 A1 describe holographic optical elements for beam shaping, in US 4455061 in particular laser light in the context of a laser scanner.
  • the document DE 102011 055777 A1 discloses an optical element with at least two optical components which are arranged to be movable along an optical axis one behind the other and perpendicular to the optical axis and which have refractive and diffractive structures.
  • a waveguide is understood to mean a component which comprises an inhomogeneous material which, due to its physical nature, is designed to transmit waves.
  • An optical waveguide is designed for the transmission of light waves, that is to say waves with wavelengths in the range between 400 and 700 nanometers.
  • the document DE 10 2016 115 938 A1 describes a waveguide arrangement with a diffractive coupling-in element and a diffractive coupling-out element, wherein the coupling-in element and / or the coupling-out element can be a volume hologram.
  • One application example for this are holographic cameras, i.e. phase-sensitive cameras, so-called HoloCams.
  • HoloCams In the case of a HoloCam, due to its principle, there is only a focus on a plane that is at a finite distance from a coupling element in a waveguide or at infinity.
  • a certain wavelength for example 530 nm, should be focused and coupled while other wavelengths are not focused and coupled in, so that the eye continues to look through the optical plane plate.
  • Mainly refractive (refractive) or reflective optical components are used for focusing and beam shaping. Such components, however, take up a relatively large amount of space and are comparatively heavy.
  • the first object is achieved by a wavefront manipulator according to claim 1, the second object by a waveguide arrangement according to claim 17, the third object by an optical device according to claim 19 and the fourth object by using a wavefront manipulator according to claim 22.
  • the dependent claims contain advantageous ones Refinements of the invention.
  • the wavefront manipulator according to the invention comprises an optical axis and at least two diffractive optical components, for example at least one first diffractive optical component and a second diffractive optical component.
  • a diffractive optical component is understood to mean an optical component at which incident waves, in particular light waves, are diffracted and in this way interference is generated.
  • the at least two diffractive optical components are arranged one behind the other along the optical axis. For example, they each include a plane that is perpendicular to or at an angle between 20 degrees and 90 degrees to the optical axis can extend.
  • the diffractive optical components that is to say for example the first diffractive optical component and the second diffractive optical component, each comprise a diffractive structure with a number of diffractive holographic structure elements.
  • the diffractive structure is preferably arranged in the plane of the respective diffractive optical component, which extends perpendicularly or at an angle between 20 degrees and 90 degrees to the optical axis.
  • the wavefront manipulator is designed to vary a wavefront by means of the diffractive structures of the at least two diffractive optical components between at least two different states, in particular different foci.
  • the individual diffractive optical components can be designed as transmissive, reflective or transflective optical components. In other words, they can develop their diffractive optical effect in transmission and / or reflection, that is to say simultaneously have diffractive and transmissive optical properties and / or simultaneously diffractive and reflective optical properties.
  • the diffractive structure can be designed as a hologram grating, that is to say as a holographically produced grating, preferably as a volume holographic grating.
  • the diffractive holographic structural elements can be generated by a holographic recording or image, that is to say holographically, or computer-generated or CGH-generated (CGH - Computer Generated Hologram).
  • a hologram is the recording or image of an interference pattern from two coherent radiation sources, for example light sources for visible light, in particular laser light.
  • Volume holographic gratings are grids implemented as volume holograms.
  • a volume hologram is a hologram which is generally produced in a photosensitive volume material by exposure to two or more coherent light waves and development.
  • a focusing device can be implemented, for example for a holographic camera.
  • the wavefront manipulator according to the invention can be designed, for example, as a focusing device.
  • the wavefront manipulator according to the invention has the advantage over focusing devices that use refractive optical components that it takes up significantly less installation space and is therefore particularly suitable for use in connection with flat optical devices, such as smartphones, HoloCams, head-up displays, data glasses, Cameras or display devices, in particular projectors, or also in connection with smart glass is suitable.
  • the wavefront manipulator is preferably designed to vary a wavefront by means of the diffractive structures of the at least two diffractive optical components between discrete states or continuously. Switching between different focus planes or focus lines or focus points or zooming is thus possible in particular. For example, the movement of the individual diffractive optical components to one another can take place continuously or it can be switched between individual discrete states.
  • the wavefront manipulator can comprise at least one mechanical and / or electrical and / or acoustic device for varying, for example switching, the state of a wavefront.
  • the wavefront can be varied by changing the diffractive properties of the wavefront manipulator as a whole, with the diffractive properties being able to be changed by a mechanical and / or electrical and / or acoustic effect.
  • a first diffractive optical component and a second diffractive optical component can each be moved relative to one another in a plane perpendicular to the optical axis, in particular laterally displaceable and / or about an axis arranged parallel to the optical axis, which is also the optical axis can act, be rotatably arranged.
  • Lateral shifting means shifting perpendicular to the optical axis.
  • at least one of the diffractive optical components can have a diffractive structure which can be varied in terms of its diffractive properties by changing an electrical voltage applied to the diffractive optical component or by changing a current intensity flowing through the diffractive optical component.
  • the wavefront manipulator according to the invention can comprise two phase plates which can be laterally displaced with respect to one another, for example diffractive Alvarez-Lohmann lenses with diffractive structural elements that form a holographic interference pattern.
  • Diffractive Alvarez-Lohmann lenses with a cubic surface profile are, for example, in A. Grewe, et al, Opto-mechanical microsystems for hyperspectral imaging, Microsystem Technology Congress 2013, October 14-16, 2013 in Aachen (https: //www.tu- ilmenau.de/fileadmin/media/mms/Publikationen/_Gre13 _ MST-
  • the diffractive Alvarez-Lohmann lenses are equipped with holograms.
  • the diffractive optical component can comprise a diffractive layer (DOE layer), so-called switchable Bragg gratings, which can be switched to active / inactive by an electrical voltage.
  • DOE layer diffractive layer
  • switchable Bragg gratings are for example in Sutherland, RL, et al, "Switchable holograms in a new photopolymer-liquid crystal composite" SPIE: Diffractive an Holographie Optics Technology, 2404: 132-, Feb.
  • At least one diffractive optical component can comprise polarization-switchable elements by means of electrical voltage, for example liquid crystal layers, in combination with static polarization-sensitive optics, for example meta-surfaces or volume holographic optical elements (vHOE) that deflect the light of different polarization directions in different directions.
  • polarization-switchable elements by means of electrical voltage, for example liquid crystal layers
  • static polarization-sensitive optics for example meta-surfaces or volume holographic optical elements (vHOE) that deflect the light of different polarization directions in different directions.
  • vHOE volume holographic optical elements
  • An electromagnetic metasurface is a type of artificial sheet material with a thickness below the wavelength of the radiation to be used. Metasurfaces can be either structured or unstructured, with patterns with sub-wavelength scaling in the horizontal dimensions.
  • Acoustic variation in particular switching, can be implemented in that at least one diffractive optical component comprises at least one acousto-optical modulator, for example the diffractive structure has a switchable refractive index distribution.
  • the diffractive structure has a switchable refractive index distribution.
  • combinations of the variants described are also possible, for example a switchable Bragg grating for large discrete position jumps and a lateral shift for scanning the intermediate areas.
  • the diffractive structure, in particular the holographic interference pattern, of at least one of the diffractive optical components can comprise a center, for example a central axis or center line or center point. As the distance from the center increases, in particular in the lateral direction, the distances between the structural elements can decrease or increase. Depending on this, the direction of movement of the diffractive optical components with respect to one another is to be selected in the case of a desired focusing.
  • the center can form or define a mirror axis in relation to the spacing of the structural elements.
  • the diffractive structure in particular the holographic interference pattern, at least one of the diffractive optical components can comprise structural elements, the distance, in particular the lateral distance, and / or the orientation of adjacent structural elements, in other words the lattice constant and / or the angle (eg blaze angle), is described by a polynomial as a function of the distance from a center of the diffractive structure.
  • a first diffractive optical component and a second diffractive optical component can be arranged at a defined distance from one another in the axial direction with respect to the optical axis.
  • This distance should preferably be selected as small as possible, for example between 0 and 0.1 mm.
  • the refractive index of the material present between the diffractive optical components for example air, must be taken into account when designing the holographic interference patterns applied to the optical components. In other words, other distances between the two diffractive optical components are also possible, but require an adaptation of the respective holographic interference pattern.
  • the structural elements of the diffractive structure can be configured as elevations or depressions or discoloration, for example blackening, or chemical material changes. Furthermore, the structural elements can be configured as regions spatially adjacent to one another in the lateral direction and having a refractive index that differs from one another.
  • the refractive index of the structural elements can differ from the refractive index of the material of the respective diffractive optical component by a value between 0.05 and 0.15, for example 0.01. This can be achieved, for example, by using volume holograms.
  • a photopolymer can be used as the material.
  • individual or fixed areas can have a specific refractive index difference.
  • the refractive index difference of the individual areas can depend on the distance of the respective area from the center of the diffractive structure. This can be the case Act center around a mirror axis.
  • the refractive index difference can increase or decrease with increasing distance of the region from the center. The increase or decrease can run according to a defined polynomial.
  • the diffractive structure can advantageously have a refractive index distribution that is variable, for example switchable between different states. This makes it possible, for example, to switch between discrete states, in particular foci.
  • At least one of the diffractive structures can be formed by a volume hologram and / a surface hologram and / or an amplitude hologram and / or a phase hologram and / or a transmission hologram and / or a white light hologram and / or a hologram that can be reconstructed under white light and / or a true-color hologram .
  • holograms can be recorded in thin, light-sensitive layers (flat hologram) as well as in light-sensitive thick media (volume hologram).
  • the thickness of the storage material used plays an important role in the production of holograms.
  • Object and reference waves form a spatially stationary interference pattern that is registered by the optical storage medium (hologram).
  • hologram optical storage medium
  • both types of hologram are reconstructed with the original reference wave.
  • the planar hologram adds the various diffraction orders to the zeroth diffraction order passing through, which are also to be expected with a normal planar grating.
  • the first order of diffraction represents the reconstructed image, here the reconstructed plane wave.
  • the volume hologram according to the law of Bragg reflection, only the +1 is used in addition to the zeroth order of diffraction. or the -1. Diffraction order generated.
  • a thick optical storage medium offers the advantage that several interference structures can be superimposed in it; the volume hologram then consists of many superposed interference structures. By maintaining certain angles or wavelengths during the reconstruction, it is possible to reconstruct image by image from the volume hologram.
  • the interference pattern is recorded as a density distribution (the hologram modulates the reconstruction wave via the extinction).
  • the interference pattern is stored in the form of a surface relief or a refractive index distribution within the medium. The hologram then influences the phase of the reconstruction wave.
  • At least one of the diffractive optical components can be designed as a plate or foil or film.
  • a design as a foil or film has the advantage that the wavefront manipulator requires minimal installation space.
  • a design as a plate has the advantage of greater robustness and a longer service life while also using comparatively little space.
  • a plate is understood to mean a component that is not designed to be inherently deformable.
  • a film is understood to be an optical component which is deformable in the z-direction, that is perpendicular to the x-y plane, in relation to the plane that is spanned by its surface in an x-y plane of a Cartesian coordinate system.
  • a plastic film can be used.
  • a film is understood to mean a coherent material layer which is preferably applied to a substrate.
  • the film for example a silver halide film, can be firmly or detachably bonded to the substrate.
  • At least one diffractive optical component has a thickness of less than 1 mm, for example a thickness between 0.1 and 0.5 mm. In this way, an extremely space-saving focusing or defocusing of waves, in particular light waves, can be achieved.
  • the diffractive optical components are preferably at least partially transparent, in particular transparent to visible light, designed. This is particularly advantageous in connection with an application for head-up displays or data glasses or AR glasses (AR - augmented reality).
  • the wavefront manipulator comprises four diffractive optical components, a first and a second diffractive optical component being arranged directly adjacent to one another and displaceable in a first lateral direction, and a third and a fourth diffractive optical component being arranged directly adjacent to one another and in are arranged displaceably relative to one another in a second lateral direction.
  • the first and the second lateral direction can for example run perpendicular to one another or at another fixed angle to one another.
  • each of which has a holographic interference pattern arranged in a lateral direction, it is possible to focus waves to form a line in one plane, the described embodiment with four diffractive optical components, with each optical component has a holographic interference pattern extending in a lateral direction which enables focusing of waves to a point in a plane.
  • At least two diffractive optical components can be arranged rotatably with respect to one another about an axis parallel to the optical axis.
  • the first and the second diffractive optical component can be arranged rotatably together with respect to the third and the fourth diffractive optical component.
