JP2006317806A - Multi-layer diffractive optical element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a multi-layer diffractive optical element which has a structural configuration capable of making light-quantity distributions on the central part and outer peripheral part of the multi-layer diffractive optical element uniform, suppressing the degradation of NA and preventing the deterioration of a convergent spot by adjusting incident light uniformly in the multi-layer diffractive optical element. <P>SOLUTION: The multi-layer diffractive optical element 10A is provided with: a first diffractive grating 11 in which a plurality of phase areas RZ are set so as to gradually narrow the pitch toward the outer side from the center part on an optical substrate OBP having a light transmission property and stepwise diffractive grating parts 12a for diffracting diffracted light of specified orders for the incident light into respective phase areas RZ and converging the diffracted light into prescribed converged positions are formed in multi-layer; and a second diffractive grating 12 in which phase modulation area parts 12a having a predetermined retardation for diffracting diffracted light besides the specified orders for the incident light and adjusting the light transmittance for the incident light are respectively superposed into a plurality of blocks formed by dividing the first diffractive grating 11 two-dimensionally into m×n pieces and an occupancy area proportion for the first diffractive grating 11 of the phase modulation area parts 12a is made variable by every block in accordance with the required light transmittance. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、光透過性を有する光学基板上で入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための第1の回折格子を二次元的にm×n個のブロックに分割し、且つ、各ブロック内に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するための第2の回折格子を重畳させて、第1の回折格子に対する第2の回折格子の占有面積割合を必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させてなる多段型回折光学素子に関するものである。   According to the present invention, a first diffraction grating for diffracting a specific order of diffracted light with respect to incident light and condensing it at a predetermined condensing position on an optical substrate having optical transparency is two-dimensionally m. A second diffraction grating that divides into x blocks and diffracts diffracted light other than a specific order with respect to incident light and adjusts light transmittance with respect to incident light in each block. The present invention relates to a multistage diffractive optical element in which the ratio of the occupied area of the second diffraction grating to the first diffraction grating is varied for each block in accordance with the required light transmittance.

最近、回折光学素子の一種であるフレネルレンズ,多段型フレネルレンズ,多段型シリンドリカルレンズ,多段型焦点回折レンズなどは、非球面レンズと組み合わせることにより、光学的な収差を小さな値に設定できる等の理由から、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に多用されている。   Recently, Fresnel lenses, multi-stage Fresnel lenses, multi-stage cylindrical lenses, multi-stage focus diffractive lenses, etc., which are a kind of diffractive optical element, can be used to set optical aberrations to small values by combining them with aspherical lenses. For this reason, it is frequently used in optical pickups for optical disk devices and optical systems for optical communication devices.

図17(a),(b)は一般的なフレネルレンズを示した平面図,縦断面図、
図18は従来の多段型フレネルレンズを示した縦断面図、
図19(a)〜(j)は従来の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図、
図20は従来の多段型フレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。
FIGS. 17A and 17B are a plan view, a longitudinal sectional view and a general fresnel lens,
FIG. 18 is a longitudinal sectional view showing a conventional multistage Fresnel lens,
19A to 19J are process diagrams showing a process of manufacturing a conventional multistage Fresnel lens;
FIG. 20 is a diagram schematically showing a state in which a conventional multistage Fresnel lens is irradiated with a laser beam having a high light intensity at the central portion and a low light intensity at the outer peripheral portion.

図17(a),(b)に示したように、一般的なフレネルレンズ100は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板(Optical Base Plate)OBP上に、複数の輪帯領域(Ring Zone)RZが中心0を中心にしてリング状の同心円を描き、且つ、中心0から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されていると共に、各輪帯領域RZ内には回折格子101が折り返した曲面状にそれぞれ形成されており、各輪帯領域RZ内の各回折格子101の回折効果を利用してレンズ機能を持たせている。   As shown in FIGS. 17A and 17B, a general Fresnel lens 100 is formed on a disc-like optical substrate (Optical Base Plate) OBP using a glass substrate or a quartz substrate having light transmittance. In addition, a plurality of ring zone regions (Ring Zone) RZ draw a ring-shaped concentric circle with the center 0 as the center, and the ring zone pitch is gradually narrowed from the center 0 toward the outer peripheral side. In the annular zone RZ, the diffraction grating 101 is formed in a curved shape, and a lens function is provided by utilizing the diffraction effect of each diffraction grating 101 in each annular zone RZ.

ところで、下記の非特許文献1にも記載されているが、上記したフレネルレンズ100を例えば光ディスク装置のピックアップの回折光学素子として用いるような場合には、素子としての小型化と、フレネルレンズ100に入射させるレーザー光のビームパワーを有効利用するために高い回折効率との双方が要求されており、これらを実現するためにフレネルレンズは、半導体製造工程の微細加工技術を使用して、図18に示したような多段型フレネルレンズ200が採用されている。   By the way, as described in Non-Patent Document 1 below, when the above-described Fresnel lens 100 is used as, for example, a diffractive optical element of a pickup of an optical disc apparatus, the element is reduced in size and the Fresnel lens 100 is used. In order to effectively use the beam power of the incident laser light, both high diffraction efficiency and high frequency efficiency are required. In order to realize these, the Fresnel lens uses the microfabrication technology of the semiconductor manufacturing process, and FIG. A multistage Fresnel lens 200 as shown is employed.

即ち、図18に示した従来の多段型フレネルレンズ200では、上記と同様に、光透過性を有する円盤状の光学基板OBP上に、複数の輪帯領域RZが中心0から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されているものの、上記とは異なって、各輪帯領域RZ内に階段状回折格子部201が階段の段数を外周側に向かって除々に減少させて例えば8段で多段に形成されている。   That is, in the conventional multi-stage Fresnel lens 200 shown in FIG. 18, a plurality of annular zones RZ are formed from the center 0 toward the outer peripheral side on the disc-shaped optical substrate OBP having light transmittance, as described above. Although the annular pitch is set to be gradually narrowed, unlike the above, the stepped diffraction grating portion 201 gradually reduces the number of steps in the annular zone RZ toward the outer peripheral side, for example, 8 It is formed in multiple stages.

この多段型フレネルレンズ200の構造は、特定次数の回折光として例えば1次回折光を所定の集光位置に集中的に回折するために作られており、8段1次回折構造の例を示したものであり、階段一段あたりの深さは使用するレーザー光の波長λの1/8λの光学的長さに対応している。   The structure of the multi-stage Fresnel lens 200 is made to diffract a first-order diffracted light as a specific-order diffracted light at a predetermined condensing position, for example. The depth per step corresponds to an optical length of 1 / 8λ of the wavelength λ of the laser beam used.

この際、多段型フレネルレンズ200を作製する場合には、後述するように、光学基板OBPの上面を基準面としてエッチング処理を施して階段を形成することから、階段の最深部は上面から7段分の深さで形成されており、この深さは使用波長の7/8λの光学的長さに対応している。そして、複数の輪帯領域RZ内に形成した階段状回折格子部201で回折される回折光強度は95.3%が1次回折光に集中する。これを言い換えると、複数の輪帯領域RZ内に形成した階段状回折格子部201で回折された1次回折光が所定の集光位置に集光され、この階段状回折格子部201によって入射光の位相を段階的に変化させることにより、高い回折効率が得られるようになっている。   At this time, when the multi-stage Fresnel lens 200 is manufactured, as will be described later, the staircase is formed by performing an etching process using the upper surface of the optical substrate OBP as a reference surface, so that the deepest part of the staircase has seven steps from the upper surface. The depth corresponds to an optical length of 7 / 8λ of the wavelength used. Further, 95.3% of the diffracted light intensity diffracted by the stepped diffraction grating portion 201 formed in the plurality of annular zones RZ is concentrated on the first-order diffracted light. In other words, the first-order diffracted light diffracted by the stepped diffraction grating portion 201 formed in the plurality of annular zones RZ is condensed at a predetermined condensing position. By changing the phase stepwise, high diffraction efficiency can be obtained.

尚、下記の非特許文献1によれば、多段型フレネルレンズにおいて、階段状の回折格子の多段構成を2段,4段,8段,16段とした場合に、回折効率はそれぞれ39.4%, 81.0%, 95.3%, 98.9%と、階段の段数を多くするにつれて回折効率が増加することが明らかにされている。
応用物理学会日本光学会主催第29回冬季講習会 回折光学素子の設計・作製技術。
According to the following Non-Patent Document 1, in a multistage Fresnel lens, when the multistage structure of the stepped diffraction grating is set to 2, 4, 8, and 16 stages, the diffraction efficiency is 39.4, respectively. %, 81.0%, 95.3%, and 98.9%, which indicate that the diffraction efficiency increases as the number of steps is increased.
Design and fabrication technology for diffractive optical elements.

この際、多段型フレネルレンズを作製する方法は、ガラス基板や石英基板などの光学基板に対して半導体プロセスを適用することによって作製されている。   At this time, a method for producing a multistage Fresnel lens is produced by applying a semiconductor process to an optical substrate such as a glass substrate or a quartz substrate.

より具体的には、図19(a)〜(j)に示したように、階段状の回折格子が4段構造である場合に、図19(a)に示したような2段用のマスクパターンM1を用いて、図19(b)〜(e)に示したようにレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、2段段構造の回折格子をまず作製する。   More specifically, as shown in FIGS. 19A to 19J, when the step-like diffraction grating has a four-stage structure, a two-stage mask as shown in FIG. 19A. Using pattern M1, as shown in FIGS. 19B to 19E, resist coating, mask alignment, exposure, development, etching, and resist removal processes are performed to produce a two-stage diffraction grating first. To do.

この際、図19中で(a)は上記したように2段用のマスクパターンM1であり、(b)は光学基板OBPに対するレジスト塗布、(c)はマスクパターンマスクM1による露光及び現像後のレジストパターン、(d)はレジストによる基板エッチング後の基板形状、(e)はレジスト除去後の基板形状を示している。   In this case, in FIG. 19, (a) is the mask pattern M1 for two steps as described above, (b) is the resist coating on the optical substrate OBP, (c) is the exposure and development after exposure and development with the mask pattern mask M1. The resist pattern, (d) shows the substrate shape after etching the substrate with the resist, and (e) shows the substrate shape after removing the resist.

この後、図19(f)に示したような4段用のマスクパターンM2を用いて、上記と略同じ工程で図19(g)〜(j)に示したように、再度、レジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、4段構造の回折格子を作製する。   Thereafter, using a four-step mask pattern M2 as shown in FIG. 19 (f), the resist is applied again in substantially the same process as shown in FIGS. 19 (g) to (j). A mask alignment, exposure, development, etching, resist removal process is performed to produce a four-stage diffraction grating.

尚、一般的にはN枚のマスクと前記手順でNの2乗段の多段構造を形成できる。 In general, an N square multi-stage structure can be formed by N masks and the above procedure.

ところで、光ピックアップ等の光源に使用されている半導体レーザーは光強度分布を持っており、図20に示した如く、従来の多段型フレネルレンズ200に、半導体レーザーから出射したレーザー光Lを不図示のコリメータレンズで平行光に変換して入射させた時に、一般的に、適宜な位置で断面した時の断面積が略円形であるレーザー光Lの光束の中央部は光強度が強く(光量が大きく)、且つ、外周部の光束は光強度が弱い(光量が小さい)傾向がある。このように不均一な光強度分布(光量分布)を持ったレーザー光Lの光束を従来の多段型フレネルレンズ200に入射させて集光した場合、レンズ外周部の光強度が、中央部と比較して弱くなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となる。このため、レンズの開口数(NA)が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生し、問題となっている。   By the way, a semiconductor laser used for a light source such as an optical pickup has a light intensity distribution. As shown in FIG. 20, the laser light L emitted from the semiconductor laser is not shown in the conventional multistage Fresnel lens 200. In general, the central portion of the light beam of the laser light L having a substantially circular cross-sectional area when sectioned at an appropriate position has a high light intensity (the light intensity is small). Large), and the light flux at the outer peripheral portion tends to have low light intensity (small amount of light). When the light beam of the laser light L having such a non-uniform light intensity distribution (light quantity distribution) is incident on the conventional multistage Fresnel lens 200 and condensed, the light intensity at the outer periphery of the lens is compared with the central part. Therefore, the phenomenon becomes equivalent to a state in which the aperture of the lens is reduced. For this reason, the numerical aperture (NA) of the lens is lowered, and the phenomenon that the condensing spot becomes larger than that of the original lens design occurs, which causes a problem of deterioration of optical characteristics.

