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Dokumentenidentifikation DE102005036633A1 21.06.2007
Titel Achromatisches diffraktives optisches Element sowie Verfahren zum Entwerfen eines solchen
Anmelder Carl Zeiss AG, 73447 Oberkochen, DE;
Carl Zeiss SMT AG, 73447 Oberkochen, DE
Vertreter Ostertag & Partner, Patentanwälte, 70597 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 04.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005036633
Offenlegungstag 21.06.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2007
IPC-Hauptklasse G02B 5/18(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Bei einem Verfahren zum Entwerfen eines achromatischen diffraktiven optischen Elements werden zunächst konzeptionell zwei geblazete Strukturen (12, 14; 1012, 1014) bereitgestellt, die bezüglich einer Bezugsebene übereinander angeordnet sind und in einer Querrichtung (x) die gleiche Ausdehnung (P) haben. Die Strukturen haben unterschiedliche Brechzahlen und jeweils ein im wesentlichen dreieckiges Profil mit einer zu der Bezugsebene parallelen und sich in der Querrichtung erstreckenden Grundseite (18, 24), einer zu der Grundseite geneigten Blazeflanke (20, 26) und einer zu der Grundseite senkrechten Anti-Blazeflanke (22, 28). Die Anti-Blazeflanken (22, 28) der beiden Strukturen (12, 14; 1012, 1014) liegend einander gegenüber. Konzeptionell wird nun ein Teil (14b; 114b; 214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 814b; 912b, 914b; 1012b; 1112b) von einer der Strukturen (14) entfernt, dessen Ausdehnung in der Querrichtung (x) kleiner ist als die Ausdehnung der Strukturen (12, 14; 1012, 1014) in der Querrichtung. Konzeptionell wird das entfernte Teil in einer Richtung (z) senkrecht zu der Bezugsebene verlagert.

Beschreibung[de]
HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein achromatisches diffraktives optisches Element (DOE) nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Unter einem achromatischen DOE versteht man ein Element, dessen Beugungseffizienz über einen größeren Wellenlängenbereich weitgehend wellenlängenunabhängig ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Entwerfen eines solchen achromatischen diffraktiven optischen Elements.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Diffraktive optische Elemente (DOEs), wie sie z.B. als diffraktive Linsen oder lineare Beugungsgitter eingesetzt werden, enthalten Strukturen, die entweder durch Strukturierung eines Substrats oder einer Schicht erzeugt werden, die auf einem Substrat aufgebracht ist. Bei den bislang überwiegend eingesetzten diffraktiven optischen Elementen bestehen die Strukturen alle aus dem gleichen Material.

Die Strukturen von diffraktiven optischen Elementen können verschiedene Profile haben. Bekannt sind diffraktive optische Elemente mit binären, sinusförmigen, geblazeten, beliebig trapezförmigen und beliebig binär abgerundeten Profilen.

Im allgemeinen beugen diffraktive optische Elemente Licht in eine Vielzahl von Beugungsordnungen. Zur Erzielung einer hohen Effizienz in einer ausgewählten Beugungsordnung werden Strukturen mit geblazeten Profilen eingesetzt.

Hierunter versteht man ein unsymmetrisch dreieckiges Profil mit geneigter Blaze-Flanke und (im allgemeinen) senkrechter Anti-Blazeflanke. Häufig werden Flächen, die zu einer Bezugsebene geneigt angeordnet sind, durch ein treppenartiges Profil angenähert, das auch als Multilevel-Profil bezeichnet wird. Die Anzahl k der Stufen ist aus Herstellungsgründen in den meisten Fällen eine Potenz von 2, also k = 2, 4, 8, 16, 32, ....

Bestehen die Strukturen aus einem dielektrischen Material der Brechzahl n, so erhält man bei Wahl der Profiltiefe h h = &lgr;0/(n – 1)(1) bei der Arbeitswellenlänge &lgr;0 unter Vernachlässigung rigoroser Effekte und bei senkrechtem Lichteinfall in der ersten Beugungsordnung eine Beugungseffizienz von 100. Will man in der m-ten Beugungsordnung eine Beugungseffizienz von 100% erreichen, so muß die Profltiefe h um den Faktor m vergrößert werden.

Weicht man jedoch von der Arbeitswellenlänge &lgr;0 ab, so verringert sich die Beugungseffizienz, d.h. ein Teil des Lichtes wird in benachbarte Ordnungen gelenkt, was zu unerwünschtem Streulicht führen kann.

