KR20040093090A - 회절광학소자 및 그 제조방법, 및 광학장치 - Google Patents

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KR20040093090A
KR20040093090A KR10-2004-7013697A KR20047013697A KR20040093090A KR 20040093090 A KR20040093090 A KR 20040093090A KR 20047013697 A KR20047013697 A KR 20047013697A KR 20040093090 A KR20040093090 A KR 20040093090A
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Abstract

본 발명은, 복수의 광학적 기능을 동시에 실현할 수 있는 동시에, 소형으로 생산성에도 뛰어난 회절광학소자 및 그 제조방법, 및 광학장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그 때문에, 회절광학소자(10)는, 복수의 층(11∼13)으로 이루어지고, 각각의 층이 광학재료로 구성된 복층부재(10a)를 구비한다. 복층부재의 이웃하는 층(11, 12)(12, 13)끼리는, 서로 밀착되고, 또한, 광학재료의 굴절율이 서로 다르다. 복층부재의 내부에는, 이웃하는 층끼리의 밀착한 경계면(10b, 10c)이 포함된다. 이 경계면과 복층부재의 표면을 포함시킨 3개 이상의 면 중, 적어도 2개의 면에는, 각각, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴(14, 15)이 형성되고, 다른 면에 형성된 요철패턴끼리는, 복층부재의 층방향에 관한 형상 또는 치수가 서로 다르다.

Description

회절광학소자 및 그 제조방법, 및 광학장치{DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT AND METHOD MANUFACTURING THE SAME, AND OPTICAL DEVICE}
회절광학소자는, 빛의 회절현상을 이용하여, 렌즈기능(집광이나 발산), 분기 /합파기능, 광강도분포변환기능, 파장필터기능, 분광기능 등, 여러가지 광학적 기능을 발휘하는 광학소자로서 알려져 있다. 덧붙여서 말하면, 분광기능을 가지는 회절광학소자는 글레이팅, 렌즈기능을 가지는 회절광학소자는 존플레이트라고도 불리고 있다.
또한, 위상형의 회절광학소자는, 광학재료(예를 들면 광학유리)의 표면에 회절격자형상의 요철패턴을 형성한 것으로, 요철패턴의 형상에 의해서, 그 광학적 기능이 정해져 있다. 예를 들면, 바이어스격자 등의 글레이팅의 경우(도 9), 요철패턴은 등간격의 직선형상이다. 존플레이트의 경우(도 10), 요철패턴은 동심원형상이다.
회절광학소자를 사용하여 복수의 광학적 기능을 동시에 실현하기 위해서는, 통상, 서로 다른 단일 기능의 회절광학소자를 복수 준비하여, 이들 복수의 회절광학소자를 직렬로 배치하는 방법이 채용된다. 이 방법에 의하면, 비교적 용이하게, 회절광학소자에 의한 복수의 광학적 기능을 동시에 실현시킬 수 있다.
그러나, 단일의 기능을 가지는 회절광학소자를 직렬로 복수배치하는 방법에서는, 이들 복수의 회절광학소자로 이루어지는 광학계의 조립시에, 각각의 회절광학소자의 위치맞춤을 정확히 하지 않으면 안되어, 생산성이 높다고는 할 수 없다. 또한, 실현하고 싶은 기능의 수가 증가하면, 필요한 회절광학소자의 수도 증가하기 때문에, 그 만큼 고(高)정밀도로 제조하는 것이 곤란하게 되고, 광학계를 작게 하는 것도 어려워진다.
그래서, 동시에 실현하고 싶은 복수의 광학적 기능의 각각에 요철패턴을 합성하여, 광학재료의 1개의 표면에 형성하는 방법이 제안되었다. 이 방법은, 소형으로 다기능인 회절광학소자를 실현하고자 하는 것이지만, 합성한 후의 요철패턴은 대단히 복잡한 형상이 되기 때문에, 1개의 표면에 정밀도 좋게 가공하는 것은 어렵다.
예를 들면, 렌즈기능과 분광기능을 동시에 실현하고자 한 경우, 1개의 표면에 형성해야만 하는 요철패턴은, 도 9에 나타내는 등간격의 선형상 패턴과 도 10에 나타내는 동심원형상 패턴을 합성한 형상이 된다. 합성은 각각의 패턴에 의한 위상변조의 합을 취하는 것에 의해 행하여지고, 합성한 후의 요철패턴의 형상은, 도 11에 나타내는 바와 같이, 대단히 복잡하고 대칭성도 낮다.
본 발명은, 빛의 회절현상을 이용하여 여러가지 광학적 기능을 발휘하는 위상형(位相型) 회절광학소자 및 그 제조방법, 및 광학장치에 관한 것이다.
도 1은, 제 1 실시형태의 회절광학소자(10)의 전체구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는, 회절광학소자(10)의 광학적 기능을 설명하는 광로도이다.
도 3은, 회절광학소자(10)의 층(12)과 요철패턴(15)의 형성을 설명하는 도면이다.
도 4는, 제 2 실시형태의 회절광학소자(20)의 전체구성을 나타내는 개략도이다.
도 5는, (n+1)층 구조의 회절광학소자의 개략도이다.
도 6은, (n-1)층 구조의 회절광학소자의 개략도이다.
도 7은, 제 3 실시형태의 회절광학소자(10)를 제조하는 순서를 설명하는 도면이다.
도 8은, 변형예의 회절광학소자(40)의 개략도이다.
도 9는, 분광기능을 발휘하는 글레이팅의 요철패턴에 대해서, 연속한 격자높이의 변화를 계급별로 나눠 나타낸 도면이다.
도 10은, 렌즈기능을 발휘하는 존플레이트의 요철패턴에 대해서, 연속한 격자높이의 변화를 계급별로 나눠 나타낸 도면이다.
도 11은, 종래의 다기능인 회절광학소자에 있어서 합성후의 요철패턴에 대해서, 연속한 격자높이의 변화를 계급별로 나눠 나타낸 도면이다.