そこで、本発明では、レーザー光を集光する多段型回折光学素子に、集光機能の他に、レーザー光源の光強度分布(光量分布)を調整する機能を備え、多段型回折光学素子への入射光を均一に調整することで、多段型回折光学素子の中央部と外周部での光量分布を均一とし、前述のNA低下を抑制し、集光スポットの劣化を防止することができる構造形態の多段型回折光学素子が望まれている。   Therefore, in the present invention, the multistage diffractive optical element that condenses the laser light has a function of adjusting the light intensity distribution (light quantity distribution) of the laser light source in addition to the condensing function. By uniformly adjusting the incident light, the light intensity distribution at the center and outer periphery of the multi-stage diffractive optical element is made uniform, the above-mentioned NA reduction is suppressed, and the deterioration of the focused spot can be prevented. Multistage diffractive optical elements are desired.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項1記載の発明は、光透過性を有する光学基板上に複数の位相領域が中心部から外側に向かってピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各位相領域内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための階段状回折格子部が多段に形成された第1の回折格子と、
前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に前記入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った位相変調領域部が前記第1の回折格子を二次元的にm×n個に分割した複数のブロック内にそれぞれ重畳され、且つ、前記位相変調領域部の前記第1の回折格子に対する占有面積割合が必要な前記光透過率に応じてブロックごとに可変されてなる第2の回折格子と、
を備えたことを特徴とする多段型回折光学素子である。
The present invention has been made in view of the above problems, and in the invention described in claim 1, a plurality of phase regions are set on a light-transmitting optical substrate by gradually narrowing the pitch from the center to the outside. In addition, a first diffraction in which a stepped diffraction grating portion for diffracting a specific order of diffracted light with respect to incident light and condensing it at a predetermined condensing position in each phase region is formed in multiple stages. Lattice,
In order to diffract diffracted light of a specific order with respect to the incident light and to adjust light transmittance with respect to the incident light, a phase modulation region portion having a predetermined phase difference serves as the first diffraction grating. Each block is superposed in a plurality of blocks that are two-dimensionally divided into m × n, and the ratio of the area occupied by the phase modulation region portion to the first diffraction grating is required for each block according to the light transmittance. A second diffraction grating made variable to
A multi-stage diffractive optical element.

また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の多段型回折光学素子において、
前記第2の回折格子の位相変調領域部は、各ブロック内に矩形状に形成されるか、または、各ブロック内の一つの方向に向かってライン状に形成されてなることを特徴とする多段型回折光学素子である。
The invention according to claim 2 is the multistage diffractive optical element according to claim 1,
The phase modulation region portion of the second diffraction grating is formed in a rectangular shape in each block or in a line shape toward one direction in each block. Type diffractive optical element.

本発明に係る多段型回折光学素子によると、光透過性を有する光学基板上で入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための第1の回折格子を二次元的にm×n個のブロックに分割し、且つ、各ブロック内に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するための第2の回折格子を重畳させて、第1の回折格子に対する第2の回折格子の占有面積割合を必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させているために、多段型回折光学素子を例えば光ピックアップなどに適用した場合に、多段型回折光学素子に入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。   According to the multistage diffractive optical element according to the present invention, the first order for diffracting a specific order of diffracted light with respect to incident light and condensing it at a predetermined condensing position on an optical substrate having optical transparency. The diffraction grating is two-dimensionally divided into m × n blocks, and diffracted light with a specific order other than a specific order is diffracted in each block and the light transmittance is adjusted for the incident light. The second diffraction grating for the first diffraction grating is overlapped, and the occupation area ratio of the second diffraction grating to the first diffraction grating is varied for each block according to the required light transmittance. When the element is applied to an optical pickup, for example, even if the incident light incident on the multistage diffractive optical element has a light amount distribution, the light amount distribution is corrected uniformly with respect to the incident light, and the incident light is Since the light can be condensed at the condensing position, It is possible to obtain a light-collecting spot with no reduction.

勿論、多段型回折光学素子に対して組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過率分布を得ることもできる。   Of course, an arbitrary light transmittance can be set according to the characteristics of the optical system combined with the multistage diffractive optical element, and an arbitrary light transmittance distribution can be obtained.

以下に本発明に係る多段型回折光学素子の一実施例について図1〜図16を参照して、実施例1〜実施例3の順に詳細に詳細に説明する。   Hereinafter, an example of a multistage diffractive optical element according to the present invention will be described in detail in the order of Example 1 to Example 3 with reference to FIGS.

本発明に係る多段型回折光学素子は、多段型フレネルレンズ,多段型シリンドリカルレンズ,多段型焦点回折レンズなどのレンズ形状に形成されており、例えば、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に適用されている。   The multistage diffractive optical element according to the present invention is formed in a lens shape such as a multistage Fresnel lens, a multistage cylindrical lens, or a multistage focus diffractive lens. For example, the optical pickup of an optical disc apparatus or the optical of an optical communication apparatus Applied to the system.

この際、本発明に係る多段型回折光学素子を、例えば、光ディスク装置の光ピックアップに適用した場合に、非球面レンズと組み合わせて用いられており、光ピックアップ内でレーザー光源から出射した不均一な光強度分布(光量分布)を有する光束を多段型回折光学素子に入射させた時に、多段型回折光学素子で均一な光強度分布(光量分布)を有する光束に補正して、出射できるように構成されている。   At this time, when the multistage diffractive optical element according to the present invention is applied to, for example, an optical pickup of an optical disc apparatus, it is used in combination with an aspheric lens, and the nonuniformity emitted from the laser light source in the optical pickup is used. When a light beam having a light intensity distribution (light quantity distribution) is incident on a multistage diffractive optical element, the multistage diffractive optical element is corrected to a light beam having a uniform light intensity distribution (light quantity distribution) and emitted. Has been.

即ち、本発明に係る多段型回折光学素子は、光透過性を有する光学基板上で入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための第1の回折格子を二次元的にm×n個のブロックに分割し、且つ、各ブロック内に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するための第2の回折格子を重畳させて、第1の回折格子に対する第2の回折格子の占有面積割合を必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させたことを特徴とするものである。   That is, the multistage diffractive optical element according to the present invention is a first for diffracting a specific order of diffracted light with respect to incident light and condensing it at a predetermined condensing position on an optical substrate having optical transparency. The diffraction grating is divided into m × n blocks in a two-dimensional manner, and diffracted light of a specific order is diffracted with respect to the incident light and the light transmittance is adjusted with respect to the incident light. The second diffraction grating is overlapped, and the ratio of the occupied area of the second diffraction grating to the first diffraction grating is varied for each block according to the required light transmittance. is there.

尚、以下の実施例1〜3において、第1の回折格子は特定の次数の回折光として1次回折光を所定の集光位置に集光させる1次構造として形成し、一方、第2の回折格子は1次回折光以外の回折光を回折する場合について説明するが、多段型回折光学素子の設計仕様により第1の回折格子への特定の次数の回折構造として2次構造、3次構造、……でも可能である。   In Examples 1 to 3 below, the first diffraction grating is formed as a primary structure that condenses the first-order diffracted light as a specific-order diffracted light at a predetermined condensing position, whereas the second diffraction grating The case where the grating diffracts diffracted light other than the first-order diffracted light will be described. However, depending on the design specifications of the multi-stage diffractive optical element, a second-order structure, a third-order structure,... ... but it is possible.

図1は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ全体の1/4を示した上面図である。   FIG. 1 is a top view showing a quarter of the entire multistage Fresnel lens when the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to a multistage Fresnel lens.

図1に示した如く、本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子10Aは、多段型フレネルレンズに適用されており、以下、多段型フレネルレンズ10Aと呼称して説明する。   As shown in FIG. 1, the multi-stage diffractive optical element 10A according to the first embodiment of the present invention is applied to a multi-stage Fresnel lens. Hereinafter, the multi-stage Fresnel lens 10A will be referred to as a multi-stage Fresnel lens 10A.

上記した多段型フレネルレンズ10Aは、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板上に、中心部から外周側に向かって徐々にピッチを狭めて輪帯状の位相領域(以下、輪帯領域と記す)RZが複数設定されており、複数の輪帯領域RZ内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば1次回折光を回折して所定の集光位置(焦点位置)に集光させるために多段の階段状回折格子部11aを有する第1の回折格子11が形成されていると共に、この第1の回折格子11が形成された光学基板内を後述の図7で示すように二次元的にm×n個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第1の回折格子11と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った正方形(矩形状)の位相変調領域部12aを有する第2の回折格子12が重畳されていると共に、第2の回折格子12の位相変調領域部12aは第1の回折格子11に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。   The multi-stage Fresnel lens 10A described above is a ring-shaped phase region on a disk-shaped optical substrate using a light-transmitting glass substrate or quartz substrate, and the pitch is gradually narrowed from the center toward the outer periphery. A plurality of RZs (hereinafter referred to as annular zones) are set, and for example, a first-order diffracted light is diffracted as a diffracted light of a specific order with respect to incident light respectively incident on the plurality of annular zones RZ. A first diffraction grating 11 having a multistage stepped diffraction grating portion 11a is formed for condensing light at a condensing position (focal position), and in the optical substrate on which the first diffraction grating 11 is formed. 7 is divided into m × n blocks two-dimensionally as shown in FIG. 7 to be described later, the incident light is diffracted into a diffraction order different from that of the first diffraction grating 11 in each block, and the incident light is converted into the incident light. To adjust the light transmittance for A second diffraction grating 12 having a square (rectangular) phase modulation area portion 12a having a constant phase difference is superimposed, and the phase modulation area portion 12a of the second diffraction grating 12 is a first diffraction grating. The occupied area ratio with respect to the grating 11 is varied for each block in accordance with the required transmittance.

この際、円盤状の光学基板上では複数の輪帯領域RZが中心部から外周側に向かって徐々にピッチを狭めて設定されているために、各輪帯領域RZ内に平行に入射される入射光は各ピッチ幅に形成された階段状回折格子部11aに応じて入射角が変化するのでこれに応じて屈折角も異なることにより所定の集光位置(焦点位置)に集光させることができる。   At this time, on the disc-shaped optical substrate, the plurality of annular zones RZ are set so as to be gradually narrowed from the center toward the outer peripheral side, so that they enter the respective annular zones RZ in parallel. Incident light has its incident angle changed according to the stepped diffraction grating portion 11a formed at each pitch width, so that the refraction angle is different according to this, so that it can be condensed at a predetermined condensing position (focal position). it can.

更に、上記した多段型フレネルレンズ10Aは、半径が775μmに形成されており、図示では多段型フレネルレンズ全体の1/4領域を表示している。また、多段型フレネルレンズ10Aの焦点距離は20mmに設定され、光源波長λが0.4μmのレーザー光を用いた時に、位相分布は1波長分に相当する2πをグレーレベルで8段階に表示している。   Further, the multistage Fresnel lens 10A described above has a radius of 775 μm, and in the figure, displays a quarter region of the entire multistage Fresnel lens. Further, when the focal length of the multistage Fresnel lens 10A is set to 20 mm and a laser beam having a light source wavelength λ of 0.4 μm is used, the phase distribution displays 2π corresponding to one wavelength in 8 levels at the gray level. ing.

ここで、上記した多段型フレネルレンズ10Aを詳述する前に、この多段型フレネルレンズ10Aを適用した場合の光学系について図2〜図5を用いて説明する。   Here, before describing the multistage Fresnel lens 10A described above in detail, an optical system when the multistage Fresnel lens 10A is applied will be described with reference to FIGS.

図2は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光路を説明するための光路図、
図3は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図2中の位置X1〜X3に対応して示した図、
図4(a)〜(c)は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズへの入射光量分布を立体的に示した斜視図、
図5(a),(b)は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ上で光量分布を補正する場合を立体的に示した斜視図である。
FIG. 2 is an optical path diagram for explaining an optical path of an optical system when the multistage diffractive optical element according to Example 1 of the present invention is applied to a multistage Fresnel lens;
FIG. 3 shows the light intensity distribution and light transmittance of the optical system corresponding to the positions X1 to X3 in FIG. 2 when the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to a multistage Fresnel lens. Figure,
FIGS. 4A to 4C are perspective views showing a three-dimensional distribution of the amount of incident light on the multistage Fresnel lens when the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to the multistage Fresnel lens. ,
FIGS. 5A and 5B three-dimensionally show a case where the light quantity distribution is corrected on the multistage Fresnel lens when the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to the multistage Fresnel lens. FIG.

図2に示した如く、実施例1の多段型フレネルレンズ10Aを使用するにあたって、位置X1を入射光と対応した位置とし、また、位置X2を多段型フレネルレンズ10Aと対応した位置とし、また、位置X3を出射光と対応した位置とし、更に、位置X4を出射光の集光位置とした場合に、レーザー光源(図示せず)から出射したレーザー光Lをコリメータレンズ(図示せず)で平行光に変換して、適宜な位置で断面した時の断面形状が略円形であるレーザー光Lの平行光を多段型フレネルレンズ10Aの一方の面から入射させ、他方の面上で第1,第2の回折格子11,12により回折させてから出射させた時に、とくに、第1の回折格子11で回折された1次回折光が光軸K上で焦点距離f1に対応した所定の集光位置にスポット状に集光され、且つ、第2の回折格子12で回折された1次回折光以外の回折光が第1の回折格子11とは異なる回折位置に回折されるようになっている。   As shown in FIG. 2, when using the multistage Fresnel lens 10A of Example 1, the position X1 is a position corresponding to the incident light, the position X2 is a position corresponding to the multistage Fresnel lens 10A, When the position X3 is a position corresponding to the emitted light and the position X4 is a condensed position of the emitted light, the laser light L emitted from the laser light source (not shown) is paralleled by a collimator lens (not shown). The parallel light of the laser light L having a substantially circular cross-section when converted into light and cross-sectioned at an appropriate position is incident from one surface of the multistage Fresnel lens 10A, and the first and first light beams are incident on the other surface. When the light is diffracted by the two diffraction gratings 11 and 12 and then emitted, in particular, the first-order diffracted light diffracted by the first diffraction grating 11 is on the optical axis K at a predetermined condensing position corresponding to the focal length f1. Spot It is light, and, first diffraction light other than order diffracted light diffracted by the second diffraction grating 12 is adapted to be diffracted in different diffraction position and the first diffraction grating 11.