Aus der skalaren Theorie folgt, daß die Effizienz &eegr; der Beugungsordnung als Funktion der Wellenlange &lgr; durch &eegr;(&lgr;) = sinc2(1 – &lgr;/&lgr;0)(2) gegeben ist mit sinc(x) = sin(&pgr;x)/(&pgr;x).(3)

Nimmt man z.B. an, daß das diffraktive optische Element auf eine Arbeitswellenlange &lgr;0 = 550 nm ausgelegt ist, so erhält man an der unteren Grenze des visuellen Spektrum bei 400 nm nur noch eine Beugungseffizienz &eegr; von ca. 61% und an der oberen Grenze bei 700 nm eine Beugungseffizienz &eegr; von ca. 86%.

Die Gleichung (2) ist so jedoch noch nicht ganz korrekt, da hierbei die in realen Materialien vorhandene Dispersion n(&lgr;) nicht berücksichtigt ist. Bezieht man diese in die Rechnung mit ein, so erhält man folgende Beziehung für die Beugungseffizienz: &eegr;(&lgr;) = sinc2(1 – (&lgr;0/&lgr;)·(n(&lgr;) – 1)/(n(&lgr;) – 1))(4)

Man kann die Materialdispersion ausnutzen, um die Beugungseffizienz &eegr; über einen gewissen Wellenlängenbereich, z.B. von 400 nm bis 700 nm, auf einem hohen Niveau zu halten, und zwar im Idealfall bei 100%. Dies würde bedeuten, daß in der Gleichung (4) das Argument der sinc-Funktion Null sein muß, was auf die Bedingung n(&lgr;) = (&lgr;/&lgr;0)·(n(&lgr;0) – 1) + 1(5) führt.

Dies bedeutet, daß n(&lgr;) eine mit der Wellenlange &lgr; linear anwachsende Funktion sein müßte, was aber bei realen Materialien mit normaler Dispersion nicht der Fall ist. Dort ist n(&lgr;) eine monoton fallende Funktion.

Aus der US 5 764 502 A ist ein diffraktives optisches Element bekannt, bei dem Strukturen aus einem Material mit der Dispersion n1(&lgr;) nicht gegen Luft, sondern gegen ein zweites Material mit einer anderen Dispersion n2(&lgr;) betrieben wird. Damit wird Bedingung (5) zu &Dgr;n(&lgr;) = (&lgr;/&lgr;0)·&Dgr;n(&lgr;0)(6)

Dies bedeutet, daß nur die Differenz der beiden Brechzahlen &Dgr;n = n1 – n2 eine lineare Funktion der Wellenlänge &lgr; sein muß. Dies ist für reale Materialien zwar nicht exakt erfüllbar, aber man kann dennoch Materialkombinationen finden, die dieser Bedingung sehr nahe kommen.

Ein Nachteil hierbei ist, daß das höherbrechende Material eine niedrigere Dispersion als das niederbrechende Material haben muß, was die in Frage kommenden Materialkombinationen sehr einschränkt, da eine höhere Brechzahl meist mit einer stärkeren Dispersion einhergeht.

Aus der US 6 122 104 A ist ein diffraktives optische Element bekannt, bei dem diese Schwierigkeit umgangen wird. Bei dem dort beschriebenen diffraktiven optischen Element befindet sich zwischen den beiden Materialien noch ein zusätzlicher Luftkeil. Dieser stellt beim Entwerfen des diffraktiven optischen Elements einen zusätzlichen Freiheitsgrad dar, so daß sich praktisch für beliebige Materialkombinationen eine sehr gute Achromatisierung erreichen läßt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem sich auf einfache Weise aus den bekannten achromatischen diffraktiven optisches Elementen strukturell davon völlig verschiedene Abwandlungen erzeugen lassen. Insbesondere sollen diese Abwandlungen hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften und/oder ihrer Herstellbarkeit mit den bekannten Elementen vergleichbar oder diesen sogar überlegen sein.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Entwerfen eines achromatischen diffraktiven optischen Elements umfaßt die folgenden Schritte:

  • a) konzeptionelles Bereitstellen zweier geblazeter Strukturen, die
  • – bezüglicher einer Bezugsebene übereinander angeordnet sind,
  • – in einer Querrichtung die gleiche Ausdehnung haben und
  • – jeweils ein im wesentlichen dreieckiges Profil mit jeweils einer zu der Bezugsebene parallelen und sich in der Querrichtung erstreckenden Grundseite, einer zu der Grundseite geneigten Blazeflanke und einer zu der Grundseite senkrechten Anti-Blazeflanke haben, wobei die Anti-Blazeflanken der beiden Strukturen einander gegenüber liegen und
  • – unterschiedliche Brechzahlen haben;
  • b) konzeptionelles Entfernen eines Teils einer der Strukturen, dessen Ausdehnung in der Querrichtung kleiner ist als die Ausdehnung der Strukturen in der Querrichtung;
  • c) konzeptionelle Verlagerung des entfernten Teils in einer Richtung senkrecht zu der Bezugsebene.

