DE19621262A1

DE19621262A1 - Colour error free imaging round micro=lens for e.g. small camera

Info

Publication number: DE19621262A1
Application number: DE1996121262
Authority: DE
Inventors: Guenter Dr Nitzsche; Ernst-Bernhard Dr Kley
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1996-05-25
Filing date: 1996-05-25
Publication date: 1997-12-04

Abstract

The microlens has a defined dependency between its diameter (d), the desired focal length (f) and the refractive indices (c1,c2) of the lens material for two optionally selected wavelengths (l1,l2). d=2* (l1f124 (21/2-1)1/2) / (PI1-2 (2-21/2 )*mu+ (3-2*21/2)mu2 )1/2 1/2

Description

Die Erfindung betrifft eine farbfehlerarm abbildende runde Mikrolinse zur Abbildung sehr kleiner Objekte oder Objektdetails. Derartige Mikrolinsen werden beispielsweise für extrem kleine Kameras, mikroskopische Sonden oder ähnliche optische Übertra gungssysteme benötigt, die in zahlreichen Anwendungsgebieten, wie insbesondere die medizinische und biologische Forschung, die Mikroelektronik sowie die Mikrostruk turtechnik, eingesetzt werden können.The invention relates to a farbfehlerarm imaging round microlens for imaging very small objects or object details. Such microlenses become, for example for extremely small cameras, microscopic probes or similar optical transmissions systems used in many applications, such as the medical and biological research, microelectronics and microstructure turtechnik, can be used.

Es ist allgemein bekannt, daß optische Materialien auf Grund ihrer Dispersionseigen schaften keine farbfehlerfreien Abbildungen erzeugen können. Die Brechzahl von op tischen Materialien (z. B. Glas, Quarz oder verschiedenen Polymeren) hängt von der Wellenlänge des Lichtes ab (Dispersion). Linsen aus solchen Materialien brechen kurzwelliges Licht (z. B. blaues Licht) stärker als langwelliges (z. B. rotes Licht). Bei Sammellinsen ist die Brennweite für blaues Licht deshalb kürzer als für rotes Licht. Diese Brennpunktverschiebung führt bei der Abbildung von Gegenständen oder ande ren Objekten zu Farbfehlern, die sich z. B. durch Farbsäume an Kanten bemerkbar machen.It is well known that optical materials due to their dispersion can not produce color-defect-free images. The refractive index of op materials (eg glass, quartz or various polymers) depends on the Wavelength of light off (dispersion). Lenses of such materials break Short-wave light (eg blue light) stronger than long-wave light (eg red light). at Compound lenses is therefore shorter for blue light than for red light. This focus shift results in the imaging of objects or others ren objects to color errors that z. B. noticeable by fringing edges do.

Es ist ebenfalls allgemein bekannt, die Farbfehler bei der Abbildung weitgehend zu korrigieren, indem mehrere Linsen aus optischen Materialien mit unterschiedlichen Dispersionseigenschaften zu Objektiven angeordnet werden. Solche Objektive erfor dern jedoch einen hohen Aufwand bei ihrer Herstellung. Darüber hinaus sind sie ent sprechend groß und schwer und können demzufolge in mikrooptischen Systemen nicht angewendet werden.It is also well known that the color aberrations in the illustration are largely too correct by using multiple lenses of optical materials with different Dispersion properties are arranged to lenses. Such lenses required However, but a lot of effort in their production. In addition, they are ent speaking large and heavy and can therefore be used in micro-optical systems not be applied.

