JPH01282501A - グレーティングレンズ - Google Patents

グレーティングレンズ

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JPH01282501A
JPH01282501A JP63113102A JP11310288A JPH01282501A JP H01282501 A JPH01282501 A JP H01282501A JP 63113102 A JP63113102 A JP 63113102A JP 11310288 A JP11310288 A JP 11310288A JP H01282501 A JPH01282501 A JP H01282501A
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grating
lens
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grating lens
lens according
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Teruhiro Shiono
照弘 塩野
Kentaro Setsune
瀬恒 謙太郎
Tsuneo Mitsuyu
常男 三露
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Panasonic Holdings Corp
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1876Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、グレーティングレンズに関するものであり、
特に、発散球面波を収束球面波に集光するタイプの光学
特性に優れた高NA可能なグレーティングレンズを提供
するものである。
従来の技術 マイクロレンズはコンパクトディスクCDやレーザディ
スク又は光通信システム等の光応用システムの重要な構
成要素である。なかでもマイクロフレネルレンズ等のグ
レーティングレンズは、レンズ厚が数μm以下でグレー
ティング部の溝の間隔の変化で任意の波面を再生できる
という特徴があり、注目されている。
従来例として、第7図に示すようなグレーティングレン
ズ(フレネルレンズ)があった( T、5hiono 
at、al :“computer −00ntrO1
16d 6160trOn −boom writin
gsystem ror thin film m1c
ro−Optics”、J。
Vac 、Sci 、Technol 、B 、5.1
 、PP 、33−36 (Jan 。
1987))。すなわち、基板1上に、第7図に示すよ
うな断面が鋸歯形状のグレーティング部7を形成したも
のである。グレーティング部7を鋸歯形状に加工するこ
とにより、回折の他に屈折の現像が加わシ、集光効率を
向上させるものである。
発明が解決しようとする課題 第7図に示した従来のグレーティングレンズでは、収束
球面波を発散球面波に変換するタイプのものを考えた場
合、第8図に示すように、グレーティング部7の周期A
が小さくなるにつれて(外周部になるほど)入射光を集
光する割合を示す1次回折効率はしだいに小さくなって
いった。ただし、第8図に示した曲線は、各グレーティ
ングの入射角θは、使用波長λ、グレーティ/グ部の屈
折率nに対して で与えられるブラッグ角θBのときのものであり、言い
換えれば、入射側と出射側の開口数Nムが等しいときの
値である。1次回折効率が60チ以上になるグレーティ
ング周期はA≧2.8λであシ、このグレーティング周
期はほぼ入射側と出射側の開口数Nム=0.18のグレ
ーティングレンズの最外周に相当する。すなわちにム〉
0.18のグレーティングレンズの外周部は効率が60
%以下に下ってしまい、集光効率が悪くなるという開運
があった。
又、作製においても、外周部の周期が小さい領域では良
好な鋸歯形状を形成するのが難しく、形状が乱れがちで
あった。
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、特に光学特
性に優れた高Nム可能なグレーティングレンズを提供す
るものである。
課題を解決するための手段 本発明は上記問題点を解決するために、少なくとも、基
板と上記基板上に形成したグレーティング部からなシ、
上記グレーティング部の中央部は断面を鋸歯形状とし、
上記グレーティング部の周辺部は断面が矩形形状とする
ものである。
作用 本発明は、比較的周期の大きいグレーティング部中央部
断面を鋸歯形状とし、比較的周期の小さい周辺部断面は
矩形形状とすることにより、レンズの中央部から周辺部
まで効率がよくなシ、し/ズの集光特性をよくするもの
である。
実施例 第1図、第2図は、それぞれ本発明の一実施例のグレー
ティングレンズの構造を示す断面図、平面図である。例
えば、ガラスや合成樹脂等の透明基板1上に、例えばC
MSやPMMム等の電子ビームレジストで形成したグレ
ーティング部2を設けたものである。グレーティング部
2は、レンズ作用をするように同心円状又は同心楕円状
に外周になるほど周期が小さくなるようKしてあり、中
央部2ムの断面は第1図に示すようないわゆる鋸歯形状
で、周辺部2B断面は、矩形形状としである。このグレ
ーティング部2の加工方法としては、公知の電子ビーム
描画法を用いた。すなわち、基板1上に、電子ビームレ
ジストをコーティングし、電子ビーム描画装置を用いて
、第1図に示したようなグレーティングレンズの膜厚分
布に対応するように露光量分布を与え、現像処理をして
レジストの膜厚を変化させて作製した。このときのグレ
−ティング部中央部2人の溝の深さhAは、使用波長λ
、グレーティング部の屈折率nに対して、例えばh人=
λ/(n−1)とし、周辺部2Bの溝の深さは、効率を
よくするためにh B 共h Aとし例えばhB=1.
