JP2011509420A

JP2011509420A - 光学システム

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Publication number: JP2011509420A
Application number: JP2010539323A
Authority: JP
Inventors: エドウィンマリアヴォルタリンク; デンセンリヒャルトヘルハルドゥスヨハネスファン; クーンジェラールドゥメイエール
Original assignee: アンテルヨンインターナショナルベーヴェー
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2008-12-19
Publication date: 2011-03-24
Also published as: NL1034857C2; KR20100097709A; EP2231386A1; CN101918202A; WO2009082201A1; CN101918202B; US20100328743A1

Abstract

【解決手段】本発明による光学システムは、基板および前記基板に配置されているレプリカ層を備えている光学システムにおいて、以下のグループから選択された官能基が基板に組み込まれており、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであることを特徴とするものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、基板およびその上に載置されたレプリカ層を備えた光学システムに関する。さらなる本発明は、この種の光学システムを製造する方法、さらに、前記光学システムの使用方法に関する。さらなる本発明は、レンズ群に関する。

関連の光学システムは、本出願人による特許文献１から公知である。特許文献１から、CCDまたはCMOSタイプのいわゆる画像取得要素または画像センサを備えた光学システムは、公知である。それらの要素の上にはレンズ素子が配置されている。そのレンズ素子はスペーサによって画像取得要素から切り離されている。それらの部品は接着材層によって耐久的に接続されている。使われるレンズ素子は、レンズ基板であると考えられうる。その上には、レンズが別に提供される。レンズ基板は、レンズのためのキャリアまたはサポートとして機能する。類似した光学システムは、特許文献２から公知である。それは、ボリューム・ホログラフィック回析格子を備えているレンズを開示する。それに加えて、特許文献３は、光学材料で各々できている複数の層から成る単一層または多層部材を備えた回折光学要素を開示する。ボリューム・ホログラフィック光学素子は、また、特許文献４および特許文献５から公知である。

上述したレンズシステムはレンズが別に提供される基板に原則として基づく。基板は、それの光学機能性に関しては、光学的官能基と見なされる活性的部分の働きはせず、支援機能を有するだけである。特許文献６から、官能基が組み込まれれているが、使用する各々の光学素子間に空気の層が存在するた光学システムは公知である。空気の層は光学システムを通過する光路長のための屈折率伝達に導く。

WO 2004/027880 WO 2005/096741 US 2005/0.046.947 US 2002/0.045.104 US 2005/0.244.102 US 2004/0.012.698 US No.6,773,638 US No.4,890,905

本発明の目的は、予め受動的な部分の働きをする要素がこのように光学システムの所望の特性を形にするために能動的役割を与えられる光学システムを提供することである。

本発明の別の目的は、とくに、他の受動的な光学素子と結合して、設計の高度な自由が活性基板を用いることによって実現される光学システムを提供することである。

さらに、本発明の別の目的は、多くの光学的機能がこのように光学システムの小型化を達成するために特定要素または部分に組み込まれた光学システムを提供することである。

導入部に関連の本発明は、以下のグループから選択された官能基が基板に組み込まれており、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであることを特徴とするものである。

特定の官能基を基板に組み込むことによって、所望の特性による本光学システムを制御する手段によって、活性基板が得られる。留意することは、用語「組み込む」は、基板の官能基の実現または包含を意味すると理解される。これに関連して、特定実施例において、基板およびレプリカ層の間のインターフェースを意味することもある。本発明による光学システムにおいて、レンズ機能を基板またはレプリカ層に割り当てることは、可能である。

有効性および加工性の観点から、基板がガラスまたは関連の光学的透明無機物からなる場合、それは好ましい。この種の基板は、堅く、非可撓性であると考えられ、従って、それは、レプリカ方法のキャリアとしての用途に適している。

