JP2005292244A - 集光装置及び回折装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特定の波長の光に対しては１次回折光３のみを検出面４上に集光させることができるが、それ以外の波長では０次光３’や２次回折光３”等が発生する。
【解決手段】平面又は球面又は球面以外の面の上に周期的に形成された凹凸構造により透過光を回折させる透明媒質Ａの表面に、前記媒質Ａよりも高屈折率で低分散の透明媒質Ｂを充填することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズなどの光を集光する集光装置及びグレーティングなどの光を回折させる回折装置に関するものである。

従来の技術として、例えば非特許文献１がある。ここではこの先例に基づき、これを簡略化して図６から図７を用いて説明する。図６は、従来例に於ける集光装置の断面構成を示している。集光装置１は、プラスチック等の透明媒質を材料にしたレンズ表面に鋸歯状の断面をなすグレーティング１Ｇを形成したもので、レンズ表面１ａ、１ｂは光軸Ｌを中心軸とする球面又は非球面であり、グレーティング１Ｇの方位はレンズ表面１ｂ上で光軸Ｌを中心軸とする円周に沿っている。集光装置１に入射する光２はレンズ表面１ａで屈折し、グレーティング１Ｇの付いたレンズ表面１ｂで屈折と回折（１次回折）が同時に発生し、検出面４上で集光する光３となる。

図７は、従来例に於ける集光装置の表面１ｂに於ける回折原理を説明する説明図であり、レンズ表面を平面にして説明している。屈折率ｎの透明基板１の表面１ｂ上に形成された鋸歯状の断面をなすピッチΛのグレーティング１Ｇにより、波長λの光２は回折する。光２の入射角（面法線と為す角度）をゼロとすると（ゼロでなくても良いが簡単のためゼロとして説明する）、１次回折光３及び２次回折光３”の回折角度θ及びθ”（それぞれ面法線と為す角度）は、
sinθ＝λ／Λ … （式１）
sinθ”＝２λ／Λ … （式２）
で与えられる。当然、０次光３’は回折角度がゼロである。

一般には、０次光３’を挟んで反対側に−１次回折光や−２次回折光も発生するが、グレーティング断面を鋸歯状とすることで、−側の次数の回折光が弱められ、＋側の次数の回折光が強められており、特にグレーティング断面の深さｄが次式を満たすときに１次回折光３の回折効率は最大となる。

ｄ＝λ／（ｎ−１） … （式３）
従って、深さｄを最適化することで波長λの光が効率的に回折する。なお、グレーティング断面は鋸歯状でなくてもよく、鋸歯に内接する階段形状や単なる凹凸形状であっても良い。またピッチΛは一定値でなくてもよく、これを位置の関数とすることで回折角を調整し、回折光３を１点に集光する光とすることもできる。
応用光エレクトロニクスハンドブック（昭晃堂発行），Ｐ４７４−４７７

このような従来の集光装置及び回折装置において以下の問題があった。図８は従来例に於ける集光装置の透明基板１を構成する材料の分散特性（屈折率の波長依存特性）である。どのような光学材料でも可視光の領域では短波長に向かうに従って屈折率が単調増加する曲線５を描く。例えば、ゼオニックスの場合、Ｃ線（波長λＣ＝０．６５６３μｍ）での屈折率ｎＣ＝１．５２２９８３、Ｆ線（波長λＦ＝０．４８６１μｍ）での屈折率ｎＦ＝１．５３２２７１、ポリカーボネイトの場合、Ｃ線での屈折率ｎＣ＝１．５７８４０１、Ｆ線での屈折率ｎＦ＝１．５９７８０９である。

図９はグレーティング断面を一周期が１６段の階段状とし、透明基板１を構成する材料をゼオニックスとし、深さｄ＝０．９５μｍとした場合の波長に対する各回折光の回折効率を示している。１次回折光は波長０．５３μｍ付近で極大になるが、０．５３μｍ以外の波長では回折効率が低下する曲線６を描く。これは（式３）で示された回折効率最大の条件が波長と屈折率に依存する為である。例えば、波長が最適値（０．５３μｍ）から小さくなると（式３）の右辺の分子は小さく分母は大きくなり、波長が大きくなると右辺の分子は大きく分母は小さくなるので、いずれも回折効率最大の条件からの乖離が屈折率変化（分母）、波長変化（分子）の両面から強められている。一方、１次回折光の効率低下と連動して、０次光や２次回折光の回折効率は波長が最適値（０．５３μｍ）からずれるに従って増大する曲線６’、６”を描く。

