JP6784710B2 - Diffractive element design method - Google Patents

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本発明は、光の強度パターンを変換する機能を有する回折素子および回折素子の設計方法に関する。 The present invention relates to a diffraction element having a function of converting a light intensity pattern and a method for designing the diffraction element.

フレネルレンズに代表される光回折素子は、光の波動としての性質を利用して、光強度のパターンを変換する光学部品であり、様々な産業領域で用いられている。フレネルレンズは、一定の波長をもつ光について、波長のピッチでの周期性があることを利用し、一般的には肉厚のレンズを薄型化したもので、光を集光する機能を有する。フレネルレンズ以外にも、現在では波動光学を活用して、光ビームの形をさまざまに変換するような回折素子が多く開発され、用いられている。 An optical diffraction element represented by a Fresnel lens is an optical component that converts a pattern of light intensity by utilizing the property as a wave of light, and is used in various industrial fields. A Fresnel lens utilizes the fact that light having a certain wavelength has periodicity at a wavelength pitch, and is generally a thin lens with a thick wall, and has a function of condensing light. In addition to Fresnel lenses, many diffractive elements that use wave optics to change the shape of the light beam have been developed and used.

光ビームを高い自由度で波面変換する技術に、ホログラフィーがある。ホログラフィーでは、物体光と呼ばれる多くの情報を含んだ光と、参照光と呼ばれる光とを干渉させ、このときの干渉縞を感光媒体に写し取る。この写し取られた干渉縞をホログラムと呼ぶ。このホログラムに先に用いた参照光のみを照射すると、強度と位相が変調され、作製時に用いた物体光を再生する光が生成される。つまり、この一種の回折素子により、参照光から物体光へと光ビームが変換される。ホログラフィーの原理を用いた回折素子は、非常に忠実度高く、元の物体光を再生することができる。 Holography is a technology for converting the wave surface of an optical beam with a high degree of freedom. In holography, light containing a lot of information called object light and light called reference light are made to interfere with each other, and the interference fringes at this time are copied to a photosensitive medium. This copied interference fringe is called a hologram. When this hologram is irradiated with only the reference light used earlier, the intensity and phase are modulated, and light that reproduces the object light used at the time of fabrication is generated. That is, the light beam is converted from the reference light to the object light by this kind of diffraction element. Diffractive elements that use the principles of holography have very high fidelity and can reproduce the original object light.

しかし、前述のように、ホログラフィーでは入射光(参照光)の位相を変調するとともに、強度も変調する。物体光を忠実に再生するために不要な光は、吸収したり散乱したりして、取り除かれる。このため、入射光のトータルのパワーに対し、出射光(再生物体光)のパワーは減衰することは避けられず、パワーの点では、変換の効率は必ずしも十分に高くはならない。 However, as described above, in holography, the phase of the incident light (reference light) is modulated and the intensity is also modulated. Light that is not needed to faithfully reproduce object light is absorbed or scattered and removed. Therefore, it is inevitable that the power of the emitted light (reproduced object light) is attenuated with respect to the total power of the incident light, and the conversion efficiency is not always sufficiently high in terms of power.

一方、上述したホログラフィーを実現する回折素子であるホログラムとは異なり、光位相の変調のみを行い、光強度は変化させない回折素子があり、この回折素子は一般的にキノフォームと呼ばれている(非特許文献1)。キノフォームは、ガラス基板の表面に曲面パターンを加工し、この基板に概ね垂直に入射した光の光路長に変調をかけ、これによって光位相の変調を行うが、これによって強度の変調は起こらない。前述のフレネルレンズは、このキノフォームの特殊例ともいえる。高いパワーの光を入射する場合、ホログラムのように光吸収がある回折素子では、吸収したパワーによる発熱で素子が破壊されることも想定され、強度変調を行わないキノフォームの方が有利なことがある。 On the other hand, unlike the hologram, which is a diffraction element that realizes holography described above, there is a diffraction element that only modulates the optical phase and does not change the light intensity, and this diffraction element is generally called a kinoform (). Non-Patent Document 1). Kinoform processes a curved surface pattern on the surface of a glass substrate and modulates the optical path length of light incident on this substrate approximately perpendicularly, thereby modulating the optical phase, but this does not cause intensity modulation. .. The Fresnel lens mentioned above can be said to be a special case of this quinoform. When high power light is incident, in a diffractive element that absorbs light such as a hologram, it is assumed that the element will be destroyed by heat generated by the absorbed power, and quinoform that does not perform intensity modulation is more advantageous. There is.

一岡芳樹,“キノフォームとその応用,”光学第2巻第3号, pp. 133−152, 1973.Yoshiki Ichioka, "Kinoform and its Applications," Optics Vol. 2, No. 3, pp. 133-152, 1973.

上記のように、位相の変調のみを行うキノフォームは、強度変調を行うホログラムよりも優れる点があるが、その代わりに、位相変調のみに制約されるため、ホログラムと同様な波面の変換は困難であり、それがパワーの変換の効率を制限していた。 As described above, quinoforms that only perform phase modulation have advantages over holograms that perform intensity modulation, but instead, they are restricted only to phase modulation, making it difficult to convert the wave surface similar to holograms. And that limited the efficiency of power conversion.

本発明はかかる従来の問題に鑑みなされたものであって、本発明の課題は、強度変調を行わないキノフォームにおいて、高いパワー変換効率を実現する回折素子を提供することにある。 The present invention has been made in view of such conventional problems, and an object of the present invention is to provide a diffraction element that realizes high power conversion efficiency in a quinoform that does not perform intensity modulation.

