KR20070064592A - 광학 소자 - Google Patents

광학 소자 Download PDF

Info

Publication number
KR20070064592A
KR20070064592A KR1020077004754A KR20077004754A KR20070064592A KR 20070064592 A KR20070064592 A KR 20070064592A KR 1020077004754 A KR1020077004754 A KR 1020077004754A KR 20077004754 A KR20077004754 A KR 20077004754A KR 20070064592 A KR20070064592 A KR 20070064592A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
light
light transmitting
transmitting layer
serrated surface
refractive index
Prior art date
Application number
KR1020077004754A
Other languages
English (en)
Inventor
세이지 니시와키
츠구히로 고레나가
Original Assignee
마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤 filed Critical 마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
Publication of KR20070064592A publication Critical patent/KR20070064592A/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1814—Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1876—Diffractive Fresnel lenses; Zone plates; Kinoforms
    • G02B5/189—Structurally combined with optical elements not having diffractive power
    • G02B5/1895—Structurally combined with optical elements not having diffractive power such optical elements having dioptric power
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/18—Diffraction gratings
    • G02B5/1866—Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871—Transmissive phase gratings

Abstract

본 발명의 광학 소자는, 제 1 블레이즈각 α를 규정하는 복수의 제 1 광 투과 경사면(12)을 포함하는 제 1 톱니 형상 표면(10)을 갖는 제 1 광 투과층과, 제 2 블레이즈각 β를 규정하는 복수의 제 2 광 투과 경사면(22)을 포함하는 제 2 톱니 형상 표면(20)을 갖고, 제 1 광 투과층의 제 1 톱니 형상 표면(10)에 접촉하는 제 2 광 투과층을 구비한 광학 소자로서, 제 1 광 투과 경사면(12)의 경사 방향과 제 2 광 투과 경사면(22)의 경사 방향이 반대이다.