ここで、図3中で点線を用いて示した如く、断面形状が略円形であるレーザー光Lの平行光を多段型フレネルレンズ10Aに入射した時に、図2に示した位置X1における入射光束の光強度分布は光軸Kを中心にして対称であると仮定した場合、半導体レーザーの特性により、中央部の光強度を100%とすると、レンズ半径が500μm,1000μm,1500μmでは光強度がそれぞれ、97.5%,90.0%,77.5%に低下しており、中央部が凸状に突出した凸型の光強度分布特性となっている。   Here, as indicated by the dotted line in FIG. 3, when the parallel light of the laser light L having a substantially circular cross section is incident on the multistage Fresnel lens 10A, the incident light flux at the position X1 shown in FIG. Assuming that the light intensity distribution is symmetric about the optical axis K, the light intensity at the lens radii of 500 μm, 1000 μm, and 1500 μm, respectively, is 100% due to the characteristics of the semiconductor laser. 97.5%, 90.0%, and 77.5%, which are convex light intensity distribution characteristics with the central portion protruding in a convex shape.

このように中央部が凸型の光強度分布を持った入射光束を、先に図18を用いて説明したような従来の多段型フレネルレンズ200で集光すると、レンズ外周部の光量が、中央部と比較して小さくなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となり、レンズの開口数(NA)が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生する。   In this way, when the incident light beam having a convex light intensity distribution at the center is condensed by the conventional multistage Fresnel lens 200 as described above with reference to FIG. Since it is smaller than the lens portion, it becomes a phenomenon equivalent to a state in which the aperture of the lens is reduced, the numerical aperture (NA) of the lens is lowered, and the focused spot becomes larger than the original lens design. Such a phenomenon occurs, and the optical characteristics deteriorate.

この問題を解決する為に、図2中の位置X2における多段型フレネルレンズ10A上での光束の光透過率分布において、図3中で実線を用いて示したように、レンズ半径が0μm,500μm,1000μm,1500μmで光透過率が、それぞれ77.5%, 79.5%, 86.1%, 100%になるように、第1の回折格子11に対する第2の回折格子12の占有面積割合を変化させ、即ち、位置X1における凸型の光強度分布特性に対して反転させて、位置X2で中央部が凹状にへこんだ凹型の光透過率分布特性になるように逆補正している。   In order to solve this problem, in the light transmittance distribution of the light beam on the multistage Fresnel lens 10A at the position X2 in FIG. 2, the lens radii are 0 μm and 500 μm as shown by the solid line in FIG. , 1000 μm, 1500 μm, the ratio of the occupied area of the second diffraction grating 12 to the first diffraction grating 11 so that the light transmittance is 77.5%, 79.5%, 86.1%, 100%, respectively. , I.e., inverted with respect to the convex light intensity distribution characteristic at the position X1, and reversely corrected so as to have a concave light transmittance distribution characteristic in which the central portion is concavely recessed at the position X2.

この設定により、入射光が多段型フレネルレンズ10Aを透過して出射した時に、図2に示した位置X3における出射光の光強度分布は、図3中で一点鎖線を用いて示したように、入射光量と多段型フレネルレンズ光透過率との積となり、その結果フラットなものとなる。   With this setting, when the incident light is transmitted through the multistage Fresnel lens 10A and emitted, the light intensity distribution of the emitted light at the position X3 shown in FIG. 2 is shown by using a one-dot chain line in FIG. The product of the amount of incident light and the light transmittance of the multistage Fresnel lens results in flatness.

これにより、多段型フレネルレンズ10Aの外周部の光量が、中央部と略等しくなるので、レンズの口径は変化しない状態と等価になり、レンズの開口数(NA)は変化せず、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が発生しなくなる。   As a result, the amount of light at the outer periphery of the multi-stage Fresnel lens 10A is substantially equal to that at the center, which is equivalent to a state in which the aperture of the lens does not change, the numerical aperture (NA) of the lens does not change, and the condensing spot. However, the phenomenon that becomes larger than the original lens design does not occur.

但し、出射光の光強度分布がフラットになった際、全体の光量は低下するが、高輝度レーザー等の、より光量の大きい光源を使用すれば、光量の低下は防止できる。   However, when the light intensity distribution of the emitted light becomes flat, the total amount of light decreases. However, if a light source with a larger amount of light such as a high-intensity laser is used, the decrease in the amount of light can be prevented.

ここで、多段型フレネルレンズ10Aへの入射光束の光量分布を図4(a)〜(c)を用いて3次元的に図示した時に、図4中のX軸,Y軸は光軸K(図2)からの距離を示し、Z軸は光量強度を示している。   Here, when the light quantity distribution of the incident light beam to the multistage Fresnel lens 10A is three-dimensionally illustrated using FIGS. 4A to 4C, the X axis and Y axis in FIG. The distance from FIG. 2) indicates the light intensity.

この際、図4(a)に示した状態は、多段型フレネルレンズ10Aへの入射光束の光量分布が、光軸K(図2)を対称と仮定した場合の例であり、即ち、Z軸回転対称であるが、実際の光学系において、ビーム・コリメーション、ビーム成形条件、あるいは組み合わせる光学部品の特性によっては、光量分布がZ軸回転対称でなく、図4(b),(c)に示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布の場合がある。尚、図4(c)は図4(b)の強度分布を90度回転して表示したものである。   At this time, the state shown in FIG. 4A is an example in which the light amount distribution of the incident light beam to the multistage Fresnel lens 10A is assumed to be symmetrical with respect to the optical axis K (FIG. 2), that is, the Z axis. Although it is rotationally symmetric, in an actual optical system, depending on the beam collimation, beam shaping conditions, or the characteristics of the optical components to be combined, the light quantity distribution is not Z-axis rotationally symmetric and is shown in FIGS. 4B and 4C. In some cases, the distribution is asymmetric in the X-axis direction and the Y-axis direction. FIG. 4C shows the intensity distribution of FIG. 4B rotated by 90 degrees.

そして、図4(b)に図示したように入射光束の光量分布がZ軸回転非対称の場合、多段型フレネルレンズ10A上での光透過率分布を、図5(a)に示したように図4(b)に対して反転させたものに補正する。この設定により、入射光の光量分布が、多段型フレネルレンズ10A上では、入射光量分布と多段型フレネルレンズ光透過率分布との積となり、この結果、図5(b)に示したように多段型フレネルレンズ10Aからの出射光量分布はフラットなものとなる。   Then, as shown in FIG. 4B, when the light quantity distribution of the incident light beam is Z-axis rotationally asymmetric, the light transmittance distribution on the multistage Fresnel lens 10A is shown in FIG. Correction is made to the inverted version of 4 (b). With this setting, the light quantity distribution of the incident light is the product of the incident light quantity distribution and the multistage Fresnel lens light transmittance distribution on the multistage Fresnel lens 10A. As a result, as shown in FIG. The emitted light quantity distribution from the mold Fresnel lens 10A is flat.

次に、多段型フレネルレンズ10Aにおいて、第1の回折格子11と、この第1の回折格子11内に重畳される第2の回折格子12とについて図6〜図12を用いて詳述する。   Next, in the multi-stage Fresnel lens 10A, the first diffraction grating 11 and the second diffraction grating 12 superimposed on the first diffraction grating 11 will be described in detail with reference to FIGS.

図6(a),(b)は多段型フレネルレンズ中の第1の回折格子を示した平面図,断面図、
図7は図6に示した第1の回折格子をm×n個のブロックに分割した状態を示した平面図、
図8(a),(b)は第1の回折格子を分割したブロック内に形成した第2の回折格子を説明するための図、
図9は第1の回折格子のブロック内に第2の回折格子を重畳する際の占有面積割合と、第2の回折格子による0次光の光透過率との関係を示した図、
図10は第1の回折格子を拡大して示した断面図、
図11は第2の回折格子を拡大して示した断面図、
図12は第1の回折格子に対して第2の回折格子を光学的に重畳させた状態を拡大して示した断面図である。
6A and 6B are a plan view, a cross-sectional view, and a cross-sectional view showing the first diffraction grating in the multistage Fresnel lens,
FIG. 7 is a plan view showing a state in which the first diffraction grating shown in FIG. 6 is divided into m × n blocks;
8A and 8B are views for explaining a second diffraction grating formed in a block obtained by dividing the first diffraction grating,
FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the occupied area ratio when the second diffraction grating is superimposed in the block of the first diffraction grating and the light transmittance of the 0th-order light by the second diffraction grating;
FIG. 10 is an enlarged cross-sectional view of the first diffraction grating,
FIG. 11 is an enlarged sectional view of the second diffraction grating,
FIG. 12 is an enlarged cross-sectional view showing a state in which the second diffraction grating is optically superimposed on the first diffraction grating.

図6(a),(b)に示した如く、多段型フレネルレンズ10A(図1)中の第1の回折格子11は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板(Optical Base Plate)OBP上に、輪帯領域RZが中心0を中心にしてリング状の同心円を描き、中心0から外周側に向かって輪帯ピッチRp(但し、n:0以上の正の整数)を除々に狭めて複数設定されている。 As shown in FIGS. 6A and 6B, the first diffraction grating 11 in the multi-stage Fresnel lens 10A (FIG. 1) is a disk-like shape using a light-transmitting glass substrate or quartz substrate. On the optical substrate (Optical Base Plate) OBP, the ring zone region RZ draws a ring-shaped concentric circle with the center 0 as the center, and the ring zone pitch Rp n from the center 0 toward the outer peripheral side (where n = 0 or more) A plurality of positive integers are gradually narrowed.

また、第1の回折格子11に形成した複数の輪帯領域RZ内には、入射光に対して特定の次数の回折光として例えば1次回折光を回折して、光学基板OBPの中心0を通る光軸K上で所定の集光位置(焦点位置)に集光させるための階段状回折格子部11aが外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成されている。   Further, in the plurality of annular zones RZ formed in the first diffraction grating 11, for example, the first-order diffracted light is diffracted as a specific order diffracted light with respect to the incident light, and passes through the center 0 of the optical substrate OBP. A stair-like diffraction grating portion 11a for condensing light at a predetermined condensing position (focal position) on the optical axis K is formed in multiple stages by gradually reducing the number of steps in the staircase toward the outer peripheral side.

この際、第1の回折格子11に形成した階段状回折格子部11aは、階段の段数を例えば8段に設定して、1次回折構造8段の回折格子としている。   At this time, the stepped diffraction grating portion 11a formed in the first diffraction grating 11 is set to a diffraction grating having eight steps of the first order diffraction structure by setting, for example, eight steps.

また、第1の回折格子11において、複数の輪帯領域RZを、光学基板OBPの中心0から外周側に向かって順にRZ,RZ,RZ,……,RZと設定した場合に、まず、光学基板OBPの中心0を中心としてn(但し、n:0以上の正の整数)番目の輪帯領域RZに対応するレンズ半径(輪帯半径)Rを下記の数1より求めることができる。
In the first diffraction grating 11, when the plurality of annular zones RZ are set as RZ 0 , RZ 1 , RZ 2 ,..., RZ n in order from the center 0 of the optical substrate OBP to the outer peripheral side. firstly, n (where, n: 0 or a positive integer) around the center 0 of the optical substrate OBP a-th lens corresponding to ring zones RZ n radius (zonal radius) R n from the number 1 of the following Can be sought.

この数1中で、Rはn番目のレンズ半径であり、λは入射光の波長であり、入射光として波長λが0.4μmのレーザー光を用いている。また、f1は第1の回折格子11による1次回折光の焦点距離であり、この実施例1ではf1=20mmに設定されている。また、dは回折次数であり、この実施例1では第1の回折格子11による1次回折光を対象にしているのでd=1である。 In this number 1, R n is the n-th lens radius, lambda is the wavelength of the incident light, the wavelength lambda is using a laser beam of 0.4μm as the incident light. Further, f1 is a focal length of the first-order diffracted light by the first diffraction grating 11, and in this Example 1, f1 = 20 mm is set. Further, d is the diffraction order, and d = 1 because the first-order diffracted light from the first diffraction grating 11 is targeted in the first embodiment.

従って、光学基板OBPの中心0を中心としてRZ,RZ,RZ,……,RZに対応してレンズ半径R,R,R,……,Rが求められる。 Therefore, lens radii R 0 , R 1 , R 2 ,..., R n are obtained corresponding to RZ 0 , RZ 1 , RZ 2 ,..., RZ n with the center 0 of the optical substrate OBP as the center.