Mit diesem Verfahren lassen sich verschiedene achromatische diffraktive optische Elemente entwerfen. So kann das achromatische diffraktive optische Element mehrere gleichartig aufgebaute Abschnitte haben, die in einer Querrichtung hintereinander angeordnet sind. Die Abschnitte weisen jeweils mindestens zwei übereinander angeordnete Strukturen aus Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen auf. Mindestens eine Struktur hat eine Ausdehnung entlang der Querrichtung, die kleiner ist als die Ausdehnung des jeweiligen Abschnitts entlang der Querrichtung.

Ein anderes achromatisches diffraktives optisches Element, das mit dem Verfahren entwickelbar ist, enthält mehrere gleichartig aufgebaute Abschnitte, die in einer Querrichtung hintereinander angeordnet sind und jeweils eine erste und eine zweite Struktur aufweisen, die übereinander angeordnet und durch einen fluidgefüllten oder evakuierten Zwischenraum getrennt sind. Die erste Struktur umfaßt:

  • a) eine erste Unterstruktur, die aus einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl besteht,
  • b) eine zweite Unterstruktur, die aus einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl besteht,
wobei sich die erste Brechzahl von der zweiten Brechzahl unterscheidet und die zweite Struktur ein Material mit der ersten Brechzahl enthält.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung. Darin zeigen:

1a ein diffraktives optisches Element gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt;

1b das diffraktive optische Element aus der 1 nach dem konzeptionellen Abtrennen eines Teils einer Beugungsstruktur;

1c das abgetrennte diffraktive optische Element nach einer konzeptionellen Scherung;

2 einen Graphen, in dem die Abhängigkeit der Beugungseffizienz von der Wellenlänge für das in der 1c gezeigte diffraktive optische Element aufgetragen ist;

3 bis 11 verschiedene Ausführungsbeispiele für diffraktive optische Elemente, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren entworfen sind;

12a ein anderes diffraktives optisches Element gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt;

12b das diffraktive optische Element aus der 12a nach dem konzeptionellen Abtrennen eines Teils einer Beugungsstruktur und vertikaler Umverlagerung;

13 das diffraktive optische Element aus der 12b, jedoch mit einem zusätzlichen gasgefüllten Zwischenraum;

14a ein weiteres diffraktives optisches Element gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt mit angedeuteten Schnittebenen;

14b das diffraktive optische Element aus der 14a nach dem konzeptionellen Abtrennen und vertikaler Umverlagerung;

15 das diffraktive optische Element aus der 14b nach weiterer vertikaler Umverlagerung;

16 eine der 1c entsprechende Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

In der 1a ist ein Abschnitt 10 eines diffraktiven optischen Elements gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt gezeigt. Das gesamte diffraktive optische Element entsteht durch Aneinanderreihung mehrerer derartiger Abschnitte 10 entlang einer mit x bezeichneten Querrichtung. Bleibt die Breite P der Abschnitte 10 entlang der Querrichtung x konstant, so entspricht die Breite P der Gitterperiode. Häufig jedoch wird die Breite P variiert, um beispielsweise eine Linsenwirkung zu erzielen.

In dem Abschnitt 10 sind die Profile einer ersten geblazeten Beugungsstruktur 12 und einer zweiten geblazeten Beugungsstruktur 14 erkennbar. Zwischen den beiden Beugungsstrukturen 12, 14 befindet sich ein Zwischenraum 16, der mit einem Gas wie z.B. Luft gefüllt oder evakuiert ist. Die beiden Beugungsstrukturen 12, 14 können auch in der Querrichtung x leicht versetzt zueinander angeordnet sein, wie dies in der US 2002/0012170 A1 beschrieben ist.

Das Profil der ersten Beugungsstruktur 12 hat die Form eines rechtwinkligen Dreiecks. Die längere Kathete dieses Dreiecks bildet eine Grundseite 18, die parallel zu einer Bezugsebene des diffraktiven optischen Elements verläuft und z.B. auf einem Substrat aufgebracht sein kann. Um einen Blaze-Winkel &agr; geneigt zu der Grundfläche 18 verläuft eine Blaze-Flanke 20, welche die Hypothenuse des Dreiecks bildet. Die kürzere Kathete des Dreiecks verläuft senkrecht zu der Bezugsebene und wird als Anti-Blaze-Flanke 22 bezeichnet.