本光学システムにおいて、好ましくは、使用するレプリカ層はUV硬化性高分子からなる。それは、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ（メセドリン）アクリル酸塩、ポリウレタン類、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリ・エポキシドおよびポリエステル類のグループから選択される。適切なレプリカ技術は特許文献７および特許文献８に開示されている。そして、それは本願明細書において、完全に組み込まれうると考えられる。レプリカ層は、レプリカ方法を用いて得られる。そこでは、正確に定義された表面、例えば、非球面をもつ型が使用される。そこにおいて、少量の放射線硬化性レジン、例えば、UV硬化性レジンが型面に塗布される。その後、レジンは型面に拡げられて、その結果、型に存在するキャビティはレジンで満たされる。その後、レジンを硬化させるためにその全体は照射を受け、このように硬化した製品は型から除去される。硬化した製品は、型面のネガである。レプリカ方法の利点は、複雑な屈折表面、例えば、非球面を有するレンズが、求められるレンズボデーを研磨する複雑な方法無しで、単純な方法で、つくられることである。それに加えて、接着剤を使用すること無く、レプリカ層は、レプリカ層が適用される表面に、永久に取り付けられる。加えて、いわゆる「空気ギャップ」の発生がない。それは、ある表面および空気の層の間で大きい屈折率伝達をもたらせる。

特別な実施例において、本発明による光学システムは、順次連続する、光学的活性または非活性要素、基板およびポリマーレプリカ層の組立である。光学活性要素は、光源のグループ、例えば、VCSEL、レーザダイオード、LED、RCLED、OLEDおよびイメージセンサ、例えば、CCD/CMOSタイプのグループから選択される。

本光学システムの特定の光特性を得るために、反射防止および赤外線反射からなるグループまたはそれの組合せから選ばれるコーティングが、ポリマーレプリカ層および基板間に配置されることは、望ましい。さらに、ポリマーレプリカ層は、それ自体を、さらに、屈折、回析または複合構造をもたせるようにしても良い。

本発明の発明者は、とくに、官能基がボリューム・ブラッグ回析格子のタイプである場合、有利な結果を得た。カメラ使用のために、とくに、屈折率分布型レンズ・タイプの官能基は、好まれる。本光学システムを用いて、光の視準および分散の制御が、ボリューム・ブラッグ回析格子素子の前後で、効率的な方法で実現されることが分かった。ボリューム・ブラッグ回析格子のタイプの光学システムがレーザダイオードに使われるときに、例えば、1ナノメートルから6ナノメートルまでの範囲で、波長分散の狭小化および安定化を得ることは可能である。ボリューム・ブラッグ回析格子のタイプの官能基を組み込んだ本光学システムは、とくにできるだけ狭い範囲の波長および関連帯域において、その選択性および制御が重要である状況において使用される。この種の用途は、とくに、波長分割多重送信逆多重化（Wave Division Multiplexing Demultiplexing）技術の波長フィルタとして、とくに光信号の伝達、分散、分離および組合せを含む。類似した光学システムが固体レーザの効率的なポンピングにおいて使用することができる。固体レーザは、開口の老化によってもたらされるロッド置換の限界を減らすことによって、より長い寿命を実現する観点で明確な波長を必要とする。さらに、光学結合損失の発生が減じていることを分かった。他の用途には、スペクトル解析、例えば、IRおよびラマン分光法が含まれる。本光学システムは、電気通信システム、固体レーザ、スペクトル解析システムおよびカメラシステムの分野ために、とくに適切である。カメラシステムの場合、とくに、屈折率分布型レンズ官能基は、望ましいと考慮される。

さらなる本発明は、ガラス基板および基板上に載置されたポリマーレプリカ層を備えた光学システムを製造する方法に関する。この方法は、以下のグループから選択された官能基が基板に予め組み込まれており、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであり、基板がレンズとして構成されるように処理され、こうして得られたレンズ基板にレプリカ層がレプリカされるものである。それに加えて、本発明は、下記の光学システムを製造する方法に関する。その光学システムは、以下のグループから選択される官能基が組み込まれるように基板の表面層が処理され、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであり、その後、ポリマー層はこのように処理された表面層にレプリカされ、こうして得られたレプリカ層がレンズとして構成されるものである。

