JP4300101B2 - Optical element design method and apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、光学素子設計技術に関する。 The present invention relates to an optical element design technique.
レーザ光を入射光源とする光学素子(例えばレンズ)を設計する場合、従来、幾何光学(光線追跡)に基づく設計手法が用いられていた。しかし、特に半導体レーザ光のように拡がり角が大きい場合、幾何光学に基づく設計手法では、近軸の光のみが設計において利用されるので、光の利用効率を高くすることが困難であった。また、正確な設計も困難である。 Conventionally, when designing an optical element (for example, a lens) using laser light as an incident light source, a design method based on geometric optics (ray tracing) has been used. However, especially when the divergence angle is large, such as semiconductor laser light, in the design method based on geometric optics, only paraxial light is used in the design, so it is difficult to increase the light utilization efficiency. In addition, accurate design is difficult.
これに対して回折光学に基づく設計手法は、レーザ光の伝搬のより精密な表式(任意の点における光の振幅と位相の分布を与える式)に基づいて設計を行うものであり、利用できる光の範囲について上記のような制約がないため、高い利用効率を実現することができる。また、より正確な設計を行うことができる。 On the other hand, the design method based on diffractive optics is designed based on a more precise expression of the propagation of laser light (an expression that gives the amplitude and phase distribution of light at an arbitrary point) and can be used. Since there is no restriction as described above for the light range, high utilization efficiency can be realized. In addition, more accurate design can be performed.
さらに、ホログラムを用いて光学素子を設計することにより、単一の素子でありながら、分岐及び集光といった複数機能を有するものや、異なる入射波長のそれぞれについて機能するものなど、幾何光学に基づく設計手法では不可能な光学素子を設計することができる。 In addition, by designing optical elements using holograms, design based on geometric optics, such as a single element that has multiple functions such as branching and condensing, and that functions for each of different incident wavelengths Optical elements that are impossible with this method can be designed.
回折光学に基づく設計手法としては、例えばJoergen Bengtsson: Design of fan-out kinoforms in the entire scalar diffraction regime with an optimal-rotation-angle method, Appl. Opt., 36-32, pp.8435-8444 (1997)やJoergen Bengtsson; Kinoform designed to produce different fan-out patterns for two wavelengths, Appl. Opt., 37-1, p.2011-2020 (1998)には、Optimal Rotation Angle法(以下、ORA法)と呼ばれる手法が開示されている。ORA法は、複数のスポットの位置を指定し、そのスポット位置にほぼ等しく且つできるだけ強い光強度を生ずる計算機ホログラム(CGH:Computer Generated Hologram)を計算して出力する位相変調型のCGH設計手法である。
しかし上記の論文においては、入射波としては平面波と簡単な球面波のみを想定するのみであり、例えば非点収差を有する半導体レーザ光のような任意の入射波にどのように対処するかはまったく開示も示唆もされていない。 However, in the above paper, only a plane wave and a simple spherical wave are assumed as the incident wave, and how to deal with an arbitrary incident wave such as a semiconductor laser beam having astigmatism is completely different. There is no disclosure or suggestion.
そこで本発明の目的は、ORA法を任意の入射波に対応することができるようにするための技術を提供することである。 Accordingly, an object of the present invention is to provide a technique for enabling the ORA method to cope with an arbitrary incident wave.
本発明の第1の態様に係る光学素子設計方法は、入射光を所定の位置に集光させるための光学素子を設計する方法であって、光学素子に規定される複数の位置における入射光の複素振幅の絶対値を算出するステップと、光学素子に規定される複数の位置における入射光の複素振幅の偏角の偏微分の値を入射光の複素振幅の波数ベクトルとして算出するステップと、光学素子に規定される複数の位置における入射光の複素振幅の絶対値と、入射光の複素振幅の波数ベクトルと、入射光を集光させる所定の位置に関するデータとを用いて、光学素子に規定される上記複数の位置における位相変調量を算出するステップとを含む。 An optical element design method according to a first aspect of the present invention is a method of designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position, and the incident light at a plurality of positions defined by the optical element. Calculating the absolute value of the complex amplitude, calculating the partial differential value of the declination of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element as a wave vector of the complex amplitude of the incident light, and optical It is specified in the optical element by using the absolute value of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions specified in the element, the wave vector of the complex amplitude of the incident light, and data on a predetermined position where the incident light is collected. Calculating phase modulation amounts at the plurality of positions.
ORA法では以下で詳細に述べるが、光学素子に規定される複数の位置におけるピクセル(微小領域)における入射光の複素振幅の絶対値及び波数ベクトルが必要となる。一般的に任意の入射光の波数ベクトルは簡単に求めることができないが、微小領域であるピクセルにおいて入射光は平面波に近似することができるという本発明の発明者による新規且つ非自明な知見から上記のように波数ベクトルを入射光の複素振幅の偏角の偏微分値により求めることができることが分かった。これにより、ORA法を任意の入射光に対応させることができるようになる。 As will be described in detail below in the ORA method, the absolute value and wave number vector of the complex amplitude of the incident light at the pixels (small regions) at a plurality of positions defined by the optical element are required. In general, the wave number vector of arbitrary incident light cannot be easily obtained. However, from the novel and non-obvious finding by the inventor of the present invention that incident light can approximate a plane wave in a pixel that is a minute region. Thus, it was found that the wave vector can be obtained from the partial differential value of the deviation angle of the complex amplitude of the incident light. As a result, the ORA method can be adapted to any incident light.
