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。