JP2000508442A - 可変表面のレリーフキノフォーム光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 キノフォーム光学素子（ＫＯＥ10、10’、10''）はキノフォーム表面の異なったゾーン（14、14’）に異なった高さの表面レリーフ（20、24）を有し、それによって各ゾーンの１次回折効率を最適にする。１次回折効率の増加によって、雑音およびゴーストイメージ問題は減少され、コントラストと解像度が強化される。例示的な実施形態では、各ゾーンまたは同一ゾーンの異なった区域さえも、一定ではないステップの高さ（36）を有し、このステップの高さは最適なステップの高さ（ｄ）と、特定のゾーンまたは区域に関する関連された主要な入射角度との間の予め定められた関連により限定されるのが好ましい。比較的大きな開口と比較的狭い視野（図４）を有する光システムの場合、ＫＯＥの各点（50、50’）はイメージ全体を観察し、その点の関連する主要な入射角度はイメージ空間全体の中心（即ち、光軸および使用可能な被写体深度の実効的な“中間部”）からのいわゆる“周縁”光線（54、54’）により限定されてもよい。比較的小さい開口と比較的広視野（図５）を有する光学システムの場合、ＫＯＥの各点はイメージ（64）の一部のみを観察し、その点の関連する主要な入射角度は、その点から可視であるイメージ空間部分からの例示的な光線（54''）により定められてもよい。最適な表面のレリーフは表面の方向に関する放射の入射角度に依存するので、回折効率はキノフォームに平坦ではない表面外形を設けることによっても最適化されることができ、それによって全ての主要な光線は能動表面に垂直であり、この場合、全てのステップは同じ高さであってもよい。

Description

【発明の詳細な説明】 可変表面のレリーフキノフォーム光学素子 ［発明の技術分野］ 本発明は、回折格子およびフレネル位相ゾーンプレートのようなキノフォーム 光学素子、特に、光軸に対して必ずしも平行ではない方向でキノフォーム素子の 活性表面を交差する光線に対して設計上最適である高い回折効率のキノフォーム 光学素子に関する。 ［発明の背景］ “フレネル位相ゾーンプレート”は、側面からは１連の鋸歯形の突出部のよう に見える幾つかの同心リングを具備する点で、見掛け上一般的なフレネルレンズ に類似している。しかしながら、位相素子は屈折ではなく回折に基づき、通常の フレネルレンズと比較してより多数のゾーンを有し、隣接ゾーン間にさらに小さ い高さの差を有し、位相ゾーンレンズ素子の典型的な高さの差は２Π（１波長） の位相変化に対応している。これは典型的にリッジを表面へエッチングまたは機 械加工することによって製造され、この表面は透明な材料の薄いシート、または 通常の屈折レンズの球状表面であってもよい。キノフォーム（kinoform）は任意 の位相プロフィール、例えば任意の表面上の２つの任意のコヒーレントな点ソー スにより限定された干渉パターン等を有するフレネル位相ゾーンプレートの一般 化された形態であり、この任意の表面上に任意の多項式により限定される任意の ２次元位相プロフィールが付加されてもよい。特に、フレネル位相ゾーンプレー トは、一方が無限である２つの点により限定される光軸に垂直な平面で発生した 干渉パターンによって限定されてもよい。 所定の回折次数の回折効率は、全ての他の回折次数と反対の次数に入る光の量 の尺度である。フレネル位相ゾーンプレートは、少なくとも１次回折で非常に高 い回折効率を与えることができる。通常のキノフォームレンズの隣接ゾーン間の 間隔は一定ではなく、光軸からの距離が増加するにしたがって小さくなるが、同 一ゾーン（または２つの隣接ゾーンの）の最高点と最低点との間の距離であり表 面のレリーフの高さと呼ばれる各突出部の格子の高さは通常一定である。