JPWO2006038535A1 - 回折格子および回折格子を含む光学系 - Google Patents

回折格子および回折格子を含む光学系 Download PDF

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Abstract

波長の異なる３波長を効率的に回折させる回折格子を提供する。回折格子の形状は、一定周期の階段形状である。第１の光線の波長は、第２の光線の波長よりも短く、第２の光線の波長は、第３の光線の波長よりも短く、第１、第２および第３の光線の波長は、回折格子の１次回折光、０次回折光および-１次回折光の回折効率のピークを示す波長のいずれか異なるものに対応する。当該一定周期を１０マイクロメータとした場合に、回折格子面に垂直に入射する第１、第２および第３の光線の回折効率が５０％以上である。

Description

本発明は、３波長の光線を回折させる回折格子に関する。本発明は特に、青色波長、赤色波長および赤外波長の光線を高い効率で回折させる回折格子または、青色波長、緑色波長および赤色波長の光線を高い効率で回折させる回折格子に関する。また、本発明は、３波長の光源と、当該３波長の光源からの３波長の光線を回折させる回折格子を含む光学系に関する。
光ピックアップ装置などに使用される、青色波長、赤色波長および赤外波長の３波長の光源は、光軸に対して垂直な方向に間隔を空けて配置される。このため、３波長の光線の光軸ずれが生じる。
３波長の光線の光軸ずれを補償する方法として、多重ホログラム光学素子を使用するものが開示されている(たとえば、特開平２００４−２１３８５４号公報)。
しかし、多重ホログラム素子は、製造が困難であり、高コストである。
したがって、３波長の光線、特に、光ピックアップ装置などに使用される、青色波長、赤色波長および赤外波長の３波長の光線を回折させる回折格子に対するニーズがある。また、３波長の光源と、光源からの３波長の光線を、光軸を合わせるように回折させる回折格子とを含む光学系に対するニーズがある。
本発明による回折格子は、波長の異なる第１、第２および第３の光線を、回折させる回折格子である。回折格子の形状は、一定周期の階段形状である。第１の光線の波長は、第２の光線の波長よりも短く、第２の光線の波長は、第３の光線の波長よりも短く、第１、第２および第３の光線の波長は、回折格子の１次回折光、０次回折光および-１次回折光の回折効率のピークを示す波長のいずれか異なるものに対応する。当該一定周期を１０マイクロメータとした場合に、回折格子面に垂直に入射する第１、第２および第３の光線の回折効率が５０％以上である。
本発明による回折格子は、３波長に対して回折効率がほぼピークとなる。また、通常の段差形状であり、構造が簡単である。
本発明の一実施形態によれば、第１、第２および第３の光線の波長が、それぞれ、１次回折光、０次回折光および-１次回折光の回折効率のピークを示す波長に対応する。
したがって、３波長の光源の、光軸と垂直方向の位置が全て異なる場合に対応することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線の波長が、それぞれ、０次回折光の回折効率のピークを示す波長、１次回折光の回折効率のピークを示す波長および０次回折光の回折効率の別のピークを示す波長に対応する。
したがって、３波長の光源のうちの２つの、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、他の１つの、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。たとえば、青色波長の光源と赤外波長の光源の、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、赤色波長の光源の、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線の波長が、それぞれ、０次回折光の回折効率のピークを示す波長、０次回折光の回折効率の別のピークを示す波長および１次回折光の回折効率のピークを示す波長に対応する。
したがって、３波長の光源のうちの２つの、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、他の１つの、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。たとえば、青色波長の光源と赤色波長の光源の、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、赤外波長の光源の、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。
本発明の他の実施形態によれば、階段の段板部分を、階段の底面に対して所定の角度で傾斜させている。
この構成により、より大きな回折効率を得ることができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線の波長が、青色波長、赤色波長および赤外波長である。
したがって、ブルーレイディスク、デジタル・バーサタイル・ディスク（DVD）、コンパクト・ディスク（CD）を対象とする光ピックアップ装置に適用することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線の波長が、青色波長、緑色波長および赤色波長である。
したがって、３つの光源を備えた画像読取り装置に適用することができる。
