CN101918202A

CN101918202A - 光学系统

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Publication number: CN101918202A
Application number: CN2008801210777A
Authority: CN
Inventors: E·M·沃特林克; R·G·J·范德森; K·G·迪麦尔
Original assignee: Anteryon BV
Current assignee: Anteryon International BV
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2010-12-15
Anticipated expiration: 2028-12-19
Also published as: JP2011509420A; EP2231386A1; CN101918202B; US20100328743A1; KR20100097709A; WO2009082201A1; NL1034857C2

Abstract

一种光学系统，包括基板和设置在所述基板上的复制层，其特征在于选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性引入基板。因此，本发明的目的是提供这样的光学系统，其中为了这样实现光学系统的所需性能，之前具有被动功能的部件被赋予主动部件的功能。

Description

光学系统

本发明涉及光学系统，其包括基板和设置于所述基板上的复制层。本发明进一步涉及制备这种光学系统的方法，并且还涉及所述光学系统的用途。本发明进一步涉及透镜堆叠体。

涉及介绍的光学系统本身已知于本申请人的国际申请WO2004/027880。由所述申请已知一种光学系统，其包括所谓的图像捕捉元件、或者CCD或CMOS型图像传感器、其上设置透镜元件，所述透镜元件通过间隔器和所述图像捕捉元件分开，所述组件借助于粘合剂层耐久性地结合。使用的透镜元件可被认为是透镜基板，其上分开设置透镜。透镜基板起到透镜的载体或支承体的功能。类似的光学系统从国际申请WO2005/096741中获知，其公开了设置有体全息光栅的透镜。除此以外，美国专利申请US2005/0.046.947公开了一种衍射光学元件，其包括由多个层构成的单层或多层构件，它们均是由光学材料制备的。体全息光学元件还从美国专利申请US2002/0.045.104和美国专利申请US2005/0.244.102中获知。

上述透镜系统原理上基于这样的基板，所述基板上分开设置透镜，所述基板对于其光学功能性不具有活性部件的功能，只具有支承功能。由US2004/0.012.698已知一种光学系统，其中功能性被引入，但其中使用的各个光学元件中都存在空气层，所述空气层引入通过光学系统的光路折射率转变。

因此，本发明的目的是提供光学系统，其中为了这样实现光学系统的所需性能，之前具有被动功能的部件被赋予主动部件的功能。

本发明的另一个目的是提供光学系统，其中通过使用活性基板、特别是联合使用其他无源光学元件，实现高自由度的设计。

本发明的又一个目的是提供光学系统，其中许多光学功能联合到具体元件或部件以为了这样实现光学系统的最小化。涉及介绍的本发明的特征在于选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性被引入基板。

通过在基板中引入特定功能性，借助于本光学系统而获得活性基板，取决于所需性能，其可被控制。应该注意术语“引入”被理解为功能性在基板中实现或包括，其中在具体实施方案中可表示基板和复制层之间的连接以及界面。

在根据本发明的光学系统中可以将透镜功能赋予基板或复制层。

从可利用性和可加工性的观点来看，如果基板由玻璃或相关的光学透明的无机材料构成，则其是优选的。这种基板被认为是刚性、非挠性的，因此其适于用作复制方法中的载体。

本光学系统中使用的复制层优选由UV固化型聚合物构成，所述UV固化型聚合物选自聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚环氧化物和聚酯。合适的复制技术在美国专利No.6,773,638和4,890,905中有所描述，其可考虑完全并入本文。复制层通过使用复制方法来获得，其中使用具有精确限定的表面(例如非球形表面)的模具，其中少量辐射固化型树脂(例如UV固化型树脂)施加至模具表面。随后，树脂在模具表面上展开，使得模具中存在的洞被树脂填充，其上整个部分随后被辐射以固化所述树脂，这样固化的产物从模具移除。固化产物是模具表面的负像。复制方法的优点在于可以简单方式制备具有复杂折射表面(例如非球形表面)的透镜，无需研磨和抛光透镜体的复杂过程。除此以外，复制层和施加复制层的表面耐久性地结合，而无需使用粘合剂。另外，不发生所谓的“空气间隙”，所述空气间隙在表面和存在的空气层之间产生较大折射率转变。

