JP4397482B2

JP4397482B2 - Beam splitting element

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Publication number: JP4397482B2
Application number: JP33195599A
Authority: JP
Inventors: 正人野口
Original assignee: Hoya Corp
Current assignee: Hoya Corp
Priority date: 1999-11-22
Filing date: 1999-11-22
Publication date: 2010-01-13
Anticipated expiration: 2019-11-22
Also published as: JP2001147308A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、グレーティング型の光束分割素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のグレーティング型の光束分割素子は、例えば特開平５−３２３１１０号公報、特開平７−２２５３０５号公報に開示されている。これらの公報には、単一の位相高さを持つ不均等幅の矩形パターンを利用して奇数本、あるいは偶数本の回折光を得る光束分割素子が開示される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報に記載された従来の光束分割素子は、回折効率が前者の実施例で７０％〜８５％、後者の実施例で８１％と低い値に止まっており、入射光の強度を十分有効に利用することができず、光エネルギーのロスが大きいという課題がある。
【０００４】
なお、上記の特開平７−２２５３０５号公報にも記載されるように、コンピュータに接続される光記録装置、あるいは、光コンピュータの分野では、ディジタル演算の単位が１バイト、すなわち８ビットであり、演算の基本が一般に偶数ビット単位であるため、これらの分野で利用される光記録装置、あるいは光コンピュータにおいても、偶数本の光が利用される場合がある。したがって、光束分割素子も光を偶数本に分割することができれば、入射光の強度を無駄にすることなく有効に利用することができる。
【０００５】
この発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、偶数本の回折光を発生する光束分割素子であって、回折効率を従来の素子よりも高めることができる光束分割素子を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるグレーティング型の光束分割素子は、上記の目的を達成させるため、以下の特性を持つ第１，第２の位相分布の位相和で全体の位相分布を構成したことを特徴とする。第１の位相分布は、入射光の半波長の段差を持って位相差が矩形波状に変化し、周期がＴ、デューティ比が１となり、第２の位相分布は、位相差が非線形に変化し、周期がＴ／２となり、これら全体で入射光を偶数本の回折光に分離する。第１の位相分布は、入射光を主として±１次回折光に二分し、第２の位相分布は、入射光を主として奇数本の回折光に分離する。
【０００７】
上記の構成によれば、第１の位相分布は、入射光を主として±１次回折光に２分割する機能を有し、第２の位相分布は第１の位相分布による回折角の２倍の回折角で入射光を奇数の回折光に分割する。このため、第２の位相分布により分割されたある次数の回折光は第１の位相分布によりそれぞれ２分割され、同様に２分割された隣の次数の回折光と重なり合う。ここで、最も外側で他の回折光と重ならない成分を消去するように第２の位相分布を調整することにより、偶数本の回折光を得ることができる。
【０００８】
第１、第２の位相分布の形態としては、以下の３種類が考えられる。
(1) 第１、第２の位相分布を複合した位相パターンを単一の部材の一面に形成する。
(2) 第１、第２の位相分布の各位相パターンを、単一の部材の異なる面にそれぞれ独立して形成する。
(3) 第１，第２の位相分布の各位相パターンを、それぞれ異なる部材に独立して形成し、これらの部材を光の進行方向に沿って直列に配置する。
いずれの形態においても、光学的な作用はほぼ同一である。実際の設置時における位置合わせの容易さからは(1),(2)が望ましく、加工の容易さからは(3)が有利である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光束分割素子の実施形態を３例説明する。なお、各実施形態では、第２の位相分布として後述する実施例１に示されるパターンを使用しており、第１の位相分布と合わせて入射光を４分割する素子を構成している。
【００１０】
図１は実施形態の光束分割素子１を示す斜視図、図２は図１の光束分割素子の位相分布を示すグラフである。光束分割素子１は、図１に拡大して示されるように、ｘ方向に延びる帯状の基準位相パターンＰ1，Ｐ2，...を基板Ｂ上に等ピッチでｙ方向に多数並列して形成することにより構成されている。基板Ｂは、基準位相パターンＰ1，Ｐ2，．．．も含めて透明な樹脂材料、またはガラス材料で形成されている。
【００１１】