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載された発明は、回折素子面に第1の電磁場強度分布で入射する所定の波長λ 0 の入射光を、結像面において所望の光強度分布に対応する第2の電磁場強度分布を有する出射光となるように位相変調する回折素子の設計方法であって、前記結像面における所望の光強度分布から当該結像面における第2の電磁場強度分布を決定する工程と、前記第2の電磁場強度分布に基づいて前記回折素子面における第3の電磁場強度分布を決定する工程と、前記第3の電磁場強度分布から決定される前記回折素子面における位相変換後の位相と前記第1の電磁場強度分布から決定される前記入射光の位相とから前記回折素子における位相変調量Φ H (x,y)を決定する工程と、前記決定した位相変調量ΦH(x,y)を、ΦHR(x,y)=ΦH(x,y)−2πN(Nは整数)を用いて0以上2π未満の位相変調量ΦHR(x,y)に変換する工程と、前記変換した位相変調量ΦHR(x,y)を0以上2π未満の間の8階調以上の位相変調量Φa(x、y)のいずれかに近似する工程と、前記8階調以上に近似した位相変調量Φa(x、y)と前記入射光の波長λ0とに基づいて前記回折素子の厚さd(x、y)を決定する工程とを含むことを特徴とする回折素子の設計方法である。 In order to solve the above-mentioned problems, the invention described in one embodiment causes incident light having a predetermined wavelength λ 0 incident on the diffraction grating surface with a first electromagnetic field intensity distribution to have a desired light intensity on the imaging surface. It is a method of designing a diffraction element that phase-modulates so that it becomes an emitted light having a second electromagnetic field intensity distribution corresponding to the distribution, and is a second electromagnetic field on the imaging plane from a desired light intensity distribution on the imaging plane. The step of determining the intensity distribution, the step of determining the third electromagnetic field intensity distribution on the diffraction element surface based on the second electromagnetic field intensity distribution, and the diffraction element surface determined from the third electromagnetic field intensity distribution. The step of determining the phase modulation amount Φ H (x, y) in the diffraction element from the phase after the phase conversion in the above and the phase of the incident light determined from the first electromagnetic field intensity distribution, and the determined phase modulation. A phase modulation amount Φ HR (x, y) of 0 or more and less than 2π using the quantity Φ H (x, y) and Φ HR (x, y) = Φ H (x, y) -2πN (N is an integer). A step of converting the converted phase modulation amount Φ HR (x, y) to any one of the phase modulation amounts Φa (x, y) of 8 gradations or more between 0 and less than 2π. the thickness d (x, y) of the diffractive element on the basis the 8 phase modulation amount Φa approximating above gradation (x, y) to the wavelength lambda 0 of the incident light to include the step of determining the This is a characteristic method for designing a diffraction element.

回折素子と結像面との座標の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship of the coordinates of a diffraction element and an image plane. 回折素子による位相変調の範囲の限定の様子を説明する図である。It is a figure explaining the state of limitation of the range of phase modulation by a diffractive element. 目的とする位相変調のための曲面と実際に加工できる凹凸との違いを説明する図である。It is a figure explaining the difference between the curved surface for target phase modulation and the unevenness which can be actually processed. 入射光から出射光への光パワーの変換効率の階調数依存性の図である。It is a figure of the gradation number dependence of the conversion efficiency of the light power from the incident light to the emitted light. 回折素子の設計方法の処理フローを示す図である。It is a figure which shows the processing flow of the design method of a diffraction element. 実施例1で生成することを目的とした光強度パターンの図である。It is a figure of the light intensity pattern intended to generate in Example 1. FIG.

以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

(回折素子面においてなされるべき位相変調について)
図1は回折素子と結像面との座標の関係を説明する図である。図1においては、回折素子面1に配置された回折素子に光が入射すると、この回折素子で位相変調が加えられてから右方向に進み、結像面2において所望の像を結ぶ場合を考える。
(About phase modulation to be performed on the diffraction element surface)
FIG. 1 is a diagram for explaining the relationship between the coordinates of the diffraction element and the image plane. In FIG. 1, when light is incident on a diffraction element arranged on the diffraction element surface 1, it proceeds to the right after phase modulation is applied by the diffraction element, and a case where a desired image is formed on the imaging surface 2 is considered. ..

図1に示すように、回折素子面1の面内にxyの直交座標をおいており、さらにこれに直交するz座標を設定する。また、同様にして結像面2の面内にx’y’の直交座標をおき、これに直交するz’座標を設定する。このような説明ではxy座標の軸とx’y’座標の軸は平行で、原点がz方向にずれているだけ、とするのが分かりやすく、よく用いられているが、回折素子が光を反射するタイプの場合、回折素子面1と結像面2とは平行にならない場合もあるので、本実施形態では図1に示すように、回折素子面1と結像面2とが平行でない場合のものを表している。また、本明細書では、「ベクトル」を太字(ボールド)で表したり、<>で囲んで表したりする。 As shown in FIG. 1, xy orthogonal coordinates are set in the plane of the diffraction element surface 1, and z coordinates orthogonal to the orthogonal coordinates are set. Further, in the same manner, the orthogonal coordinates of x'y'are set in the plane of the image plane 2, and the z'coordinates orthogonal to the orthogonal coordinates are set. In such an explanation, it is easy to understand that the axis of the xy coordinate and the axis of the x'y'coordinate are parallel and the origin is only deviated in the z direction, and it is often used, but the diffraction element emits light. In the case of the reflective type, the diffraction element surface 1 and the imaging surface 2 may not be parallel. Therefore, in the present embodiment, as shown in FIG. 1, the diffraction element surface 1 and the imaging surface 2 are not parallel. Represents a thing. Further, in the present specification, the "vector" is represented by bold (bold) or enclosed by <>.

