KR20230041078A - 광학 소자 및 광학 모듈 - Google Patents

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KR20230041078A
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optical element
layer
fresnel lens
transparent base
diffraction
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KR1020237007425A
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자오쿤 왕
웨이밍 우
펑레이 리우
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저지앙 크리스탈-옵텍 씨오., 엘티디.
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Abstract

본 출원은 광학 기술 영역에 속하는 것으로서, 광학 소자(100) 및 광학 모듈(200)에 관한 것이다. 상기 광학 소자(100)는 회절 광학 소자(110) 및 상기 회절 광학 소자(110)와 연결되는 프레넬 렌즈(120)를 포함하고, 상기 프레넬 렌즈(120)를 통과하고 상기 회절 광학 소자(110)를 투과하는 라이트 빔은 프리셋 패턴을 형성할 수 있다. 이를 통해 조립 코스트 및 조립 난이도를 저감시키고 광학 모듈(200)의 소형화의 실현에 유리할 수 있다.

Description

광학 소자 및 광학 모듈
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2021년 03월 04일자로 중국 국가지식재산권국에 제출한 출원번호가 202110238053.7이고 발명 명칭이 "광학 소자 및 광학 모듈"인 중국 특허 출원의 우선권을 주장하며, 이의 전부 내용을 본 출원에 원용한다.
본 출원은 광학 기술 영역에 속하는 것으로서, 구체적으로 광학 소자 및 광학 모듈에 관한 것이다.
현재, 전자 설비 중의 구조광(structure light)과 같은 광학 모듈이 점점 광범하게 많은 제품에 적용되고 있다. 구조광은 특정의 패턴을 물체 표면에 투사하고, 수신 모듈을 이용하여 물체에 의한 광 신호의 변화에 근거하여 연산된 물체의 위치 및 깊이 정보를 수집하여 전체적인 깊이 공간을 복원할 수 있다. 상기 패턴은 스트립 형태, 규칙적인 격자 형태, 메쉬 형태, 스페클(speckle) 형태, 코드 형태 등으로 설계될 수 있으며, 심지어 더 복잡한 형태의 광의 형상으로 설계될 수 있다. 광학 기술의 발전에 따라, 구조광의 응용 범위가 갈수록 광범하게 되고, 예를 들어 안면 인식, 제스쳐 인식, 프로젝터, 삼차원(Three-dimensional; 3D) 윤곽의 재현 , 깊이 측정, 위조 방지 판별 등에 응용되고 있다. 따라서, 광학 모듈은 사람들이 연구하는 중요한 포인트이다.
관련 기술에 있어서, 광학 모듈은 주요하게 광원, 콜리메이션 렌즈 및 광학 소자를 포함한다. 여기서, 광원에서 출사되는 라이트 빔은 콜리메이션 렌즈(collimation lens)를 통과하여 시준광으로 변조되고, 광학 소자에 입사되어 복수개의 광반(facula)을 가지는 패턴 어레이로 회절된 후 물체 상에 투영된다. 그러나, 라이트 빔을 시준하고 회절할 때 일반적으로 복수 세트의 렌즈가 필요하게 된다. 복수 세트의 렌즈는 장착 과정에서 쉽게 편차가 발생하므로 라이트 빔 전파의 신뢰성에 영향을 주게 된다. 복수 세트의 렌즈는 조립 또는 신뢰성의 테스트를 거친 후 쉽게 실효될 수 있기 때문에, 광학 모듈의 조립 불량율이 높아지는 동시에 복수 세트의 렌즈의 조합 시 차지하는 공간이 크며, 조립의 작업 시간이 길고 생산 코스트가 높다.
본 출원은 조립 코스트 및 조립 난이도를 저감시키는 동시에 광학 모듈의 소형화의 실현에 유리할 수 있는 광학 소자 및 광학 모듈을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 출원의 일부 실시예는 광학 소자를 제공한다. 상기 광학 소자는 회절 광학 소자 및 상기 회절 광학 소자와 연결되는 프레넬 렌즈를 포함하며, 라이트 빔은 프레넬 렌즈를 통과하고 상기 회절 광학 소자를 투과하여 프리셋 패턴을 형성할 수 있다.
