JPH04114104A - グレーティング素子 - Google Patents

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、光の回折現象を利用したフレネルレンズ等の
グレーティング素子に関する。

「背景技術とその問題点コ 従来のレンズやグレーティング素子等の光学素子では、
いずれも光の透過率が全体にわたってほぼ均一となって
おり、入射光の光強度分布をそのまま射出光の光強度分
布に変換している。このため、従来の光学素子にあって
は、レンズ開口の縁における回折の影響が射出側に表わ
れ、光学素子を透過した光の光強度分布に歪みか生じる
という問題があった。

上記問題点を第７図及び第８図に示す従来例によって具
体的に説明する。第７図（ｂ）は、レンズ５１によって
平行光線束５２を集束光線束５３に変換させる場合の光
学系を示している。また、第７図（ａ）は、光源側の平
行光線束の光強度分布■３゜（ｘ）を示す図であって、
均一な光強度分布となっており、第８図は、第７図（ｂ
）に示した直径Ｓのレンズ５１の透過率Ｔｓ（ｘ）であ
って、レンズ全体にわたって均一な透過率を有している
。なお、Ｘは、光軸Ｐと垂直な方向の座標を示しており
、透過率Ｔｓ（ｘ）は、最大値が１００％となるように
正規化して示している（以下、同様）。このように光強
度分布ｌ５ｏ（ｘ）が−様な平行光線束５２がレンズ５
１に入射した場合、レンズ５１からの出射直後の光強度
分布Ｉａ＋（ｘ）は、 Ｉ　３ｔ（Ｘ）−Ｉ　５ｏ（ｘ）ｘ　Ｔ　３（Ｘ）とな
る。集束光線束５３の集束ヌポット５４における光強度
分布ｒ＋２（ｘ）は、この光強度分布歪。□（ｘ）をフ
ーリエ変換したものとなるから、第７図（Ｃ）のように
なり、裾の部分にサイドローブ５５が発生する。このサ
イドローブ５５は、レンズ５１を透過する際の回折によ
る光強度分布の歪によるものであり、光ピツクアップや
光センサ−光通信用等にレンズを用いる場合には、低分
解能化、低Ｓ／Ｎ比化といった問題を生じさせていた。

また、第９図の別な従来例を説明すると、第９図（ａ）
は、レンズ６１（透過率の分布は、第８図と同じ）によ
って発散光線束６２を平行光線束６３に変換させる場合
の光学系を示している。点光源６４から出た発散光線束
６２は、レンズ面に第９図（ｂ）のような光強度分布Ｉ
　４０（Ｘ）を生じさせ、レンズ６１透過後の射出光の
光強度分布Ｉ４２（Ｘ）は、第９図（Ｃ）のようになる
。この場合も、平行光線束６３の光強度分布Ｉ４２（Ｘ
）には、裾の部分にサイドローブ６５が発生しており、
光電スイッチ等の平行光線を利用するセンサーや光通信
用の光学系で用いられる場合、Ｓ／Ｎ比の低下の原因と
なっていた。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明は、叙上の従来例の欠点に鑑みてなされたもので
あり、その目的とするところは、光学素子の開口の縁に
おける回折現象による射出光線の光強度分布歪を小さく
することにある。

口課題を解決するための手段］ このため、本発明のグレーティング素子は、透過光の回
折現象を利用したグレーティング素子において、当該素
子を通過後の光強度分布がほぼガウシアン分布となるよ
うに、光軸部で透過率を高くすると共に周辺部で透過率
を低くしたことを特徴としている。

［作用］ 本発明によれば、グレーティング素子の周辺部の透過率
を小さくしているので、素子開口の縁における高次の回
折光の影響を小さくでき、射出側において光強度分布歪
の小さなガウシアン分布を得ることかできる。

また、光学素子としてグレーティング素子を用いれば、
素子断面形状やグレーティング周期等を制御することに
よって所望の透過率分布を得ることができ、光軸部と周
辺部とで透過率を変化させて容易にガウシアン分布を得
ることができる。