ここで、任意の点Pの座標をxyz座標系で<r>=(x,y,z)、x’y’z’座標系で<r’>=( x’,y’,z’)としたとき、これらの座標系同士への変換は直交行列Cによる回転とベクトル<b>による平行移動で可能であるとする。つまり、 Here, the coordinates of an arbitrary point P are <r> = (x, y, z) in the xyz coordinate system, and <r'> = (x', y', z') in the x'y'z'coordinate system. Then, it is assumed that the conversion between these coordinate systems is possible by rotation by the Cartesian matrix C and translation by the vector <b>. In other words

Figure 0006784710
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とする。ここで、回折素子面1でのスカラー電磁場を複素振幅でU(x,y)とすると、結像面2でのスカラー電磁場U’(x’,y’)は、 And. Here, assuming that the scalar electromagnetic field on the diffraction element surface 1 is U (x, y) with a complex amplitude, the scalar electromagnetic field U'(x', y') on the image plane 2 is

Figure 0006784710
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と表される。積分は、回折素子面内全域について行う。また、 It is expressed as. The integration is performed over the entire in-plane area of the diffraction element. Also,

Figure 0006784710
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は、回折素子面1上の1点<r>= (x,y,0)と結像面2上の1点<r’>=(x’,y’,0)との相関を表す関数であり、 Is one point on the diffraction element surface 1 <r p> = (x , y, 0) and a point on the imaging plane 2 <r p '> = ( x', y ', 0) the correlation between Representing function

Figure 0006784710
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である。ここで、jは虚数単位、λ0は波長、kは波数であり、k=2π/λ0である。簡単な例として、x’軸とx軸、y’軸とy軸が平行であり、z’軸とz軸は重なっていてz0のずれがある場合、 Is. Here, j is an imaginary unit, λ 0 is a wavelength, k is a wave number, and k = 2π / λ 0 . As a simple example, if the x'axis and x-axis, the y'axis and y-axis are parallel, and the z'axis and z-axis overlap and there is a z 0 deviation.

Figure 0006784710
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となるから、 Because it becomes

Figure 0006784710
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であるので、 Because it is

Figure 0006784710
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と書くことができる。もうひとつの例として、x’軸とx軸が平行であるが、y’軸とz’軸とはy軸z軸に対して45度の傾きがあり、また、z0のずれがある場合は、 Can be written as. As another example, when the x'axis and the x-axis are parallel, but the y'axis and the z'axis have an inclination of 45 degrees with respect to the y-axis and the z-axis, and there is a z 0 deviation. Is

Figure 0006784710
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となるから、 Because it becomes

Figure 0006784710
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と書くことができる。 Can be written as.

以上で、回折素子面1での電磁場から結像面2での電磁場を求める方法について述べたが、逆に結像面2の電磁場から回折素子面1での電磁場を求めることも同様にできる。 The method of obtaining the electromagnetic field on the image plane 2 from the electromagnetic field on the diffraction element surface 1 has been described above, but conversely, the electromagnetic field on the diffraction element surface 1 can be obtained from the electromagnetic field on the image plane 2.

Figure 0006784710
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ここで、*は複素共役を表し、また、 Here, * represents the complex conjugate and also

Figure 0006784710
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である。あるいは、 Is. Or

Figure 0006784710
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としてもよい。(2)式などの積分は、いわゆるホイヘンスの原理を式で表したものと考えてもよい。すなわちG(x,y:x’,y’)は、1点から周囲に放射状に伝搬してゆく球面波を表しており、回折素子面1の面上の全ての点から発生する球面波を重ねあわされたものが、結像面2の面内で形成される電磁場であると考える。あるいは、(8)式によれば、結像面2の面上の点光源から発生する球面波を重ねあわせて回折素子面1の面内の電磁場を計算する。回折素子面1に左側から入射するスカラー電磁場U0(x,y)なる光を、結像面2でU’(x’,y’)となるような光に変換するためには、まず結像面2のU’(x’,y’)から回折素子面1のU(x,y)を計算する。ここから、 May be. The integral of Eq. (2) may be considered to express the so-called Huygens principle by Eq. That is, G (x, y: x', y') represents a spherical wave that propagates radially from one point to the surroundings, and represents a spherical wave generated from all points on the surface of the diffraction element surface 1. It is considered that what is overlapped is an electromagnetic field formed in the plane of the image plane 2. Alternatively, according to the equation (8), the in-plane electromagnetic field of the diffraction element surface 1 is calculated by superimposing the spherical waves generated from the point light source on the surface of the image plane 2. In order to convert the light of the scalar electromagnetic field U 0 (x, y) incident on the diffraction element surface 1 from the left side into the light of U'(x', y') on the image plane surface 2, first of all, it is concluded. The U (x, y) of the diffraction element surface 1 is calculated from the U'(x', y') of the image plane 2. from here,

Figure 0006784710
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となるような光変調H(x,y)をする機能を回折素子に持たせればよい。ところで、U0(x,y)などは複素数であるから、これらを実関数二つを使って極座標表示する。 The diffraction element may be provided with a function of performing optical modulation H (x, y) such that. By the way, since U 0 (x, y) and the like are complex numbers, they are displayed in polar coordinates using two real functions.