本光学システムは、レンズ群ために、とくに適切である。レンズ群は、反射防止および赤外線反射のグループから選択されたコーティングが、ポリマーレプリカ層および基板間に配置されているものである。特別な実施例において、第2のスペーサiv)を上述したレンズ群に加えることは、可能である。第2のスペーサiv)上には、本発明による第2の光学システムが載置される。この種のレンズ群は、順次、光学的活性または非活性要素、スペーサ、光学システム、スペーサおよび他の光学システムを備えていることと考えられる。スペーサの有無によって、いくつかの光学システムを有するこの種のレンズ群を拡張することは、さらに可能である。レンズ群のそれぞれの構成要素の永久的結合は、接着剤、とくに熱硬化性またはUV硬化性接着剤によって実現される。特別な実施例において、フィルムは、スペーサii)および光学システム間に配置されていてもよい。そして、前記フィルムは、隔膜、反射防止、赤外線反射および開口からなるグループから選択された機能を有する。フィルムは、とくに、370-700ナノメートルの波長帯において透明であって、可撓性および最大限0.75mmの厚さを有する。フィルムは、好ましくは、一定間隔をおいた開口部を備えている。前記開口部の位置はそれぞれのレンズ素子による光路に対応する。そして、フィルムは隣接したレンズ素子間の望ましくないクロストークを予防するために370-700ナノメートルの作動範囲の光を送信しない。

本光学システムの第１実施形態を示す。本光学システムの第２実施形態を示す。本光学システムの第３実施形態を示す。本光学システムの第４実施形態を示す。レンズ群の特別な実施例を示す。従来技術によるボリューム・ブラッグ回析格子を示す。本発明によるボリューム・ブラッグ回析格子を示す。本発明による他のボリューム・ブラッグ回析格子を示す。

図1-8において使用する数字は、似ている部分を示すために一貫して用いる。図1は、図式的に、光学システム10を示す。光学システムは、基板1を備えている。基板上にはレンズ2が配置されている。そのレンズ2にはポリマーレプリカ層3が備えられている。基板1には官能基4が組み込まれている。官能基は、以下のグループから選択される。そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期的建造物、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズである。特定の実施態様において、ボリューム・ブラッグ回析格子は、好まれる。他の可能性によれば、回析、ポーラライザまたはマイクロレンズは、好まれる。

図2において、光学システム20のための基板1は、以下のように構成される。基板1がレンズ機能を有し、一方、基板1のレンズ構成にはポリマーレプリカ層3が備えられる。官能基4は、基板1に組み込まれる。

図1および図2のレプリカ層の機能は、とくに、基板1のための光学的補正と考えられる。それは、レンズ、すなわち、球面レンズ上の球面補正および／または基板1頂部上の回析構造として構成される。補正の目的は、光学エラー、例えば、乱視、色収差および焦点深度を補正することである。図3は、光学システム30のための基板1を示す。基板1上にはポリマーレプリカ層3が配置されている。ポリマーレプリカ層3はレンズ機能として構成されている。官能基4は、基板1に組み込まれている。

図4に示される光学システム40の実施例は、図3に対応している。その相違は、図4が光学的活性要素6を示していることである。光学的活性要素は、実質的に、基板1の全表面に拡がっている。

図5は、図式的に、レンズ群70を示す。光学的活性または非活性要素、例えば、VCES（光源）、CMOSセンサ31は、スペーサ32を備えている。スペーサ32上にはガラス板33が位置させられている。ガラス板33の両側にはレンズ素子43、42がレプリカされている。