在特定实施方案中，根据本发明的光学系统接连地由光学活性或非活性元件、基板和聚合物复制层堆积起来，其中光学活性元件选自光源，例如VCSEL、激光二极管、LED、RCLED、OLED、和诸如CCD/CMOS型之类的图像传感器。

为了获得本光学系统的特定光学性能，期望选自抗反射和红外反射、或它们组合的涂层设置在聚合物复制层和基板之间。而且，聚合物复制层自身可另外具有折射、衍射、或联合结构。

本发明人已经获得有利结果，特别是在功能性是体布拉格光栅型的情况下。对于相机应用，特别地功能性为梯度折射率透镜型是优选的。还发现通过使用本光学系统，在体布拉格光栅元件前和后控制光线的校准和分布可以以高效方式实现。当体布拉格光栅型光学系统用于激光二极管时，可以实现(例如)6nm至(例如)1nm的范围内的波长分布的变窄和稳定。其中引入体布拉格光栅型功能性的本光学系统特别用在这样的情况，其中波长和相关带宽(特别地其尽可能窄)的选择和控制是重要的。特别地，这些应用包括光信号的传输、分布、分离和组合，特别地用作Wave Division Multiplexing Demultiplexing技术中的滤波器。类似的光学系统可用在固态激光器的有效泵送，这要求良好限定的波长，所述波长着眼于通过延长缝隙寿命而引起光杆位移程度减少，从而实现更长寿命。而且发现，光学耦合损失的发生减少。其他应用包括光谱分析，例如IR和Raman光谱。本光学系统特别适用于通讯系统、固态激光器，光谱分析系统和相机系统的领域。在相机系统的情况中，特别地梯度折射率透镜功能性被认为是期望的。

本发明还涉及制备光学系统的方法，所述光学系统包括玻璃基板和和设置于其上的聚合物复制层，其中，其中已经实现选自选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性的基板被以这样的方式加工，使得获得构造为透镜的基板，在这样获得的所述透镜基板上是所述复制层。

除此以外，本发明涉及一种制备光学系统的方法，其中，所述基板的表面层被加工为使得选自选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性被引入，此后聚合物层以这样的方式复制在这样加工的表面层上，使得这样获得的复制层被构造为透镜。

本光学系统特别适用于透镜堆叠体，其中选自抗反射和红外反射的涂层设置在聚合物复制层和基板之间。

在特定实施方案中，可以将第二间隔器iv)添加至上述透镜堆叠体，在所述第二间隔器iv)上放置根据本发明的第二光学系统。因此这种透镜堆叠体可被认为连续地包括光学活性或非活性元件、间隔器、光学系统、间隔器和另一种光学系统。而且，可以延伸具有数个光学系统的这种透镜堆叠体，使用或不使用间隔器。透镜堆叠体的各个组件之间的耐久性连接借助于粘合剂(特别是热固性或UV固化型粘合剂)实现。

在特定实施方案中，膜可设置在间隔器ii)和光学系统之间，所述膜具有选自光圈、抗反射、红外反射和缝隙中的功能。膜在370-700nm的波长范围内特别是透明的，所述膜是挠性的并且厚度最大为0.75mm。膜优选设置有规则的分开开口，其中所述开口的位置对应于通过各个透镜元件的光路，其中所述膜不传输操作范围为370-700nm的光，以防止相邻透镜元件之间的不期望的串扰。

现在参照一些附图更详细地描述本发明，其中应该注意连接，然而本发明不限于这些特定实施方案。

图1-4示意性示出本光学系统的各种实施方案。

图5示出透镜堆叠体的特定实施方案。

图6示出根据现有技术的体布拉格光栅。

图7示出根据本发明的体布拉格光栅。

图8示出根据本发明的体布拉格光栅。

图1-8中使用的数字一直用于表示相同部件。图1示意性使出光学系统10，包括基板1和设置在其上的透镜2，所述透镜2设置有聚合物复制层3。引入基板1的功能性4选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜。在特定实施方案中，优选体布拉格光栅。根据另一种可能性，衍射或偏振器、或微透镜是优选的。

