CN100555006C - 光的衍射方法及衍射装置、所用衍射光栅、位置编码装置 - Google Patents

光的衍射方法及衍射装置、所用衍射光栅、位置编码装置 Download PDF

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Abstract

本发明，提出了一种即使在共振区域也是有效的新闪耀(blazing)原理。在本发明中，例如以在由2连球(11a)、(21a)；(12a)、(22a)构成的2个以上的光散射单元中产生镜面共振，使光(51)入射到衍射光栅，通过镜面共振，对被第1层(1)及第2层(2)衍射的衍射光(52)的一部分选择性地进行加强。根据本发明，也可通过来自外部的控制信号将闪耀条件进行调制。

Description

光的衍射方法及衍射装置、所用衍射光栅、位置编码装置
技术领域
本发明涉及一种光的衍射方法及衍射装置、和其所利用的衍射光栅、以及位置编码装置。本发明，在将光波长的波段作为中心的电磁波的光谱(spectral)测量，选择规定的波长而进行的信号计测及图像计测、电磁波的行进方向变更或转向的技术领域上特别有用。
背景技术
衍射光栅，一般是具有三角形或矩形的截面的突起的1维周期性地排列体。根据其目的，将金字塔(pyraMied)型或长方体型的突起或凹陷的2维周期性地排列体作为衍射光栅进行利用。衍射光栅，大体区分为反射型和透射型。
图17是表示现有的衍射光栅101的一例的模拟截面图。在光栅的周期比入射光103的波长的一半还大的情况下，一般在反射侧及透射侧产生多个衍射光104、107。这些衍射光产生的角度，决定于光的入射方向·波长·光栅的周期，即使是从相同方向入射的光由于其波长所产生的衍射光的方向也不同。利用该原理，执行诸如将白光分解为光谱、通过设置在规定方向的光检测器只将规定波长的光的强度进行检测。在反射型衍射光栅中因为在其表面涂布金属膜，所以在其透射侧光不能行进。在透射型衍射光栅中或是省略用于反射光的表面层102、或是施加防反射涂敷。
在现有的衍射光栅中，为了获得高衍射效率，利用将截面加工为适当的锯齿状的技术。如图17所示，入射光103在一个三角形的斜面上，分离为反射光105和折射光106。在反射型衍射光栅的情况下，以有效地要使衍射的波长的反射衍射光行进在和反射光相同的方向上，来决定斜面的倾斜角或周期。在透射型衍射光栅的情况下，设计成目的的透射衍射光和折射光的方向相同。这样，将为了获得高衍射效率而对截面形状实行最优化的光栅、使其成为闪耀的(blazing)或闪耀(blaze)、那样的最优化了的衍射光栅，称为闪耀(blaze)化光栅或闪耀光栅。
但是，因为在此所述的闪耀的原理利用了所谓的反射或折射的几何光学的现象，所以只能适用于具有和波长相比而非常大的周期的衍射光栅。将这样的衍射光栅称为标量(scalar)区域的衍射光栅。在利用非常高的衍射级次的情况、或只需要稍微的衍射角的情况下，虽然也可以是标量区域的衍射光栅，但是在低级次下要获得大的衍射角的情况下，不得不将周期和波长尽可能地接近到大致只相差数倍的值。将这样的衍射光栅称为共振区域的衍射光栅。所谓共振区域(resonance domain)，是指相对于波长λ的光栅周期p的比大于1并小于10的区域(1＜p/λ＜10)。和标量区域(p/λ＞10)不同，在共振区域中没有明确的闪耀(blazing)设计理论。因此，共振区域的衍射光栅，将其设计为一边在将麦克斯韦方程式尽可能严密地计算、一边探索适当的截面形状。
正如所设计、制作闪耀化的光栅，即使是标量区域的大周期的光栅，现在也不是这么简单的。在衍射光栅的制作中投入着各时代的最高的精密加工技术，因此，衍射光栅，持续着只能制造通常所限定的高价的元件。以前利用被称为刻线机(ruling engine)的专用精密加工仪、而能实现高品质的衍射光栅的装置即使在世界上也是有限的。最近，虽然大多数转换为光干涉曝光法，但对于要实现正确的闪耀形状还需要特殊的离子蚀刻(ionetching)或精密复制等的高技术，而拥有这样技术的制造者至今也是有限的。
在特开2001-91717号公报上，展示有使微小球成为最密填充构造而进行层叠的衍射光栅。在该衍射光栅上，以同时满足每个球中的Mie共振条件和根据球的周期结构的布拉格(Bragg)条件而使光入射。在同公报上，叙述了从垂直于层的方向(z轴方向)，从向微小球的面内的最密排列方向(在后述的图1所示的配置中例如y轴方向)使倾斜-48°角的方向而使光入射的例。该衍射光栅，是将微小球层叠为自组织的光栅，能比较简单地进行制作。但是，在利用Mie共振的光的衍射中，不能获得高衍射效率。
在利用现有的衍射光栅时特别不便的是闪耀(blazing)条件没有通融。如果决定了入射方向、衍射方向、周期、使用波长、使用衍射级次，则容易决定适当的闪耀(blazing)形状。但是，特别是在将衍射光栅作为分光元件而利用的情况下，若使衍射光栅相对于入射光旋转，即使在将闪耀条件偏离的条件下也必须使用。因为如此，在分光仪器中，不得不设计其将规定的波长作为典型的使用波长而进行限定，也只能保证在以规定的波长为中心的一定动作范围下的高效率。
发明内容