Die zweite Beugungsstruktur 14 ist in gleicher Weise aufgebaut. Die Grundseite ist dort mit 24, die Blaze-Flanke mit 26 und die Anti-Blaze-Flanke mit 28 bezeichnet.

Eine nahe bei 100% liegende Beugungseffizienz &eegr; für zwei unterschiedliche Wellenlängen &lgr;1, &lgr;2 mit &lgr;1 < &lgr;2 erhält man bei Beugung in die erste Beugungsordnung dann, wenn die Profiltiefen h1, h2 der beiden Beugungsstrukturen 12 bzw. 14 der Bedingung h1·(n1 – 1)/&lgr;1 – h2·(n2 – 1)/&lgr;2 = 1(7) genügen. Dabei bezeichnen n1, n2 die Brechzahlen des Materials, aus dem die erste Beugungsstruktur 12 bzw. die zweite Beugungsstruktur 14 besteht.

Ein derartiges diffraktives optisches Element wird als achromatisch bezeichnet, da die Beugungseffizienz für die beiden Wellenlängen &lgr;1, &lgr;2 nahe bei 100% liegt und in der Nähe dieser beiden Wellenlängen nur relativ langsam abfällt. Da als Herstellungsparameter sowohl die Profiltiefen h1, h2 als auch die Brechzahlen n1, n2 der Beugungsstrukturen 12 bzw. 14 in gewissen Grenzen frei wählbar sind; können für in weiten Grenzen beliebige Wellenlängen &lgr;1, &lgr;2 sehr hohe Beugungseffizienzen &eegr; erzielt werden.

In der nachfolgenden Tabelle sind einige Kombinationen von Materialien, Profiltiefen hi und Wellenlängen &lgr;i angegeben, welche die Bedingung (7) erfüllen.

Die Größen nd und &ngr;d bezeichnen dabei für die jeweiligen Gläser die Brechzahl bzw. die Abbesche Zahl, die ein Maß für die Dispersion ist. Für die lfd. Nummern 4 bis 7 können diese Größen der EP 1 394 574 A entnommen werden.

Im folgenden wird anhand der 1b und 1c ein Verfahren beschrieben, mit dem man ausgehend von dem in der 1a gezeigten und an sich bekannten diffraktiven optischen Element achromatische diffraktive optische Elemente entwickeln kann, deren Beugungseffizienz ähnlich achromatisch ist, jedoch zumindest teilweise einfacher herstellbar sind und teilweise auch zusätzliche interessante optische Eigenschaften haben, die sich in bestimmten Anwendungsfällen als günstig erweisen.

Bei diesem Verfahren wird in einem ersten Schritt von einer der beiden Beugungsstrukturen konzeptionell ein Teil abgetrennt. Bei dem in den 1a bis 1c gezeigten Ausführungsbeispiel wird hierzu die zweite Beugungsstruktur 14 entlang einer horizontalen, d.h. parallel zur Bezugsebene verlaufenden, Schnittebene 30 ein mit 14b bezeichneter Teil abgetrennt. Die Schnittebene 30 ist dabei so gelegt, daß der abgetrennte Teil in der Querrichtung x eine Länge P/2 hat.

Wie in der 1b erkennbar ist, wird der abgetrennte Teil 14b nun konzeptionell ausschließlich vertikal, d.h. entlang der z-Richtung, so weit nach unten verlagert, bis er an die darunter angeordnete erste Beugungsstruktur 12anschlägt. In der 1b ist diese Verlagerung durch einen Pfeil 33 angedeutet.

In einem dritten Schritt wird der abgetrennte Teil 14b nun entlang der z-Richtung um seinen linken Eckpunkt geschert, wie dies in der 1c mit einem Pfeil 34 angedeutet ist. Infolge der Scherung liegt der abgetrennte Teil 14b nun spaltfrei an der Blaze-Flanke 20 der ersten Beugungsstruktur 12 an. Der Zwischenraum 16 ist auf diese Weise im Profil nicht mehr trapezförmig, sondern erhält die Form eines unregelmäßigen Polyeders.

Die Scherung des abgetrennten Teils 14b stellt sicher, daß ein Lichtstrahl, der den in der 1a gezeigten Abschnitt 10 an einem bestimmten Ort durchtritt, in der in der 1c gezeigten Abwandlung die gleiche Phasendifferenz erfährt. Beispielhaft ist in der 1a ein solcher Lichtweg mit einer gestrichelten Linie 36 angedeutet. Wie man leicht erkennen kann, hat sich durch die vertikale Verlagerung des Teils 14b und die nachfolgende Scherung der geometrische Lichtweg 36 in den unterschiedlichen Materialien nicht verändert.