本発明による光学系は、それぞれ波長の異なる３波長の３個の光源と、上記のいずれかの回折格子とを含む光学系であって、回折格子が、３波長の３個の光源からの光線の光軸ずれを補償するように、３波長の光線を回折させる。
したがって、３波長の光源からの光線の光軸ずれを、簡単な構造の回折格子によって補償することができる。
本発明による回折格子は、それぞれ波長の異なる第１、第２および第３の光線を回折させる。本発明による回折格子の回折部の形状は、階段形状であり、階段形状の段差量が、０次回折光の回折効率が、第１、第２および第３の光線のいずれかの波長において回折効率のピークに近づくように、前記いずれかの波長に基づいて定められている。本発明による回折格子において、階段数をＮ、回折次数をαｉ、λ０をλｉのいずれかの整数倍値、ｍおよびｐを整数とした場合に、波長
λｉ＝［Ｎ／（Ｎ・ｍ＋αｉ）］・λ０・ｐ
が、第１、第２および第３の光線の波長のそれぞれに対応するように、階段数Ｎが定められている。
本発明による回折格子は、３波長に対して回折効率がほぼピークとなる。また、通常の段差形状であり、構造が簡単である。
本発明の一実施形態によれば、前記いずれかの波長における回折格子の屈折率をｎ、回折格子の周囲の屈折率をｎ０、回折部に対する入射角をθとして、段差量をλ０・cosθ／（ｎ―ｎ０）の整数倍の値を基準として求める。
本発明の他の実施形態によれば、階段の幅が位相関数および段差量と階段数に基づいて定められる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線を、それぞれ１次回折光、０次回折光および-１次回折光として回折させる。
したがって、３波長の光源の、光軸と垂直方向の位置が全て異なる場合に対応することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線を、それぞれ０次回折光、１次回折光および０次回折光として回折させる。
したがって、３波長の光源のうちの２つの、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、他の１つの、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。たとえば、青色波長の光源と赤外波長の光源の、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、赤色波長の光源の、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線を、それぞれ０次回折光、０次回折光および１次回折光として回折させる。
したがって、３波長の光源のうちの２つの、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、他の１つの、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。たとえば、青色波長の光源と赤色波長の光源の、光軸と垂直方向の位置がほぼ同じであり、赤外波長の光源の、光軸と垂直方向の位置が異なる場合に対応することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線が、青色波長、赤色波長および赤外波長である。
したがって、ブルーレイディスク、デジタル・バーサタイル・ディスク（DVD）、コンパクト・ディスク（CD）を対象とする光ピックアップ装置に適用することができる。
本発明の他の実施形態によれば、第１、第２および第３の光線の波長が、青色波長、緑色波長および赤色波長である。
したがって、３つの光源を備えた画像読取り装置に適用することができる。
本発明による光学系は、それぞれ波長の異なる３波長の３個の光源と、上記のいずれかの回折格子とを含む光学系であって、回折格子が、３波長の３個の光源からの光線の光軸ずれを補償するように、３波長の光線を回折させる。
したがって、３波長の光源からの光線の光軸ずれを、簡単な構造の回折格子によって補償することができる。
ピッチ10(um)の場合の、波長に対する、回折格子設計例１の３波長回折格子の回折効率を示す。 回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 ピッチ10(um)の場合の、波長に対する、回折格子設計例２の３波長回折格子の回折効率を示す。 回折格子設計例２の３波長回折格子を使用した光学系を示す。 ピッチ10(um)の場合の、波長に対する、回折格子設計例３の３波長回折格子の回折効率を示す。 ピッチ7(um)の場合の、波長に対する、回折格子設計例４の３波長回折格子の回折効率を示す。 回折格子設計例４の３波長回折格子の形状を示す。 ピッチ20(um)の場合の、波長に対する、回折格子設計例５の３波長回折格子の回折効率を示す。 従来の３励起波長同時傾向測定用システムの構成を示す。 回折格子設計例５の回折格子を使用した、３励起波長同時傾向測定用システムの構成を示す。 段数３の階段形状の回折格子を示す。
図１６は、例として、段数３の階段形状の回折格子を示す。
回折格子設計例１
405(nm)、660(nm)、785(nm)の３波長について次数をそれぞれ1次、0次、-1次にて回折効率値をピークに合わせるように回折格子を設計する。回折格子の階段数をＮ、λ1、 λ2、 λ3のいずれかの波長の整数倍の値をλ０、回折次数をαi、ｍiおよびｐを整数パラメータとした場合に、以下の式を満たすλ1、 λ2、 λ3が、それぞれ、405(nm)、660(nm)、785(nm)に近づくように、階段数Ｎおよび整数パラメータｍiおよびｐを求める。

