WO2008077533A1 - Anordnung zweier diffraktiv-optischer elemente - Google Patents

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WO2008077533A1
WO2008077533A1 PCT/EP2007/011116 EP2007011116W WO2008077533A1 WO 2008077533 A1 WO2008077533 A1 WO 2008077533A1 EP 2007011116 W EP2007011116 W EP 2007011116W WO 2008077533 A1 WO2008077533 A1 WO 2008077533A1
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optical element
doe1
frequency
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Hans-Jürgen DOBSCHAL
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    • G02B27/4211—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 correcting chromatic aberrations
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    • 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
    • G02B27/4277—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 being separated by an air space

Definitions

  • the invention relates to a diffractive optical element arrangement, which is composed of two diffractive structures.
  • DOEs diffractive optical elements
  • the goal here is to reduce the number of optical components, the construction volume and the costs. This exploits the fact that DOEs have an abnormal dispersion behavior compared to refractive elements and thus achromatization is possible in broadband applications with relatively little effort. Also other aberrations such. Opening errors can be minimized at the same time.
  • DOEs have not yet been sufficiently successful on the market.
  • the main reasons for this are that DOEs have a strong wavelength-dependent diffraction efficiency.
  • the profile shape of the grid is designed so that in a VIS application in green, a diffraction efficiency of> 95% is achieved and the spectral edges towards blue or red only 75-80% can be achieved.
  • the problem here is less the absolute level of efficiency than the fact that non-first order diffracted light in the zero order of diffraction and in several higher diffraction orders (greater than 1 and less than 0) reduces the contrast as a stray light. Due to the correction, these DOEs have only a relatively low number of lines, which means that the unwanted diffraction orders have only a slightly different diffraction angle than the desired order. In connection with the overall optical system, this results in several longitudinally offset foci, which are relatively close to the desired focus and thus cause a clear blurring of the image. The proportion of stray light here is so high that the contrast reduction of the optical system at the spectral edges is no longer tolerable, at least in more demanding systems. There are several solutions to this problem.
  • the object of the invention is to provide a diffractive optical element arrangement which has a simple structure and is inexpensive to produce and has high efficiency over a broad spectral range and, in particular, has low stray light losses.
  • the object of the invention is achieved with the features of the main claim 1.
  • the claims 2 to 12 are advantageous embodiments of the main claim.
  • the basic idea of the invention is to place two DOEs at a distance from one another and to combine their structures in such a way that a double DOE arrangement is produced, which causes a strong separation of the undesired orders, which then on further passing through the optical system in the light propagation direction of the useful light be blocked by lens frames and / or aperture or arrive at least when passing through the optical system outside of the intended image area used.
  • the basic principle of the diffractive-optical element arrangement can be compared with the known from the broadcasting technology modeling a NF-audio signal to an RF frequency.
  • a first DOE1 represents the modulator and a second DOE2 represents the demodulator.
  • a high-frequency "carrier frequency” is introduced for the two grids of DOE1 and DOE2, that is, both high-frequency grids have a radial equidistant line-number distribution of, for example, 1000 L / mm, which corresponds to a diffractive axicon initially equal to zero, because the diffraction for the first order is canceled out for all colors.
  • One or both of the high-frequency gratings is further superimposed on a lower frequency, which substantially corresponds to the frequency of a known single-layer DOEs, wherein the low frequency is either modulated only on one of the two grids or can be distributed to both grids.
  • a carrier frequency of 1000 L / mm on the two DOEs the
  • Modulation frequency on one of the DOEs from 0 in the beam center (inside) to the
  • the frequency of one of the grids DOE1 or DOE2 or both gratings DOE1 and DOE2 is in the range of 1000 L / mm in the middle up to 1030
  • the grating of the first DOE1 is on the light entrance surface of a plane plate and the
  • Grating of the second DOE2 is applied to the light exit surface of a plane plate.
  • these are the front and back of a plane parallel plate.
  • a plan plate is used for each DOE, wherein the
  • Planplatten have an air gap or a cemented surface.
  • DOEs are e.g. 80% in the 1st order and 20% in the 0th order, after passage through the two DOEs are 64% in the 1st order and 4% in the 1st order
  • Ratio 1 4 for a single DOE (idealized, assuming that no
  • the invention also proposes to minimize the remaining residual scattered light by further measures.
  • four variants are given:
  • a first variant provides that by creating a distance between the two DOEs a cavity is formed, in which only the O.Ordnung is and you completely blocked by a Monabschattungsblende on the second DOE this light. The useful light runs on a ring around the blocked light on the outside.