従って、図６で示した集光装置１では、特定の波長の光に対しては１次回折光３のみを検出面４上に集光させることができるが、それ以外の波長では０次光３’や２次回折光３”等が発生し、１次回折光３に対する迷光として作用する。特に集光装置１をカメラ用のレンズとして用いる場合には、これらの迷光の存在が再生像の劣化に繋がる。

本発明はかかる問題点に鑑み、広い波長領域に渡って高い１次回折光の効率を維持し、迷光の発生を抑えられる集光装置及び回折装置を提供することを目的とする。

本発明の集光装置及び回折装置は、平面又は球面又は球面以外の面の上に周期的に形成された凹凸構造により透過光を回折させる透明媒質Ａの表面に、前記媒質Ａよりも高屈折率で低分散の透明媒質Ｂを充填することを特徴とする集光装置及び回折装置である。また、前記透明媒質Ｂの表面には透明媒質Ａの表面の凹凸構造が残らないことを特徴とし、前記凹凸構造の断面は鋸歯状又は鋸歯に内接する階段状であることを特徴とする。更には、前記透明媒質Ａ、Ｂの波長λに対する屈折率をｎＡ、ｎＢ、波長λ’（＜λ）に対する屈折率をｎＡ’、ｎＢ’とすると、０．８＜（ｎＢ−ｎＡ）／（ｎＢ’−ｎＡ’）×λ’／λ＜１．２を満たすことを特徴とし、特に前記透明媒質Ａ、ＢのＣ線（波長λ＝０．６５６３μｍ）に対する屈折率をｎＡ、ｎＢ、Ｆ線（波長λ’＝０．４８６１μｍ）に対する屈折率をｎＡ’、ｎＢ’とすると、（ｎＢ−ｎＡ）／（ｎＢ’−ｎＡ’）＞１．０５を満たすことを特徴とする。更には、前記透明媒質Ａ、Ｂのｅ線（波長λ”＝０．５４６１μｍ）に対する屈折率をｎＡ”、ｎＢ”とすると、前記鋸歯状又は鋸歯に内接する階段状の断面の高低差ｄは０．８＜（ｎＢ”−ｎＡ”）ｄ／λ”＜１．２の関係を満たすことを特徴とする。

上記の様な構成により、分散による屈折率差の変化が波長の違いに伴う光学的な深さの変化を抑え、広い波長領域に渡って高い回折光の効率を維持でき、迷光の発生を抑えられる。

以上の本発明により、グレーティング付きの表面を高屈折率で低分散の透明材料で埋めることで、広い波長領域に渡って高い回折光の効率を維持し、迷光の発生を抑えることができる。

（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態を図１から図５に基づいて説明する。なお従来例と共通の要素については、同一の番号を振って説明する。図１は実施の形態に於ける集光装置の断面構成を示している。集光装置は屈折率と分散特性の異なる２種類のプラスチックや紫外線硬化樹脂等の透明媒質を材料にして構成され、第１の材料の構成部１はレンズ形状をなし、表面に鋸歯状の断面をなすグレーティング１Ｇを形成したもので、レンズ表面１ａ、１ｂは光軸Ｌを中心軸とする球面又は非球面であり、グレーティング１Ｇの方位はレンズ表面１ｂ上で光軸Ｌを中心軸とする円周に沿っている。第２の材料の構成部７はグレーティング１Ｇの形成されたレンズ表面１ｂを覆い、その表面７Ｓはグレーティング１Ｇの凹凸形状が残らず、レンズ表面１ｂに沿った滑らかな形状をなす。なお、第２の材料は第１の材料よりも高屈折率で低分散である。

本実施の形態に於ける集光装置の形成の仕方は、例えば既にグレーティングの付いたレンズ形状に仕上がった第１の材料の構成部１を金型に押し込め、第１の材料の構成部１と金型との隙間に第２の材料を充填し、これを紫外線硬化させるなどの方法で第２の材料を固着させる方法等がある。

集光装置に入射する光２は構成部１の表面１ａで屈折し、グレーティング１Ｇの付いた構成部１の表面１ｂで屈折と回折（１次回折）が同時に発生し、構成部２の表面７Ｓを透過、屈折して検出面４上に集光する光３となる。