なお、入射光が、波長λでx軸方向のビーム径がwx、y軸方向のビーム径がwyのガウスビームの場合、入射光の複素振幅の波数ベクトルが、
なお、本発明の第1の態様において、光学素子に規定される上記複数の位置における位相変調量と、光学素子の材料の屈折率とを用いて、光学素子に規定される上記複数の位置における厚みを算出するステップをさらに含むようにしてもよい。より具体的に光学素子の設計を行うことができる。 In the first aspect of the present invention, the phase modulation amount at the plurality of positions defined in the optical element and the refractive index of the material of the optical element are used, and the plurality of positions defined in the optical element are used. You may make it further include the step which calculates thickness. More specifically, the optical element can be designed.
本発明の第2の態様に係る光学素子設計方法は、入射光を所定の位置に集光させるための光学素子を設計する方法であって、上記所定の位置と光学素子に規定される複数の位置との組の各々につき、入射光の、複数の平面波の重ね合わせ表現から得られる回折波の伝搬係数を計算するステップと、伝搬係数と光学素子に規定される複数の位置における位相変調量とから算出される、上記所定の位置についての回折波の複素振幅又は当該複素振幅から算出される値が予め設定された条件を満たすように、光学素子に規定される複数の位置における位相変調量を調整するステップとを含む。 An optical element design method according to a second aspect of the present invention is a method of designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position, and includes a plurality of predetermined positions and a plurality of optical elements defined by the optical element. Calculating a propagation coefficient of a diffracted wave obtained from a superimposed representation of a plurality of plane waves of incident light for each set of positions, and a phase modulation amount at a plurality of positions defined by the optical element; The phase modulation amounts at a plurality of positions defined in the optical element are set so that the complex amplitude of the diffracted wave at the predetermined position calculated from (2) or a value calculated from the complex amplitude satisfies a preset condition. Adjusting.
上でも述べたがORA法は平面波又は簡単な球面波への適用のみが考察されており、任意の入射光に対する考察はなされていない。本発明の発明者による新規且つ非自明な知見によれば、入射光を複数の平面波の重ね合わせとして表現することができれば、平面波を前提とするORA法を拡張することができる。その際、上記のような処理を実施すれば、位相変調量を正確に算出することができるようになる。 As described above, the ORA method is considered only for application to plane waves or simple spherical waves, and is not considered for arbitrary incident light. According to the novel and non-obvious knowledge by the inventors of the present invention, if the incident light can be expressed as a superposition of a plurality of plane waves, the ORA method based on plane waves can be extended. At that time, if the processing as described above is performed, the phase modulation amount can be accurately calculated.
なお、入射光が波長λでx軸方向のビーム径がwx、y軸方向のビーム径がwyのガウスビームであり、所定の位置が(xm,ym,zm)であり、光学素子に規定されている複数の位置が(xc,yc,0)であり、x軸方向のサンプル数がnx、y軸方向のサンプル数をnyであり、z0がビームウエストのZ座標値であり、光学素子に規定されている複数の位置におけるピクセル・サイズがa×bである場合、回折波の伝搬係数が、
により算出される。
The beam diameter in the x-axis direction in the incident light wavelength λ is w x, a Gaussian beam having a beam diameter in the y-axis direction is w y, a predetermined position (x m, y m, z m), a plurality of positions defined in the optical element (x c, y c, 0), the number of samples n x in the x-axis direction, the number of samples in the y-axis direction is n y, z 0 is the beam waist And the pixel size at a plurality of positions defined in the optical element is a × b, the propagation coefficient of the diffracted wave is
Is calculated by
また、本発明の第2の態様において、光学素子に規定される複数の位置における位相変調量と、光学素子の材料の屈折率とを用いて、光学素子に規定される複数の位置における厚みを算出するステップをさらに含むようにしてもよい。 Further, in the second aspect of the present invention, the thicknesses at the plurality of positions defined by the optical element are calculated using the phase modulation amounts at the plurality of positions defined by the optical element and the refractive index of the material of the optical element. A step of calculating may be further included.
なお、本発明に係る光学素子設計方法をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができ、このプログラムは、例えばフレキシブルディスク、CD−ROM、光磁気ディスク、半導体メモリ、ハードディスク等の記憶媒体又は記憶装置に格納される。また、ネットワークなどを介してデジタル信号として配信される場合もある。尚、中間的な処理結果はメモリ等の記憶装置に一時保管される。 Note that a program for causing a computer to execute the optical element design method according to the present invention can be created. This program can be a storage medium such as a flexible disk, a CD-ROM, a magneto-optical disk, a semiconductor memory, a hard disk, or the like. It is stored in a storage device. Moreover, it may be distributed as a digital signal via a network or the like. The intermediate processing result is temporarily stored in a storage device such as a memory.
本発明によれば、ORA法を任意の入射波に対応することができるようになる。 According to the present invention, the ORA method can be applied to any incident wave.
[第1の実施の形態]
1.第1の実施の形態における原理
前提となる光学系を図1に示す。図1では、レーザ光源LD1(ビームウェスト)から距離d1離れた位置にCGH3が配置され、CGH3から距離d2離れた位置に集光スポットを含む平面5が配置されている。このCGH3は、xy平面と平行であり、z=0の位置に配置されているものとする。また、図2に示すように、CGH3は、複数のピクセルに分割されており、各ピクセルの縦サイズb、横サイズaとなっている。ピクセルcの中心座標は、(xc,yc,0)となっている。また、集光スポットmは、この座標系において(xm,ym,Zm)となっている。
[First Embodiment]
1. FIG. 1 shows an optical system as a premise of the principle in the first embodiment. In FIG. 1, the CGH 3 is disposed at a position d 1 away from the laser light source LD1 (beam waist), and the plane 5 including the focused spot is disposed at a position away from the CGH 3 by a distance d 2 . This CGH3 is assumed to be parallel to the xy plane and disposed at a position of z = 0. Further, as shown in FIG. 2, the CGH 3 is divided into a plurality of pixels, and has a vertical size b and a horizontal size a of each pixel. The center coordinates of the pixel c are (x c , y c , 0). Also, the focused spot m, in the coordinate system (x m, y m, Z m) has become.