λ1=[N/(N×m1+α1)]×λ0×p
λ2=[N/(N×m2+α2)]×λ0×p
λ3=[N/(N×m3+α3)]×λ0×p
共通パラメータλ0=1326 N=3 p=1 個別パラメータm1=3 m2=2 m3=2 α1=1 α2=0 α3=-1とすると

λ1=398(nm)
λ2=663(nm)
λ3=796(nm)

となり、λ1、 λ2、 λ3は、それぞれ、405(nm)、660(nm)、785(nm)に近くなる。差の比率は、それぞれ、１．７％、０．４５％、１．４％である。
これより希望する３波長に対して回折効率値をピークに合わせるには、回折格子の段数は３段で深さ(段差量の和)は、回折格子への入射角が０である場合、ｎを回折格子の屈折率として、

λ0/(n-1)×(N-1)

で計算される。屈折率を３波長の平均として、仮に1.4905とすると、回折格子深さは、5.407(um)になる。
図１は、ピッチ10(um)の場合の、波長に対する、設計例１の回折格子の回折効率を示す。
本実施形態においては、405(nm)から785(nm)と波長の範囲が広いので、上記の回折格子深さの値の周辺で、格子深さを変化させて回折効率の計算を行う。回折効率の計算は、ベクトル計算である。ベクトル計算は、入射光の偏光方向や入射角度、格子の周期、基板の屈折率などをパラメータにして表面での反射損失を含む実際的な回折効率をほぼ厳密に求める。ここでピッチとは、回折格子１パターンの幅である。ピッチによって効率が変化する。基本的にピッチが大きくなれば回折効率のピーク位置での回折効率値は上昇する。ただし、回折効率のピーク位置はほとんど変化しない。本来、ピッチは光学系の配置によって定まるが、ここでは、回折効率のピーク位置を確認するために仮に定めている。
格子深さに対して回折効率を計算した結果を表１に示す。ピッチは10(um)である。
Figure 2006038535
上記の結果から、回折格子の段数は、３段、格子深さは、5.31(um)とする。この回折格子によって発生する回折効率の、ピッチごとの計算結果を表２に示す。
Figure 2006038535
数値実施例１
図２は、回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザ光源が表３に示す物体高位置に配置されている。青色波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置にコリメータレンズ２が配置され、そこから距離d2の位置に回折格子５１が配置されている。そこから距離d31の位置に３波長回折格子１が配置されている。赤色波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置にコリメータレンズ３が配置され、そこから距離d32の位置に３波長回折格子１が配置されている。赤外波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置にコリメータレンズ４が配置され、そこから距離d2の位置に回折格子５２が配置されている。そこから距離d31の位置に３波長回折格子１が配置されている。
ここで、表３は、青色、赤色および赤外波長レーザ光源の物体高位置、表４は、距離のデータ、表５は、コリメータレンズ２、３、４の数値データ、表６は、回折格子５１、５２の数値データ、表７は、３波長回折格子１の数値データを示す。回折格子５１、５２は、基板の、反レーザ光源側に配置される。３波長回折格子１は、基板のレーザ光源側に配置される。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
回折格子５１および回折格子５２は、それぞれ、青色波長レーザおよび赤外波長レーザが赤色波長レーザと同じ位置に到達するように回折させる。つぎに、３波長回折格子１の回折作用によって角度補正を行い、青色、赤色、赤外の波長の光軸をひとつに重ねる。
数値実施例２
図３は、回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザ光源が表８に示す物体高位置に配置されている。青色波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置に回折格子５１が配置され、そこから距離d2の位置に３波長回折格子１が配置されている。そこから距離d3の位置にコリメータレンズ６が配置されている。赤色波長のレーザは、途中の回折格子を経由せずに３波長回折格子１に到達する。赤外波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置に回折格子５２が配置され、そこから距離d2の位置に３波長回折格子１が配置されている。本実施例は、ワンチップ方の３波長レーザを対象としている。
ここで、表８は、青色、赤色および赤外波長レーザ光源の物体高位置、表９は、距離のデータ、表１０は、回折格子５１、５２の数値データ、表１１は、３波長回折格子１の数値データ、表１２は、コリメータレンズ６の数値データ、を示す。回折格子５１、５２は、基板の、反レーザ光源側に配置される。回折格子５１、５２のブレーズの向きは逆になる。３波長回折格子１は、基板のレーザ光源側に配置される。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