  • a second variant provides that by applying prisms on both inner sides of the DOEs with a suitable choice of the prism angle a total reflection of the O.Ord Vietnamese is achieved. The O. order is mirrored backwards out of the system.
  • a third variant provides that a layer designed especially for the direction of the first order after the DOE1 reaches a partial filtering of the O. order between the two DOEs.
  • a fourth variant provides that the higher orders (second and possibly third, if present) on the rear side of the carrier of DOE 1 are totally reflected by applying the two DOEs to separate plates provided with an air gap
  • variants 1 and 2 are particularly suitable for the variants in which the stray light is predominantly in the O.order, while variant 4 is particularly suitable for the case that the stray light occurs mainly in the higher orders.
  • the grating profile of the DOEs can be optimized in such a way that the resulting stray light is conducted in substantial proportions either in higher orders or in the O.order.
  • Test calculations have shown that the O. order diffraction efficiency per DOE can be reduced below 1%, so that the O. order overall efficiency does not exceed 0.01%. The higher orders would then be totally reflected in variant 4.
  • the profile of the DOEs is designed so that the stray light evenly distributed to the O.Ordnung and the 2nd order, each with 10%. Then only 2% of scattered light will result for the above example.
  • the "carrier frequency” is chosen not to be higher than absolutely necessary because high frequency gratings are more difficult to produce, and in the case where the two DOEs are close to one aperture, it is sufficient to make all the misalignments with an angle larger This may well be already 200 L / mm
  • the structure that forms the "carrier frequency” does not necessarily have to be radially symmetric. It can also be formed like a normal linear grating known from spectroscopy, to which the modulation frequency is superimposed, so that the splitting takes place only in one plane. The invention will be described below with reference to figures. s show:
  • FIG. 1 Schematic representation of a classical Achromats
  • FIG. 2 Beam deviation of the classical achromat
  • Figure 3 Schematic representation of an achromatic in combination with a
  • Double DOE arrangement Figure 4 Beam deviation of the combination of Achromat and a
  • FIG. 5 Schematic representation of a double DOE arrangement on two
  • Support plate Figure 7 Top view of the first DOE and the second DOE with the
  • Carrier frequency Figure 8 Top view of the second DOE with the superposition of
  • Carrier Frequency and Correction Distributions on the Second DOE Figure 9 Carrier frequency distribution for the first DOE and the second DOE of a 20mm diameter double DOE assembly Figure 10: Correction distribution on the second DOE for the imaging
  • FIG. 14 Double DOE arrangement with total reflection of the higher orders
  • FIG. 15 Double DOE arrangement with filter layer between the two DOEs
  • the invention will be described by examples of a collimator for white light.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of a classical Achromats, consisting of NSK2 and F2.
  • the system data for the known achromat are:
  • the diameter of the parallel entrance bundle on the surface 5 is 10.0 mm.
  • FIG. 2 shows the beam deviations of the classical achromat according to FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic illustration of an achromat in combination with a double DOE arrangement according to the invention, consisting of a combination of a first DOE1 and a second DOE2, which are at a distance from one another.
  • the system data for the combination of achromatic and double DOE arrangement are:
  • the diameter of the parallel entrance bundle on the first DOE1 is 10.0 mm
  • FIG. 4 shows the beam deviations of the combination of achromatic and double DOE arrangement. Compared to Figure 2 can be seen the significant reduction of the error rates.
  • FIG. 5 shows a double DOE arrangement according to FIG. 3 in detail, wherein in each case a DOE is applied to a carrier plate and the two carrier plates are at a fixed distance from one another.
  • the first DOE1 and the second DOE2 are respectively mounted on the outer sides 1 and 4 of the plates separated by a space.
  • the distance may be an air gap or a cement layer, wherein one or both of the opposing optically active surfaces may have further optical effects.
  • FIG. 6 shows a further double-DOE arrangement whose DOE1 and DOE2 are applied on the two outer surfaces of a plane-parallel plate.
  • Figure 7 shows the image of a DOE surface of the first DOE1, with the same carrier frequency applied to the first DOE1 and the second DOE2.
  • FIG. 8 shows an illustration of a DOE surface, with the carrier frequency of the first DOE1 being additionally superimposed on the second DOE2 and a modulation frequency being applied.
  • phase functions of the two DOEs of a double DOE arrangement according to the invention are described as follows: n
  • Phase (r): ai -r + [ai-r 2 (H) ]
  • r is the radial height with respect to the center of the DOE; the special phase coefficient a1 determines the high-frequency component (carrier frequency) while the sum component by the coefficients a, - (i> 1) represents the low-frequency correction phase (modulation frequency); ⁇ o is the reference wavelength in mm.