それぞれの基準位相パターンＰ1，Ｐ2，...は、ｙ方向においてそのピッチ内で与える位相差が非線形に変化するよう形成されている。この位相分布は、図２に示すように、入射光の半波長の段差を持って位相差が矩形波状に変化し、周期がＴ、デューティ比が１となる第１の位相分布と、位相差が非線形に変化し、周期がＴ／２となる第２の位相分布との位相和で構成される複合位相分布である。すなわち、第１の実施形態にかかる光束分割素子１は、第１、第２の位相分布を複合した位相パターンを単一の部材の一面に形成したものである。入射光は、ｘ，ｙ両方向に垂直なｚ方向と平行に入射する。
【００１２】
第１の位相分布は、図３(A)に示すように、入射光を回折角θで±１次回折光に２分割する機能を有し、第２の位相分布は、図３(B)に示すように、第１の位相分布による回折角の２倍の回折角２θで入射光を奇数の回折光(この例では０次、±１次、±２次の５本)に分割する機能を有する。
【００１３】
このような第１，第２の位相分布を合わせることにより、第２の位相分布により分割された各次数の回折光は、第１の位相分布によりそれぞれ２分割される。ここで、第１の位相分布による回折角θは第２の位相分布による回折角２θの１／２であるため、二分割された各次数の回折光は、同様に２分割された隣の次数の回折光と重なり合う。すなわち、図３(C)に破線で示したように、０次光は、L1,L2に分割され、-1次光はL1,L3、+1次光はL2,L4、-2次光はL3,L5、+2次光はL4,L6にそれぞれ分割される。ここで、最も外側で他の回折光と重ならない成分L5,L6を消去することにより、図３(D)に示すようにL1,L2,L3,L4の４本の回折光を得ることができる。
【００１４】
上記のような構成によると、偶数本の回折光を効率よく発生させることができる。一般に回折格子を用いると、回折光は０次回折光(透過光)を中心にプラスマイナスの回折光が対称的に現れて全体として奇数本の回折光が得られる。実施形態の光束分割素子１は、互いに周期が異なる第１の位相分布と第２の位相分布とを組み合わせることにより、偶数本の回折光を発生させている。
【００１５】
なお、図３の説明は、大部分の光に対するもので、厳密な意味では正確でない。すなわち、第１の位相分布は、理論上入射光の１００％を±１次光に分離することはできず、その８１％を±１次の回折光に分離できるに過ぎない。したがって、残りの１９％の光は±３次、±５次の回折光になる。このため、第２の位相分布を重ねたとしても、厳密な意味では等分岐の偶数分岐を得ることはできない。また、最も外側の回折光成分L5,L6も消す必要がある。そこで、実際の設計に当たっては、第１，第２の位相分布(初期値)をコンピュータに入力して重ね合わせ、自動最適化プログラムにより、L5,L6の消去と、残りの偶数本の回折光の等分岐を目標に第２の位相分布を微調整する。その意味では、調整後の第２の位相分布は、入射光を奇数本に等分記できるわけではない。
【００１６】
第１の実施形態のように位相差が非線形に変化するような複雑な位相パターンを持つ回折格子は、通常のリソグラフィ技術では正確に刻むことができない。そこで、ここでは、旋盤を用いた機械刻線法によりマスターとなる金型を作成し、その刻線されたマスターのパターンを樹脂や光学ガラスに転写することにより光束分割素子を作成する。
【００１７】
図４(A)は、第２の実施形態にかかる光束分割素子２の側面図である。この光束分割素子２は、単一の部材の一方の面に第１の位相分布の位相パターンを形成し、他方の面に第２の位相分布の位相パターンを形成して構成されている。
【００１８】
図４(B)は、第３の実施形態にかかる光束分割素子３の側面図である。この光束分割素子３は、第１の位相分布の位相パターンが形成された第１の部材３ａと、第２の位相分布の位相パターンが形成された第２の部材３ｂとを、位相パターンを互いに向かい合わせる状態で、光の進行方向に沿って直列に配置して構成されている。
【００１９】
第２，第３の実施形態における第１の位相分布の位相パターンは、半波長分の深さをコントロールするのみであるため、通常のリソグラフィ技術により容易に形成することができる。これに対して第２の位相分布の位相パターンは、第１の実施形態におけるのと同様に、機械刻線法により形成することができる。
【００２０】
次に、上記の第１の実施形態に基づく具体的な実施例である光束分割素子の構成例を１４例説明する。実施例１は入射光束を４本の回折光に分割する素子、実施例２，３は入射光を６本の回折光に分割する素子、実施例４〜６は入射光束を８本の回折光に分割する素子、実施例７，８は入射光束を１０本の回折光に分割する素子、実施例９，１０は入射光束を１２本の回折光に分割する素子、実施例１１，１２は入射光束を１４本の回折光に分割する素子、実施例１３，１４は入射光束を１６本の回折光に分割する素子の例である。
【００２１】
【実施例１】
表１は、実施例１の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示す。この表は、第２の位相分布の１ピッチ(周期Ｔ／２)を図１のｙ方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って１〜３２の３２の座標に等分割した各座標での光の位相を示しており、その単位はラジアンである。
【００２２】
【表１】