  • the first and the second diffractive optical component can also be arranged so as to be rotatable with respect to one another.
  • the third and fourth diffractive optical components can also be arranged rotatably with respect to one another.
  • the second and the third diffractive optical component can be designed to be firmly connected to one another.
  • second and the third diffractive optical component can be integrated in a single component.
  • the wavefront manipulator comprises three diffractive optical components, a third diffractive optical component being arranged in the direction of the optical axis between a first and a second diffractive optical component.
  • the third diffractive optical component can be arranged to be movable with respect to the first and the second diffractive optical component, for example movable by translation and / or rotation, or be designed to be variable with regard to its diffractive properties.
  • the wavefront manipulator has at least one diffractive optical component which comprises a holographic interference pattern in the form of a two-dimensional or three-dimensional grating in the plane extending perpendicular to the optical axis.
  • the waveguide arrangement according to the invention comprises at least one waveguide and at least one wavefront manipulator according to the invention that has already been described.
  • the waveguide can be designed as a light guide.
  • the wavefront manipulator is advantageous operatively connected to the waveguide, that is to say designed in particular for the manipulation of wavefronts to be coupled into the waveguide or to be coupled out of the waveguide and preferably correspondingly spatially connected to the waveguide.
  • the waveguide can have an input for coupling in waves, for example light waves, and an output for coupling out waves, for example light waves.
  • a wavefront manipulator as described above is preferably arranged at the input and / or the output, advantageously in the beam path along an optical axis which is defined by the input or the output.
  • the optical axis of a wavefront manipulator arranged at the entrance of the waveguide can be identical to an optical axis of the waveguide at the entrance or run parallel to it. Additionally or alternatively, the optical axis of a wavefront manipulator arranged at the exit of the waveguide can be identical to an optical axis of the waveguide at the exit or run parallel to it.
  • the at least one wavefront manipulator can be designed as a coupling-in element and / or as a coupling-out element in relation to the waveguide, that is to say designed for coupling and / or decoupling waves, in particular light waves, into the waveguide.
  • the at least one wavefront manipulator can be at least partially integrated into the waveguide.
  • one of the diffractive optical components of the wavefront manipulator, in particular the diffractive structure of the diffractive optical component can be part of the waveguide, for example be arranged within the waveguide.
  • the waveguide arrangement according to the invention has the advantages already mentioned above in connection with the wavefront manipulator according to the invention. In particular, it enables efficient forwarding and / or output of specifically manipulated wavefronts, in particular with a wide focus area while at the same time requiring little installation space.
  • an optical device is provided.
  • the optical device according to the invention can be, for example, an optical observation device such as a microscope, in particular a surgical microscope, a telescope, a camera, a waveguide, an objective, in particular a zoom objective and / or a holographic objective, etc. However, it can also be another optical device such as an optical measuring device. It is equipped with at least one wavefront manipulator according to the invention. The effects and advantages described with reference to the wavefront manipulator according to the invention can therefore be achieved in the optical device according to the invention.
  • the camera can in particular be a holographic camera and / or a camera for a mobile phone and / or a microscope camera.
  • the display device can be data glasses or a projector, in particular a projector designed to focus colors individually, or a head-up display, in particular for use in an automobile, or a display device designed for a microscope.
  • the present invention enables in an application of the
  • Wavefront manipulator in connection with a HoloCam is a HoloCam that can be switched with regard to the focal plane. You can either switch between individual discrete states or cover a continuous range of values between end states.
  • the use of at least one wavefront manipulator according to the invention and / or a waveguide arrangement according to the invention is provided.
  • at least one wavefront manipulator according to the invention and / or a waveguide arrangement according to the invention serves to focus wavefronts, in particular light wavefronts.
  • the present invention enables a variation of the focus distance to the object, in particular the implementation of a switchable quadratic phase function and / or linear phase function, a variation of the main beam direction, for example a switchover between different field positions to capture a larger field of view (FOV) .
  • a sharp image of an object at a fixed distance for different wavelengths can also be achieved.
  • a refractive free-form surface by means of a polynomial development is shown, which has development coefficients different from zero in a finite number of specific polynomial orders, and which can be used analogously for a diffractive structure.
  • the diffractive structure associated with a refractive free-form surface is described by a polynomial development which has development coefficients different from zero in the same polynomial orders as the polynomial development of the refractive free-form surface.
  • Those development coefficients of a polynomial development describing a refractive freeform surface and the polynomial development describing the associated diffractive structure, which are each assigned to the same polynomial order, are functionally related to one another.
  • the development coefficients assigned to the same polynomial order of a polynomial development describing a refractive free-form surface and the polynomial development describing the associated diffractive structure can, in particular, be in a linear functional relationship.
  • the functional relationship can in particular depend on the material used in the respective optical component, ie on its dispersion. In particular, there can be the same functional connection for all polynomial orders with coefficients other than zero.
  • the polynomials of the first and the second polynomial expansion can each depend on two variables which represent different directions perpendicular to the optical axis of the optical element.
  • the two directions can be perpendicular to one another, with one direction corresponding to the direction of movement of the optical components and the polynomial development describing a refractive freeform surface and the polynomial development describing the associated diffractive structure each having only odd polynomial orders in those variables which the direction of movement of the optical components represents.
  • the polynomial development describing a refractive free-form surface and the polynomial development describing the associated diffractive structure then only need to have even polynomial orders in that variable which represents the direction perpendicular to the direction of movement of the optical components.
  • FIG. 1 schematically shows a holographic camera (FloloCam) in a sectional view.
  • FIG. 2 shows schematically a refractive focus system and a diffractive focus system.
  • FIG. 3 shows, by way of example, a diffractive optical component with a flologram and a diagram which shows the number of grating lines as a function of a distance from a center.
  • FIG. 4 shows a wavefront manipulator 13 according to the invention in the form of a diffractive focus system in three different operating states.
  • FIG. 5 shows schematically the FloloCam shown in FIG. 1 with a wavefront manipulator according to the invention arranged in front of the coupling hologram.
  • FIG. 6 schematically shows a further embodiment variant for a FloloCam with one according to the invention
  • FIG. 7 schematically shows a further embodiment variant of a wavefront manipulator according to the invention.
  • FIG. 8 shows various focusing possibilities by means of the wavefront manipulator shown in FIG. 7, schematically in perspective views.
  • FIG. 9 schematically shows a first variant of a FloloCam with a switchable wavefront manipulator.
  • FIG. 10 schematically shows a second variant of a FloloCam with a switchable wavefront manipulator.
  • FIG. 11 schematically shows two variants for a relative dimensioning of the coupling-in hologram and thus the wavefront manipulator and the coupling-out hologram of a holocam in a plan view.
  • FIG. 12 shows schematically an optical device according to the invention.
  • FIG. 13 schematically shows a reflective variant of a wavefront manipulator according to the invention.
  • Figure 14 shows schematically an inventive
  • FIG. 1 shows schematically a holographic camera (FloloCam) in a sectional view.
  • the FloloCam 26 comprises a waveguide 1, a lens 4 and a camera or a sensor 5.
  • the waveguide 1 comprises a coupling-in hologram 2 and a coupling-out hologram 3 the lens 4, the camera or the sensor 5 is arranged.
  • the optical axis of the coupling-in hologram 2 is identified by the reference number 41.
  • the optical axis of the coupling-out hologram 3, the objective 4 and the camera or sensor 5 is identified by the reference number 42.
  • the direction of propagation of the waves, in particular light waves, to the waveguide 1 is indicated by an arrow 31.
  • the direction of propagation of the waves leaving the waveguide 1 through the coupling-out hologram 3 is indicated by an arrow 32.
  • the propagation of the waves is identified as a beam path by lines with the reference number 29.
  • a fixed focus 6 is realized by the coupling hologram 2. This is at a distance 31 from the waveguide 1.
  • Light waves emanating from the focus 6 with the focal length 33 which can be a focal point, a focal line or a focal plane, are coupled into the waveguide 1 via the coupling-in hologram 2, passed on to the coupling-out hologram 3 and via the coupling-out hologram 3 passed through the lens 4 to the camera or the sensor 5.
  • the optical axes 41 and 42 run parallel to the z-axis of a Cartesian coordinate system 45.
  • the surfaces 43 and 44 of the waveguide 1 extend in the xy plane of the coordinate system 45.
  • the coupling-in hologram 2 and the coupling-out hologram 3 each have a holographic indifference pattern which extends in the y direction or in the xy plane, that is, perpendicular to the respective optical axis 41 or 42, that is, lateral to the respective optical axis.
  • FIG. 2 shows schematically a refractive focus system 12 and a diffractive focus system 13.
  • the collimated beam path through the two focus systems is each identified by arrows with the reference number 20.
  • the refractive focus system 10 shown comprises a first Alvarez element 11, which comprises a first free-form surface 11A, and a second Alvarez element 12, which comprises a second free-form surface 12A.
  • the free-form surfaces 11A and 12A are arranged facing one another.
  • the Alvarez elements 11 and 12 are spaced apart in the direction of the optical axis 46.
  • the refractive focus system 10 brings about a lateral offset.
  • the diffractive focus system 13 shown in FIG. 2 comprises a first diffractive optical component 14, which is designed as a substrate with a flologram 15, and a second diffractive optical component 16, which is designed as a substrate with a flologram 17.
  • the first and the second diffractive optical components 14 and 16 are arranged at an axial distance from one another and extend laterally to the optical axis 47.
  • the flolograms 15 and 17 also extend laterally or perpendicular to the optical axis 47 the direction of propagation of the waves, in particular light waves, is diffractively changed by diffraction at the holograms 15 and 17. In the variant shown in FIG. 2, an offset to the optical axis 47 is brought about.
  • a lateral shift of the Alvarez elements 11 and 12 to one another and of the diffractive optical components 14 and 16 to one another can result in a focusing, i.e. a convergent beam path, or a defocusing, i.e. a divergent beam path, the Waves are achieved.
  • FIG. 3 shows, by way of example, a diffractive optical component 14 with a hologram 15 and a diagram which shows the number of grating lines 18 as a function of a distance from a center 28 of the diffractive structure.
  • the distance y of the structural elements, in particular the grating lines of the holoram grating, from the center or a center line, in particular the mirror axis, 28 in mm is plotted on the x-axis.
  • the number of grid lines 18 (LP - Line Pitch) in 1 / mm is plotted on the y-axis. In the variant shown, the number of grid lines 18 is minimal in the region of the center line 28 and increases as the distance from the center line 28 increases.
  • FIG. 4 shows a wavefront manipulator 13 according to the invention in the form of a diffractive focus system with wavelength-selective volume holograms in three different operating states.
  • the variant shown on the left corresponds to the variant shown in FIG.
  • the first diffractive component 14 and the second diffractive component 16 have been shifted laterally or perpendicular to the optical axis 47 with respect to one another.
  • a divergent beam path 21 is realized for the corresponding design wavelength li, in deviation from the collimated beam path 20 achieved in the operating state shown on the left.
  • the diffractive optical components 14 and 16 were laterally displaced to one another in a direction opposite to that shown in the middle variant. This shift resulted in a convergent beam path 22 for the corresponding design wavelength li.
  • the lateral displacement of the diffractive optical components 14 and 16 is indicated by arrows with the reference number 34.
  • the direction and the extent by which the diffractive optical components 14 and 16 must be shifted with respect to one another in order to achieve a desired beam path depends on the distribution of the number of grating lines 18, as shown for example in FIG. Wavelengths 2 that deviate from the design wavelength li are not influenced by the volume hologram and remain without virtual or real optical imaging even after passage.
  • the flolograms used in the context of the present invention can each be produced by exposing a substrate to photosensitive material.
  • FIG. 5 shows the FloloCam 26 shown in FIG. 1 with a hologram arranged in front of the coupling-in hologram 2 Wavefront manipulator 13 according to the invention.
  • FIG. 5 simultaneously shows a variant embodiment of a waveguide arrangement according to the invention.
  • the otherwise fixed focus can be varied by shifting the diffractive optical components 14 and 16 with respect to one another.
  • a collimated beam path or a focus 9 at infinity or a first focus 7 or a second focus 8 can be set.
  • the focus can therefore be shifted along the optical axis 47 on the one hand. This is indicated by an arrow 48.
  • an offset in the transverse direction that is to say a displacement of the optical axis 47 or a transverse offset of the focus from the optical axis 41, which is predetermined by the coupling hologram 2, can also be achieved. This is indicated by an arrow 49.