  • the number n is sufficiently dimensioned with 8.
  • FIG. 9 shows the same carrier frequency on the two DOE1 and DOE2, which is 1000 over the entire extent.
  • FIG. 10 shows the correction distribution which is additionally applied only on the second DOE2.
  • Figure 11 shows the resulting overall distribution on the second DOE2.
  • FIG. 12 shows a first embodiment of the double DOE arrangement according to the invention on a plane-parallel plate 2, with the first DOE1 on the optical surface 1 and the second DOE2 on the optical surface 4, in which the remaining O. diffraction order is represented by a central annular diaphragm 8 is blocked.
  • the annular aperture 8 is applied in the central region of the surface 4, on which the second DOE2 is otherwise applied.
  • the optical path is limited to the outside by the annular diaphragm 4, which is applied to the optical surface 4.
  • the grids are dimensioned so that technically only the O.-diffraction order and the 1st-diffraction order arise (the other diffraction orders are practically negligible). It is a grid combination used, which is described in Figures 6 to 11.
  • the diameter of the incident light beam is 5 mm
  • the thickness of the plane-parallel plate is 10 mm
  • the pinhole 8 has a diameter of 10 mm.
  • FIG. 13 shows a further variant of a double DOE arrangement according to the invention, in which the DOEs are respectively applied to the surfaces 1 and 4 of two plane-parallel plates 2 and 3.
  • the plates 2 and 3 have an air gap in which two prism arrays 11 and 13 are arranged.
  • the first prism array 11 lies with a base on the plane surface 10 of the plane-parallel plate 2.
  • This prism array 11 totally reflects the O. diffraction order and breaks the 1st order of diffraction toward the second DOE2.
  • the second prism array 13 lies with a base on the plane surface 12 of the plane-parallel plate 3. This prism array 13 deflects the 1st diffraction order toward the second DOE2.
  • the prism arrays 11 and 13 are of isosceles prisms and are staggered relative to each other so that the tips of one prism array protrude into the valleys of the other prism array. Between the prism arrays 11 and 13 is an air gap of 0.2 mm; with a leg length of the prisms of 1mm.
  • FIG. 14 shows an arrangement with one DOE each on one of the plane-parallel plates 2 and 3, wherein the plane surfaces 10 and 12 have an air gap. At the plane surface 10, a total reflection of the higher takes place Diffraction orders 14 (greater the 1st diffraction order) back. The transmission of the 0.-order of diffraction is less than 0.01%.
  • FIG. 15 shows an arrangement with a respective DOE on one of the plane-parallel plates 2 and 3, the plane surfaces 10 and 12 having no air clearance. Between the plane surfaces 10 and 12 there is a filter layer 15 which essentially filters out the 0th diffraction order and the higher diffraction orders 14 (greater than the 1st diffraction order). The transmission of the 0th diffraction order and that of the 2nd diffraction order is less than 0.01%.
  • ai specific phase coefficient which describes the height of the carrier frequency ai coefficients, which describe the modulation frequency r radial height coordinate, relative to the center of the DOE ⁇ 0 reference wavelength

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung, welche aus zwei diffraktiven Strukturen (1,4) zusammengesetzt ist. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter eines ersten DOEl (1) auf einer Lichteintrittsfläche eines transparenten Trägers (2) und das Gitter eines zweiten DOE2 (4) auf einer Lichtaustrittsfläche eines transparenten Trägers aufgebracht sind, wobei das erste DOE 1 und das zweite DOE2 einen Abstand voneinander haben,.weiterhin die Gitter des ersten DOEl und des zweiten DOE2 in der Mitte des Strahlenganges eine gleiche Liniendichte Linien pro mm aufweisen, welche eine Trägerfrequenz ist und die Liniendichte eines oder beider der Gitter zum Rand des Strahlenganges hin zunimmt, wodurch sich ein Verlauf von Gesamtfrequenzen ergibt, wobei die Gesamtfrequenz für das erste DOEl aus der Summe der Trägerfrequenz und der Modulationsfrequenz des Gitters des ersten DOEl und die Gesamtfrequenz für das zweite D0E2 aus der Summe der Trägerfrequenz und der Modulationsfrequenz des Gitters des zweiten DOE2 sich ergeben.

Description

ANORDNUNG ZWEIER DIFFRAKTIV-OPTISCHER ELEMENTE
Die Erfindung betrifft eine Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung, welche aus zwei diffraktiven Strukturen zusammengesetzt ist.