본 발명의 목적은, 복수의 광학적 기능을 동시에 실현할 수 있는 동시에, 소형으로 생산성에도 뛰어난 회절광학소자 및 그 제조방법, 및 광학장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 회절광학소자는, 복수의 층으로 이루어지고, 각각의 층이 광학재료로 구성된 복층부재를 구비하고, 상기 복층부재가 이웃하는 층끼리는, 서로 밀착되고, 또한, 광학재료의 굴절율이 서로 다르고, 상기 복층부재의 내부에는, 상기 이웃하는 층끼리의 밀착한 경계면이 1개 이상 포함되고, 상기 1개 이상의 경계면과 상기 복층부재의 표면을 포함시킨 3개 이상의 면 중, 적어도 2개의 면에는, 각각, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴이 형성되고, 다른 면에 형성된 상기 요철패턴끼리는, 상기 복층부재의 층방향에 관한 형상 또는 치수가 서로 다른 것이다.
이 회절광학소자에서는, 입사한 빛이 요철패턴의 형성면(적어도 2개)을 순차로 투과하면서 복수회의 회절작용을 받기 때문에, 1개의 소자로 복수의 광학적 기능을 동시에 실현할 수가 있다. 또한, 이 회절광학소자는, 소형으로 생산성에도 우수하다.
본 발명의 다른 회절광학소자는, 3개 이상의 층으로 이루어지고, 각각의 층이 광학재료로 구성된 복층부재를 구비하고, 상기 복층부재가 이웃하는 층끼리는, 서로 밀착되고, 또한, 광학재료의 굴절율이 서로 다르고, 상기 복층부재의 내부에는 상기 이웃하는 층끼리의 밀착한 경계면이 2개 이상 포함되고, 상기 2개 이상의 경계면 중 적어도 2개에는, 각각, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴이 형성되고, 다른 면에 형성된 상기 요철패턴끼리는, 상기 복층부재의 층방향에 관한 형상 또는 치수가 서로 다른 것이다.
이 회절광학소자에서는, 입사한 빛이 요철패턴의 형성면(적어도 2개)을 순차로 투과하면서 복수회의 회절작용을 받기 때문에, 1개의 소자로 복수의 광학적 기능을 동시에 실현할 수가 있다. 또한, 요철패턴이 복층부재의 내부에 형성되기 때문에, 확실히 요철패턴을 보호할 수가 있다. 또한, 이 회절광학소자는, 소형으로 생산성에도 우수하다.
바람직하게는, 본 발명의 회절광학소자는, 상기 복층부재가, 수지제의 광학재료로 구성된 수지층을 2개 이상 포함하고, 상기 2개 이상의 수지층 중 적어도 2개가, 이웃하는 위치로 서로 밀착되고, 상기 요철패턴 중 적어도 1개가, 상기 이웃하는 위치로 밀착된 수지층끼리의 경계면에 형성된 것이다.
본 발명의 회절광학소자의 제조방법은, 이웃하는 2개의 층의 각각에, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴이 형성되고, 상기 요철패턴끼리의 형상 또는 치수가 층방향에 관해서 서로 다른 회절광학소자의 제조방법으로서, 소정의 광학재료로 구성된 층의 표면에, 제 1 요철패턴을 형성하는 제 1 공정과, 상기 제 1 요철패턴의 위에, 상기 광학재료와는 굴절율이 다른 수지제의 광학재료로 구성된 수지층을 형성하고, 상기 수지층의 표면에, 제 2 요철패턴을 형성하는 제 2 공정을 구비하고, 상기 제 2 공정은, 상기 제 1 요철패턴의 위에 상기 수지제의 광학재료의 미경화물(未硬化物)을 도포하는 제 1 보조공정과, 상기 미경화물에 대하여 상기 제 2 요철패턴의 반전형상의 형을 밀착시키는 제 2 보조공정과, 상기 형을 밀착시킨 상태로 상기 미경화물을 경화시키는 제 3 보조공정을 포함하는 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 회절광학소자의 제조방법은, 상기 제 3 보조공정에서, 광조사(光照射)에 의해서 상기 미경화물을 경화시키는 것이다.
본 발명의 광학장치는, 상기의 회절광학소자를 구비하고, 상기 회절광학소자가, 상기 광학장치의 미리 정한 광로중에 설치되고, 또한, 상기 광로에 대하여 상기 패턴의 형성면이 교차하는 방향으로 설치되는 것이다.
바람직하게는, 본 발명의 광학장치는, 레이저광을 사용하는 장치이고, 상기 회절광학소자가, 각각의 층이 상기 레이저광의 파장 영역에서 투명한 광학재료로 구성되고, 또한, 상기 레이저광의 광로에 대하여 상기 형성면이 교차하는 방향으로 설치되는 것이다.
또한 바람직하게는, 본 발명의 광학장치는, 상기 광학장치에서 사용되는 상기 레이저광의 파장영역을, 1.4㎛∼1.7㎛의 적외파장영역으로 한 것이다.
이하, 도면을 사용하여 본 발명의 실시형태를 상세히 설명한다.
(제 1 실시형태)
제 1 실시형태의 회절광학소자(10)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 1개의 복층부재(10a)에 의해서 구성되어 있다. 또한, 이 복층부재(10a)는, 3개의 층(11, 12, 13)으로 이루어지고, 층(11)은 저굴절율의 광학재료, 층(12)은 고굴절율의 광학재료, 층(13)은 저굴절율의 광학재료로 구성되어 있다. 요컨대, 복층부재(10a)가 이웃하는 층(11, 12)끼리는 서로 굴절율이 다르고, 이웃하는 층(12, 13)끼리도 서로 굴절율이 다르다.
또한, 3개의 층(11∼13)을 구성하는 광학재료는, 어느 쪽도, 회절광학소자(10)의 사용파장영역(예를 들면 1.4㎛∼1.7㎛의 적외파장영역)에서 투명한 광학재료이다. 구체적으로는, 3개의 층(11∼13)중, 층(11)의 재료는 광학유리, 층(12, 13)의 재료는 광학수지이다. 요컨대, 층(11)은 유리층이고, 층(12, 13)은 수지층이다.