선택적으로, 상기 회절 광학 소자는 투명 베이스 및 상기 투명 베이스 상에 설치되는 회절층을 포함할 수 있다.
선택적으로, 상기 투명 베이스를 형성하는 재질은 유리 또는 수지일 수 있으며, 상기 회절층은 마이크로-나노 에칭(micro-nano etching) 또는 임프린팅(imprinting) 공정을 통해 패턴화될 수 있다.
선택적으로, 상기 회절층 상에는 상기 회절층을 커버하기 위한 충진층이 충진될 수 있고, 또는 상기 회절층 상에는 커버 플레이트가 설치될 수 있다.
선택적으로, 상기 프레넬 렌즈는 상기 투명 베이스 상에 설치될 수 있고, 또는 상기 프레넬 렌즈는 상기 충진층 상에 설치될 수 있다.
선택적으로, 상기 회절 광학 소자의 굴절율n1과 상기 충진층의 굴절율n2 사이의 차이값은 |n1-n2|≥0.2일 수 있다.
선택적으로, 상기 회절 광학 소자를 형성하는 재질은 상기 충진층을 구성하는 재질보다 높은 굴절율을 가질 수 있고, 또는 상기 회절 광학 소자를 형성하는 재질은 상기 충진층을 구성하는 재질보다 낮은 굴절율을 가질 수 있다.
선택적으로, 상기 투명 베이스의 일 면에는 투명 도전층이 설치될 수 있다.
선택적으로, 상기 투명 도전층은 투명한 금속 산화물 또는 금속 도핑 산화물을 사용할 수 있다.
선택적으로, 상기 프레넬 렌즈는 기재 및 상기 기재 상에 설치되는 시준층을 포함할 수 있고, 상기 프레넬 렌즈를 통과한 라이트 빔은 평행하게 출사되며, 상기 시준층은 상기 투명 베이스와 멀어지는 상기 기재의 일측의 면(일 면)에 위치할 수 있다.
선택적으로, 상기 회절층 및 상기 시준층의 구조 유형은 각각 단차형과 연속형 중의 어느 하나일 수 있다.
선택적으로, 상기 투명 베이스 또는 상기 충진층의 투광면은 항반사막층, 내마모층 또는 소수소유성층 중의 적어도 하나를 설치될 수 있다.
본 출원의 다른 일부 실시예는 광학 모듈을 제공한다. 상기 광학 모듈은 상기 실시예에 따른 광학 소자 및 광원을 포함할 수 있다. 여기서, 상기 광원은 상기 광학 소자의 프레넬 렌즈의 초점면에 위치하고, 상기 프레넬 렌즈의 시준부는 상기 광원을 향하도록 배치될 수 있다.
선택적으로, 상기 광학 모듈 중의 상기 광원은 표면 방출 레이저 또는 레이저 다이오드를 사용할 수 있다.
본 출원의 실시예는 적어도 다음과 같은 발명의 효과를 포함할 수 있다.
본 출원의 실시예에 따른 광학 소자 및 광학 모듈은, 회절 광학 소자와 프레넬 렌즈를 연결시키는 것을 통해 구조의 광학 부재를 하나의 전체적인 구조를 형성하고, 시준 및 회절의 광학 성능을 동시에 가질 수 있다. 그리고, 광학 소자를 가공할 때, 회절 광학 소자와 프레넬 렌즈 사이의 정열 오차는 웨이퍼 사이의 정열 능력에 의해 결정되기 때문에 전통적인 렌즈 모듈의 장착을 이용하는 방법에 비하여 렌즈 모듈 사이의 정열 정밀도보다 훨신 높다. 또한, 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자는 조립시 단일 광학 소자를 장착하는 것만으로도 가능하기 때문에 장착 효율이 더 높으며, 분리된 시준 렌즈 모듈과 DOE 소자를 사용하는 것에 비하여 조립 코스트 및 조립 난이도를 저감시킬 수 있다. 또한, 단일 광학 소자를 사용하기 때문에 차지하는 공간이 더 작고 광학 모듈의 소형화의 설계에 유리할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예의 기술 수단을 더 명확하게 설명하기 위하여 실시예에서 사용되는 도면을 간략하게 설명한다. 이하의 도면은 본 발명의 일부 실시예만을 예시한 것일뿐, 보호 범위에 대한 한정으로 간주하여서는 아니하며, 당 분야의 일반적인 지식을 가진 기술인원에 있어서 창조적인 노동을 지불하지 아니하는 전제하에서, 이와 같은 도면에 근거하여 기타 관련되는 도면을 얻을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자의 제1 구조를 나타내는 예시도이다.