Description

광학 소자{OPTICAL ELEMENT}
본 발명은 광학 소자에 관한 것이며, 특히, 광을 집속하는 렌즈 등의 집광 장치나, 광을 회절시키는 그레이팅 등의 회절 장치에 관한 것이다.
블레이즈드 그레이팅(blazed grating)은 복수의 광 투과 경사면을 포함하는 톱니 형상 표면(sawtooth blazed surface)을 구비한 광학 소자이다. 표면에 블레이즈드 그레이팅이 형성된 집광 장치가 비특허문헌 1 및 특허문헌 1에 개시되어 있다.
도 10 및 도 11을 참조하면서, 집광 장치의 종래예를 설명한다.
도 10에 나타내는 집광 장치에는, 플라스틱 등의 투명 재료로 형성되고, 표면(1a, 1b)을 갖는 기체(基體)(1)가 구비되어 있다. 기체(1)는 광축의 주위에 대칭인 렌즈 형상을 갖고 있으며, 그 표면(1b)에는 단면이 톱니 형상을 갖는 그레이팅(1G)이 형성되어 있다. 집광 장치의 렌즈 표면(1a, 1b)은 광축 L을 중심축으로 하는 구면(球面) 또는 비구면을 형성하고 있다. 그레이팅(1G)을 구성하는 복수의 광 투과 경사면은 각각, 표면(1b)상에 있어서, 광축 L을 중심축으로 하는 링 형상 을 갖고, 반경 방향으로 배열되어 있다. 이 때문에, 그레이팅의 단차는 광축을 중심으로 하는 동심원 형상으로 형성되어 있다.
기체(71)에 입사한 광(2)은 표면(1a)에서 굴절한 후, 그레이팅(1G)이 형성된 표면(1b)에서는, 굴절 및 회절을 동시에 받는다. 집광 장치로부터 나간 광(3)은 검출면(4)상에 집속된다.
다음으로 도 11을 참조하면서, 도 10에 나타내는 집광 장치의 렌즈 표면(1b)에 의한 회절의 원리를 설명한다. 도 11에서는, 설명을 간단히 하기 위해, 표면(1b)이 평면을 갖는 것으로 하여 기재되어 있다.
도 11에 나타내는 장치는 표면(1b)상에 톱니 형상 단면을 갖는 그레이팅(1G)이 형성된 기체(1)를 갖고 있다. 기체(1)는 굴절률 n을 갖고 있다. 그레이팅(1G)의 피치는 Λ이다. 이 그레이팅(1G)에 의해, 파장 λ의 광(2)은 회절하여, 1차 회절광(3)이나 2차 회절광(3″) 등의 회절광을 발생시킨다.
설명을 간단히 하기 위해, 광(2)의 입사각(기체(1) 이면의 법선과 광(2)의 축 사이의 각도)을 0이라고 하면, q차 회절광의 회절 각도 θ(상기 법선과 회절광 사이의 각도)는 다음 수학식 1로 나타내어진다.
Figure 112007016983840-PCT00001
여기서, q는 정수이며, 회절광의 차수를 나타낸다.
0차 광(3′)의 경우, q=0이며, 회절 각도 θ는 0이다. 일반적으로, 0차 광(3′)을 사이에 두어 반대쪽에 -1차 회절광이나 -2차 회절광도 발생한다. 단, 그레이팅(1G)의 단면이 톱니 형상이기 때문에, -쪽의 차수의 회절광은 약하게 되고, +쪽의 차수의 회절광이 강해진다. 그레이팅(1G)의 단면 등에 있어서의 단차 d가 다음 수학식 2를 만족할 때, q차 회절광의 회절 효율이 최대로 된다.
Figure 112007016983840-PCT00002
여기서, n은 기체(1)(투명 매질)의 굴절률이며, λ는 입사광(2)의 파장이다. 또, 피치 Λ는 기체(1)의 표면상에서 일정할 필요는 없고, 피치 Λ가 기체(1)상에 있어서의 위치의 함수이더라도 좋다. 피치 Λ를 위치의 함수로서 변화시킴으로써, 기체(1)로부터 출사하는 위치에 따라 회절각을 조정할 수 있다. 이와 같이 함으로써, 표면(1a, 1b)의 구면화 등과 아울러, 회절광(3)을 한 점에 집속할 수 있다.
다음으로, 도 12 및 도 13을 참조하면서, 다른 종래 기술을 설명한다. 이 종래 기술은 특허문헌 1에 교시된 구성을 갖고 있다.
도 12에 나타내는 집광 장치는 굴절률 및 분산 특성이 상이한 2종류의 투명 매질(플라스틱이나 자외선 경화 수지 등)로 형성되어 있다. 렌즈부(1)는 제 1 재료로 형성되고, 렌즈 형상을 갖고 있다. 표면(1b)에는, 톱니 형상의 단면을 이루는 그레이팅(1G)이 형성되어 있으며, 도 10의 렌즈(1)와 동일한 구성을 갖고 있다. 이 집광 장치가 도 10의 집광 장치와 다른 점은, 제 2 재료로 형성된 투명층(7)이 그레이팅(1G)이 형성된 렌즈 표면(1b)을 덮고 있는 점에 있다. 투명층(7)의 표면(7S)에는, 그레이팅(1G)의 요철 형상을 반영하고 있지 않고, 렌즈 표면(1b)을 따른 매끄러운 형상을 갖고 있다.
제 2 재료는 제 1 재료보다 굴절률이 높고, 분산이 낮다. 집광 장치의 제조 방법은, 예컨대, 이미 그레이팅(1G)이 형성된 렌즈 부분(1)을 금형에 밀어 넣는 공정, 렌즈 부분(1)과 금형의 간극에 제 2 재료를 충전하고, 이것을 자외선 경화시키는 공정, 금형을 렌즈 부분(1)으로부터 이격시키는 공정 등을 연속하여 행하면 된다.
집광 장치에 입사하는 광(2)은 렌즈부(1)의 표면(1a)에서 굴절한 후, 그레이팅(1G)에서 굴절 및 회절을 동시에 받는다. 또한, 투명층(7)의 표면(7S)을 투과할 때, 더 굴절함으로써, 검출면(4)상에 집광된다.
다음으로, 도 13을 참조하면서, 도 12에 나타내는 집광 장치에 의한 회절의 원리를 설명한다. 여기서도, 설명을 간단히 하기 위해 면(1a)이나 면(1b)을 평면으로 하여 설명한다. 기체(1)의 굴절률을 n, 투명층(7)의 굴절률을 n′로 하고, 면(1b)상에 형성된 그레이팅(1G)이 피치 Λ의 톱니 형상 단면을 갖는 것으로 한다.
파장 λ인 광(2)은 그레이팅(1G)에 의해 1차 회절광(3), 2차 회절광(3″) 등으로 회절한다. 회절 방위와 톱니의 방향의 관계는, 도 11에 나타내는 그레이팅(1G)에 대하여 반대로 된다. 이것은 굴절률이 n<n′의 관계를 만족하고 있기 때문이다.
광(2)의 입사각(면 법선과 이루는 각도)을 0이라고 하면, q차 회절광의 회절 각도 θ(면 법선과 이루는 각도)는 상술한 수학식 1로 주어진다. 0차 광(3′)은 q=0이며, 회절 각도가 0이다. 일반적으로, 0차 광(3′)을 사이에 두어 반대쪽에 -1차 회절광이나 -2차 회절광도 발생하지만, 그레이팅 단면을 톱니 형상으로 하는 것에 의해, -쪽의 차수의 회절광이 약하게 되고, +쪽의 차수의 회절광이 강하게 된다. 그레이팅 단면의 깊이 d가 다음 수학식 3을 만족할 때, q차 회절광의 회절 효율이 최대로 된다.
Figure 112007016983840-PCT00003
또, 피치 Λ는 일정값이 아니더라도 좋고, 이것을 위치의 함수로 함으로써 회절각을 조정하고, 표면(1a, 1b)의 구면화 등과 아울러 회절광(3)을 한 점에 집광하는 광으로 할 수 있다.
(비특허문헌 1) 응용 광 일렉트로닉스 핸드북(쇼코도(昭晃堂) 발행), P474-477
(특허문헌 1) 일본 공개 특허 공보 평9-127321호
(발명이 해결하고자 하는 과제)
이러한 종래의 집광 장치 및 회절 장치에는 이하의 문제가 있다.
도 14는 집광 장치의 종래예 1에 있어서의 기체(1)의 분산 특성을 나타내는 그래프이다.
그래프에 나타내어지는 곡선(5)은 기체(1)에 사용될 수 있는 광학 재료의 굴절률과 파장의 관계를 나타내고 있다. 도 14로부터 알 수 있는 바와 같이, 가시광의 영역에서는, 파장이 짧아질수록 굴절률이 단조롭게 증가한다. 모든 광학 재료가 이러한 분산 특성을 갖고 있다. 예컨대, 제오닉스의 경우, C선(파장 λC=0.6563㎛)에서의 굴절률 nC=1.522983, F선(파장 λF=0.4861㎛)에서의 굴절률 nF=1.532271이다. 폴리카보네이트의 경우는, C선에서의 굴절률 nC=1.578401, F선에서의 굴절률 nF=1.597809이다.
도 15는 d선(파장 λd=0.5876㎛)에서의 굴절률 nd=1.60, 아베수(Abbe′s number) ν=33인 플라스틱 재료로 기체(1)를 제조한 경우의 회절 효율과 파장의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 플라스틱 재료는 실제로 안경 등에 이용되는 일반적인 재료이다. 그레이팅은 도 11에 나타내는 구조를 갖고 있으며, 단차 d=0.83㎛이다. 파장 λ에서의 굴절률 n은 근사적으로 이하의 수학식 4로 나타내고 있다.
Figure 112007016983840-PCT00004