여기서, 층(11)의 재료인 광학유리로서는, 주성분이 SiO2-PbO-R2O, SiO2-PbO-BaO-R2O, SiO2-B2O3-PbO-BaO, (SiO2)-B2O3-La2O3-PbO-Al2O3, (SiO2)-B2O3-La2O3-PbO-RO, (SiO2)-B2O3-La2O3-ZnO-TiO2-ZrO2, B2O3-La2O3-Gd2O3-Y2O3-Ta2O5, SiO2-TiO2-KF, SiO2-B2O3-R2O-Sb2O3, B2O3-(Al2O3)-PbO-RO 등인 소위 프린트유리나, 주성분이 SiO2-RO-R2O, SiO2-BaO-R2O, SiO2-B2O3-BaO, (SiO2)-B2O3-La2O3-RO-ZrO2, (SiO2)-B2O3-La2O3-ZnO-Nb2O5, B2O3-La2O3-Gd2O3-Y2O3, SiO2-B2O3-R2O-BaO, P2O5-(Al2O3-B2O3)-R2O-BaO, SiO2-B2O3-K2O-KF, SiO2-R2O-ZnO 등인 크라운유리, 석영유리, 형석 등, 여러가지 유리재료를 사용할 수 있다.
층(12, 13)의 재료인 광학수지로서는, 폴리카보네이트, 폴리스티렌, 폴리메타크릴산메틸, 폴리메타크릴산트리플루오로에틸, 폴리메타크릴산이소부틸, 폴리아크릴산메틸, 디에틸렌글리콜비스아릴카보네이트, 폴리메타크릴산메틸, 폴리α-브롬아크릴산메틸, 폴리메타크릴산-2,3-디브롬프로필, 프탈산아릴, 폴리메타크릴산페닐, 폴리벤조산비닐, 폴리메타크릴산펜타크롤페닐, 폴리크롤스티렌, 폴리비닐나프탈렌, 폴리비닐카르바졸, 실리콘폴리머 이외, 아크릴계 수지, 우레탄계 수지, 에폭시계 수지, 엔-티올계 수지, 티오우레탄계 수지 등으로 분류되는 여러가지 수지재료나, 포토폴리머를 사용할 수 있다.
또한, 회절광학소자(10)에 있어서, 복층부재(10a)가 이웃하는 층(11, 12)끼리는 서로 밀착되고, 이웃하는 층(12, 13)끼리도 서로 밀착되어 있다. 이 때문에, 복층부재(10a)의 내부에는, 2개의 경계면인 경계면(10b)과 경계면(10c)이 포함되는 것으로 된다.
그리고, 복층부재(10a)내의 2개의 경계면(10b, 10c)에는, 각각, 회절격자형상의 요철패턴(14, 15)이 형성되어 있다. 이들의 요철패턴(14, 15)끼리는, 복층부재(10a)의 층방향에 관한 형상 및 치수가 서로 다르다. 또, 층방향이란, 적층방향에 수직인 2방향이다. 회절격자형상의 요철패턴이란, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴인 것이다.
요철패턴(14, 15)에 대해서 구체적으로 설명하면, 경계면(10b)의 요철패턴 (14)은, 도 9의 등간격의 선형상 패턴이고, 분광기능을 실현한다. 또한, 경계면 (10c)의 요철패턴(15)은, 도 10의 동심원형상 패턴이고, 렌즈기능을 실현한다.
요컨대, 제 1 실시형태의 회절광학소자(10)에서는, 1개의 소자로, 렌즈기능과 분광기능을 동시에 실현할 수가 있다. 이 때문에, 회절광학소자(10)를 투과하는 빛은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 요철패턴(15)의 렌즈기능에 의해서 집광되고, 요철패턴(14)의 분광기능에 의해서 0차 회절광, 1차 회절광, 2차 회절광‥‥으로 나누어진다. 0차광은 광축에 따라 직진하는 빛이다. 1차광, 2차광‥‥은 광축에 대하여 θ1, θ2‥‥의 방향으로 진행하는 빛이다. 또, 도 2에서는, 0차 회절광, 1차 회절광, 2차 회절광만을 나타내고 있다.
양호한 광학성능을 실현하기 위해서, 각각의 격자면간격 D1은, 짧을수록 좋고, 1mm 이하, 나아가서는 500㎛ 이하인 것이 바람직하다. 격자면간격 D1이 이것보다 크면, 의도하지 않은 방향으로 빛이 구부려지기 때문에, 플레어가 증대한다. 광학성능상, 격자면간격 D1은, 짧을수록 좋지만, 제조의 용이함을 고려하면, 5㎛ 이상, 나아가서는 10㎛ 정도 떨어져 있는 쪽이 바람직하다. 또, 격자면간격 D1은 어떤 격자(요철패턴(14))의 정상과 그 위에 적층한 격자(요철패턴(15))의 계곡부와의 간격에 해당한다.
또한, 요철패턴(14)의 격자높이 H1은, 이웃하는 층(11, 12)끼리의 굴절률차에 따라서 결정되고, 요철패턴(15)의 격자높이 H2는, 이웃하는 층(12, 13)끼리의 굴절률차에 따라서 결정된다. 격자높이 H1, H2는, 요철패턴(14, 15)의 오목부와 볼록부와의 고저차에 해당한다.
일반적으로, 같은 광학적 기능을 갖는 회절격자형상의 요철패턴을 생각하는 경우, 이웃하는 층끼리의 굴절률차와 요철패턴의 격자높이는 반비례의 관계에 있다. 요컨대, 굴절률차를 크게 하면 격자높이를 낮게 할 수가 있고, 굴절률차가 작아지면 격자높이를 높게 해야 한다.
그리고, 요철패턴(14, 15)의 가공정밀도를 고려하면, 요철패턴(14, 15)의 격자높이 H1, H2는, 낮은 쪽이 바람직하다. 또한, 광축에 대하여 기울어 입사하는 광선에 의한 상(像)에의 악영향을 저감하는 점에서도, 낮게하는 것이 바람직하다. 격자높이 H1, H2를 실용적인 범위로 하기(요철패턴(14, 15)을 정밀도 좋게 가공하기) 위해서는, 이웃하는 층(11, 12)(12, 13)끼리의 굴절률차가, 0.01 이상인 것이 바람직하다.