【００２３】
表２は、表１に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。この表は、複合位相分布の１ピッチ(周期Ｔ)を図１のｙ方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って１〜６４の６４の座標に等分割した各座標での光の位相を示しており、その単位はラジアンである。
【００２４】
【表２】

【００２５】
位相パターンの実形状は、位相差０の点からの光の進行方向(図１のｚ方向)の距離として表される場合、空気中での使用を前提とすると、使用波長をλ、素子の屈折率をｎとして、位相×λｎ/(２π(ｎ−１))により求められる。図５は、表２に示される実施例１の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフであり、縦軸が位相、横軸が座標である。
【００２６】
表３は、表２に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。入射光の強度を１として、分割された各光束の光量を−１５次〜＋１５次の奇数次の回折光について示している。偶数次の光量は全て０であるため、省略している。また、「回折効率」は、各実施例が目的とする分割数の回折光の強度が入射光束の強度に占める割合を示し、例えば実施例１では−３次，−１次，１次，３次の４つの回折光強度の合計が、入射光束の強度１に占める割合を示す。図６は、表３に示される回折光の強度分布を示すグラフである。このグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は入射光の強度を１としたときの各次数の回折光の強度を示す。
【００２７】
【表３】

【００２８】
【実施例２】
表４は、実施例２の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表５は表４に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図７は、表５に示される実施例２の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００２９】
【表４】

【００３０】
【表５】

【００３１】
表６は、表５に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図８は、表６に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００３２】
【表６】

【００３３】
【実施例３】
表７は、実施例３の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表８は表７に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図９は、表８に示される実施例３の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００３４】
【表７】

【００３５】
【表８】

【００３６】
表９は、表８に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図１０は、表９に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００３７】
【表９】

【００３８】
【実施例４】
表１０は、実施例４の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表１１は表１０に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図１１は、表１１に示される実施例４の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００３９】
【表１０】

【００４０】
【表１１】

【００４１】
表１２は、表１１に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図１２は、表１２に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００４２】
【表１２】

【００４３】
【実施例５】
表１３は、実施例５の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表１４は表１３に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図１３は、表１４に示される実施例５の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００４４】
【表１３】

【００４５】
【表１４】

【００４６】
表１５は、表１４に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図１４は、表１５に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００４７】
【表１５】

【００４８】
【実施例６】
表１６は、実施例６の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表１７は表１６に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図１５は、表１７に示される実施例６の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００４９】
【表１６】

【００５０】
【表１７】

【００５１】
表１８は、表１７に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図１６は、表１８に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００５２】
【表１８】

【００５３】
【実施例７】
表１９は、実施例２の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表２０は表１９に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図１７は、表２０に示される実施例７の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００５４】
【表１９】

【００５５】
【表２０】

【００５６】
表２１は、表２０に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図１８は、表２１に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００５７】
【表２１】

【００５８】
【実施例８】
表２２は、実施例８の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表２３は表２２に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図１９は、表２３に示される実施例８の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００５９】
【表２２】

【００６０】
【表２３】

【００６１】
表２４は、表２３に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図２０は、表２４に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００６２】
【表２４】

【００６３】
【実施例９】
表２５は、実施例９の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表２６は表２５に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図２１は、表２６に示される実施例９の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００６４】
【表２５】

【００６５】
【表２６】

【００６６】
表２７は、表２６に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図２２は、表２７に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００６７】
【表２７】

【００６８】
【実施例１０】
表２８は、実施例１０の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表２９は表２８に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図２３は、表２９に示される実施例１０の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００６９】
【表２８】

【００７０】
【表２９】

【００７１】
表３０は、表２９に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図２４は、表３０に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００７２】
【表３０】

【００７３】
【実施例１１】
表３１は、実施例１１の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表３２は表３１に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図２５は、表３２に示される実施例２の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００７４】
【表３１】