도 15의 그래프에서는, 0차 광, 1차 회절광 및 2차 회절광의 회절 효율이 각각, 곡선(6′), 곡선(6), 곡선(6″)에 의해 나타내어지고 있다.
1차 회절광의 회절 효율(곡선(6))은 파장 0.51㎛ 부근에서 극대로 되지만, 파장 0.50㎛에서 벗어남에 따라서 저하하고 있다. 0차 광 및 2차 회절광의 회절 효율은, 파장이 0.51㎛에서 벗어남에 따라서 증대하고 있다. 이것은 수학식 2에서 나타내어진 회절 효율 최대의 조건이 파장 및 굴절률에 의존하기 때문이다.
파장이 1차 회절의 최적값(0.51㎛)보다 작아지면, 수학식 2의 우변의 분자 λ가 작아짐과 아울러, 분산 특성에 의해 분모 (n-1)이 커지게 된다. 한편, 파장이 1차 회절의 최적값(0.51㎛)보다 커지면, 수학식 2의 우변의 분자 λ가 커짐과 아울러, 분모 (n-1)은 작아지게 된다. 이와 같이, 파장이, 1차 회절의 효율이 최대로 되는 값으로부터 벗어나면, 굴절률(분모) 및 파장(분자)의 양쪽이 변화되기 때문에, 회절 효율이 급격히 저하한다.
따라서, 도 10에 나타내어지는 집광 장치에 의하면, 특정한 파장의 광에 대해서는, 1차 회절광(3)만을 검출면(4)상에 집광시킬 수 있지만, 그 이외의 파장의 광에 대해서는, 0차 광(3′)이나 2차 회절광(3″) 등의 다른 회절광(1차 회절광(3)에 대한 미광(stray light))이 발생한다. 집광 장치를 카메라용 렌즈로서 이용하는 경우, 이들 미광의 존재가 재생 이미지의 열화로 연결된다.
도 12 및 도 13에 나타내는 집광 장치에 의하면, 이러한 문제를 해결할 수 있다. 도 16은 도 13에 나타내는 기체(1)(제 1 재료) 및 투명층(7)(제 2 재료)을 구성하는 재료의 분산 특성(굴절률의 파장 의존 특성)을 나타내는 그래프이다.
제 1 재료는 파장이 짧아짐에 따라서 굴절률이 단조롭게 증가한다(곡선(5)). 제 2 재료도, 파장이 짧아짐에 따라서 굴절률이 단조롭게 증가한다(곡선(5′)). 제 2 재료는 제 1 재료보다 높은 굴절률을 갖고, 그 분산도 적다. 이것을 수학식으로 표현하면, 다음 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
Figure 112007016983840-PCT00005
Figure 112007016983840-PCT00006
여기서는, 제 1 재료 및 제 2 재료의 C선에서의 굴절률을 nC 및 nC′, F선에서의 굴절률을 nF 및 nF′로 한다.
수학식 5, 수학식 6을 만족할 수 있으면, 수학식 3으로 나타내어진 회절 효율 최대의 조건으로부터의 괴리를 완화할 수 있다. 즉, 기체(1) 및 투명층(7)의 분산 특성에 의해, 파장이 최적값보다 작아지게 되면, 수학식 3의 우변의 분자 λ는 작아지게 되지만, 분모 (n′-n)도 작아지게 된다. 한편, 파장이 최적값보다 커지게 되면, 수학식 3의 우변의 분자 λ는 커지게 되지만, 분모 (n′-n)도 커지게 된다. 어느 쪽의 경우에도, 회절 효율 최대의 조건으로부터의 괴리가 약해진다.
그러나, 일반적으로는, 굴절률이 높아질수록, 분산도 커지게 된다. 즉, 굴절률이 상대적으로 높은 광학 재료의 분산은 상대적으로 크고, 분산이 상대적으로 작은 광학 재료의 굴절률도 상대적으로 작아지게 된다. 따라서, 수학식 5, 수학식 6을 동시에 만족하는 광학 재료의 조합은 매우 적고, 존재하더라도 효과가 적다(예컨대, 수학식 6의 좌변이 1에 가깝다). 이 때문에, 현실적으로는 도 12에 나타내는 집광 장치는 실용화되어 있지 않다.
본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 주된 목적은, 현실에서 사용할 수 있는 광학 재료를 이용하면서, 넓은 파장 영역에 걸쳐 높은 회절 효율을 유지하고, 미광의 발생을 억제할 수 있는 광학 소자를 제공하는 것에 있 다.
(과제를 해결하기 위한 수단)
본 발명의 광학 소자는, 제 1 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 1 광 투과 경사면을 포함하는 제 1 톱니 형상 표면(sawtooth blazed surface)을 갖는 제 1 광 투과층과, 제 2 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 2 광 투과 경사면을 포함하는 제 2 톱니 형상 표면을 갖고, 상기 제 1 광 투과층의 상기 제 1 톱니 형상 표면에 접촉하는 제 2 광 투과층을 구비한 광학 소자로서, 상기 제 1 광 투과 경사면의 경사 방향과 상기 제 2 광 투과 경사면의 경사 방향이 반대이다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층은 렌즈 형상을 갖고 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 렌즈 형상을 갖는 부재를 더 구비하고, 상기 제 1 광 투과층은 상기 렌즈 형상을 갖는 부재에 지지되어 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 상기 제 1 광 투과 경사면의 배열 피치는 상기 제 1 광 투과층의 위치에 따라 변화하고 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층의 굴절률을 n, 상기 제 2 광 투과층의 굴절률을 n′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′, 사용하는 광의 평균 파장을 λ라고 할 때, {d′(n′-1)-d(n-n′)}/λ는 어떤 정수값을 중심으로 하여 ±0.2 이하의 범위 내에 있다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층의 아베수를 ν, 상기 제 2 광 투과층의 아베수를 ν′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′라고 할 때, d′/d<ν′/ν-1의 관계가 만족된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층의 굴절률 및 분산은 상기 제 2 광 투과층의 굴절률 및 분산보다 높다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 복수의 제 1 광 투과 경사면 중 임의의 제 1 광 투과 경사면과, 상기 제 1 광 투과 경사면을 투과한 광이 투과하는 상기 제 2 광 투과 경사면의 사이에 있는 위치 편차량 δ는 상기 제 1 광 투과 경사면이 위치하는 부분에 있어서의 배열 피치 Λ의 5% 이하이다.
바람직한 실시예에 있어서, m 및 n의 각각이 1 이상의 정수이며, 상기 제 1 톱니 형상 표면의 피치가 m×Λ로 나타내어질 때, 상기 제 2 톱니 형상 표면의 피치는 n×Λ로 나타내어진다.
본 발명에 의한 광학 소자는, 제 1 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 1 광 투과 경사면을 포함하는 제 1 톱니 형상 표면(sawtooth blazed surface)을 갖는 제 1 광 투과층과, 제 2 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 2 광 투과 경사면을 포함하는 제 2 톱니 형상 표면을 갖고, 상기 제 1 광 투과층의 상기 제 1 톱니 형상 표면에 접촉하는 제 2 광 투과층을 구비한 광학 소자로서, p, q가 극성이 상이한 0 이외의 정수일 때, 상기 제 1 광 투과층을 투과하는 광의 80% 이상이 p차 광으로서 회절하고, 상기 제 2 광 투과층을 투과하는 광의 80% 이상이 p차 광으로서 회절한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층의 아베수를 ν, 상기 제 2 광 투과층의 아베수를 ν′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′라고 할 때, d′/d<ν′/ν-1의 관계가 만족된다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층의 굴절률 및 분산은 상기 제 2 광 투과층의 굴절률 및 분산보다 높다.