Seit geraumer Zeit werden zunehmend diffraktiv-optische Elemente (DOEs) für Abbildungssysteme eingesetzt. Ziel ist es hierbei, die Anzahl optischer Bauelemente, das Bauvolumen und die Kosten zu reduzieren. Dabei wird der Umstand ausgenutzt, daß DOEs verglichen zu refraktiven Elementen ein anormales Dispersionsverhalten besitzen und somit mit relativ geringem Aufwand eine Achromatisierung bei breitbandigen Anwendungen möglich ist. Auch andere Bildfehler wie z.B. Öffnungsfehler können gleichzeitig minimiert werden. Auf dem Markt haben sich derartige Elemente allerdings noch nicht genügend durchsetzen können. Die Gründe hierfür liegen vor allem darin, daß DOEs über eine stark wellenlängenabhängige Beugungseffizienz verfügen. Im allgemeinen wird die Profilform des Gitters so ausgelegt, daß bei einer VIS-Anwendung bei Grün eine Beugungseffizienz von > 95% erreicht wird und zu den spektralen Rändern hin bei Blau bzw. Rot nur noch 75-80% erreicht werden. Das Problematische hierbei ist weniger die absolute Höhe der Effizienz als die Tatsache, daß das nicht in die erste Ordnung gebeugte Licht in der Nullten-Beugungsordnung und in mehreren höheren Beugungsordnungen (größer 1und kleiner 0) als Falschlicht den Kontrast vermindert. Korrektionsbedingt besitzen diese DOEs nur eine relativ geringe Strichzahl, was bedeutet, daß die nicht gewünschten Beugungsordnungen einen nur gering anderen Beugungswinkel als die gewünschte Ordnung besitzen. Im Zusammenhang mit dem Gesamtoptiksystem ergeben sich damit mehrere longitudinal versetzte Foki, die relativ eng zum Soll-Fokus liegen und somit eine deutliche Verwaschung des Bildes bewirken. Der Falschlichtanteil ist hierbei so hoch, dass die Kontrastminderung des Optiksystems an den spektralen Rändern zumindest bei anspruchsvolleren Systemen nicht mehr zu tolerieren ist. Es gibt zu dieser Problematik mehrere Lösungsansätze.
Bekannt ist aus der DE 195 33 951 A1 ein Multi-Layer-Gitter, dessen Schichtsystem so angepasst ist, daß der Phasenhub beim Durchlaufen des DOEs nahezu konstant bleibt und man somit immer in der Nähe der optimalen Beugungseffizienz liegt. Nachteilig ist hierbei, daß die Herstellung solch eines Multilayer-Systems relativ schwer zu beherrschen ist und auch geeignete Materialkombinaten nicht beliebig verfügbar sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung zu schaffen, die einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist und über einen breiten spektralen Bereich eine hohe Effizienz aufweist und insbesondere geringe Streulichtverluste aufweist.
Die Aufgabe der Erfindung wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 gelöst. Die Ansprüche 2 bis 12 sind vorteilhafte Ausgestaltungen des Hauptanspruchs.
Die Grundidee der Erfindung besteht darin, zwei DOEs in einem Abstand zueinander zu stellen und ihre Strukturen so zu kombinieren, daß eine Doppel-DOE-Anordnung entsteht, welche eine starke Separierung der ungewünschten Ordnungen bewirkt welche dann beim weiteren Durchlaufen des Optiksystems im Lichtausbreitungsrichtung des Nutzlichts durch Linsenfassungen und/oder Blenden geblockt werden oder zumindest beim Durchlaufen des optischen Systems außerhalb des vorgesehenen genutzten Bildbereiches ankommen. Das Grundprinzip der Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung kann man mit der aus der Rundfunktechnik bekannten Aufmodellierung eines NF-Tonsignals auf eine HF- Frequenz vergleichen. In Analogie stellen ein erstes DOE1 den Modulator und ein zweites DOE2 den Demodulator dar.
Es wird zunächst eine hochfrequente „Trägerfrequenz" für die beiden Gitter des DOE1 und des DOE2 eingeführt. Das heißt, beide hochfrequenten Gitter besitzen eine radiale äquidistante Linienzahlverteilung von z.B. 1000 L/mm, was einem diffraktiven Axicon entspricht. Somit ist die Gesamtwirkung auf die Abbildung zunächst gleich Null, da sich die Beugung für die erste Ordnung für alle Farben aufhebt.
Einem oder beiden der hochfrequenten Gitter ist weiterhin eine niedere Frequenz überlagert, die im wesentlichen der Frequenz eines bekannten Single-Layer-DOEs entspricht, wobei die niedere Frequenz entweder nur auf eines der beiden Gitter moduliert wird oder auf beide Gitter verteilt werden kann. Bei einer Trägerfrequenz von 1000 L/mm auf den beiden DOEs steigt die
Modulationsfrequenz auf einem der DOEs von 0 im Strahlzentrum (innen) bis zum
Rand hin auf zum Beispiel 50 an, das heißt es entsteht ein Gesamtfrequenzverlauf von 1000 L/mm auf 1050 L/mm.