【００７５】
【表３２】

【００７６】
表３３は、表３２に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図２６は、表３３に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００７７】
【表３３】

【００７８】
【実施例１２】
表３４は、実施例１２の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表３５は表３４に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図２７は、表３５に示される実施例１２の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００７９】
【表３４】

【００８０】
【表３５】

【００８１】
表３６は、表３５に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図２８は、表３６に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００８２】
【表３６】

【００８３】
【実施例１３】
表３７は、実施例１３の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表３８は表３７に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図２９は、表３８に示される実施例１３の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００８４】
【表３７】

【００８５】
【表３８】

【００８６】
表３９は、表３８に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図３０は、表３９に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００８７】
【表３９】

【００８８】
【実施例１４】
表４０は、実施例１４の光束分割素子に用いられる第２の位相分布を示し、表４１は表４０に示した第２の位相分布を前述の第１の実施形態で示したように同一面上で第１の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図３１は、表４１に示される実施例１４の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【００８９】
【表４０】

【００９０】
【表４１】

【００９１】
表４２は、表４１に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図３２は、表４２に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【００９２】
【表４２】

【００９３】
各実施例によれば、回折効率を最低でも約８９％、最大では約９８％にまで高めることができる。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、入射光を±１次回折光に二分する第１の位相分布と、第１の位相分布の半分の周期を有して入射光を奇数本の回折光に分離する第２の位相分布との位相和で全体の位相分布を形成することにより、従来より高い回折効率で入射光を偶数本の回折光に分割することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の光束分割素子の位相パターンを拡大して示す斜視図。
【図２】第１の実施形態の光束分割素子の位相分布を示すグラフ。
【図３】第１の実施形態における第１，第２の位相分布の作用、及び複合位相分布の作用を示す説明図。
【図４】第２，第２の実施形態の光束分割素子の側面図。
【図５】実施例１の４分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図６】実施例１の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図７】実施例２の６分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図８】実施例２の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図９】実施例３の６分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図１０】実施例３の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図１１】実施例４の８分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図１２】実施例４の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図１３】実施例５の８分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図１４】実施例５の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図１５】実施例６の８分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図１６】実施例６の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図１７】実施例７の１０分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図１８】実施例７の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図１９】実施例８の１０分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図２０】実施例８の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図２１】実施例９の１２分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図２２】実施例９の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図２３】実施例１０の１２分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図２４】実施例１０の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図２５】実施例１１の１４分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図２６】実施例１１の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図２７】実施例１２の１４分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図２８】実施例１２の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図２９】実施例１３の１６分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図３０】実施例１３の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図３１】実施例１４の１６分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図３２】実施例１４の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
１光束分割素子
Ｐ1，Ｐ2，... 基準位相パターン
Ｂ基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a grating-type light beam splitting element.
[0002]
[Prior art]
Conventional grating type beam splitting elements are disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open Nos. 5-323110 and 7-225305. These publications disclose a light beam splitting element that obtains an odd number or even number of diffracted light using a rectangular pattern having a non-uniform width having a single phase height.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
However, the conventional light beam splitting element described in the above publication has a diffraction efficiency of 70% to 85% in the former example and 81% in the latter example, and the intensity of incident light is reduced. There is a problem that it cannot be used effectively enough and the loss of light energy is large.
[0004]
As described in the above Japanese Patent Application Laid-Open No. 7-225305, in the field of an optical recording apparatus connected to a computer or an optical computer, the unit of digital operation is 1 byte, that is, 8 bits, Since the basis of calculation is generally an even-bit unit, an even number of lights may be used also in an optical recording apparatus or an optical computer used in these fields. Therefore, if the light beam splitting element can also split light into an even number, it can be used effectively without wasting the intensity of incident light.
[0005]
The present invention has been made in view of the above-described problems of the prior art, and is a light beam splitting element that generates an even number of diffracted lights, and includes a light beam splitting element that can increase the diffraction efficiency more than a conventional element. The purpose is to provide.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the grating type light beam splitting element according to the present invention is characterized in that the entire phase distribution is constituted by the phase sum of the first and second phase distributions having the following characteristics. The first phase distribution has a step of half wavelength of incident light, the phase difference changes to a rectangular wave shape, the period becomes T, the duty ratio becomes 1, and the second phase distribution has a phase difference that changes nonlinearly. The period becomes T / 2, and the incident light as a whole is separated into an even number of diffracted lights. The first phase distribution bisects the incident light mainly into ± 1st order diffracted light, and the second phase distribution separates the incident light mainly into an odd number of diffracted lights.
[0007]
According to the above configuration, the first phase distribution has a function of splitting the incident light mainly into ± first-order diffracted light, and the second phase distribution is twice the diffraction angle of the first phase distribution. The incident light is divided into an odd number of diffracted lights at a turning angle. For this reason, a certain order of diffracted light divided by the second phase distribution is divided into two by the first phase distribution, respectively, and overlaps with the next order of diffracted light divided in the same manner. Here, an even number of diffracted lights can be obtained by adjusting the second phase distribution so as to eliminate the outermost component that does not overlap with other diffracted lights.
[0008]
The following three types are conceivable as the first and second phase distribution forms.
(1) A phase pattern in which the first and second phase distributions are combined is formed on one surface of a single member.
(2) Each phase pattern of the first and second phase distributions is independently formed on different surfaces of a single member.
(3) The phase patterns of the first and second phase distributions are independently formed on different members, and these members are arranged in series along the light traveling direction.
In any form, the optical action is almost the same. (1) and (2) are desirable from the standpoint of easy alignment at the time of actual installation, and (3) is advantageous from the ease of processing.