바람직한 실시예에 있어서, p+q=1의 관계가 성립한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 광 투과층의 굴절률을 n, 상기 제 2 광 투과층의 굴절률을 n′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′, 사용하는 광의 평균 파장을 λ라고 할 때, 0.7λ<｜(n-n′)d/p｜<1.2λ 및 0.7λ<｜(n′-1)d′/q｜<1.2λ의 관계가 성립한다.
바람직한 실시예에 있어서, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 대한 상기 제 2 톱니 형상 표면의 위치 편차량 δ는 상기 제 1 톱니 형상 표면의 피치 Λ의 5% 이하이다.
바람직한 실시예에 있어서, m 및 n의 각각이 1 이상의 정수이며, 상기 제 1 톱니 형상 표면의 피치가 m×Λ로서 나타내어질 때, 상기 제 2 톱니 형상 표면의 피치는 n×Λ로 나타내어진다.
(발명의 효과)
본 발명에 의하면, 적층된 2개의 그레이팅의 신규 배치에 의해, 넓은 파장 영역에 걸쳐 높은 회절 효율을 유지하고, 미광의 발생을 억제할 수 있다. 또한, 2개의 톱니 단면의 단차를 조정함으로써, 투명 재료 조합의 배리에이션(variation)을 대폭 늘리는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 의한 광학 소자의 개략 구성을 모식적으로 나타내는 단면도,
도 2는 본 발명에 의한 광학 소자의 실시예 1을 나타내는 단면도,
도 3은 실시예 1에 있어서의 광학 소자의 회절 원리를 설명하기 위한 단면도,
도 4는 실시예 1에 있어서의 기체(1) 및 투명층(7)의 분산 특성을 나타내는 그래프,
도 5는 실시예 1에 있어서의 광학 소자에 의한 회절 효율의 파장 의존성을 나타내는 그래프,
도 6은 실시예 1에 있어서의 광학 소자에 의한 회절 효율의 파장 의존성을 나타내는 그래프,
도 7은 실시예 1의 변형예를 나타내는 단면도,
도 8은 실시예 1에 있어서의 광학 소자에 의한 회절 효율의 파장 의존성이 δ/Λ에 따라 어떻게 변화되는가를 나타내는 그래프,
도 9는 본 발명에 의한 광학 소자의 실시예 2를 나타내는 단면도,
도 10은 집광 장치의 종래예 1을 나타내는 단면도,
도 11은 도 10에 나타내어지는 집광 장치의 회절 원리를 설명하기 위한 단면도,
도 12는 집광 장치의 종래예 2를 나타내는 단면도,
도 13은 도 12에 나타내어지는 집광 장치의 회절 원리를 설명하기 위한 단면도,
도 14는 집광 장치의 투명 기판에 사용될 수 있는 재료의 분산 특성을 나타내는 그래프,
도 15는 종래예 1에 있어서의 회절 효율의 파장 의존성을 나타내는 그래프,
도 16은 종래예 2에 이용되는 2종류의 재료의 분산 특성을 나타내는 그래프이다.
도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
1 : 기체(제 1 광 투과층)
1G : 그레이팅(제 1 톱니 형상 표면)
1a, 1b : 기체의 표면 2 : 입사광
3 : 1차 회절광 3′ : 0차 광
3″ : 2차 회절광 4 : 검출면
7 : 투명층(제 2 광 투과층) 7S : 투명층의 표면
7G : 그레이팅(제 2 톱니 형상 표면) 10 : 제 1 톱니 형상 표면
12 : 제 1 광 투과 경사면 20 : 제 2 톱니 형상 표면
22 : 제 2 광 투과 경사면 L : 광축
α : 제 1 블레이즈각 β : 제 2 블레이즈각
본 발명의 광학 소자는, 제 1 톱니 형상 표면(sawtooth blazed surface)을 갖는 제 1 광 투과층과, 제 2 톱니 형상 표면을 갖는 제 2 광 투과층을 구비하고 있으며, 이들이 적층되어 있다. 우선 도 1을 참조하면서, 본 발명에 의한 광학 소자의 구성의 개략을 설명한다.
도 1에는, 본 발명의 광학 소자에 있어서의 제 1 톱니 형상 표면(10) 및 제 2 톱니 형상 표면(20)의 단면이 모식적으로 나타내어져 있다. 제 1 톱니 형상 표면(10)은 제 1 블레이즈각 α를 규정하는 복수의 제 1 광 투과 경사면(12)을 갖고 있으며, 제 2 톱니 형상 표면(20)은 제 2 블레이즈각 β를 규정하는 복수의 제 2 광 투과 경사면(22)을 갖고 있다.
제 1 톱니 형상 표면(10) 및 제 2 톱니 형상 표면(20)은 모두, 각각의 단면이 삼각형 형상을 갖는 단위 구조를 주기적으로 배열한 구조를 갖고 있다. 단위 구조의 기준면에 대한 높이는, 제 1 톱니 형상 표면(10)과 제 2 톱니 형상 표면(20)간에 일치하고 있을 필요는 없다. 도시되어 있는 예에서는, 제 1 톱니 형상 표면(10)에 있어서의 단위 구조의 높이(「단차」라 칭함)를 「d」로 나타내고, 제 2 톱니 형상 표면(20)에 있어서의 단차를 「d′」로 나타내고 있다.
본 명세서에서는, 단위 구조의 표면을 구성하는 2개의 면 중, 상대적으로 면적이 넓은 면을 「광 투과 사면」이라 칭하고, 이 광 투과 사면과 기준면 사이의 각도를 블레이즈각으로 정의한다. 단위 구조의 표면을 구성하는 2개의 면 중, 「광 투과 사면」 이외의 면은 기준면에 대하여 대략 수직이며, 광의 회절에는 실질적으로 영향을 미치지 않는다.
상기한 블레이즈각은 0°<α<90°, 0°<β<90°의 관계를 만족하는 크기를 갖고 있으며, 예각이다. 제 1 및 제 2 광 투과 사면(12, 22)의 법선 방향은 기준면의 법선 방향에 대하여 블레이즈각과 같은 각도만큼 경사하고 있다. 본 명세서에서는, 이 경사의 방향을 「광 투과 사면의 경사 방향」이라 칭하고, 도 1에 있어서, 굵은 검은색 화살표로 나타내고 있다. 본 발명에서는, 광 투과 사면의 경사 방향이, 제 1 톱니 형상 표면(10)과 제 2 톱니 형상 표면(20)간에서 정반대로 설정되어 있다.
도 1에서는, 기준면이 평면인 경우가 기재되어 있지만, 기준면은 곡면이더라도 좋다. 또한, 블레이즈각 α, β는 기준면상에서 일정한 값을 가질 필요는 없고, 위치에 따라 변화되더라도 좋다.
도 1에는 명시되어 있지 않지만, 제 1 톱니 형상 표면(10)은 제 1 광 투과층에 형성되고, 제 2 톱니 형상 표면(20)은 제 1 톱니 형상 표면(10)에 접촉하는 제 2 광 투과층에 형성된다. 제 1 광 투과층은 똑같은 두께를 갖는 플레이트 형상 부 재일 필요는 없고, 렌즈 형상을 갖는 기재이더라도 좋다. 또한, 제 1 광 투과층은 다른 투명 부재상에 지지되어 있더라도 좋다.
본 발명의 광학 소자가 상기 구성을 채용함으로써, 어떠한 작용 효과를 발휘할지는, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면서 밝힌다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
(실시예 1)
도 2 내지 도 8을 참조하면서, 본 발명에 의한 광학 소자의 실시예 1을 설명한다. 본 실시예의 광학 소자는 집광 장치이다.
우선, 도 2를 참조한다. 도 2에 나타내는 집광 장치는 굴절률 및 분산 특성이 상이한 2종류의 투명 재료(플라스틱이나 자외선 경화 수지 등)로 제작되어 있다. 제 1 재료로 이루어지는 기체(1)는 렌즈 형상을 갖고 있으며, 광 입사측의 면(1a) 및 광 출사측의 면(1b)을 갖고 있다. 기체(1)의 광 출사측의 표면(1b)에는, 단면이 톱니 형상을 갖는 그레이팅(1G)이 형성되어 있다. 기체(1)는 「제 1 광 투과층」으로서 기능한다.
기체(1)의 표면(1a, 1b)은 광축 L을 중심축으로 하는 구면 또는 비구면을 형성하고 있다. 그레이팅(1G)을 구성하는 복수의 광 투과 경사면은 각각, 표면(1b)상에 있어서, 광축 L을 중심축으로 하는 링 형상을 갖고, 반경 방향으로 배열되어 있다. 이 때문에, 그레이팅의 단차는 광축을 중심으로 하는 동심원 형상으로 형성되어 있다.
제 2 재료로 이루어지는 투명층(7)은 그레이팅(1G)이 형성된 기체(1)의 광 출사측의 표면(1b)상에 형성되어, 「제 2 광 투과층」으로서 기능한다. 투명층(7)의 표면(7S)에는, 그레이팅(1G)의 「경사 방향」과 반대의 방향으로 「경사 방향」을 갖는 그레이팅(7G)이 형성되어 있다. 그레이팅(7G)을 구성하는 복수의 광 투과 경사면도, 각각, 표면(7S)상에 있어서, 광축 L을 중심축으로 하는 링 형상을 갖고, 반경 방향으로 배열되어 있다.