回折格子５１および回折格子５２は、それぞれ、青色波長レーザおよび赤外波長レーザが赤色波長レーザと同じ位置に到達するように回折させる。つぎに、３波長回折格子１の回折作用によって角度補正を行い、青色、赤色、赤外の波長の光軸をひとつに重ねる。
数値実施例３
図４は、回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザ光源が表１３に示す物体高位置に配置されている。３波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置に３波長回折格子１１が配置され、そこから距離d2の位置に３波長回折格子１２が配置されている。そこから距離d3の位置にコリメータレンズ６が配置されている。
ここで、表１３は、青色、赤色および赤外波長レーザ光源の物体高位置、表１４は、距離のデータ、表１５は、３波長回折格子１１の数値データ、表１６は、３波長回折格子１２の数値データ、表１７は、コリメータレンズ６の数値データ、を示す。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
３波長回折格子１１は、それぞれ、青色波長レーザおよび赤外波長レーザが赤色波長レーザと同じ位置に到達するように回折させる。つぎに、３波長回折格子１２の回折作用によって角度補正を行い、青色、赤色、赤外の波長の光軸をひとつに重ねる。ここで、赤色波長レーザは、３波長回折格子１１および３波長回折格子１２を、０次回折光として通過する。
数値実施例４
図５は、回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザ光源が表１３に示す物体高位置に配置されている。３波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置に３波長回折格子１１が配置され、そこから距離d2の位置に３波長回折格子１２が配置されている。そこから距離d3の位置にコリメータレンズ６が配置されている。
ここで、表１８は、青色、赤色および赤外波長レーザ光源の物体高位置、表１９は、距離のデータ、表２０は、３波長回折格子１１の数値データ、表２１は、３波長回折格子１２の数値データ、表２２は、コリメータレンズ６の数値データ、を示す。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
３波長回折格子１１は、それぞれ、青色波長レーザおよび赤外波長レーザが赤色波長レーザと同じ位置に到達するように回折させる。つぎに、３波長回折格子１２の回折作用によって角度補正を行い、青色、赤色、赤外の波長の光軸をひとつに重ねる。ここで、赤色波長レーザは、３波長回折格子１１および３波長回折格子１２を、０次回折光として通過する。
数値実施例５
図６は、回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザ光源が表２３に示す物体高位置に配置されている。３波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置に３波長回折格子１が配置され、そこから距離d2の位置にコリメータレンズ６が配置されている。
ここで、表２３は、青色、赤色および赤外波長レーザ光源の物体高位置、表２４は、距離のデータ、表２５は、３波長回折格子１の数値データ、表２６は、コリメータレンズ６の数値データ、を示す。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
青色波長レーザおよび赤外波長レーザが赤色波長レーザと同じ位置に到達するようにレーザ光源の角度またはレーザ出射角の取り込み角度を調整しておく。つぎに、３波長回折格子１の回折作用によって角度補正を行い、青色、赤色、赤外の波長の光軸をひとつに重ねる。ここで、赤色波長レーザは、３波長回折格子１を、０次回折光として通過する。
数値実施例６
図７は、回折格子設計例１の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザが表２７に示す光軸ズレ量を有する。３波長回折格子１から距離d1の位置にフォトディテクタ７が配置されている。
ここで、表２７は、青色、赤色および赤外波長レーザの光軸ズレ量、表２８は、距離のデータ、表２９は、３波長回折格子１の数値データ、を示す。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
３波長回折格子１の回折作用によって角度補正を行い、光軸のずれた３つの波長を1点で集光させる。
３波長回折格子１のピッチは波長785(nm)の光線と波長660(nm)の光線の光軸ズレ量によって決める。青色波長の発光位置には自由度があるので、波長785(nm)と波長660(nm)の光軸合わせのピッチから逆算して青色波長の発光位置を決めればよい。これによって、３波長分の３つのフォトディテクタが不要となり、部品点数を減らすことができる。
回折格子設計例２
405(nm)、660(nm)、785(nm)の３波長について次数をそれぞれ0次、1次、0次にて回折効率値をピークに合わせるように回折格子を設計する。回折格子の階段数をＮ、λ1、 λ2、 λ3のいずれかの波長の整数倍の値をλ０、回折次数をαi、ｍiおよびｐを整数パラメータとした場合に、以下の式を満たすλ1、 λ2、 λ3が、それぞれ、405(nm)、660(nm)、785(nm)に近づくように、階段数Ｎおよび整数パラメータｍiおよびｐを求める。