Die Abwandlung, die Gegenstand des in der 1c gezeigten Ausführungsbeispiels ist, ist somit in funktioneller Hinsicht mit der in der 1a gezeigten Anordnung gleichwertig. Durch die Verlagerung des abgetrennten Teils 14b erhält man jedoch an dem verbleibenden Rest 14a der zweiten Beugungsstruktur 14 eine ebene Fläche 37. Die gegenüberliegende geneigte Fläche 38 des abgetrennten Teils 14b ist schwächer geneigt als die Blaze-Flanke 26 der in der 1a gezeigten Anordnung. Dies kann bei bestimmten Herstellungsverfahren Vorteile bringen.

Für kürzere Breiten P kann allerdings aufgrund der höheren Zahl von Grenzflächen, welche die Lichtausbreitung stören können, die Beugungseffizienz etwas geringer sein als bei diffraktiven optischen Elementen, bei denen die Beugungsstrukturen in herkömmlicher Weise ausgebildet sind. Dieser Effekt ist aber bei größeren Breiten P der Abschnitte 10, z.B. für P > 100&lgr;, vernachlässigbar.

Die 2 zeigt die Beugungseffizienz &eegr;(&lgr;) des in der 1c gezeigten Ausführungsbeispiels für die Materialkombination PMMA/Polykarbonat, die in der ersten Zeile der obigen Tabelle angegeben ist. Darin ist erkennbar, daß die Beugungseffizienz für die Wellenlänge &lgr;1 = 420 nm und die Wellenlänge &lgr;2 = 625 nm etwa 100% beträgt und dazwischen nur um weniger als 2% absinkt.

Es versteht sich, daß sämtliche Flächen des in der 1c gezeigten Ausführungsbeispiels, die bezüglich der Grundseite 18 geneigt sind, aus Gründen der einfacheren Herstellbarkeit stufenförmig angenähert werden können, wie dies an sich im Stand der Technik bekannt ist.

Im folgenden werden weitere Ausführungsbeispiele für Abwandlungen anhand der 3 bis 15 beschrieben, die sich durch Anwendung des vorstehend beschriebenen Verfahrens entwerfen lassen. Teilweise werden die vorstehend beschriebenen Verfahrensschritte mehrfach hintereinander wiederholt, was zu recht komplizierten Umlagerungen führen kann. Gleiche oder einander entsprechende Teile werden dabei mit Bezugsziffern bezeichnet, die um 100 gegenüber dem jeweils vorausgehenden Ausführungsbeispiel erhöht sind.

Bei dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Schnittebene 130 nicht wie in der 1 waagerecht, sondern geneigt zur Bezugsebene gelegt worden. Auf diese Weise erhält der mit 114a bezeichnete zurückbleibende Teil der zweiten Beugungsstruktur ein symmetrisches Profil. Der abgetrennte, mit 114b bezeichnete Teil hat im Profil die Form eines unregelmäßigen Dreiecks. Die erste Beugungsstruktur 112 bleibt unverändert.

Ausgehend von der in der 1a gezeigten Anordnung kann auch der oberhalb der Schnittebene 30 liegende Teil, der ein rechteckiges Profil hat, konzeptionell vertikal verlagert werden. Dies ist in der 4 gezeigt. Durch Scherung entlang der z-Richtung erhält der abgetrennte Teil 214b im Profil die Form eines Parallelogramms. Der sich unterhalb des herausgetrennten Teils 214b befindende Bereich mit dreieckigem Profil ist vertikal nach oben versetzt worden, wodurch der zurückbleibende Teil der zweiten Beugungsstruktur nur aus zwei geblazeten Teilstrukturen 214a, 214a' besteht, deren Breite nur noch P/2 beträgt.

Der oberhalb der Schnittebene 30 herausgetrennte Teil mit rechteckigem Profil kann aber auch weiter nach unten verlagert werden, so daß eine Scherung nicht erforderlich ist. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der 5 gezeigt. Eine solche Verlagerung des abgetrennten Teils führt dazu, daß auch von der ersten Beugungsstruktur 312 konzeptionell ein Teil 312b abgetrennt und vertikal nach oben verlagert werden muß. Die Wirkung der ersten Beugungsstruktur verändert sich bei einer derartigen Verlagerung allerdings nicht.

Das in der 6 gezeigte Ausführungsbeispiel geht aus dem in der 5 gezeigten Ausführungsbeispiel hervor, indem ein Abschnitt mit rechteckigem Profil der ersten Beugungsstruktur 312a oberhalb der Beugungsstruktur 314a verlagert wird. Durch diese Verlagerung wird die erste Beugungsstruktur in drei Teilstrukturen 412a, 412b und 412c aufgeteilt.