본 실시예에서는, 도 1에 나타내는 「경사 방향」은 광축 L로 향하거나, 광축으로부터 대략 방사상으로 연장하는 방향에 있다. 이와 같이, 본 실시예에서는, 적층된 2개의 그레이팅(1G, 7G)의 「경사 방향」이 정반대의 관계에 있다고 하는 것은, 상하로 근접하는 위치(대응하는 위치)에 있어서의 「경사 방향」이 정반대에 있는 것을 의미하고, 위치가 상이한 「경사 방향」의 관계는 반드시 정반대로는 되지 않는다.
그레이팅(1G)과 그레이팅(7G)의 사이에서는, 톱니의 에지 위치(아랫날 위치)가 갖추어져 있다. 본 실시예에 있어서의 제 2 재료의 굴절률 및 분산은 제 1 재료의 굴절률 및 분산보다 낮다. 투명층(7)의 두께는 가능한 한 얇게 형성되는 것이 바람직하다.
본 실시예에 있어서의 집광 장치는, 예컨대, 이하와 같이 하여 제조된다.
우선, 표면에 그레이팅이 형성된 렌즈 형상을 갖도록 성형된 기체(1)를 준비한다. 기체(1)는 제 1 재료로 형성되어 있다. 다음으로, 그레이팅이 형성된 렌즈 형상의 성형면을 갖는 금형(도시 생략)에 기체(1)를 삽입하고, 기체(1)와 금형의 간극에 제 2 재료를 충전한다. 이 제 2 재료를 자외선 경화나 열 경화 등의 방법에 의해 경화시킨 후, 금형으로부터 이격시킨다. 이렇게 하여, 도 2에 나타내는 집광 장치를 얻을 수 있다.
본 실시예의 집광 장치에 입사하는 광(2)은 기체(1)의 표면(1a)에서 굴절한 후, 그레이팅(1G)이 형성된 기체(1)의 표면(1b)에서 굴절 및 회절을 동시에 받는다. 그 후, 그레이팅(7G)이 형성된 투명층(7)의 표면(7S)에서 굴절 및 회절을 동시에 받아, 광(3)으로서 검출면(4)상에 집광된다.
다음으로, 도 3을 참조하면서, 본 실시예의 광학 소자에 의한 회절을 설명한다. 도 3에서는, 설명을 간단히 하기 위해, 각 면을 평면으로 하여 기재하고, 광(2)도 면에 수직으로 입사하는 것으로 한다.
우선, 기체(1)의 굴절률을 n, 투명층(7)의 굴절률을 n′, 면(1b)상에 형성된 그레이팅(1G)의 피치를 Λ, 그 단면 단차를 d, 면(7S)상에 형성된 그레이팅(7G)의 피치를 Λ, 그 단면 단차를 d′로 한다. 이 때, 그레이팅(1G, 7G)을 투과하는 광의 파면은 피치 Λ인 톱니 형상으로 된다. 그 파면에 있어서의 단차 Δ(위상 단차)는 다음 수학식 7로 나타내어진다.
Figure 112007016983840-PCT00007
굴절률 n, n′를 파장 λ에 의존하지 않는 부분(제 1 항)과, 의존하는 부분(제 2 항)으로 분리하면, 다음 2개의 식으로 근사할 수 있다.
Figure 112007016983840-PCT00008
Figure 112007016983840-PCT00009
이 식은, 수학식 4보다 간단한 1차 근사에 의해 얻어진다. 여기서, nO, nO′,　λO, σ, σ′는 모두 정수이며, λO는 중심 파장, nO, nO′는 중심 파장에서의 굴절률, σ, σ′는 분산 계수이다. 따라서, 위상 단차 Δ는 다음 수학식 10으로 나타내어진다.
Figure 112007016983840-PCT00010
광(2)에는, 피치 Λ의 주기로 위상 단차 Δ가 발생하기 때문에, 1차 회절광(3), 2차 회절광(3″) 등의 회절파가 발생하고, q차 회절광의 회절 효율이 최대가 되는 조건은 다음 수학식 11로 주어진다.
Figure 112007016983840-PCT00011
여기서, q는 정수이다.
따라서, λ=λO일 때에 회절 효율이 최대로 되며, ｜Δ/λ｜의 λ에 대한 변화량을 작게하는 조건(즉, 넓은 파장 영역에 걸쳐 높은 회절광의 효율을 유지하고, 미광의 발생을 억제하는 조건)은 다음 2개의 식으로 나타내어진다.
Figure 112007016983840-PCT00012
Figure 112007016983840-PCT00013
수학식 12는 λ=λO일 때에 회절 효율이 최대로 되는 조건식(좌변이 정수 q에 대하여 0.2 이하의 편차로 수렴되면 극대값의 근방이라고 할 수 있음)이다. 한편, 수학식 13은 ｜Δ/λ｜의 λ에 대한 변화량을 작게하는 조건식이다. 수학식 13의 좌변의 절대값이 클수록, ｜Δ/λ｜의 λ에 대한 변화량을 작게 할 수 있다.
종래예와는 달리, 단차의 파라미터가 d, d′의 2개로 증가하기 때문에, 수학식 12, 수학식 13을 동시에 만족하는 광학 재료의 조합은 많이 존재할 수 있다. 또, 아베수는 상술한 σ, σ′의 역수에 비례하는 값이기 때문에, σ, σ′에 대응한 아베수를 ν, ν′라고 하면, 수학식 13은 다음 수학식 14로 치환된다.
Figure 112007016983840-PCT00014
여기서, q=1로 하여 설명을 계속한다. 설명을 간단히 하기 위해, 도 3에 나타내어지는 광(2)의 입사각(면 법선과 이루는 각도)을 0이라 가정한다. 이 경우, q차 회절광의 회절 각도 θ(면 법선과 이루는 각도)는 상술한 수학식 1로 주어진다. 0차 광(3′)에서는, q=0이며, 회절 각도가 0이다. 일반적으로는, 0차 광(3′)을 사이에 두어 반대쪽에 -1차 회절광이나 -2차 회절광도 발생하지만, 그레이팅 단면을 톱니 형상으로 함으로써, -쪽의 차수의 회절광이 약하게 되고, +쪽의 차수의 회절광이 강하게 되고 있다.
또, 그레이팅 단면은 도시되는 바와 같은 톱니 형상을 갖는 대신에, 도면의 톱니 형상에 내접하는 작은 계단 형상을 갖고 있더라도 좋고, 단순한 요철 형상이더라도 좋다.
피치 Λ는 면 내에서 일정값일 필요는 없다. 피치 Λ를 위치의 함수로 하는 것에 의해, 회절각을 조정하고, 표면(1a, 1b)의 구면화 등과 아울러 회절광(3)을 한 점에 집광하는 광으로 할 수도 있다.
그레이팅(1G, 7G)에서의 회절 현상을 다음과 같이 설명할 수도 있다. 즉, p, q를 정수로 하고, 단차 d, d′가 다음 2개의 수학식을 만족하면 된다.
Figure 112007016983840-PCT00015
Figure 112007016983840-PCT00016
이 때, 그레이팅(1G)에서는 주로 λO의 파장에 대하여 p차 광이 회절하고, 그레이팅(7G)에서는 주로 λO′의 파장에 대하여 q차 광이 회절하며, 그레이팅(1G, 7G) 전체에서 λO로부터 λO′의 근방의 파장에 대하여 (p+q)차 광이 회절하는 것으로 된다. 도 3의 예에서는, p+q=1의 관계에 있다. 또, 파장 λO, λO′는 근접하고 있지만, 일치하지 않더라도 좋다.
도 4는 본 실시예에 있어서의 집광 장치의 기체(1)를 구성하는 제 1 재료, 및 투명층(7)을 구성하는 제 2 재료의 분산 특성을 나타내는 그래프이다. 제 1 재료는 파장이 짧아질수록, 굴절률이 단조롭게 증가한다(곡선(5)). 제 2 재료도, 파장이 짧아질수록, 굴절률이 단조롭게 증가한다(곡선(5′)). 제 2 재료는 제 1 재료보다 굴절률이 낮고, 분산도 작다. 이 때문에, 제 1 재료 및 제 2 재료의 C선에서의 굴절률을 nC 및 nC′, F선에서의 굴절률을 nF 및 nF′라고 하면, 다음 2개의 수학식이 성립한다.
Figure 112007016983840-PCT00017
Figure 112007016983840-PCT00018
수학식 17은 nO>nO′, 수학식 18은 σ>σ′를 의미한다. 따라서, (nO′-1)>1, (nO-nO′)>1에서, 수학식 12를 만족하는 d, d′는 무수히 존재한다. 또한, (σ-σ′)>0에서, 수학식 13의 변형식인 d′/d<(σ-σ′)/σ′를 만족하는 d, d′도 무수히 존재한다. 따라서, 수학식 17, 수학식 18의 조건하에, 수학식 12, 수학식 13을 만족시키는 것은 용이하며, 또한 수학식 13의 좌변의 절대값도 어느 정도 자유로이 크게 설정할 수 있다.
일반적으로는, 굴절률이 높은 광학 재료의 분산은 크고, 분산이 작은 광학 재료의 굴절률은 작다. 따라서, 수학식 17, 수학식 18을 동시에 만족하는 광학 재 료의 조합은 많이 존재하고, 재료 조합의 다양성은 종래예와는 비교할 수 없을만큼 커진다.
또, λ=λO일 때에 회절 효율이 최대로 되며, ｜Δ/λ｜의 λ에 대한 변화량을 작게 하는 조건은, 어디까지나 수학식 12, 수학식 13이다. 가령, 굴절률 조건이 종래예에서의 수학식 5, 수학식 6의 관계이더라도, 수학식 12, 수학식 13을 만족할 수 있으면, 동일한 효과를 얻을 수 있는 것은 말할 필요도 없다.