λ1=[N/(N×m1+α1)]×λ0×p
λ2=[N/(N×m2+α2)]×λ0×p
λ3=[N/(N×m3+α3)]×λ0×p
共通パラメータλ0=796 N=5 p=1 個別パラメータm1=2 m2=1 m3=1 α1=0 α2=1 α3=0とすると

λ1=398(nm)
λ2=663(nm)
λ3=796(nm)

となり、λ1、 λ2、 λ3は、それぞれ、405(nm)、660(nm)、785(nm)に近くなる。差の比率は、それぞれ、１．７％、０．４５％、１．４％である。
これより希望する３波長に対して回折効率値をピークに合わせるには、回折格子の段数は５段で深さ(段差量の和)は、回折格子への入射角が０である場合、ｎを回折格子の屈折率として、

λ0/(n-1)×(N-1)

で計算される。屈折率を３波長の平均として、仮に1.4905とすると、回折格子深さは、6.489(um)になる。
図８は、ピッチ10(um)の場合の、波長に対する、設計例２の回折格子の回折効率を示す。
本実施形態においては、405(nm)から785(nm)と波長の範囲が広いので、上記の回折格子深さの値の周辺で、格子深さを変化させて回折効率の計算を行う。回折効率の計算は、ベクトル計算である。ここでピッチとは、回折格子１パターンの幅である。ピッチによって効率が変化する。基本的にピッチが大きくなれば回折効率のピーク位置での回折効率値は上昇する。ただし、回折効率のピーク位置はほとんど変化しない。本来、ピッチは光学系の配置によって定まるが、ここでは、回折効率のピーク位置を確認するために仮に定めている。
格子深さに対して回折効率を計算した結果を表３０に示す。ピッチは10(um)である。
Figure 2006038535
上記の結果から、回折格子の段数は、５段、格子深さは、6.4 (um)とする。この回折格子によって発生する回折効率の、ピッチごとの計算結果を表３１に示す。
Figure 2006038535
数値実施例７
図９は、回折格子設計例２の３波長回折格子を使用した光学系を示す。青色、赤色および赤外波長レーザ光源が表３２に示す物体高位置に配置されている。３波長のレーザが出射して距離ｄ1の位置に３波長回折格子１が配置され、そこから距離d2の位置にコリメータレンズ６が配置されている。
ここで、表３２は、青色、赤色および赤外波長レーザ光源の物体高位置、表３３は、距離のデータ、表３４は、３波長回折格子１の数値データ、表３５は、コリメータレンズ６の数値データ、を示す。
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
Figure 2006038535
青色波長レーザおよび赤外波長レーザが赤色波長レーザと同じ位置に到達するようにレーザ光源の角度またはレーザ出射角の取り込み角度を調整しておく。つぎに、３波長回折格子１の回折作用によって角度補正を行い、青色、赤色、赤外の波長の光軸をひとつに重ねる。ここで、青色波長レーザおよび赤外波長レーザは、３波長回折格子１を、０次回折光として通過する。
回折格子設計例３
405(nm)、660(nm)、785(nm)の３波長について次数をそれぞれ0次、0次、1次にて回折効率値をピークに合わせるように回折格子を設計する。回折格子の階段数をＮ、λ1、 λ2、 λ3のいずれかの波長の整数倍の値をλ０、回折次数をαi、ｍiおよびｐを整数パラメータとした場合に、以下の式を満たすλ1、 λ2、 λ3が、それぞれ、405(nm)、660(nm)、785(nm)に近づくように、階段数Ｎおよび整数パラメータｍiおよびｐを求める。