Durch eine Kombination von refraktiven mit difftaktiven Linsen (z. B.: N. Davidson, A. A. Friesem, E. Hasman: "Analytic design of hybrid diffractive-refractive achroma tes", Appl. Opt. 32 (1993), 4770-4774) kann die Anzahl der Linsen in einem Objektiv reduziert werden; aber auch solche Objektive bestehen aus mehreren Einzellinsen und besitzen somit vom Grundsatz ebenfalls die vorgenannten Nachteile. Darüber hinaus ist das Aufbringen einer diffraktiven Linse auf eine refraktive Linse mit einem erhebli chen technischen Aufwand verbunden (Mikrostrukturierungstechnik).Through a combination of refractive and difftactive lenses (eg: N. Davidson, A.A. Friesem, E. Hasman: "Analytic design of hybrid diffractive-refractive achroma Appl. Opt. 32 (1993), 4770-4774), the number of lenses in an objective can be reduced be reduced; but also such lenses consist of several individual lenses and thus, in principle, also possess the aforementioned disadvantages. Furthermore is the application of a diffractive lens to a refractive lens with a height associated with technical effort (microstructuring technology).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Objekte mit nur einer einzigen Mikrolinse weitgehend farbfehlerfrei abzubilden.The invention is based on the object objects with only a single microlens largely color-error-free.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die runde Mikrolinse im wesentlichen nachfolgend genannte Abhängigkeit zwischen ihrem Durchmesser (d), zwischen deren gewünschter Brennweite (f) sowie zwischen den Brechzahlen (n₁, n₂) des Linsenmaterials für zwei beliebig wählbare Wellenlängen (l₁, l₂) aufweist:This object is achieved in that the round microlens in essentially below dependence between its diameter (d), between the desired focal length (f) and between the refractive indices (n₁, n₂) of the lens material for two arbitrarily selectable wavelengths (l₁, l₂) comprises:

wobeiin which

und π die an sich bekannte mathematische Zahl Pi = 3,14159 . . .
sind.and π is the known mathematical number Pi = 3.14159. , ,
are.

Mit der Erfindung wird ein an sich bekannter und speziell in der Lasertechnik nachtei lig wirkender Beugungsnebeneffekt refraktiver optischer Elemente, durch welchen sich deren Brennweite in Abhängigkeit der Lichtwellenlänge verändert, bewußt für eine farbfehlerkorrigierende Abbildung der Linse ausgenutzt. Es kann eine Mikrolinse mit speziell aufeinander abgestimmten optischen Eigenschaften hergestellt werden, so daß bei deren bestimmungsgemäßen Einsatz zur abbildenden Wirkung der Linse eine an der Linsenöffnung gezielt hervorgerufene Beugungswirkung überlagert wird. In folge dieser Beugung des Lichtes ist die tatsächliche Brennweite für die wellenlängen spezifischen Brechzahlen (n₁, n₂ ) des Linsenmaterials im Vergleich zu der sich aus der Linsengeometrie folgenden Brennweite jeweils verändert. Untersuchungen haben ergeben, daß mit runden Mikrolinsen, die eine erfindungsgemäße Abhängigkeit zwi schen zwei beliebig wählbaren Lichtwellenlängen, den zugehörigen Brechzahlen des Linsenmaterials sowie zwischen den besagten Linsenparametern aufweisen, die Abbil dungen im Bereich der beiden gewählten Wellenlängen (l₁, l₂) jeweils farbfehlerfrei sind. Im Zwischenbereich sind die Farbfehler für die überwiegende Mehrzahl der Lin senmaterialien vernachlässigbar.With the invention, a known per se and especially in laser technology nachtei oily-acting diffractive side effect of refractive optical elements, by which the focal length changes depending on the wavelength of the light, aware of exploited a color correcting image of the lens. It can be a microlens manufactured with specially matched optical properties, so that in their intended use for imaging effect of the lens a is superimposed on the lens aperture specifically induced diffraction effect. in The consequence of this diffraction of the light is the actual focal length for the wavelengths specific refractive indices (n₁, n₂) of the lens material compared to that of the lens geometry following focal length changed. Have investigations show that with round microlenses, the relationship of the invention zwi two arbitrarily selectable wavelengths of light, the corresponding refractive indices of Lens material and between said lens parameters have, the Abbil tions in the range of the two selected wavelengths (l₁, l₂) each free of defects are. In the intermediate area, the color errors are for the vast majority of Lin senmaterialien negligible.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiels näher erläutert werden.The invention will be described below with reference to a Ausfüh shown in the drawing be explained in more detail.