도 5는 본 실시예의 광학 소자에 있어서의 각 회절광의 회절 효율의 파장 의존성을 나타내고 있다. 이 광학 소자에서는, 굴절률 nd=1.67, 아베수 ν=20인 플라스틱 재료로 기체(1)를 형성하고, 굴절률 nd=1.49, 아베수 ν=59인 UV 수지로 투명층(7)을 형성하고 있다. 그레이팅 단차 d는 3.00㎛, 단차 d′는 2.31㎛이다. 파장 λ에서의 굴절률 n은 수학식 4로 근사하고 있다.
도 5에 나타내어지는 바와 같이, 1차 회절광(6)은 파장 0.60㎛ 부근에서 극대로 되며, 다른 파장 범위에서는 회절 효율이 약간 저하한다. 이 저하의 정도는 종래예에 비하여 대폭 작다. 이 때문에, 미광으로 되는 0차 광이나 2차 회절광의 회절 효율(곡선(6′, 6″))은 매우 낮게 억제되고 있다. 더구나, 상술한 굴절률, 아베수는 이미 실용 레벨에 있는 플라스틱 재료, UV 수지 재료의 값이며, 현실적인 재료의 조합으로 큰 개선 효과를 얻을 수 있다.
도 5는 그레이팅(1G)에서 λO=0.540㎛인 광에 대한 -1차 광이 회절하고, 그 레이팅(7G)에서 λO′=0.566㎛인 광에 대한 +2차 광이 회절하며, 그레이팅(1G, 7G) 전체에서 1차 광이 회절하는 모델이다. 이외의 형태에서의 회절도 허용된다. 예컨대, 도 6은 각 그레이팅의 톱니 단면의 단차 d=5.10㎛, d′=3.10㎛, 기체(1)의 재료의 굴절률 nd=1.67, 아베수 ν=18, 투명층(7)의 재료의 굴절률 nd=1.49, 아베수 ν=59인 경우에 얻어지는 회절 효율의 계산 결과를 나타내는 그래프이다. 그레이팅(1G)에서 λO=0.459㎛인 광에 대한 -2차 광이 회절하고, 그레이팅(7G)에서 λO′=0.506㎛인 광에 대한 +3차 광이 회절하며, 그레이팅(1G, 7G) 전체에서 1차 광이 회절하는 경우의 각 회절광의 회절 효율을 나타내고 있다.
도 6의 결과는 도 5에 비하여 회절의 중심 파장 λO, λO′가 단파장측으로 시프트하고 있다. 도 6의 예에서는, 그레이팅 단차가 크게 되지만, 그 특성은 도 5의 특성보다 더욱 개선되어 있다.
본 발명자에 의한 계산의 결과, 기체(1)와 투명층(7)의 굴절률차 (nO-nO′)가 클수록, 그레이팅(1G)의 단차 d를 작게 할 수 있고, 기체(1)와 투명층(7)의 분산차 (σ-σ′)가 클수록, 또 그레이팅(1G)의 단차 d가 클수록, 넓은 파장 범위에 걸쳐 높은 회절 효율 성능을 확보할 수 있는 것을 알 수 있었다. 그레이팅(7G)의 단차 d′는 다른 조건(그레이팅(1G)의 단차 d, 각 재료의 굴절률과 아베수)이 정해지면, 대략 일의적으로 최적값이 정해진다.
일반적으로, 굴절 렌즈는, 굴절률이 높은 재료로 형성되면, 광로 길이를 짧 게 할 수 있어, NA를 높이기 쉽다. 한편, 분산이 낮은 재료는, 파장의 차이에 의한 초점이 흐려지는 것을 억제할 수 있다. 그러나, 일반적인 광학 재료는, 유리로도 플라스틱으로도, 고굴절률성과 저분산성의 양쪽을 만족시키지 않는다. 이에 대하여, 본 실시예와 같이 그레이팅이 형성된 렌즈에서는, 회절의 분산능(회절각의 파장 의존성)에 의해, 굴절의 분산능(굴절각의 파장 의존성)을 설계적으로 상쇄할 수 있다. 이 때문에, 고굴절률성 및 저분산성의 양립에 구애받을 필요가 없다.
제조의 용이함이라는 관점에서, 기체(1)는 플라스틱 재료로 형성하고, 투명층(7)은 UV 경화 수지로 형성하는 것이 바람직하다. UV 경화 수지는 다행히, 본 실시예의 조건에 맞는 저굴절률 저분산의 재료이다. 또한, 플라스틱 재료에는, 어느 정도의 배리에이션(variation)이 있으며, 현 상태에서도, 이미 도 5의 광학 성능을 확보할 수 있다. 더구나, 지금까지의 플라스틱 재료 개발은 고굴절률화와 저분산화(고아베수화)의 양립을 목표로 한 나머지, 고분산의 재료는 주목받지 못했고, 고굴절률화도 어중간한 곳에서 타협하는 경향에 있었지만, 저분산이라고 하는 제약이 없어지면, 상황은 크게 달라진다. 따라서, 본 실시예에 의해, 광학 재료의 개발 동향이 고굴절률성과 저분산성의 양립으로부터, 고굴절률성과 고분산성의 양립 및 저굴절률성과 저분산성의 양립으로, 물질 특성의 이치에 맞는 방향으로 변할 수 있어, 업계 전체에 미치는 파급 효과(재료 개발 손실(loss)의 감소 효과)는 크다.
도 7은 본 실시예의 변형예를 나타내고 있다. 이 예에서는, 그레이팅(1G)과 그레이팅(7G) 사이에서 톱니 단면의 에지 위치가 δ만큼 어긋나고 있다. 도 8은 도 5와 동일 조건에서, 파라미터 δ/Λ를 변화시킨 경우에 있어서의 회절 효율의 파장 의존성을 나타내고 있다. 높은 성능을 유지하기 위해서는, ｜δ/Λ｜<0.05를 만족하는 것이 바람직하다.
본 실시예에서는, 렌즈의 한 면(1b)에만 그레이팅(1G, 7G)을 형성하고 있지만, 동일한 구조를 렌즈의 양면(1a, 1b)에 형성하더라도 좋다.
(실시예2)
다음으로, 도 9를 참조하면서, 본 발명에 의한 광학 소자의 실시예 2를 설명한다. 본 실시예의 광학 소자는 투명층(7)의 표면(7S)상에 형성된 그레이팅(7G)의 피치 및 단차 이외의 점에서는, 실시예 1에 있어서의 광학 소자와 동일한 구성을 갖고 있다.
도 9는 본 실시예의 광학 소자의 면(1b, 7S)에서의 회절을 나타내는 단면도이다. 설명을 간단히 하기 위해, 각 면(1b, 7S)이 평면이라 가정하고, 광(2)도 면(1b)에 수직으로 입사하는 것으로 한다.
기체(1)의 굴절률을 n, 투명층(7)의 굴절률을 n′, 면(1b)상에 형성된 그레이팅(1G)의 피치를 Λ, 그 단면 단차를 d, 면(7S)상에 형성된 그레이팅(7G)의 피치를 Λ/2, 그 단면 단차를 d′/2로 설정하고 있다. d, d′의 크기는 실시예 1에 있어서의 값과 동일하다.
본 실시예에 있어서의 그레이팅(1G)에서는, 실시예 1에 있어서의 그레이팅(1G)으로부터 피치나 단차 조건이 바뀌어 있지 않기 때문에, 수학식 15가 성립하 고, p차 광이 회절한다. 한편, 그레이팅(7G)에서는, 단차가 절반으로 감소되어 있기 때문에, q를 우수로 하고, 수학식 16에서, q/2차 광이 회절한다.
따라서, 수학식 1의 우변의 q는 q/2로 변하지만, 피치 Λ도 동시에 절반(Λ/2)으로 되기 때문에, 수학식 1의 우변의 크기에 변화는 없고, 회절각 θ는 변화하지 않는다. 결국, 그레이팅(1G, 7G)의 전체에서는, 실시예 1과 완전히 같은 방위에 같은 강도의 회절광이 발생한다. 이 때문에, 그레이팅(7G)의 피치와 단차가 상이함에도 불구하고, 본 실시예의 광학 소자에 의해서도 실시예 1과 완전히 같은 효과를 얻을 수 있다.
피치가 큰 그레이팅에서는, 본 실시예의 구성을 채용함으로써, 그레이팅 단차를 작게 할 수 있으므로, 그레이팅(7G)을 형성하기 위해 필요한 금형의 제작(절삭 연마 공정 등)이 용이하게 된다. 또한, 실제로 제작되는 단차부는, 가공 오차에 의해, 기준면에 대하여 수직으로 되지 않고 경사하지만, 이 가공 오차는 광의 산란으로 연결된다. 그레이팅 단차를 작게 하면, 광의 산란을 저감하는 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예는, 도시되는 구성을 갖는 것에 한정되지 않는다. 예컨대, 그레이팅(7G)의 피치 및 단차를 정수배 하거나, 또는 정수분의 1로 하더라도 좋다. 또한, 그레이팅(1G)의 피치 및 단차를 정수배 하거나, 정수분의 1로 하더라도 좋고, 이것을 조합한 구성을 채용하더라도 좋다. 단, 단차를 정수분의 1로 하는 경우, 단차가 수학식 15, 수학식 16을 만족하고, 적어도 그 최소값(p=1, q=1에서의 값)을 하회하지 않도록 하는 것이 필요하다. 본 실시예에서의 그레이팅(1G, 7G)의 피치 의 관계는, m, n을 1 이상의 정수로 하고, 그레이팅(1G)에서 m×Λ, 그레이팅(7G)에서 n×Λ의 관계를 만족하면 된다.
본 발명의 광학 소자는 집광 장치나 회절 장치로서 동작하고, 넓은 파장 영역에 걸쳐 고회절 효율을 유지할 수 있기 때문에, 촬상 장치나 다파장 광원을 갖는 광 픽업 등에 적합하게 이용된다.