従来のORA法では、入射光として平面波を前提とする。平面波は、例えば以下の式で表される。
A・exp(−jk(X−X0)) (1)
なお、Aは振幅、kは波数ベクトル、XはCGH3上の任意の位置、X0はCGH3上の所定の位置を示す。
In the conventional ORA method, a plane wave is assumed as incident light. The plane wave is expressed by the following formula, for example.
A · exp (−jk (X−X 0 )) (1)
Incidentally, A is the amplitude, k is the wave number vector, X is an arbitrary position on CGH3, X 0 represents a predetermined position on CGH3.
一方、任意の入射光についてORA法を適用しようとすると、入射光の振幅及び入射光の波数ベクトルを算出する必要がある。しかし、任意の入射光は(1)式のような形を有していないので、振幅と波数ベクトルとをどのように求めるかが問題となる。 On the other hand, if the ORA method is applied to arbitrary incident light, it is necessary to calculate the amplitude of the incident light and the wave number vector of the incident light. However, since arbitrary incident light does not have the form as shown in the equation (1), how to obtain the amplitude and the wave vector becomes a problem.
ここで、本発明の発明者は、CGH3におけるピクセルの中心の近傍において任意の入射光は(1)式で表すような平面波に近似することができるという、新規且つ非自明な知見に至った。この場合、ピクセルの中心の近傍においては、入射光をψ(X)とすると、ψ(X)=Ac・exp(−jkc(X−Xc))とおくことができる。ここでAcは、ピクセルcにおける振幅、kcは、ピクセルcにおける波数ベクトル、Xcは、ピクセルcの座標値を示す。従って、振幅Ac=|ψ(Xc)|、kc=−∇∠ψ(Xc)となる。なお、∠は複素数の偏角を表す。また、λは入射光の波長である。 Here, the inventor of the present invention has arrived at a novel and non-obvious knowledge that arbitrary incident light can be approximated to a plane wave as expressed by the equation (1) in the vicinity of the center of the pixel in CGH3. In this case, if the incident light is ψ (X) in the vicinity of the center of the pixel, ψ (X) = A c · exp (−jk c (X−X c )) can be set. Here, A c is the amplitude at pixel c, k c is the wave vector at pixel c, and X c is the coordinate value of pixel c. Therefore, the amplitudes A c = | ψ (X c ) | and k c = −∇∠ψ (X c ). Note that ∠ represents a complex argument. Λ is the wavelength of incident light.
例えば、ビーム径(ビームウェストでのサイズ)がx軸方向についてはwx、y軸方向についてはwyとなる楕円のカウスビームの場合を考える。 For example, consider the case of an elliptical cows beam in which the beam diameter (size at the beam waist) is w x in the x-axis direction and w y in the y-axis direction.
通常三次元の自由空間を伝搬する波長λの光の複素振幅分布は、以下のように表される。なお、x(太文字)は(x,y,z)というxyz直交座標系で表した位置である。
(2)式中のu(x)をxy平面について2次元フーリエ変換した空間スペクトル((3)式)を用いると、(4)式を得ることができる。
(4)式を(2)式に代入することにより(5)式を得ることができる。
(5)式のうちz軸の正方向へ進行する波は(6)式で与えられる。
ここでg(α,β)は任意の関数で、振幅分布の初期条件を与えると定まる。初期条件として、z=−z0における振幅分布u(x,y,−z0)がガウス分布((7)式)で与えられる場合を考える。
g(α,β)は、(6)式にz=−z0を代入し、(7)式を用いて(8)式で与えられる。
(4)式に(6)式と(8)式を代入すると(9)式が得られる。
CGHへの入射光の複素振幅を計算するには(9)式の積分を行う必要がある。但し、(10)式のような近似、すなわちビーム径が波長より十分大きいということを前提とすると、(11)式が成り立ち、さらに(9)式の積分を解くと(12)式が得られる。
なお、以下の(13)乃至(15)式を用いる。
2.実施態様
以下、コンピュータ・システムにより上で述べた第1の実施の形態における原理を実施する場合の構成を説明する。図3に、当該コンピュータ・システムの機能ブロック図を示す。本コンピュータ・システムは、本実施の形態におけるORA法を実行するために必要な設計パラメータの入力をユーザに促し、ユーザから設計パラメータの入力を受け付け、または当該パラメータを格納したファイルなどを読み込む入力部10と、入力部10が取得したデータを格納する設計パラメータ格納部12と、設計パラメータ格納部12に格納されたデータを読み出しピクセル中心座標を算出するピクセル中心座標算出部14と、ピクセル中心座標算出部14により算出されたピクセル中心座標のデータを格納するピクセル中心座標データ格納部16と、設計パラメータ格納部12及びピクセル中心座標データ格納部16に格納されたデータを用いて例えば(16)式及び(18)式に従って振幅及び波数ベクトルを算出する振幅及び波数ベクトル算出部18と、振幅及び波数ベクトル算出部18により算出される振幅及び波数ベクトルのデータを格納する振幅及び波数ベクトル格納部20と、設計パラメータ格納部12、ピクセル中心座標データ格納部16及び振幅及び波数ベクトル格納部18に格納されたデータを用いて伝搬係数及びそれに関連するデータを算出する伝搬係数関連データ算出部22と、伝搬係数関連データ算出部22により算出されたデータを格納する伝搬係数関連データ格納部24と、設計パラメータ格納部12及び伝搬係数関連データ格納部24に格納されたデータを用いてORA法の処理を実施するORA処理部26と、ORA処理部26により算出された、CGH3の全てのピクセルについての位相変調量のデータを格納する位相変調量格納部28と、設計パラメータ格納部12及び位相変調量格納部28に格納された位相変調量のデータを用いて作成すべき光学素子の各ピクセルにおける厚み(又は高さ)をレリーフ形状として算出するレリーフ形状決定部30と、レリーフ形状決定部30により算出されたデータを格納するレリーフデータ格納部32とを有する。さらに、レリーフデータ格納部32からデータを読み出し、表示装置などの出力装置に出力する出力部や、レリーフデータ格納部32に従って光学素子を自動的に作成する自動作成装置がさらに含まれる場合もある。