Die Teilstruktur 412b kann auch als eine Art Beschichtung auf die Teilstruktur 414a aufgebracht werden. Eine solche Beschichtung ist in dem in der 7 gezeigten Ausführungsbeispiel mit 512b bezeichnet.

Das in der 8 gezeigte Ausführungsbeispiel geht aus dem in der 4 gezeigten Ausführungsbeispiel hervor, wenn man aus der dort mit 212 bezeichneten ersten Beugungsstruktur einen Bereich mit rechteckigem Profil herausschneidet, diesen vertikal nach oben verlagert und derart schert, daß er wie eine Beschichtung 612b auf der in der 8 mit 614a bezeichneten Beugungsstruktur aufgebracht ist. Bei dieser Ausgestaltung stellen die Strukturen 614a, 614a' einerseits und die Strukturen 612a, 612a' andererseits periodenhalbierte Blazeprofile dar, die in einer Periodenhälfte mit Strukturen aus dem jeweils anderen Material 612b bzw. 614b beschichtet sind.

Werden die geblazeten Profile bei der in der 8 gezeigten Anordnung auf einer Seite des Zwischenraums zusammengefaßt und die nicht geblazeten Profile auf der anderen Seite, so ergibt sich das in der 9 gezeigte Ausführungsbeispiel. Die Teilstrukturen 712b, 714b oberhalb des Zwischenraums 716 haben beide ein rechteckiges Profil der Breite P/2, wodurch sich insgesamt eine Kombination aus einem Blaze-Profil und einem Binärprofil ergibt, die durch den Zwischenraum 716 voneinander getrennt sind.

Das in der 10 gezeigte Ausführungsbeispiel geht aus dem in der 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hervor, wenn man die linke Hälfte der Struktur 114a oberhalb des Zwischenraums vertikal nach unten verlagert und gegen einen Abschnitt der ersten Beugungsstruktur 112 austauscht. Oberhalb des Zwischenraums 716 erhält man dann geblazete Strukturen 812b, 814a' mit unterschiedlicher Profilhöhe und mit unterschiedlichen Brechzahlen.

Selbstverständlich ist es möglich, die vertikalen Schnitte auch an anderer Stelle als der Abschnittsmitte anzusetzen. Die 11 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die Schnitte so gelegt sind, daß die sich unterhalb des Zwischenraums 916 befindende Struktur ein insgesamt rechteckiges Profil hat, jedoch aus zwei Teilstrukturen 912a, 914b mit unterschiedlicher Brechzahl zusammengesetzt ist.

Bei allen vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen kann die Lage und die Dicke des Zwischenraums 16 beliebig variiert oder auch durch ein festes Material ersetzt sein.

Die 12a zeigt in einer an die 1a angelehnten Darstellung ein anderes diffraktives optisches Element, bei dem zwischen geblazeten Beugungsstrukturen 1012, 1014 kein Zwischenraum verbleibt, der mit einem Gas oder einem festen Material gefüllt ist. Auch hier läßt sich durch konzeptionelle vertikale Verlagerung eines oder mehrerer herausgetrennter Teile ein neuartiger Aufbau erzielen.

Bei dem in der 12b gezeigten Ausführungsbeispiel ist der in der 12a mit 1012b bezeichnete, im Profil rechteckige Teil abgetrennt und vertikal nach oben verlagert worden. Die dort ursprünglich vorhandenen Teilstrukturen sind entsprechend nach unten verlagert worden.

Ggf. kann der gesamte Abschnitt nochmals horizontal unterteilt werden, so daß zwischen zwei Teilstrukturen 1112', 1114' mit rechteckigem Profil und geblazeten Teilstrukturen 1112a, 1112a' und 1114a, 1114a' wieder ein Zwischenraum 1116 entsteht, wie dies in der 13 gezeigt ist. Dieses Ausführungsbeispiel zeichnet sich durch eine besonders einfache Herstellbarkeit aus.

Die 14a zeigt ein Profil eines Abschnitts eines diffraktiven optischen Elements, das sich von dem in der 1 gezeigten Profil zum Zwecke der besseren Erkennbarkeit lediglich durch die größere Profilhöhe der Beugungsstrukturen 1212, 1224 und den kleineren Zwischenraum 1216 zwischen den dessen Beugungsstrukturen 1212, 1224 unterscheidet.