［実施例］ 以下、本発明の実施例を添付図に基づいて詳述する。

第１図及び第２図に本発明の一実施例を示す。

第１図（ｂ）は、グレーティング素子１によって平行光
線束２を集束光線束３に変換させる場合の光学系を示し
ている。また、第１図（ａ）は、光源側の平行光線束２
の光強度分布Ｉ　ｔｏ（ｘ）を示す図であって、均一な
光強度分布となっており、第２図は、第１図（ｂ）に示
した直径りのグレーティング素子１の透過率（−次回折
効率）Ｔｔ（ｘ）であって、透過率Ｔｉ（ｘ）の分布が
ガウシアン分布となっており、素子の光軸部では大きな
値の透過率を有しているが、周辺部へゆくに従って透過
率が次第に減少し、素子周縁では透過率Ｔ＋（ｘ）は０
になっている。このように−様な光強度分布Ｉ　ｔｏ（
ｘ）の平行光線束２がグレーティング素子１に入射した
場合、出射直後の光強度分布Ｉ＋＋（ｘ）は、１　＋＋
（ｘ）＝　Ｉ　ｔｏ（ｘ）ｘ　Ｔ　Ｉ（Ｘ）となる。そ
して、Ｉ　ｔｏ（ｘ）は−様で、Ｔ’＋（ｘ）はガウシ
アン分布であるから、グレーティング素子１を通過した
直後の光強度分布歪、□（ｘ）もガウシアン分布となる
。しかも、グレーティング素子１の周辺部の透過率Ｔ’
＋（ｘ）を小さくしているので、周辺部における高次の
回折光の影響を小さく抑えることができる。このため、
集束光線束３の集束スポット４における光強度分布ＩＩ
□（Ｘ）は、第１図（Ｃ）に示すようにほぼガウシアン
分布となり、裾部分にはサイドローブが発生していない
。

しかして、光線がその光強度分布を一定に保ったままで
伝搬する場合、最適な光強度分布はガウシアン分布であ
るので、上記のようにしてガウシアン分布を達成するこ
とにより、最適な光ビームが得られる。また、完全なガ
ウシアン分布でなくても、それに近い光強度分布を持た
せることで、伝搬光のサイドローブ等の光強度歪を小さ
く抑えることかできる。

第３図及び第４図に別な実施例を示す。第３図（ａ）は
、グレーティング素子１１によって発散光線束１２を平
行光線束１３に変換させる場合の光学系を示している。

第４図は、第３図（ａ）に示したグレーティング素子１
１の透過率Ｔ２（Ｘ）を示しており、第２図の透過率Ｔ
＋（ｘ）の分布よりもややブロードな分布となっており
、周辺部で急激にＯまで減少している。点光源１４から
出た発散光線束１２は、レンズ面（の直前）に第３図（
ｂ）のような光強度分布Ｉ２０（Ｘ）を生じさせ、レン
ズ透過後の射出平行光線束１３の光強度分布１２２（Ｘ
）は、Ｉ　２２（Ｘ）＝　Ｉ　２０（Ｘ）Ｘ　Ｔ　２（
Ｘ）となり、第３図（Ｃ）のようになる。この場合も、
グレーティング素子１１の周辺部で透過率Ｔ２（Ｘ）が
小さいので、周辺部における高次の回折光の影響を抑え
ることができ、平行光線束１３の光強度分布Ｉ２□（Ｘ
）には、裾部分のサイドローブがなく、はぼガウシアン
分布が得られる。

第５図（ａ）　（ｂ）及び第６図は、グレーティング素
子１，１１の透過″ｆ’　Ｔ　＋　（ｘ）　、　Ｔ　２
　（ｘ）を制（財）するだめの一つの方法を示している
。一般に、グレーティング素子は、周期の異なる直線グ
レーティングの寄せ集めと考えることかでき、従って、
グレーティング素子の各部分は直線グレーティングによ
って近似させることかできる。