또한, 제 1 실시형태의 회절광학소자(10)를 제조하는 순서는, 개략, 다음과 같이 되어 있다. <<11>> 층(11) 표면에 요철패턴(14)을 형성한다. <<12>> 요철패턴(14)위에 층(12)을 형성하고, 층(12)의 표면에 요철패턴(15)을 형성한다. <<13>> 요철패턴(15) 위에 층(13)을 형성한다.
상기의 순서 <<11>>에 있어서 요철패턴(14)의 형성은, 유리층(층(11))에 대한 가공이다. 그 가공방법으로서는, 예를 들면, 다음 3개의 방법 (A)∼(C)중 어느 하나를 사용할 수가 있다.
(A) 절삭가공이나 연삭가공 등의 기계가공, 혹은 CVD(Chemical Vaporization Machining)에 의해 유리층을 직접 가공하여, 표면에 요철패턴(14)을 형성한다. (B) 포토리소그래피에 의해 미세가공한 레지스트층을 유리층의 위에 형성하고, 그 후, 이온에칭함에 의해 레지스트층의 패턴형상을 유리층에 전사하여, 표면에 요철패턴(14)을 형성한다.
(C) 금형 등의 몰드를 사용하여 유리층에 패턴형상을 전사하여, 표면에 요철패턴(14)을 형성한다(유리몰드법). 이 방법에서는, 유리층의 광학재료로서, 굴복점이 500℃ 이하인 저융점유리를 사용하면, 성형시의 온도를 내릴 수 있고, 금형의 내열성에 관한 제한을 완화할 수 있다. 이 때문에, 금형의 재료로서, 절삭이나 감삭으로 용이하게 가공할 수 있는 금속재료를 사용할 수 있다.
이들 3개의 방법 (A)∼(C)중 어느 하나를 사용한다고 하더라도, 요철패턴 (14)은, 도 9에 나타내는 바와 같이, 단순한 등간격의 선형상 패턴이기 때문에, 유리층(층(11))의 표면에 대하여, 용이하고 또한 고정밀도로 가공할 수가 있다.
상기의 순서 <<12>>에 있어서의 요철패턴(15)의 형성은, 수지층(층(12))에 대한 가공이다. 그 가공방법으로서는, 예를 들면, 다음 3개의 방법 (D)∼(F) 중 어느 하나를 사용할 수가 있다.
(D) 사출성형법에 의해, 표면에 요철패턴(15)을 전사한다. (E) 열경화성 혹은 광경화성 수지와 금형 등의 몰드를 사용하여 수지층에 패턴형상을 전사하여, 표면에 요철패턴(15)을 형성한다. (F) 수지층이 포토폴리머인 경우에는, 간섭광을 조사하여 홀로그램을 제작함에 의해, 표면에 요철패턴(15)을 형성한다.
여기서, 방법 (E)에 대해서, 도 3(a)∼(c)를 사용하여 자세히 설명한다. 우선, 유리층(층(11))의 요철패턴(14)의 위에 수지재료의 미경화물(未硬化物)(12a)을 도포한다(a). 다음에, 이것으로부터 형성하는 요철패턴(15)의 반전형상(이하 '반전패턴(15a)'이라고 한다)의 형(16)을 미경화물(12a)에 대하여 밀착시켜(b), 형 (16)과 층(11)의 사이에 미경화물(12a)을 충전시킨다.
이 때, 층(11)의 요철패턴(14)과 형(16)의 반전패턴(15a)의 미세한 오목부에 따라 미경화물(12a)이 들어가도록, 눌러펼치다는 것이 바람직하다. 그리고, 눌러펼친 후의 상태에서, 층(11)의 측에서 빛(예를 들면 자외선)을 조사하거나, 혹은 가열함에 의해, 미경화물(12a)을 경화시킨다. 마지막으로, 이형(離型)한다(c). 그 결과, 요철패턴(14) 위에 수지층(층(12))이 형성되고, 이 층(12)의 표면에 요철패턴(15)이 형성된다.
이들 3개의 방법 (D)∼(F)중 어느 하나를 사용한다고 하더라도, 요철패턴 (15)은, 도 10에 나타내는 바와 같이 단순한 동심원형상 패턴이기 때문에, 수지층(층(12))의 표면에 대하여, 용이하고 또한 고정밀도로 가공할 수가 있다.
한편, 상기의 순서 <<13>>에 있어서 층(13)의 형성은, 도 3에 나타내는 방법 (E)에 있어서, 반전패턴(15a)을 가지는 형(16) 대신에, 요철패턴을 가지지 않은 평판형상의 형을 사용함으로써, 마찬가지로 할 수 있다.
그 결과, 복층부재(10a)의 내부에 2개의 단순한 요철패턴(14, 15)이 순차로 형성된 회절광학소자(10)를 용이하게 얻을 수 있다. 이 회절광학소자(10)는, 상술한 바와 같이, 1개의 소자로 렌즈기능과 분광기능을 동시에 실현할 수 있는 것이고, 또한, 대단히 소형이다. 즉, 제 1 실시형태에 의하면, 렌즈기능과 분광기능을 동시에 실현할 수 있는 동시에, 소형이고 생산성에도 뛰어난 회절광학소자(10)를 용이하게 얻을 수 있다.
(제 2 실시형태)
제 2 실시형태의 회절광학소자(20)는, 도 4(a), (b)에 나타내는 바와 같이, 1개의 복층부재(20a)에 의해서 구성되어 있다. 또한, 이 복층부재(20a)는, 4개의 층(21, 22, 23, 24)으로 이루어지고, 이웃하는 층(21, 22)(22, 23)(23, 24)끼리의굴절률이 서로 다르도록, 층(21∼24)의 광학재료가 결정되어 있다. 층(21∼24)의 광학재료는, 어느 쪽이나, 회절광학소자(20)의 사용파장영역에서 투명한 광학수지이다. 또, 광학수지의 구체예는, 상술한 층(12, 13)과 마찬가지다.
또한, 회절광학소자(20)에 있어서, 복층부재(20a)가 이웃하는 층(21, 22) (22, 23)(23, 24)끼리는, 서로 밀착되어 있다. 이 때문에, 복층부재(20a)의 내부에는, 경계면(20b, 20c, 20d)이 포함되는 것으로 된다.