本发明，注意到所述状况，其目的在于，提出一种即使在共振区域也是有效且简单的新闪耀(blazing)原理，提供一种利用该原理的新的光的衍射方法，进一步、拓开一条较简单地实现高效率的衍射光栅及光的衍射装置的道路。
本发明的其他的目的，是提供一种光的衍射方法，其应用所述的新闪耀原理，将在各种各样的使用条件中通过来自外部的控制信号能实现最佳闪耀条件的可调谐性付与在衍射光栅及光的衍射装置，并使其动态可调。
为了达成所述目的，在本发明中，采用了利用光散射中的镜面共振加强衍射现象。
即，本发明的光的衍射方法，是利用衍射光栅的光的衍射方法，其特征在于，该衍射光栅，包括：第1层和第2层，所述第1层包括：在第1方向上周期性地排列着2个以上的、a)优选，沿第2方向周期性地排列着2个以上的，或b)在第2方向上延伸的2个以上的第1光散射体；所述第2层包括：使2个以上的第1光散射体、配置在沿包括第1方向及第2方向的面以外的面内的规定方向仅移动了规定距离的位置的、和2个以上的第1光散射体分别对应的2个以上的第2光散射体。而且，在所述a)的情况下，沿包括从所述2个以上的第1光散射体向所述规定的方向的移动而描绘的轨迹中选择的2个以上的轨迹的面，而且即使在所述a)、b)的任意的情况下，以在分别从2个以上的第1光散射体选择的一个和与该一个的第1光散射体相对应的一个第2光散射体所构成的2个以上的光散射单元中产生镜面共振的方式，使光入射到衍射光栅，通过2个以上的光散射单元中的镜面共振，将通过第1层及第2层而衍射的衍射光的一部分选择性地进行加强。
本发明的光的衍射装置，是包括衍射光栅的光的衍射装置，该衍射光栅，包括前面已说明的第1层及第2层，还包括光入射器件，该光入射器件，相同地以在前面已说明的2个以上的光散射单元中产生镜面共振的方式使光入射到衍射光栅。即使在该衍射装置中，也通过2个以上的光散射单元中的镜面共振，使被第1层及第2层衍射的衍射光的一部分选择性地进行加强。该光入射器件，不限于成为光源的发光装置，包括为了将光导入可利用的各种部件。
本发明，提供一种将镜面共振现象作为闪耀(blazing)原理的新的光的衍射方法及衍射装置、及在其中所利用的新的衍射光栅。如果利用由镜面共振引起的衍射光的加强现象(镜面共振加强衍射现象)，则较容易达到高衍射效率。再有，也可以供给根据来自外部的控制信号的可调谐性(tunability)。
附图说明
图1A是表示在本发明涉及的光的衍射方法及衍射装置上可利用的衍射光栅的一个方式的平面图，图1B是同方式的截面图。
图2是用于说明通过镜面共振而被加强的仅单一级次的衍射光的条件的图。
图3是表示实验中所利用的直径为2.1μm、折射率为1.58的高分子微小球的排列的平面图。
图4是表示根据将镜面共振作为构造因子而考虑的衍射理论引起的在xz面内的亮度分布图(profile)，(a)是考虑了实验中所利用的光栅的有限性的衍射函数，(b)是表示镜面共振的构造因子，(c)是在各种各样的入射角α下的亮度分布图。
图5是表示通过实验求出的xz面内的亮度分布的图。
图6A是表示在本发明涉及的光的衍射方法及衍射装置上可利用的衍射光栅的另一个方式的平面图，图6B是同方式的截面图，在图6A、图6B中所示的衍射光栅，也是本发明涉及的衍射光栅的一例。
图7A是表示作为光散射体所利用的柱状体(fiber)的衍射光栅的一方式的平面图，图7B是同方式的截面图。在图7A、图7B中所示的衍射光栅，也是本发明涉及的衍射光栅的一例。
图8是作为本发明涉及的衍射光栅的再有的其他的一例，表示以光散射体在层间离间而进行配置的衍射光栅的截面图。
图9是作为本发明涉及的衍射光栅的进一步的其他的一例，表示具备驱动装置(device)的衍射光栅的截面图。
图10是作为本发明的光的衍射方法的一例，是表示在任意入射条件下可使闪耀(blazing)条件满足的情况的截面图。
图11是表示利用了相互对向的2片微透镜阵列(Miecrolens array)、和驱动装置的本发明的衍射光栅的一例的截面图。
图12A、图12B是表示利用了本发明的衍射光栅的闪耀(blaze)波长可变衍射光栅的一例和其动作的截面图。
图13A、图13B、图13C，是表示利用了本发明的衍射光栅的光开关的一例和其动作的截面图。
图14，是表示将本发明涉及的衍射光栅应用在棱栅(grism)上的例的图。
图15是表示应用本发明涉及的衍射光栅作为光波导的光栅耦合器(grating coupler)的例的截面图。
图16是表示本发明涉及的位置编码装置的一方式的截面图。
图17是表示现有的闪耀(blaze)化衍射光栅的截面图。
具体实施方式
所谓镜面共振，典型地是在相对于周围的介质具有从1.2到2.2的相对折射率的两个透明球密接或近接的情况下，相对于连结两个球的中心的轴而倾斜地入射的光线，以就像在该轴的部分上置有镜面而使其强烈地镜面反射的散射现象。镜面反射的情况虽然是2个球的直径相同的情况，但是在2个球的直径不同的情况下向由其直径比及入射方向所决定的特定的方向出射(这时，正确地说，虽然反射方向并非是镜面反射方向，但是因为本质上是基于相同的原理的现象，所以同样地称为镜面共振)。
表示镜面共振的球的直径范围非常广，例如相对于大致从波长400nm到700nm的可见光，在从直径大约为1μm的微小球、到无限大的球的范围都可观察到镜面共振。再有，该现象因为是近似捕获为作为2个圆形的界面中的光折射现象，所以不限于球、例如圆筒使其轴相互平行地密接或近接的情况中也同样观察到。