2. Embodiment Hereinafter, a configuration when the principle in the first embodiment described above is implemented by a computer system will be described. FIG. 3 shows a functional block diagram of the computer system. The computer system prompts the user to input design parameters necessary for executing the ORA method in the present embodiment, receives an input of design parameters from the user, or reads a file storing the parameters, etc. 10, a design parameter storage unit 12 that stores data acquired by the input unit 10, a pixel center coordinate calculation unit 14 that reads out data stored in the design parameter storage unit 12 and calculates pixel center coordinates, and pixel center coordinate calculation Using the pixel center coordinate data storage unit 16 that stores the data of the pixel center coordinates calculated by the unit 14 and the data stored in the design parameter storage unit 12 and the pixel center coordinate data storage unit 16, for example, Amplitude and wave number vector are calculated according to equation (18) A wave vector calculation unit 18; an amplitude and wave vector storage unit 20 that stores amplitude and wave vector data calculated by the amplitude and wave vector calculation unit 18; a design parameter storage unit 12; a pixel center coordinate data storage unit 16; A propagation coefficient related data calculation unit 22 that calculates a propagation coefficient and related data using the data stored in the amplitude and wave vector storage unit 18, and a propagation that stores the data calculated by the propagation coefficient related data calculation unit 22 Calculated by the coefficient-related data storage unit 24, the ORA processing unit 26 that performs the process of the ORA method using the data stored in the design parameter storage unit 12 and the propagation coefficient-related data storage unit 24, and the ORA processing unit 26 Phase modulation amount storage for storing phase modulation amount data for all pixels of CGH3 28 and the relief shape for calculating the thickness (or height) of each pixel of the optical element to be created as the relief shape using the phase modulation amount data stored in the design parameter storage unit 12 and the phase modulation amount storage unit 28 The determination unit 30 includes a relief data storage unit 32 that stores data calculated by the relief shape determination unit 30. Furthermore, an output unit that reads data from the relief
なお、ORA処理部26は、図4に示すように、設計パラメータ格納部12に格納されたデータを用いて重みデータ及び位相変調量のデータの初期化処理を実施する初期化処理部261と、初期化処理部261により初期化され順次更新される重みデータを格納する重みデータ格納部265と、初期化処理部261により初期化され順次更新される位相変調量を格納する位相変調量格納部28と、伝搬係数関連データ格納部24及び位相変調量格納部28を参照して複素振幅等を算出する複素振幅計算部267と、複素振幅計算部267に算出された複素振幅等のデータを格納する複素振幅データ格納部269と、複素振幅データ格納部269及び伝搬係数関連データ格納部24を参照して収束判定を行う収束判定部271と、収束判定部271による収束判定部271の判定結果に従い、複素振幅データ格納部269及び設計パラメータ格納部12に格納されたデータを用いて重みデータ格納部265に格納された重みデータの更新を行う重み更新処理部273と、更新された重みデータ及び複素振幅データ格納部269及び伝搬係数関連データ格納部24に格納されたデータを用いて位相変調量格納部28に格納された位相変調量の更新を行う位相変調量更新処理部275とを含む。
As shown in FIG. 4, the
図3及び図4に示したコンピュータ・システムの処理フローを図5を用いて説明する。まず、入力部10は、ORA法を実行するために必要な設計パラメータの入力をユーザに促し、ユーザから設計パラメータの入力を受け付ける。または、当該設計パラメータを格納したファイルなどを読み込む。そして、取得した設計パラメータを設計パラメータ格納部12に格納する(図5:ステップS1)。設計パラメータは、入射光の波長λ、CGHのx軸方向のピクセルサイズa、CGHのy軸方向のピクセルサイズb、CGHのx軸方向のピクセル数Na、CGHのy軸方向のピクセル数Nb、集光スポットの数M、集光スポットm(mは1以上M以下の整数)の座標(xm,ym,zm)、集光スポットmでの希望する光強度Im desired、光強度の許容誤差ε、CGH3を実現するための光学素子基板の屈折率n、波数k(=2π/λ)、及びピクセル総数N(=Na×Nb)を含む。なお、波数k及びピクセル総数Nについては、算出するようにしても良い。
The processing flow of the computer system shown in FIGS. 3 and 4 will be described with reference to FIG. First, the
次に、ピクセル中心座標算出部14は、設計パラメータ格納部12に格納されているピクセルサイズa及びbを用いて、CGH3における各ピクセルc(cは1以上N以下の整数)の中心座標を算出し、ピクセル中心座標データ格納部16に格納する(ステップS3)。各ピクセルcの中心座標は、例えばCGH3の中心にz軸が設けられているとする場合には、(a/2,b/2,0)、(a/2,−b/2,0)、(−a/2,b/2,0)、(−a/2,−b/2,0)からx座標については±aの整数倍、y座標については±bの整数倍変更した値を有する。
Next, the pixel center coordinate
そして、振幅及び波数ベクトル算出部18は、ピクセル中心座標データ格納部16に格納された各ピクセルcのピクセル中心座標のデータを用いて、入射光の複素振幅における振幅Ac及び波数ベクトルkcを算出し、振幅及び波数ベクトル格納部20に格納する(ステップS5)。上でも述べたように、本実施の形態では、入射光がψ(x)であれば、各ピクセルcの座標値xcを用いて、振幅Ac=|ψ(xc)|、kc=−∇∠ψ(xc)により算出する。∠は複素数の偏角を表す。また、必要に応じて設計パラメータ格納部12に格納されたデータを用いる。ビーム形状が楕円であるガウスビームの場合には、(16)式及び(18)式により各ピクセルについて振幅及び波数ベクトルを計算し、振幅及び波数ベクトル格納部20に格納する。第1の実施の形態において従来技術と最も異なるのは、入射光の複素振幅における振幅及び波数ベクトルの算出法である。
Then, the amplitude and wave number
次に、伝搬係数関連データ算出部22は、振幅及び波数ベクトル格納部20、ピクセル座標データ格納部16及び設計パラメータ格納部12に格納されたデータを用いて、各集光スポットmについて、伝搬係数Umcを(20)式で算出し、さらに伝搬係数Umcの絶対値|Umc|及び偏角∠Umcを算出し、伝搬係数関連データ格納部24に格納する(ステップS7)。このステップにおいて用いられる(20)式は、従来のORA法どおり以下のようになる。
このように本ステップでは、集光スポットmとCGH3のピクセルcとの組み合わせの個数だけ伝搬係数Umc等が算出される。 Thus, in this step, the propagation coefficient Umc and the like are calculated by the number of combinations of the focused spot m and the pixel c of CGH3.