次に、上記したn=0の場合で、光学基板OBPの中心0を含む輪帯領域RZの輪帯ピッチRpは、下記の数2より求めることができる。
Next, in the case of n = 0 described above, the annular zone pitch Rp 0 of the annular zone RZ 0 including the center 0 of the optical substrate OBP can be obtained from the following formula 2.

次に、上記したn=0の場合を除外して、n番目の輪帯ピッチRpは、下記の数3より求めることができる。
Then, to the exclusion of the case of n = 0 as described above, n-th ring zone pitch Rp n can be determined from the number 3 below.

従って、数2及び数3から中央の輪帯領域RZのみが輪帯ピッチRpを半径にして円形に設定されるものの、輪帯領域RZ,RZ,……,RZは、輪帯ピッチRp,Rp,……,Rpの各ピッチ幅でリング状に設定されている。 Therefore, although only the central annular zone RZ 0 is set to be circular with the annular zone pitch Rp 0 as the radius from the equations 2 and 3, the annular zones RZ 1 , RZ 2 ,..., RZ n band pitch Rp 1, Rp 2, ......, is set in a ring shape at the pitch of Rp n.

そして、第1の回折格子11において、レンズ半径の最大値に対応するnの最大値を例えば140に設定した場合に、nを0〜140の範囲で順次可変しながらλ=0.4μm,f1=20mm,d=1を数1に代入してレンズ半径Rを計算し、この後、数2及び数3により、例えば、レンズ半径Rが光学基板OBPの中心を含んだ0μm近傍,500μm,1000μm,1500μmにおける輪帯ピッチRpをそれぞれ求めると、126.5μm(Rp),16.1μm(Rp15),8.0μm(Rp62),5.4μm(Rp140)が得られる。 In the first diffraction grating 11, when the maximum value of n corresponding to the maximum value of the lens radius is set to 140, for example, λ = 0.4 μm, f1 while sequentially changing n in the range of 0 to 140. = 20 mm, d = 1 is substituted into Equation 1, and the lens radius R n is calculated. Thereafter, according to Equations 2 and 3, for example, the lens radius R n is near 0 μm including the center of the optical substrate OBP, 500 μm. , 1000 .mu.m, when obtaining each ring-shaped zone pitch Rp n in 1500μm, 126.5μm (Rp 0), 16.1μm (Rp 15), 8.0μm (Rp 62), 5.4μm (Rp 140) is obtained.

尚、第1の回折格子11を設計する場合には、全ての輪帯領域RZ(n=0〜140)に対応したレンズ半径R及び輪帯ピッチRpを求めれば良い。 In the case of designing the first diffraction grating 11 may be determined for all lenses corresponding to the ring zones RZ n (n = 0~140) radius R n and annular pitch Rp n.

次に、第1の回折格子11において、多段に形成した階段状回折格子部11aの一段あたりの深さsは、一般的に下記の数4より求めることができる。
Next, in the first diffraction grating 11, the depth s per step of the stepped diffraction grating portion 11a formed in multiple stages can be generally obtained from the following equation (4).

この数4中で、sは階段状回折格子部11a中における階段の一段あたりの深さ、λは光源の波長、dは回折次数で1以上の整数、kは光学基板OBPの屈折率、vは段数である。   In Equation 4, s is the depth per step in the stepped diffraction grating portion 11a, λ is the wavelength of the light source, d is the diffraction order, an integer of 1 or more, k is the refractive index of the optical substrate OBP, v Is the number of steps.

この実施例1では第1の回折格子11に形成した多段の階段状回折格子部11aは、1次回折構造8段の回折格子を使用しているので、λを0.40μm、dを1、kを1.46、vを8とすると、一段あたりの深さsは0.109μmとなる。   In the first embodiment, the multistage step-like diffraction grating portion 11a formed on the first diffraction grating 11 uses a diffraction grating having an eight-order first-order diffraction structure, so that λ is 0.40 μm, d is 1, When k is 1.46 and v is 8, the depth s per step is 0.109 μm.

尚、8段の階段状回折格子部11aを形成する方法は、前述のように、半導体プロセスを使用し、ガラス基板や石英基板などの光学基板OBPに対して、少なくとも3枚のマスクパターンを用いてレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを繰り返し行うことで実現可能である。   As described above, the method for forming the eight-step staircase diffraction grating portion 11a uses a semiconductor process, and uses at least three mask patterns for an optical substrate OBP such as a glass substrate or a quartz substrate. This can be realized by repeatedly performing resist coating, mask alignment, exposure, development, etching, and resist removal processes.

そして、図7に示した如く、上記のように形成した第1の回折格子11の輪帯領域RZを二次元的にm×n個のブロックBLに分割する。この実施例1において、第1の回折格子11は8値の1次回折構造を採用しているので、位相分布は1波長に相当する2πをグレーレベルで8段階に表示していると共に、第1の回折格子11の外形は円形に形成されているので、実質的にはm×n個のブロックに分割する際にm=nとすれば、各ブロックBLが正方形状に分割されることになる。   Then, as shown in FIG. 7, the annular zone RZ of the first diffraction grating 11 formed as described above is two-dimensionally divided into m × n blocks BL. In the first embodiment, since the first diffraction grating 11 adopts an eight-value first-order diffraction structure, the phase distribution displays 2π corresponding to one wavelength in eight levels at the gray level, and Since the outer shape of one diffraction grating 11 is formed in a circular shape, each block BL is divided into a square shape if m = n when substantially dividing into m × n blocks. Become.

そして、第1の回折格子11をm×n個に分割した各ブロックBL内には、図8(a),(b)に示したように第2の回折格子12が使用波長λに対して例えばλ/4(0.5π)の所定の位相差を持った正方形の位相変調領域部12aの形状で重畳されるか、又は、図8(c),(d)に示したように第2の回折格子12が使用波長λに対して例えばλ/4(0.5π)の所定の位相差を持ったライン状の位相変調領域部12bの形状で重畳されているが、これに限定されるものでもなく、第2の回折格子12の位相変調領域部は任意の形状でも良く、また、任意の位相差に設定しても良い。   Then, in each block BL obtained by dividing the first diffraction grating 11 into m × n, as shown in FIGS. 8A and 8B, the second diffraction grating 12 corresponds to the use wavelength λ. For example, it is superimposed in the shape of a square phase modulation region 12a having a predetermined phase difference of λ / 4 (0.5π) or the second phase as shown in FIGS. 8 (c) and 8 (d). The diffraction grating 12 is superimposed in the shape of a line-shaped phase modulation region portion 12b having a predetermined phase difference of λ / 4 (0.5π), for example, with respect to the use wavelength λ, but is not limited thereto. In addition, the phase modulation region portion of the second diffraction grating 12 may have an arbitrary shape, or may be set to an arbitrary phase difference.

ここで、第1の回折格子11の各ブロックBL内に重畳する第2の回折格子12を設計するに当たって、分割されたブロックBLごとに入射光分布を実測するか、あるいは、シミュレーションにより求めており、全体の入射光分布中の最大値を1と設定した時に、m行n列目のブロックBLに対して入射光分布I(m,n)の行列データを生成する。この際、m,nは自然数であり、m,nの数が大きいほど分布均一性が向上する。   Here, when designing the second diffraction grating 12 to be superimposed in each block BL of the first diffraction grating 11, the incident light distribution is measured for each divided block BL or obtained by simulation. When the maximum value in the entire incident light distribution is set to 1, matrix data of the incident light distribution I (m, n) is generated for the block BL in the m-th row and the n-th column. In this case, m and n are natural numbers, and the distribution uniformity improves as the number of m and n increases.

そして、m行n列の入射光分布I(m,n)に対する全体の入射光分布中の最小値I(min)からブロックBLごとの必要光透過率T(m,n)を下記の数5より求めている。
Then, from the minimum value I (min) in the entire incident light distribution with respect to the incident light distribution I (m, n) of m rows and n columns, the required light transmittance T (m, n) for each block BL is expressed by the following equation (5). Seeking more.

この際、第2の回折格子12の各ブロックBL中における必要光透過率T(m,n)は、第1の回折格子11に対する各位相変調領域部12a(又は12b)の占める面積割合によって決まり、各位相変調領域部12a(又は12b)の形状には依存しない。   At this time, the required light transmittance T (m, n) in each block BL of the second diffraction grating 12 is determined by the area ratio of each phase modulation region portion 12a (or 12b) to the first diffraction grating 11. This does not depend on the shape of each phase modulation region 12a (or 12b).

そして、第2の回折格子12の位相分布をフーリエ変換することにより、入射光の回折次数における強度、及び回折効率を算出できることが一般に知られている。   It is generally known that the intensity and diffraction efficiency in the diffraction order of incident light can be calculated by Fourier transforming the phase distribution of the second diffraction grating 12.

具体的には、図9に示した如く、第1の回折格子のブロック内に第2の回折格子12を重畳する際に、光透過率をフーリエ変換によって算出した例として、横軸に第1の回折格子に対する第2の回折格子の占有面積割合を示し、縦軸に第2の回折格子による0次光の光透過率を示している。   Specifically, as shown in FIG. 9, when the second diffraction grating 12 is superimposed on the first diffraction grating block, the light transmittance is calculated by Fourier transform, and the first axis is plotted on the horizontal axis. The ratio of the area occupied by the second diffraction grating relative to the diffraction grating is shown, and the vertical axis shows the light transmittance of the 0th-order light by the second diffraction grating.

この図9より、第1の回折格子11に対して第2の回折格子12の占有面積割合が増加すると、第2の回折格子12による0次光の光透過率が低下する関係にある。従って、図9に示した数値テーブルを使用することで、第2の回折格子12への必要光透過率と位相変調領域部12a(又は12b)の占有面積割合とを算出することができる。   From FIG. 9, when the ratio of the area occupied by the second diffraction grating 12 with respect to the first diffraction grating 11 increases, the light transmittance of the 0th-order light by the second diffraction grating 12 decreases. Therefore, by using the numerical table shown in FIG. 9, the required light transmittance to the second diffraction grating 12 and the occupied area ratio of the phase modulation region 12a (or 12b) can be calculated.

この際、この実施例1における第2の回折格子12は、図1に示したように、第1の回折格子11のブロック内に正方形の位相変調領域部12aを光学的に重畳している。   At this time, in the second diffraction grating 12 in the first embodiment, as shown in FIG. 1, the square phase modulation region portion 12 a is optically superimposed in the block of the first diffraction grating 11.

また、多段型フレネルレンズ10Aへの入射光束の光量分布がZ軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定したものと仮定した場合に、第2の回折格子12に対して正方形の位相変調領域部12aの必要光透過率を求めてこの位相変調領域部12aの占有面積割合をブロックごとに可変することで、多段型フレネルレンズ10A上での光透過率分布を先に示した図5(a)の様に光量分布を反転させたものに補正している。この補正により、入射光の光量分布が、多段型フレネルレンズ10A上では、入射光量分布と多段型シリンドリカルレンズ光透過率分布との積となり、その結果先に示した図5(b)の様に多段型フレネルレンズ10Aからの出射光量分布はフラットなものとなる。   Further, the light quantity distribution of the incident light beam to the multi-stage Fresnel lens 10A is not symmetrical with respect to the Z-axis rotation, but becomes an asymmetric distribution in the X-axis direction and the Y-axis direction as previously shown in FIG. Assuming that the required light transmittance of the square phase modulation region 12a is obtained with respect to the second diffraction grating 12, the occupation area ratio of the phase modulation region 12a is varied for each block. As a result, the light transmittance distribution on the multistage Fresnel lens 10A is corrected to the inverted light amount distribution as shown in FIG. By this correction, the light quantity distribution of the incident light becomes the product of the incident light quantity distribution and the multistage cylindrical lens light transmittance distribution on the multistage Fresnel lens 10A, and as a result, as shown in FIG. The distribution of the quantity of light emitted from the multistage Fresnel lens 10A is flat.

より具体的に説明すると、図10〜図12には、第1の回折格子11と、第2の回折格子12と、第1の回折格子12内に重畳した第2の回折格子12とをそれぞれ拡大して図示しており、これらの図中に置いて横軸は多段型フレネルレンズのレンズ半径方向を示し、縦軸は位相差(λ)を光学基板の上面側を0として下面側に向かって1.0となるように示している。   More specifically, FIGS. 10 to 12 show the first diffraction grating 11, the second diffraction grating 12, and the second diffraction grating 12 superimposed in the first diffraction grating 12, respectively. In these drawings, the horizontal axis indicates the lens radial direction of the multistage Fresnel lens, and the vertical axis indicates the phase difference (λ) as 0 on the upper surface side of the optical substrate and toward the lower surface side. 1.0.