垂直方 向で位相ゾーンレンズ素子に入射する設計波長のコリメートされた光に対して、 基本的に全ての光が１次回折に対応する方向で回折される。 典型的にキノフォームのゾーンは円形の環状リングの形態を取るが、ゾーンは （一般的な分光格子でのような）バーおよび（光軸について異なった角度方向で 異なった焦点距離を生成するための）楕円等、その他の形態を想定してもよい。 さらに、ゾーングループは２次元のセルラアレイに整列され、それぞれのセルは 個々の光学素子として機能する。各ゾーン内で、理論的に最良の深さのプロフィ ールは、最高の区域から最低の区域まで連続的な平滑な曲線であるが、製造を容 易にするため、光学プロフィールはそれぞれ深さが一定の一連のステップ（位相 レベル）として近似的に構成される。 理論的な制限により、連続的またはマルチレベルの回折光学素子から得られる 回折効果が制限される。“スカラ回折理論”（入射光が小さい角度により屈折さ れ、回折されたフィールドが回折構造から離れて観察される）と、“フレネル近 似”（球面波が２次方程式により近似されることができる）と、“フラウンホー ファー回折”（直交位相光が無視できる）の基礎的な仮定が全て有効であること を仮定すると、Ｎレベル回折ゾーンのｑ番目の次数の回折効率η_q ^Nは次式のよう になる。 ここで、ψはそれぞれのサブピリオド（位相レベル）の（波における）位相の深 さの変化であり、ψ₀＝ψ・Ｎは各ゾーン内の（波における）位相の深さの変化 全体である。 無限数の位相レベルＮに対しては、これは次式に等しい。 したがって、少なくとも前述の仮定が有効であるとき、ｑ番目の回折順序の回 折効率は、各ゾーンの位相レベル数Ｎと、（波における）位相シフト（ψ₀によ り表される）のみに依存する関数として近似されることができ、前述の式にした がって、１次回折（ｑ＝１）では、理論的な最大値（１００％）は１つの波の位 相シフト（ψ₀＝１）に対応する。 空気により囲まれた屈折率ｎと（垂直方向で測定された）ステップの高さδｄ とを有する光学材料から形成された段部を有する回折プレートのケースにスネル の法則を適用すると、各ステップの実効的な位相の高さψは角度θの関数であり 、それによって入射光は表面の垂線から偏位する。 したがって、それぞれが予め定められた高さの所定の数のステップを有する位 相ゾーンプレートのＫＯＥ回折効率は波長および屈折率だけでなく入射角度にも 依存する。 単独の回折レンズは通常広範囲の波長にわたって使用するのに適していないが 、回折レンズ素子は、可視および赤外線スペクトルの両者の広帯域応用において 球面屈折素子の固有の収差を補償するために使用されている。キノフォーム（回 折）および光学（屈折）素子の結合はほぼ３分の１だけ光学素子数を減少し、２ 次色収差補正には特別なガラス材料を必要としない。 ［発明の要約］ 本発明はキノフォーム表面の異なったゾーンに異なった表面のレリーフの高さ を有するキノフォーム光学素子（ＫＯＥ）を提供し、それによって各ゾーンの１ 次回折効率を最適化する。１次回折効率を増加することによって、雑音およびゴ ーストイメージ問題が減少され、コントラストおよび解像度が強化される。 本発明のもう１つのさらに特別な観点は２進キノフォーム光学素子に関し、そ れにおいては各ゾーンまたは同一ゾーンの均一な異なった区域は一定ではないス テップの高さを有し、その高さは最適なステップの高さと、特定のゾーンまたは 区域に関連された主要な入射角度との予め定められた関係によって限定されるこ とが好ましい。 本発明の利点は、特に高い開口数と広い視野の光学システムで特に明白であり 、キノフォームの能動表面上の所定の点に入射する全ての光線は関連する垂線ベ ク トルについて均一に整列しない。比較的大きい開口と比較的狭い視野を有する光 学システムの場合、ＫＯＥの各点はイメージ全体を観察し、即ちその点に入射す る関連された主要な入射角度はイメージ空間全体の中心（即ち光軸および使用可 能な被写体深度の実効的な“中央部”）からいわゆる“周縁”光により限定され てもよい。