そして、ORA処理部26の初期化処理部261は、設計パラメータ格納部12に格納されたデータを参照して、CGH3の各ピクセルcについて位相変調量φcを0から2πまでの値を有する一様乱数にて初期化し、さらに各集光スポットmについて重みwm=Im desiredにて初期化し、位相変調量φcについては位相変調量格納部28に、重みwmについては重みデータ格納部265に格納する(ステップS9)。
The
ORA処理部26の複素振幅計算部267は、設計パラメータ格納部12及び位相変調量格納部28に格納されたデータを用いて、(24)式に従って各集光スポットmについてCGH3を基に実現される光学素子による回折波の複素振幅Um、及び複素振幅Umから求めることができる光強度Im=|Um|2並び複素振幅Umの偏角∠Umを算出し、複素振幅データ格納部269に格納する(ステップS11)。
ここまで処理を行うと、ORA処理部26の収束判定部271は、設計パラメータ格納部12を参照して、全集光スポットmについて、|Im−Im desired|<εが成立しているか判断する(ステップS13)。全ての集光スポットmについて上記の条件が満たされたと判断された場合には、ステップS19に移行する。
When the processing is performed so far, the
一方、いずれかの集光スポットmについて上記条件が満たされていないと判断された場合には、ORA処理部26の重み更新処理部273は、設計パラメータ格納部12及び複素振幅データ格納部269を参照し、重みデータ格納部265に格納された各集光スポットmについての重みwmを(25)式に従って更新し、登録する(ステップS15)。
さらに、ORA処理部26の位相変調量更新処理部275は、重みデータ格納部265、複素振幅データ格納部269及び伝搬係数関連データ格納部24に格納されたデータを用いて、位相変調量格納部28に格納された各ピクセルcについて位相変調量を(26)乃至(29)式に従って更新し、登録する(ステップS17)。
また、ステップS13において収束条件が満たされていると判断された場合には、レリーフ形状決定部30は、位相変調量格納部28に格納されている各ピクセルcにおける位相変調量φcを基に、CGH3におけるレリーフの高さ(厚み)hを(30)式に従って算出し、レリーフデータ格納部32に格納する(ステップS19)。
例えば、図1において、d1=1mm、d2=30mm、CGH3のピクセルサイズを1μm2、ピクセル数を2502、位相変調量は0から2πの範囲の連続値とする。また、入射光の波長λ=650nm、光源におけるスポット・サイズはwx=4.6λ、wy=1.3λとする。図7(a)に示すように、CGH3は、ピクセル数及びピクセルサイズから縦横0.25mmとなる。また、図7(b)に示すように集光面xyにおいて、x軸及びy軸を挟んで0.4mm四方の正方形の頂点に集光スポットを配置するものとする。そうすると、図8(a)に示すようなCGH3を得ることができる。この図8(a)において、明るい部分は位相変調量φcが大きく、暗い部分は位相変調量φcが小さい部分である。このようなCGH3が上記のような処理にて算出される。一方、集光面においては、図8(b)に示すような光強度の分布が計算される。この光強度の分布については、上で述べた処理とは別に、位相変調量φcを基に集光面における光強度を所定の微小領域毎に計算することになる。 For example, in FIG. 1, d 1 = 1 mm, d 2 = 30 mm, the pixel size of CGH 3 is 1 μm 2 , the number of pixels is 250 2 , and the phase modulation amount is a continuous value in the range of 0 to 2π. Further, it is assumed that the wavelength λ of incident light is 650 nm, and the spot size at the light source is w x = 4.6λ and w y = 1.3λ. As shown in FIG. 7A, CGH3 is 0.25 mm in length and width from the number of pixels and the pixel size. Further, as shown in FIG. 7B, a condensing spot is arranged at the apex of a square of 0.4 mm square across the x axis and the y axis on the condensing surface xy. If it does so, CGH3 as shown to Fig.8 (a) can be obtained. In FIG. 8A, a bright part has a large phase modulation amount φ c and a dark part has a small phase modulation amount φ c . Such CGH3 is calculated by the processing as described above. On the other hand, on the condensing surface, a light intensity distribution as shown in FIG. 8B is calculated. For this light intensity distribution, separately from the processing described above, the light intensity on the condensing surface is calculated for each predetermined minute region based on the phase modulation amount φ c .