Figure 0006784710
Figure 0006784710

AとΦなどが実関数である。すると(11)式より、 A and Φ are real functions. Then, from equation (11),

Figure 0006784710
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となるように回折素子を設計すればよいことが分かる。この(13)式の後者のΦHの方は、前述のようにガラス板などの表面を曲面加工すれば実現できる。例えば、屈折率nのガラス板の表面に曲面がついており、その厚さがd(x,y)なる分布をもっている場合、このガラス板に垂直に光を入射して透過させることにより、 It can be seen that the diffraction element should be designed so as to be. The latter Φ H of the equation (13) can be realized by processing the surface of a glass plate or the like with a curved surface as described above. For example, when the surface of a glass plate having a refractive index n has a curved surface and the thickness has a distribution of d (x, y), light is vertically incident on the glass plate and transmitted therethrough.

Figure 0006784710
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のように位相が変調される。このようにして、回折素子面においてなされるべき位相変調ΦHを決定することができる。 The phase is modulated as follows. In this way, the phase modulation Φ H to be performed on the diffraction element surface can be determined.

(所望の位相変調を実現する回折素子の作製について)
ここまでの説明では、位相の範囲は限定しておらず、いくらでも広い範囲になっていてもよい。しかし、一般的な回折素子では、光の周期性を利用して、位相変調は0から2πまでとするのが普通である。すなわち、整数Nを用いて
(About the fabrication of a diffraction element that realizes the desired phase modulation)
In the description so far, the phase range is not limited and may be any wide range. However, in a general diffraction element, the phase modulation is usually set to 0 to 2π by utilizing the periodicity of light. That is, using the integer N

Figure 0006784710
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を満たすような、0から2πまでに限定された位相変調ΦHRをΦHの代わりに用いる。この場合、(14)式によると、回折素子の厚さは、 A phase modulation Φ HR limited to 0 to 2π that satisfies is used instead of Φ H. In this case, according to the equation (14), the thickness of the diffraction element is

Figure 0006784710
Figure 0006784710

の範囲で変調することになる。dは定数である。ガラスの屈折率nは1.5程度なので、波長λが1μmの場合で、λ/(n−1)は2μm程度となる。つまり実際の回折素子の一例は、dを1mmとして、1mm厚のガラス板の表面に、高さ0〜2μm程度の微細な曲面パターンを形成した構造のものとなる。 It will be modulated in the range of. d 0 is a constant. Since the refractive index n of glass is about 1.5, when the wavelength λ 0 is 1 μm, λ 0 / (n-1) is about 2 μm. That is, an example of an actual diffraction element has a structure in which a fine curved surface pattern having a height of about 0 to 2 μm is formed on the surface of a glass plate having a thickness of 1 mm, where d 0 is 1 mm.

図2は、回折素子における位相変調の範囲を限定する様子を示したものである。位相変調3は、位相範囲を限定する前の位相変調Φを、位相変調4は限定後の位相変調ΦHRである。位相変調3は、2πを超えて位相が変化しているが、光の周期性より、0〜2πの範囲に限定された位相変調4でも等価である。なお、位相変調4では、縦軸の0が回折素子のガラス板の厚さdに対応し、2πが厚さd+λ/(n−1)に対応する。 FIG. 2 shows how the range of phase modulation in the diffraction element is limited. The phase modulation 3 is the phase modulation Φ H before limiting the phase range, and the phase modulation 4 is the phase modulation Φ HR after the limitation. The phase modulation 3 changes the phase beyond 2π, but the phase modulation 4 limited to the range of 0 to 2π is also equivalent due to the periodicity of light. In the phase modulation 4, 0 on the vertical axis corresponds to the thickness d 0 of the glass plate of the diffraction element, and 2π corresponds to the thickness d 0 + λ 0 / (n-1).

また、入射角45°で光入射し、同じく45°で反射させて光を90°折り曲げて変換を行う反射型の回折素子の場合は、(14)式の代わりに Further, in the case of a reflection type diffraction element in which light is incident at an incident angle of 45 °, is also reflected at 45 °, and the light is bent by 90 ° to perform conversion, instead of equation (14).

Figure 0006784710
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を用いることになるので、位相変調4の縦軸の0が回折素子板の厚さdに対応し、2πが厚さ
+λ/√2
に対応する。反射型の回折素子では、反射率の低いガラスより、金属などの反射率の高い材質の板を用いる。
Therefore, 0 on the vertical axis of the phase modulation 4 corresponds to the thickness d 0 of the diffraction grating plate, and 2π is the thickness d 0 + λ 0 / √2.
Corresponds to. In the reflective diffraction element, a plate made of a material having a high reflectance such as metal is used rather than glass having a low reflectance.

図3は、位相変調に対応する曲面と回折素子に実際に加工できる凹凸とのずれをあらわす図である。上述したように、目的とする光の変換を行うために作製できる回折素子では、位相変調ΦHRにより決定される曲面5と、実際に加工できる凹凸6との間にずれがあり、このずれは光の変換効率に影響する。 FIG. 3 is a diagram showing the deviation between the curved surface corresponding to the phase modulation and the unevenness that can be actually processed on the diffraction element. As described above, in the diffraction element that can be manufactured to perform the target light conversion, there is a deviation between the curved surface 5 determined by the phase modulation Φ HR and the unevenness 6 that can be actually processed, and this deviation is Affects light conversion efficiency.