ここで、実施例1の多段型フレネルレンズ10A(図1)において、図10に示したように、輪帯領域RZ(図1)内の全域に亘って配置される第1の回折格子11は、入射光に対して1次回折光のみを回折して、この1次回折光を光軸K(図1)上で所定の集光位置に集光する機能を備えているものであり、外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成された階段状回折格子部11aの階段の段数が8段に設定されており、階段状回折格子部11aの全体の高さが入射光の1波長λ分の高さ(λ=0.4μm)に設定されているので、一段当たりの階段の高さは1/8λの光学的長さに対応している。   Here, in the multistage Fresnel lens 10 </ b> A (FIG. 1) of Example 1, as shown in FIG. 10, the first diffraction grating 11 disposed over the entire zone region RZ (FIG. 1) is , Only the first-order diffracted light is diffracted with respect to the incident light, and the first-order diffracted light has a function of condensing at a predetermined condensing position on the optical axis K (FIG. 1). The number of steps of the stepped diffraction grating portion 11a formed in multiple steps by gradually decreasing the number of steps toward the staircase is set to eight, and the total height of the stepped diffraction grating portion 11a is the incident light. Since the height is set to one wavelength λ (λ = 0.4 μm), the height of the steps per step corresponds to an optical length of 1 / 8λ.

一方、図11に示したように、第1回折格子11をm×n個に分割した各ブロックBL(図7,図8)内に重畳される第2の回折格子12は、入射光に対して1次回折光以外の回折光を回折する機能を備え、且つ、入射光に対して光透過率を調整する機能を備えているものであり、光学基板OBP(図6)の上面を基準面としてエッチングした時に、平坦にエッチングした正方形の位相変調領域部12aの深さは位相差が1/4半波長(λ/4)になるように設定されて2値構造になっており、この正方形の位相変調領域部12aは、第1の回折格子11に対して位相変調を行うようになっている。   On the other hand, as shown in FIG. 11, the second diffraction grating 12 superimposed in each block BL (FIGS. 7 and 8) obtained by dividing the first diffraction grating 11 into m × n is A function of diffracting diffracted light other than the first-order diffracted light, and a function of adjusting the light transmittance with respect to incident light, and using the upper surface of the optical substrate OBP (FIG. 6) as a reference surface When etched, the flatly etched square phase modulation region 12a has a binary structure in which the phase difference is set to ¼ half wavelength (λ / 4). The phase modulation area unit 12 a performs phase modulation on the first diffraction grating 11.

そして、図12に示した如く、第1回折格子11の各ブロックBL(図7,図8)内で図10に示した第1の回折格子11の階段状回折格子11aによる位相分布に対して、図12に示した第2の回折格子12に形成した正方形の位相変調領域部12aによる位相分布を光学的に重畳させることで最終的な構造形態を得ている。即ち、位相分布の重畳とは、具体的には図10の位相分布と図11の位相分布と重ね合わせた和となる。   Then, as shown in FIG. 12, with respect to the phase distribution by the stepped diffraction grating 11a of the first diffraction grating 11 shown in FIG. 10 within each block BL (FIGS. 7 and 8) of the first diffraction grating 11. The final structural form is obtained by optically superimposing the phase distribution by the square phase modulation region portion 12a formed on the second diffraction grating 12 shown in FIG. That is, the superposition of the phase distribution is specifically the sum of the superposition of the phase distribution of FIG. 10 and the phase distribution of FIG.

この際、第1の回折格子11の階段状回折格子部11a中に光学的に重畳される第2の回折格子12は、光学基板OBP(図6)が厚みを持っているので、第1の回折格子11の階段状回折格子部11a中でレンズ半径方向の適宜な位置に配置可能であり、この第2の回折格子12を前記のような適宜な位置に配置しても作用効果は変らない。   At this time, since the optical substrate OBP (FIG. 6) has a thickness, the second diffraction grating 12 optically superimposed on the stepped diffraction grating portion 11a of the first diffraction grating 11 has the first The stepped diffraction grating portion 11a of the diffraction grating 11 can be arranged at an appropriate position in the lens radial direction, and even if the second diffraction grating 12 is arranged at an appropriate position as described above, the operational effect does not change. .

更に、後述する多段型フレネルレンズ10Aの作製において、第2の回折格子12に形成した正方形の位相変調領域部12aは、第1の回折格子11を作製した上からλ/4の深さでエッチング処理される関係上、図12中の位相変調領域部12aは図11に示した単独の場合と異なって完全な平坦形状ではなくなる。   Further, in the production of the multistage Fresnel lens 10A described later, the square phase modulation region portion 12a formed on the second diffraction grating 12 is etched at a depth of λ / 4 from the production of the first diffraction grating 11. In view of the processing, the phase modulation area 12a in FIG. 12 is not completely flat unlike the single case shown in FIG.

この際、実施例1では、図10に示したように第1の回折格子11に1次回折構造8段の回折格子を、また、図11に示したように第2の回折格子12に2値構造例を示しているが、第1,第2の回折格子11,12はこの回折構造に限定されるものでない。また、第1,第2の回折格子11,12は、2次、3次等、より高次な回折構造でも同様な機能を備えることができる。   At this time, in Example 1, as shown in FIG. 10, the first diffraction grating 11 has an eight-order diffraction grating of the first order diffraction structure, and as shown in FIG. Although a value structure example is shown, the first and second diffraction gratings 11 and 12 are not limited to this diffraction structure. Further, the first and second diffraction gratings 11 and 12 can have the same function even in higher-order diffraction structures such as second-order and third-order.

また、実施例1では、多段型フレネルレンズ10Aを凸レンズとして機能させるために、第1の回折格子11の中心部から外周側に向かってピッチを除々に狭めて設定した複数の輪帯領域RZ(図1)内に階段状回折格子11aを外周側に向かって階段を下降させ、位相差を増加させているが、これに限ることなく、多段型フレネルレンズ10Aを凹レンズとして機能させるために、第1の回折格子11の中心部から外周側に向かってピッチを除々に狭めて設定した複数の輪帯領域RZ(図1)内に階段状回折格子11aを内周側に向かって階段を下降させ、位相差を増加させる場合もある。   Further, in Example 1, in order to make the multistage Fresnel lens 10A function as a convex lens, a plurality of annular zones RZ (in which the pitch is gradually narrowed from the central portion of the first diffraction grating 11 toward the outer peripheral side) In FIG. 1), the stepped diffraction grating 11a is lowered toward the outer peripheral side to increase the phase difference, but the present invention is not limited to this. In order to make the multistage Fresnel lens 10A function as a concave lens, The stair-like diffraction grating 11a is lowered toward the inner peripheral side in a plurality of annular zones RZ (FIG. 1) set with the pitch gradually narrowed from the center of one diffraction grating 11 toward the outer peripheral side. In some cases, the phase difference is increased.

更に、多段型フレネルレンズ10Aの用途は、光ピックアップに適用した場合のように先の図3中のX3位置で出射光の光強度分布をフラットに補正するのみでなく、多段型フレネルレンズ10Aに対して組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過率分布を得ることもできる。   Further, the multi-stage Fresnel lens 10A is used not only for correcting the light intensity distribution of the emitted light flat at the X3 position in FIG. 3 as in the case of application to an optical pickup, but also for the multi-stage Fresnel lens 10A. On the other hand, an arbitrary light transmittance can be set in accordance with the characteristics of the optical system to be combined, and an arbitrary light transmittance distribution can be obtained.

上記から、先に示した図1において、多段型フレネルレンズ10A中の第1の回折格子11が前述したように半径が775μmに設定されているので、第1の回折格子11全体を例えば31×31個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを50μm角の面積に分割した上で、各ブロック内の中央部位に第2の回折格子12を正方形の位相変調領域部12aの形状で重畳させ、且つ、この位相変調領域部12aを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。   From the above, in FIG. 1 described above, since the radius of the first diffraction grating 11 in the multistage Fresnel lens 10A is set to 775 μm as described above, the entire first diffraction grating 11 is, for example, 31 × The block is divided into 31 square blocks. In other words, after dividing one block into an area of 50 μm square, the second diffraction grating 12 is formed in the central portion of each block of the square phase modulation region portion 12a. The phase modulation region portion 12a is made variable for each block in accordance with the required light transmittance.

また、前述したように、多段型フレネルレンズ10Aへの入射光束の光量分布がZ軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、図1に示した如く、光透過率を小さく設計したフレネルレンズ中央部及びX軸周辺外周領域に関しては、第2の回折格子12の占有面積割合が大きく、一方、光透過率を大きく設計したフレネルレンズ外周部Y軸周辺領域では、第2の回折格子12の占有面積割合が小さくなっている。   Further, as described above, the light amount distribution of the incident light beam on the multi-stage Fresnel lens 10A is not Z-axis rotationally symmetric, but is asymmetric in the X-axis direction and Y-axis direction as previously shown in FIG. When the distribution is set to be a uniform distribution, as shown in FIG. 1, the area occupied by the second diffraction grating 12 is large in the central part of the Fresnel lens and the outer peripheral area around the X axis designed to have a small light transmittance. On the other hand, the area occupied by the second diffraction grating 12 is small in the Y-axis peripheral region of the Fresnel lens outer peripheral portion designed to have a large light transmittance.

この結果、実施例1の多段型フレネルレンズ10Aを例えば光ピックアップに適用した場合に、多段型フレネルレンズ10Aに入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。   As a result, when the multistage Fresnel lens 10A of Example 1 is applied to, for example, an optical pickup, even if the incident light incident on the multistage Fresnel lens 10A has a light quantity distribution, the light quantity distribution is made uniform with respect to the incident light. Since the incident light can be condensed at a predetermined condensing position by correcting, a condensing spot without deterioration can be obtained.

次に、本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズ10Aを作製する方法について、図13を用いて説明する。   Next, a method for producing the multistage Fresnel lens 10A of Example 1 according to the present invention will be described with reference to FIG.

図13(a)〜(j)は本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。   FIGS. 13A to 13J are process diagrams showing a process for manufacturing the multistage Fresnel lens of Example 1 according to the present invention.

この実施例1の多段型フレネルレンズ10Aは第1の回折格子が8段構造であるために、先に図19(a)〜(h)を用いて説明した4段構造の多段型フレネルレンズに対して、図13(a)に示したような8段用のマスクパターンM3を用いて、図13(b)〜(e)に示したようにレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、8段段構造の第1の回折格子をまず作製する。   Since the multistage Fresnel lens 10A of Example 1 has an eight-stage first diffraction grating, the multistage Fresnel lens having the four-stage structure described above with reference to FIGS. On the other hand, using an eight-step mask pattern M3 as shown in FIG. 13A, resist application, mask alignment, exposure, development, and etching are performed as shown in FIGS. 13B to 13E. First, a first diffraction grating having an eight-stage structure is manufactured by performing a resist removal process.

この際、図13中で(a)は上記したように8段用のマスクパターンM3であり、(b)は光学基板OBPに対するレジスト塗布、(c)はマスクパターンマスクM3による露光及び現像後のレジストパターン、(d)はレジストによる基板エッチング後の基板形状、(e)はレジスト除去後の基板形状を示している。   At this time, in FIG. 13, (a) is the mask pattern M3 for eight steps as described above, (b) is the resist coating on the optical substrate OBP, (c) is the exposure and development after the mask pattern mask M3. The resist pattern, (d) shows the substrate shape after etching the substrate with the resist, and (e) shows the substrate shape after removing the resist.

この後、図13(f)に示したように、第2の回折格子の位相変調領域部と対応するマスクパターンM4を用いて、図13(g)〜(j)に示したように、再度、レジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、第1の回折格子に第2の回折格子を光学的に重畳させた多段型フレネルレンズを作製する。   After that, as shown in FIG. 13F, using the mask pattern M4 corresponding to the phase modulation region portion of the second diffraction grating, as shown in FIGS. Then, a resist coating, mask alignment, exposure, development, etching, and resist removal processes are performed to produce a multistage Fresnel lens in which the second diffraction grating is optically superimposed on the first diffraction grating.

より具体的に説明すると、図13(f)は第2の回折格子の位相変調領域部に対応したマスクパターンM4である。また、図13(g)は前述の工程において作製した第1の回折格子にレジスト塗布したものであり、レジスト塗布基板に対してマスクパターンM4による第2の回折格子の位相変調領域部の露光を行い、レジストを現像する。また、図13(h)は図13(g)に対して現像後に残ったレジスト形状を示す。このレジストをマスクとして、エッチングを行い、図13(i)に示したようにエッチング後の形状を得る。更に、図13(j)に示したように、レジストを剥離して、第1の回折格子に対して第2の回折格子の位相を光学的に重畳した多段型フレネルレンズを得る。   More specifically, FIG. 13F shows a mask pattern M4 corresponding to the phase modulation area portion of the second diffraction grating. FIG. 13G shows the first diffraction grating produced in the above-described process coated with a resist. The resist-coated substrate is exposed to the phase modulation region of the second diffraction grating by the mask pattern M4. And develop the resist. FIG. 13 (h) shows the resist shape remaining after development with respect to FIG. 13 (g). Etching is performed using this resist as a mask to obtain the etched shape as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 13J, the resist is peeled off to obtain a multistage Fresnel lens in which the phase of the second diffraction grating is optically superimposed on the first diffraction grating.