Mit gestrichelten Linien sind Schnittflächen angedeutet, die das Profil der Beugungsstrukturen 1212, 1214 in rechteckige Blöcke und in rechtwinklige Dreiecke unterteilen. Die rechtwinkligen Dreiecke grenzen dabei unmittelbar an den Zwischenraum 1216 an. In einem ersten Schritt werden nun die Teilstrukturen mit dreieckigem Profil weggelassen und die verbleibenden Blöcke mit rechteckigem Profil vertikal umgeordnet. Die Umordnung erfolgt dabei derart, daß die größeren Blöcke unten zu liegen kommen, während die kleineren Blöcke oben aufgeschichtet werden. Eine seitliche Verschiebung von Blöcken ist dabei nicht zulässig.

Die 14b zeigt die daraus resultierende Anordnung, wenn man von der in der 14a gezeigten Unterteilung der Beugungsstrukturen 1212, 1224 ausgeht. Der Abschnitt hat insgesamt ein geblazetes Profil mit jeweils einer zu einer Bezugsebene parallelen und sich in der Querrichtung erstreckenden Grundseite 1218, einer zu der Grundseite geneigten Blazeflanke 1220 und einer zur der Grundseite senkrechten Anti-Blazeflanke 1222.

Die in der 14b gezeigte Anordnung ist hinsichtlich der Beugungseffizienz mit der in der 14a gezeigten bekannten Artenanordnung weitgehend gleichwertig. Unterschiede resultieren daraus, daß die Teilstrukturen mit dreieckigem Profil weggelassen wurden. Je feiner die Unterteilung in Blöcke mit rechteckigem Profil ist, desto besser ist die Annäherung der in der 14b gezeigten Anordnung an das in der 14a gezeigte Profil.

Herstellungstechnisch einfacher ist es, wenn die in der 14b gezeigten Blöcke weiter umgeordnet und dabei ggf. weiter unterteilt werden, so wie dies in der 15 gezeigt ist. Auf diese Weise entstehen größere zusammenhängende Bereiche aus dem gleichen Material, was herstellungstechnische Vorteile haben kann.

Hergestellt werden können die vorstehend beschriebenen diffraktiven optischen Elemente durch an sich bekannte Verfahren, z.B. strukturierte Beschichtungsverfahren, lithographische Verfahren oder das MSG-Verfahren von Schott.

Die 16 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, das aus der in der 1a gezeigten Anordnung durch Abtrennung eines Teiles 1314b hervorgeht, dessen Breite entlang der Querrichtung x der Breite P des Abschnitts 1310 entspricht. Die Schnittfläche ist hier so gelegt, daß sie die Anti-Blaze-Flanke 28 der zweiten Beugungsstruktur 14 halbiert und entlang der Kante verläuft, an der die Blazeflanke 26 und die Grundseite 24 der zweiten Beugungsstruktur 14 aneinander angrenzen. Die von der zweiten Beugungsstruktur 14 verbleibende Reststruktur 1314a bleibt somit geblazet, jedoch mit halbem Blazewinkel.


Anspruch[de]
Verfahren zum Entwerfen eines achromatischen diffraktiven optischen Elements, mit folgenden Schritten:

a) konzeptionelles Bereitstellen zweier geblazeter Strukturen (12, 14; 1012, 1014), die

– bezüglicher einer Bezugsebene übereinander angeordnet sind,

– in einer Querrichtung (x) die gleiche Ausdehnung (P) haben und

– jeweils ein im wesentlichen dreieckiges Profil mit jeweils einer zu der Bezugsebene parallelen und sich in der Querrichtung erstreckenden Grundseite (18, 24), einer zu der Grundseite geneigten Blazeflanke (20, 26) und einer zu der Grundseite senkrechten Anti-Blazeflanke (22, 28) haben, wobei die Anti-Blazeflanken (22, 28) der beiden Strukturen (12, 14; 1012, 1014) einander gegenüber liegen, und

– unterschiedliche Brechzahlen haben;

gekennzeichnet durch folgende weitere Schritte:

b) konzeptionelles Entfernen eines Teils (14b; 114b; 214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 814b; 912b, 914b; 1012b; 1112b) einer der Strukturen (14), dessen Ausdehnung in der Querrichtung (x) kleiner ist als die Ausdehnung der Strukturen (12, 14; 1012, 1014) in der Querrichtung;