그리고, 복층부재(20a) 내의 3개의 경계면(20b, 20c, 20d)에는, 각각, 회절격자형상의 요철패턴(25, 26, 27)이 형성되어 있다. 이들 요철패턴(25, 26, 27)끼리는, 복층부재(20a)의 층방향에 관한 형상 및 치수가 서로 다르다.
요철패턴(25, 26, 27)에 대해서 구체적으로 설명하면, 경계면(20b, 20d)의 요철패턴(25, 27)은, 모두, 도 9의 등간격의 선형상 패턴이고, 분광기능을 실현한다. 단지, 요철패턴(25, 27)의 방위는, 적층방향을 중심으로하여 90°회전하고 있다. 또한, 경계면(20c)의 요철패턴(26)은, 도 10의 동심원형상 패턴이고, 렌즈기능을 실현한다.
요컨대, 제 2 실시형태의 회절광학소자(20)에서는, 1개의 소자로, 렌즈기능과 2종류의 분광기능을 동시에 실현가능하다. 이 때문에, 회절광학소자(20)를 투과하는 빛은, 요철패턴(26)의 렌즈기능에 의해서 집광되고, 요철패턴(25, 27)의 분광기능에 의해서 2종류의 0차 회절광, 1차 회절광, 2차 회절광‥‥으로 나뉘어진다.
또한, 이 회절광학소자(20)를 제조하는 순서는, 개략, 다음과 같이 되어 있다. <<21>> 층(21)의 표면에 요철패턴(25)을 형성한다. <<22>> 요철패턴(25) 위에 층(22)을 형성하고, 층(22)의 표면에 요철패턴(26)을 형성한다. <<23>> 요철패턴(26)상에 층(23)을 형성하고, 층(23)의 표면에 요철패턴(27)을 형성한다. <<24>> 요철패턴(27)위에 층(24)을 형성한다.
상기한 바와 같이, 회절광학소자(20)의 층(21∼24)은 어느 쪽이나 광학수지로 구성되기 때문에, 순서 <<21>>∼<<23>>의 각각은, 상술한 회절광학소자(10)를 제조하는 순서 <<12>>의 반복이고, 순서 <<24>>는 상술의 순서 <<13>>과 동일하다.
그 결과, 복층부재(20a)의 내부에 3개의 단순한 요철패턴(25∼27)이 순차로 형성된 회절광학소자(20)를 용이하게 얻을 수 있다. 이 회절광학소자(20)는 상술한 바와 같이, 1개의 소자로 렌즈기능과 2종류의 분광기능을 동시에 실현할 수 있는 것이고, 또한, 대단히 소형이다. 즉, 제 2 실시형태에 의하면, 렌즈기능과 2종류의 분광기능을 동시에 실현할 수 있는 동시에, 소형으로 생산성에도 뛰어난 회절광학소자(20)를 용이하게 얻을 수 있다.
또, 상기한 제 1 실시형태와 제 2 실시형태에서는, 3층구조와 4층구조의 회절광학소자(10, 20)를 예로 설명하였지만, 5층 이상의 복층구조를 가지는 회절광학소자에도 본 발명을 적용할 수 있다. 다만, 복층구조의 층수에 관계없이, 각 층의 광학재료는, 이웃하는 층끼리의 굴절률이 서로 다르도록 결정해야만 한다. 이웃하는 층끼리를 서로 밀착시키는 것도 필요하다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 회절광학소자가 (n+1)층 구조인 경우, 복층부재의 내부에는, 이웃하는 층끼리의 밀착한 경계면이 n개 포함되기 때문에, n종류의다른 요철패턴을 형성할 수가 있다. 즉, 1개의 회절광학소자로, n종류의 광학적 기능을 동시에 실현할 수 있다.
또한, 회절광학소자에 의해서 실현 가능한 광학적 기능은, 렌즈기능과 분광기능과의 조합에 한정되지 않는다. 이웃하는 층끼리의 경계면에 형성되는 요철패턴의 층방향의 형상 또는 치수를 바꾸는 것에 의해, 분기/합파기능, 광강도분포변환기능, 파장필터기능, 분광기능 등, 여러가지 광학적 기능을 실현시키는 것이 가능하다. 덧붙여 말하면, 원하는 기능을 실현하기 위해서 복잡한 형상의 요철패턴을 형상하지 않고, 어느 하나의 면에서도 단순하고 제조시에 형성하기 쉬운 요철패턴을 형성함으로써, 원하는 기능을 얻을 수 있다.
또한, 회절광학소자의 복층구조의 층수(요컨대 요철패턴의 수)에 관계없이, 복층부재의 내부에 형성해야 할 n개의 요철패턴의 형상은 어느 것이나 단순하게 대칭되기 때문에, 이들의 요철패턴을 상술한 방법 (A)∼(F)의 어느 하나에 의해서 순차로 형성함에 의해, 다기능이고 소형인 회절광학소자를 용이하게 얻을 수 있다.
또한, 상기의 것과 같은 회절광학소자를 구성하기 위해서는, 회절광학소자의 복층구조의 층수(요컨대 요철패턴의 수)에 관계없이, 굴절률이 다른 적어도 2종류의 광학재료가 필요하게 된다. 2종류의 광학재료를 사용하는 경우, 한쪽의 광학재료와 다른쪽의 광학재료를 교대로 밀착적층시킴으로써, 이웃하는 층끼리의 굴절률을 서로 다르게 할 수 있다.
또한, 상기한 실시형태에서는, 회절광학소자의 내부의 이웃하는 층끼리의 경계면에 회절격자형상의 요철패턴을 형성하였지만, 같은 요철패턴을 회절광학소자의표면에 형성할 수도 있다. 회절광학소자의 표면은, 양 끝단의 층과 주위의 분위기(예를 들면 공기)와의 경계면으로, 통상, 굴절률이 서로 다르다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 회절광학소자가 (n-1)층 구조인 경우, 내부의 이웃하는 층끼리의 경계면은 (n-2)개 있고, 표면은 2개 있기 때문에, 경계면 및 표면에 n종류의 다른 요철패턴을 형성할 수 있다. 즉, 1개의 회절광학소자로, n종류의 광학적 기능을 동시에 실현할 수가 있다. 다만, 요철패턴의 보호를 생각하면, 요철광학소자의 내부의 경계면에 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 회절광학소자는, 상술한 바와 같이 각각이 다기능이고 소형이기 때문에, 여러가지 광학장치에 대하여 용이하게 설치할 수가 있다. 광학장치에 설치할 때, 회절광학소자는, 광학장치의 미리 정한 광로(光路)중에 설치되고, 또한, 이 광로에 대하여 요철패턴의 형성면이 교차하는 방향으로 설치된다.