図4は、実際に加工できる凹凸におけるずれによる光の変換効率への影響を説明するものである。図4の横軸は、実際に加工できる凹凸6の段数を階調数として表示している。図3は5階調の例であり、実際に加工できる凹凸6が5段の構成となっている。図4の縦軸は、結像素子面2において生成する予定であった光パターンのトータルのパワーを、入射光のトータルのパワーに対する比を百分率で示している。 FIG. 4 illustrates the effect of deviation on the unevenness that can be actually processed on the light conversion efficiency. The horizontal axis of FIG. 4 indicates the number of steps of the unevenness 6 that can be actually processed as the number of gradations. FIG. 3 shows an example of 5 gradations, and the unevenness 6 that can be actually processed has a configuration of 5 steps. The vertical axis of FIG. 4 shows the ratio of the total power of the light pattern that was planned to be generated on the imaging element surface 2 to the total power of the incident light as a percentage.

図4に示すように、回折素子に加工する凹凸の階調数が10を超えると入射光のトータルパワーに対する比(パワー変換効率)はほぼ100%で、理論上は完全にパワーを変換することができることを示している。このパワー変換効率は、階調数が減少すると減少する。 As shown in FIG. 4, when the number of gradations of the unevenness processed on the diffraction element exceeds 10, the ratio of the incident light to the total power (power conversion efficiency) is almost 100%, and in theory, the power is completely converted. It shows that it can be done. This power conversion efficiency decreases as the number of gradations decreases.

パワー変換効率は、回折素子にとって最も重要な性能指数の一つであり、特に、レーザ加工の用途では、レーザのパワーが大きいため、効率が悪いとエネルギの損失が大きく、さらに、目的の光に変換しきれなかった残りのパワーが迷光となって散乱し、安全上の大きな問題となる。 Power conversion efficiency is one of the most important performance indexes for diffraction elements. Especially in laser processing applications, the power of the laser is large, so if the efficiency is poor, energy loss will be large, and the target light will be obtained. The remaining power that could not be converted becomes stray light and scatters, which poses a major safety problem.

一方で、製造コストについて考えると、階調数が大きくなるとコストが増加する。図3のような階段状の微細加工を行うには、エッチングの工程を繰り返し行う。この時、N回のエッチング工程によって、2階調の構造を作製するのが一般的である。例えば16階調であれば2のべき乗の次数は4となり、4回のエッチング工程で作製するので、1回の工程ですむ2階調の4倍のコストが発生することになる。他方、微細加工に付随する加工公差は、パワー変換効率を減少させる要因となる。高いパワー変換効率を得ることを目的として階調数を大きくすると、加工工程が増えるために、加工公差の影響もそれだけ増加することになる。 On the other hand, considering the manufacturing cost, the cost increases as the number of gradations increases. In order to perform step-like microfabrication as shown in FIG. 3, the etching process is repeated. At this time, it is common to prepare a structure having 2 N gradations by N times of etching steps. For example, in the case of 16 gradations, the order of powers of 2 is 4, and since it is manufactured by four etching steps, the cost is four times that of two gradations in one step. On the other hand, the machining tolerance associated with microfabrication is a factor that reduces the power conversion efficiency. If the number of gradations is increased for the purpose of obtaining high power conversion efficiency, the number of processing steps increases, so that the influence of processing tolerances also increases accordingly.

このような観点から本発明者らは、位相変調量を0以上2π未満の間の8階調以上の位相変調量で近似してこの近似した位相変調量を実現する厚さに凹凸加工すればよいことを見出した。特に、パワー変換効率とコストおよび加工公差とのバランスを考慮すると、8階調の位相変調量で近似することが好ましいといえる。図4によると、3回の工程で作製する8階調でパワー変換効率が95%となっており、変換できなかったパワー(損失)は5%であることが判る。これに対して、工程を1つ増やした16階調にすると、損失を1.3%にまで減少させることができる。しかしこれは加工公差がない場合であり、加工公差の影響も加味すると、16階調で10%以上の損失が出る。一方、8階調の場合、加工公差を加味した損失が13%程度であり、16階調と大差ないため、同様の安全対策で済むことを見出した。これより、コストを増やしてまで8階調から16階調にする必要性はない。しかし、反対に工程を1回減らして4階調にすると、損失は23%超となる。16階調の2倍を超えるため、より厳重な安全対策が必要となり、好ましくない。本発明者らはかかる理由から8階調での位相変調が最も好ましいことを見出した。 From this point of view, the present inventors can approximate the phase modulation amount with a phase modulation amount of 8 gradations or more between 0 and less than 2π, and perform uneven processing to a thickness that realizes this approximate phase modulation amount. I found a good thing. In particular, considering the balance between power conversion efficiency, cost and processing tolerance, it can be said that it is preferable to approximate with the phase modulation amount of 8 gradations. According to FIG. 4, it can be seen that the power conversion efficiency is 95% for the eight gradations produced in the three steps, and the power (loss) that could not be converted is 5%. On the other hand, if the number of steps is increased by one to 16 gradations, the loss can be reduced to 1.3%. However, this is a case where there is no processing tolerance, and when the influence of the processing tolerance is taken into consideration, a loss of 10% or more occurs in 16 gradations. On the other hand, in the case of 8 gradations, the loss including the processing tolerance is about 13%, which is not much different from 16 gradations, so that the same safety measures can be taken. Therefore, it is not necessary to increase the cost from 8 gradations to 16 gradations. However, on the contrary, if the number of steps is reduced once to 4 gradations, the loss becomes more than 23%. Since it exceeds twice the 16 gradations, stricter safety measures are required, which is not preferable. For this reason, the present inventors have found that phase modulation with 8 gradations is most preferable.