sh人 とした。本実施例では、例えばλ=0.632
8μm、n=1.6であり、例えばh人=1.0511
m 、hB=1.5μmとした。本実施例のグレーティ
ングレンズのこのときのプラウグ角入射時の1次回折効
率を示したのが第3図である。
グレーティング部中央部2人の最小周期A1 と周辺部
2Bの最大周期A2は例えばほぼ2.6λ−1,67Z
mとした。このようにすることにより、第3図かられか
るように、従来例のように回折効率が悪くなる周辺部で
も、矩形形状のグレーティングを形成することにより、
効率がよくなった。本実施例のグレーティングレンズで
は、1次回折効率が60%以上になるグレーティング周
期はA≧1.56λ=Q、98μm であり、このグレ
ーティング周期はほぼ入射側と出射側の開口数NA=0
.32のグレーティングレンズの最外周に相当するもの
である。従って、本実施例のグレーティングレンズは入
射側と出射側のNA≦0.32でレンズ全域で60チ以
上の集光効率が実現できた。
第4図は本実施例のグレーティングレンズの使用例であ
る。例えばλ=0.6328μmの光源から出射された
発散球面波の入射光5が、基板1側からグレーティング
部2に入射し、この部分2で回折あるいは屈折を受けて
、収束球面波の出射光6に変換され、焦点3に集光され
るものである。本実施例では、プラウグ角入射としたた
め、空気中の入射角θと出射角θ2はθ=02である。
ここで開口数NAはレンズ最外周の回折角を用いてNA
=sinθ= r’sinθにsinθ2で与えられる
。ただし、基板の屈折率をn′とした。
第5図は本実施例のグレーティングレンズの例えば周期
A=2λ=1.3 μm 、 h9=1.s μmにお
けるグレーティング部周辺部2Bの回折効率の入射角依
存性を示すものである。図かられかるように、入射角θ
がプラウグ角例えばθB=9°で最も効率が高く、80
%以上に達した。さらに周期が小さくなるほど入射角依
存性が急峻になった。最大値ばθ=θBで現われたが、
その値は周期に依存した。従って、本実施例のグレーテ
ィングレンズは入射波が、平面波や収束球面波よりも、
発散球面波において、集光効率が高く、特に、入射角が
プラウグ角となる場合、すなわち、入射側と出射側のN
Aが等しい場合に特例効果が大きいことを発見した。
第6図は、本実施例のグレーティングレンズの周期例え
ばA=2λ=1.3μm、θ=θB=9°におけるグレ
ーティング部周辺部2Bの1次回折効率の溝の深さhB
依存性を示すものである。本発明者らは、はぼ溝の深さ
が1la=λ/2 (n −1) =0.5μmの奇数
倍の厚さで、効率が極大になるのを発見した。又、それ
ぞれのピークの半値幅はほぼ同じで2w−λ/4(n−
1)となることもわかった。従って、グレーティング部
の周辺部2Bの溝の深さhBば、任意の整数mに対して (2m−1)λ    λ    °  (2m−1)
λ   λm=1.2,3.  ・・ を満たすようにすると効率がよかった。ただし、効率の
極太値は周期に依存しておシ、はぼA≦3λで極大値が
高かった。
本実施例では入射側と出射側の開口数NAが0.34の
場合について述べたが、NA≧0.18のとき、従来例
より効率がよくなり、効果があった。
作製面においても、グレーティングレンズ外周部の周期
が小さい領域では良好な鋸歯形状を形成するのが難しか
ったが、本実施例の場合には、矩形形状のグレーティン
グであるため、良好な形状が形成できた。
本実施例で述べたグレーティング断面の鋸歯形状及び矩
形形状は、第1図に示したような形状のものを言ってい
るが、多少乱れた形や、断差凹凸があっても平均してみ
れば第1図のような形状に近いものであれば効果がある
本実施例のグレーティングレンズは電子ビーム描画法に