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, three embodiments of the light beam splitting element according to the present invention will be described. In each embodiment, the pattern shown in Example 1 described later is used as the second phase distribution, and an element that divides incident light into four is configured together with the first phase distribution.
[0010]
FIG. 1 is a perspective view showing a light beam splitting element 1 of the embodiment, and FIG. 2 is a graph showing a phase distribution of the light beam splitting element of FIG. As shown in an enlarged view in FIG. 1, the light beam splitting element 1 is formed by forming a plurality of strip-like reference phase patterns P1, P2,... Extending in the x direction in parallel in the y direction on the substrate B at an equal pitch. It is constituted by. Substrate B has reference phase patterns P1, P2,. . . Including a transparent resin material or a glass material.
[0011]
Each of the reference phase patterns P1, P2,... Is formed such that the phase difference given within the pitch in the y direction changes nonlinearly. As shown in FIG. 2, this phase distribution has a half-wave step of incident light, the phase difference changes in a rectangular wave shape, the period is T, the duty ratio is 1, and the phase difference Is a composite phase distribution that is composed of a phase sum with a second phase distribution that changes nonlinearly and has a period of T / 2. That is, the light beam splitting element 1 according to the first embodiment is formed by forming a phase pattern in which the first and second phase distributions are combined on one surface of a single member. Incident light is incident parallel to the z direction perpendicular to both the x and y directions.
[0012]
As shown in FIG. 3 (A), the first phase distribution has a function of dividing incident light into ± first-order diffracted light at a diffraction angle θ, and the second phase distribution is shown in FIG. 3 (B). As shown, the function of splitting the incident light into an odd number of diffracted lights (in this example, 0th order, ± 1st order, ± 2nd order 5) at a diffraction angle 2θ that is twice the diffraction angle by the first phase distribution. Have.
[0013]
By combining such first and second phase distributions, the diffracted light of each order divided by the second phase distribution is divided into two by the first phase distribution. Here, since the diffraction angle θ by the first phase distribution is ½ of the diffraction angle 2θ by the second phase distribution, the diffracted light of each order divided into two is similarly divided into two adjacent orders. It overlaps with the diffracted light. That is, as shown by the broken line in FIG. 3C, the 0th order light is divided into L1 and L2, the −1st order light is L1 and L3, the + 1st order light is L2 and L4, and the −2nd order light is The L3, L5, and + secondary lights are divided into L4 and L6, respectively. Here, by erasing the components L5 and L6 that do not overlap with other diffracted light at the outermost side, four diffracted lights of L1, L2, L3, and L4 can be obtained as shown in FIG. .
[0014]
According to the above configuration, an even number of diffracted lights can be generated efficiently. In general, when a diffraction grating is used, plus / minus diffracted light appears symmetrically around 0th order diffracted light (transmitted light), and an odd number of diffracted light is obtained as a whole. The light beam splitting element 1 according to the embodiment generates an even number of diffracted lights by combining a first phase distribution and a second phase distribution having different periods.
[0015]
Note that the description of FIG. 3 is for most light and is not accurate in a strict sense. That is, the first phase distribution cannot theoretically separate 100% of the incident light into ± first-order light, but can only separate 81% thereof into ± first-order diffracted light. Therefore, the remaining 19% of light becomes ± 3rd order ± 5th order diffracted light. For this reason, even if the second phase distribution is overlapped, it is not possible to obtain an even-numbered even branch in a strict sense. It is also necessary to erase the outermost diffracted light components L5 and L6. Therefore, in actual design, the first and second phase distributions (initial values) are input to the computer and superimposed, and an automatic optimization program erases L5 and L6 and the remaining even number of diffracted lights. The second phase distribution is finely adjusted with the aim of equal branching. In that sense, the second phase distribution after adjustment does not mean that incident light can be equally divided into odd numbers.
[0016]
A diffraction grating having a complicated phase pattern in which the phase difference changes nonlinearly as in the first embodiment cannot be accurately engraved by a normal lithography technique. Therefore, here, a master die is created by a mechanical engraving method using a lathe, and a luminous flux splitting element is produced by transferring the engraved master pattern onto a resin or optical glass.
[0017]
FIG. 4A is a side view of the light beam splitting element 2 according to the second embodiment. The light beam splitting element 2 is configured by forming a phase pattern of a first phase distribution on one surface of a single member and forming a phase pattern of a second phase distribution on the other surface.
[0018]
FIG. 4B is a side view of the light beam splitting element 3 according to the third embodiment. This light beam splitting element 3 includes a first member 3a on which a phase pattern of a first phase distribution is formed and a second member 3b on which a phase pattern of a second phase distribution is formed. In a state where they face each other, they are arranged in series along the traveling direction of light.
[0019]
Since the phase pattern of the first phase distribution in the second and third embodiments only controls the depth corresponding to the half wavelength, it can be easily formed by a normal lithography technique. On the other hand, the phase pattern of the second phase distribution can be formed by the mechanical engraving method as in the first embodiment.
[0020]
Next, 14 configuration examples of the light beam splitting element, which is a specific example based on the first embodiment, will be described. Example 1 is an element that divides an incident light beam into four diffracted lights, Examples 2 and 3 are elements that divide incident light into six diffracted lights, and Examples 4 to 6 are those that divide an incident light beam into eight diffracted lights. Example 7 and 8 are elements that divide an incident light beam into 10 diffracted lights, Examples 9 and 10 are elements that divide an incident light beam into 12 diffracted lights, and Examples 11 and 12 are incident. Elements for splitting a light beam into 14 diffracted lights, Examples 13 and 14 are examples of elements for splitting an incident light beam into 16 diffracted lights.
[0021]
[Example 1]
Table 1 shows a second phase distribution used for the light beam splitting element of the first embodiment. This table shows the light at each coordinate obtained by equally dividing one pitch (period T / 2) of the second phase distribution into 32 coordinates of 1 to 32 along the y direction in FIG. 1, that is, the parallel direction of the phase pattern. The unit is radians.
[0022]
[Table 1]