Insbesondere bewegt sich die Frequenz eines der Gitter DOE1 oder DOE2 oder beider Gitter DOE1 und DOE2 im Bereich von 1000 L/mm in der Mitte bis zu 1030
L/mm am Rand.
Das Gitter des ersten DOE1 ist auf die Lichteintrittsfläche einer Planplatte und das
Gitter des zweiten DOE2 ist auf die Lichtaustrittsfläche einer Planplatte aufgebracht.
Im einfachsten Fall sind das die Vorder- und Rückseite einer Planparallelplatte. Im weiteren Fall wird für jedes DOE jeweils eine Planplatte verwendet, wobei die
Planplatten einen Luftabstand oder eine Kittfläche haben.
Der Vorteil dieser Methodik ist, dass alle höheren Beugungsordnungen deutlich von der gewünschten ersten Beugungsordnung separiert werden, mit dem Effekt, daß sie entweder an den Linsenfassungen bzw. Blenden geblockt werden oder außerhalb des genutzten Bildfeldes erscheinen.
Wenn die DOEs z.B. 80% in die I .Ordnung und 20% in die O.Ordnung beugen, sind nach Durchgang durch die beiden DOEs 64% in der 1. Ordnung und 4% in der
O.Ordnung, was einem Falschlichtverhältnis von 1 :16 entspricht; gegenüber einem
Verhältnis 1 :4 für ein Single-DOE (idealisiert, unter der Annahme, daß keine
Absorption auftritt).
Das Einzige noch verbleibende Falschlicht entsteht für den Fall, daß am ersten DOE1 und am zweiten DOE2 jeweils mit der gleichen Beugungsordnung gebeugt wird. Durch die relativ hohe Trägerfrequenz kommt hierfür außer der O.Ordnung nur noch die 2. Ordnung in Frage, da alle weiteren höheren Ordnungen nicht entstehen.
Daher sieht die Erfindung weiterhin vor, das noch verbleibende Reststreulicht durch weitere Maßnahmen zu minimieren. Nachfolgend werden vier Varianten angegeben:
Eine erste Variante sieht vor, daß durch Schaffung eines Abstandes zwischen beiden DOEs ein Hohlraum entsteht, in dem sich nur die O.Ordnung befindet und man durch eine Zentralabschattungsblende auf dem zweiten DOE dieses Licht vollständig blockt. Das Nutzlicht läuft hierbei auf einem Ring um das geblockte Licht außen herum. Eine zweite Variante sieht vor, daß durch Aufbringen von Prismen auf beiden inneren Seiten der DOEs bei geeigneter Wahl des Prismenwinkel eine Totalreflektion der O.Ordnung erreicht wird. Die O.Ordnung wird hierbei wieder rückwärts aus dem System gespiegelt.
Eine dritte Variante sieht vor, daß ein speziell auf die Richtung der ersten Ordnung nach dem DOE1 ausgelegten Schicht zwischen den beiden DOEs eine teilweise Filterung der O.Ordnung erreicht.
Eine vierte Variante sieht vor, daß durch Aufbringen der beiden DOEs auf getrennte mit einem Luftabstand versehenen Planplatten die höheren Ordnungen (zweite und evtl. dritte, falls vorhanden) an der Rückseite des Trägers von DOE 1 totalreflektiert werden
Die Varianten 1. und 2. eignen sich besonders für die Varianten, in denen das Falschlicht vorwiegend in der O.Ordnung liegt, während Variante 4. insbesondere für den Fall geeignet ist, dass das Falschlicht hauptsächlich in den höheren Ordnungen vorkommt.
Das Gitterprofil der DOEs kann so optimiert werden, daß entstehendes Falschlicht in wesentlichen Anteilen entweder in höhere Ordnungen oder in die O.Ordnung geleitet wird. Testrechnungen haben gezeigt, dass man die Beugungseffizienz für die O.Ordnung pro DOE unter 1% drücken kann, womit die Gesamteffizienz für die O.Ordnung nicht größer als 0.01% wird. Die höheren Ordnungen würden dann nach der Variante 4. totalreflektiert werden.
Vorteilhafterweise wird das Profil der DOEs so ausgelegt, daß sich das Falschlicht gleichmäßig auf die O.Ordnung und die 2. Ordnung mit jeweils 10% verteilt. Dann resultieren für das obige Beispiel nur 2% Streulichtanteil.
