JP2773401B2 - Optical lens - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、回折形の光学レンズに関するものであり、
特に、光学系が簡素化できる反射形レンズに関するもの
である。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a diffractive optical lens,
In particular, the present invention relates to a reflective lens whose optical system can be simplified.
従来の技術 回折光学レンズは、グレーティング構造であるため、
たかだか数μｍの膜厚で集光作用を有し、超小形軽量化
が可能となる重要レンズとして注目されている。Prior art Diffractive optical lenses have a grating structure,
It is attracting attention as an important lens that has a light condensing action with a thickness of at most several μm and can be made ultra-small and lightweight.
従来の光学レンズとして、第４図（（ａ）：平面図、
（ｂ）：断面図）に示すものがあった（T.シオノ（Shio
no）,M.キタガワ（Kitagawa）,K.セツネ（Setsune）and
T.ミツユ（Mitsuyu）：“リフレクション マイクロ−
フレネル レンズ アンド ゼア ユース イン アン
インテグレーティド フォーカス センサ（Reflecti
on micro−Fresnel lenses and their use in an integ
rated focus sensor）",アプライド オプティクス（Ap
pl.Opt.）,Vol.28,No 15,pp.3434−3442（1989）．）。As a conventional optical lens, FIG.
(B): sectional view) (T. Shiono (Shio)
no), M. Kitagawa, K. Setsune and
T. Mitsuyu: "Reflection Micro-
Fresnel lens and there use in an integrated focus sensor (Reflecti
on micro-Fresnel lenses and their use in an integ
rated focus sensor) ", Applied optics (Ap
pl. Opt.), Vol. 28 , No 15, pp. 3434-3442 (1989). ).
同図において、基板１上に、反射層６を設けた、断面
が鋸歯形状のグレーティングゾーン10を同心円状に複数
個設け、外周に行くにしたがって、ゾーン10の周期を小
さくするようにし、レンズ９としている。入射光２は、
基板１側から、レンズ９に垂直入射し、光軸を折返し、
基板１側に集光される（焦点４）。In the figure, a plurality of grating zones 10 having a saw-tooth cross-section are provided concentrically on a substrate 1 provided with a reflection layer 6, and the period of the zones 10 is reduced toward the outer periphery, and a lens 9 is formed. And The incident light 2 is
From the substrate 1 side, the light is perpendicularly incident on the lens 9 and the optical axis is turned back.
The light is focused on the substrate 1 side (focal point 4).
発明が解決しようとする課題 第４図に示した従来の光学レンズでは、入射光と出射
光が重なり合うためにそのままでは使いにくく、ビーム
スプリッタ等の入出射光分離光学系が必要であるという
課題があった。Problems to be Solved by the Invention The conventional optical lens shown in FIG. 4 has a problem that it is difficult to use the optical lens as it is because the incident light and the outgoing light overlap, and an input / output light separating optical system such as a beam splitter is required. Was.
本発明は、上記課題に鑑みてなされたもので、入出射
光分離光学系が必要のない反射形の小形軽量な光学レン
ズを提供するものである。The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a small, lightweight optical lens of a reflection type that does not require an incoming / outgoing light separation optical system.
課題を解決するための手段 本発明は、基板上に形成した複数のグレーティングゾ
ーンと、上記グレーティングゾーン上に設けた反射層を
有し、上記グレーティングゾーンのパターン形状は楕円
曲線の一部であり、上記楕円曲線の中心位置は上記楕円
曲線の一方の長軸方向に徐々にずれていることを特徴と
する構成である。Means for Solving the Problems The present invention has a plurality of grating zones formed on a substrate, a reflective layer provided on the grating zone, the pattern shape of the grating zone is a part of an elliptic curve, The center position of the elliptic curve is gradually shifted in one major axis direction of the elliptic curve.
作用 以上のように本発明によれば、斜め入射でも出射光の
光軸がレンズに対して垂直のままで、しかも良好な特性
の得られる反射形の回折光学レンズが構成可能であり、
従って、入射光と出射光を分離でき、入出射光分離光学
系が必要でなくなる。Effects As described above, according to the present invention, it is possible to configure a reflection type diffractive optical lens in which the optical axis of outgoing light remains perpendicular to the lens even at oblique incidence, and which has good characteristics.
Therefore, the incident light and the outgoing light can be separated, and the incoming / outgoing light separating optical system is not required.