在图2中，光学系统20的基板1被构造为使得基板1具有透镜功能，而基板1的透镜结构设置有聚合物复制层3。功能性4被引入基板1。

特别地，图1和图2中的复制层的功能可被认为对于基板1进行光学校正，所述基板1被构造为透镜，即在球形透镜上的非球形校正和/或在基板1顶部上的衍射结构。校正的目的是校正光学误差，例如散光、像差和焦距深度。

图3示出光学系统30的基板1，在基板1上设置聚合物复制层3，聚合物复制层3被构造为透镜功能。功能性4被引入基板1。

图4中示出的光学系统40的实施方案对应于图3的实施方案，不同之处在于图4示出光学活性元件6，其在基板1的基本上整个表面上延伸。

图5示意性示出透镜堆叠体70，其中光学活性或非活性元件，例如VCES(光源)、CMOS传感器31，设置有间隔器32，在所述间隔器32上定位玻璃板33，所述玻璃板33在其两个侧面上设置有透镜元件43、42。

根据本发明，选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性被引入玻璃板33，其中对于相机应用，连接、特别地梯度折射率透镜是优选的。板33在其上具有复制的透镜元件42、43。通过使用复制方法，实现了在板33和透镜元件42、43之间的耐久性的连接，并且已经形成整合光学元件。因此，在基板之间(即，板33和透镜元件42、43之间)不存在空气层，因此在引入功能性的板33和透镜元件42、43之间不存在空气层。而且，已发现可以在复制的透镜元件43、42的一个或两个中引入类似的功能性。还可以在透镜元件42、43和玻璃板33之间施加涂层，例如抗反射或红外反射涂层。

在示出的实施方案中，间隔器34整合到透镜元件43中，这意味着透镜元件43和间隔器34形成均有或不可分开的整体。而且，可想到这样的实施方案，其中间隔器34被提供为单独部件，其中透镜元件40、间隔器34和透镜元件43借助于粘合剂而这样耐久性地粘合在一起。根据又一个实施方案，间隔器34整合到透镜元件40中，使得只需要一层粘合剂即将玻璃板33和膜41耐久性地结合在一起。使用这种整合的间隔器，已经发现可以获得堆叠体高度的更有利的公差值，原因在于粘合剂层和元件的数量减少。然后，包含膜41(在其两个侧面上复制有第一和第二透镜元件39、40)的透镜组件被设置在间隔器34上。另外，在所述间隔器35上设置包括膜37的透镜的另一个组件，所述膜37设置有复制在其两个侧面上的透镜元件36、38。间隔器32和35、玻璃板33和透镜元件42、43、40、39、38、36之间的相互粘合借助于粘合剂实现。尽管指出最接近光学活性元件31设置的玻璃板33(其设置有透镜元件42、43)还可以使用这样的实施方案，其中设置有透镜元件39、40的膜41(例如)设置在间隔器上，然后是玻璃板33，最后是设置有透镜元件36、38的箔37。

图6示意性示出了现有技术已知的光学系统80，其包括激光源81，其中离开激光源81的光束通过具有球形透镜的体布拉格光栅82，引起离开体布拉格光栅82的光束在其外部边缘轻微偏离。

图7示出根据本发明的光学系统90，其包括激光源81，其光束进入体布拉格光栅元件91中，在其上设置涂层93，所述涂层设置有凸起非球形透镜92，所述透镜借助于复制技术来获得。使用体布拉格光栅元件91、涂层93和透镜92，较之图6中示出的已知光学系统80，获得更好的激光空腔耦合。

图8中示意性示出的光学系统100基本上等同于图7中示出的光学系统90，不同之处在于离开激光源81的光束必须首先耦合到构造成透镜的聚合物复制层102中，所述复制层102直接设置在体布拉格光栅元件101上。因此，根据本发明的光学系统100表现出可以以简单方式实现在体布拉格光栅前和后控制光线的分布和校准。

Claims

1.一种光学系统，包括基板和设置在所述基板上的复制层，其特征在于，选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性被引入所述基板。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述基板被构造为透镜。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于所述复制层被构造为透镜。