λ1=[N/(N×m1+α1)]×λ0×p
λ2=[N/(N×m2+α2)]×λ0×p
λ3=[N/(N×m3+α3)]×λ0×p
共通パラメータλ0=1990 N=2 p=1 個別パラメータm1=5 m2=3 m3=2 α1=0 α2=0 α3=1とすると

λ1=398(nm)
λ2=663(nm)
λ3=796(nm)

となり、λ1、 λ2、 λ3は、それぞれ、405(nm)、660(nm)、785(nm)に近くなる。差の比率は、それぞれ、１．７％、０．４５％、１．４％である。
これより希望する３波長に対して回折効率値をピークに合わせるには、回折格子の段数は２段で深さ(段差量の和)は、回折格子への入射角が０である場合、ｎを回折格子の屈折率として、

λ0/(n-1)×(N-1)

で計算される。屈折率を３波長の平均として、仮に1.4905とすると、回折格子深さは、4.06 (um)になる。
図１０は、ピッチ10(um)の場合の、波長に対する、設計例３の回折格子の回折効率を示す。
本実施形態においては、405(nm)から785(nm)と波長の範囲が広いので、上記の回折格子深さの値の周辺で、格子深さを変化させて回折効率の計算を行う。回折効率の計算は、ベクトル計算である。ここでピッチとは、回折格子１パターンの幅である。ピッチによって効率が変化する。基本的にピッチが大きくなれば回折効率のピーク位置での回折効率値は上昇する。ただし、回折効率のピーク位置はほとんど変化しない。本来、ピッチは光学系の配置によって定まるが、ここでは、回折効率のピーク位置を確認するために仮に定めている。
格子深さに対して回折効率を計算した結果を表３６に示す。ピッチは10(um)である。
Figure 2006038535
上記の結果から、回折格子の段数は、２段、格子深さは、3.99 (um)とする。この回折格子によって発生する回折効率の、ピッチごとの計算結果を表３７に示す。
Figure 2006038535
回折格子設計例４
回折格子設計例４は、回折格子設計例３を変形したものである。２段形状の場合はテーパーを用いることによって１次光と-1次光のバランスを調整できる。
図１２は、回折格子の断面形状を示す。図１２において、２つのテーパー部分の傾きは同一であり、この２つのテーパー部分の高さの和がｔ１になる。テーパーの最適高さｔ1は取り扱う最短の波長w1、最長の波長w2、屈折率ｎから以下の式によって0.41(um)と計算される。

t1=w1/(n-1)/2
(0.405(um)/(1.49-1)/2=0.4132(um))

またテーパーを用いた際のトータル段差量ｔ3はテーパーを用いない場合の段差量をt2として、先に計算されたt2=4.06(um)をもちいると以下の式によって4.26(um)と計算される。
t3=t1/2+t2
(t3=0.41(um)/2+4.06(um)=4.26(um))