在此，2个球、圆筒等的光散射体，其入射侧作为聚光透镜(focusinglens)将入射的平行光进行聚光，其出射侧作为准直透镜具有再次将聚光了的光回复为平行光的动作。由此，所谓镜面共振，更加广义地，可定义为：2个适当配置的透镜，将相对于连结2个透镜的中心的轴而倾斜入射的光线，以就像在该轴的部分上置有镜面而使其强烈地镜面反射的散射现象。和Mie共振不同，镜面共振，是在2个光散射体上特有的现象，不能通过1个或3个光散射体的相互作用得以实现。
其次，所谓镜面共振加强衍射现象，是这样的一种现象：在将表示镜面共振的光散射单元、例如由2个球或2个透镜构成的光散射单元、进行周期性地排列的构造体中，在起因于该构造体中的周期构造的衍射光、和在每一个散射单元中所产生的镜面共振相重复的情况下，优选在衍射光的方向和镜面共振光的方向一致的情况下，随着该方向可获得较强的衍射光。
可获得镜面共振加强衍射现象的构造体，例如，在光散射体是如球或球面透镜那样的几乎轴对称形的情况下，能将这些通过2维地(规定的2方向上)周期性地排列而形成。而在光散射体是如圆筒或圆筒透镜那样的几乎面对称形的情况下，能将这些通过1维地(规定的1方向上)周期性地排列而形成。
在镜面共振加强衍射现象中，所谓镜面共振的散射现象作为衍射光栅中的闪耀(blazing)原理起作用。镜面共振现象，因为产生在比波长稍大的球、圆筒、透镜等上(具体地，一般标准是其直径为波长的1.6倍以上)、所以其即使在几乎最密集地排列的共振区域的衍射光栅上也是有效的。
引起镜面共振加强现象的最单纯的系统，是球或圆筒的2层最密填充构造。这样的构造，可以不需要作为胶体粒子或柱状体(fiber)的自组织的集成体的高度的加工技术而实现。进一步，在镜面共振加强现象中，由于并非是如现有的闪耀化衍射光栅的固定形状，而是通过2个物体的相对配置来决定闪耀条件，所以通过将该相对配置由外部进行控制、能在闪耀条件中引入可调谐性(tunability)。
以下，对本发明的衍射方法及衍射装置的实施方式进行说明。
根据本发明的光的衍射方法，也可以还包括：通过由第1层和第2层的相对的位置关系、及光对衍射光栅的入射角度所选择的至少一方进行变更，将所选择的加强的衍射光进行变更的步骤的方法。通过该步骤，能引入动态的可调谐性。在该步骤以后，如果遵循所述衍射方法而将光进行衍射，则能加强和先前已加强的衍射光不同的衍射光。
在本发明的光的衍射方法中，虽然也可以同时加强多个级次的衍射光，但是优选将单一级次的衍射光选择性地进行加强。用于实现该优选加强的条件将后述。
在本发明的光的衍射方法中，也可以将规定波长区域的衍射光选择性地进行加强。在实施将选择性地被加强的衍射光变更的步骤中，也可以是将选择性地加强的波长区域进行变更。
本发明的光的衍射装置，为了在闪耀条件中引入可调谐性，优选，还包括驱动装置，其用于将由第1层和第2层的相对的位置关系、及光对衍射光栅的入射角度、所选择的至少一方进行变更。
本发明的光的衍射装置，也可以还包括将选择性地被加强的衍射光检测的至少一个光检测器件。该衍射装置，例如能作为位置编码装置进行使用。该位置编码装置，其特征在于，包括：具备至少一个光检测器件的所述衍射装置、和第1部件、和第2部件；通过分别将第1部件连接在第1层、第2部件连接在第2层，并将根据第1层和第2层的相对位置而变化的衍射光的强度通过所述至少一个光检测器件检测，检测出第1部件和第2部件的相对位置关系。
以下，对由本发明所提供的新的衍射光栅进行说明。
根据本发明的衍射光栅，其特征在于，例如，包括：第1层，其包括如先前所述那样配置的2个以上的第1光散射体；和第2层，其包括相同地如先前所述那样配置的2个以上的第2光散射体；并具有：由2个以上的第1光散射体中所选择的一个和与该一个的第1光散射体相对应的一个第2光散射体，以使入射光可以镜面共振的方式近接配置而构成的2个以上的光散射单元；进一步，2个以上第1光散射体和2个以上第2光散射体在第1层和第2层之间相互隔开而配置。
如果利用光散射体的隔开配置，则容易调整连结构成光散射单元的一对光散射体的中心的轴和入射光所形成的角度，并扩宽闪耀条件的选择宽度。光散射体的隔开配置，也适用于使第1层和第2层相对移动的使用方式。
在该衍射光栅中，也可以还包括：第1基板，其保持2个以上的第1光散射体；第2基板，其保持2个以上的第2光散射体；和间隔保持部件，其用于隔开保持第1基板和第2基板。再有，也可以利用还包括用于对第1层和第2层的相对位置关系进行变更的驱动装置。
根据本发明的衍射光栅的其他的方式，其特征在于，和所述同样，包括：包括有2个以上的第1光散射体的第1层和包括有2个以上的第2光散射体的第2层；进一步具有：以可以镜面共振地使一对光散射体近接配置而构成的2个以上的光散射单元。因而，相互近接而配置着2个以上的第1光散射体及2个以上的第2光散射体，或由2个以上的第1光散射体及2个以上的第2光散射体所选择的至少一方具有球以外的形状、或2个以上的第1光散射体及2个以上的第2光散射体同时为球并以成为最密填充构造以外的构造而配置着。
球以外的形状没有特别地限制，例如也可以是非球面透镜。2个以上的第1光散射体及2个以上的第2光散射体，是在第2方向上延伸的柱状体、例如圆柱(圆筒)也无妨。作为最密填充构造以外的构造之一例，虽然可列举后述的正方格子的构造(图6A、图6B)，但是并非限定于此。在光散射体作为优选的例中，包括直径及折射率相同的球或圆筒、焦距相同的透镜。