  • FIG. 6 schematically shows a further embodiment variant for a FloloCam with a wavefront manipulator according to the invention.
  • FIG. 6 simultaneously shows a variant embodiment of a waveguide arrangement according to the invention.
  • the second diffractive optical component is integrated into the waveguide 1 of the FloloCam and at the same time forms the coupling hologram 2A.
  • the FloloCam 26 comprises a housing 30. Both the waveguide 1 and the first diffractive optical component 14 are clamped into the housing 30.
  • the first diffractive optical component 14 is arranged in the housing 30 in such a way that it can be displaced transversely or laterally to the optical axis 47.
  • two wavefront manipulators 13 can also be combined with one another and preferably arranged one behind the other, the diffractive optical components of a first wavefront manipulator being arranged such that they can be moved in a first transverse or lateral direction and a second wavefront manipulator is designed in this way is that its diffractive optical components in a second transverse or lateral direction are mutually displaceable.
  • the first lateral direction can be arranged perpendicular to the second lateral direction or have a fixed angle to this.
  • the flolograms used can be designed as volume holograms.
  • the flolograms used can be designed as two-dimensional flologram grids extending in the xy plane.
  • focusing on a focal point in a fixed focal plane i.e. focusing in the xy and z directions
  • FIGS. Another embodiment variant is shown in FIGS.
  • a third diffractive optical component 19 is arranged between the first diffractive optical component 14 and the second diffractive optical component 16.
  • the third diffractive optical component comprises two flolograms 38 and 39.
  • a first flologram 38 is arranged in the surface facing the first diffractive optical component 14 and a second flologram 39 is arranged in the surface facing the second diffractive optical component 16.
  • the first diffractive optical component 14 and the third diffractive optical component 19 and the second diffractive optical component 16 are each spaced apart from one another in the axial direction.
  • This distance is as small as possible, on the one hand to keep the installation space as small as possible and on the other hand to avoid the influence of the medium located between the respective diffractive optical components, in particular air, on the beam path.
  • the distance is preferably between 0 and 0.1 mm. The larger the distance chosen, the stronger the refraction through the in the Medium located in the intermediate space, in particular through air, are taken into account when creating the holograms used.
  • FIGS. 8A, 8B and 8C different focusing possibilities by means of the wavefront manipulator 13 shown in FIG. 7 are shown schematically in a perspective view.
  • the third diffractive optical component 19 has been shifted in the y direction for focusing. This is indicated by an arrow 35.
  • focusing on a focus line running in the x direction was achieved in the focal plane 40.
  • the third diffractive optical component 19 has been shifted in the x direction. This is indicated by an arrow 36.
  • focusing in the focal plane 40 on a line along the y-direction was achieved.
  • the third diffractive optical component 19 has been shifted both in the x direction and in the y direction, for example at an angle of 45 ° to the x and y directions. This is indicated by an arrow 37. As a result of this shift, focusing on a focal point in the focal plane 40 is achieved. Furthermore, by displacing the first diffractive optical component 14 and the second diffractive optical component 16 with respect to one another, the focal plane 40 can be displaced in the axial direction.
  • the wavefront manipulator according to the invention can be designed in such a way that the different focus planes and the different focus variants can be set continuously or can be switched between discrete states.
  • the diffractive optical components are designed as switchable diffractive optical elements or holographic optical elements or phase plates.
  • the first hologram 25 and the second hologram 24 are shown in FIG. 9 as with regard to their diffractive properties by applying a designed electrical voltage switchable holograms.
  • the first hologram 25 is integrated into the waveguide 1 as a coupling-in hologram. It is connected to a current circuit 50, through which its state can be switched between at least two different diffractive states.
  • the switchable holograms can be designed as switchable Bragg gratings.
  • the second diffractive optical component 16 also includes a switchable hologram 24.
  • the second diffractive optical component 16 is also connected to an electrical current circuit 50 with which the hologram 24 designed for focusing can be switched between at least two different diffractive states.
  • the hologram 25 integrated in the waveguide 1 is designed as a coupling-in hologram.
  • the waveguide 1 thus simultaneously represents the first diffractive optical component 14.
  • FIG. 10 shows a variant of the example shown in FIG. 5 with switchable holograms.
  • This variant combines the advantages of switchability, i.e. the possibility of changing between discrete settings of the focus and the possibility of a lateral displacement of the switchable diffractive optical components 14 and 16 and a switchable coupling hologram 2 in relation to one another, i.e. the possibility of a continuous change of the focus .
  • the holograms of the first diffractive optical component 14 and the second diffractive optical component 16, as well as the coupling hologram 2 integrated in the waveguide 1 can be switched between discrete diffractive states.
  • the components can be displaced laterally relative to one another, which is indicated by arrows 34.
  • the holograms can be designed as two- or three-dimensional hologram grids.
  • the individual diffractive optical components can be rotated or rotated in relation to one another about the optical axis or about an axis running parallel to the optical axis. Focusing can also be achieved in this way.
  • the diffractive optical components can be designed as plates, foils or films. When configured as a film, the respective films are preferably applied to a substrate. Such a configuration is particularly suitable for the design variants shown in FIGS. 7 and 8.
  • the wavefront manipulator can comprise further optical components, which are arranged, for example, in front of the diffractive optical components.
  • optical components which are arranged, for example, in front of the diffractive optical components.
  • a bandwidth filter can be arranged in front of the diffractive optical components.
  • FIG. 11 shows two variants for a relative dimensioning of the coupling-in hologram and thus also of the wavefront manipulator used and the coupling-out hologram of a holocam in a plan view.
  • the variant shown on the left in FIG. 11 only one camera 5 and a correspondingly small coupling-out hologram 3 are provided.
  • a coupling-in hologram 2 or 2A or 25 extending over almost the entire width of the waveguide 1 is provided over the waveguide 1 required for focusing the waves or rays on the decoupling hologram 3.
  • a correspondingly large-area wavefront manipulator 13 according to the invention is required for focusing.
  • the desired cubic phase functions can be generated by dividing the entire field into several channels or, if necessary, by another switchable component in front of the camera.
  • the switchable one Component can in particular be switchable in a time-sequential manner, whereby, for example, sequential switching can cover a wide field of view despite the presence of only one camera.
  • FIG. 12 shows schematically an optical device 51 according to the invention which comprises a wavefront manipulator 13 according to the invention.
  • the optical device 51 can be, for example, a waveguide or an objective or a camera or an optical observation device or a display device, in particular a camera for a mobile phone and / or a microscope camera or data glasses or a projector or a head-up display or a display device designed for a microscope.
  • FIG. 13 schematically shows a reflective design variant of a wavefront manipulator 13 according to the invention, which represents an additional or alternative option for all of the design variants described above.
  • the incident waves 20, in particular light waves are first reflected by the hologram 17 of the second diffractive optical component 16 in the direction of the first diffractive optical component 14 and then reflected by the hologram 15 of the first diffractive optical component 14 .
  • the optical components 14 and 16 can also be arranged laterally shifted with respect to one another, that only reflection and there is no transmission.
  • FIG. 14 schematically shows a waveguide arrangement 52 according to the invention in a general form.
  • the waveguide arrangement 52 comprises a waveguide 1, for example a light guide, with an input 54 for coupling waves, for example light waves, into the waveguide 1 and an output 55 for coupling out waves, for example light waves, from the waveguide 1.
  • the optical axis at the input 54 is marked with the reference number 53
  • the optical axis at the output 55 is marked with the reference number 56.
  • a wavefront manipulator 13 according to the invention described above is arranged at the input 54 as a coupling element and designed to manipulate waves to be coupled into the waveguide, for example to focus or defocus them. Additionally or alternatively, a described wavefront manipulator 13 according to the invention is arranged at the output 55 as a decoupling element and designed to manipulate waves to be decoupled from the waveguide, for example to focus or defocus them.
  • the optical axis of a wavefront manipulator 13 arranged at the input 54 is preferably identical or parallel to the optical axis 53 at the input 54 and / or the optical axis of a wavefront manipulator 13 arranged at the output 55 is identical or identical to the optical axis 56 at the output 55 runs parallel to this.
  • one of the diffractive optical components of the wavefront manipulator 13, in particular one of the diffractive structures, can be part of the waveguide 1 or in it be integrated, for example, be arranged within the waveguide 1. Examples of this are also shown in FIGS. 5 and 6.

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Abstract

Es wird ein Wellenfrontmanipulator (13) beschrieben, welcher eine optische Achse (47) und mindestens zwei diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, die entlang der optischen Achse (47) hintereinander angeordnet sind. Die diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) umfassen jeweils eine diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) mit einer Anzahl an diffraktiven holographischen Strukturelementen, wobei der Wellenfrontmanipulator (13) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) zwischen mindestens zwei voneinander abweichenden Zuständen (20, 21, 22) zu variieren.

Description

Wellenfrontmanipulator mit diffraktiven Komponenten
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wellenfrontmanipulator mit mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, und eine Wellenleiteranordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verwendung des Wellenfrontmanipulators und/oder der Wellenleiteranordnung sowie ein optisches Gerät mit einem Wellenfrontmanipulator und/oder einer Wellenleiteranordnung.
In US 3,305,294 von Luiz W. Alvarez sind optische Elemente mit wenigstens einer ersten optischen Komponente und einer zweiten optischen Komponente, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, jeweils eine refraktive Freiformfläche aufweisen und senkrecht zur optischen Achse gegeneinander verschiebbar sind, beschrieben. Durch laterales Verschieben der optischen Komponenten mit den Freiformflächen lässt sich die Brechkraftwirkung eines aus den beiden Komponenten aufgebauten optischen Elements variieren. Derartige optische Elemente werden daher auch Alvarez-Elemente oder Variolinsen genannt. Eine variable Brechkraft entspricht einer variablen Fokuslage, welche durch eine Änderung des parabolischen Anteils der Wellenfront eines parallel zur Achse einfallenden Strahlbündels beschreibbar ist. In diesem Sinne kann eine Variolinse als ein spezieller Wellenfrontmanipulator angesehen werden.
Daneben sind aus I.M. Barton et al. , Diffractive Alvarez Lens, Optics Leiters 2000 (25), Seiten 1-3 Elemente bekannt, die entlang einer optischen Achse hintereinander angeordnet sind, in Bezug auf die optische Achse lateral gegeneinander verschiebbar sind und diffraktive Flächen aufweisen. Die diffraktive Wirkung eines aus den beiden verschiebbaren Elementen gebildeten optischen Elements hängt dabei von der lateralen Stellung der beiden Elemente zueinander ab.
In den Dokumenten US 4455061 und US 2003/0076556 A1 werden holographische optische Elemente zur Strahlformung, in US 4455061 insbesondere von Laserlicht im Rahmen eines Laserscanners, beschrieben. In dem Dokument DE 102011 055777 A1 wird ein optisches Element mit mindestens zwei entlang einer optischen Achse hintereinander und senkrecht zur optischen Achse zueinander bewegbar angeordneten optischen Komponenten, welche refraktive und diffraktive Strukturen aufweisen, offenbart.
Unter einem Wellenleiter wird ein Bauteil verstanden, welches ein inhomogenes Material umfasst, das durch seine physikalische Beschaffenheit dazu ausgelegt ist, Wellen zu übertragen. Ein Lichtwellenleiter ist zur Übertragung von Lichtwellen, also von Wellen mit Wellenlängen im Bereich zwischen 400 und 700 Nanometern, ausgelegt.
In dem Dokument DE 10 2016 115 938 A1 wird eine Wellenleiteranordnung mit einem diffraktiven Einkoppelelement und einem diffraktiven Auskoppelelement beschrieben, wobei es sich bei dem Einkoppelelement und/oder dem Auskoppelelement um ein Volumenhologramm handeln kann. Ein Anwendungsbeispiel hierfür sind holographische Kameras, also phasensensitive Kameras, sogenannte HoloCams. Bei einer HoloCam findet prinzipbedingt nur eine Fokussierung auf eine Ebene statt, die in einem endlichen Abstand von einem Einkoppelelement in einen Wellenleiter oder im Unendlichen liegt. Im Zusammenhang mit HoloCams ist es wünschenswert, das in den Wellenleiter zu beugende Licht zwischen mehreren Ebenen zu fokussieren, im besten Falle ohne optischen abbildenden Einfluss auf das transmittierte Licht anderer Wellenlänge. Zum Beispiel sollte bei der Verwendung einer optischen Planplatte, insbesondere aus Fensterglas, eine bestimmte Wellenlänge, beispielsweise 530nm, fokussiert und eingekoppelt werden, während andere Wellenlängen nicht fokussiert und eingekoppelt werden, sodass das Auge weiterhin durch die optische Planplatte schaut.