[0023]
Table 2 shows a composite phase distribution obtained by superimposing the second phase distribution shown in Table 1 on the same plane with the first phase distribution as shown in the first embodiment. This table shows the phase of light at each coordinate obtained by equally dividing one pitch (period T) of the composite phase distribution into 64 coordinates from 1 to 64 along the y direction in FIG. 1, that is, the parallel direction of the phase pattern. The unit is radians.
[0024]
[Table 2]

[0025]
When the actual shape of the phase pattern is expressed as a distance in the light traveling direction (z direction in FIG. 1) from a point having a phase difference of 0, assuming the use in air, the wavelength used is λ, The refractive index is n, and it is obtained by phase × λn / (2π (n−1)). FIG. 5 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting element of Example 1 shown in Table 2, where the vertical axis is the phase and the horizontal axis is the coordinate.
[0026]
Table 3 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 2. The intensity of incident light is assumed to be 1, and the amount of light of each divided light beam is shown for odd-order diffracted light of −15th order to + 15th order. Since the even-order light amounts are all 0, they are omitted. “Diffraction efficiency” indicates the ratio of the intensity of the diffracted light of the target number of divisions in each embodiment to the intensity of the incident light beam. The total of the following four diffracted light intensities indicates the ratio of the incident light flux to the intensity 1. FIG. 6 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 3. In this graph, the horizontal axis represents the order of the diffracted light, and the vertical axis represents the intensity of the diffracted light of each order when the intensity of the incident light is 1.
[0027]
[Table 3]