比較的小さい開口と比較的広い視野を有する光学システムの場合、Ｋ ＯＥの各点はイメージの一部のみを観察し、即ちその点に入射する関連された主 要な入射角度は、その点から可視であるイメージ空間の一部分からの例示的な光 線により限定されてもよい。 最適な表面レリーフは表面の方向に関する放射の入射角度に依存するので、キ ノフォームに平面ではない表面を設けることによって回折効率も最適化され、そ れによって全ての主要な光線は能動表面に垂直であり、この場合全てのステップ は同一の高さを有する。 本発明の前述および付加的な特徴と利点は以下の詳細な説明と添付図面からさ らに明白になるであろう。図面と記載された説明では、数字は本発明の種々の特 性を示しており、同一の参照符号は図面と説明全体を通じて同一の特性を示して いる。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、位相ゾーンプレートの形態のキノフォーム光学素子の断面図である。 図２は、図１のＫＯＥの平面図である。 図３は、明白に可視であるゾーンの個々のステップを有する図１のＫＯＥの部 分図を示している。 図４は、広い視野を有する光システムで使用される図１−３のＫＯＥを示して いる。 図５は、大きい開口を有する光システムで使用される図１−３のＫＯＥを示し ている。 ［好ましい実施例の詳細な説明］ 図１、２を参照すると、例示的なキノフォーム光学素子（ＫＯＥ）は、複数の 同心環状ゾーン14により囲まれている中心ゾーン12を具備しているフレネル位相 ゾーンプレート10の形態を想定していることが示されている。各環状ゾーン14、 14’は、光軸18から同一距離16における対応する屈折レンズの一部の表面プロフ ィールに類似した深さのプロフィールを有し、内周22における最小の深さ20から 外周26における最大の深さ24まで変化している。最小の深さと最大の深さ（20、 24）の差28は“表面のレリーフの高さ”として知られ、典型的に位相ゾーンプレ ートに対して１波長（λ）程度であり、それによって１つのゾーン14からの光は 、丁度１波長だけ遅延されている隣接ゾーン14’からの光と結合されることがで き、結合された光は“１次回折”に対応して方向30で屈折される。 図１、２は一般的な平面の外部表面32を有するＫＯＥを示しており、そこには （図２で最良に見られるように）形状が円形で１つの円中心12について同心であ る環状ゾーン14、14’が定められているが、当業者は、本発明の原理がその他の ＫＯＥ構造、例えば凸面または凹面である外部表面32および／または形状が楕円 または方形であるゾーン14を有するＫＯＥ、またはそれぞれ固有の中心12を有す る複数のセルを具備したＫＯＥにも同等に応用可能であることを認識するであろ う。さらに、いずれか一方の面に空気を有して隔離された素子ではなく、ＫＯＥ 10は１よりも大きい屈折率を有する光システムの別の素子（例えば球面屈折レン ズ）と直接接触する（またはその表面上に形成される）ことができる。 図３で示されているように、ＫＯＥ10の各ゾーン14は数（Ｎ）のステップ34の 形態で製造され、それぞれ関連する高さ36と幅38を有する。図示されているよう に、所定のゾーンの全てのステップ34は同一の高さであり、直線の実効的なプロ フィール40を結果的に生じるが、当業者はＫＯＥが有限の焦点長を有するレンズ として機能するためには、ゾーンとゾーン内の表面プロフィール間の間隔42が所 望のＫＯＥ位相関数にしたがって変化されるべきであり、それによって光軸18’ に平行な光は光軸18からの距離16にしたがって異なった角度46、46’で屈折する ことによって共通の点44で焦点を結ばれることを認識するであろう。