ここで、第1の回折格子は1次回折構造8段回折格子を使用しているので、一段あたりの階段深さは、1/8λの光学的長さに対応している。また、第2の回折格子は、位相変調領域部の位相変調量をλ/4とし、回折格子を2値構造としている。   Here, since the first diffraction grating uses a first-order diffraction structure eight-stage diffraction grating, the step depth per step corresponds to an optical length of 1 / 8λ. In the second diffraction grating, the phase modulation amount of the phase modulation region is λ / 4, and the diffraction grating has a binary structure.

以上のように、レンズとして集光作用を有する第1の回折格子を予め製作しておいて、次に第2の回折格子を作製することであり、例えば、光源を変更し、異なる照明光の強度分布を持った際、その強度分布に対応して第2の回折格子を設計し、この位相変調領域部のみのマスクパターンを作製し、前記した(f)〜(j)の作製工程で、多段型フレネルレンズを得ることができる。   As described above, the first diffraction grating having a condensing function as a lens is manufactured in advance, and then the second diffraction grating is manufactured. For example, the light source is changed and different illumination lights are used. When having an intensity distribution, the second diffraction grating is designed corresponding to the intensity distribution, and a mask pattern only for this phase modulation region is prepared. In the manufacturing steps (f) to (j) described above, A multistage Fresnel lens can be obtained.

尚、この実施例1では、8段の段差をエッチングする際、3枚のマスクパターンを使用して、3回の露光、エッチング工程を行っているが、これに限定されるものでなく、例えばマスクを7枚用意して、7回エッチングを行って、8段の段差を得ることもできる。   In Example 1, when etching the eight steps, the three mask patterns are used to perform the exposure and etching processes three times. However, the present invention is not limited to this. For example, Eight steps can be obtained by preparing seven masks and performing etching seven times.

次に、本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズについて図14を用いて簡略に説明する。   Next, a modified multi-stage Fresnel lens obtained by partially modifying the multi-stage Fresnel lens of Example 1 according to the present invention will be briefly described with reference to FIG.

図14は本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ全体の1/4を示した上面図である。   FIG. 14 is a top view showing a quarter of the entire multi-stage Fresnel lens according to a modification obtained by partially deforming the multi-stage Fresnel lens according to the first embodiment of the present invention.

図14に示した如く、本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ10A’は、先に説明した実施例1の多段型フレネルレンズ10Aに対して第2の回折格子12の形状が異なるだけであり、実施例1に対して異なる点を中心にして説明する。   As shown in FIG. 14, a modified multi-stage Fresnel lens 10A ′ obtained by partially modifying the multi-stage Fresnel lens of Example 1 according to the present invention is a multi-stage Fresnel lens 10A of Example 1 described above. On the other hand, only the shape of the second diffraction grating 12 is different, and different points from the first embodiment will be mainly described.

上記した変形例の多段型フレネルレンズ10A’は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板上に、中心部から外周側に向かって徐々にピッチを狭めて輪帯状の位相領域が複数設定されており、複数の輪帯領域内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば1次回折光を回折して所定の集光位置(焦点位置)に集光させるために多段の階段状回折格子部11aを有する第1の回折格子11が形成されていると共に、この第1の回折格子11が形成された光学基板内を先に図7で示したように二次元的にm×n個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第1の回折格子11と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持ったライン状の位相変調領域部12bを有する第2の回折格子12が重畳されていると共に、第2の回折格子12の位相変調領域部12bは第1の回折格子11に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。   The multi-stage Fresnel lens 10A ′ according to the above-described modified example is formed on a disk-shaped optical substrate using a light-transmitting glass substrate or quartz substrate, with the pitch gradually narrowed from the center toward the outer periphery. A plurality of band-shaped phase regions are set, and for example, a first-order diffracted light is diffracted as a diffracted light of a specific order with respect to incident light respectively incident into the plurality of annular regions, and a predetermined condensing position (focal position) A first diffraction grating 11 having a multi-step staircase diffraction grating portion 11a is formed in order to collect light on the optical substrate, and the inside of the optical substrate on which the first diffraction grating 11 is formed is shown in FIG. As described above, when divided into m × n blocks two-dimensionally, incident light is diffracted into a diffraction order different from that of the first diffraction grating 11 in each block, and light transmittance is increased with respect to the incident light. A laser with a predetermined phase difference to adjust The second diffraction grating 12 having the N-shaped phase modulation region portion 12 b is superimposed, and the phase modulation region portion 12 b of the second diffraction grating 12 has a transmission area that requires an occupied area ratio with respect to the first diffraction grating 11. It is variable for each block according to the rate.

即ち、この変形例の多段型フレネルレンズ10A’も、実施例1と同様に半径が775μmに設定され、且つ、焦点距離は20mmに設定され、光源波長λが0.4μmのレーザー光を用いた時に、位相分布は1波長分に相当する2πをグレーレベルで8段階に表示している。   That is, the multi-stage Fresnel lens 10A ′ of this modification also uses laser light having a radius of 775 μm, a focal length of 20 mm, and a light source wavelength λ of 0.4 μm, as in the first embodiment. In some cases, the phase distribution displays 2π corresponding to one wavelength in 8 levels on a gray level.

そして、多段型フレネルレンズ10A’中で第1の回折格子11全体を例えば31×31個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを50μm角の面積に分割した上で、第2の回折格子12は各ブロックの中央部位に一つの方向(Y軸方向)に向かってライン状の位相変調領域部12bが各ブロック連接して重畳され、且つ、この位相変調領域部12bを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。   Then, the entire first diffraction grating 11 is divided into, for example, 31 × 31 square blocks in the multistage Fresnel lens 10A ′. In other words, after dividing one block into an area of 50 μm square, In the second diffraction grating 12, a line-shaped phase modulation region portion 12 b is superposed in a central direction of each block in one direction (Y-axis direction) and connected to each block, and this phase modulation region portion 12 b is necessary. The light transmittance is varied for each block according to the light transmittance.

そして、この変形例でも、多段型フレネルレンズ10A’への入射光束の光量分布が、Z軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、図14に示した如く、光透過率を小さく設計したフレネルレンズ中央部及びX軸周辺外周領域に関しては、第2の回折格子12の占有面積割合が大きいためにライン幅が大きくなる一方、光透過率を大きく設計したフレネルレンズ外周部Y軸周辺領域では、第2の回折格子12の占有面積割合が小さいためにライン幅が小さくなっている。   In this modification as well, the light quantity distribution of the incident light beam on the multi-stage Fresnel lens 10A ′ is not Z-axis rotationally symmetric, but as previously shown in FIG. 4B, the X-axis direction and the Y-axis direction. , The area occupied by the second diffraction grating 12 with respect to the central part of the Fresnel lens and the outer peripheral area around the X axis designed to have a small light transmittance as shown in FIG. However, in the area around the Y-axis periphery of the Fresnel lens designed to have a large light transmittance, the area occupied by the second diffraction grating 12 is small, so the line width is small.

この結果、変形例の多段型フレネルレンズ10A’を例えば光ピックアップに適用した場合に、実施例と同様に、多段型フレネルレンズ10A’に入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。   As a result, when the modified multi-stage Fresnel lens 10A ′ is applied to, for example, an optical pickup, even if the incident light incident on the multi-stage Fresnel lens 10A ′ has a light quantity distribution, On the other hand, since the light quantity distribution can be uniformly corrected and the incident light can be condensed at a predetermined condensing position, it is possible to obtain a condensing spot without deterioration.

図15は本発明に係る実施例2の多段型回折光学素子を多段型シリンドリカルレンズに適用した時に、多段型シリンドリカルレンズ全体を示した上面図である。   FIG. 15 is a top view showing the entire multi-stage cylindrical lens when the multi-stage diffractive optical element according to Example 2 of the present invention is applied to the multi-stage cylindrical lens.

図15に示した如く、本発明に係る実施例2の多段型回折光学素子10Bは、多段型シリンドリカルレンズに適用されており、以下、多段型シリンドリカルレンズ10Bと呼称して説明する。   As shown in FIG. 15, the multistage diffractive optical element 10B according to the second embodiment of the present invention is applied to a multistage cylindrical lens, and will be hereinafter referred to as a multistage cylindrical lens 10B.

この多段型シリンドリカルレンズ10Bは、光束入射面のX軸方向のみに集光機能を持ち、X軸に対して直交するY軸方向に関しては集光機能を持たない、いわゆるかまぼこ型レンズである。   This multi-stage cylindrical lens 10B is a so-called kamaboko type lens that has a condensing function only in the X-axis direction of the light incident surface and does not have a condensing function in the Y-axis direction orthogonal to the X-axis.

上記に伴って、実施例2の多段型シリンドリカルレンズ10Bは、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた矩形状の光学基板上に、X軸方向において中心部から外側に向かって徐々にピッチを狭めてライン状の位相領域(以下、ライン状領域と記す)LZが複数設定されており、複数のライン状領域LZ内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば1次回折光を回折して所定の集光位置(焦点位置)に集光させるために多段の階段状回折格子部11aを有する第1の回折格子11が形成されていると共に、この第1の回折格子11が形成された光学基板内を先に図7で示したように二次元的にm×n個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第1の回折格子11と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った正方形の位相変調領域部12aを有する第2の回折格子12が重畳されていると共に、第2の回折格子12の位相変調領域部12aは第1の回折格子11に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。   Accordingly, the multistage cylindrical lens 10B of Example 2 is gradually formed on the rectangular optical substrate using a light-transmitting glass substrate or quartz substrate from the center to the outside in the X-axis direction. A plurality of line-shaped phase regions (hereinafter referred to as “line-shaped regions”) LZ are set with the pitch narrowed, and the incident light incident on each of the plurality of line-shaped regions LZ is diffracted light of a specific order. For example, a first diffraction grating 11 having a multistage stepped diffraction grating portion 11a is formed in order to diffract the first-order diffracted light and collect it at a predetermined condensing position (focal position). When the inside of the optical substrate on which the diffraction grating 11 is formed is divided into m × n blocks two-dimensionally as shown in FIG. 7, a different diffraction order from that of the first diffraction grating 11 is obtained in each block. Diffracts incident light In addition, a second diffraction grating 12 having a square phase modulation region portion 12a having a predetermined phase difference for adjusting light transmittance with respect to incident light is superimposed, and the second diffraction grating 12 is also superimposed. In the phase modulation region portion 12a, the occupied area ratio with respect to the first diffraction grating 11 is varied for each block according to the required transmittance.

更に、上記した多段型シリンドリカルレンズ10Bは、縦横寸法が1550μmにそれぞれ形成されており、図示では多段型シリンドリカルレンズ全体を表示している。   Further, the multistage cylindrical lens 10B described above is formed to have a vertical and horizontal dimension of 1550 μm, respectively, and the entire multistage cylindrical lens is shown in the drawing.

また、多段型シリンドリカルレンズ10Bは、X方向の焦点距離が20mmであり、Y方向の焦点距離は無限大であり、光源波長λが0.4μmのレーザー光を用いた時に、位相分布は1波長分に相当する2πをグレーレベルで8段階に表示している。   The multistage cylindrical lens 10B has a focal length in the X direction of 20 mm, an infinite focal length in the Y direction, and a phase distribution of one wavelength when a laser beam having a light source wavelength λ of 0.4 μm is used. 2π corresponding to the minute is displayed in 8 levels at the gray level.

ここで、多段型シリンドリカルレンズ10Bにおいて、集光機能を持つX軸方向に関しては、先に実施例1で説明した多段型シリンドリカルレンズ10Aの数式である数1〜数3、及び、多段構造の深さの数式である数4を使用することで、集光機能を持つ第1の回折格子11の位相分布を算出できる。   Here, in the multistage cylindrical lens 10B, with respect to the X-axis direction having a condensing function, Formulas 1 to 3 that are the mathematical formulas of the multistage cylindrical lens 10A described in the first embodiment and the depth of the multistage structure are described. By using the equation (4), the phase distribution of the first diffraction grating 11 having a light condensing function can be calculated.

一方、集光機能を持たないY軸方向の位相分布に関しては、前記のX軸方向と同相の位相分布とする。   On the other hand, the phase distribution in the Y-axis direction that does not have a condensing function is the phase distribution in phase with the X-axis direction.

この実施例2においても、第1の回折格子11をm×n個に分割した各ブロックごとに入射光分布を実測するか、あるいは、シミュレーションにより求めており、全体の入射光分布中の最大値を1と設定した時に、m行n列目のブロックBLに対して入射光分布I(m,n)の行列データを生成する。この際、m,nは自然数であり、m,nの数が大きいほど分布均一性が向上する。   Also in the second embodiment, the incident light distribution is measured or calculated by simulation for each block obtained by dividing the first diffraction grating 11 into m × n pieces, and the maximum value in the entire incident light distribution is obtained. Is set to 1, matrix data of the incident light distribution I (m, n) is generated for the block BL in the m-th row and the n-th column. In this case, m and n are natural numbers, and the distribution uniformity improves as the number of m and n increases.