Claims (16)

  1. 제 1 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 1 광 투과 경사면을 포함하는 제 1 톱니 형상 표면을 갖는 제 1 광 투과층과,
    제 2 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 2 광 투과 경사면을 포함하는 제 2 톱니 형상 표면을 갖고, 상기 제 1 광 투과층의 상기 제 1 톱니 형상 표면에 접촉하는 제 2 광 투과층
    을 구비한 광학 소자로서,
    상기 제 1 광 투과 경사면의 경사 방향과 상기 제 2 광 투과 경사면의 경사 방향이 반대인
    광학 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층은 렌즈 형상을 갖고 있는 광학 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    렌즈 형상을 갖는 부재를 더 구비하고,
    상기 제 1 광 투과층은 상기 렌즈 형상을 갖는 부재에 지지되어 있는 광학 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 상기 제 1 광 투과 경사면의 배열 피치는 상기 제 1 광 투과층의 위치에 따라 변화하고 있는 광학 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층의 굴절률을 n, 상기 제 2 광 투과층의 굴절률을 n′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′, 사용하는 광의 평균 파장을 λ라고 할 때,
    {d′(n′-1)-d(n-n′)}/λ는 어떤 정수값을 중심으로 하여 ±0.2 이하의 범위 내에 있는 광학 소자.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층의 아베수를 ν, 상기 제 2 광 투과층의 아베수를 ν′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′라고 할 때,
    d′/d<ν′/ν-1의 관계가 만족되는 광학 소자.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층의 굴절률 및 분산은 상기 제 2 광 투과층의 굴절률 및 분산보다 높은 광학 소자.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 제 1 광 투과 경사면 중 임의의 제 1 광 투과 경사면과, 상기 제 1 광 투과 경사면을 투과한 광이 투과하는 상기 제 2 광 투과 경사면의 사이에 있는 위치 편차량 δ는 상기 제 1 광 투과 경사면이 위치하는 부분에 있어서의 배열 피치 Λ의 5% 이하인 광학 소자.
  9. 제 1 항에 있어서,
    m 및 n의 각각이 1 이상의 정수이며, 상기 제 1 톱니 형상 표면의 피치가 m×Λ로 나타내어질 때, 상기 제 2 톱니 형상 표면의 피치는 n×Λ로 나타내어지는 광학 소자.
  10. 제 1 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 1 광 투과 경사면을 포함하는 제 1 톱니 형상 표면을 갖는 제 1 광 투과층과,
    제 2 블레이즈각을 규정하는 복수의 제 2 광 투과 경사면을 포함하는 제 2 톱니 형상 표면을 갖고, 상기 제 1 광 투과층의 상기 제 1 톱니 형상 표면에 접촉하는 제 2 광 투과층
    을 구비한 광학 소자로서,
    p, q가 극성이 상이한 0 이외의 정수일 때,
    상기 제 1 광 투과층을 투과하는 광의 80% 이상이 p차 광으로서 회절하고,
    상기 제 2 광 투과층을 투과하는 광의 80% 이상이 p차 광으로서 회절하는
    광학 소자.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층의 아베수를 ν, 상기 제 2 광 투과층의 아베수를 ν′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′라고 할 때,
    d′/d<ν′/ν-1의 관계가 만족되는 광학 소자.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층의 굴절률 및 분산은 상기 제 2 광 투과층의 굴절률 및 분산보다 높은 광학 소자.
  13. 제 10 항에 있어서,
    p+q=1의 관계가 성립하는 광학 소자.
  14. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 광 투과층의 굴절률을 n, 상기 제 2 광 투과층의 굴절률을 n′, 상기 제 1 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d, 상기 제 2 톱니 형상 표면에 있어서의 단차를 d′, 사용하는 광의 평균 파장을 λ라고 할 때,
    0.7λ<｜(n-n′)d/p｜<1.2λ 및 0.7λ<｜(n′-1)d′/q｜<1.2λ의 관계가 성립하는 광학 소자.
  15. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 톱니 형상 표면에 대한 상기 제 2 톱니 형상 표면의 위치 편차량 δ는 상기 제 1 톱니 형상 표면의 피치 Λ의 5% 이하인 광학 소자.
  16. 제 10 항에 있어서,
    m 및 n의 각각이 1 이상의 정수이며, 상기 제 1 톱니 형상 표면의 피치가 m×Λ로 나타내어질 때, 상기 제 2 톱니 형상 표면의 피치는 n×Λ로 나타내어지는 광학 소자.
KR1020077004754A 2004-09-29 2005-09-27 광학 소자 KR20070064592A (ko)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2004283857 2004-09-29
JPJP-P-2004-00283857 2004-09-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20070064592A true KR20070064592A (ko) 2007-06-21