Zum Fokussieren und zur Strahlformung werden überwiegend refraktive (brechende) oder reflektierende optische Bauelemente benutzt. Solche Bauelemente beanspruchen jedoch relativ viel Bauraum und weisen ein vergleichsweise hohes Gewicht auf.
Es ist daher eine erste Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen vorteilhaften Wellenfrontmanipulator zur Verfügung zu stellen, der ein geringes Gewicht aufweist und wenig Bauraum beansprucht. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine vorteilhafte Wellenleiteranordnung und ein vorteilhaftes optisches Gerät zur Verfügung zu stellen. Eine noch weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vorteilhafte Verwendung für den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator und/oder die erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung anzugeben.
Die erste Aufgabe wird durch einen Wellenfrontmanipulator nach Anspruch 1 gelöst, die zweite Aufgabe durch eine Wellenleiteranordnung nach Anspruch 17, die dritte Aufgabe durch ein optisches Gerät nach Anspruch 19 und die vierte Aufgabe durch eine Verwendung eines Wellenfrontmanipulators gemäß Anspruch 22. Die abhängigen Ansprüche enthalten vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.
Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator umfasst eine optische Achse und mindestens zwei diffraktive optische Komponenten, zum Beispiel mindestens eine erste diffraktive optische Komponente und eine zweite diffraktive optische Komponente. Unter einer diffraktiven optischen Komponente wird eine optische Komponente verstanden, an welcher einfallende Wellen, insbesondere Lichtwellen, gebeugt werden und auf diese Weise Interferenz erzeugt wird. Die mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten sind entlang der optischen Achse hintereinander angeordnet. Sie umfassen zum Beispiel jeweils eine Ebene, welche sich senkrecht oder in einem Winkel zwischen 20 Grad und 90 Grad zur optischen Achse erstrecken kann. Die diffraktiven optischen Komponenten, also beispielsweise die erste diffraktive optische Komponente und die zweite diffraktive optische Komponente, umfassen jeweils eine diffraktive Struktur mit einer Anzahl an diffraktiven holographischen Strukturelementen. Dabei ist die diffraktive Struktur vorzugsweise in der Ebene der jeweiligen diffraktiven optischen Komponente, welche sich senkrecht oder in einem Winkel zwischen 20 Grad und 90 Grad zur optischen Achse erstreckt, angeordnet. Der Wellenfrontmanipulator ist dazu ausgelegt, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten zwischen mindestens zwei voneinander abweichenden Zuständen, insbesondere voneinander abweichenden Fokussen, zu variieren.
Die einzelnen diffraktiven optischen Komponenten können als transmissive, reflektive oder transflektive optische Komponenten ausgestaltet sein. Sie können mit anderen Worten ihre diffraktive optische Wirkung in Transmission und/oder Reflektion entfalten, also gleichzeitig diffraktive und transmissive optische Eigenschaften und/oder gleichzeitig diffraktive und reflektive optische Eigenschaften aufweisen.
Die diffraktive Struktur kann als Hologramm-Gitter ausgebildet sein, also als holographisch hergestelltes Gitter, vorzugsweise als volumenholographisches Gitter. Die diffraktiven holographischen Strukturelemente können durch eine holographische Aufnahme bzw. Abbildung, also holographisch, erzeugt sein oder computergeneriert bzw. CGH-erzeugt sein (CGH - Computer generated hologram). Ein Hologramm ist die Aufnahme bzw. Abbildung eines Interferenzmusters von zwei kohärenten Strahlungsquellen, zum Beispiel Lichtquellen für sichtbares Licht, insbesondere Laserlicht. Volumenholographische Gitter sind als Volumenhologramme implementierte Gitter. Ein Volumenhologramm ist ein Hologramm, welches allgemein in einem lichtempfindlichen Volumenmaterial durch Belichtung mit zwei oder mehr kohärenten Lichtwellen und Entwicklung erzeugt wird. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators lässt sich zum Beispiel eine Fokussierungsvorrichtung realisieren, beispielsweise für eine holographische Kamera. Mit anderen Worten kann der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator zum Beispiel als Fokussierungsvorrichtung ausgelegt sein. Der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator hat im Vergleich zu Fokussierungseinrichtungen, welche refraktive optische Bauelemente verwenden, den Vorteil, dass er deutlich weniger Bauraum beansprucht und damit besonders für eine Anwendung im Zusammenhang mit flachen optischen Geräten, wie beispielweise Smartphones, HoloCams, Head Up- Displays, Datenbrillen, Kameras oder Anzeigevorrichtungen, insbesondere Projektoren, oder auch im Zusammenhang mit Smartglas geeignet ist.
Vorzugsweise ist der Wellenfrontmanipulator dazu ausgelegt, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten zwischen diskreten Zuständen oder kontinuierlich zu variieren. Damit ist insbesondere ein Umschalten zwischen verschiedenen Fokusebenen oder Fokuslinien oder Fokuspunkten oder ein Zoomen möglich. Zum Beispiel kann die Bewegung der einzelnen diffraktiven optischen Komponenten zueinander kontinuierlich erfolgen oder es kann zwischen einzelnen diskreten Zuständen umgeschaltet werden.
Der Wellenfrontmanipulator kann mindestens eine mechanische und/oder elektrische und/oder akustische Einrichtung zum Variieren, beispielsweise Umschalten, des Zustands einer Wellenfront umfassen. Mit anderen Worten kann das Variieren der Wellenfront durch eine Änderung der diffraktiven Eigenschaften des Wellenfrontmanipulators insgesamt erfolgen, wobei die diffraktiven Eigenschaften durch eine mechanische und/oder elektrische und/oder akustische Einwirkung verändert werden können.
In einer vorteilhaften Variante können eine erste diffraktive optische Komponente und eine zweite diffraktive optische Komponente jeweils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse relativ zueinander bewegbar, insbesondere lateral verschiebbar und/oder um eine parallel zur optischen Achse angeordnete Achse, bei welcher es sich auch um die optische Achse handeln kann, drehbar angeordnet sein. Laterales Verschieben bedeutet ein Verschieben senkrecht zur optischen Achse. In einer weiteren Variante kann mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten eine durch Änderung einer an der diffraktiven optischen Komponente anliegenden elektrischen Spannung oder durch Änderung einer durch die diffraktive optische Komponente fließende Stromstärke hinsichtlich ihrer diffraktiven Eigenschaften variierbare diffraktive Struktur aufweisen.
In einem Ausführungsbeispiel kann der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator zwei lateral zueinander verschiebbare Phasenplatten umfassen, zum Beispiel diffraktive Alvarez-Lohmann-Linsen mit ein holographisches Interferenzmuster bildenden diffraktiven Strukturelementen. Diffraktive Alvarez-Lohmann-Linsen mit kubischem Oberflächenprofil sind zum Beispiel in A. Grewe, et al, Opto- mechanische Mikrosysteme zur hyperspektralen Bildgebung, Mikrosystemtechnik Kongress 2013, 14. - 16. Oktober 2013 in Aachen (https://www.tu- ilmenau.de/fileadmin/media/mms/Publikationen/_Gre13 _ MST-
Kongress.pdf) beschrieben. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung sind die diffraktiven Alvarez-Lohmann-Linsen jedoch mit Hologrammen ausgestattet.
Ein elektrisches Variieren bzw. eine elektrische Umschaltung der diffraktiven Eigenschaften mindestens einer diffraktiven Struktur und damit der Wellenfront kann zum Beispiel durch Änderung einer Spannung oder eines Stromflusses in der Nähe mindestens einer diffraktive optische Komponente erreicht werden. Dazu kann die diffraktive optische Komponente eine durch eine elektrische Spannung aktiv/inaktiv schaltbare diffraktive Schicht (DOE- Layer), sogenannte Switchable Bragg Grätings, umfassen. Schaltbare Bragg- Gitter werden zum Beispiel in Sutherland, R. L., et al, „Switchable holograms in a new photopolymer-liquid crystal composite“ SPIE: Diffractive an Holographie Optics Technology, 2404:132-, Feb. 9-10 1995 und Sutherland, R. L, et al, “Electrically switchable volume gratings in polymer-dispersed liquid crystals“ Appl.Phys.Lett., 64(9): 1074-1076, Feb. 28, 1994 beschrieben. Weiterhin kann mindestens eine diffraktive optische Komponente durch elektrische Spannung polarisationsschaltbare Elemente, zum Beispiel Flüssigkristallschichten, in Kombination mit statischen polarisationssensitiven Optiken, zum Beispiel Meta-Surfaces oder volumenholographische optische Elemente (vHOE), die das Licht unterschiedlicher Polarisationsrichtungen in verschiedene Richtungen ablenken, umfassen. Prinzipiell ist eine Ausgestaltung mit Phasenplatten, Metaoberflächen, plasmonische Elementen und fresnelierte Elementen möglich. Eine elektromagnetische Metaoberfläche ist eine Art künstliches Blattmaterial mit einer Dicke unterhalb der Wellenlänge der zu verwendenden Strahlung. Metaoberflächen können entweder strukturiert oder unstrukturiert sein, mit Mustern mit Subwellenlängenskalierung in den horizontalen Dimensionen.
Ein akustisches Variieren, insbesondere Umschalten, kann dadurch realisiert werden, dass mindestens eine diffraktive optische Komponente mindestens einen akusto-optischen Modulator umfasst, zum Beispiel die diffraktive Struktur eine schaltbare Brechungsindexverteilung aufweist. Prinzipiell sind auch Kombinationen aus den beschriebenen Varianten möglich, zum Beispiel ein schaltbares Bragg-Gitter (Switchable Bragg Gräting) für große diskrete Positionssprünge und eine laterale Verschiebung zur Abtastung der Zwischenbereiche.
Die diffraktive Struktur, insbesondere das holographische Interferenzmuster, mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten kann ein Zentrum, zum Beispiel eine Mittelachse oder Mittellinie oder Mittelpunkt, umfassen. Mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum, insbesondere in lateraler Richtung, können die Abstände der Strukturelemente zueinander abnehmen oder zunehmen. In Abhängigkeit davon ist die Bewegungsrichtung der diffraktiven optischen Komponenten zueinander im Fall einer erwünschten Fokussierung zu wählen. Das Zentrum kann in Bezug auf die Abstände der Strukturelemente eine Spiegelachse bilden bzw. definieren. Die diffraktive Struktur, insbesondere das holographische Interferenzmuster, mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten kann Strukturelemente umfassen, wobei der Abstand, insbesondere der laterale Abstand, und/oder die Orientierung benachbarter Strukturelemente, mit anderen Worten die Gitterkonstante und/oder der Winkel (z.B. Blaze-Winkel), in Abhängigkeit von dem Abstand von einem Zentrum der diffraktiven Struktur durch ein Polynom beschrieben wird.
Eine erste diffraktive optische Komponente und eine zweite diffraktive optische Komponente können in einem festgelegten Abstand in axialer Richtung bezüglich der optischen Achse zueinander angeordnet sein. Dieser Abstand ist vorzugsweise so gering wie möglich zu wählen, beispielsweise zwischen 0 und 0,1 mm. In Abhängigkeit von dem gewählten Abstand, insbesondere bei großen Abständen, sind unter Berücksichtigung des Brechungsindexes des zwischen den diffraktiven optischen Komponenten vorhandenen Materials, beispielsweise von Luft, bei der Auslegung der auf den optischen Komponenten aufgebrachten holographischen Interferenzmuster zu berücksichtigen. Mit anderen Worten sind auch andere Abstände zwischen den beiden diffraktiven optischen Komponenten möglich, erfordern aber eine Anpassung der jeweiligen holographischen Interferenzmuster.
Die Strukturelemente der diffraktiven Struktur können als Erhebungen oder Vertiefungen oder Verfärbungen, zum Beispiel Schwärzungen, oder chemische Materialveränderungen ausgestaltet sein. Weiterhin können die Strukturelemente als räumlich in lateraler Richtung zueinander benachbarte Bereiche mit voneinander abweichendem Brechungsindex ausgestaltet sein. Beispielsweise kann die Brechzahl der Strukturelemente von der Brechzahl des Materials der jeweiligen diffraktiven optischen Komponente um einen Wert zwischen 0,05 und 0,15, beispielsweise 0,01 abweichen. Dies kann beispielsweise durch Verwendung von Volumenhologrammen erreicht werden. Dabei kann als Material ein Fotopolymer verwendet werden.