そして、m行n列の入射光分布I(m,n)に対する全体の入射光分布中の最小値I(min)からブロックBLごとの必要光透過率T(m,n)を先に説明した数5より求めて、先の図9に示した数値テーブルを使用することで、第2の回折格子12への必要光透過率と位相変調領域部12aの占有面積割合とを算出することができる。この際、多段型シリンドリカルレンズ10Bの光透過率は、一つのブロック中での位相変調領域部12aの占める面積割合で決まり、図9に示したように位相変調領域部12aの占有面積割合が増加すると光透過率が低下する傾向があり、且つ、位相変調領域部12aの形状に依存していない。   The necessary light transmittance T (m, n) for each block BL is described above from the minimum value I (min) in the entire incident light distribution with respect to the m × n incident light distribution I (m, n). By obtaining from Equation 5 and using the numerical table shown in FIG. 9, the necessary light transmittance to the second diffraction grating 12 and the occupied area ratio of the phase modulation region portion 12a can be calculated. . At this time, the light transmittance of the multistage cylindrical lens 10B is determined by the area ratio occupied by the phase modulation area 12a in one block, and the area occupied by the phase modulation area 12a increases as shown in FIG. As a result, the light transmittance tends to decrease and does not depend on the shape of the phase modulation region 12a.

具体的には、多段型シリンドリカルレンズ10B中で第1の回折格子11全体を例えば31×31個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを50μm角の面積に分割した上で、各ブロック内の中央部位に第2の回折格子12を正方形の位相変調領域部12aの形状で重畳させ、且つ、この位相変調領域部12aを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。   Specifically, in the multistage cylindrical lens 10B, the entire first diffraction grating 11 is divided into, for example, 31 × 31 square blocks, in other words, after dividing one block into an area of 50 μm square. The second diffraction grating 12 is superimposed on the central portion of each block in the shape of a square phase modulation area 12a, and the phase modulation area 12a is varied for each block according to the required light transmittance. ing.

この実施例2でも、第2の回折格子12に形成した正方形の位相変調領域部12aは、位相差が使用波長λのλ/4(0.5π)に設定されているが、これに限定されるものでもなく、第2の回折格子12の位相変調領域部は任意の形状でも良く、また、任意の位相差に設定しても良い。   Also in the second embodiment, the phase difference of the square phase modulation region portion 12a formed in the second diffraction grating 12 is set to λ / 4 (0.5π) of the use wavelength λ, but is not limited thereto. In addition, the phase modulation region portion of the second diffraction grating 12 may have an arbitrary shape, or may be set to an arbitrary phase difference.

上記から、実施例2においても、実施例1と同様に、多段型シリンドリカルレンズ10Bへの入射光束の光量分布がZ軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定したものと仮定した場合に、第2の回折格子12に対して正方形の位相変調領域部12aの必要光透過率を求めて、多段型シリンドリカルレンズ10B上での光透過率分布を先に示した図5(a)の様に光量分布を反転させたものに補正している。この補正により、入射光の光量分布が、多段型シリンドリカルレンズ10B上では、入射光量分布と多段型シリンドリカルレンズ光透過率分布との積となり、この結果、先に示した図5(b)の様に多段型シリンドリカルレンズ10Bからの出射光量分布はフラットなものとなる。   From the above, also in the second embodiment, as in the first embodiment, the light quantity distribution of the incident light beam to the multistage cylindrical lens 10B is not Z-axis rotationally symmetric, as previously shown in FIG. 4B. When it is assumed that the distribution is asymmetric in the X-axis direction and the Y-axis direction, the required light transmittance of the square phase modulation region portion 12a is obtained with respect to the second diffraction grating 12, and multistage The light transmittance distribution on the type cylindrical lens 10B is corrected to an inverted light amount distribution as shown in FIG. 5A. By this correction, the light quantity distribution of the incident light becomes the product of the incident light quantity distribution and the multistage cylindrical lens light transmittance distribution on the multistage cylindrical lens 10B. As a result, as shown in FIG. In addition, the distribution of the amount of light emitted from the multistage cylindrical lens 10B is flat.

また、上記したように、多段型シリンドリカルレンズ10Bへの入射光束の光量分布がZ軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、光透過率を小さく設計したシリンドリカルレンズ中央部及びX軸周辺外周領域に関しては、第2の回折格子12の占有割合が大きくなる一方、光透過率を大きく設計したシリンドリカルレンズ外周部Y軸周辺領域では、第2の回折格子12の占有割合が小さくなっている。   In addition, as described above, the light quantity distribution of the incident light beam on the multistage cylindrical lens 10B is not Z-axis rotationally symmetric, but is asymmetric in the X-axis direction and the Y-axis direction as previously shown in FIG. 4B. When the cylindrical lens is designed to have a small distribution, the occupying ratio of the second diffraction grating 12 is increased in the central part of the cylindrical lens and the outer peripheral area around the X axis designed to have a small light transmittance, while the light transmittance is increased. In the designed cylindrical lens outer peripheral portion Y-axis peripheral region, the occupation ratio of the second diffraction grating 12 is small.

そして、多段型シリンドリカルレンズ10Bを作製する場合には、実施例1と同様に、第1の回折格子11を前述のような半導体プロセスを使用してガラス基板や石英基板に対して作製した後、第1の回折格子11上に、同様に第2の回折格子12を半導体プロセスにより重ねて作製すれば良い。   And when producing the multistage cylindrical lens 10B, like Example 1, after producing the 1st diffraction grating 11 with respect to a glass substrate or a quartz substrate using the above semiconductor processes, Similarly, the second diffraction grating 12 may be overlaid on the first diffraction grating 11 by a semiconductor process.

図16は本発明に係る実施例3の多段型回折光学素子を多段型多焦点回折レンズに適用した時に、多段型多焦点回折レンズ全体を示した上面図である。   FIG. 16 is a top view showing the entire multistage multifocal diffractive lens when the multistage diffractive optical element according to Example 3 of the present invention is applied to the multistage multifocal diffractive lens.

図16に示した如く、本発明に係る実施例3の多段型回折光学素子10Cは、多段型多焦点回折レンズに適用されており、以下、多段型多焦点回折レンズ10Cと呼称して説明する。   As shown in FIG. 16, the multistage diffractive optical element 10C according to the third embodiment of the present invention is applied to a multistage multifocal diffractive lens. Hereinafter, the multistage diffractive optical element 10C will be referred to as a multistage multifocal diffractive lens 10C. .

この多段型多焦点回折レンズ10Cは、入射光を複数の異なる焦点へ集光する機能を持つものであり、一般的にn点の焦点があるが、この実施例3における図16では2点の焦点がある場合を示している。   The multistage multifocal diffractive lens 10C has a function of condensing incident light to a plurality of different focal points, and generally has n points of focus. In FIG. It shows the case with focus.

上記に伴って、実施例3の多段型多焦点回折レンズ10Cは、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた矩形状の光学基板上に、中心部から外側に向かって徐々にピッチを狭めて輪帯状の第1,第2の位相領域(以下、第1,第2の輪帯領域と記す)RZ1,RZ2が中心部で重なりあいながら設定されており、第1,第2の輪帯領域RZ1,RZ2内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば1次回折光を回折して所定の集光位置(焦点位置)に集光させるために多段の階段状回折格子部11aを有する第1の回折格子11が形成されていると共に、この第1の回折格子11が形成された光学基板内を先に図7で示したように二次元的にm×n個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第1の回折格子11と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持ったライン状の位相変調領域部12bを有する第2の回折格子12が重畳されていると共に、第2の回折格子12の位相変調領域部12bは第1の回折格子11に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。   Along with the above, the multistage multifocal diffractive lens 10C of Example 3 is gradually pitched outward from the central portion on a rectangular optical substrate using a light-transmitting glass substrate or quartz substrate. The first and second phase regions RZ1 and RZ2 having a ring-shaped shape and narrowed in the center portion are set to overlap each other in the center portion. In order to diffract the first-order diffracted light, for example, as a diffracted light of a specific order with respect to the incident light respectively incident on the annular regions RZ1 and RZ2, a multi-step staircase shape is used for condensing the light at a predetermined condensing position (focal position). The first diffraction grating 11 having the diffraction grating portion 11a is formed, and the inside of the optical substrate on which the first diffraction grating 11 is formed is two-dimensionally m × n as shown in FIG. When divided into blocks, the first diffraction in each block Second diffraction grating having a line-shaped phase modulation region portion 12b having a predetermined phase difference for diffracting incident light to a diffraction order different from that of the element 11 and adjusting light transmittance with respect to the incident light 12 is superposed, and the phase modulation region portion 12b of the second diffraction grating 12 has its occupation area ratio with respect to the first diffraction grating 11 varied for each block according to the required transmittance.

更に、上記した多段型多焦点回折レンズ10Cは、縦横寸法が1550μmにそれぞれ形成されており、図示では多段型多焦点回折レンズ全体を表示している。   Further, the multistage multifocal diffractive lens 10C described above is formed to have a vertical and horizontal dimension of 1550 μm, respectively, and the entire multistage multifocal diffractive lens is shown in the drawing.

また、多段型多焦点回折レンズ10Cは、第1の輪帯領域RZ1側の焦点距離が20mmに設定され、且つ、第2の輪帯領域RZ2側の焦点距離が40mmに設定されて、2つの焦点は多焦点回折レンズ面中心を垂直に通る光軸に対して互いに200μm離れた位置に集光するようになっていると共に、光源波長λが0.4μmのレーザー光を用いた時に、位相分布は1波長分に相当する2πをグレーレベルで8段階に表示している。   The multistage multifocal diffractive lens 10C has a focal length on the first annular zone RZ1 side set to 20 mm and a focal length on the second annular zone RZ2 side set to 40 mm. The focal point is focused at positions separated from each other by 200 μm with respect to the optical axis passing through the center of the multifocal diffractive lens, and phase distribution is obtained when laser light having a light source wavelength λ of 0.4 μm is used. Displays 2π corresponding to one wavelength in 8 levels on a gray level.

ここで、多段型多焦点回折レンズ10Cにおいて、第1の輪帯領域RZ1内の焦点に対応する位相分布に関しては、先に実施例1で説明した多段型シリンドリカルレンズ10Aの数式である数1〜数3、及び、多段構造の深さの数式である数4を使用することで、集光機能を持つ第1の回折格子11の位相分布を算出できる。   Here, in the multistage multifocal diffractive lens 10 </ b> C, the phase distribution corresponding to the focal point in the first annular zone RZ <b> 1 is expressed by the numerical formulas 1 to 1 of the multistage cylindrical lens 10 </ b> A described in the first embodiment. The phase distribution of the first diffraction grating 11 having a light condensing function can be calculated by using Equation 3 and Equation 4 that is an expression of the depth of the multistage structure.

また、第2の輪帯領域RZ2内の焦点に対応する位相分布に関しても、上記と同様に、数1〜数3、及び、多段構造の深さの数式である数4を使用することで、集光機能を持つ第1の回折格子11の位相分布を算出でき、この後、第1,第2の輪帯領域RZ1,RZ2同士の位相分布を加算して多段型多焦点回折レンズ10Cにおける第1の回折格子11の位相分布とする。   In addition, regarding the phase distribution corresponding to the focal point in the second annular zone RZ2, similarly to the above, by using the mathematical expression 1 to the mathematical expression 3 and the mathematical expression of the depth of the multistage structure, The phase distribution of the first diffraction grating 11 having a condensing function can be calculated, and thereafter, the phase distributions of the first and second annular zones RZ1 and RZ2 are added to each other in the multistage multifocal diffractive lens 10C. The phase distribution of one diffraction grating 11 is assumed.

勿論、n個の焦点がある場合には、n回、同様に位相分布を計算しn個の位相分布を得た後、これらの位相分布を加算して第1の回折格子11の位相分布とすれば良い。   Of course, when there are n focal points, the phase distribution is similarly calculated n times to obtain n phase distributions, and these phase distributions are added to obtain the phase distribution of the first diffraction grating 11. Just do it.

この実施例3においても、第1の回折格子11をm×n個に分割した各ブロックごとに入射光分布を実測するか、あるいは、シミュレーションにより求めており、全体の入射光分布中の最大値を1と設定した時に、m行n列目のブロックBLに対して入射光分布I(m,n)の行列データを生成する。この際、m,nは自然数であり、m,nの数が大きいほど分布均一性が向上する。   Also in the third embodiment, the incident light distribution is measured or calculated by simulation for each block obtained by dividing the first diffraction grating 11 into m × n pieces, and the maximum value in the entire incident light distribution is obtained. Is set to 1, matrix data of the incident light distribution I (m, n) is generated for the block BL in the m-th row and the n-th column. In this case, m and n are natural numbers, and the distribution uniformity improves as the number of m and n increases.