Family

ID=36118931

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020077004754A KR20070064592A (ko) 2004-09-29 2005-09-27 광학 소자

Country Status (6)

Country Link
US (2) US20080007831A1 (ko)
EP (1) EP1806604A4 (ko)
JP (1) JP4714152B2 (ko)
KR (1) KR20070064592A (ko)
CN (1) CN100510793C (ko)
WO (1) WO2006035785A1 (ko)

Families Citing this family (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006106435A (ja) * 2004-10-06 2006-04-20 Canon Inc 光学機器
JP4927646B2 (ja) * 2007-06-06 2012-05-09 住友電工ハードメタル株式会社 レーザ用マイクロレンズ
US20120113518A1 (en) * 2009-11-02 2012-05-10 Takamasa Ando Diffraction grating lens and image capture apparatus using the same
CN102369463A (zh) * 2010-02-26 2012-03-07 松下电器产业株式会社 衍射透镜和使用了它的摄像装置
JP4977275B2 (ja) * 2010-08-19 2012-07-18 パナソニック株式会社 回折格子レンズおよびそれを用いた撮像装置
US9045933B2 (en) * 2011-06-06 2015-06-02 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Energy-efficient smart window system
JP5360625B2 (ja) * 2012-02-08 2013-12-04 住友電工ハードメタル株式会社 レーザ用マイクロレンズ
TWI627449B (zh) * 2016-04-15 2018-06-21 中央研究院 曲面繞射光柵、光譜儀及曲面繞射光柵製造方法
JP7394315B2 (ja) * 2019-09-25 2023-12-08 パナソニックＩｐマネジメント株式会社 照明装置
CN212345738U (zh) 2020-01-20 2021-01-15 革新（厦门）运动器材有限公司 一种折叠结构
US11690444B2 (en) 2021-02-04 2023-07-04 Inno-Sports Co., Ltd. Foldable frame and table having same
CN215533009U (zh) 2021-03-16 2022-01-18 革新（厦门）运动器材有限公司 一种折叠装置
CN113205899B (zh) * 2021-04-25 2023-02-28 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 一种x射线折射闪耀光栅及制备方法

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3717555B2 (ja) 1994-09-12 2005-11-16 オリンパス株式会社 回折光学素子
US5847877A (en) 1994-09-12 1998-12-08 Olympus Optical Co., Ltd. Diffractive optical element
US6781756B1 (en) * 1995-08-29 2004-08-24 Olympus Corporation Diffractive optical element
US6157488A (en) * 1995-08-29 2000-12-05 Olympus Optical Company Ltd. Diffractive optical element
JP3472097B2 (ja) * 1997-08-20 2003-12-02 キヤノン株式会社 回折光学素子及びそれを用いた光学系
JP3472103B2 (ja) * 1997-09-10 2003-12-02 キヤノン株式会社 回折光学素子及びそれを用いた光学系
JP4587418B2 (ja) * 2000-09-27 2010-11-24 キヤノン株式会社 回折光学素子及び該回折光学素子を有する光学系
JP2005164840A (ja) * 2003-12-01 2005-06-23 Canon Inc 光学系及びその設計方法
US7692875B2 (en) * 2005-01-20 2010-04-06 Panasonic Corporation Optical pickup and optical disk device having this pickup

Also Published As

Publication number Publication date
EP1806604A1 (en) 2007-07-11
CN100510793C (zh) 2009-07-08
US20110249345A1 (en) 2011-10-13
WO2006035785A1 (ja) 2006-04-06
JPWO2006035785A1 (ja) 2008-05-15
US20080007831A1 (en) 2008-01-10
EP1806604A4 (en) 2009-03-11
JP4714152B2 (ja) 2011-06-29
US8451539B2 (en) 2013-05-28
CN1977191A (zh) 2007-06-06

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR20070064592A (ko) 광학 소자
US6560019B2 (en) Diffractive optical element and optical system having the same
US6927915B2 (en) Diffractive optical element, and optical system and optical apparatus provided with the same
KR100519636B1 (ko) 회절 광학 소자 및 그것을 사용한 광학 헤드
JP5132284B2 (ja) 回折光学素子およびそれを有する光学系並びに光学機器
JPH1184118A (ja) 回折光学素子及びそれを用いた光学系
JP2001042112A (ja) 回折光学素子及びそれを用いた光学系
JP4374640B2 (ja) 回折レンズ及びその設計方法
JP2007299480A (ja) 回折光学素子、それを備えた対物光学系、及びそれを備えた光ピックアップ装置
JP2000098118A (ja) 回折光学素子及びこれを有する光学系
US6930833B2 (en) Diffractive optical element, and optical system and optical apparatus provide with the same
JPH11223717A (ja) 回折光学素子及びそれを用いた光学系
JP2586703B2 (ja) 光学レンズ
JP4238296B2 (ja) 回折光学素子
JP2003262713A (ja) 回折光学素子及び回折光学素子の製造方法
US8531770B2 (en) Diffractive optical element and optical device
JP2005084485A (ja) 回折光学素子
US8508847B2 (en) Diffractive optical element and optical device
US20110235178A1 (en) Diffractive optical element and optical device
US8451538B2 (en) Diffractive optical element and optical device
JP2005292244A (ja) 集光装置及び回折装置
US8564882B2 (en) Diffractive optical element and optical device
JP2005308958A (ja) 回折光学素子及びそれを有する光学系
JP5369648B2 (ja) 回折光学素子、光学系及び光学機器
Yamagata et al. Efficiency simulation for diamond-turned diffractive lenses

Legal Events

Date Code Title Description
WITN Application deemed withdrawn, e.g. because no request for examination was filed or no examination fee was paid