[0028]
[Example 2]
Table 4 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 2, and Table 5 shows the second phase distribution shown in Table 4 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 7 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting element of Example 2 shown in Table 5.
[0029]
[Table 4]

[0030]
[Table 5]

[0031]
Table 6 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 5. FIG. 8 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 6.
[0032]
[Table 6]

[0033]
[Example 3]
Table 7 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 3, and Table 8 shows the second phase distribution shown in Table 7 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 9 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting element of Example 3 shown in Table 8.
[0034]
[Table 7]

[0035]
[Table 8]

[0036]
Table 9 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 8. FIG. 10 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 9.
[0037]
[Table 9]

[0038]
[Example 4]
Table 10 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 4, and Table 11 shows the second phase distribution shown in Table 10 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 11 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting element of Example 4 shown in Table 11.
[0039]
[Table 10]

[0040]
[Table 11]

[0041]
Table 12 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 11. FIG. 12 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 12.
[0042]
[Table 12]

[0043]
[Example 5]
Table 13 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 5, and Table 14 shows the second phase distribution shown in Table 13 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 13 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting element of Example 5 shown in Table 14.
[0044]
[Table 13]

[0045]
[Table 14]

[0046]
Table 15 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 14. FIG. 14 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 15.
[0047]
[Table 15]

[0048]
[Example 6]
Table 16 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 6, and Table 17 shows the second phase distribution shown in Table 16 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 15 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting element of Example 6 shown in Table 17.
[0049]
[Table 16]

[0050]
[Table 17]

[0051]
Table 18 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 17. FIG. 16 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 18.
[0052]
[Table 18]

[0053]
[Example 7]
Table 19 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 2, and Table 20 shows the second phase distribution shown in Table 19 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 17 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 7 shown in Table 20.
[0054]
[Table 19]

[0055]
[Table 20]

[0056]
Table 21 shows the light beam splitting performance of the light beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 20. FIG. 18 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 21.
[0057]
[Table 21]

[0058]
[Example 8]
Table 22 shows the second phase distribution used for the light beam splitting element of Example 8, and Table 23 shows the second phase distribution shown in Table 22 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 19 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 8 shown in Table 23.
[0059]
[Table 22]

[0060]
[Table 23]

[0061]
Table 24 shows the light beam splitting performance of the light beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 23. FIG. 20 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 24.
[0062]
[Table 24]

[0063]
[Example 9]
Table 25 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 9, and Table 26 shows the second phase distribution shown in Table 25 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 21 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 9 shown in Table 26.
[0064]
[Table 25]

[0065]
[Table 26]

[0066]
Table 27 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 26. FIG. 22 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 27.
[0067]
[Table 27]

[0068]
[Example 10]
Table 28 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 10, and Table 29 shows the second phase distribution shown in Table 28 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 23 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 10 shown in Table 29.
[0069]
[Table 28]

[0070]
[Table 29]

[0071]
Table 30 shows the light beam splitting performance of the light beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 29. FIG. 24 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 30.
[0072]
[Table 30]

[0073]
Example 11
Table 31 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 11, and Table 32 shows the second phase distribution shown in Table 31 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 25 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 2 shown in Table 32.
[0074]
[Table 31]

[0075]
[Table 32]

[0076]
Table 33 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 32. FIG. 26 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 33.
[0077]
[Table 33]

[0078]
Example 12
Table 34 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 12, and Table 35 shows the second phase distribution shown in Table 34 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 27 is a graph showing the composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 12 shown in Table 35.
[0079]
[Table 34]

[0080]
[Table 35]

[0081]
Table 36 shows the light beam splitting performance of the light beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 35. FIG. 28 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 36.
[0082]
[Table 36]

[0083]
Example 13
Table 37 shows the second phase distribution used for the light beam splitting element of Example 13, and Table 38 shows the second phase distribution shown in Table 37 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 29 is a graph showing a composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 13 shown in Table 38.
[0084]
[Table 37]

[0085]
[Table 38]

[0086]
Table 39 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 38. FIG. 30 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 39.
[0087]
[Table 39]

[0088]
Example 14
Table 40 shows the second phase distribution used in the light beam splitting element of Example 14, and Table 41 shows the second phase distribution shown in Table 40 on the same surface as shown in the first embodiment. The composite phase distribution superimposed on the first phase distribution is shown above. FIG. 31 is a graph showing a composite phase distribution of the light beam splitting device of Example 14 shown in Table 41.
[0089]
[Table 40]