以上第1の実施の形態を説明したが、図3の機能ブロック図は本実施の形態におけるコンピュータ・システムの構成を説明するために示したものであって、必ずしもコンピュータ・プログラムにおけるサブルーチンなどのモジュールに対応するものではない。また、入射光の複素振幅等の表式については予め決定しておく必要がある。 Although the first embodiment has been described above, the functional block diagram of FIG. 3 is shown for explaining the configuration of the computer system in the present embodiment, and is not necessarily a module such as a subroutine in the computer program. It does not correspond to. Further, it is necessary to determine in advance the expression such as the complex amplitude of the incident light.
[第2の実施の形態]
1.第2の実施の形態における原理
第1の実施の形態においては、CGH3の微小領域において任意の入射波が平面波に近似できるという観点からORA法の適用範囲を拡張した。しかし、この近似が必ずしも適当ではない場合もある。
[Second Embodiment]
1. Principle in the second embodiment In the first embodiment, the application range of the ORA method is expanded from the viewpoint that an arbitrary incident wave can approximate a plane wave in a minute region of the CGH3. However, this approximation may not always be appropriate.
第2の実施の形態は、任意の入射光を平面波の重ね合わせとして表現することができれば、ORA法を正確な形で拡張することができるという、本発明の発明者による新規且つ非自明な知見に基づく。 The second embodiment is a novel and non-obvious finding by the inventor of the present invention that if the arbitrary incident light can be expressed as a superposition of plane waves, the ORA method can be extended in an accurate form. based on.
より具体的に、ビーム形状が楕円のガウスビームの場合について考察する。第1の実施の形態においては、(9)式において(10)式のような近似が成り立つ場合を説明した。ここでは、(9)式を平面波の重ね合わせで表す式に置き換え、それぞれの平面波がCGH3に入射した時の回折波を合成してガウスビームの回折光を計算し、ORA法を適用してCGH3を作成する場合を説明する。 More specifically, consider the case of an elliptical Gaussian beam. In the first embodiment, a case has been described in which an approximation like the equation (10) is established in the equation (9). Here, equation (9) is replaced with an equation represented by superposition of plane waves, diffracted waves when the respective plane waves are incident on CGH 3 are combined to calculate the diffracted light of the Gaussian beam, and the ORA method is applied to obtain CGH 3 A case of creating a file will be described.
(9)式は、Diracのデルタ関数δを用いると(31)及び(32)式のような3次元フーリエ変換の形に書き直すことができる。
ここで、ベクトルk=(kx,ky,kz)は波数ベクトルである。また、dkxdkydkzをd3kと示している。(31)式は、振幅A(k)、波数ベクトルkを有する平面波の重ね合わせで入射光u(x)を表すことができることを示している。CGH3のピクセルの中心座標をxcと置き、これを中心に考えると以下のような表現が可能になる。
(33)式を(31)式に代入すると、以下の(34)式が得られる。
ORA法では、中心座標xc、大きさa×bのピクセルcに平面波exp{jk・(x−xc)}が入射した時の位置xmにおける回折光の複素振幅uc(xm)を以下の式で算出する。
(34)式のexp{jk・(x−xc)}を(35)式の右辺で置き換え、(32)式に代入すると、ガウスビームが入射した時の回折光は以下の(37)式で与えられる。
ここで、kz=(k−kx 2−ky 2)1/2である。積分はkzが実数の範囲、すなわち、kx 2+ky 2≦k2の範囲Cで行う。そして、上記の積分を数値的に計算するための、関数F(kx,ky)を以下の(38)式のように定義する。
そうすると(37)式は以下のように書き直すことができる。
この式の積分を離散化し、次のように有限の和で近似して計算する。
この(43)式を第1の実施の形態における(20)式の代わりに用いる。すなわち、本実施の形態では、任意の入射波を平面波の重ね合わせとして表現した上で回折波を導き出しているため、第1の実施の形態のように入射波の波数ベクトル及び振幅については別途算出する必要はない。 This equation (43) is used instead of the equation (20) in the first embodiment. In other words, in this embodiment, since a diffracted wave is derived after expressing an arbitrary incident wave as a superposition of plane waves, the wave number vector and amplitude of the incident wave are separately calculated as in the first embodiment. do not have to.
2.実施形態
以下、コンピュータ・システムにより上で述べた第2の実施の形態における原理を実施する場合の構成を説明する。なお、第2の実施の形態に係るコンピュータ・システムは、図3に示した機能ブロック図のうち振幅及び波数ベクトル算出部18及び振幅及び波数ベクトル格納部20を除去した形となる。従って、図5に示した処理フローにおいてもステップS5がスキップされる。
2. Embodiment Hereinafter, a configuration when the principle of the second embodiment described above is implemented by a computer system will be described. Note that the computer system according to the second embodiment has a form in which the amplitude and wave number
以下、上で述べたような修正後の図5の処理フローに従って本実施の形態における処理の詳細について説明する。 The details of the processing in the present embodiment will be described below in accordance with the processing flow of FIG. 5 after correction as described above.