특히 레이저광을 사용하는 광학장치에 조립해 넣는 경우, 회절광학소자는, 레이저광의 광로에 대하여 요철패턴의 형성면이 교차하는 방향으로 설치된다. 또한, 회절광학소자의 각각의 층은, 레이저광의 파장영역에서 투명한 광학재료로 구성하는 것이 바람직하다.
또한, 광통신분야의 광학장치(중계기나 분파기 등)에서는, 광학소자의 다기능화나 소형화나 박형화가 강하게 요구되고 있기 때문에, 이러한 광학장치에 대하여 본 발명의 회절광학소자를 조립해 넣은 것은 특히 유용하다. 이 광통신분야의 광학장치에서는, 적외파장영역(1.4㎛∼1.7㎛)의 레이저광이 사용된다.
예를 들면, 도 1, 도 2에 나타내는 회절광학소자(10)를 광통신에 사용되는광학장치에 조립해 넣은 경우, 회절광학소자(10)를 투과한 빛 중, 0차광을 후단의 광학계에 스팟으로서 입사할 수 있는 동시에, 예컨대 1차광(θ1방향의 빛)을 모니터용으로서 집어낼 수 있다. 1차광은, 회절광학소자(10)의 분광기능에 의해서, 파장마다 다른 스팟을 형성하기 때문이다.
(제 3 실시형태)
본 발명의 제 3 실시형태는, 상술한 제 1 실시형태의 회절광학소자(10)(도 1)를 보다 구체적으로 나타내는 것이다. 여기서는, 회절광학소자(10)의 복층부재 (10a)의 구체적인 조성을 1개 들어, 그 구성 및 제조순서를 설명한다.
제 3 실시형태에서는, 층(11)의 광학재료로서, 스미다 광학유리제의 저융점 유리 P-SK60(nd=1.591, At(굴복점(屈伏点))=404℃)을 사용하고, 층(12)의 광학재료로서, 우레탄아크릴레이트계의 자외선 경화수지(nd=1.554)를 사용하고, 층(13)의 광학재료로서, 불소함유 메타크릴레이트계의 자외선 경화수지(nd=1.505)를 사용하여, 이들을 순차로 적층한다.
또한, 복층부재(10a)의 이웃하는 층(11, 12)끼리의 경계면(10b)에 형성된 요철패턴(14)은, 격자높이 H1이 15.88㎛, 피치가 17㎛(등간격)이다. 이웃하는 층(12, 13)끼리의 경계면(10c)에 형성된 요철패턴(15)은, 격자높이 H2가 11.99㎛, 피치가 187.8㎛(중심부)∼5.0㎛(가장 바깥둘레부)이다. 요철패턴(14, 15)의 면간격 D1은 30㎛이다.
이 제 3 실시형태의 회절광학소자(10)를 제조하는 순서는, 개략, 상술의 제1 실시형태에서 설명한 순서 <<11>>∼<<13>>과 마찬가지이다. 또한, 순서 <<11>>에서는 상기 방법(C)의 유리몰드법을 사용하고(도 7(a)), 순서 <<12>>에서는 상기 방법(E)을 사용하고(도 7(b)), 순서 <<13>>에서도 방법(E)을 사용한다(도 7(c)). 방법(E)의 상세한 것은 도 3(a)∼(c)와 같다.
우선, 제 3 실시형태의 회절광학소자(10)를 제조하는 순서 <<11>>에 대해서 설명한다. 이 순서 <<11>>에서는, 도 7(a)에 나타내는 바와 같이, 2개의 금형 (31, 32)을 사용한다. 여기서, 한쪽의 금형(31)에는, 요철패턴(14)의 반전형상(이하 '반전패턴(14a)'이라고 한다)이 형성되고, 다른쪽의 금형(32)은, 요철패턴을 가지지 않는 평판형상이다.
금형(31)의 제작은, 다음과 같이 행하여진다. 금형재료로서 스타박스 (stavax)재(31a)를 사용하여, 우선, 그 위에 무전해도금법으로 약 150㎛의 두께의 Ni-P 도금층(31b)을 형성한다. 다음에, 이 Ni-P 도금층(31b)을 절삭에 의해 가공하여, 반전패턴(14a)을 형성한다.
그리고, 2개의 금형(31, 32)을 사용한 순서 <<11>>에서는, 층(11)의 광학재료(저융점 유리 P-SK60)를, 질소분위기중에서 가열하면서(최고 420℃), 2개의 금형 (31, 32)에 의해 끼워서 가압한다. 이에 따라, 금형(31)의 반전패턴(14a)의 요철형상이, 층(11)의 광학재료의 표면에 전사된다(유리몰드법). 그 후, 이형함에 의해, 층(11)의 표면에는, 요철패턴(14)이 형성된다(도 7(a)의 상태).
다음에, 제 3 실시형태의 회절광학소자(10)를 제조하는 순서 <<12>>에 대해서 설명한다. 이 순서 <<12>>에서는, 도 7(b)에 나타내는 바와 같이, 1개의 금형(33)을 사용한다. 이 금형(33)에는, 요철패턴(15)의 반전형상에 해당하는 반전패턴(15a)이 형성되어 있다.
금형(33)의 제작은, 상기한 금형(31)의 제작과 같이 행하여진다. 우선, 금형재료인 스타박스재(33a)의 위에 Ni-P 도금층(33b)(두께는 약 150㎛)을 형성하고, 다음에, Ni-P 도금층(33b)을 절삭에 의해 가공하여, 반전패턴(15a)을 형성한다.