実施例 第１図は本発明の一実施例の光学レンズの基本構成を
示す平面図、第２図は本発明の一実施例の光学レンズの
基本構成及び光の入射、集光の様子を示す断面図であ
る。本発明の一実施例の光学レンズについて、第１図、
第２図を用いて詳細に説明する。Embodiment FIG. 1 is a plan view showing a basic configuration of an optical lens according to one embodiment of the present invention, and FIG. 2 shows a basic configuration of an optical lens according to one embodiment of the present invention and how light is incident and collected. It is sectional drawing. FIG. 1 shows an optical lens according to an embodiment of the present invention.
This will be described in detail with reference to FIG.
同図において、レンズ７（光学レンズ）は、基板１上
に、断面が鋸歯形状のグレーティングゾーン５を楕円曲
線の一部の曲線パターンで複数本形成し（入射光２の進
行方向にしたがって徐々にグレーティングゾーン５の周
期を小さくする）、例えばAgやAl、Au等の金属層または
誘電体の多層膜の反射層６をその上に堆積した構造にな
っている。入射平行光２は、反射層６とは反対側の基板
１側から、光軸が角度θで傾いてレンズ７に入射し、レ
ンズ７により反射回折されて、出射光３の光軸は入射光
２と光軸と、基板１表面の法線（Ｚ軸）に対して対称で
はなく、例えば、レンズ７に対して、垂直の光軸をもつ
集光出射光３となり、焦点４に集光される。In the figure, a lens 7 (optical lens) forms a plurality of grating zones 5 each having a sawtooth cross section on the substrate 1 in a part of an elliptic curve pattern (gradually according to the traveling direction of the incident light 2). For example, the reflection layer 6 of a metal layer such as Ag, Al, or Au or a dielectric multilayer film is deposited thereon. The incident parallel light 2 enters the lens 7 with the optical axis inclined at an angle θ from the substrate 1 side opposite to the reflection layer 6, is reflected and diffracted by the lens 7, and the optical axis of the output light 3 is the incident light. 2 and the optical axis are not symmetrical with respect to the normal line (Z axis) of the surface of the substrate 1, but are, for example, condensed and emitted light 3 having an optical axis perpendicular to the lens 7, You.
本発明者は、グレーティングゾーン５の形状を楕円曲
線の一部にすることにより、入射光２が斜め入射して
も、出射光３の光軸は、レンズ７に対して垂直のまま
で、かつ良好に集光できることを発見した。詳細に検討
してみると、グレーティングゾーン５の形状は、次に示
す楕円曲線の一部であり、しかもこの楕円曲線の中心位
置は一方の長軸方向に徐々にずれているときに最も良好
に集光されることが分かった。By making the shape of the grating zone 5 a part of an elliptic curve, the inventor maintains the optical axis of the outgoing light 3 perpendicular to the lens 7 even when the incident light 2 is obliquely incident, and We found that we could collect light well. When examined in detail, the shape of the grating zone 5 is a part of the following elliptic curve, and the center position of this elliptic curve is best when it is gradually shifted in one long axis direction. It turned out to be focused.
同図のように座標系をとり、基板１の屈折率をｎ、入
射光２の波長をλ、レンズ７の焦点距離をｆ、グレーテ
ィングゾーン５の次数をｐ（ｐは整数であり、ｙ軸方向
に正）として、ｙ軸との交点を、次数をサフィクスとし
て順にy1,y2,y3、・・ym（正）、y-1,y-2,y-3、・・y-n
（負）とすると、ｐ番目のグレーティングゾーン５うち
最も深い部分のパターンは、 中心が（０、−（ｍλ/n＋ｆ）tanθ/cosθ）、 短軸（ｘ軸）の長さdx＝Dycosθ である楕円曲線の上部であることを発見し、光線近似を
用いた理論解析からも、裏づけられた。Taking a coordinate system as shown in the figure, the refractive index of the substrate 1 is n, the wavelength of the incident light 2 is λ, the focal length of the lens 7 is f, and the order of the grating zone 5 is p (p is an integer; as a positive) in the direction, y 1 the intersection of the y-axis, in order to order a suffix, y 2, y 3, · · y m (positive), y -1, y -2, y -3, · · y -n
If (negative), the pattern of the deepest part of the p-th grating zone 5 has a center of (0,-(mλ / n + f) tanθ / cosθ), It was found that the length of the short axis (x-axis) was d x = D y cosθ, which was the upper part of the elliptic curve, and was confirmed by theoretical analysis using ray approximation.