도 2는 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자의 제2 구조를 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자의 제3 구조를 나타내는 예시도이다.
도 4는 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자의 제4 구조를 나타내는 예시도이다.
도 5는 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자의 제5 구조를 나타내는 예시도이다.
도 6은 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자의 제6 구조를 나타내는 예시도이다.
도 7은 본 출원의 실시예에 따른 광학 모듈의 제1 구조를 나타내는 예시도이다.
도 8은 본 출원의 실시예에 따른 광학 모듈의 제2 구조를 나타내는 예시도이다.
도 9는 본 출원의 실시예에 따른 광학 모듈의 제3 구조를 나타내는 예시도이다.
도 10은 본 출원의 실시예에 따른 광학 모듈의 제4 구조를 나타내는 예시도이다.
도 11은 본 출원의 실시예에 따른 광학 모듈이 제5 구조를 나타내는 예시도이다.
이하, 본 출원의 실시예의 목적, 기술안 및 우점을 더욱 명확하도록 하기 위해, 본 출원의 실시예의 도면을 결합하여 본 출원의 실시예의 기술안을 명확하고 완정하게 설명한다. 물론, 설명되는 실시예는 본 출원의 일부 실시예로서 전부의 실시예가 아니다. 일반적으로 명세서 도면에 설명되고 도시된 본 출원의 실시예의 어셈블리는 여러가지 상이한 배치로 설치 및 설계될 수 있다.
따라서,이하 도면에서 제공되는 본 출원의 실시예에 대한 상세한 설명은 본 출원이 보호하고자 하는 청구범위를 한정하는 것이 아니라 본 출원의 특정 실시예를 표시하기 위한 것뿐이다. 본 출원이 속하는 기술영역의 보통 기술 인원이 본 출원의 실시예에 근거하여 창조적인 노동을 지불하지 아니 하는 전제 하에서 얻는 모든 기타 실시예는 모두 본 출원의 보호 범위에 속한다.
여기서 주의해야 할 것은, 유사한 부호와 자모는 이하의 도면에서 유사한 구성 요소를 표시하므로 어느 하나의 구성 요소가 하나의 도면에서 정의되었을 경우, 이후의 도면에서는 이에 대하여 진일보로 정의 및 해석할 필요가 없다.
본 출원의 설명에 있어서 더 설명해야 할 것은, 규정 및 한정을 별도로 명확하게 한정하지 않는 한, “설치”, “연결”과 같은 용어는 광의적으로 이해하여야 한다. 예를 들어, 고정 연결될 수 있고, 탈착 가능하게 연결되거나 일체로 연결될수 있으며; 또한, 직접 연결될 수 있고, 중간 매체를 통해 간접적으로 연결될 수도 있으며, 2개 소자의 내부에서 연통될 수 있다. 본 출원이 속하는 기술영역의 보통 기술 인원은 구체적으로 상황에 근거하여 본 출원에서의 상기 용어들의 구체적인 의미를 이해할 수 있다.
광학 소자는 많은 정경에 널리 응용되고 있다. 예를 들어, 3D 구조광의 전체적인 시스템은 구조광 투영 모듈, 카메라 및 이미지 수집 처리 시스템을 포함한다. 이의 처리 과정은 다음과 같다. 구조광 투영 모듈이 라이트 빔을 피측물 상에 발사하고, 카메라가 피측물 상에 형성된 삼차원 광 패턴을 촬영하며, 촬영된 이미지가 이미지 수집 처리 시스템에 의해 처리된 후 피측물 표면의 데이터를 획득할 수 있다. 이러한 시스템에서, 카메라와 구조광 투영 모듈의 상대적 위치가 일정할 때, 피측물 상에 투사된 라이트 빔의 왜곡 정도는 물체 표면의 깊이에 의해 결정되기 때문에, 이미지를 촬영하는 과정에서 깊이를 가지는 하나의 라이트 빔 이미지를 얻을 수 있다.