本发明，进一步提供光的衍射装置，其包括本发明的衍射光栅、和与该衍射光栅一体化的光学零件。作为光学零件，能示例棱镜、光波导。
以下，在参照附图的同时，对本发明的实施方式进行说明。
图1A，图1B所示的衍射光栅的构造，例如作为在透明基板之上直径大致为1μm的透明微小球(光散射体)的2层最密填充结晶而可以实现。透明微小球，是聚苯乙烯(polystyrene)或二氧化硅(silica，SiO2)制的一致直径的球体，作为液晶显示用的隔离物(spacer)粒子或物理化学研究用的试料被制造而能容易获得。该2层最密填充结晶不利用特殊的制造装置而能简单地制作。这是因为拥有一致大小或形状的粒子、本来具有周期性地排列为自组织并可结晶化的性质。此外，在本发明中，只要能实现根据镜面共振的衍射光的加强现象，对光散射体的形状、材料没有限制。基板的材料也是相同。
在形成在基板10的表面(xy平面)上的第1层及第2层中，成为光散射体的球，在xy面上平行、而且形成着其1边平行于y轴的三角格子。第2层2的排列可认为是将第1层1的排列在x轴方向上仅移动了规定距离。
在第1层1中，对x轴方向排列有球11a、13a，对y轴方向沿该方向连续排列着球11a、11b、11c。y轴方向是层内的最密排列方向。球的最密排列的其他的方向，是从x轴方向朝y轴方向倾斜30°的方向。
图1A、图1B所展示的构造，可认为其是：将第1方向(例如从x轴方向朝y轴方向倾斜了30°的方向；37)和第2方向(例如y轴方向；38)上各自使2个以上的球周期且连续地排列的第1层1的球(第1光散射体)11a～11b、12a，分别在包括第1方向及第2方向的面以外的面内的规定方向上移动的位置上，配置有第2层2的球(第2光散射体)21a～21b、22a。
如果这样考虑，则在第1光散射体和第2光散射体之间存在着一对一的对应关系。例如，球11a和球21a、球12a和球22a、球11b和球21b、分别对应。但是，没有必要在第2层2上存在和第1层1的全部的球相对应的球。
对应关系上的相互靠近的2个球，在平行于包括所述规定方向的面(xz面)上形成2连球。该2连球具有从z轴仅倾斜了δ角度的轴(连结散射体中心的轴)31～33、以周期p周期性地排列在x轴方向。在该衍射光栅中，这些2连球作为通过镜面共振使光散射的光散射单元而起作用。在xz面上，2连球的轴31～33，可认为是将根据镜面共振的光散射看作反射时的镜面。该虚拟的镜面，对x轴方向周期性地排列使其面相互平行；对y轴方向排列成形成共同的面。
在该方式中δ＝35.3°。再有，如果将球的直径设为D，则形成p＝0.866D的关系。如后述，δ或p和D的关系根据结晶的形态或配置而不同。
如果从基板的法线方向(z轴方向)以入射角α沿xz面入射波长λ的光ki51，则在xz面内产生的衍射光ko52的方向θ，由所谓的光栅(grating)方程式sinθ＝sinα+mλ/p所给出。在此，m是整数，是衍射的级次。
这时，每2连球中的产生镜面共振的条件，是θ＝2δ-α。由此，镜面共振光和衍射光的方向一致的条件，能表示为：2cosδsin(δ-α)＝mλ/p。在图1A、图1B所示的方式中，因为在m＝+1时满足所述关系式，所以该级次的衍射光52通过镜面共振被加强。
通过镜面共振被加强的衍射光的入射方向并非限定为所述。但是，为了通过镜面共振加强衍射现象将衍射光加强而获得高衍射效率，优选，沿包括在认为使第1层的光散射体向第2层的光散射体移动时的光散射体的2个以上的轨迹的面，将入射光51导入到衍射光栅。图示方式中的所述“面”，是包括2个以上2连球的轴的面，例如包括轴(31，32；32，33；或31，33)的面；作为优选，是规定光散射体的移动方向的面(xz面；包括轴31、33的面)。如特开2001-91717号公报所公开的z轴方向向y轴方向倾斜的方向的光的入射，并非沿所述“面”入射。
虽然满足所述关系式的条件有无数，但是实际上必需考虑一些限制。首先，在相对于2连球的轴而引起镜面共振的入射角范围上存在限制，一般，作为优选，是0°≤|δ-α|≤30°。
再有，为了高效率的衍射，优选仅对单一级次的衍射光进行加强。如果加强多个衍射光，则分配在1个衍射光的能量降低。简单起见，如果假定α＝0、m＝1，则透射光(m＝0)和该衍射光的角度间隔Θ为Θ＝sin-1(λ/p)。如果设来自2连球的镜面共振光的角度扩大(半幅值)为Δθ，则在Δθ＞Θ时同时加强着一些衍射光。
将加强仅1个衍射光的基准考虑为Δθ≤Θ/2。图2图示满足该条件的范围。该图2的Δθ，是对各种的球径D(其中在尺寸参数(sizeparameter)S＝πD/λ下进行无因次化而表示)、折射率n的2连球，将各种的α中的镜面共振光的角度宽度进行平均而求得的值。图2中表示了对于n＝1.58的Δθ(在两偏振光中平均)的配合(fitting)曲线。虽然对一些S中的各种各样的n(1.3～2.1)中的Δθ的偏离范围也用竖线(bar)表示，但大体分布在该配合曲线的周围。图2中也表示Θ/2。实线是现在讨论的2层最密填充结晶的情况、虚线将后述。S＝4附近的垂直线(实线)表示衍射界限，在比其小的范围中不存在Θ。即，衍射不再产生。再有，产生镜面共振的范围的下限大约是S＝5。