그리고, 금형(33)을 사용한 순서 <<12>>에서는, 상기의 순서 <<11>>에서 형성된 요철패턴(14)의 위에, 층(12)의 광학재료(우레탄아크릴레이트계의 자외선 경화수지)의 미경화물을 적하하고, 이것에 대하여 금형(33)을 근접시켜, 금형(33)과 층(11)의 사이에 미경화수지를 충전시킨다. 다음에, 층(11)의 이면(裏面)측으로부터 자외선을 조사하여, 층(12)의 광학재료를 경화시킨다. 이에 따라, 금형(33)의 반전패턴(15a)의 요철형상이, 층(12)의 표면에 전사된다. 그 후, 이형하는 것에 의해, 층(12)의 표면에는, 요철패턴(15)이 형성된다(도 7(b)의 상태).
마지막으로, 제 3 실시형태의 회절광학소자(10)를 제조하는 순서 <<13>>에 대해서 설명한다. 이 순서 <<13>>에서는, 도 7(c)에 나타내는 바와 같이, 1개의 금형(34)을 사용한다. 이 금형(34)은, 요철패턴을 가지지 않는 평판형상이다.
그리고, 금형(34)을 사용한 순서 <<13>>에서는, 상기의 순서 <<12>>에서 형성된 요철패턴(15)의 위에, 층(13)의 광학재료(불소함유 메타크릴레이트계의 자외선 경화수지)의 미경화물을 적하하고, 이에 대하여 금형(34)을 근접시켜, 금형(34)과 층(12)의 사이에 미경화수지를 충전시킨다. 다음에, 층(11)의 이면측으로부터 자외선을 조사하여, 층(13)의 광학재료를 경화시킨다. 이에 따라, 금형(34)의 평면형상이 층(13)의 표면에 전사된다. 그 후, 이형함에 의해, 층(13)의 표면은 평면형상이 된다(도면 7(c)의 상태).
이와 같이 하여, 복층부재(10a)의 내부에 2개의 요철패턴(14, 15)이 순차로 형성된 제 3 실시형태의 회절광학소자(10)를 얻을 수 있다. 이 회절광학소자(10)는, 상술한 바와 같이, 1개의 소자로 렌즈기능과 분광기능을 동시에 실현할 수 있는 것이다.
또한, 상기한 제 3 실시형태의 순서 <<11>>∼<<13>>에 있어서, 회절광학소자 (10)의 요철패턴(14, 15)의 형성은, 각각, 미리 제작된 금형(31, 33)을 사용하여, 그 반전패턴(14a, 15a)을 전사함에 의해, 용이하게 할 수 있다.
또한, 금형(31, 33)의 제작도 용이하다. 이것은, 금형(31)의 반전패턴(14a)이 단순한 등간격의 선형상 패턴이고, 금형(33)의 반전패턴(15a)도 단순한 동심원형상 패턴이고, Ni-P 도금층(31b, 33b)에 대한 절삭가공을 용이하고 또한 고정밀도로 할 수 있기 때문이다.
따라서, 제 3 실시형태에 의하면, 렌즈기능과 분광기능을 동시에 실현할 수 있는(다기능) 동시에, 소형으로 생산성에도 뛰어난 회절광학소자(10)를 용이하게 제조할 수가 있다.
(제 4 실시형태)
본 발명의 제 4 실시형태는, 상술한 제 2 실시형태의 회절광학소자(20)(도 4)를 보다 구체적으로 나타내는 것이다. 여기서는, 회절광학소자(20)의 복층부재 (20a)의 구체적인 조성을 1개 들어, 그 구성 및 제조순서를 간단히 설명한다.
제 4 실시형태에서는, 층(21), 층(23)의 광학재료로서, 6관능고리형상 우레탄아크릴레이트와 이소보르닐메타크릴레이트(isobornyl methacrylate)의 혼합물(nd =1.490)을 사용하고, 층(21), 층(24)의 광학재료로서, 에톡시화 비스페놀A 디메타크릴레이트(nd=1.541)를 사용하여, 이들을 교대로 4층 적층한다.
또한, 복층부재(20a)가 이웃하는 층(21, 22)끼리의 경계면(20b)에 형성된 요철패턴(25)과, 이웃하는 층(23, 24)끼리의 경계면(20d)에 형성된 요철패턴(27)은, 상기한 제 3 실시형태의 요철패턴(14)과 같은 형상으로, 그 방위는 90°회전하고 있다. 이웃하는 층(22, 23)끼리의 경계면(20c)에 형성된 요철패턴(26)은, 상기한 제 3 실시형태의 요철패턴(15)과 같은 형상이다.
이 제 4 실시형태의 회절광학소자(20)를 제조하는 순서는, 개략, 상술의 제 2 실시형태에서 설명한 순서 <<21>>∼<<24>>와 동일하다. 또, 순서 <<21>>∼ <<23>>에서는, 상기한 제 3 실시형태의 순서 <<12>>와 같은 공정이, 형성하고 싶은 요철패턴(25∼27)의 반전형상의 금형을 각각 사용하여, 순차로 바꾸면서 3회 반복된다. 그리고, 마지막 순서 <<24>>는, 상기한 제 3 실시형태의 순서 <<13>>과 같은 평판형상의 금형을 사용하여 행하여진다.
이와 같이 하여, 복층부재(20a)의 내부에 3개의 요철패턴(25∼27)이 순차로 형성된 제 4 실시형태의 회절광학소자(20)를 얻을 수 있다. 이 회절광학소자(20)는, 상술한 바와 같이, 1개의 소자로 렌즈기능과 2종류의 분광기능을 동시에 실현할 수 있는 것이다.
또한, 상기한 제 4 실시형태의 순서 <<21>>∼<<24>>에 있어서, 회절광학소자(20)의 요철패턴(25∼27)의 형성은, 각각, 미리 제작된 금형을 사용하여 반전패턴을 전사함으로써, 용이하게 할 수 있다. 또한, 금형의 반전패턴은, 단순한 등간격의 선형상 패턴이나 동심원형상 패턴이고, 금형의 제작도 용이하고 또한 고정밀도로 할 수 있다.
따라서, 제 4 실시형태에 의하면, 렌즈기능과 2종류의 분광기능을 동시에 실현할 수 있는(다기능) 동시에, 소형으로 생산성에도 뛰어난 회절광학소자(20)를 용이하게 제조할 수가 있다.