Die Zeichnung zeigt eine runde Mikrolinse 1, die ein paralleles Strahlenbündel 2 im Brennpunkt F einer Brennebene 3 fokussiert. Die Mikrolinse 1 mit einem Durchmes ser d und einer gewünschten Brennweite f von 0,5 mm besteht aus SiO₂. Dieses Lin senmaterial besitzt für zwei auf den Einsatz der Mikrolinse 1 bezogen gewählte Wel lenlängen l₁ und l₂ folgende Brechzahlen n₁ und n₂:The drawing shows a round microlens 1 , which focuses a parallel beam 2 at the focal point F of a focal plane 3 . The microlens 1 with a diam diameter d and a desired focal length f of 0.5 mm consists of SiO. This Lin senmaterial has for two on the use of microlens 1 selected Wel lenlängen l₁ and l₂ following refractive indices n₁ and n₂:

Wellenlängewavelength Brechzahlrefractive index l₁ = 400 nml₁ = 400 nm n₁ = 1,4684n₁ = 1.4684 i₂ = 640 nmi₂ = 640 nm n₂ = 1,4567n₂ = 1.4567

Entsprechend der erfindungsgemäßen Abhängigkeit zwischen dem Durchmesser d, der gewünschten Brennweite f sowie den durch die Wellenlängen l₁ und l₂ bestimmten Brechzahlen n₁ und n₂ der Mikrolinse 1 ergeben sich folgende Werte für die Größen A, B, C, µ und d:According to the inventive dependency between the diameter d, the desired focal length f and the determined by the wavelengths l₁ and l₂ refractive indices n₁ and n₂ of the microlens 1 , the following values for the sizes A, B, C, μ and d arise:

A = 0,0565, B = 0,1188, C = 0,2496, µ = 0,9841
Durchmesser d = 83,6 µm.A = 0.0565, B = 0.1188, C = 0.2496, μ = 0.9841
Diameter d = 83.6 μm.

Für die beiden ausgewählten Wellenlängen l₁ und l₂ wird das Licht exakt in denselben Brennpunkt F fokussiert. Das ist die Voraussetzung dafür, daß ein gegebenes Objekt durch diese beiden Wellenlängen in dieselbe Bildebene scharf abgebildet wird und daß dadurch bei der Abbildung Farbfehler vermieden werden. Damit ist bei den Wellen längen l₁ und l₂ die Abbildung jeweils exakt farbfehlerfrei. Im Zwischenbereich dieser Wellenlängen sind die Farbfehler für die überwiegende Mehrzahl der Linsenmateriali en vernachlässigbar.For the two selected wavelengths l₁ and l₂ the light is exactly in the same Focus F focused. That is the condition that a given object is sharply imaged by these two wavelengths in the same image plane and that This avoids color errors when imaging. This is with the waves Lengths l₁ and l₂ the picture each exactly color error free. In the intermediate area of this Wavelengths are the chromatic aberrations for the vast majority of lens materials negligible.

Auf Grund der Beugung des Lichtes an der Linsenöffnung ist die resultierende ge wünschte Brennweite f kleiner als die Design-Brennweite f₀ für die Brechzahl n₁, die aus der Linsengeometrie folgt. Das Verhältnis dieser beiden Brennweiten wird durch den Parameter µ angegeben:Due to the diffraction of the light at the lens aperture, the resulting ge desired focal length f smaller than the design focal length f₀ for the refractive index n₁, which follows from the lens geometry. The ratio of these two focal lengths will indicated by the parameter μ:

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 - Mikrolinse
2 - Strahlenbündel
3 - Brennebene
F - Brennpunkt
d - Durchmesser der Mikrolinse 1
f - gewünschte Brennweite der Mikrolinse 1 1 - microlens
2 - Beams
3 - focal plane
F - focal point
d - diameter of the microlens 1
f - desired focal length of the microlens 1

Claims

Farbfehlerarm imaging round microlens, characterized in that this substantially below said dependence between its diameter (d), between the desired focal length (f) and between the refractive indices (n₁, n₂) of the lens material for two arbitrarily selectable wavelengths (l₁, l₂) having: in which and π is the known mathematical number Pi = 3.14159. , ,
are.