したがって 、ゾーン間のスペース42と、ゾーン内の各ステップの幅38が一定ではないことが 好ましいだけでなく、図１、２で示されているものと類似して典型的に直線では なく球面または非球面のプロフィール40を与えるように変化する。 本発明の２つの実際の実施形態について説明する。 図４は低い光レベルの応用のために設計され、比較的大きいＫＯＥ区域48およ び関連する比較的大きい実効的開口とを有するＫＯＥ10’を示しており、ここで ＫＯＥの各点50、50’はイメージ52全体からの光を観察する。この場合、ＫＯＥ 上の所定の点における主要な入射角度はいわゆる“周縁”光線54、54’によって 光軸18上の例示的なイメージ52の例示的な点56に限定される。主要な入射角度θ 、θ’（垂線からの角度の偏差）はＫＯＥからのイメージの距離58にしたがって 変化し、イメージが近いと角度偏差が大きくなるので、ＫＯＥから例示的なイメ ージまでの距離は使用可能な距離範囲（被写体深度）の“中心”近辺にあるよう に選択されるべきである。その代わりに、主要な入射角度は使用可能な被写体深 度の最小および最大においてそれぞれのイメージ（図示せず）への周縁光線の角 度間の中間点であるように選択されることができる。多数の応用では、イメージ 距離58がＫＯＥ10’から焦点44’までの焦点距離２Ｆの二倍に等しいと仮定すれ ばほとんど十分であろう。 垂線60からの主要な角度偏差（θ）が一度決定され、ψ＝１／Ｎ（１の最適値 ψ₀に対応する）を式（３）に設定すると、ステップの高さσｄ（垂直方向60で 測定される。図１を参照）は次式から計算されることができる。 ここで、λは問題の波長であり、Ｎはステップの数であり、ｎは屈折率であり、 θは表面への垂線からの主要な光線の角度偏差である。θ＝０の場合、主要な光 線は表面に垂直であり次式になることに留意する。 式（４）と（５）を結合すると、垂直光線に対する最適なステップの高さσｄ／ （０）に適用される補正係数ｋ（θ）は次式のようになる。 ＫＯＥの活性表面が空気と接触していないで屈折率ｎ₁を有する光学媒体と接 しているさらに一般的場合には、主要な入射角度θの関数としての隣接ゾーン間 の表面のレリーフの高さΔｄ間の関係は次式のようになる。 補正係数ｋ（θ）は次式で与えられる。 類似の解析が（ステップを有するプロフィールではなく）各ゾーン内で連続し たプロフィールを有するＫＯＥに対して応用可能であり、この場合Ｎ＝１であり 、（角度θを限定する）局部表面の垂線60はもはや光軸18に平行ではなく、所望 の な光線に対する隣接ゾーン間の最適の表面のレリーフの高さΔｄは次式で与えら れる。 ている主要な光線の一般的な場合には次式のようになる。 前述の式は角度偏差θに対する適切な値を決定する簡単な幾何学的方法を仮定 し、式（４）はこのようにして決定された特定の値θに対して有効である。しか しながら、より厳密で潜在的にさらに正確な解決策が物理的実験（例えばＫＯＥ の小さい軸外れ部分を分離して１次回折の強度が最大になるまでこれを傾斜する ことによる）および／またはコンピュータ化されたモデリングおよび最適化（こ の場合、異なった加重がイメージの異なった部分または異なった距離のイメージ に割当てられる）によって恐らく実現されるであろう。 前述の例はまたＫＯＥ10’の全体的な形状が平坦であることを仮定しているこ とにも留意すべきである。垂線ベクトル60と周縁光線54との両者が内側に光軸18 方向に集束するようにＫＯＥが凹面形状を有するならば、このような形状は、コ リメーションの欠如により生じた効率の損失を少なくとも部分的に補償し、ステ ップの高さにおける必要な変化は少なくなる。反対に、（典型的な球面レンズの イメージに直面した表面に与えられた場合のように）ＫＯＥが凸面形状を有する ならば、ステップの高さのより大きな変化が必要とされ、これは周縁光線54が光 軸18方向に集束する角度だけでなく、垂線ベクトル60が光軸から離れて発散する 角度を考慮する。 