Natürlich wird die „Trägerfrequenz" nicht höher als unbedingt notwendig gewählt, da hochfrequente Gitter schwieriger herstellbar sind. Im Falle, daß die beiden DOEs in der Nähe einer Blende stehen, reicht es aus, dafür zu sorgen daß alle Falschlichtordnungen mit einem Winkel, der größer als der größte vorkommende Feldwinkel ist, gebeugt werden. Das können durchaus bereits 200 L/mm sein. Weiterhin muß die Struktur, welche die „Trägerfrequenz" ausbildet, nicht notwendigerweise radialsymmetrisch sein. Sie kann auch wie ein gewöhnliches aus der Spektroskopie bekanntes Lineargitter ausgebildet werden, dem die Modulationsfrequenz überlagert wird, so daß die Aufspaltungen nur in einer Ebene erfolgen. ie Erfindung wird nachfolgend an Hand von Figuren beschrieben. s zeigen:
Figur 1 : Prinzipdarstellung eines klassischen Achromats
Figur 2: Strahlabweichung des klassischen Achromats
Figur 3: Prinzipdarstellung eines Achromat in Kombination mit einer
Doppel-DOE-Anordnung Figur 4: Strahlabweichung der Kombination aus Achromat und einer
Doppel-DOE-Anordnung Figur 5: Prinzipdarstellung einer Doppel-DOE-Anordnung auf zwei
Trägerplatten Figur 6: Prinzipdarstellung einer Doppel-DOE-Anordnung auf einer
Trägerplatte Figur 7: Draufsicht auf das erste DOE und das zweite DOE mit der
Trägerfrequenz Figur 8: Draufsicht auf das zweite DOE mit der Superposition der
Trägerfrequenz- und Korrekturverteilungen auf dem zweiten DOE Figur 9: Trägerfrequenzverteilung für das erste DOE und das zweite DOE einer Doppel-DOE-Anordnung mit 20mm Durchmesser Figur 10: Korrekturverteilung auf dem zweiten DOE für die abbildende
Wirkung Figur 11 : Superposition der Trägerfrequenz- und Korrekturverteilungen auf dem zweiten DOE Figur 12: Doppel-DOE-Anordnung mit Zentralabschattung der O.Ordnung durch eine Zentralblende Figur 13: Doppel-DOE-Anordnung mit Totalreflexion der O.Ordnung an
Mikroprismen
Figur 14: Doppel-DOE-Anordnung mit Totalreflexion der höheren Ordnungen Figur 15: Doppel-DOE-Anordnung mit Filterschicht zwischen den beiden DOE
Die Erfindung wird an Beispielen eines Kollimators für Weißlicht beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines klassischen Achromats, bestehend aus NSK2 und F2. Die Systemdaten für den bekannten Achromat sind:
Fläche Radius Distanz Medium
5 34.85 (ex) 3.0 NSK2
6 16.7 (ex) 2.0 F2
7 266.36 (ex) 50.0
Der Durchmesser des parallelen Eintrittsbündels auf der Fläche 5 ist 10,0 mm.
Figur 2 zeigt die Strahlabweichungen des klassischen Achromats nach der Figur 1.
Figur 3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Achromats in Kombination mit einer erfindungsgemäßen Doppel-DOE-Anordnung, bestehend aus einer Kombination eines ersten DOE1 und eines zweiten DOE2, welche einen Abstand zueinander haben. Die Systemdaten für die Kombination aus Achromat und Doppel-DOE-Anordnung sind:
Fläche Radius Distanz Medium
1 Plan (mit DOE 1 ) 0,5 NBK7
2 plan 0,1
3 plan 0,5 NBK7
4 plan (mit DOE 2)
5 29.35 (ex) 3,0 NSK2
6 18.595 (cx) 2,0 F2
7 441.5 (CC) 50,0
Der Durchmesser des parallelen Eintrittsbündels am ersten DOE1 ist 10,0 mm
Figur 4 zeigt die Strahlabweichungen der Kombination aus Achromat und Doppel-DOE-Anordnung. Im Vergleich zu Figur 2 erkennt man die deutliche Reduzierung der Fehleranteile.
Figur 5 zeigt eine Doppel-DOE-Anordnung gemäß Figur 3 im Detail, wobei jeweils ein DOE auf einer Trägerplatte aufgebracht ist und die zwei Trägerplatten in einem festen Abstand zueinander stehen. Das erste DOE1 und das zweite DOE2 sind jeweils auf den Außenseiten 1 und 4 der durch einen Abstand getrennten Platten aufgebracht. Der Abstand kann ein Luftabstand oder eine Kittschicht sein, wobei eine oder beide der gegenüberstehenden optisch wirksamen Flächen weitere optische Wirkungen haben können.