구조광 투영 모듈은 전체적인 3D 시각에서 중요한 어셈블리의 하나로서, 특정 변조를 거친 불가시한 적외선을 피촬영 물체에 발사하기 위한 것이고, 이의 발사된 이미지의 품질은 전체적인 인식 효과에 매우 중요하다. 구조광 투영 모듈은 사용할 때, 불가시 적외선 발사 광원에서 불가시한 적외선을 발사하여야 하며, 불가시한 적외선은 시준 렌즈를 통해 교정되고, 교정된 불가시한 적외선은 광학 회절 소자(Diffractive Optical Element, DOE)를 통해 회절됨으로써 필요한 광반 패턴을 얻을 수 있다.
통상적인 구조광 투영 모듈에서, 시준 렌즈와 DOE는 분리된 소자이기 때문에 전체 모듈의 점유 공간이 크고 정열 정밀도가 낮으며 조립 코스트가 높은 등 문제점들이 존재하므로, 비교적 큰 제한을 받고 있다. 본 출원의 실시예는 단일 광학 소자를 통해 시준 및 회절 기능을 동시에 실현함으로써 상기 문제점들을 해결할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예는 광학 소자(100)를 제공하고, 상기 광학 소자(100)는 회절 광학 소자(110) 및 상기 회절 광학 소자(110)와 연결(결합)되는 프레넬 렌즈(120)를 포함할 수 있다. 라이트 빔은 프레넬 렌즈(120)를 통과하고 회절 광학 소자(110)를 투과한 후 프리셋(preset) 패턴을 형성할 수 있다.
구체적으로, 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120)가 연결되어 일체형 구조를 형성하고, 또는 동일(同一)한 기재 상에 임프린팅, 에칭 또는 레이저 직접 묘화의 방법을 이용하여 일체로 성형시킴으로써 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120) 사이의 정열 오차가 웨이퍼 사이의 정열 능력(마이크론 오더)에 의해 결정되도록 하여 통상적인 방법의 소자 사이의 정열 오차(밀리미터 오더)에 비하여 훨씬 작다. 상기 방식을 통해 광학 소자(100)의 전체적인 광학 성능을 향상시킬 수 있다.
본 출원의 실시예에 따른 광학 소자(100)를 사용하는 경우, 광원은 프레넬 렌즈(120)의 초점면(focal plane)에 설치되고, 광원에서 출사되는 산란 광반은 광학 소자(100)의 프레넬 렌즈(120)를 통과하는 과정에서 시준된 후 회절 광학 소자(110)에 평행하게 입사될 수 있다. 회절 광학 소자(110)는 시준광을 회절시켜 프리셋 패턴을 형성할 수 있다. 여기서, 상기 프리셋 패턴은 실제 수요에 따라 스트립 형태, 규칙적인 격자 형태, 메쉬 형태, 스페클 형태 및 코드 형태 등으로 설계될 수 있지만, 본 출원의 실시예에서는 이에 대하여 구체적으로 한정하지 않는다.
본 출원의 실시예에 따른 광학 소자(100)는, 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120)를 연결시키는 것을 통해 광학 소자(100)를 하나의 전체적인 구조를 형성하고, 시준 및 회절의 광학 성능을 동시에 가질 수 있다. 광학 소자(100)를 가공 할 때, 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120) 사이의 정열 오차는 웨이퍼 사이의 정열 능력에 의해 결정되도록 하여 통상적인 렌즈 모듈의 장착을 이용하는 방법에 비하여 렌즈 모듈 사이의 정열 정밀도보다 훨씬 높다. 또한, 본 출원의 실시예에 따른 광학 소자(100)를 적용하는 경우, 조립 시 단일 광학 소자(100)를 장착하는 것만으로도 가능하기 때문에 장착 효율이 더 높으며, 분리된 시준 렌즈 모듈 및 DOE 소자를 사용하는 경우에 비하여 조립 코스트 및 조립 난이도를 저감시킬 수 있다. 또한, 단일 광학 소자(100)를 사용하기 때문에 차지하는 공간이 더 작고 광학 모듈(200)의 소형화 설계에 유리할 수 있다.