同様に、図５で図解して示されているように、広視野の応用の場合、主要な入 射角度θ''は、イメージフィールド66全体の一部分64のみからの光線のコーン62 の幾何学的中心の例示的な“中心光線54”により限定されてもよい。したがって 、３５度（±１７．５°）の視野と、ＫＯＥの所定の点がイメージフィールド全 体の小部分のみを観察する比較的小さい開口では、ＫＯＥの中心で、光線62’の 束は光軸18’（θ＝０°）を中心とする立体角度（コーン）に対面し、ＫＯＥの 端部のエッジでは、光線62の束は、１７．５°だけ垂線60から偏位する角度θ'' でＫＯＥと交差する中心光線54''を中心とする。 表１は、入射角度に基づいてステップの高さを調節したおよび調節していない ３５度（±１７．５°）の視野を有するＫＯＥにおいて計算された回折効率を比 較したものであり、ＫＯＥの表面のレリーフの高さ28が主要な入射角度θ、θ’ 、θ''に基づいて前述したように変化されるならば、さらに最適な光回折効率が 得られることができることを示している。 表面のレリーフの高さは単一波長または、関連する加重をそれぞれ有する広い 範囲の波長に対して最適化されることができる。キノフォームは単独の素子とし て使用されることができ、または他の光学素子と結合されることができる。 本発明を現在好ましい実施形態を参照して説明したが、本発明の技術的範囲は 以下の請求の範囲によってのみ限定され全ての等価物が含まれる。

【手続補正書】 【提出日】１９９９年６月２５日（１９９９．６．２５） 【補正内容】 請求の範囲 １．外部表面（32）と、 電磁放射波を回折するために外部表面上で限定されている複数の隣接するゾー ン（14、14’）とを具備し、 各ゾーンは外部表面に関して最大のレリーフ部分（24）と最小のレリーフ部分 （20）とを有し、 外部表面に垂直な方向（60）で測定された所定のゾーンの最大のレリーフ部分 と最小のレリーフ部分との差（28）はそのゾーンの最大のレリーフ高を限定し、 各ゾーンに入射した放射は共通の光軸に関してそれぞれ主要な方向を有し、 各ゾーンに対する最大のレリーフ高は最適化されて前記それぞれの主要な方向 を有する放射に対して最大の１次回折効率を与えるキノフォーム光学素子。 ２．前記主要な方向は全ての前記ゾーンで同じではない請求項１記載のキノフォ ーム光学素子。 ３．各ゾーンは複数のステップ（34）を具備し、各ステップの高さ（36）は次式 により決定され、 それにおいて、σｄは、外部表面に関して垂直方向で測定された前記ゾーンの ステップの高さであり、 λは、放射の波長であり、 Ｎは、前記ゾーン中のステップの数であり、 ｎは、キノフォーム光学素子が形成される光学材料の屈折率であり、 θは、前記それぞれの予め定められた方向を限定する光線の垂直方向からの角 度偏差である請求項２記載のキノフォーム光学素子。 ４．最大のレリーフの高さ（28）は、垂直の光線に対して最適化されている補正 されていない最大のレリーフ高に補正係数を適用することによって決定され、 補正係数は屈折率（ｎ）の関数および、前記垂直の光線（60）と、前記主要な 方向（54）を有する光線との間の角度偏差の関数である請求項２記載のキノフォ ーム光学素子。 ５．前記補正係数は次式により与えられ、 ここで、ｎはキノフォーム光学素子（10）を形成する光学材料の屈折率であり、 ｎ１はキノフォーム光学素子を包囲する光学媒体の屈折率であり、 θは前記角度偏差である請求項４記載のキノフォーム光学素子。 ６．前記回折媒体（10’）は比較的大きい実効開口と、前記共通の光軸（18）を 中心とする比較的狭い視野とを有するレンズ素子として機能し、 光軸は外部表面（32）の中心部分（18）に垂直であり、 中心部分と交差する光線の主要な方向は光軸により定められ、 レンズ素子の周辺ゾーン上の点（50）と交差する光線の主要な方向は、その点 と、光軸上の共通のイメージ点（56）とを接続する周縁光線（54）により定めら れる請求項４記載のキノフォーム光学素子。