Figur 6 zeigt eine weitere Doppel-DOE-Anordnung deren DOE1 und DOE2 auf den beiden Außenflächen einer planparallelen Platte aufgebracht sind. Figur 7 zeigt die Abbildung einer DOE-Oberfläche des ersten DOE1 , wobei die gleiche Trägerfrequenz auf den ersten DOE1 und dem zweiten DOE2 aufgebracht ist.
Figur 8 zeigt eine Abbildung einer DOE-Oberfläche, wobei auf dem zweiten DOE2 die Trägerfrequenz des ersten DOE1 und dieser zusätzlich überlagert, eine Modulationsfrequenz aufgebracht ist.
Die Phasenfunktionen der beiden DOE einer erfindungsgemäßen Doppel-DOE- Anordnung werden wie folgt beschrieben: n
Phase(r) := ai -r +
Figure imgf000009_0001
[ai-r2 (H)]
1 ^ und davon abgeleitet die Linienzahl pro
Millimeter
a] + ±[2(i - \)a,r«ι-»->] Linienzahlir) = —
r ist die radiale Höhe, bezogen auf die Mitte des DOE; der spezielle Phasenkoeffizient a1 bestimmt den hochfrequenten Anteil (Trägerfrequenz) während der Summenanteil durch die Koeffizienten a,- (i > 1) die niederfrequente Korrektionsphase (Modulationsfrequenz) darstellt; λo ist die Bezugswellenlänge in mm. Die Zahl n ist mit 8 ausreichend bemessen.
In dem Beispiel ist die Modulationsfrequenz nur für das DOE2 ungleich Null: Phasenverteilung des ersten DOE1 : a1 = 4.0000E-01
Bezugswellenlänge λ0: 457,9 nm
Phasenverteilung des zweiten DOE2: a1 = -4.0000E-01 a2 = -4.4960E-06 a3 = 7,1669E-07 a4 = 4.7936E-09 a5 = -9,4819E-11
Bezugswellenlänge: 457, 9nm
Figur 9 zeigt die gleiche Trägerfrequenz auf den beiden DOE1 und DOE2, die über der gesamten Ausdehnung bei 1000 liegt. Figur 10 zeigt die Korrekturverteilung, die nur auf dem zweiten DOE2 zusätzlich aufgebracht ist.
Figur 11 zeigt die resultierende Gesamtverteilung auf dem zweiten DOE2.
Figur 12 zeigt eine erste Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Doppel-DOE-Anordnung auf einer planparallelen Platte 2, mit dem ersten DOE1 auf der optischen Fläche 1 und dem zweiten DOE2 auf der optischen Fläche 4, bei der die verbliebene O.-Beugungsordnung durch eine zentrale Ringblende 8 geblockt wird. Die Ringblende 8 ist im zentralen Bereich der Fläche 4 aufgebracht, auf der im übrigen das zweite DOE2 aufgebracht ist Der Strahlengang wird nach Außen durch die Ringblende 4, die auf der optischen Fläche 4 aufgebracht ist, begrenzt. In diesem Beispiel sind die Gitter so dimensioniert, daß technisch gesehen nur die O.-Beugungsordnung und die 1. -Beugungsordnung entstehen (die anderen Beugungsordnungen sind praktisch vernachlässigbar). Es wird eine Gitterkombination verwendet, welche in den Figuren 6 bis 11 beschrieben ist. Der Durchmesser des einfallenden Lichtbündels beträgt 5 mm, die Dicke der planparallelen Platte ist 10 mm, die Lochblende 8 hat einen Durchmesser von 10 mm.
Figur 13 zeigt eine weitere Variante einer erfindungsgemäßen Doppel-DOE- Anordnung, bei der die DOE jeweils auf den Flächen 1 und 4 zweier planparalleler Platten 2 und 3 aufgebracht sind. Die Platten 2 und 3 haben einen Luftabstand, in dem zwei Prismenarrays 11 und 13 angeordnet sind. Das erste Prismenarray 11 liegt mit einer Basis an der Planfläche 10 der planparallelen Platte 2. Dieses Prismenarray 11 reflektiert die O.-Beugungsordnung total und bricht die 1. -Beugungsordnung zum zweiten DOE2 hin. Das zweite Prismenarray 13 liegt mit einer Basis an der Planfläche 12 der planparallelen Platte 3. Dieses Prismenarray 13 lenkt die 1.- Beugungsordnung zum zweiten DOE2 hin ab. Die Prismenarrays 11 und 13 bestehen aus gleichschenkligen Prismen und sind gegeneinander so versetzt angeordnet, daß die Spitzen des einen Prismenarrays in die Senken des anderen Prismenarrays ragen. Zwischen den Prismenarrays 11 und 13 ist ein Luftabstand von 0,2 mm; bei einer Schenkellänge der Prismen von 1mm.