本発明によれば、官能基は、以下のグループから選択され、ガラス板33に組み込まれる。そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期的建造物、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズである。その関係において、とくに、屈折率分布型レンズは、カメラ用途のために好まれる。プレート33上にはレンズ素子42、43がレプリカされている。レプリカ方法を用いて、プレート33およびレンズ素子42、43間の耐久性のある結合は、現実のものとなり、一体的光学素子が形成された。このように、基板、すなわち、プレート33およびレンズ素子42、43間に空気層は無く、従って、プレート33およびレンズ素子42、43に組み込まれている官能基の間にも空気層は無い。さらに、類似した官能基を一方または両方のレプリカレンズ素子43、42に組み込むことは、可能である。レンズ素子42、43およびガラス板33の間に、コーティング、例えば、反射防止または赤外線反射コーティングを塗布することは、また、可能である。図示の実施例では、スペーサ34はレンズ素子43に一体化されている。それは、レンズ素子43およびスペーサ34が統合または分離できない全体を形成することを意味する。さらにまた、実施例は、スペーサ34が分離された部分として提供され、そして、レンズ素子40、スペーサ34およびレンズ素子43が、接着剤によって、永久に結合されることも考えられる。さらにもう一つの実施例によれば、スペーサ34はレンズ素子40と一体化されて、その結果、接着剤の1枚の層だけが永久にガラス板33およびフィルム41を結合するために必要である。この種の統合したスペーサを用いて、接着材層および要素の減じた数を減少させられるので、レンズ群の高さのためのより有利な許容値を得ることは、可能である。つぎに、フィルム41の両側に第1および第2のレンズ素子39、40をレプリカしたレンズのアセンブリは、スペーサ34上に配置される。加えて、スペーサ35が提供され、そのスペーサ35上には、フィルム37を備えた他のレンズのアッセンブリが提供され、そのフィルム37の両側にはレンズ素子36、38がレプリカされる。スペーサ32、35、ガラス板33およびレンズ素子42、43、40、39、38、36間の相互の接着力は、接着剤により実行される。図示されているが、光学活性要素31の最も近くに位置を決めされたレンズ素子42、43を備えているガラス板33は、つぎのように具体化することが可能である。レンズ素子39、40を備えているフィルム41が、例えば、ガラス板33に続くスペーサ上に配置され、最後に、レンズ素子36、38を備えている箔37が例えば配置されている。

図6は、図式的に、従来技術から公知である光学システム80を示す。それは、レーザ源81を備えている。レーザ源81を出た光ビームは、球面レンズ形のボリューム・ブラッグ回析格子82を通過する。ボリューム・ブラッグ回析格子82を出た光ビームは、その外側端縁で僅かに反れる。

図7は、本発明による光学システム90を示す。レーザ源81の光ビームは、ボリューム・ブラッグ回析格子素子91に出て行く。その上にはコーティング93が施されている。そのコーティングは、レプリカ技術による凸状非球面レンズ92を備えている。ボリューム・ブラッグ回析格子素子91、コーティング93およびレンズ92を用いて、図6に示される周知の光学システム80より、より良好なレーザ空間結合が得られる。

図8に図式的に示される光学システム100は、図7に示す光学システム90と実質的に同一である。その相違は、レーザ源81を出た光ビームが、レンズとして構成されたポリマーレプリカ層102に最初に結合されなければならないことである。そのレプリカ層102はボリューム・ブラッグ回析格子素子101に直接形成される。本発明による光学システム100は、このように、ボリューム・ブラッグ回析格子の前後で、光の制御、視準および分散が単純な方法で実現されることができることを示す。

この発明による光学システムは、予め受動的な部分の働きをする要素がこのように光学システムの所望の特性を形にするために能動的役割を与えることを達成するのに適している。