より作製したが、集束イオノビームやCNC旋盤等の機
械加工を用いて作製してもよい。
又、これらによって作製したグレーティング部2を原盤
にして金型を形成し、例えば透明エポキシや紫外線硬化
樹脂、PMM人等の合成樹脂を用いて複製法によ多形成
することも可能であり、安価な大量生産を実現すること
もできる。又本実施例では、グレーティング形状が円形
のレンズについて述べたが、楕円形の楕円形グレーティ
ングレンズや直線状のシリンドリカルグレーティングレ
ンズについても効果がある。
発明の効果 以上のように本発明によれば、レンズの周辺部でも高効
率が可能で集光特性のよい高NAのグレーティングレン
ズが実現できるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
第1図、第2図はそれぞれ本発明の一実施例のグレーテ
ィングの構造を示す断面図、平面図、第3図は本発明の
一実施例のグレーティングレンズの1次回折効率とグレ
ーティング周期の関係を示す図、第4図は本発明の一実
施例のグレーティングレンズの使用例を示す図、第6図
、第6図は本発明の一実施例のグレーティングレンズの
1次回折効率と入射角θ1及び溝の深さhaとの関係を
示す図、第7図、第8図はそれぞれ従来例のグレーティ
ングの断面構造9回折効率とグレーティング周期との関
係を示す図である。 1・・・・基板、2・・・・・グレーティング部。 代理人の氏名 弁理士 中 尾 敏 男 ほか1名第3
図 規」各化グレーティングMXMA/入 /−−一基板 ?−−グレーティング節 3−−一焦息 4−光源 5−人竹光 第4図      乙−已財光 、R 1ン欠@1ブr;ζズ74季=(ン2)!六凹狩効卑t
x〕      刃

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 (1)基板と、上記基板上に形成したグレーティング部
    からなり、上記グレーティング部の中央部は断面が鋸歯
    形状であり、上記グレーティング部の周辺部は断面が矩
    形形状であることを特徴とするグレーティングレンズ。 (2)グレーティング部の中央部の溝の深さは、グレー
    ティング部の周辺部の溝の深さと異なることを特徴とす
    る特許請求の範囲第1項記載のグレーティングレンズ。 (3)グレーティング部の中央部の最小周期Λ_1は、
    使用波長λの2.5倍以上であることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載のグレーティングレンズ。 (4)グレーティング部の周辺部の最大周期Λ_2は、
    使用波長λの2.5倍以下であることを特徴とする特許
    請求の範囲第1項記載のグレーティングレンズ。 (6)グレーティング部の周辺部の溝の深さh_Bは、
    使用波長λ、グレーティング部の屈折率n、任意の整数
    mに対して [(2m−1)λ/2(n−1)]−[λ/4(n−1
    )]≦h_B≦[(2m−1)λ/2(n−1)]+[
    λ/4(n−1)]m=1、2、3・・・・・・ を満たすことを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の
    グレーティングレンズ。 (6)入射側と出射側の開口数NAが等しいことを特徴
    とする特許請求の範囲第1項記載のグレーティングレン
    ズ。 (7)入射側と出射側の開口数NAが0.18以上であ
    ることを特徴とする特許請求の範囲第6項記載のグレー
    ティングレンズ。
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