図２は本実施例に於ける集光装置の面１ｂに於ける回折原理を説明する説明図であり、面１ｂや他の面を平面にして説明している。透明基板１（構成部１）の屈折率をｎ、透明媒質７（構成部２）の屈折率をｎ’とし、面１ｂ上に形成されたグレーティング１ＧをピッチΛの鋸歯状の断面とすると、波長λの光２はグレーティング１Ｇにより回折しするが、回折方位と鋸歯の方向との関係はｎ＜ｎ’のため従来例の反対になる。光２の入射角（面７Ｓ透過後の面法線と為す角度）をゼロとすると（ゼロでなくても良いが簡単のためゼロとして説明する）、１次回折光３及び２次回折光３”の回折角度θ及びθ”（それぞれ面７Ｓ透過後の面法線と為す角度）は前述の（式１）、（式２）で与えられる。当然、０次光３’は回折角度がゼロである。

一般には、０次光３’を挟んで反対側に−１次回折光や−２次回折光も発生するが、グレーティング断面を鋸歯状とすることで、−側の次数の回折光が弱められ、＋側の次数の回折光が強められており、特にグレーティング断面の深さｄが、
ｄ＝λ／（ｎ’−ｎ） … （式４）
を満たすときに１次回折光３の回折効率は最大となる。従って、深さｄを最適化することで波長λの光が効率的に回折する。

なお、グレーティング断面は鋸歯状でなくてもよく、鋸歯に内接する階段形状や単なる凹凸形状であっても良い。またピッチΛは一定値でなくてもよく、これを位置の関数とすることで回折角を調整し、回折光３を１点に集光する光とすることもできる。

図３は、本実施形態に於ける集光装置の透明基板１（第１の材料）及び透明媒質７（第２の材料）を構成する材料の分散特性（屈折率の波長依存特性）である。第１の材料は短波長に向かうに従って屈折率が単調増加する曲線５を描き、第２の材料も短波長に向かうに従って屈折率が単調増加する曲線５’を描くが、第２の材料は第１の材料よりも高屈折率で低分散である。即ち、第１の材料、第２の材料のＣ線での屈折率をｎＣ及びｎＣ’、Ｆ線での屈折率をｎＦ及びｎＦ’とすると、
ｎＦ’＞ｎＦ かつ ｎＣ’＞ｎＣ … （式５）
（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）＞１ … （式６）
が成り立つ。

図４はグレーティング断面を一周期が１６段の階段状とし、透明基板１を構成する材料をゼオニックスとし、透明媒質７を構成する材料を屈折率１．６８で分散がゼロの材料とし、深さｄ＝３．５μｍとした場合の波長に対する各回折光の回折効率を示している。実際には分散がゼロの材料は世の中に存在しないが、透明基板１に比べ透明媒質７の分散が十分小さい一例として説明する。

１次回折光は波長０．５７μｍ付近で極大になり、０．５７μｍ以外の波長では回折効率が低下する曲線６を描くが、低下の度合いは従来例に比べ大幅に改善され、０次光や２次回折光の回折効率の増大（それぞれ曲線６’、６”参照）も抑えられている。これは波長の変化に伴って発生する（式４）で示された回折効率最大の条件からの乖離が、透明基板１、透明媒質７の分散特性によって緩和される為である。即ち、波長が最適値（０．５７μｍ）から小さくなると（式４）の右辺の分子は小さくなるが分母も小さくなり、波長が大きくなると右辺の分子は大きくなるが分母も大きくなるので、いずれも回折効率最大の条件からの乖離が弱められている。

図５はグレーティング断面を一周期が１６段の階段状とし、透明基板１を構成する材料をポリカーボネイトとし、透明媒質７を構成する材料を屈折率１．６８で分散がゼロの材料とし、深さｄ＝６．０μｍとした場合の波長に対する各回折光の回折効率を示している。１次回折光は可視光領域全般に渡って９５％以上を維持できており（曲線６）、０次光や２次回折光の回折効率も１％以下のレベルである（曲線６’、６”）。図５では図４の例以上の改善効果が得られている。

この改善効果の度合いは、（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）の値に関係する。例えば、図４の条件では（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）＝（１．６８−１．５２２９８３）／（１．６８−１．５３２２７１）＝１．０６２８、図５の条件では（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）＝（１．６８−１．５７８４０１）／（１．６８−１．５９７８０９）＝１．２３６となり、更には（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）＝λＣ／λＦ＝０．６５６３／０．４８６１＝１．３５であれば、ほぼ完全に可視光領域全般で回折効率最大の条件を満たすことができる。