회절 광학 소자(110)는 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 투명 베이스(112) 및 상기 투명 베이스(112) 상에 설치되는 회절층(114)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 투명 베이스(112)를 구성하는 재질은 유리 또는 수지일 수 있다. 회절층(114)은 마이크로-나노 에칭 공정을 통해 패턴화될 수 있으며, 이를 통해 레이저가 각 회절 유닛을 통과된 후 회절되어 특정적인 광세기 분포를 형성할 수 있고, 예를 들어 격자 형태를 형성할 수 있다. 또한, 실제 수요에 따라 균일한 광선을 발생하는 확산 시트(Diffuser)를 사용할 수 있다. 여기서, 회절 광학 소자(110)의 회절 유닛의 구체적인 패턴은 동작 파장, 사용되는 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, VCSEL)의 격자 분포 및 최종적으로 수요되는 회절 패턴 분포에 따라 공동으로 결정될 수 있다. 그리고, 회절 광학 소자(110)의 높이는 동작 파장 및 사용되는 두가지 종류의 재질의 굴절율의 차이 및 단차의 개수에 따라 결정될 수 있다. 또한, 회절층(114)은 나노 임프린팅을 통해 성형되어 수요되는 회절 유닛을 형성할 수 있다.
도 4, 도 5 또는 도 6에 도시한 바와 같이, 회절층(114) 상에는 회절층(114)을 커버하기 위한 충진층(130)이 충진될 수 있거나, 회절층(114) 상에는 커버 플레이트(140)가 설치될 수 있다.
구체적으로, 도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120)가 각각 투명 베이스(112)의 대향하는 양 면에 위치하는 경우, 에칭 또는 임프린팅 또는 레이저 직접 묘화 등 방법을 통해 투명 베이스(112) 상에 회절층(114)을 형성시킬 수 있다. 이 후, 회절층(114) 구조의 안정성을 확보하고 외계 충돌에 인해 회절층(114)의 구조가 영향을 받는 것을 회피하기 위해, 회절층(114) 상에 충진층(130)을 충진하여 회절층(114)을 커버할 수 있다. 이를 통해, 회절층(114)이 충진층(130) 내에 위치하고 커버되어 회절층(114) 구조의 안정성을 확보할 수 있다. 도 6에 도시한 바와 같이, 회절 광학 소자(110)의 회절부 상에 커버 플레이트(140)를 형성할 수도 있다. 이를 통해 회절 광학 소자(110)의 회절층(114)을 보호하는 작용을 할 수 있으므로, 사용 시 광학 소자(100)의 안정성을 확보할 수 있다.
프레넬 렌즈(120)에 의해 시준된 후의 라이트 빔이 회절층(114)에 의해 회절되어 원하는 패턴을 형성하는 것을 확보하기 위해, 회절 광학 소자(110)의 굴절율(n1)과 충진층(130)의 굴절율(n2) 사이의 차이값을 |n1-n2|≥0.2로 설정할 수 있다.
구체적으로, 회절 광학 소자(110)를 형성하는 재질은 상대적으로 큰 굴절율을 가지고, 충진층(130)을 구성하는 재질은 상대적으로 낮은 굴절율을 가질 수 있다. 회절 광학 소자(110)를 형성하는 재질은 상대적으로 낮은 굴절율을 가지고, 충진층(130)을 구성하는 재질은 상대적으로 큰 굴절율을 가질 수도 있지만, 본 출원의 실시예에서는 이에 대하여 구체적으로 한정하지 않는다. |n1-n2|≥0.2를 만족하는 경우, 회절 효과가 더욱 양호하고, 획득된 프리셋 패턴이 더 우수할 수 있다.