In einer weiteren Variante können einzelne bzw. festgelegte Bereiche eine bestimmte Brechungsindexdifferenz aufweisen. Die Brechungsindexdifferenz der einzelnen Bereiche kann von dem Abstand des jeweiligen Bereichs von dem Zentrum der diffraktiven Struktur abhängen. Dabei kann es sich bei dem Zentrum um eine Spiegelachse handeln. Die Brechungsindexdifferenz kann mit zunehmenden Abstand des Bereichs von dem Zentrum zunehmen oder abnehmen. Dabei kann die Zunahme oder Abnahme gemäß einem festgelegten Polynom verlaufen. Vorteilhafterweise kann die diffraktive Struktur eine variierbare, zum Beispiel zwischen verschiedenen Zuständen umschaltbare, Brechungsindexverteilung aufweisen. Hierdurch lässt sich zum Beispiel ein Umschalten zwischen diskreten Zuständen, insbesondere Fokussen, realisieren.
Mindestens eine der diffraktiven Strukturen kann durch ein Volumenhologramm und/ein Flächenhologramm und/oder ein Amplitudenhologramm und/oder ein Phasenhologramm und/oder ein Transmissionshologramm und/oder ein Weißlichthologramm und/oder ein unter weißem Licht rekonstruierbares Hologramm und/oder ein echtfarbiges Hologramm gebildet werden.
Die folgenden Beschreibung zu verschiedenen Hologrammtypen ist aus https://www.spektrum.de/lexikon/optik/holographie/1343 entnommen: Eine Hologrammaufzeichnung kann sowohl in dünnen lichtempfindlichen Schichten (ebenes Hologramm) als auch in lichtempfindlichen dicken Medien (Volumenhologramm) erfolgen. Bei der Herstellung von Hologrammen spielt die Dicke des verwendeten Speichermaterials eine wichtige Rolle. Objekt- und Referenzwelle bilden ein räumlich stehendes Interferenzmuster, das vom optischen Speichermedium (Hologramm) registriert wird. Bei der Rekonstruktion werden beide Hologrammtypen mit der ursprünglichen Referenzwelle rekonstruiert. Das ebene Hologramm fügt zur hindurchgehenden nullten Beugungsordnung die verschiedenen Beugungsordnungen hinzu, die auch bei einem normalen ebenen Gitter zu erwarten sind. Die erste Beugungsordnung stellt das rekonstruierte Bild, hier die rekonstruierte ebene Welle, dar. Im Volumenhologramm hingegen wird nach dem Gesetz der Bragg-Reflexion neben der nullten Beugungsordnung nur die +1. oder die -1. Beugungsordnung erzeugt. Ein dickes optisches Speichermedium bietet den Vorteil, dass in ihm mehrere Interferenzstrukturen überlagert werden können; das Volumenhologramm besteht dann aus vielen superponierten Interferenzstrukturen. Durch Einhaltung bestimmter Winkel bzw. Wellenlängen bei der Rekonstruktion kann Bild für Bild aus dem Volumenhologramm rekonstruiert werden. Bei einem Amplitudenhologramm wird das Interferenzmuster als Schwärzungsverteilung aufgezeichnet (das Hologramm moduliert über die Extinktion die Rekonstruktionswelle). Bei einem Phasenhologramm wird das Interferenzmuster in Form eines Oberflächenreliefs oder einer Brechzahlverteilung innerhalb des Mediums gespeichert. Das Hologramm beeinflusst dann die Phase der Rekonstruktionswelle.
Mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten kann als Platte oder Folie oder Film ausgestaltet sein. Eine Ausgestaltung als Folie oder Film hat den Vorteil, dass der Wellenfrontmanipulator minimalen Bauraum beansprucht. Eine Ausgestaltung als Platte hat den Vorteil einer höheren Robustheit und einer längeren Lebensdauer bei ebenfalls vergleichsweise geringem beanspruchtem Bauraum. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter eine Platte eine Komponente verstanden, die nicht in sich verformbar ausgestaltet ist. Unter einer Folie wird eine optische Komponente verstanden, welche in Bezug auf die Ebene, die durch ihre Oberfläche in einer x-y-Ebene eines kartesischen Koordinatensystems aufgespannt wird, in z-Richtung, also senkrecht zu der x-y-Ebene verformbar ist. Es kann zum Beispiel eine Kunststofffolie verwendet werden. Unter einem Film wird eine zusammenhängende Materialschicht verstanden, welche vorzugsweise auf ein Substrat aufgebracht ist. Dabei kann der Film, zum Beispiel ein Silberhalogenidfilm, mit dem Substrat fest oder lösbar verbunden sein.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist mindestens eine diffraktive optische Komponente eine Dicke von weniger als 1 mm, beispielsweise eine Dicke zwischen 0,1 und 0,5 mm auf. Auf diese Weise kann eine äußerst platzsparende Fokussierung oder Defokussierung von Wellen, insbesondere Lichtwellen erreicht werden.
Vorzugsweise sind die diffraktiven optischen Komponenten zumindest teilweise transparent, insbesondere für sichtbares Licht transparent, ausgestaltet. Dies ist insbesondere im Zusammenhang mit einer Anwendung für Headup-Displays oder Datenbrillen oder AR-Brillen (AR - augmented reality) von Vorteil.
In einer ersten besonders vorteilhaften Variante umfasst der Wellenfrontmanipulator vier diffraktive optische Komponenten, wobei eine erste und eine zweite diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer ersten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind und eine dritte und eine vierte diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer zweiten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind. Die erste und die zweite laterale Richtung können beispielsweise senkrecht zueinander oder in einem anderen festgelegten Winkel zueinander verlaufen. Während bei einer Ausgestaltung mit zwei diffraktiven optischen Komponenten, welche jeweils ein in einer lateralen Richtung angeordnetes holografisches Interferenzmuster aufweisen, eine Fokussierung von Wellen zu einer Linie in einer Ebene möglich ist, wird mittels der beschriebenen Ausgestaltung mit vier diffraktiven optischen Komponenten, wobei jede optische Komponente ein in einer lateralen Richtung sich erstreckendes holographisches Interferenzmuster aufweist, eine Fokussierung von Wellen zu einem Punkt in einer Ebene ermöglicht.
In einer weiteren Ausgestaltungsvariante können mindestens zwei diffraktive optische Komponenten zueinander um eine Achse parallel zur optischen Achse drehbar angeordnet sein. Dabei können in der zuvor beschriebenen Variante mit vier diffraktiven optischen Komponenten zum Beispiel die erste und die zweite diffraktive optische Komponente gemeinsam in Bezug auf die dritte und die vierte diffraktive optische Komponente drehbar angeordnet sein. Es können aber zusätzlich oder alternativ dazu auch die erste und die zweite diffraktive optische Komponente in Bezug aufeinander drehbar angeordnet sein. In gleicher Weise können auch die dritte und die vierte diffraktive optische Komponente in Bezug aufeinander drehbar angeordnet sein. Die zweite und die dritte diffraktive optische Komponente können fest miteinander verbunden ausgestaltet sein. Zum Beispiel können zweite und die dritte diffraktive optische Komponente in einem einzigen Bauteil integriert sein.
In einer zweiten besonders vorteilhaften Variante umfasst der Wellenfrontmanipulator drei diffraktive optische Komponenten, wobei eine dritte diffraktive optische Komponente in Richtung der optischen Achse zwischen einer ersten und einer zweiten diffraktiven optischen Komponente angeordnet ist. Insbesondere kann die dritte diffraktive optische Komponente in Bezug auf die erste und die zweite diffraktive optische Komponente bewegbar angeordnet sein, beispielsweise durch Translation und/oder Rotation bewegbar, oder hinsichtlich ihrer diffraktiven Eigenschaften variierbar ausgestaltet sein.
In einer weiteren vorteilhaften Variante weist der Wellenfrontmanipulator mindestens eine diffraktive optische Komponente auf, welche in der sich senkrecht zur optischen Achse erstreckenden Ebene ein in Form eines zweidimensionalen oder dreidimensionalen Gitters ausgestaltetes holographisches Interferenzmuster umfasst. Bei dieser Ausgestaltung ist es möglich, im Fall von zwei entsprechend ausgestalteten diffraktiven optischen Komponenten durch eine Verschiebung dieser in einem Winkel von 45 Grad zueinander eine Fokussierung auf einen Punkt zu erzielen.
Mittels der beschriebenen Ausgestaltungsvarianten ist eine Fokussierung von Wellen, insbesondere Lichtwellen, auf einen Punkt oder eine auf der optischen Achse oder parallel zur optischen Achse verlaufende Linie möglich. Mittels eines Volumenhologramms als Struktur mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten ist zusätzlich eine Fokussierung auf einen Punkt, also mit anderen Worten auch eine Fokussierung in Richtung der optischen Achse bzw. in z-Richtung möglich.
Die erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung umfasst mindestens einen Wellenleiter und mindestens einen bereits beschriebenen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Der Wellenleiter kann als Lichtleiter ausgestaltet sein. Der Wellenfrontmanipulator ist vorteilhafterweise mit dem Wellenleiter wirkverbunden, also insbesondere zur Manipulation von in den Wellenleiter einzukoppelnden oder aus dem Wellenleiter auszukoppelnden Wellenfronten ausgelegt und vorzugsweise entsprechend räumlich mit dem Wellenleiter verbunden. Der Wellenleiter kann einen Eingang zum Einkoppeln von Wellen, zum Beispiel Lichtwellen, und einen Ausgang zum Auskoppeln von Wellen, zum Beispiel Lichtwellen, aufweisen.
Vorzugsweise ist ein oben beschriebener Wellenfrontmanipulator an dem Eingang und/oder dem Ausgang angeordnet, vorteilhafterweise im Strahlengang entlang einer optischen Achse, die durch den Eingang oder den Ausgang definiert wird. Dabei kann die optische Achse eines am Eingang des Wellenleiters angeordneten Wellenfrontmanipulators mit einer optischen Achse des Wellenleiters am Eingang identisch sein oder parallel zu dieser verlaufen. Zusätzlich oder alternativ dazu kann die optische Achse eines am Ausgang des Wellenleiters angeordneten Wellenfrontmanipulators mit einer optischen Achse des Wellenleiters am Ausgang identisch sein oder parallel zu dieser verlaufen.
Zum Beispiel kann der mindestens eine Wellenfrontmanipulator als Einkoppelelement und/oder als Auskoppelelement in Bezug auf den Wellenleiter ausgestaltet sein, also zum Einkoppeln und/oder Auskoppeln von Wellen, insbesondere Lichtwellen in den Wellenleiter ausgelegt sein. Der mindestens eine Wellenfrontmanipulator kann zumindest teilweise in den Wellenleiter integriert sein. In einer vorteilhaften Variante kann eine der diffraktiven optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators, insbesondere die diffraktive Struktur der diffraktiven optischen Komponente, Bestandteil des Wellenleiters sein, zum Beispiel innerhalb des Wellenleiters angeordnet sein.
Die erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung hat die oben bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator genannten Vorteile. Sie ermöglicht insbesondere eine effiziente Weiterleitung und/oder Ausgabe von gezielt manipulierten Wellenfronten, insbesondere mit einem weiten Fokusbereich bei gleichzeitig geringem Bauraumbedarf. Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird ein optisches Gerät zur Verfügung gestellt. Das erfindungsgemäße optische Gerät kann beispielsweise ein optisches Beobachtungsgerät wie etwa ein Mikroskop, insbesondere Operationsmikroskop, ein Teleskop, eine Kamera, ein Wellenleiter, ein Objektiv, insbesondere ein Zoom-Objektiv und/oder ein holographisches Objektiv, etc. sein. Es kann aber auch ein anderes optisches Gerät wie beispielsweise eine optische Messeinrichtung sein. Es ist mit wenigstens einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator ausgestattet. In dem erfindungsgemäßen optischen Gerät können daher die mit Bezug auf den erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator beschriebenen Wirkungen und Vorteile erzielt werden.