なお、グレーティング断面の深さｄは、可視光領域の中間よりも青よりの波長域で（式４）を満足させるほうが、可視光領域全域での１次回折効率維持に繋がり、図４、図５のｄ（＝３．５μｍ、６．０μｍ）はそれぞれ波長λ＝０．５３μｍ、及び波長λ＝０．５４μｍでの（式４）の計算結果である。

本実施例は従来例に比べて、透明媒質７を付加する等、構造が複雑になるデメリットがあるが、一つの目安として
０．８＜（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）×λＦ／λＣ＜１．２ … （式５）
或いは
（ｎＣ’−ｎＣ）／（ｎＦ’−ｎＦ）＞１．０５ … （式６）
等を満足できれば、迷光の発生が抑えられるメリットの方がデメリットを越える。当然、Ｆ線、Ｃ線は他の波長であってもよく、必要な波長帯域の長波長側の代表を添字Ｃ、短波長側の代表をＦとして（式５）又は（式６）が成り立てば、その波長帯域全般での１次回折効率を高く維持でき、迷光の発生を抑えることができる。

なお、上記実施形態では集光装置として説明したが、集光機能がない一般的な回折装置であってもよい。また、１次回折効率に注目し、これを高く維持する視点で説明したが、欲しい回折光が２次回折光や高次回折光であってもよく、同様の効果が得られる。

本発明の集光装置は、例えばカメラのレンズ等として用いることができる。

本発明の集光装置における一実施形態に係る断面構成図 同集光装置の一面に於ける回折原理を説明する説明図 同集光装置の透明基板及び透明媒質を構成する材料の分散特性図 同集光装置の波長に対する各回折光の回折効率を説明する説明図 同集光装置の波長に対する各回折光の回折効率を説明する説明図 従来例に於ける集光装置の断面構成図 同集光装置の一表面に於ける回折原理を説明する説明図 同集光装置の透明基板を構成する材料の分散特性図 従来例に於ける波長に対する各回折光の回折効率を説明する説明図

符号の説明

１ 第１の材料の構成部
１Ｇ グレーティング
１ａ，１ｂ 第１の材料の構成部の表面
７ 第２の材料の構成部
２ 入射光
３ １次回折光
３’ ０次光
３” ２次回折光
４ 検出面
Ｌ 光軸

Claims (6)

1. 平面又は球面又は球面以外の面の上に周期的に形成された凹凸構造により透過光を回折させる透明媒質Ａの表面に、前記媒質Ａよりも高屈折率で低分散の透明媒質Ｂを充填することを特徴とする集光装置及び回折装置。
2. 前記透明媒質Ｂの表面には透明媒質Ａの表面の凹凸構造が残らないことを特徴とする請求項１記載の集光装置及び回折装置。
3. 前記凹凸構造の断面は鋸歯状又は鋸歯に内接する階段状であることを特徴とする請求項１記載の集光装置及び回折装置。
4. 前記透明媒質Ａ、Ｂの波長λに対する屈折率をｎＡ、ｎＢ、波長λ’（＜λ）に対する屈折率をｎＡ’、ｎＢ’とすると、０．８＜（ｎＢ−ｎＡ）／（ｎＢ’−ｎＡ’）×λ’／λ＜１．２を満たすことを特徴とする請求項１記載の集光装置及び回折装置。
5. 前記透明媒質Ａ、ＢのＣ線（波長λ＝０．６５６３μｍ）に対する屈折率をｎＡ、ｎＢ、Ｆ線（波長λ’＝０．４８６１μｍ）に対する屈折率をｎＡ’、ｎＢ’とすると、（ｎＢ−ｎＡ）／（ｎＢ’−ｎＡ’）＞１．０５を満たすことを特徴とする請求項１記載の集光装置及び回折装置。
6. 前記透明媒質Ａ、Ｂのｅ線（波長λ”＝０．５４６１μｍ）に対する屈折率をｎＡ”、ｎＢ”とすると、前記鋸歯状又は鋸歯に内接する階段状の断面の高低差ｄは０．８＜（ｎＢ”−ｎＡ”）ｄ／λ”＜１．２の関係を満たすことを特徴とする請求項１から３記載の集光装置及び回折装置。

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