１基板
２レンズ
３レプリカ層
４官能基
70 レンズ群

Claims

基板および基板上に載置されたレプリカ層を備えている光学システムにおいて、以下のグループから選択された官能基が基板に組み込まれており、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであることを特徴とする光学システム。
請求項１の光学システムであって、基板がレンズとして構成されていることを特徴とする光学システム。
請求項１の光学システムであって、レプリカ層がレンズとして構成されていることを特徴とするに記載の光学システム。
請求項１〜３のいずれか１つの光学システムであって、順次、基板、レンズおよびレプリカ層を備えており、一方、官能基が基板に組み込まれていることを特徴とする光学システム。
請求項１〜４のいずれか１つの光学システムであって、基板が、ガラスまたは関連の光学的透明無機物を備えていることを特徴とする光学システム。
請求項１〜５のいずれか１つの光学システムであって、レプリカ層が、UV硬化性ポリマーを備えていることを特徴とする光学システム。
請求項６の光学システムであって、前記UV硬化性ポリマーが、ポリカーボネート、ポリスチレン、ポリ（メセドリン）アクリル酸塩、ポリウレタン類、ポリアミド、ポリイミド、ポリエーテル、ポリ・エポキシドおよびポリエステル類のグループから選択されることを特徴とする光学システム。
請求項１〜７のいずれか１つの光学システムであって、基板が、レプリカ層から遠い側上に活性または非活性光学素子を備えていることを特徴とする光学システム。
請求項８の光学システムであって、前記光学素子が、VCSEL、レーザダイオード、LED、RCLED、OLEDおよびCCD/CMOSタイプのイメージセンサの光源のグループから選択されることを特徴とする光学システム。
請求項１〜９のいずれか１つの光学システムであって、反射防止および赤外線反射からなるグループから選択されるコーティングが、レプリカ層および基板間に配置されていることを特徴とする工学システム。
請求項１〜１０のいずれか１つの光学システムであって、官能基が、ボリューム・ブラッグ回析格子タイプであることを特徴とする光学システム。
ガラス基板および基板上に載置されたポリマー・レプリカ層を備えている光学システムを製造するための方法であって、以下のグループから選択された官能基が基板に予め組み込まれており、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであり、基板がレンズとして構成されるように処理され、こうして得られたレンズ基板にレプリカ層がレプリカされることを特徴とする方法。
ガラス基板および基板上に載置されたポリマー・レプリカ層を備えている光学システムを製造するための方法であって、以下のグループから選択される官能基が組み込まれるように基板の表面層が処理され、そのグループとは、回析格子、ボリューム・ブラッグ回析格子、ホログラフィック、回析、非周期構造、光学フィルタ、ポーラライザ、マイクロレンズおよび屈折率分布型レンズであり、その後、ポリマー層はこのように処理された表面層にレプリカされ、こうして得られたレプリカ層がレンズとして構成される方法。
請求項12または13の光学システムを製造する方法であって、基板に、反射防止および赤外線反射のグループから選択されたコーティングが提供され、その後、こうして提供されたコーティング上に、ポリマー層がレプリカされることを特徴とする方法。
電気通信システムに請求項1-11のいずれか１つの光学システムを使用する使用方法。
固体レーザに請求項1-11のいずれか１つの光学システムを使用する使用方法。
スペクトル解析システムに請求項1-11のいずれか１つの光学システムを使用する使用方法。
カメラシステムに請求項1-11のいずれか１つの光学システムを使用する使用方法。
光学的活性または非活性要素、スペーサ基板および基板上に載置されたレンズ素子を備えているレンズ群であって、レンズ群が、順次、i) 光学的活性または非活性要素、ii) スペーサおよびiii) 請求項1-11のいずれか１つの光学システムを備えており、光学システムは、実質的に、光学的活性または非活性要素の全表面に拡がっているレンズ群。
請求項19のレンズ群であって、第2のスペーサiv)が、光学的活性または非活性要素i)から遠い側の、光学システムiii)上に配置されており、第2のスペーサ上に、請求項1-11のいずれか１つの光学システムが載置されており、光学システムは、実質的に、光学的活性または非活性要素の全表面に拡がっているレンズ群。
請求項19または20のレンズ群であって、フィルムが、前記スペーサii)および前記光学システムiii)間に配置されていることを特徴とするレンズ群。
請求項21のレンズ群であって、前記フィルムが、隔膜、反射防止、赤外線反射および開口からなるグループから選択された機能を有することを特徴とするレンズ群。
請求項21または22のレンズ群であって、前記フィルムが、370-700ナノメートルの波長帯において、透明であることを特徴とするレンズ群。
請求項21-23のいずれか１つのレンズ群であって、前記フィルムが、可撓性で、最大限0.75mmの厚さを有することを特徴とするレンズ群。
請求項21-24のいずれか１つのレンズ群であって、フィルムが、一定間隔をおいた開口部を備えており、その開口部の位置は、それぞれのレンズ素子を通過する光路に対応しているレンズ群。
請求項25のレンズ群であって、フィルムが、隣接したレンズ素子間のクロストークを予防するために370-700ナノメートルの作動範囲の光を送信しないとことを特徴とするレンズ群。