Bei der Kamera kann es sich insbesondere um eine holographische Kamera und/oder eine Kamera für ein Mobiltelefon und/oder eine Mikroskopkamera handeln. Bei der Anzeigevorrichtung kann es sich um eine Datenbrille oder einen Projektor, insbesondere einen Projektor, der dazu ausgelegt ist Farben einzeln zu fokussieren, oder ein Headup-Display, insbesondere für eine Anwendung in einem Automobil, oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung handeln.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht bei einer Anwendung des
Wellenfrontmanipulators im Zusammenhang mit einer HoloCam eine im Hinblick auf die Fokusebene schaltbare HoloCam. Dabei kann entweder zwischen einzelnen diskreten Zuständen umgeschaltet werden oder ein kontinuierlicher Wertebereich zwischen Endzuständen abdeckt werden.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Verwendung wenigstens eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators und/oder einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung zur Verfügung gestellt. In der erfindungsgemäßen Verwendung dient wenigstens ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator und/oder eine erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung zum Fokussieren von Wellenfronten, insbesondere Lichtwellenfronten. Grundsätzlich ermöglicht die vorliegende Erfindung eine Variation der Fokusdistanz zum Objekt, insbesondere die Realisierung einer durchschaltbaren quadratischen Phasenfunktion und/oder linearen Phasenfunktion, eine Variation der Hauptstrahlrichtung, zum Beispiel eine Umschaltung zwischen unterschiedlichen Feldpositionen, zur Erfassung eines größeren Sichtfeldes (FOV - field of view). Es kann zudem eine scharfe Abbildung eines Objektes in fixer Distanz für verschiedene Wellenlängen erreicht werden.
Im Folgenden wird die Beschreibung der Form einer refraktiven Freiformfläche durch eine Polynomentwicklung dargestellt, die in endlich vielen bestimmten Polynomordungen von Null verschiedene Ent wicklungskoeffizienten aufweist, und analog für eine diffraktive Struktur angewendet werden kann. Die einer refraktiven Freiformfläche zugehörige diffraktive Struktur wird durch eine Polynomentwicklung beschrieben, die in denselben Polynomordnungen wie die Polynomentwicklung der refraktiven Freiformfläche von Null verschiedene Entwicklungskoeffizienten aufweist. Diejenigen Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung, welche jeweils derselben Polynomordnung zugeordnet sind, stehen dabei in einem festen funktionalen Zusammenhang zueinander. Dabei können die jeweils derselben Polynomordnung zugeordneten Entwicklungskoeffizienten einer eine refraktive Freiformfläche beschreibenden Polynomentwicklung und der die zugehörige diffraktive Struktur beschreibenden Polynomentwicklung insbesondere in einem linearen funktionalen Zusammenhang stehen. Der funktionale Zusammenhang kann insbesondere von dem in der jeweiligen optischen Komponente verwendeten Material, d.h. von dessen Dispersion, abhängen. Insbesondere kann hierbei ein gleicher funktionaler Zusammen hang für alle Polynomordnungen mit von Null verschiedenen Koeffizienten vorliegen. Die Polynome der ersten und der zweiten Polynomentwicklung können jeweils von zwei Variablen anhängen, die verschiedene Richtungen senkrecht zur optischen Achse des optischen Elements repräsentieren. Dabei können die beiden Richtungen senkrecht aufeinander stehen, wobei die eine Richtung der Bewegungsrichtung der optischen Komponenten entspricht und wobei die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung jeweils nur ungerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufweisen, welche die Bewegungsrichtung der optischen Komponenten repräsentiert. Die eine refraktive Freiformfläche beschreibende Polynomentwicklung und die die zugehörige diffraktive Struktur beschreibende Polynomentwicklung brauchen dann jeweils nur gerade Polynomordnungen in derjenigen Variablen aufzuweisen, welche die zur Bewegungsrichtung der optischen Komponen ten senkrechte Richtung repräsentiert.
Weitere Einzelheiten zur Konstruktion der diffraktiven Flächen und zur Anwendung von mit diffraktiven Strukturen und Freiformflächen versehenen optischen Elementen sind die DE 10 2011 055 777 beschrieben, auf die hinsichtlich dieser Aspekte verwiesen wird.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wird, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.
Die Figuren sind nicht notwendigerweise detailgetreu und maßstabsgetreu und können vergrößert oder verkleinert dargestellt sein, um einen besseren Überblick zu bieten. Daher sind hier offenbarte funktionale Einzelheiten nicht einschränkend zu verstehen, sondern lediglich als anschauliche Grundlage, die dem Fachmann auf diesem Gebiet der Technik Anleitung bietet, um die vorliegende Erfindung auf vielfältige Weise einzusetzen.
Figur 1 zeigt schematisch eine holographische Kamera (FloloCam) in einer geschnittenen Ansicht.
Figur 2 zeigt schematisch ein refraktives Fokussystem und ein diffraktives Fokussystem. Figur 3 zeigt beispielhaft eine diffraktive optische Komponente mit einem Flologramm und ein Diagramm, welches die Gitterlinienzahl in Abhängigkeit von einem Abstand von einem Zentrum zeigt. Figur 4 zeigt einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 13 in Form eines diffraktiven Fokussystems in drei verschiedenen Betriebszuständen.
Figur 5 zeigt schematisch die in der Figur 1 gezeigte FloloCam mit einem vor dem Einkoppelhologramm angeordneten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator.
Figur 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante für eine FloloCam mit einem erfindungsgemäßen
Wellenfrontmanipulator.
Figur 7 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators. Figur 8 zeigt verschiedene Fokussierungsmöglichkeiten mittels des in der Figur 7 gezeigten Wellenfrontmanipulators schematisch in perspektivischen Ansichten. Figur 9 zeigt schematisch eine erste Variante einer FloloCam mit einem schaltbaren Wellenfrontmanipulator.
Figur 10 zeigt schematisch eine zweite Variante einer FloloCam mit einem schaltbaren Wellenfrontmanipulator.
Figur 11 zeigt schematisch zwei Varianten für eine relative Dimensionierung des Einkoppelhologramms und damit des Wellenfrontmanipulators und des Auskoppelhologramms einer Holocam in einer Draufsicht.
Figur 12 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät.
Figur 13 zeigt schematisch eine reflektive Variante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators.
Figur 14 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße
Wellenleiteranordnung. Die Figur 1 zeigt schematisch eine holographische Kamera (FloloCam) in einer geschnittenen Ansicht. Die FloloCam 26 umfasst einen Wellenleiter 1, ein Objektiv 4 und eine Kamera bzw. einen Sensor 5. Der Wellenleiter 1 umfasst ein Einkoppelhologramm 2 und ein Auskoppelhologramm 3. In Ausbreitungsrichtung der Wellen ist hinter dem Auskoppelhologramm 3 außerhalb des Wellenleiters 1 das Objektiv 4 und hinter dem Objektiv 4 die Kamera bzw. der Sensor 5 angeordnet. Die optische Achse des Einkoppelhologramms 2 ist mit der Bezugsziffer 41 gekennzeichnet. Die optische Achse des Auskoppelhologramms 3, des Objektives 4 und der Kamera bzw. des Sensors 5 ist mit der Bezugsziffer 42 gekennzeichnet. Die Ausbreitungsrichtung der Wellen, insbesondere Lichtwellen zu dem Wellenleiter 1 ist durch einen Pfeil 31 gekennzeichnet. Die
Ausbreitungsrichtung der den Wellenleiter 1 durch das Auskoppelhologramm 3 verlassenden Wellen ist durch einen Pfeil 32 gekennzeichnet. Die Ausbreitung der Wellen ist als Strahlengang durch Linien mit der Bezugsziffer 29 gekennzeichnet.
Durch das Einkoppelhologramm 2 wird ein festgelegter Fokus 6 realisiert. Dieser weist einen Abstand 31 zu dem Wellenleiter 1 auf. Von dem Fokus 6 mit der Fokuslänge 33, bei welchem es sich um einen Fokuspunkt, eine Fokuslinie oder eine Fokusebene handeln kann, ausgehende Lichtwellen werden über das Einkoppelhologramm 2 in den Wellenleiter 1 eingekoppelt, in diesem zu dem Auskoppelhologramm 3 weitergeleitet und über das Auskoppelhologramm 3 durch das Objektiv 4 zu der Kamera bzw. dem Sensor 5 geleitet. In dem in der Figur 1 gezeigten Beispiel verlaufen die optischen Achsen 41 und 42 parallel zur z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems 45. Die Oberflächen 43 und 44 des Wellenleiters 1 erstrecken sich in der x-y-Ebene des Koordinatensystems 45. Das Einkoppelhologramm 2 und das Auskoppelhologramm 3 weisen jeweils ein holographisches Indifferenzmuster auf, welches sich in y-Richtung oder in der x-y-Ebene erstreckt, also senkrecht zu der jeweiligen optischen Achse 41 bzw. 42, also lateral zu der jeweiligen optischen Achse.
Die Figur 2 zeigt schematisch ein refraktives Fokussystem 12 und ein diffraktives Fokussystem 13. Der kollim ierte Strahlengang durch die beiden Fokussysteme ist jeweils durch Pfeile mit der Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. Das gezeigte refraktive Fokussystem 10 umfasst ein erstes Alvarez-Element 11, welches eine erste Freiformoberfläche 11A umfasst, und ein zweites Alvarez-Element 12, welches eine zweite Freiformoberfläche 12A umfasst. Die Freiformflächen 11A und 12A sind einander zugewandt angeordnet. Die Alvarez-Elemente 11 und 12 weisen einen Abstand in Richtung der optischen Achse 46 zueinander auf. Durch das refraktive Fokussystem 10 werden die sich durch das Fokussystem 10 ausbreitenden Wellen, insbesondere Lichtwellen, durch Refraktion (Brechung) an den Freiformoberflächen 11A und 12A in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen den Freiformoberflächen 11 A und 12A und in Abhängigkeit von der lateralen Position der Alvarez-Elemente 11 und 12 zueinander in Bezug auf ihre Ausbreitungsrichtung und insbesondere ihren lateralen Abstand von der optischen Achse 46 verändert. In der in der Figur 2 gezeigten Variante wird durch das refraktive Fokussystem 10 ein lateraler Versatz bewirkt.
Das in der Figur 2 gezeigte diffraktive Fokussystem 13 umfasst eine erste diffraktive optische Komponente 14, welche als Substrat mit einem Flologramm 15 ausgestaltet ist, und eine zweite diffraktive optische Komponente 16, welche als Substrat mit einem Flologramm 17 ausgestaltet ist. Die erste und die zweite diffraktive optische Komponente 14 und 16 sind in einem axialen Abstand zueinander angeordnet und erstrecken sich lateral zur optischen Achse 47. Die Flologramme 15 und 17 erstrecken sich ebenfalls lateral bzw. senkrecht zur optischen Achse 47. Durch das diffraktive Fokussystem 13 wird die Ausbreitungsrichtung der Wellen, insbesondere Lichtwellen durch Beugung an den Hologrammen 15 und 17 diffraktiv verändert. In der in der Figur 2 gezeigten Variante wird ein Versatz zur optischen Achse 47 bewirkt. Durch beide in der Figur 2 gezeigten Fokussysteme kann durch eine laterale Verschiebung einerseits der Alvarez- Elemente 11 und 12 zueinander und andererseits der diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 zueinander eine Fokussierung, also ein konvergenter Strahlengang, oder eine Defokussierung, also ein divergenter Strahlengang, der Wellen erzielt werden.
Die Figur 3 zeigt beispielhaft eine diffraktive optische Komponente 14 mit einem Hologramm 15 und ein Diagramm, welches die Gitterlinienzahl 18 in Abhängigkeit von einem Abstand von einem Zentrum 28 der diffraktiven Struktur zeigt. Dabei ist auf der x-Achse der Abstand y der Strukturelemente, insbesondere der Gitterlinien des Holorammgitters von dem Zentrum bzw. einer Mittellinie, insbesondere Spiegelachse, 28 in mm aufgetragen. Auf der y-Achse ist die Gitterlinienanzahl 18 (LP - Line Pitch) in 1/mm aufgetragen. In der gezeigten Variante ist die Gitterlinienzahl 18 im Bereich der Mittellinie 28 minimal und steigt mit zunehmenden Abstand von der Mittellinie 28 an. Alternativ zu der gezeigten Variante kann auch die Gitterlinienanzahl im Bereich der Mittellinie 28 maximal sein und mit zunehmendem Abstand von der Mittellinie 28 abfallen. In der Figur 4 ist ein erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 in Form eines diffraktiven Fokussystems mit wellenlängenselektiven Volumenhologrammen in drei verschiedenen Betriebszuständen gezeigt. Die links gezeigte Variante entspricht dabei der in der Figur 2 gezeigten Variante. In der in der Mitte gezeigten Variante wurden die erste diffraktive Komponente 14 und die zweite diffraktive Komponente 16 lateral bzw. senkrecht zur optischen Achse 47 gegeneinander verschoben. Dadurch wird abweichend von dem in dem links gezeigten Betriebszustand erzielten kollimierten Strahlengang 20 ein divergenter Strahlengang 21 für die entsprechende Designwellenlänge li realisiert. In der in der Figur 4 rechts gezeigten Variante wurden die diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 in einer entgegengesetzt zu der in der mittleren Variante gezeigten Richtung zueinander lateral verschoben. Durch diese Verschiebung wurde ein konvergenter Strahlengang 22 für die entsprechende Designwellenlänge li realisiert. Die laterale Verschiebung der diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 ist durch Pfeile mit der Bezugsziffer 34 gekennzeichnet. Die Richtung und das Ausmaß, um welches zur Erzielung eines gewünschten Strahlengangs die diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 in Bezug aufeinander verschoben werden müssen, hängt dabei von der Verteilung der Gitterlinienzahl 18, wie beispielsweise in der Figur 3 gezeigt, ab. Wellenlängen 2 die von der Designwellenlänge li abweichen, werden vom Volumenhologramm nicht beeinflusst und bleiben auch nach dem Durchtritt ohne virtuelle oder reelle optische Abbildung.