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 みを観察し、その点の関連する主要な入射角度は、その 点から可視であるイメージ空間部分からの例示的な光線 （54''）により定められてもよい。最適な表面のレリー フは表面の方向に関する放射の入射角度に依存するの で、回折効率はキノフォームに平坦ではない表面外形を 設けることによっても最適化されることができ、それに よって全ての主要な光線は能動表面に垂直であり、この 場合、全てのステップは同じ高さであってもよい。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．外部表面（32）と、 電磁放射波を回折するために外部表面上で限定されている複数の隣接するゾー ン（14、14'）とを具備し、 各ゾーンは外部表面に関して最大のレリーフ部分（24）と最小のレリーフ部分 （20）とを有し、 外部表面に垂直な方向（60）で測定された所定のゾーンの最大のレリーフ部分 と最小のレリーフ部分との差（28）はそのゾーンの最大のレリーフ高を限定し、 各ゾーンに入射した放射は共通の光軸に関してそれぞれ主要な方向を有し、 各ゾーンに対する最大のレリーフ高は最適化されて前記それぞれの主要な方向 を有する放射に対して最大の１次回折効率を与えるキノフォーム光学素子。 ２．前記主要な方向は全ての前記ゾーンで同じではない請求項１記載のキノフォ ーム光学素子。 ３．各ゾーンは複数のステップ（34）を具備し、各ステップの高さ（36）は次式 により決定され、 それにおいて、σｄは、外部表面に関して垂直方向で測定された前記ゾーンの ステップの高さであり、 λは、放射の波長であり、 Ｎは、前記ゾーン中のステップの数であり、 ｎは、キノフォーム光学素子が形成される光学材料の屈折率であり、 θは、前記それぞれの予め定められた方向を限定する光線の垂直方向からの角 度偏差である請求項２記載のキノフォーム光学素子。 ４．最大のレリーフの高さ（28）は、垂直の光線に対して最適化されている補正 されていない最大のレリーフ高に補正係数を適用することによって決定され、 補正係数は屈折率（ｎ）の関数および、前記垂直の光線（60）と、前記主要な 方向（54）を有する光線との間の角度偏差の関数である請求項２記載のキノフォ ーム光学素子。 ５．前記補正係数は次式により与えられ、 ここで、ｎはキノフォーム光学素子（10）を形成する光学材料の屈折率であり、 ｎ１はキノフォーム光学素子を包囲する光学媒体の屈折率であり、 θは前記角度偏差である請求項４記載のキノフォーム光学素子。 ６．前記回折媒体（10’）は比較的大きい実効開口と、前記共通の光軸（18）を 中心とする比較的狭い視野とを有するレンズ素子として機能し、 光軸は外部表面（32）の中心部分（18）に垂直であり、 中心部分と交差する光線の主要な方向は光軸により定められ、 レンズ素子の周辺ゾーン上の点（50）と交差する光線の主要な方向は、その点 と、光軸上の共通のイメージ点（56）とを接続する周縁光線（54）により定めら れる請求項４記載のキノフォーム光学素子。 ７．前記回折媒体（10''）は、比較的小さい実効開口と、前記共通の光軸(18') を中心とする比較的広い視野を有するレンズ素子として機能し、 光軸(18')は外部表面（32）の少なくとも中心部分に垂直であり、 前記中心部分と交差する光線の主要な方向は光軸（18’）により定められ、 レンズ素子の周辺ゾーン（50）上の点と交差する光線（62）の主要な方向は、 その点と対応するイメージ（66）の周辺点とを接続する光線（54''）により定め られる請求項４記載のキノフォーム光学素子。