そして、m行n列の入射光分布I(m,n)に対する全体の入射光分布中の最小値I(min)からブロックBLごとの必要光透過率T(m,n)を先に説明した数5より求めて、先の図9に示した数値テーブルを使用することで、第2の回折格子12への必要光透過率と位相変調領域部12aの占有面積割合とを算出することができる。この際、多段型多焦点回折レンズ10Cの光透過率は、一つのブロック中での位相変調領域部12bの占める面積割合で決まり、図9に示したように位相変調領域部12bの占有面積割合が増加すると光透過率が低下する傾向があり、且つ、位相変調領域部12bの形状に依存していない。   The necessary light transmittance T (m, n) for each block BL is described above from the minimum value I (min) in the entire incident light distribution with respect to the m × n incident light distribution I (m, n). By obtaining from Equation 5 and using the numerical table shown in FIG. 9, the necessary light transmittance to the second diffraction grating 12 and the occupied area ratio of the phase modulation region portion 12a can be calculated. . At this time, the light transmittance of the multistage multifocal diffractive lens 10C is determined by the area ratio occupied by the phase modulation area 12b in one block, and the area occupied by the phase modulation area 12b as shown in FIG. As the value increases, the light transmittance tends to decrease and does not depend on the shape of the phase modulation region 12b.

具体的には、多段型多焦点回折レンズ10C中で第1の回折格子11全体を例えば31×31個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを50μm角の面積に分割した上で、第2の回折格子12は各ブロックの中央部位に一つの方向(Y軸方向)に向かってライン状の位相変調領域部12bが各ブロック連接して重畳され、且つ、この位相変調領域部12bを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。   Specifically, the entire first diffraction grating 11 is divided into, for example, 31 × 31 square blocks in the multistage multifocal diffractive lens 10C, in other words, one block is divided into an area of 50 μm square. Above, the second diffraction grating 12 has a line-shaped phase modulation area portion 12b superimposed on one block (in the Y-axis direction) in a central portion of each block so as to be connected to each block, and this phase modulation area The part 12b is varied for each block according to the required light transmittance.

この実施例3でも、第2の回折格子12に形成した正方形の位相変調領域部12aは、位相差が使用波長λのλ/4(0.5π)に設定されているが、これに限定されるものでもなく、第2の回折格子12の位相変調領域部は任意の形状でも良く、また、任意の位相差に設定しても良い。   Also in the third embodiment, the phase difference of the square phase modulation region portion 12a formed in the second diffraction grating 12 is set to λ / 4 (0.5π) of the use wavelength λ, but is not limited thereto. In addition, the phase modulation region of the second diffraction grating 12 may have an arbitrary shape, or may be set to an arbitrary phase difference.

上記から、実施例3においても、実施例1,2と同様に、多段型多焦点回折レンズ10Cへの入射光束の光量分布がZ軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定したものと仮定した場合に、第2の回折格子12に対してライン状の位相変調領域部12bの必要光透過率を求めて、多段型多焦点回折レンズ10C上での光透過率分布を先に示した図5(a)の様に光量分布を反転させたものに補正している。この補正により、入射光の光量分布が、多段型多焦点回折レンズ10C上では、入射光量分布と多段型多焦点回折レンズ光透過率分布との積となり、この結果、先に示した図5(b)の様に多段型多焦点回折レンズ10Cからの出射光量分布はフラットなものとなる。   From the above, also in the third embodiment, similarly to the first and second embodiments, the light quantity distribution of the incident light beam to the multistage multifocal diffractive lens 10C is not Z-axis rotationally symmetric, and FIG. 4B is used first. When it is assumed that the distribution is asymmetric in the X-axis direction and the Y-axis direction as shown, the required light transmittance of the line-shaped phase modulation region portion 12b with respect to the second diffraction grating 12 is shown. Thus, the light transmittance distribution on the multistage multifocal diffractive lens 10C is corrected to the inverted light quantity distribution as shown in FIG. By this correction, the light quantity distribution of the incident light becomes a product of the incident light quantity distribution and the multistage multifocal diffractive lens light transmittance distribution on the multistage multifocal diffractive lens 10C. As a result, FIG. As shown in b), the quantity of light emitted from the multistage multifocal diffractive lens 10C is flat.

また、上記したように、多段型多焦点回折レンズ10Cへの入射光束の光量分布がZ軸回転対称でなく、先に図4(b)を用いて示したようにX軸方向,Y軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、光透過率を小さく設計した多段型多焦点回折レンズ中央部及びX軸周辺外周領域に関しては、第2の回折格子12の占有割合が大きくなる一方、光透過率を大きく設計した多段型多焦点回折レンズ外周部Y軸周辺領域では、第2の回折格子12の占有割合が小さくなっている。   In addition, as described above, the light quantity distribution of the incident light beam to the multistage multifocal diffractive lens 10C is not Z-axis rotationally symmetric, and as previously shown in FIG. 4B, the X-axis direction and the Y-axis direction. In the central portion of the multistage multifocal diffractive lens and the outer peripheral region around the X axis designed to have a low light transmittance, the occupation ratio of the second diffraction grating 12 is increased. The occupation ratio of the second diffraction grating 12 is small in the Y-axis peripheral region of the outer periphery of the multistage multifocal diffractive lens designed to have a large light transmittance.

そして、多段型多焦点回折レンズ10Cを作製する場合には、実施例1,2と同様に、第1の回折格子11を前述のような半導体プロセスを使用してガラス基板や石英基板に対して作製した後、第1の回折格子11上に、同様に第2の回折格子12を半導体プロセスにより重ねて作製すれば良い。   When the multi-stage multifocal diffractive lens 10C is manufactured, the first diffraction grating 11 is applied to the glass substrate or the quartz substrate using the semiconductor process as described above, as in the first and second embodiments. After the production, the second diffraction grating 12 may be similarly laminated on the first diffraction grating 11 by a semiconductor process.

本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ全体の1/4を示した上面図である。FIG. 5 is a top view showing a quarter of the entire multistage Fresnel lens when the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to a multistage Fresnel lens. 本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光路を説明するための光路図である。It is an optical path diagram for demonstrating the optical path of an optical system, when the multistage type | mold diffractive optical element of Example 1 which concerns on this invention is applied to a multistage type | mold Fresnel lens. 本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図2中の位置X1〜X3に対応して示した図である。When the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to a multistage Fresnel lens, the light intensity distribution and light transmittance of the optical system are shown corresponding to positions X1 to X3 in FIG. is there. (a)〜(c)は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズへの入射光量分布を立体的に示した斜視図である。(A)-(c) is the perspective view which showed in three dimensions the incident light quantity distribution to a multistage type Fresnel lens, when the multistage type diffractive optical element of Example 1 which concerns on this invention is applied to a multistage type Fresnel lens. . (a),(b)は本発明に係る実施例1の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ上で光量分布を補正する場合を立体的に示した斜視図である。(A), (b) is a three-dimensional perspective view showing a case where the light quantity distribution is corrected on the multistage Fresnel lens when the multistage diffractive optical element of Example 1 according to the present invention is applied to the multistage Fresnel lens. FIG. (a),(b)は多段型フレネルレンズ中の第1の回折格子を示した平面図,断面図である。(A), (b) is the top view and sectional drawing which showed the 1st diffraction grating in a multistage type | mold Fresnel lens. 図6に示した第1の回折格子をm×n個のブロックに分割した状態を示した平面図である。FIG. 7 is a plan view showing a state in which the first diffraction grating shown in FIG. 6 is divided into m × n blocks. (a),(b)は第1の回折格子を分割したブロック内に形成した第2の回折格子を説明するための図である。(A), (b) is a figure for demonstrating the 2nd diffraction grating formed in the block which divided | segmented the 1st diffraction grating. 第1の回折格子のブロック内に第2の回折格子を重畳する際の占有面積割合と、第2の回折格子による0次光の光透過率との関係を示した図である。It is the figure which showed the relationship between the occupation area ratio at the time of superimposing a 2nd diffraction grating in the block of a 1st diffraction grating, and the light transmittance of the 0th-order light by a 2nd diffraction grating. 第1の回折格子を拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed the 1st diffraction grating. 第2の回折格子を拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed the 2nd diffraction grating. 第1の回折格子に対して第2の回折格子を光学的に重畳させた状態を拡大して示した断面図である。It is sectional drawing which expanded and showed the state on which the 2nd diffraction grating was optically superimposed with respect to the 1st diffraction grating. (a)〜(j)は本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。(A)-(j) is process drawing which showed the process of producing the multistage type | mold Fresnel lens of Example 1 which concerns on this invention. 本発明に係る実施例1の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ全体の1/4を示した上面図である。It is the top view which showed 1/4 of the whole multistage type | mold Fresnel lens of the modification which partially deformed the multistage type | mold Fresnel lens of Example 1 which concerns on this invention. 本発明に係る実施例2の多段型回折光学素子を多段型シリンドリカルレンズに適用した時に、多段型シリンドリカルレンズ全体を示した上面図である。FIG. 6 is a top view showing the entire multistage cylindrical lens when the multistage diffractive optical element according to Example 2 of the present invention is applied to a multistage cylindrical lens. 本発明に係る実施例3の多段型回折光学素子を多段型多焦点回折レンズに適用した時に、多段型多焦点回折レンズ全体を示した上面図である。It is the top view which showed the whole multistage type multifocal diffractive lens when the multistage diffractive optical element of Example 3 which concerns on this invention is applied to a multistage multifocal diffractive lens. (a),(b)は一般的なフレネルレンズを示した平面図,縦断面図である。(A), (b) is the top view and longitudinal cross-sectional view which showed the general Fresnel lens. 従来の多段型フレネルレンズを示した縦断面図である。It is the longitudinal cross-sectional view which showed the conventional multistage type | mold Fresnel lens. (a)〜(j)は従来の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。(A)-(j) is process drawing which showed the process of producing the conventional multistage type | mold Fresnel lens. 従来の多段型フレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。It is the figure which showed typically the state which made the conventional multistage type | mold Fresnel lens the laser beam into which the light beam of a center part has strong light intensity, and the light beam of an outer peripheral part has weak light intensity.

符号の説明Explanation of symbols

10A…実施例1の多段型フレネルレンズ、
10A’…実施例1を一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ、
10B…実施例2の多段型シリンドリカルレンズ、
10C…実施例3の多段型多焦点回折レンズ、
11…第1の回折格子、11a…階段状回折格子部、
12…第2の回折格子、
12a…正方形の位相変調領域部、12b…ライン状の位相変調領域部、
OBP…光学基板、0…光学基板の中心、
K…光軸、
RZ(RZ,RZ,RZ,……,RZ)…輪帯状の位相領域(輪帯領域)、
(R,R,R,……,R)…レンズ半径、
Rp(Rp,Rp,Rp,……,Rp)…輪帯ピッチ、
LZ…ライン状の位相領域(ライン領域)。
10A: Multistage Fresnel lens of Example 1,
10A ′: a multistage Fresnel lens of a modification obtained by partially deforming the first embodiment,
10B: Multistage cylindrical lens of Example 2,
10C: the multistage multifocal diffractive lens of Example 3,
11 ... 1st diffraction grating, 11a ... Stepped diffraction grating part,
12 ... second diffraction grating,
12a ... Square phase modulation region, 12b ... Line-shaped phase modulation region,
OBP ... optical substrate, 0 ... center of optical substrate,
K: Optical axis,
RZ (RZ 0 , RZ 1 , RZ 2 ,..., RZ n ) ... Annular phase region (annular region),
R n (R 0 , R 1 , R 2 ,..., R n ) ... lens radius,
Rp n (Rp 0, Rp 1 , Rp 2, ......, Rp n) ... ring-shaped zone pitch,
LZ: Line-shaped phase region (line region).

Claims (2)

光透過性を有する光学基板上に複数の位相領域が中心部から外側に向かってピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各位相領域内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための階段状回折格子部が多段に形成された第1の回折格子と、
前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に前記入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った位相変調領域部が前記第1の回折格子を二次元的にm×n個に分割した複数のブロック内にそれぞれ重畳され、且つ、前記位相変調領域部の前記第1の回折格子に対する占有面積割合が必要な前記光透過率に応じてブロックごとに可変されてなる第2の回折格子と、
を備えたことを特徴とする多段型回折光学素子。
A plurality of phase regions are set on the optical substrate having optical transparency with the pitch gradually narrowed from the center toward the outside, and diffracted light of a specific order is diffracted with respect to incident light within each phase region. A first diffraction grating in which stepped diffraction grating parts for condensing light at a predetermined light collection position are formed in multiple stages,
In order to diffract diffracted light of a specific order with respect to the incident light and to adjust light transmittance with respect to the incident light, a phase modulation region portion having a predetermined phase difference serves as the first diffraction grating. Each block is superposed in a plurality of blocks that are two-dimensionally divided into m × n, and the ratio of the area occupied by the phase modulation region portion to the first diffraction grating is required for each block according to the light transmittance. A second diffraction grating made variable to
A multi-stage diffractive optical element comprising:
前記第2の回折格子の位相変調領域部は、各ブロック内に矩形状に形成されるか、または、各ブロック内の一つの方向に向かってライン状に形成されてなることを特徴とする請求項1記載の多段型回折光学素子。

The phase modulation region portion of the second diffraction grating is formed in a rectangular shape in each block or in a line shape in one direction in each block. Item 4. The multistage diffractive optical element according to Item 1.

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