Die im Rahmen der vorliegenden Erfindung verwendeten Flologramme können jeweils durch Belichtung eines Substrats mit photosensitivem Material erzeugt werden.
Mittels des erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 13 lässt sich, wie in der Figur 4 gezeigt, mittels der durch die Flologramme erzeugten Freiformwellenfront eine Fokussierung bzw. Defokussierung erzielen. Ein Anwendungsbeispiel im Zusammenhang mit einer FloloCam ist in der Figur 5 schematisch gezeigt. Die Figur 5 zeigt die in der Figur 1 gezeigte FloloCam 26 mit einem vor dem Einkoppelhologramm 2 angeordneten erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 13. Die Figur 5 zeigt gleichzeitig eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung.
Durch eine Verschiebung 34 der diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 in Bezug aufeinander lässt sich der ansonsten feste Fokus variieren. Es kann also beispielsweise ein kollim ierter Strahlengang bzw. ein Fokus 9 im Unendlichen oder ein erster Fokus 7 oder ein zweiter Fokus 8 eingestellt werden. Der Fokus kann also einerseits entlang der optischen Achse 47 verschoben werden. Dies ist durch einen Pfeil 48 gekennzeichnet. Zusätzlich oder alternativ dazu kann aber auch ein Versatz in transversaler Richtung, also ein Verschieben der optischen Achse 47 bzw. ein transversaler Versatz des Fokus von der optischen Achse 41, welche durch das Einkoppelhologramm 2 vorgegeben ist, erzielt werden. Dies ist durch einen Pfeil 49 gekennzeichnet.
Die Figur 6 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsvariante für eine FloloCam mit einem erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator. Die Figur 6 zeigt gleichzeitig eine Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Wellenleiteranordnung. In dieser Variante ist die zweite diffraktive optische Komponente in den Wellenleiter 1 der FloloCam integriert und bildet gleichzeitig das Einkoppelhologramm 2A. In der in der Figur 6 gezeigten Variante umfasst die FloloCam 26 ein Gehäuse 30. Dabei ist in das Gehäuse 30 sowohl der Wellenleiter 1 als auch die erste diffraktive optische Komponente 14 eingespannt. Die erste diffraktive optische Komponente 14 ist dabei so in dem Gehäuse 30 angeordnet, dass sie transversal bzw. lateral zur optischen Achse 47 verschiebbar ist.
Zusätzlich zu den in den Figur 4 und 5 gezeigten Varianten können auch zwei Wellenfrontmanipulatoren 13 miteinander kombiniert und vorzugsweise hintereinander angeordnet werden, wobei die diffraktiven optischen Komponenten eines ersten Wellenfrontmanipulators in einer ersten transversalen bzw. lateralen Richtung zueinander verschiebbar angeordnet sind und ein zweiter Wellenfrontmanipulator so ausgestaltet ist, dass dessen diffraktiven optischen Komponenten in einer zweiten transversalen bzw. lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar sind. Dabei kann die erste laterale Richtung senkrecht zur zweiten lateralen Richtung angeordnet sein oder einen festgelegten Winkel zu dieser aufweisen. Durch eine solche Ausgestaltung ist eine Fokussierung auf einen Fokuspunkt in einer Fokusebene möglich. Grundsätzlich können die verwendeten Flologramme als Volumenhologramme ausgestaltet sein. Durch eine entsprechende Ausgestaltung des Volumenhologramms lässt sich auch eine Fokussierung in z-Richtung realisieren. Weiterhin können die verwendeten Flologramme als sich in x-y-Ebene erstreckende zweidimensionale Flologrammgitter ausgestaltet sein. Im Falle einer Ausgestaltung als zweidimensionale Flologrammgitter lässt sich auch mittels lediglich eines Wellenfrontmanipulators, also unter Verwendung von nur zwei in Bezug aufeinander verschiebbare diffraktive optische Komponenten eine Fokussierung auf einen Fokuspunkt in einer festgelegten Fokusebene, also eine Fokussierung in x-y- und z-Richtung erreichen.
Eine weitere Ausführungsvariante ist in den Figuren 7 und 8 gezeigt. In dieser Variante ist zwischen der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 und der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 eine dritte diffraktive optische Komponente 19 angeordnet. Die dritte diffraktive optische Komponente umfasst zwei Flologramme 38 und 39. Dabei ist ein erstes Flologramm 38 in der der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 zugewandten Oberfläche angeordnet und ein zweites Flologramm 39 in der der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 zugewandten Oberfläche angeordnet. Die erste diffraktive optische Komponente 14 und die dritte diffraktive optische Komponente 19 und die zweite diffraktive optische Komponente 16 weisen jeweils einen Abstand in axialer Richtung zueinander auf. Dieser Abstand ist dabei so gering wie möglich um einerseits den Bauraum so gering wie möglich zu halten und andererseits den Einfluss des zwischen den jeweiligen diffraktiven optischen Komponenten befindlichen Mediums, insbesondere Luft, auf den Strahlenverlauf zu vermeiden. Der Abstand liegt vorzugsweise zwischen 0 und 0,1 mm. Je größer der Abstand gewählt wird, desto stärker muss die Brechung durch das in dem Zwischenraum befindliche Medium, insbesondere durch Luft, bei der Erstellung der verwendeten Hologramme berücksichtigt werden.
In den Figuren 8A, 8B und 8C sind verschiedene Fokussierungsmöglichkeiten mittels des in der Figur 7 gezeigten Wellenfrontmanipulators 13 schematisch in einer perspektivischen Ansicht gezeigt. In der Figur 8A wurde zur Fokussierung die dritte diffraktive optische Komponente 19 in y-Richtung verschoben. Dies ist durch einen Pfeil 35 gekennzeichnet. Dadurch wurde in der Fokusebene 40 eine Fokussierung auf eine in x-Richtung verlaufende Fokuslinie erzielt. In der Figur 8B wurde die dritte diffraktive optische Komponente 19 in x-Richtung verschoben. Dies ist durch einen Pfeil 36 gekennzeichnet. Dadurch wurde eine Fokussierung in der Fokusebene 40 auf eine Linie entlang der y-Richtung erzielt. In der Figur 8C wurde die dritte diffraktive optische Komponente 19 sowohl in x-Richtung als auch in y-Richtung verschoben beispielsweise in einem Winkel von 45° zur x- und y-Richtung. Dies ist durch einen Pfeil 37 gekennzeichnet. Durch diese Verschiebung wird eine Fokussierung auf einen Fokuspunkt in der Fokusebene 40 erreicht. Weiterhin lässt sich durch ein Verschieben der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 und der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 in Bezug aufeinander die Fokusebene 40 in axialer Richtung verschieben.
Grundsätzlich kann der erfindungsgemäße Wellenfrontmanipulator so ausgelegt sein, dass die verschiedenen Fokusebenen und die verschiedenen Fokusvarianten kontinuierlich einstellbar sind oder zwischen diskreten Zuständen umgeschaltet werden können.
Ausführungsvarianten für einen schaltbaren Wellenfrontmanipulator im Zusammenhang mit einer HoloCam werden im Folgenden anhand der Figuren 9 und 10 erläutert. In diesen Varianten sind die diffraktiven optischen Komponenten als schaltbare diffraktive optische Elemente bzw. holographisch optische Elemente oder Phasenplatten ausgestaltet. Dabei sind in der Figur 9 das erste Hologramm 25 und das zweite Hologramm 24 als in Bezug auf ihre diffraktiven Eigenschaften durch Anlegen einer elektrischen Spannung schaltbare Hologramme ausgestaltet. Das erste Hologramm 25 ist dabei, wie das Hologramm 2A in der Figur 6, in den Wellenleiter 1 als Einkoppelhologramm integriert. Es ist an einen Strom kreislauf 50 angeschlossen, durch welchen sein Zustand zwischen mindestens zwei verschiedenen diffraktiven Zuständen umschaltbar ist. Die schaltbaren Hologramme können als schaltbare Bragg-Gitter ausgestaltet sein.
Die zweite diffraktive optische Komponente 16 umfasst ebenfalls ein schaltbares Hologramm 24. Die zweite diffraktive optische Komponente 16 ist ebenfalls an einen elektrischen Strom kreislauf 50 angeschlossen, mit welchem das zur Fokussierung ausgelegte Hologramm 24 zwischen mindestens zwei verschiedenen diffraktiven Zuständen umschaltbar ist. Das in den Wellenleiter 1 integrierte Hologramm 25 ist als Einkoppelhologramm ausgelegt. Der Wellenleiter 1 stellt damit gleichzeitig die erste diffraktive optische Komponente 14 dar. Durch Umschalten der Hologramme 24 und/oder 25 zwischen verschiedenen diffraktiven Zuständen lässt der Fokus 7 in x-, y-, und z-Richtung variieren.
In der Figur 10 ist eine Variante des in der Figur 5 gezeigten Beispiels mit schaltbaren Hologrammen gezeigt. Diese Variante kombiniert die Vorteile der Schaltbarkeit, also der Möglichkeit des Wechsels zwischen diskreten Einstellungen des Fokus und der Möglichkeit einer lateralen Verschiebung der schaltbaren diffraktiven optischen Komponenten 14 und 16 und eines schaltbaren Einkoppelhologramms 2 der in Bezug aufeinander, also der Möglichkeit einer kontinuierlichen Veränderung des Fokus. In der in der Figur 10 gezeigten Ausgestaltung lassen sich die Hologramme der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 und der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16, sowie das in den Wellenleiter 1 integrierte Einkoppelhologramm 2 zwischen diskreten diffraktiven Zuständen umschalten. Zusätzlich lassen sich die Komponenten gegeneinander lateral verschieben, was durch Pfeile 34 gekennzeichnet ist. Grundsätzlich können in allen gezeigten Ausführungsvarianten die Hologramme als zwei- oder dreidimensionale Hologrammgitter ausgestaltet sein. Weiterhin können die einzelnen diffraktiven optischen Komponenten in Bezug aufeinander um die optische Achse oder um eine parallel zur optischen Achse verlaufende Achse gedreht bzw. verdreht werden. Auch auf diese Weise lässt sich eine Fokussierung erzielen. Grundsätzlich können die diffraktiven optischen Komponenten als Platten, Folien oder Filme ausgestaltet sein. Bei einer Ausgestaltung als Film sind die jeweiligen Filme vorzugsweise auf ein Substrat aufgebracht. Eine solche Ausgestaltung bietet sich insbesondere für die in den Figuren 7 und 8 gezeigten Ausführungsvarianten an.
Zusätzlich kann der Wellenfrontmanipulator weitere optische Komponenten umfassen, welche beispielsweise vor den diffraktiven optischen Komponenten angeordnet sind. Zum Beispiel kann in Strahlrichtung vor den diffraktiven optischen Komponenten eine oder mehrere Freiformlinsen, ein oder mehrere Linsen, beispielsweise asphärische Linsen und/oder Spiegel angeordnet sein. Weiterhin ist es möglich, dass ein Bandbreitenfilter vor den diffraktiven optischen Komponenten angeordnet ist.