Figur 14 zeigt eine Anordnung mit jeweils einem DOE auf einer der planparallelen Platten 2 und 3, wobei die Planflächen 10 und 12 einen Luftabstand haben. An der Planfläche 10 erfolgt eine Totalreflektion der höheren Beugungsordnungen 14 (größer der 1.-Beugungsordnung) zurück. Die Transmission der 0. -Beugungsordnung ist kleiner 0,01 %.
Figur 15 zeigt eine Anordnung mit jeweils einem DOE auf einer der planparallelen Platten 2 und 3, wobei die Planflächen 10 und 12 keinen Luftabstand haben. Zwischen den Planflächen 10 und 12 befindet sich eine Filterschicht 15 welche die 0. -Beugungsordnung und die höheren Beugungsordnungen 14 (größer der 1. -Beugungsordnung) im Wesentlichen ausfiltern. Die Transmission der 0.- Beugungsordnung sowie die der 2. Beugungsordnung ist kleiner 0,01 %.
Bezugszeichenliste
1 optische Fläche für das erste DOE1
2 planparallele Platte
3 planparallele Platte
4 optische Fläche für das zweite DOE2
5 optische Fläche
6 optische Fläche
7 optische Fläche
8 Ringblende
9 Lochblende
10 Planfläche
11 Prismenarray
12 Planfläche
13 Prismenarray
14 reflektierte höhere Beugungsordnung
15 Filterschicht
ai spezieller Phasenkoeffizient, der die Höhe der Trägerfrequenz beschreibt ai Koeffizienten, welche die Modulationsfrequenz beschreiben r radiale Höhenkoordinate, bezogen auf die Mitte des DOE λ0 Bezugswellenlänge

Claims

Patentansprüche
1. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung, welche aus zwei diffraktiven Strukturen zusammengesetzt ist, die zur Mitte eines Strahlenganges ausgerichtet sind dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter eines ersten DOE1 auf einer Lichteintrittsfläche eines transparenten Trägers und das Gitter eines zweiten DOE2 auf einer Lichtaustrittsfläche eines transparenten Trägers aufgebracht sind, wobei das erste DOE 1 und das zweite DOE2 einen Abstand voneinander haben, weiterhin die Gitter des ersten DOE1 und des zweiten DOE2 in der Mitte des Strahlenganges eine gleiche Liniendichte Linien pro mm aufweisen, welche eine Trägerfrequenz ist und die Liniendichte eines oder beider der Gitter zum Rand des Strahlenganges hin zunimmt, wodurch sich ein Verlauf von Gesamtfrequenzen ergibt, wobei die Gesamtfrequenz für das erste DOE1 aus der Summe der Trägerfrequenz und der Modulationsfrequenz des Gitters des ersten DOE1 und die Gesamtfrequenz für das zweite DOE2 aus der Summe der Trägerfrequenz und der Modulationsfrequenz des Gitters des zweiten DOE2 sich ergeben.
2. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz durch eine kontinuierliche Verdichtung der Linien des Gitters von einer Mitte zu einem Rand des Trägers bestimmt ist.
3. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Liniendichte gemäß der Funktion
Figure imgf000013_0001
Linienzahl (r) = —
K zu nimmt.
4. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine einzige Platte für das erste DOE1 und das zweite DOE2 ist.
5. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Träger eine erste Platte für das erste DOE1 und eine zweite Platte für das zweite DOE2 ist.
6. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte planparallel ist.
7. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Platte eine zusätzliche refraktive Wirkung hat.
8. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Zunahme der Linienverteilung von der Mitte bis zum Rand des Strahlenganges zwischen 0,5% und 5% liegt.
9. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Trägerfrequenz zwischen 500 und 2000 Linien/mm beträgt.
10. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß für den Wellenlängebereich von 450 nm bis 650 nm die Liniendichte zwischen 0 und 50 Linien ausgehend von der Mitte bis zum Rand des Strahlenganges zunimmt, welche die Modulationsfrequenz ist.
11. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerfrequenz durch radialsymmetrische Rillen oder ein Liniengitter gebildet ist.
12. Diffraktiv-optische Elemente-Anordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationsfrequenz durch radialsymmetrische Rillen oder ein Liniengitter gebildet ist.
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