如果考虑以上的情况，则可知道满足Δθ≤Θ/2的基准、且产生镜面共振的是S＝5附近的极狭的范围。该Δθ≤Θ/2的所谓基准并非是绝对的、是根据要求的衍射特性而任意设置的。一般，是大致S＝5～10的范围，可称为是1个衍射光选择性地被加强的特别有用的衍射光栅的存在区域。其相对于λ＝0.5μm的可见光其相当于D＝0.8～1.6μm、相对于λ＝1.55μm的光通信波长相当于D＝2.5～5μm。
对实际上引起镜面共振加强衍射现象的情况，和获得与现有的衍射光栅相匹配的高衍射效率的情况通过实验进行了确认。将D＝2.1μm、n＝1.58的高分子微小球通过显微操纵(Micromanipulation)法，如图3那样层叠而构成了第1层1和第2层2。
在该衍射光栅上，考虑使波长λ＝0.633μm(相当于S＝10.4)的光在xz面内以各种的角度α入射时的xz面内中的亮度分布。首先，在图4中表示理论的预想结果。图4(a)是考虑以周期p排列的有限个散射体时的衍射的亮度分布。在此，横轴为散射矢量(vector)Δk＝ko-ki的x成分。在该标记法中，衍射光的产生方向不依存于入射角而是恒定的、m＝0的衍射光(透射光)通常位于中心。在此附加2连球的镜面共振的效果。因为镜面共振是每一个散射体的散射强度分布，所以也可以作为衍射理论中的构造因子来处理。从图2，因为在该S和n中Δθ＝15°，所以作为持有该半幅值的高斯分布(Gaussian distribution)，能将构造因子近似。并将此表示在图4(b)。该峰值(peak)根据α而左右移动。
将图4(a)和图4(b)进行合成(crossing)的曲线是图4(c)的最终的亮度分布。如果改变入射角α，则可知道各级次的衍射光依次被选择加强的情况。尽管是最初如图4(a)那样同时产生多级次的衍射光的衍射光栅，但因为有图4(b)所示的闪耀效果，所以能说明获得如图4(c)的特性。
图5是将此通过实际测量而得到的结果。在实验中，因为结晶的面内尺寸是有限的、且周围的空余部分的透射光重叠所以对于m＝0的峰值而言不能与图4(c)比较。但是，其他的部分非常好地保持一致着，可认为是如预想产生了镜面共振衍射现象。此外，虽然在一部分的α中同时相同程度地出现2个峰值(peak)，但这是因为采用S稍超越10的较大的值。
这时，在图5中用○表示的条件下衍射效率最大，相对于p偏振光(图1；42)55％、相对于s偏振光(图1；41)52％。如果考虑到现有的透射型闪耀衍射光栅的典型的衍射效率是50～80％，则已经获得了相同程度的效率。再有，即使是根据偏振方向(偏向)引起的衍射效率的差较小点上也已经具备作为衍射光栅的优秀的性质。但是，实验中所利用的排列体没有执行任何的最优化。如果基于计算或系统的实验结果而根据使用波长λ对D或n进行适当地选择，则可认为获得更高衍射效率。
以上，虽然对通过自组织化技术而易制作的最密填充结晶(构造)作为题材进行了说明，但是即使对其他的构造也同样地产生镜面共振衍射现象。图6A、图6B，是代替三角格子而利用正方格子的情况的例。此外，对以下图面之中的符号，其中已经说明的符号将省略文中的说明。
这时，在2连球位于xz面内那样的方位上、换言之以在xz面内具有轴31、33那样配置着光散射体的球。在该方式中，δ＝45°、p＝0.707D。图2的虚线表示这时的Θ/2和衍射界限。在正方格子中，和三角格子相比，满足仅单一衍射光被加强的条件要稍广。因为正方格子在面内不是最密，所以虽然在平滑的基板上制作为自组织会困难，但是例如、如果在基板的表面上预先加工收容球的下端的凹陷则可制造为自组织。
0058
在图7A、图7B中，表示作为光散射体、对不是球而是圆筒形的柱状体(fiber)进行最密填充而获得的衍射光栅。在该方式中，δ＝30°、p＝D。在该方式中，对y轴方向(第2方向)，并非排列着多个光散射体，而分别延伸着第1光散射体的柱状体61、62、63及第2光散射体的柱状体71、72、73。这些柱状体，随着x轴方向(第1方向)而周期性地排列着。
在利用作为光散射体的圆筒等的柱状体的情况下，光对衍射光栅的入射方向，可以采用为使第1层1的光散射体61、62、63向第2层2的光散射体71、72、73移动的方向(和表示倾斜的轴34、35相同的方向)以外的方向。这时的优选的光入射方向，也是沿包括由通过2个以上的第1光散射体朝规定方向移动所描绘的轨迹选择的2个以上的轨迹的面的方向，作为优选是xz面内的方向。
以上所示方式，虽然任一个，都是在透明基板上在密接的状态下层叠着球或圆筒等的光散射体的方式，但是也可以是将基板去除、通过球的排列体而保持自立的构造。即，在本发明的衍射光栅中基板不是必须的。衍射条件或镜面共振条件，因为被xy面内中的波数矢量成分所决定、不依存于基板的有无而保存着波数矢量的xy成分，所以即使没有基板动作条件也不会不同。
再有，在以上所示的方式中，并非将第1层和第2层的光散射体限定于相同形状。在本说明书中，使“轨迹”，不是意味着光散射体的形状的同一性，而是用来简单地表示位置移动(例如透镜的中心的移动)的方向的用语。再有，“周期性地”，不限定于相互密接而被配置的状态，而是包括不相互接触以保持规定的间隔所配置的状态的用语。