まず、入力部10は、ORA法を実行するために必要な設計パラメータの入力をユーザに促し、ユーザから設計パラメータの入力を受け付ける。または、当該設計パラメータを格納したファイルなどを読み込む。そして、取得した設計パラメータを設計パラメータ格納部12に格納する(ステップS1)。設計パラメータは、入射光の波長λ、CGHのx軸方向のピクセルサイズa、CGHのy軸方向のピクセルサイズb、CGHのx軸方向のピクセル数Na、CGHのy軸方向のピクセル数Nb、集光スポットの数M、集光スポットm(mは1以上M以下の整数)の座標(xm,ym,zm)、集光スポットmでの希望する光強度Im desired、光強度の許容誤差ε、CGH3を実現するための光学素子基板の屈折率n、波数k(=2π/λ)、及びピクセル総数N(=Na×Nb)を含む。なお、波数k及びピクセル総数Nについては、算出するようにしても良い。
First, the
次に、ピクセル中心座標算出部14は、設計パラメータ格納部12に格納されているピクセルサイズa及びbを用いて、CGH3における各ピクセルc(cは1以上N以下の整数)の中心座標を算出し、ピクセル中心座標データ格納部16に格納する(ステップS3)。各ピクセルcの中心座標は、例えばCGH3の中心にz軸が設けられているとする場合には、(a/2,b/2,0)、(a/2,−b/2,0)、(−a/2,b/2,0)、(−a/2,−b/2,0)からx座標については±aの整数倍、y座標については±bの整数倍変更した値を有する。
Next, the pixel center coordinate
ステップS5をスキップして、次に、伝搬係数関連データ算出部22は、振幅及び波数ベクトル格納部20、ピクセル座標データ格納部16及び設計パラメータ格納部12に格納されたデータを用いて、各集光スポットmについて、伝搬係数Umcを(44)式で算出し、さらに伝搬係数Umcの絶対値|Umc|及び偏角∠Umcを算出し、伝搬係数関連データ格納部24に格納する(ステップS7)。
本ステップでは、集光スポットmとCGH3のピクセルcとの組み合わせの個数だけ伝搬係数Umc等が算出される。
Step S5 is skipped, and then the propagation coefficient related
In this step, propagation coefficients Umc and the like are calculated for the number of combinations of the focused spot m and the pixel c of CGH3.
そして、ORA処理部26の初期化処理部261は、設計パラメータ格納部12に格納されたデータを参照して、CGH3の各ピクセルcについて位相変調量φcを0から2πまでの値を有する一様乱数にて初期化し、さらに各集光スポットmについて重みwm=Im desiredにて初期化し、位相変調量φcについては位相変調量格納部28に、重みwmについては重みデータ格納部265に格納する(ステップS9)。
The
ORA処理部26の複素振幅計算部267は、設計パラメータ格納部12及び位相変調量格納部28に格納されたデータを用いて、(24)式に従って各集光スポットmについてCGH3を基に実現される光学素子による回折波の複素振幅Um、及び複素振幅Umから求めることができる光強度Im=|Um|2並び複素振幅Umの偏角∠Umを算出し、複素振幅データ格納部269に格納する(ステップS11)。このように、全ピクセルの影響を集光スポットにつき重ね合わせる。
The complex
ここまで処理を行うと、ORA処理部26の収束判定部271は、設計パラメータ格納部12を参照して、全集光スポットmについて、|Im−Im desired|<εが成立しているか判断する(ステップS13)。全ての集光スポットmについて上記の条件が満たされたと判断された場合には、ステップS19に移行する。
When the processing is performed so far, the
一方、いずれかの集光スポットmについて上記条件が満たされていないと判断された場合には、ORA処理部26の重み更新処理部273は、設計パラメータ格納部12及び複素振幅データ格納部269を参照し、重みデータ格納部265に格納された各集光スポットmについての重みwmを(25)式に従って更新し、登録する(ステップS15)。
On the other hand, when it is determined that the above condition is not satisfied for any of the focused spots m, the weight
さらに、ORA処理部26の位相変調量更新処理部275は、重みデータ格納部265、複素振幅データ格納部269及び伝搬係数関連データ格納部24に格納されたデータを用いて、位相変調量格納部28に格納された各ピクセルcについて位相変調量を(26)乃至(29)式に従って更新し、登録する(ステップS17)。そしてステップS11に戻る。
Further, the phase modulation amount
また、ステップS13において収束条件が満たされていると判断された場合には、レリーフ形状決定部30は、位相変調量格納部28に格納されている各ピクセルcにおける位相変調量φcを基に、CGH3におけるレリーフの高さ(厚み)hを(30)式に従って算出し、レリーフデータ格納部32に格納する(ステップS19)。
If it is determined in step S13 that the convergence condition is satisfied, the relief
以上第2の実施の形態に係る処理を説明したが、原理の欄において説明したように、任意の入射光を平面波の重ね合わせとして表現し、さらに回折波の表式を導出した上で、上記の処理を実施する必要がある。 Although the processing according to the second embodiment has been described above, as described in the principle section, arbitrary incident light is expressed as a superposition of plane waves, and the expression of the diffracted wave is derived. It is necessary to carry out the process.
10 入力部 12 設計パラメータ格納部
14 ピクセル中心座標算出部 16 ピクセル中心座標データ格納部
18 振幅及び波数ベクトル算出部 20 振幅及び波数ベクトル格納部
22 伝搬係数関連データ算出部 24 伝搬係数関連データ格納部
26 ORA処理部 28 位相変調量格納部
30 レリーフ形状決定部 32 レリーフデータ格納部
261 初期化処理部 265 重みデータ格納部
267 複素振幅計算部 269 複素振幅データ格納部
271 収束判定部 273 重み更新処理部
275 位相変調量更新処理部
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の絶対値を算出するステップと、
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の偏角の偏微分の値を前記入射光の複素振幅の波数ベクトルとして算出するステップと、
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の絶対値と、前記入射光の複素振幅の波数ベクトルと、前記入射光を集光させる前記所定の位置に関するデータとを用いて、前記光学素子に規定される前記複数の位置における位相変調量を算出するステップと、
を含む光学素子設計方法。 A method of designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position,
Calculating the absolute value of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element;
Calculating a partial differential value of a deviation angle of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element as a wave vector of the complex amplitude of the incident light;
Using the absolute value of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element, the wave number vector of the complex amplitude of the incident light, and data on the predetermined position where the incident light is collected Calculating phase modulation amounts at the plurality of positions defined in the optical element;
An optical element design method including:
をさらに含む請求項1又は2記載の光学素子設計方法。 Calculating the thickness at the plurality of positions defined by the optical element using the phase modulation amounts at the plurality of positions defined by the optical element and the refractive index of the material of the optical element; The optical element design method of Claim 1 or 2 containing.