グレーティングゾーン５の断面は、矩形形状でもよい
が、このときは最大集光効率は典型的な値で60％程度で
あったが、しかしながら、同図に示した鋸歯形状にする
ことにより70〜80％と一層高効率化が実現できた。鋸歯
形状の場合、グレーティングゾーン５の最大膜厚または
溝の最大深さＬが、グレーティングゾーンの屈折率ｎ′
に対して、 0.9λ／（2n）≦Ｌ≦1.1λ／（2n） のときが効率が良かった。The cross section of the grating zone 5 may have a rectangular shape. In this case, the maximum light-collecting efficiency is typically about 60%. However, when the sawtooth shape shown in FIG. %, And higher efficiency was realized. In the case of a sawtooth shape, the maximum film thickness of the grating zone 5 or the maximum depth L of the groove is determined by the refractive index n ′ of the grating zone.
In contrast, the efficiency was good when 0.9λ / (2n) ≦ L ≦ 1.1λ / (2n).
光学レンズ７の作製方法としては、従来例と同じ電子
ビーム描画法を用いた。すなわち、基板１上にコーティ
ングした、例えば、PMMAやCMS等の電子ビームレジスト
に電子ビームの照射量を変化させ、現像処理を行なうこ
とにより、膜厚を変化させた後、反射層６を堆積してレ
ンズ７とした。反射層６の膜厚は、グレーティングゾー
ン５の最大膜厚よりも大きくすることにより、反射効率
を高めることができた。大量生産は、反射層６を堆積す
る前の素子を原盤として金型を作製し、例えば、UV硬化
樹脂を用いて金型から複製し、反射層６を堆積すれば原
盤と同一のレンズ素子が低価格で作製可能である。As a method for manufacturing the optical lens 7, the same electron beam drawing method as in the conventional example was used. That is, the reflective layer 6 is deposited after the film thickness is changed by changing the irradiation amount of the electron beam on an electron beam resist such as PMMA or CMS coated on the substrate 1 and performing a developing process. Lens 7. By making the thickness of the reflective layer 6 larger than the maximum thickness of the grating zone 5, the reflection efficiency could be increased. In mass production, a mold is manufactured using the element before the reflective layer 6 is deposited as a master, and for example, the same lens element as the master is copied by depositing the reflective layer 6 by duplicating the mold using a UV curable resin. Can be manufactured at low cost.
基板１としては、使用波長に対して透明であれば良
く、例えば石英等のガラス基板は、温度的にも安定であ
り、合成樹脂を基板に用いた場合では軽量になる。The substrate 1 only needs to be transparent to the wavelength used. For example, a glass substrate made of quartz or the like is stable in terms of temperature, and becomes light when a synthetic resin is used for the substrate.
本実施例では、レンズ７に斜め平行光入射の場合につ
いて説明したが、逆に、発散球面波を垂直入射すれば、
斜め出射の平行光が得られる。In the present embodiment, a case where oblique parallel light is incident on the lens 7 has been described. Conversely, if a divergent spherical wave is vertically incident,
Oblique emitted parallel light is obtained.
また、本実施例の光学レンズ７は反射形であるため、
斜めに傾いた入射光に対しても、透過形の同様なレンズ
よりも回折効率の減少が大幅に少なく、良好に集光され
た。Further, since the optical lens 7 of the present embodiment is of a reflective type,
Even for the obliquely incident light, the reduction of the diffraction efficiency was significantly smaller than that of the transmission type similar lens, and the light was well collected.
第３図は本発明の一実施例の光学レンズの一使用例を
示す断面図で、光源の信号を光検出器に伝達する光接続
デバイスを示している。ガラス基板１上に光学レンズを
同図のような曲線形状で7a、7bをそれぞれ形成する。光
学レンズ7aの反対面に光源11、光学レンズ7bの反対面に
光検出器12を設置しておく。6a、6bは、例えばAgやAl等
の反射層である。FIG. 3 is a sectional view showing an example of use of the optical lens according to one embodiment of the present invention, showing an optical connection device for transmitting a signal from a light source to a photodetector. Optical lenses 7a and 7b are formed on a glass substrate 1 in a curved shape as shown in FIG. The light source 11 is provided on the opposite surface of the optical lens 7a, and the photodetector 12 is provided on the opposite surface of the optical lens 7b. 6a and 6b are reflective layers of, for example, Ag or Al.
光源11から出射された光（発散球面波）は、光学レン
ズ7aに入射して、光軸を斜め方向に折り返してコリメー
トされ、伝搬光13となり、基板１の裏表面で反射されな
がらジグザグ状に伝搬し、光学レンズ7bに入射する。入
射した光は、このレンズ7bにより、反射回折されて、収
束する球面波となり、光検出器12に垂直入射する。The light (divergent spherical wave) emitted from the light source 11 is incident on the optical lens 7a, is folded back in the optical axis in an oblique direction, is collimated, becomes a propagating light 13, and is reflected in the back surface of the substrate 1 in a zigzag shape. The light propagates and enters the optical lens 7b. The incident light is reflected and diffracted by the lens 7b to become a converging spherical wave, and vertically enters the photodetector 12.