또, 상기한 실시형태나 실시예에서는, 1개의 복층부재(10a 또는 20a)에 의해서 구성된 회절광학소자(10, 20)를 예로 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 예를 들면, 도 8에 나타내는 회절광학소자(40)와 같이, 2개의 복층부재 (40a, 40b)를 설치할 수도 있다.
회절광학소자(40)의 복층부재(40a)는, 2층구조이고, 이웃하는 층(41, 42)끼리의 경계면과 층(42)의 표면에, 각각, 회절격자형상의 요철패턴(패턴(1, 2))이 형성되어 있다. 또한, 복층부재(40b)도, 2층구조이고, 이웃하는 층(43, 44)끼리의 경계면과 층(43)의 표면에, 각각, 회절격자형상의 요철패턴(패턴(3, 4))이 형성되어 있다.
또한, 이 회절광학소자(40)에서는, 2개의 복층부재(40a, 40b)의 사이, 요컨대, 층(42)의 표면(패턴(2))과 층(43)의 표면(패턴(3))과의 사이에, 봉지부재(封止部材, 45)에 의해서 광학재료(46)가 충전되어 있다. 봉지부재(45)는, 접착고무 등으로, 2개의 복층부재(40a, 40b)를 일체화하는 역할도 담당하고 있다.
광학재료(46)는, 이웃하는 층(42, 43)과는 굴절률이 다른 기체나 액체이고, 봉지부재(45)에 의해서 봉하여 막혀지기 때문에, 내부의 굴절률의 고르지 못함이 거의 없다고 생각된다.
광학재료(46)로서의 액체로는, 예를 들면, 순수(純水), 알콜류, 에테르류, 에스테르류 등으로 분류되는 일반적인 용제외에, 굴절액(현미경의 액침관찰 등에서 사용되는 굴절률이 이미 알려진 액체)을 사용할 수 있다. 굴절액은, 브로모나프탈렌이나 세바신산 디n부틸 등이다. 또한, 광학재료(46)로서의 기체에는, 공기외에, 질소, 아르곤 등의 불활성가스를 사용할 수 있다.
본 발명에 의하면, 1개의 소형의 회절광학소자로 복수의 광학적 기능을 동시에 실현할 수 있는 동시에, 용이하게 생산할 수도 있다.

Claims (8)

  1. 복수의 층으로 이루어지고, 각각의 층이 광학재료로 구성된 복층부재를 구비하고,
    상기 복층부재의 이웃하는 층끼리는, 서로 밀착되고, 또한, 광학재료의 굴절률이 서로 다르고,
    상기 복층부재의 내부에는, 상기 이웃하는 층끼리의 밀착한 경계면이 1개 이상 포함되고,
    상기 1개 이상의 경계면과 상기 복층부재의 표면을 포함시킨 3개 이상의 면 중, 적어도 2개의 면에는, 각각, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴이 형성되고,
    다른 면에 형성된 상기 요철패턴끼리는, 상기 복층부재의 층방향에 관한 형상 또는 치수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
  2. 3개 이상의 층으로 이루어지고, 각각의 층이 광학재료로써 구성된 복층부재를 구비하고,
    상기 복층부재의 이웃하는 층끼리는, 서로 밀착되고, 또한, 광학재료의 굴절률이 서로 다르고,
    상기 복층부재의 내부에는, 상기 이웃하는 층끼리의 밀착한 경계면이 2개 이상 포함되고,
    상기 2개 이상의 경계면 중 적어도 2개에는, 각각, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴이 형성되고,
    다른 면에 형성된 상기 요철패턴끼리는, 상기 복층부재의 층방향에 관한 형상 또는 치수가 서로 다른 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 복층부재는, 수지제의 광학재료로 구성된 수지층을 2개 이상 포함하고,
    상기 2개 이상의 수지층 중 적어도 2개는, 이웃하는 위치에서, 서로 밀착되고,
    상기 요철패턴 중 적어도 1개는, 상기 이웃하는 위치에서 밀착된 수지층끼리의 경계면에 형성되는 것을 특징으로 하는 회절광학소자.
  4. 이웃하는 2개의 층의 각각에, 투과광에 대하여 원하는 회절작용을 일으키는 요철패턴이 형성되고, 상기 요철패턴끼리의 형상 또는 치수가 층방향에 관해서 서로 다른 회절광학소자의 제조방법으로서,
    소정의 광학재료로 구성된 층의 표면에, 제 1 요철패턴을 형성하는 제 1 공정과,
    상기 제 1 요철패턴의 위에, 상기 광학재료와는 굴절률이 다른 수지제의 광학재료로 구성된 수지층을 형성하고, 해당 수지층의 표면에, 제 2 요철패턴을 형성하는 제 2 공정을 구비하고,
    상기 제 2 공정은, 상기 제 1 요철패턴의 위에 상기 수지제의 광학재료의 미경화물을 도포하는 제 1 보조공정과, 상기 미경화물에 대하여 상기 제 2 요철패턴의 반전형상의 형을 밀착시키는 제 2 보조공정과, 상기 형을 밀착시킨 상태에서 상기 미경화물을 경화시키는 제 3 보조공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 회절광학소자의 제조방법.
  5. 제 4 항에 있어서, 상기 제 3 보조공정에서는, 광조사(光照射)에 의해서 상기 미경화물을 경화시키는 것을 특징으로 하는 회절광학소자의 제조방법.
  6. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 기재된 회절광학소자를 구비한 광학장치에 있어서,
    상기 회절광학소자는, 상기 광학장치의 미리 정한 광로(光路)중에 설치되고, 또한, 상기 광로에 대하여 상기 요철패턴의 형성면이 교차하는 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 광학장치는, 레이저광을 사용하는 장치이고,
    상기 회절광학소자는, 각각의 층이 상기 레이저광의 파장영역에서 투명한 광학재료로 구성되고, 또한, 상기 레이저광의 광로에 대하여 상기 형성면이 교차하는 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 광학장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 광학장치에서 사용되는 상기 레이저광의 파장영역은, 1.4㎛∼1.7㎛의 적외파장영역인 것을 특징으로 하는 광학장치.
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