c) konzeptionelle Verlagerung des entfernten Teils (14b; 1314b) in einer Richtung (z) senkrecht zu der Bezugsebene.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine geneigte Fläche, die beim Entfernen eines Teils in Schritt b) entsteht, stufenförmig angenähert wird. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in Schritt b) zum Entfernen des Teils (14b; 114b; 214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 814b; 912b, 914b; 1012b; 1112b) mindestens ein ebener Schnitt durchgeführt wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte Teil (14b; 114b; 512b; 612b, 614b; 812b, 814b; 912b, 914b) vor oder nach der Verlagerung in Schritt c) zusätzlich konzeptionell senkrecht zur Bezugsebene geschert wird. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte Teil (14b; 114b; 814b; 912b, 914b) ein dreieckiges Profil hat. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte Teil (214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 1012b; 1112b) ein parallelogrammförmiges Profil hat. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte Teil (214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 1012b; 1112b) im Profil zwei sich senkrecht zur Bezugsebene erstreckende Seiten hat. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das entfernte Teil ein rechteckiges Profil (314b; 412b, 414b; 514b; 712b; 1012b; 1112b) hat. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausdehnung des entfernten Teils (214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 1012b; 1112b) in der Querrichtung (x) gleich der halben Ausdehnung (P) der Strukturen (12, 14; 1012, 1014) in der Querrichtung (x) ist. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den zwei Strukturen (12, 14) ein Zwischenraum (16; 116; 716,; 816; 1116; 1216) verbleibt, der mit einem gasförmigen, flüssigen oder festen Medium gefüllt ist oder ein Vakuum enthält. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Medium Luft ist. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Strukturen (1012, 1014) Blazeflanken haben, die spaltfrei aneinander angrenzen. Achromatisches diffraktives optisches Element, mit mehreren gleichartig aufgebauten Abschnitten (10), die

a) in einer Querrichtung (x) hintereinander angeordnet sind und

b) jeweils mindestens zwei übereinander angeordnete Strukturen aus Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen aufweisen,

dadurch gekennzeichnet, daß

mindestens eine Struktur (14b; 114b; 214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 814b; 912b, 914b; 1012b; 1112b) eine Ausdehnung entlang der Querrichtung (x) hat, die kleiner ist als die Ausdehnung (P) des jeweiligen Abschnitts (10) entlang der Querrichtung (x).
Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Struktur (14b; 114b; 814b; 912b, 914b) ein dreieckiges Profil hat. Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Struktur (214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 1012b; 1112b) ein parallelogrammförmiges Profil hat. Element nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Struktur (214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 1012b; 1112b) im Profil zwei sich senkrecht zu einer Grundfläche des Elements erstreckende Seiten hat. Element nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Struktur (314b; 412b, 414b; 514b; 712b; 1012b; 1112b) ein rechteckiges Profil hat. Element nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Struktur (14b; 114b; 214b; 314b; 412b, 414b; 512b, 514b; 612b, 614b; 712b, 714a'; 812b, 814b; 1012b; 1112b) eine Ausdehnung in der Querrichtung hat, die gleich der halben Ausdehnung des jeweiligen Abschnitts in der Querrichtung ist. Element nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Abschnitte (10) periodisch mit einer Periode P entlang der Querrichtung (x) hintereinander angeordnet sind. Element nach einem der Ansprüche 13 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Periode P sich entlang der Querrichtung (x) verändert. Element nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Abschnitt mindestens drei Strukturen umfaßt, von denen zwei von einem fluidgefüllten Zwischenraum (16; 116; 716; 816; 1116; 1216) voneinander getrennt sind. Element nach einem der Ansprüche 13 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturen in einem Abschnitt so angeordnet sind, daß der Abschnitt insgesamt das Profil eines rechtwinkligen Dreiecks mit jeweils einer zu einer Bezugsebene parallelen und sich in der Querrichtung erstreckenden Grundseite (1218), einer zu der Grundseite geneigten Schrägflanke (1220) und einer zu der Grundseite senkrechten Seitenflanke (1222) hat. Achromatisches diffraktives optisches Element, mit mehreren gleichartig aufgebauten Abschnitten, die

a) in einer Querrichtung (x) hintereinander angeordnet sind und

b) jeweils eine erste Struktur (12, 14b) und eine zweite Struktur (14a) aufweisen, die übereinander angeordnet und durch einen fluidgefüllten Zwischenraum (16) getrennt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

die erste Struktur umfaßt:

c) eine erste Unterstruktur (12), die aus einem ersten Material mit einer ersten Brechzahl besteht,

d) eine zweite Unterstruktur (14b), die aus einem zweiten Material mit einer zweiten Brechzahl besteht,

e) wobei sich die erste Brechzahl von der zweiten Brechzahl unterscheidet und

f) die zweite Struktur (14a) ein Material mit der ersten Brechzahl enthält.
Element nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Unterstruktur ein nicht parallelogrammförmiges Profil hat.






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