Die Figur 11 zeigt zwei Varianten für eine relative Dimensionierung des Einkoppelhologramms und damit auch des verwendeten Wellenfrontmanipulators und des Auskoppelhologramms einer Holocam in einer Draufsicht. In der in der Figur 11 links gezeigten Variante ist lediglich eine Kamera 5 vorgesehen und ein entsprechend kleines Auskoppelhologramm 3. In diese Variante ist über den Wellenleiter 1 ausgehend von einem sich über nahezu die gesamte Breite des Wellenleiters 1 erstreckendes Einkoppelhologramm 2 bzw. 2A oder 25 zur Fokussierung der Wellen bzw. Strahlen auf das Auskoppelhologramm 3 erforderlich. In dieser Variante ist zum Fokussieren ein entsprechend großflächiger erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 erforderlich. Dabei lassen sich gewünschte kubische Phasenfunktionen durch eine Aufteilung des Gesamtfeldes in mehrere Kanäle oder gegebenenfalls durch eine weitere schaltbare Komponente vor der Kamera erzeugen. Die schaltbare Komponente kann insbesondere zeitsequenziell schaltbar sein, wobei beispielsweise durch sequenzielles Schalten ein breites Gesichtsfeld trotz des Vorhandenseins nur einer Kamera abgedeckt werden kann.
In der in der Figur 11 rechts gezeigten Variante sind mehrere Kameras 5 und ein nahezu die gesamte Breite des Wellenleiters 1 abdeckendes Auskoppelhologramm 3 vorgesehen. In dieser Variante ist lediglich ein kleines Einkoppelhologramm 2 erforderlich, mittels welchem die zu erfassenden Wellen bzw. Strahlen auf das Auskoppelhologramm 3 defokussiert werden müssen. Hierzu ist ein kleiner erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 einsetzbar.
Die Figur 12 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes optisches Gerät 51, welches einen erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulator 13 umfasst. Bei dem optischen Gerät 51 kann es sich zum Beispiel um einen Wellenleiter oder ein Objektiv oder eine Kamera oder ein optisches Beobachtungsgerät oder eine Anzeigevorrichtung handeln, insbesondere eine Kamera für ein Mobiltelefon und/oder eine Mikroskopkamera oder eine Datenbrille oder einen Projektor oder ein Headup-Display oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung.
In den bisher gezeigten und beschriebenen Varianten transmittieren die zu manipulierenden Wellen durch die verwendeten diffraktiven optischen Komponenten. Die Figur 13 zeigt schematisch eine reflektive Ausgestaltungsvariante eines erfindungsgemäßen Wellenfrontmanipulators 13, welche für alle zuvor beschriebenen Ausgestaltungsvarianten eine zusätzliche oder alternative Option darstellt. In der in der Figur 13 gezeigten Variante werden die einfallenden Wellen 20, insbesondere Lichtwellen, zunächst von dem Hologramm 17 der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 in Richtung der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 reflektiert und anschließend von dem Hologramm 15 der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 reflektiert. In der gezeigten Variante erfolgt vor der Reflektion der Wellen an dem Hologramm 17 der zweiten diffraktiven optischen Komponente 16 eine Transmission durch die erste optische Komponente 14 und nach der Reflektion der Wellen an dem Hologramm 15 der ersten diffraktiven optischen Komponente 14 eine Transmission durch die zweite optische Komponente 16. Alternativ dazu können die optischen Komponenten 14 und 16 aber auch so in Bezug aufeinander lateral verschoben angeordnet sein, dass ausschließlich Reflektion und keine Transmission stattfindet.
Die Figur 14 zeigt schematisch eine erfindungsgemäße Wellenleiteranordnung 52 in einer allgemeinen Form. Die Wellenleiteranordnung 52 umfasst einen Wellenleiter 1, zum Beispiel einen Lichtleiter, mit einem Eingang 54 zum Einkoppeln von Wellen, zum Beispiel Lichtwellen, in den Wellenleiter 1 und einem Ausgang 55 zum Auskoppeln von Wellen, zum Beispiel Lichtwellen, aus dem Wellenleiter 1. Die optische Achse am Eingang 54 ist mit der Bezugsziffer 53 gekennzeichnet, die optische Achse am Ausgang 55 ist mit der Bezugsziffer 56 gekennzeichnet.
Ein oben beschriebener erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 ist an dem Eingang 54 als Einkoppelelement angeordnet und dazu ausgelegt in den Wellenleiter einzukoppelnde Wellen zu manipulieren, zum Beispiel zu fokussieren oder zu defokussieren. Zusätzlich oder alternativ dazu kann ein beschriebener erfindungsgemäßer Wellenfrontmanipulator 13 ist an dem Ausgang 55 als Auskoppelelement angeordnet und dazu ausgelegt aus dem Wellenleiter auszukoppelnde Wellen zu manipulieren, zum Beispiel zu fokussieren oder zu defokussieren. Vorzugsweise ist die optische Achse eines am Eingang 54 angeordneten Wellenfrontmanipulators 13 mit der optischen Achse 53 am Eingang 54 identisch oder verläuft parallel zu dieser und/oder ist die optische Achse eines am Ausgang 55 angeordneten Wellenfrontmanipulators 13 mit der optischen Achse 56 am Ausgang 55 identisch oder verläuft parallel zu dieser.
In einer vorteilhaften Variante kann eine der diffraktiven optischen Komponenten des Wellenfrontmanipulators 13, insbesondere ein der diffraktiven Strukturen, Bestandteil des Wellenleiters 1 sein bzw. in diesen integriert sein, zum Beispiel innerhalb des Wellenleiters 1 angeordnet sein. Beispiele hierfür sind auch in den Figuren 5 und 6 gezeigt.
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Bezuqszeichenliste:
1 Wellenleiter
2 Einkoppelhologramm 3 Auskoppelhologramm
4 Objektiv
5 Kamera / Sensor
6 Fokus (fix)
7 Fokus 1 8 Fokus 2
9 Fokus 3 (kollimiert)
10 Fokussystem refraktiv
11 Alvarez-Element 1
11A Freiformoberfläche i 12 Alvarez-Element 2
12A Freiformoberfläche 2
13 Fokussystem diffraktiv / Wellenfrontmanipulator
14 Substrat i
15 Flologramm 1 16 Substrat 2
17 Flologramm 2
18 Gitterlinienzahl
19 Substrat 3
20 kollim ierter Strahlengang 21 divergenter Strahlengang
22 konvergenter Strahlengang
23 eindimensional konvergenter Strahl
24 schaltbares DOE/FIOE/Phasenplatte Fokussierung
25 schaltbares DOE/FIOE/Phasenplatte Einkopplung 26 HoloCam
27 diffraktive Strukturelemente
28 Zentrum/Mittellinie/Spiegelachse
29 Strahlengang
30 Gehäuse / Einspannung 31 Wellenausbreitungsrichtung
32 Wellenausbreitungsrichtung
33 Fokuslänge
34 laterale Verschiebung 35 Bewegung in y-Richtung
36 Bewegung in x-Richtung
37 Bewegung in x- und y-Richtung
38 Hologramm
39 Hologramm 40 Fokusebene
41 optische Achse
42 optische Achse
43 Oberfläche
44 Oberfläche 45 kartesisches Koordinatensystem
46 optische Achse
47 optische Achse
48 axiale Fokusverschiebung
49 transversale Fokusverschiebung 50 Strom kreislauf
51 optisches Gerät
52 Wellenleiteranordnung
53 optische Achse
54 Eingang 55 Ausgang
56 optische Achse li Designwellenlänge l2 Wellenlänge F Designwellenlänge

Claims

Patentansprüche
1. Wellenfrontmanipulator (13), welcher eine optische Achse (47) und mindestens zwei diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, die entlang der optischen Achse (47) hintereinander angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) jeweils eine diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) mit einer Anzahl an diffraktiven holographischen Strukturelementen umfassen, wobei der Wellenfrontmanipulator (13) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) zwischen mindestens zwei voneinander abweichenden Zuständen (20, 21, 22) zu variieren.
2. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (13) dazu ausgelegt ist, eine Wellenfront mittels der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) der mindestens zwei diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) zwischen diskreten Zuständen (7, 8) oder kontinuierlich zu variieren.
3. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (13) mindestens eine Einrichtung (50) zum mechanischen und/oder elektrischen und/oder akustischen Variieren des Zustands einer Wellenfront umfasst.
4. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine erste diffraktive optische Komponente (14) und eine zweite diffraktive optische Komponente (16) jeweils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (47) relativ zueinander bewegbar angeordnet sind.
5. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste diffraktive optische Komponente (14) und die zweite diffraktive optische Komponente (16) jeweils in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse (47) relativ zueinander lateral verschiebbar und/oder um eine parallel zur optischen Achse (47) angeordnete Achse drehbar angeordnet sind.
6. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) eine durch Änderung einer an der diffraktiven optischen Komponente (14, 16, 19) anliegenden elektrischen Spannung (50) oder durch Änderung einer durch die diffraktive optische Komponente (14, 16, 19) fließenden Stromstärke hinsichtlich ihrer diffraktiven Eigenschaften variierbare diffraktive Struktur (24, 25) aufweist.
7. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) ein Zentrum (28) umfasst und mit zunehmendem Abstand von dem Zentrum (28) in lateraler Richtung die Abstände der Strukturelemente zueinander abnehmen oder zunehmen.
8. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur (15, 17, 24, 25) Strukturelemente umfasst, wobei der Abstand und/oder die Orientierung benachbarter Strukturelemente in Abhängigkeit von dem Abstand von einem Zentrum (28) der diffraktiven Struktur (15, 17, 24, 25) durch ein Polynom beschrieben werden.
9. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente der diffraktiven Struktur (15, 17, 24, 25) als Erhebungen oder Vertiefungen oder Verfärbungen oder chemische Materialveränderungen ausgestaltet sind.
10. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturelemente mindestens einer der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) als räumlich in transversaler Richtung zueinander benachbarte Bereiche mit voneinander abweichendem Brechungsindex ausgestaltet sind.
11. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die diffraktive Struktur eine variierbare Brechungsindexverteilung aufweist.
12. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungsindexdifferenz mit zunehmendem Abstand des Bereichs von dem Zentrum (28) zunimmt oder abnimmt.
13. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diffraktiven Strukturen (15, 17, 24, 25) durch ein Volumenhologramm und/oder ein Flächenhologramm und/oder ein Amplitudenhologramm und/oder ein Phasenhologramm und/oder ein Transmissionshologramm und/oder ein Weißlichthologramm und/oder ein unter weißem Licht rekonstruierbares Hologramm und/oder ein echtfarbiges Hologramm gebildet wird.
14. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der diffraktiven optischen Komponenten (14, 16, 19) als Platte oder Folie oder Film ausgestaltet ist.
15. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator (14) vier diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, wobei eine erste und eine zweite diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer ersten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind und eine dritte und eine vierte diffraktive optische Komponente zueinander unmittelbar benachbart und in einer zweiten lateralen Richtung gegeneinander verschiebbar angeordnet sind.
16. Wellenfrontmanipulator (13) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenfrontmanipulator drei diffraktive optische Komponenten (14, 16, 19) umfasst, wobei eine dritte diffraktive optische Komponente (19) in Richtung der optischen Achse (47) zwischen einer ersten (14) und einer zweiten diffraktiven optischen Komponente (16) angeordnet ist.
17. Wellenleiteranordnung (26, 52), welche mindestens einen Wellenleiter (1) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenleiteranordnung (26, 52) mindestens einen Wellenfrontmanipulator (13) nach einem der vorangehenden Ansprüche umfasst, wobei der Wellenfrontmanipulator (13) mit dem Wellenleiter (1) wirkverbunden ist.
18. Wellenleiteranordnung (26, 52) nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Wellenfrontmanipulator (13) als Einkoppelelement und/oder Auskoppelelement in Bezug auf den Wellenleiter (1) ausgestaltet ist und/oder der mindestens eine Wellenfrontmanipulator (13) zumindest teilweise in den Wellenleiter (1) integriert ist.
19. Optisches Gerät (51) mit einem Wellenfrontmanipulator (13) und/oder einer Wellenleiteranordnung (26, 52) nach einem der vorangehenden Ansprüche.
20. Optisches Gerät (51) gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um einen Wellenleiter oder ein Objektiv oder eine Kamera (26) oder ein optisches Beobachtungsgerät oder eine Anzeigevorrichtung handelt.
21. Optisches Gerät (51 ) gemäß Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Kamera (26) um eine holographische Kamera und/oder eine Kamera für ein Mobiltelefon und/oder eine Mikroskopkamera handelt oder bei der Anzeigevorrichtung um eine Datenbrille oder einen Projektor oder ein Headup-Display oder eine für ein Mikroskop ausgelegte Anzeigevorrichtung handelt.
22. Verwendung wenigstens eines Wellenfrontmanipulators (13) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 und/oder einer Wellenleiteranordnung (26, 52) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 zum Fokussieren von Wellenfronten.
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