図１１は、ピッチ7(um)の場合の、波長に対する、設計例３の回折格子の回折効率を示す。
本実施形態においては、405(nm)から785(nm)と波長の範囲が広いので、上記の回折格子深さの値の周辺で、格子深さを変化させて回折効率の計算を行う。回折効率の計算は、ベクトル計算である。ここでピッチとは、回折格子１パターンの幅である。ピッチによって効率が変化する。基本的にピッチが大きくなれば回折効率のピーク位置での回折効率値は上昇する。ただし、回折効率のピーク位置はほとんど変化しない。本来、ピッチは光学系の配置によって定まるが、ここでは、回折効率のピーク位置を確認するために仮に定めている。
格子深さに対して回折効率を計算した結果を表３８に示す。ピッチは7(um)である。
Figure 2006038535
上記の結果から、回折格子の段数は、２段、格子深さは、4.2(um)とする。この回折格子によって発生する回折効率の、ピッチごとの計算結果を表３９に示す。
Figure 2006038535
回折格子設計例５
473(nm)、532(nm)、635(nm)3波長について次数をそれぞれ1次、0次、-1次にて効率値をピークに合わせるように回折格子を設計する。回折格子の階段数をＮ、λ1、 λ2、 λ3のいずれかの波長の整数倍の値をλ０、回折次数をαi、ｍiおよびｐを整数パラメータとした場合に、以下の式を満たすλ1、 λ2、 λ3が、それぞれ、473(nm)、532(nm)、635(nm)に近づくように、階段数Ｎおよび整数パラメータｍiおよびｐを求める。
λ1=[N/(N×m1+α1)]×λ0×p
λ2=[N/(N×m2+α2)]×λ0×p
λ3=[N/(N×m3+α3)]×λ0×p
共通パラメータλ0=539 N=7 p=1 個別パラメータm1=1 m2=1 m3=1 α1=1 α2=0 α3=-1とすると

λ1=472(nm)
λ2=539(nm)
λ3=629(nm)

となり、λ1、 λ2、 λ3は、それぞれ、473(nm)、532(nm)、635(nm)に近くなる。差の比率はそれぞれ0.3(%) 1.3(%) 1.0(%)である。
これより希望する3波長に対して回折効率値をピークに合わせるには、回折格子の段差は7段で深さ(段差量の和)は、回折格子への入射角が0である場合、nを回折格子の屈折率として、

λ0/(n-1)×(N-1)

で計算される。屈折率を3波長の平均として、仮に1.4937とすると、回折格子深さは6.549となる。
図１３は、ピッチ20(um)の場合の、波長に対する、設計例５の回折格子の回折効率を示す。
本実施形態においては、473(nm)から635(nm)と波長の範囲が広いので、上記の回折格子深さの値の周辺で、格子深さを変化させて回折効率の計算を行う。回折効率の計算は、ベクトル計算である。ここでピッチとは、回折格子１パターンの幅である。ピッチによって効率が変化する。基本的にピッチが大きくなれば回折効率のピーク位置での回折効率値は上昇する。ただし、回折効率のピーク位置はほとんど変化しない。本来、ピッチは光学系の配置によって定まるが、ここでは、回折効率のピーク位置を確認するために仮に定めている。
格子深さに対して回折効率を計算した結果を表４０に示す。ピッチは20(um)である。
Figure 2006038535
上記の結果から、回折格子の段数は、７段、格子深さは、6．55(um)とする。この回折格子によって発生する回折効率の、ピッチごとの計算結果を表４１に示す。
Figure 2006038535
本設計例の応用例を以下に示す。
図１４は、ＤＮＡ・タンパク質などを測定する、従来の３励起波長同時傾向測定用システムの構成を示す（特開2001-268318）。１つのミラー１１３と２つのダイクロックミラー１１５および１１７によって、473(nm)、532(nm)、635(nm)の３波長のレーザ光の光路を重ね合わせている。３波長のレーザ光は、レーザ光源１０１、１０３および１０５から、それぞれ、コリメートレンズ１０７、１０９および１１１を経て１つのミラー１１３と２つのダイクロックミラー１１５および１１７に至る。重ね合わされた光は、ミラー１１９、穴あきミラー１２１、対物レンズ１２３を経て、スライドガラス１２５に至る。反射光は、対物レンズ１２３、穴あきミラー１２１、ミラー１２７、レンズ１２９、ピンホール板１３１のピンホールを経て、光電子倍増管１３３によって測定される。
図１５は、本設計例の回折格子１を使用した、３励起波長同時傾向測定用システムの構成を示す。３波長回折格子１によって、473(nm)、532(nm)、635(nm)の３波長のレーザ光の光路を重ね合わせている。

Claims (18)