前記所定の位置と前記光学素子に規定される複数の位置との組の各々につき、前記入射光の、複数の平面波の重ね合わせ表現から得られる回折波の伝搬係数を計算するステップと、
前記伝搬係数と前記光学素子に規定される複数の位置における位相変調量とから算出される、前記所定の位置についての前記回折波の複素振幅又は当該複素振幅から算出される値が予め設定された条件を満たすように、前記光学素子に規定される複数の位置における位相変調量を調整するステップと、
を含む光学素子設計方法。 A method of designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position,
Calculating a propagation coefficient of a diffracted wave obtained from a superimposed representation of a plurality of plane waves of the incident light for each set of the predetermined position and a plurality of positions defined in the optical element;
A complex amplitude of the diffracted wave for the predetermined position or a value calculated from the complex amplitude, which is calculated from the propagation coefficient and phase modulation amounts at a plurality of positions defined by the optical element, is preset. Adjusting a phase modulation amount at a plurality of positions defined in the optical element so as to satisfy a condition;
An optical element design method including:
により算出されることを特徴とする請求項4記載の光学素子設計方法。 The beam diameter in the x-axis direction in the incident light wavelength λ is w x, the beam diameter in the y-axis direction is a Gaussian beam of w y, the predetermined position is (x m, y m, z m) are, wherein the plurality of positions defined in the optical element is (x c, y c, 0 ), the x-axis direction of the sample number n x, y-axis direction of the sample number n y, z 0 is the beam When it is the Z coordinate value of the waist and the pixel size at a plurality of positions defined in the optical element is a × b, the propagation coefficient of the diffracted wave is
The optical element design method according to claim 4, wherein the optical element design method is calculated by:
をさらに含む請求項4又は5記載の光学素子設計方法。 Calculating the thickness at the plurality of positions defined by the optical element using the phase modulation amounts at the plurality of positions defined by the optical element and the refractive index of the material of the optical element; 6. The optical element design method according to claim 4 or 5.
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の絶対値を算出するステップと、
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の偏角の偏微分の値を前記入射光の複素振幅の波数ベクトルとして算出するステップと、
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の絶対値と、前記入射光の複素振幅の波数ベクトルと、前記入射光を集光させる前記所定の位置に関するデータとを用いて、前記光学素子に規定される前記複数の位置における位相変調量を算出するステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。 A program for designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position,
Calculating the absolute value of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element;
Calculating a partial differential value of a deviation angle of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element as a wave vector of the complex amplitude of the incident light;
Using the absolute value of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element, the wave number vector of the complex amplitude of the incident light, and data on the predetermined position where the incident light is collected Calculating phase modulation amounts at the plurality of positions defined in the optical element;
A program that causes a computer to execute.
前記所定の位置と前記光学素子に規定される複数の位置との組の各々につき、前記入射光の、複数の平面波の重ね合わせ表現から得られる回折波の伝搬係数を計算するステップと、
前記伝搬係数と前記光学素子に規定される複数の位置における位相変調量とから算出される、前記所定の位置についての前記回折波の複素振幅又は当該複素振幅から算出される値が予め設定された条件を満たすように、前記光学素子に規定される複数の位置における位相変調量を調整するステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。 A program for designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position,
Calculating a propagation coefficient of a diffracted wave obtained from a superimposed representation of a plurality of plane waves of the incident light for each set of the predetermined position and a plurality of positions defined in the optical element;
A complex amplitude of the diffracted wave for the predetermined position or a value calculated from the complex amplitude, which is calculated from the propagation coefficient and phase modulation amounts at a plurality of positions defined by the optical element, is preset. Adjusting a phase modulation amount at a plurality of positions defined in the optical element so as to satisfy a condition;
A program that causes a computer to execute.
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の絶対値を算出する手段と、
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の偏角の偏微分の値を前記入射光の複素振幅の波数ベクトルとして算出する手段と、
前記光学素子に規定される複数の位置における前記入射光の複素振幅の絶対値と、前記入射光の複素振幅の波数ベクトルと、前記入射光を集光させる前記所定の位置に関するデータとを用いて、前記光学素子に規定される前記複数の位置における位相変調量を算出する手段と、
を有する光学素子設計装置。 An optical element design apparatus for designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position,
Means for calculating an absolute value of a complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element;
Means for calculating a partial differential value of a deviation angle of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element as a wave vector of the complex amplitude of the incident light;
Using the absolute value of the complex amplitude of the incident light at a plurality of positions defined by the optical element, the wave number vector of the complex amplitude of the incident light, and data on the predetermined position where the incident light is collected Means for calculating phase modulation amounts at the plurality of positions defined in the optical element;
An optical element design apparatus.
前記所定の位置と前記光学素子に規定される複数の位置との組の各々につき、前記入射光の、複数の平面波の重ね合わせ表現から得られる回折波の伝搬係数を計算する手段と、
前記伝搬係数と前記光学素子に規定される複数の位置における位相変調量とから算出される、前記所定の位置についての前記回折波の複素振幅又は当該複素振幅から算出される値が予め設定された条件を満たすように、前記光学素子に規定される複数の位置における位相変調量を調整する手段と、
を有する光学素子設計装置。 An optical element design apparatus for designing an optical element for condensing incident light at a predetermined position,
Means for calculating a propagation coefficient of a diffracted wave obtained from a superimposed representation of a plurality of plane waves of the incident light for each set of the predetermined position and a plurality of positions defined by the optical element;
A complex amplitude of the diffracted wave for the predetermined position or a value calculated from the complex amplitude, which is calculated from the propagation coefficient and phase modulation amounts at a plurality of positions defined by the optical element, is preset. Means for adjusting phase modulation amounts at a plurality of positions defined in the optical element so as to satisfy a condition;
An optical element design apparatus.
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