利用2块基板也可构成衍射光栅。在图8所示的方式中，在2块透明基板10a、10b之上，分别形成着球的单层最密填充结晶层1、2。这些基板10a、10b，在以使层1、2相对向而对置的状态下，在通过间隔保持部件3保持适当的间隔的同时，由粘着剂4固定的。在该衍射光栅中，通过将第1基板10a和第2基板10b隔开而对其进行保持的间隔保持部件3，相互隔开而配置着构成层1、2的光散射体11a、12a、22a。
虽然第1层和第2层密接的衍射光栅制造容易，但是不能将xz面内中的2连球单元的倾斜角δ任意地进行选择。对于此，在图8所示的衍射光栅中，通过面内的对位而实现任意的δ。在该衍射光栅中，虽然要求将2块基板10a、10b的间隔进行精密控制，但是保持μm单位的薄间隙并固定2块平面的技术，已经商业化地利用在液晶显示或照相机透镜用的层叠型衍射光学元件中。具体而言，或可以是将拥有粒径一致的二氧化硅球或玻璃的微棒(Miecro-rod)作为隔离物(spacer)在周边的粘接部上进行混合，或通过在周边部上成型加工等设置成为隔离物的突起。在图8中，表示利用作为间隔保持部件3的二氧化硅球的隔离物的例。
图9中表示在第1层和第2层之间相互隔开配置着光散射体的衍射光栅的其他的例。在此，简单起见，虽然表示圆筒的1维排列的情况，但是即使是2维的球等的光散射体的排列也是同样的。图9的衍射光栅，还包括驱动装置5，其构成为：通过该驱动装置5使层能相对移动。作为驱动装置5，具体地，也可以利用通过所谓的压电元件、称作MEMS(Miecroelectro-mechanicalsystems)的半导体加工技术所制作的静电激励器等。
以下，说明通过各层的相对移动能实现什么样的功能。
第1功能，是对衍射光的级次的动态开关。简单而言如果α＝0，级次m的衍射光52所产生的方向，可表示为θm＝sin-1(mλ/p)。如果使第2层2相对于第1层仅移动Δx，则2连球相对于入射光51形成的角度成为δ＝tan-1(Δx/(D+G))。其中，G是各层的圆筒表面间的距离。再有，因为如果Δx超过p则重复相同状况，所以|Δx|≤p/2。如果以使θm＝2δ来选择Δx，则能将规定级次的衍射光加强。在此，如果D》G，
Figure C20048001852800191
Figure C20048001852800192
Figure C20048001852800193
则能加强级次m的Δx可写为
Figure C20048001852800195
如果考虑λ＝500nm、m＝±1，则Δx的范围为±250nm。从|Δx|≤p/2的条件考虑也处于大致相同的范围。即，通过驱动装置5，将第1层1和第2层2只在仅±250nm的范围下移动，则能选择性地加强只是行进在m＝-1、0、+1级的3个方向上的衍射光52中的一个。该程度的一行程(stroke)中的移动，无论是压电元件还是MEMS的激励器都容易实现。
第2功能，是相对于各种波长常使闪耀条件满足，并保证高效率衍射的功能。考虑将白色的入射光通过该衍射光栅进行光谱分解，将波长λ的光通过狭缝(slit)取出，计测其亮度的例。为了选择λ，例如也可以使衍射光栅相对于入射光51旋转(使α变化)。如图10所示那样，如果狭缝固定在从入射方向倾斜了β的方向上，则θ-α＝β。通过光栅(grating)方程，这时，也可以选择α以使sin(α+β)-sinα＝mλ/p。为了同时也满足镜面共振条件，则δ＝α+β/2。即，如果确定α也确定δ、若这样调节Δx，则相对于常要测量的波长成为闪耀(blazing)。在现有的衍射光栅中因为不能如此将闪耀(blazing)条件进行动态变化，所以仅在某个使用波长中满足闪耀(blazing)条件，在其他的波长中不得不妥协为通常比其低的效率。
如果考虑将以上的驱动，通过MEMS激励器来进行，则在衍射光栅中使用球或圆筒的自组织的排列不太现实。在镜面共振中，入射侧的球或圆筒起到作为聚焦透镜将入射平行光进行聚光的作用，出射侧的球或圆筒起到作为准直透镜再次将其回复为平行光的作用。由此，球或圆筒的单层排列，是球型或圆筒型、或可由与其等价的折射率倾斜型的微透镜阵列(Miecrolens array)进行置换。在所述的衍射光栅中获得最高效率的要素散射体的形状或折射率分布，本来是应通过麦克斯韦方程的严密计算来求取。那是对于严密而言则是非球面或非圆筒面的透镜、或与其等价的折射率倾斜型透镜。球或圆筒的排列，莫如，应考虑为通过牺牲多多少少的性能而容易制作的例。微透镜阵列，其自身为典型的MEMS，将其驱使平版印刷术或蚀刻的技术而实现的方法正在广泛地研究中。通过微透镜阵列和其驱动结构的集成化，期待着使本发明的衍射光栅能在最适当的形状下通过高再现性而大量生产。
此外，在图9中，虽然使驱动方向限定在x轴方向进行了说明，但是驱动方向不限定在x轴方向。在球和透镜的二维排列的情况下，通过向y轴方向的移动，也能加强向其他方向的衍射光。再有，如果能在z轴方向驱动，则通过2层距离的最优化，通常能获得最高衍射效率。
在图11中，表示对图9的构成通过微透镜阵列而进行实现的例。在该方式中，作为光散射体，使用排列了微透镜81、82、83；91、92、93的微透镜阵列10c、10d。
在图12A、图12B中，表示对图11所示的衍射光栅进行利用的闪耀波长可变衍射光栅的例。通过调整微透镜阵列10c、10d的相对的位置，能从来自白光57的衍射光58a、58b、58c中，对期望波长的衍射光选择性地进行加强。