位相変調0から2πまでは、透過型か反射型か、また、入射条件や出射条件により、所望の位相変調に対応する曲面の高さに違いはあるが、回折素子に加工する凹凸は、この曲面の高さには限定されず、0から2πまでを8階調以上に分割して凹凸を作製する。 The height of the curved surface corresponding to the desired phase modulation differs depending on whether the phase modulation is from 0 to 2π, whether it is a transmission type or a reflection type, and the incident condition and the exit condition, but the unevenness processed in the diffraction element is this. The height of the curved surface is not limited, and 0 to 2π is divided into 8 gradations or more to create unevenness.

図5は、本実施形態の回折素子を設計する際のフロー図である。この実施形態では、ベースの厚み(一番薄い箇所の厚み)がdの回折素子に対して8段階で厚さを増減させる加工(8階調の凹凸加工)をする場合を例に挙げて説明する。 FIG. 5 is a flow chart when designing the diffraction element of the present embodiment. In this embodiment, an example in base thickness (the thickness of the thinnest portion) is that the machining (roughened 8 gradations) to increase or decrease the thickness in 8 steps the diffraction element d 0 explain.

まず、結像面において得たいと所望する光強度分布I’ (x’,y’)を決定して、振幅分布A’ (x’,y’)に変換した後、結像面における電磁場強度分布U’ (x’,y’)=A’ (x’,y’)exp[jΦ’ (x’,y’)]を決定する(S1)。 First, the desired light intensity distribution I'(x', y') to be obtained on the image plane is determined, converted to the amplitude distribution A'(x', y'), and then the electromagnetic field intensity on the image plane. The distribution U'(x', y') = A'(x', y') exp [jΦ'(x', y')] is determined (S1).

結像面における電磁場強度分布U’ (x’,y’)から(10)式に基づいて回折素子面における電磁場強度分布U (x,y)を決定する(S2)。 From the electromagnetic field intensity distribution U'(x', y') on the image plane, the electromagnetic field intensity distribution U (x, y) on the diffraction element surface is determined based on the equation (10) (S2).

回折素子面における電磁場分布U(x、y)の位相部分Φ (x,y)と入射光の位相Φ(x,y)とから(13)式を用いて位相変調量Φ(x,y)を決定する(S3)。 From the phase portion Φ (x, y) of the electromagnetic field distribution U (x, y) on the diffraction element surface and the phase Φ 0 (x, y) of the incident light, the phase modulation amount Φ H (x, y) is used by the equation (13). y) is determined (S3).

位相変調量Φ(x,y)を(15)式を用いて0から2πまでの値ΦHR(x,y)(0≦ΦHR(x,y)<2π)に変換する(S4)。 The phase modulation amount Φ H (x, y) is converted into a value Φ HR (x, y) (0 ≦ Φ HR (x, y) <2π) from 0 to 2π using Eq. (15) (S4). ..

0から2πまでの値に変換した位相変調量ΦHR(x,y)を8階調(0、π/4、π/2、3π/4、π、5π/4、3π/2、7π/4)=Φa(x、y)のいずれかに近似する(S5)。 Phase modulation amount Φ HR (x, y) converted from 0 to 2π is converted into 8 gradations (0, π / 4, π / 2, 3π / 4, π, 5π / 4, 3π / 2, 7π / 4) = Approximate to any of Φa (x, y) (S5).

近似した位相変調量Φa(x、y)にλ/2π(n−1)をかけて得られた値をベースとなる厚みdに足し合わせた値d+λΦa/2π(n−1)が回折素子に加工されるべき凹凸の厚みとして求められる(S6)。 The value obtained by multiplying the approximate phase modulation amount Φa (x, y) by λ 0 / 2π (n-1) is added to the base thickness d 0, and the value d 0 + λ 0 Φa / 2π (n−) 1) is obtained as the thickness of the unevenness to be processed on the diffraction element (S6).

以上の構成では回折素子が透過型のものを例に挙げて説明している。回折素子が反射型のものはS6において近似した位相変調量Φa(x、y)に掛け合わす値はλ/2π(n−1)ではなく、λ/(2π×21/2)となるので、加工されるべき凹凸の厚みはd+Φa(x、y)(x、y)λ/(2π×21/2)となる。 In the above configuration, the diffraction element is described by taking as an example a transmissive type. If the diffractive element is a reflective type, the value multiplied by the phase modulation amount Φa (x, y) approximated in S6 is not λ 0 / 2π (n-1) but λ 0 / (2π × 2 1/2 ). Therefore, the thickness of the unevenness to be processed is d 0 + Φa (x, y) (x, y) λ 0 / (2π × 2 1/2 ).

以上のように設計した厚みで作製した回折素子は、回折素子パワー変換効率が95パーセントとなり、実質的に損失がないといえる。また、目的の光強度パターンを高い忠実度で実現することもできた。 It can be said that the diffraction element manufactured with the thickness designed as described above has a diffraction element power conversion efficiency of 95% and has substantially no loss. In addition, the desired light intensity pattern could be realized with high fidelity.