本発明の一実施例の光学レンズ７を用いることによ
り、光源11とレンズ7a、光検出器12とレンズ7bの光軸を
どちらも基板１表面に対して垂直にすることが可能とな
り、光学的調整が容易で収差のない良好は光学特性が実
現できる。By using the optical lens 7 according to the embodiment of the present invention, it is possible to make both the optical axis of the light source 11 and the lens 7a and the optical axis of the photodetector 12 and the lens 7b perpendicular to the surface of the substrate 1, and Good optical characteristics with easy adjustment and no aberration can be realized.
発明の効果 本発明によれば、入出射光の分離光学系が必要でない
小形軽量な反射形の回折光学レンズが実現可能となる。According to the present invention, it is possible to realize a small and lightweight reflective diffractive optical lens that does not require an optical system for separating incoming and outgoing light.
第１図は本発明の一実施例の光学レンズの平面図、第２
図は本発明の一実施例の光学レンズの断面図、第３図
（ａ）及び（ｂ）は各々、本発明の一実施例の光学レン
ズの一使用例を示す平面図及び断面図、第４図（ａ）及
び（ｂ）は各々、従来の光学レンズの構成を示す平面図
および断面図である。 １……基板、２……入射光、３……出射光、５……グレ
ーティングゾーン、６……反射層、７……レンズ。FIG. 1 is a plan view of an optical lens according to an embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of an optical lens according to an embodiment of the present invention. FIGS. 3A and 3B are a plan view and a cross-sectional view illustrating an example of use of the optical lens according to an embodiment of the present invention. 4 (a) and (b) are a plan view and a sectional view, respectively, showing the configuration of a conventional optical lens. 1 ... substrate, 2 ... incident light, 3 ... outgoing light, 5 ... grating zone, 6 ... reflective layer, 7 ... lens.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 5/18──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 6 , DB name) G02B 5/18
Claims (5)
ーンと、上記グレーティングゾーン上に設けた反射層を
有し、 上記グレーティングゾーンのパターン形状は、楕円曲線
の一部であり、上記楕円曲線の中心位置は、上記楕円曲
線の一方の長軸方向に徐々にずれていることを特徴とす
る光学レンズ。The present invention has a plurality of grating zones formed on a substrate and a reflective layer provided on the grating zone, wherein the pattern shape of the grating zone is a part of an elliptic curve, and the center of the elliptic curve is An optical lens characterized in that the position is gradually shifted in one major axis direction of the elliptic curve.
の法線に対して対称ではないことを特徴とする請求項１
に記載の光学レンズ。2. The optical system according to claim 1, wherein the optical axis of the incident light and the optical axis of the emitted light are not symmetric with respect to the normal to the substrate surface.
An optical lens according to claim 1.
軸は基板に対して垂直ではない平行光であり、他の一方
は、光軸は基板に対して垂直である収束光であることを
特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。3. One of the incident light and the outgoing light is parallel light whose optical axis is not perpendicular to the substrate, and the other is convergent light whose optical axis is perpendicular to the substrate. The optical lens according to claim 1, wherein:
最大膜厚よりも大きいことを特徴とする請求項１に記載
の光学レンズ。4. The optical lens according to claim 1, wherein the thickness of the reflection layer is larger than the maximum thickness of the grating zone.
であり、上記グレーティングゾーンの最大膜厚または溝
の最大深さ（Ｌ）は、上記グレーティングゾーンの屈折
率（ｎ）、入射光の波長（λ）に対して、 0.9λ／（2n）≦Ｌ≦1.1λ／（2n） であることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。5. The grating zone has a sawtooth cross section, and the maximum film thickness of the grating zone or the maximum depth (L) of the groove is determined by the refractive index (n) of the grating zone and the wavelength of incident light (λ). 2. The optical lens according to claim 1, wherein 0.9λ / (2n) ≦ L ≦ 1.1λ / (2n).
Priority Applications (1)
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| JP2199427A JP2773401B2 (en) | 1990-07-27 | 1990-07-27 | Optical lens |
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Publications (2)
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| JPH0484105A JPH0484105A (en) | 1992-03-17 |
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Family Applications (1)
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| Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，Ｖｏｌ．２８［１５］ （１９８９），Ｐ．３４３４−３４４２ |
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