在图13A、图13B、图13C中，表示通过切换加强级次而进行动作的光开关的例。通过将微透镜阵列10c、10d的相对的位置进行调整，从来自单色光55的级次-1、0、1的衍射光56a、56b、56c中，能将期望级次的衍射光(图13A中为-1级次光56a、图13B中为0级次光56b、图13C中为1级次光56c)选择性地进行加强。如果就规定级次的衍射光观察，则该衍射光栅作为光开关起作用。
如果考虑至今的衍射光栅的应用方式，则对本发明的衍射光栅期待着进一步的应用方法。在图14中，作为其一例，表示所谓的棱栅。棱栅是在将衍射光栅和棱镜8一体化了的装置，想要使用的衍射光52通过棱镜8的偏向作用，调整为和入射光51同轴。如果利用棱栅，则仅通过在光学系统中进行插入便只使规定的波长取出，例如就能够直接进行图像观察。
在图15中，作为衍射光栅的其他的应用例，表示光波导9的光栅耦合器(grating coupler)。如果如图15那样在要形成耦合器的部分上将决定光散射体的位置的凹陷50进行加工，则可将衍射光栅在规定的位置上制作为自组织的。根据本发明的衍射光栅，因为相当于闪耀光栅，所以从耦合器而言光不传输在其两侧，而仅在规定的方向上能将光进行波导。在该装置中，入射光53a、54a导入到光波导9(衍射光53b)、或从光波导9导出(衍射光54b)。
在图16中，表示位置编码装置的一例。如参照图9已说明那样，通过2层的衍射光栅只相对移动仅只有100nm的微小距离，变化加强某个级次的衍射光。将此利用在位置检测中。将2块微圆筒透镜阵列状的刻度(scale)10c、10d相对向，分别安装在相对运动的2个部件上(省略图示)。如果将平行光51入射，则产生多个级次的衍射光52。在每一个产生衍射光52的方向上设置光检测器7a～7e，并检测将每一个级次的信号强度。(图16表示将到±2级次的5个衍射光的强度进行检测的例)。如果2个部件相对运动，则被加强的衍射级次依次变化，且信号强的检测器依次交换。如果相对运动量Δx刚好和衍射光栅的间距(pitch)p相等，则返回最初的状况。这样，在大致数100nm的分辩率下，能计测位置变化。和现有的编码器相同地，如果将信号进行插补，则也能够以更细的分辩率计测位置。
以上，虽然对本发明的实施方式进行了说明，但是本发明不脱离其精神，就能以其他的各种方式实施。例如，在此虽然仅对光的衍射现象作为题材进行了说明，但是因为在此所处理的是由麦克斯韦(Maxwell)方程所描述的现象，所以对微波或毫波等、一般电磁波可成立相同情况。再有，在以上，虽然说明了全部透射型衍射光栅的例，但是没有理由特别限定于透射型，本发明也包括和镜子进行组合等而成的反射型的衍射光栅、及利用此的装置。再有，以在至今的光学元件中一般所作出那样，在由本发明构成的衍射光栅的表面上进行防反射镀膜的操作，也仅是本发明的一个实施例。在实施例中所示的基板，虽然简单起见假设为平面而进行了叙述，但是即使在弯曲的2个基板上形成单层的最密填充结晶的情况下所获得的效果也是相同的。
如以上详细说明那样，根据本发明，基于与至今完全不同的原理，即使在所谓的共振区域的波长区域中也能实现高效率的闪耀衍射光栅。至今的衍射光栅，虽然不可缺少高度的精密加工技术、并且为高价，但是根据本发明的衍射光栅，因为也可通过微小球或柱状体的自组织的方法得以实现，所以能廉价地制作。再有，虽然在至今的衍射光栅中其设计时所设定的闪耀条件是固定化的，但是根据本发明，也可通过来自外部的控制信号以使在各种使用条件下获得最优化的特性而将闪耀(blazing)条件进行可调谐。再有，根据利用本发明，则可实现廉价或可调谐的分光仪器或光集成电路、位置检测仪器。

Claims (14)

1、一种光的衍射方法，其中利用了衍射光栅，
所述衍射光栅，包括：第1层和第2层，其中
所述第1层包括：在第1方向上周期性地排列2个以上的且a)沿第2方向周期性地排列了2个以上的或b)在第2方向上延伸的、2个以上的第1光散射体；
所述第2层包括与所述2个以上的第1光散射体分别对应的2个以上的第2光散射体，所述2个以上的第2光散射体分别被配置在沿包括所述第1方向及第2方向之面以外的面内的规定方向与所述2个以上的第1光散射体相距规定距离的位置上，
所述第1光散射体和所述第2光散射体是比波长稍大的球、圆筒或透镜，
在所述a)的情况下，沿包括从所述2个以上的第1光散射体向所述规定的方向的移动而描绘的轨迹中选择的2个以上的轨迹的面，而且
即使在所述a)、b)的任意的情况下、以在分别从2个以上的第1光散射体选择的一个和与该一个的第1光散射体相对应的一个的第2光散射体所构成的2个以上的光散射单元中产生镜面共振的方式，
使光入射到所述衍射光栅，
通过所述2个以上的光散射单元中的镜面共振，将通过所述第1层及第2层而衍射的衍射光的一部分选择性地进行加强。
2、根据权利要求1所述的光的衍射方法，其中，
还包括：通过将从所述第1层和所述第2层的相对位置关系、及光对所述衍射光栅的入射角度中所选择的至少一方进行变更，对所选择加强的衍射光进行变更的步骤。
3、根据权利要求1所述的光的衍射方法，其中，
将单一级次的衍射光选择性地进行加强。
4、根据权利要求1所述的光的衍射方法，其中，
将规定波长范围的衍射光选择性地进行加强。
5、一种光的衍射装置，包括衍射光栅，
所述衍射光栅，包括：第1层和第2层，其中