図6に示すような光強度パターンI’(x’,y’)を生成するような回折素子を、以上の実施形態に記載の手法により作製した。上段がx’軸方向のプロファイルであり、下段がy’軸方向のプロファイルである。上段の光パターン部の横幅は1cm、下段の横幅も1cmであった。このパターンを、回折素子から光軸上で20cm離れたところに発生させる。入射光は、波長1.06μm、1/e直径1.5cmのコリメートガウシアンビームであり、これがU(x,y)となる。 A diffraction element that generates a light intensity pattern I'(x', y') as shown in FIG. 6 was produced by the method described in the above embodiment. The upper row is the profile in the x'axis direction, and the lower row is the profile in the y'axis direction. The width of the light pattern portion in the upper row was 1 cm, and the width of the lower row was also 1 cm. This pattern is generated at a distance of 20 cm on the optical axis from the diffraction element. The incident light is a collimated Gaussian beam having a wavelength of 1.06 μm and a diameter of 1 / e 2 and a diameter of 1.5 cm, which is U 0 (x, y).

生成すべき光強度パターンI’(x’,y’)から、I’(x’,y’)=A’(x’,y’)によってA’(x’,y’)を決定する。このA’(x’,y’)から(12)式を用いて、U’(x’,y’)を決める。ただし、実際には結像面2上での位相分布Φ’(x’,y’)を決めないとU’(x’,y’)は決まらないので、位相分布Φ’(x’,y’)は仮に決定してU’(x’,y’)を決めることになる。さらに、(10)式を用いてU’(x’,y’)からU(x,y)を計算した。ここで、このU(x,y)がU(x,y)とうまく整合し、ここでのパワー変換効率が最適となるよう、仮に決定した結像面2上での位相分布Φ’(x’,y’)の調整を行った。位相分布Φ’(x’,y’)の調整手法は、例えば仮に決定する位相分布Φ’(x’,y’)を何度か変更してU’(x’,y’)を決定して、U(x,y)を算出してU(x,y)とうまく整合するのかを確かめることを繰り返すことによって最適となる位相分布Φ’(x’,y’)を求める手法を採用することができるが、特に限定されない。 'From, I the light intensity pattern I to be generated' (x ', y)' (x ', y') = A '2 (x', y ') by A' (x ', y' ) to determine the .. From this A'(x', y'), U'(x', y') is determined using the equation (12). However, in reality, the phase distribution Φ'(x', y') cannot be determined unless the phase distribution Φ'(x', y') on the image plane 2 is determined. ') Will be tentatively determined to determine U'(x', y'). Further, U (x, y) was calculated from U'(x', y') using the equation (10). Here, the phase distribution Φ'(on the image plane 2) is tentatively determined so that this U (x, y) matches well with U 0 (x, y) and the power conversion efficiency here is optimized. x', y') was adjusted. The adjustment method of the phase distribution Φ'(x', y') is to determine U'(x', y') by changing the phase distribution Φ'(x', y') to be tentatively determined several times. Then, the method of finding the optimum phase distribution Φ'(x', y') is adopted by repeating the calculation of U (x, y) and checking whether it matches well with U 0 (x, y). However, it is not particularly limited.

最終的に得られたU(x,y)から、(12)式および(13)式を用いてΦ(x,y)を決め、さらに(15)式によって0から2πまでに限定した位相から(14)式によって透過型回折素子の厚さd(x,y)を決めた。この厚さ分布を、ガラス基板の表面を微細加工することによって作製した。ただし、この加工での階調数は4階調のものと8階調のものとの2種類を作製した。 From the finally obtained U (x, y), Φ H (x, y) is determined using the equations (12) and (13), and the phase is further limited to 0 to 2π by the equation (15). The thickness d (x, y) of the transmission type diffraction element was determined by the equation (14). This thickness distribution was produced by microfabrication of the surface of the glass substrate. However, two types of gradations, one having four gradations and the other having eight gradations, were produced in this processing.

作製した板状の回折素子に、波長1.06μm、1/e直径1.5cmのコリメートガウシアンビームを垂直に入射すると、目的とした図6の光パターンが、素子から20cm離れたところに生成された。光パワーの変換効率は、8階調のものは95%であったが、4階調のものは81%であり、実施形態に記載の手法で作成された回折素子は、パワー変換効率が十分に高いものであることが確認できた。 A plate-like diffraction element manufactured, wavelength 1.06 .mu.m, generated when a collimated Gaussian beam 1 / e 2 diameter 1.5cm incident perpendicularly, the light pattern of Figure 6 for the purpose, away 20cm from the element Was done. The conversion efficiency of the optical power was 95% for the 8-gradation, but 81% for the 4-gradation, and the diffraction element produced by the method described in the embodiment has sufficient power conversion efficiency. It was confirmed that it was expensive.

実施例1では透過型の回折素子を作成したが、本実施例では、光軸に対して45°傾いた板状の素子に光を反射させるタイプの回折素子を作製した。回折素子の構成以外は実施例1と同じ条件である。したがって、最終的に得られたU(x,y)から、(12)式および(13)式を用いてΦ(x,y)を決めるところまでは同じであるが、素子の厚さ分布への変換には、(17)式を用いた。この反射型の場合も、4階調のものと8階調のものとを作製した。 In Example 1, a transmission type diffraction element was produced, but in this example, a type of diffraction element that reflects light to a plate-shaped element inclined by 45 ° with respect to the optical axis was produced. The conditions are the same as those in the first embodiment except for the configuration of the diffraction element. Therefore, it is the same from the finally obtained U (x, y) to the point where Φ H (x, y) is determined using the equations (12) and (13), but the thickness distribution of the element. Equation (17) was used for the conversion to. Also in the case of this reflection type, one having four gradations and one having eight gradations were produced.