[0090]
[Table 41]

[0091]
Table 42 shows the beam splitting performance of the beam splitting element having the reference phase pattern shown in Table 41. FIG. 32 is a graph showing the intensity distribution of the diffracted light shown in Table 42.
[0092]
[Table 42]

[0093]
According to each embodiment, the diffraction efficiency can be increased to a minimum of about 89% and a maximum of about 98%.
[0094]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the incident light is divided into an odd number of diffracted lights having a first phase distribution that divides the incident light into ± first-order diffracted lights and a period that is half of the first phase distribution. By forming the entire phase distribution with the sum of the phase distribution and the second phase distribution separated into two, the incident light can be divided into an even number of diffracted lights with higher diffraction efficiency than in the prior art.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an enlarged perspective view showing a phase pattern of a light beam splitter according to a first embodiment.
FIG. 2 is a graph showing a phase distribution of the light beam splitting element according to the first embodiment.
FIG. 3 is an explanatory diagram showing the action of the first and second phase distributions and the action of the composite phase distribution in the first embodiment.
FIG. 4 is a side view of a light beam splitting element according to second and second embodiments.
FIG. 5 is a graph showing a composite phase distribution of a four-split type light beam splitter according to Example 1;
6 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting element of Example 1. FIG.
7 is a graph showing a composite phase distribution of a six-split type light beam splitting element in Example 2. FIG.
8 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting element of Example 2. FIG.
FIG. 9 is a graph showing a composite phase distribution of a six-split beam splitting element of Example 3.
10 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting element of Example 3. FIG.
11 is a graph showing a composite phase distribution of an eight-split type beam splitting element in Example 4. FIG.
12 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting element of Example 4. FIG.
13 is a graph showing a composite phase distribution of an 8-split light beam splitter according to Example 5. FIG.
14 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting element of Example 5. FIG.
15 is a graph showing a composite phase distribution of an 8-split light beam splitter according to Example 6. FIG.
16 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting element of Example 6. FIG.
FIG. 17 is a graph showing a composite phase distribution of a 10-split type beam splitter according to Example 7.
18 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting device of Example 7. FIG.
FIG. 19 is a graph showing a composite phase distribution of a 10-split type light beam splitter according to an eighth embodiment.
20 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting device of Example 8. FIG.
FIG. 21 is a graph showing a composite phase distribution of a 12-split type light beam splitter according to Example 9;
22 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting device of Example 9. FIG.
FIG. 23 is a graph showing a composite phase distribution of the 12-split type beam splitter according to Example 10.
24 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitter of Example 10. FIG.
FIG. 25 is a graph showing a composite phase distribution of the 14-split type beam splitter according to Example 11.
FIG. 26 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitter of Example 11.
FIG. 27 is a graph showing a composite phase distribution of the 14-split beam splitting element in Example 12.
28 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting device of Example 12. FIG.
FIG. 29 is a graph showing a composite phase distribution of a 16-split beam splitting element in Example 13.
30 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting device of Example 13. FIG.
31 is a graph showing a composite phase distribution of a 16-split beam splitting element in Example 14. FIG.
32 is a graph showing the intensity distribution of diffracted light by the light beam splitting device of Example 14. FIG.
[Explanation of symbols]
1 Beam splitter P1, P2, ... Reference phase pattern B Substrate

Claims

In a grating type light beam splitting element that diffracts incident light into a plurality of light beams, the phase difference changes into a rectangular wave shape with a half-wave step of the incident light, the period becomes T, and the duty ratio becomes 1. The overall phase distribution is composed of the phase sum of the first phase distribution and the second phase distribution whose phase difference changes nonlinearly and has a period of T / 2, and the first and second phase distributions are A light beam splitting element that separates incident light into an even number of diffracted lights as a whole.

2. The light beam splitting element according to claim 1, wherein a phase pattern in which the first and second phase distributions are combined is formed on one surface of a single member.

2. The light beam splitting element according to claim 1, wherein each of the phase patterns that generate the first and second phase distributions is independently formed on different surfaces of a single member.

2. The light beam according to claim 1, wherein the phase patterns that generate the first and second phase distributions are formed on different members, and the members are arranged in series along a traveling direction of light. Split element.