4.根据前述权利要求中一项或多项所述的光学系统，其特征在于所述光学系统接连地包括基板、透镜和复制层，同时功能性被引入所述基板。

5.根据前述权利要求中一项或多项所述的光学系统，其特征在于所述基板由玻璃或相关的光学透明的无机材料构成。

6.根据前述权利要求中一项或多项所述的光学系统，其特征在于所述复制层由UV固化型聚合物构成。

7.根据权利要求6所述的光学系统，其特征在于所述UV固化型聚合物选自聚碳酸酯、聚苯乙烯、聚(甲基)丙烯酸酯、聚氨酯、聚酰胺、聚酰亚胺、聚醚、聚环氧化物和聚酯。

8.根据前述权利要求中一项或多项所述的光学系统，其特征在于所述基板在远离所述复制层的侧面上设置有活性或非活性光学元件。

9.根据权利要求8所述的光学系统，其特征在于所述光学元件选自光源，例如VCSEL、激光二极管、LED、RCLED、OLED、和诸如CCD/CMOS型之类的图像传感器。

10.根据前述权利要求中一项或多项所述的光学系统，其特征在于选自抗反射和红外反射的涂层设置在所述复制层和所述基板之间。

11.根据前述权利要求中一项或多项所述的光学系统，其特征在于所述功能性为体布拉格光栅型。

12.一种制备光学系统的方法，所述光学系统包括玻璃基板和设置于其上的聚合物复制层，其特征在于，其中已经实现选自选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性的基板被以这样的方式加工，使得获得构造为透镜的基板，在这样获得的所述透镜基板上是所述复制层。

13.一种制备光学系统的方法，所述光学系统包括玻璃基板和设置于其上的聚合物复制层，其特征在于，所述基板的表面层被加工为使得选自选自光栅、体布拉格光栅、全息、衍射、非周期结构、滤光器、偏振器、微透镜和梯度折射率透镜中的功能性被引入，此后聚合物层以这样的方式复制在这样加工的表面层上，使得这样获得的复制层被构造为透镜。

14.一种根据权利要求12-13中一项或多项所述的制备光学系统的方法，其特征在于，所述基板设置有选自抗反射和红外反射的涂层，此后所述聚合物层复制在这样施加的所述涂层上。

15.根据权利要求1-11中一项或多项限定的光学系统在通讯系统中的应用。

16.根据权利要求1-11中一项或多项限定的光学系统在固态激光器中的应用。

17.根据权利要求1-11中一项或多项限定的光学系统在光谱分析系统中的应用。

18.根据权利要求1-11中一项或多项限定的光学系统在相机系统中的应用。

19.一种透镜堆叠体，包括光学活性或非活性元件、一个或多个间隔基板和置于其上的透镜元件，所述堆叠体接连地包括：

i)光学活性或非活性元件，

ii)间隔器，和

iii)根据权利要求1-11中一项或多项所述的光学系统，其在所述光学活性或非活性元件的基本上整个表面上延伸。

20.根据权利要求19所述的透镜堆叠体，其特征在于在所述光学系统iii)的远离所述光学活性或非活性元件i)的侧面上设置第二间隔器iv)，在所述第二间隔器上放置根据权利要求1-11中的一项或多项所述的光学系统，所述光学系统在所述光学活性或非活性元件的基本上整个表面上延伸。

21.根据权利要求19-20所述的透镜堆叠体，其特征在于膜设置在所述间隔器ii)和所述光学系统iii)之间。

22.根据权利要求21所述的透镜堆叠体，其特征在于所述膜具有选自光圈、抗反射、红外反射和缝隙中的功能。

23.根据权利要求21-22中一项或多项所述的透镜堆叠体，其特征在于所述膜在370-700nm的波长范围内是透明的。

24.根据权利要求21-23中一项或多项所述的透镜堆叠体，其特征在于所述膜是挠性的，并且厚度最大为0.75mm。

25.根据权利要求21-23中一项或多项所述的透镜堆叠体，其特征在于所述膜设置有规则分开的开口，所述开口的位置对应于通过各个透镜元件的光路。

26.根据权利要求25所述的透镜堆叠体，其特征在于所述膜不传输操作范围为370-700nm的光，以防止相邻透镜元件之间的不期望的串扰。