上記構造で作製された板状の回折素子に、波長1.06μm、1/e直径1.5cmのコリメートガウシアンビームを45°の入射角で入射すると、90°反射し、素子から20cm離れたところに目的とした図6の光パターンが生成された。光パワーの変換効率は、8階調のものは93%であったが、4階調のものは79%であり、実施形態に記載の手法で作成された回折素子は、パワー変換効率が十分に高いものであることが確認できた。 A plate-like diffraction element manufactured by the above structural, wavelength 1.06 .mu.m, when a collimated Gaussian beam 1 / e 2 diameter 1.5cm at an incident angle of 45 °, and 90 ° reflection, away 20cm from the element However, the intended optical pattern of FIG. 6 was generated. The conversion efficiency of the optical power was 93% for the 8-gradation, but 79% for the 4-gradation, and the diffraction element produced by the method described in the embodiment has sufficient power conversion efficiency. It was confirmed that it was expensive.

1 回折素子面
2 結像面
3 位相変調
4 位相変調
5 位相変調に対応する曲面
6 実際に加工できる凹凸
1 Diffraction element surface 2 Imaging surface 3 Phase modulation 4 Phase modulation 5 Curved surface corresponding to phase modulation 6 Concavities and convexities that can be actually processed

Claims (4)

回折素子面に第1の電磁場強度分布で入射する所定の波長λ 0 の入射光を、結像面において所望の光強度分布に対応する第2の電磁場強度分布を有する出射光となるように位相変調する回折素子の設計方法であって、
前記結像面における所望の光強度分布から当該結像面における第2の電磁場強度分布を決定する工程と、
前記第2の電磁場強度分布に基づいて前記回折素子面における第3の電磁場強度分布を決定する工程と、
前記第3の電磁場強度分布から決定される前記回折素子面における位相変換後の位相と前記第1の電磁場強度分布から決定される前記入射光の位相とから前記回折素子における位相変調量Φ H (x,y)を決定する工程と、
前記決定した位相変調量ΦH(x,y)を、ΦHR(x,y)=ΦH(x,y)−2πN(Nは整数)を用いて0以上2π未満の位相変調量ΦHR(x,y)に変換する工程と、
前記変換した位相変調量ΦHR(x,y)を0以上2π未満の間の8階調以上の位相変調量Φa(x、y)のいずれかに近似する工程と、
前記8階調以上に近似した位相変調量Φa(x、y)と前記入射光の波長λ0とに基づいて前記回折素子の厚さd(x、y)を決定する工程とを含むことを特徴とする回折素子の設計方法。
The phase of the incident light having a predetermined wavelength λ 0 incident on the diffraction element surface with the first electromagnetic field intensity distribution becomes the emitted light having the second electromagnetic field intensity distribution corresponding to the desired light intensity distribution on the imaging surface. It is a design method of a diffractive element to be modulated .
A step of determining a second electromagnetic field intensity distribution on the image plane from a desired light intensity distribution on the image plane, and
A step of determining a third electromagnetic field intensity distribution on the diffraction element surface based on the second electromagnetic field intensity distribution, and
The phase modulation amount in the diffraction element Φ H ( from the phase after phase conversion on the diffraction element surface determined from the third electromagnetic field intensity distribution and the phase of the incident light determined from the first electromagnetic field intensity distribution. The process of determining x, y) and
The determined phase modulation amount Φ H (x, y) and, Φ HR (x, y) = Φ H (x, y) -2πN phase modulation amount of 0 to less than 2π with (N integer) [Phi HR The process of converting to (x, y) and
A step of approximating the converted phase modulation amount Φ HR (x, y) to any one of the phase modulation amounts Φa (x, y) of 8 gradations or more between 0 and less than 2π.
The thickness d (x, y) of the diffractive element on the basis the 8 phase modulation amount Φa approximating above gradation (x, y) to the wavelength lambda 0 of the incident light to include the step of determining the A method for designing a characteristic diffraction element.
前記回折素子はベースの厚さがd0であり屈折率がnである透過型の回折素子であって、
前記回折素子の厚さd(x、y)を決定する工程において、d(x、y)=d0+λ0Φa(x,y)/2π(n−1)により前記回折素子の厚さd(x、y)を決定することを特徴とする請求項1に記載の回折素子の設計方法。
The diffraction element is a transmission type diffraction element having a base thickness of d 0 and a refractive index of n.
In the step of determining the thickness d (x, y) of the diffractive element, d (x, y) = d 0 + λ 0 Φa (x, y) / 2π (n-1) the thickness of the diffractive element by d The method for designing a diffraction element according to claim 1, wherein (x, y) is determined.
前記回折素子はベースの厚さがd0である反射型の回折素子であって、
前記回折素子の厚さd(x、y)を決定する工程において、d(x、y)=λ0Φa(x、y)/(2π×21/2)により前記回折素子の厚さd(x、y)を決定することを特徴とする請求項1に記載の回折素子の設計方法。
The diffraction element is a reflection type diffraction element having a base thickness of d 0 .
In the step of determining the thickness d (x, y) of the diffractive element, d (x, y) = λ 0 Φa (x, y) / thickness of the diffraction element by (2π × 2 1/2) d The method for designing a diffraction element according to claim 1, wherein (x, y) is determined.
前記近似する位相変調量Φa(x、y)は8階調であることを特徴とする請求項1からのいずれかに記載の回折素子の設計方法。 The method for designing a diffraction element according to any one of claims 1 to 3 , wherein the approximate phase modulation amount Φa (x, y) has 8 gradations.
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