直線グレーティングの透過率Ｃ回折効率）は、設計波長
で使用されている限り、主として、２つの回折効率η、
、η、の積で決まる。

一つは、グレーティング周期へで決まる回折効率η、で
ある。グレーティングの回折効率は、グレーティングが
設計通りできていても、１００％の回折効率にならず、
光の波長λとの関係でグレーティング周期Ａが変わると
変化する。すなわち、一般に、光の波長λで蜆格化され
たグレーティング周期へをパラメータとして、回折効率
η５は、第６図のように変化する。従って、グレーティ
ング周期Ａを第６図に従って変化させることにより、回
折効率（透過率）η、を制御することかできる。

他の一つは、グレーティング高さｄで決まる回折効率η
１である。グレーティングの回折効率は、最適設計から
外れるに従って効率が低下するので、グレーティング周
期へが決まっても、グレーティング高さｄを制御するこ
とによって任意の回折効率を得ることができる。すなわ
ち、最適設計時のグレーティング高さをｄ。とすると、
第５図（ｂ）に示すように、グレーティング３１の高さ
ｄを○〜ｄｏの範囲で変化させた時の回折効率η、は、
第５図（ａ）に示すように変化する。従って、グレーテ
ィング高さｄを第５図（ａ）に従って決定することによ
り、希望の回折効率η、を得ることができる。

よって、グレーティングもしくはグレーティング素子の
透過率（回折効率）は、グレーティング周期へとグレー
ティング高さｄを制御することにより希望の透過率分布
を得ることができる。

グレーティング素子の透過率を制御する方法としては、
上記の方法の他にも、グレーティング素子の光学材料の
屈折率を変化させたり、あるいはグレーティング素子の
断面形状を変化させたりする方法も可能である。これら
の方法は、電子ビーム（Ｂ　Ｂ）描画技術、旋盤等の機
械加工技術、ホログラム技術などを用いて実施すること
ができる。

なお、本発明において用いられるグレーティング素子は
、フレネルレンズに限らず、その他ホログラム、シリン
ドリカルフレネルレンズ、直線グレーティング、チャー
プドグレーティング等回折現象を利用した全ての光学素
子を含むものである。

［発明の効果］ 本発明によれば、射出側において高次の回折光を含まな
いガウシアン分布を得ることができ、歪の小さな光強度
分布を持つ光線を射出させることができる。このため、
良好な光ビームを射出させることができ、例えば光電ス
イッチ等の光センサーや光通信、光情報処理等に用いた
場合、高分解能、低ノイズ、高効率等の優れた特性を発
揮させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるグレーティング素子
を用いた光学系と、入射側及び射出側の光強度分布を示
す図、第２図は同上のグレーティング素子の透過率を示
す図、第３図は本発明の別な実施例におけるグレーティ
ング素子を用いた光学系と、入射側及び射出側の光強度
分布を示す図、第４図は同上のグレーティング素子の透
過率を示す図、第５図（’ａ）はグレーティングの回折
効率とグレーティング高さの関係を示す図、第５図（ｂ
）はグレーティングの断面形状を示す図、第６図はグレ
ーティングの回折効率とグレーティング周期の関係を示
す図、第７図は従来例におけるレンズを用いた光学系と
、入射側及び射出側の光強度分布を示す図、第８図は同
上のレンズの透過率を示す図、第９図は別な従来例にお
けるレンズを用いた光学系と、入射側及び射出側の光強
度分布を示す図である。 １．１１・・・グレーティング素子 Ｐ・・・光軸

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）透過光の回折現象を利用したグレーティング素子
   において、 当該素子を通過後の光強度分布がほぼガウシアン分布と
   なるように、光軸部で透過率を高くすると共に周辺部で
   透過率を低くしたことを特徴とするグレーティング素子
   。