专利名称：光学系统的制作方法
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W02004/027880。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W02005/096741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, 0LED、和诸如(XD/CM0S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)Inm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。
权利要求
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, 0LED、和诸如(XD/CM0S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.—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， )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。
全文摘要
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。
文档编号B29D11/00GK101918202SQ200880121077
公开日2010年12月15日 申请日期2008年12月19日 优先权日2007年12月21日
发明者E·M·沃特林克, K·G·迪麦尔, R·G·J·范德森 申请人:安特永国际公司