  1. 波長の異なる第１、第２および第３の光線を、回折させる回折格子であって、回折格子の形状が、一定周期の階段形状であり、第１の光線の波長は、第２の光線の波長よりも短く、第２の光線の波長は、第３の光線の波長よりも短く、第１、第２および第３の光線の波長は、回折格子の１次回折光、０次回折光および-１次回折光の回折効率のピークを示す波長のいずれか異なるものに対応し、当該一定周期を１０マイクロメータとした場合に、回折格子面に垂直に入射する第１、第２および第３の光線の回折効率が５０％以上である回折格子。
  2. 第１、第２および第３の光線の波長が、それぞれ、１次回折光、０次回折光および-１次回折光の回折効率のピークを示す波長に対応する、請求項１に記載の回折格子。
  3. 第１、第２および第３の光線の波長が、それぞれ、０次回折光の回折効率のピークを示す波長、１次回折光の回折効率のピークを示す波長および０次回折光の回折効率の別のピークを示す波長に対応する、請求項１に記載の回折格子。
  4. 第１、第２および第３の光線の波長が、それぞれ、０次回折光の回折効率のピークを示す波長、０次回折光の回折効率の別のピークを示す波長および１次回折光の回折効率のピークを示す波長に対応する、請求項１に記載の回折格子。
  5. 階段の段板部分を、階段の底面に対して所定の角度で傾斜させた、請求項１に記載の回折格子。
  6. 第１、第２および第３の光線の波長が、青色波長、赤色波長および赤外波長である請求項１から５のいずれか一項に記載の回折格子。
  7. 第１、第２および第３の光線の波長が、青色波長、緑色波長および赤色波長である請求項１から５のいずれか一項に記載の回折格子。
  8. それぞれ波長の異なる３波長の３個の光源と、請求項１から７のいずれかに記載の回折格子とを含む光学系であって、回折格子が、３波長の３個の光源からの光線の光軸ずれを補償するように、３波長の光線を回折させる光学系。
  9. それぞれ波長の異なる第１、第２および第３の光線を回折させる回折格子であって、回折格子の形状が、一定周期の階段形状であり、階段形状の段差量が、０次回折光の回折効率が、第１、第２および第３の光線のいずれかの波長において回折効率のピークに近づくように、前記いずれかの波長に基づいて定められており、
    階段数をＮ、回折次数をαｉ、λ０をλｉのいずれかの整数倍値、ｍおよびｐを整数とした場合に、波長
    λｉ＝［Ｎ／（Ｎ・ｍ＋αｉ）］・λ０・ｐ
    が、第１、第２および第３の光線の波長のそれぞれに対応するように、階段数Ｎが定められた回折格子。
  10. 前記いずれかの波長における回折格子の屈折率をｎ、回折格子の周囲の屈折率をｎ０、回折部に対する入射角をθとして、段差量をλ０・cosθ／（ｎ−ｎ０）の整数倍の値を基準として求める請求項９に記載の回折格子。
  11. 回折部における階段の幅が位相関数および段差量と階段数に基づいて定められる請求項９または１０に記載の回折格子。
  12. 第１、第２および第３の光線を、それぞれ１次回折光、０次回折光および-１次回折光として回折させる請求項９から１１のいずれか一項に記載の回折格子。
  13. 第１、第２および第３の光線を、それぞれ０次回折光、１次回折光および０次回折光として回折させる請求項９から１１のいずれか一項に記載の回折格子。
  14. 第１、第２および第３の光線を、それぞれ０次回折光、０次回折光および１次回折光として回折させる請求項９から１１のいずれか一項に記載の回折格子。
  15. 第１、第２および第３の光線が、青色波長、赤色波長および赤外波長である請求項９から１４のいずれか一項に記載の回折格子。
  16. 第１、第２および第３の光線が、青色波長、緑色波長および赤色波長である請求項９から１４のいずれか一項に記載の回折格子。
  17. 回折部の形状が２段の階段形状であり、山の部分と谷の部分とが等しい傾きを有し、段差量と、一方の部分の傾きの高さとの和が、前記いずれかの波長における回折格子の屈折率をｎ、回折格子の周囲の屈折率をｎ０、回折部に対する入射角をθとしてλ０・cosθ／（ｎ−ｎ０）の整数倍の値を基準として求められる請求項９に記載の回折格子。
  18. それぞれ波長の異なる３波長の３個の光源と、請求項９から１７のいずれかに記載の回折格子とを含む光学系であって、回折格子が、３波長の３個の光源からの光線の光軸ずれを補償するように、３波長の光線を回折させる光学系。
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