所述第1层包括：在第1方向上周期性地排列2个以上的且a)沿第2方向周期性地排列了2个以上的或b)在第2方向上延伸的、2个以上的第1光散射体；
所述第2层包括与所述2个以上的第1光散射体分别对应的2个以上的第2光散射体，所述2个以上的第2光散射体分别被配置在沿包括所述第1方向及第2方向之面以外的面内的规定方向与所述2个以上的第1光散射体相距规定距离的位置上，
所述第1光散射体和所述第2光散射体是比波长稍大的球、圆筒或透镜，所述光的衍射装置，还包括光入射器件，该光入射器件在所述a)的情况下、沿包括从所述2个以上的第1光散射体向所述规定的方向的移动而描绘的轨迹中选择的2个以上的轨迹的面，而且
即使在所述a)、b)的任意的情况下、以在分别从2个以上的第1光散射体选择的一个和与该第1光散射体相对应的一个第2光散射体所构成的2个以上的光散射单元中产生镜面共振的方式，使光入射到所述衍射光栅；
通过所述2个以上的光散射单元中的镜面共振，对通过所述第1层及第2层而衍射的衍射光的一部分选择性地进行加强。
6、根据权利要求5所述的光的衍射装置，其中，
还包括驱动装置，其用于将从所述第1层和所述第2层的相对位置关系、及光对所述衍射光栅的入射角度中所选择的至少一方进行变更。
7、根据权利要求5所述的光的衍射装置，其中，
还包括至少一个光检测器件，其对选择性地被加强的衍射光进行检测。
8、一种位置编码装置，其中，包括：
权利要求7所述的衍射装置、第1部件、和第2部件；
通过分别将所述第1部件连接在第1层、所述第2部件连接在第2层，
将根据所述第1层和所述第2层的相对位置而变化的衍射光的强度，通过所述至少一个光检测器件进行检测，从而检测出所述第1部件和所述第2部件的相对位置关系。
9、一种衍射光栅，包括：第1层和第2层，其中
所述第1层包括：在第1方向上周期性地排列着2个以上的且沿第2方向周期性地排列着2个以上的或在所述第2方向上延伸的、2个以上的第1光散射体；
所述第2层包括与所述2个以上的第1光散射体分别对应的2个以上的第2光散射体，所述2个以上的第2光散射体分别被配置在沿包括所述第1方向及第2方向之面以外的面内的规定方向与所述2个以上的第1光散射体相距规定距离的位置上，
所述第1光散射体和所述第2光散射体是比波长稍大的球、圆筒或透镜；
所述衍射光栅，还具有2个以上的光散射单元，其由所述2个以上的第1光散射体中所选择的一个和与该一个的第1光散射体相对应的一个第2光散射体，以入射的光可以镜面共振的方式近接配置而构成；
在所述2个以上的光散射单元的每一个中，所述第1光散射体和所述第2光散射体相互隔开而配置在所述第1层和所述第2层。
10、根据权利要求9所述的衍射光栅，其中，还包括：
第1基板，其保持所述第1光散射体；第2基板，其保持所述第2光散射体；和间隔保持部件，其将第1基板和第2基板隔开地保持。
11、根据权利要求9所述的衍射光栅，其中，还包括：
用于对第1层和第2层的相对位置关系进行变更的驱动装置。
12、一种衍射光栅，包括：第1层和第2层，其中
所述第1层包括：在第1方向上周期性地排列着2个以上的沿第2方向周期性地排列2个以上的或在所述第2方向上延伸的、2个以上的第1光散射体；
所述第2层包括与所述2个以上的第1光散射体分别对应的2个以上的第2光散射体，所述2个以上的第2光散射体分别被配置在沿包括所述第1方向及第2方向之面以外的面内的规定方向与所述2个以上的第1光散射体相距规定距离的位置上，
所述第1光散射体和所述第2光散射体是比波长稍大的球、圆筒或透镜；
并且配置成：从所述2个以上的第1光散射体及所述2个以上的第2光散射体所选择的至少一方具有球以外的形状、或所述2个以上的第1光散射体及所述2个以上的第2光散射体同时为球并以成为最密填充构造以外的构造，
所述衍射光栅还具有2个以上的光散射单元，其由所述2个以上的第1光散射体中所选择的一个和与该一个的第1光散射体相对应的一个第2光散射体，以入射光可以镜面共振的方式近接配置而构成；
在所述2个以上的光散射单元的每一个中，所述第1光散射体及所述第2光散射体相互近接而配置。
13、一种衍射光栅，包括：第1层和第2层，其中
所述第1层包括：在第1方向上周期性地排列着2个以上的且沿第2方向周期性地排列2个以上的或在所述第2方向上延伸的、2个以上的第1光散射体；
所述第2层包括与所述2个以上的第1光散射体分别对应的2个以上的第2光散射体，所述2个以上的第2光散射体分别被配置在沿包括所述第1方向及第2方向之面以外的面内的规定方向与所述2个以上的第1光散射体相距规定距离的位置上，
所述第1光散射体和所述第2光散射体是比波长稍大的球、圆筒或透镜；
所述2个以上的第1光散射体及所述2个以上的第2光散射体相互近接而配置，所述2个以上的第1光散射体及所述2个以上的第2光散射体，是延伸在所述第2方向的柱状体，
所述衍射光栅还具有2个以上的光散射单元，其由所述2个以上的第1光散射体中所选择的一个和与该一个的第1光散射体相对应的一个第2光散射体，以入射光可以镜面共振的方式近接配置而构成。
14、一种衍射装置，其包括权利要求9、12或13中任一项中所述的衍射光栅、和与所述衍射光栅成为一体的光学零件。
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