여기서 설명해야 할 것은, 상이한 굴절율을 이용하는 것은 회절의 정상적인 발생을 확보하기 위한 것으로서, 동일한 굴절율을 가지는 재질을 사용하게 되면, 충진층(130)과 회절층(114)이 동일하게 형성되고 회절층(114)을 구비하지 않는 구조로 인정될 수 있으므로 충진층(130)과 회절 광학 소자(110) 사이의 굴절율을 상이하게 형성하여야 한다. 또한, 충진층(130)을 구비하지 않는 경우, 회절 광학 소자(110)와 공기 사이에도 상이한 굴절율을 가지기 때문에 마찬가지로 필요한 패턴의 정상적인 생성을 확보할 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시한 바와 같이, 프레넬 렌즈(120)는 투명 베이스(112) 상에 설치될 수 있다. 또는, 프레넬 렌즈(120)는 회절층(114) 상에 설치될 수도 있다.
구체적으로, 도 3은 프레넬 렌즈(120)가 회절층(114)에 설치되어 있는 구조를 나타내는 예시도이다. 프레넬 렌즈(120)를 제조할 때, 프레넬 렌즈(120) 및 회절 광학 소자(110)가 투명 베이스(112)의 동일한 일 측(일 면)에 위치하는 경우, 임프린팅 또는 에칭 또는 레이저 직접 묘화 등 방법을 통해 충진층(130) 상에 직접 성형될 수 있다. 이로 인해, 충진층(130)과 프레넬 렌즈(120)의 재질이 같게 될 뿐만아니라 프레넬 렌즈(120)와 충진층(130) 사이가 더 안정적으로 결합되는 것에 유리할 수 있다. 여기서, 프레넬 렌즈(120)와 충진층(130)의 결합은 자외선 경화 접착제 등을 이용할 수 있다. 여기서 이해할 수 있는 것은, 충진층(130)을 형성하는 재질은 프레넬 렌즈(120)를 형성하는 재질과 상이할 수도 있다. 이때, 충진층(130)을 회절층(114) 상에 충진하고 피복시키고 평탄화할 필요가 있으며, 그 다음 다시 새로운 레이어를 설치하는 동시에 임프린팅 방법을 통해 프레넬 렌즈(120)를 형성할 수 있다.
도 4는 프레넬 렌즈(120)가 투명 베이스(112)에 설치되어 있는 구조를 나타내는 예시도이다. 회절 광학 소자(110)의 마스터와 프레넬 렌즈(120)의 마스터의 제작이 완료된 후, 투명 베이스(112)의 대향하는 양 측(양 면)에 각각 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120)의 본체 구조를 임프린팅하고, 최종적으로 디몰딩하는 것을 통해 요구하는 광학 소자(100)를 형성할 수 있다. 광학 소자(100)의 회절 광학 소자(110)를 효과적으로 보호하기 위해, 회절 광학 소자(110)의 회절층(114) 상에 충진층(130)을 충진하여 덮을 수 있다. 여기서, 상기 방법을 이용하여 광학 소자(100)를 제조하는 경우, 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120)의 재질은 같을 수 있고, 상이할 수도 있다. 여기서 설명해야 할 것은, 어떠한 제조 방법을 이용하는 것과 관계없이 정열 마크를 추가하는 방법을 통해 정열 오차를 감소시킬 수 있다.
본 출원의 선택적인 실시예에서, 투명 베이스(112)의 일 측의 표면에는 투명 도전층이 설치될 수 있다.
구체적으로, 투명 도전층은 예를 들어 인듐 주석 산화물, 산화 아연, 산화 주석, 인듐 도핑 일산화 주석, 주석 도핑 갈륨 옥사이드, 주석 도핑 은(silver) 인듐 옥사이드, 인듐 주석 산화물, 주석 도핑 산화인듐(indium oxide), 안티몬 도핑 이산화 주석, 알루미늄 도핑 산화 아연 등과 같은 투명한 금속 산화물 또는 금속 도핑 산화물을 사용할 수 있다. 도 1 또는 도 3의 구조를 이용하는 경우, 투명 도전층은 전체 층의 형식으로 회절 광학 소자(110)와 멀어지는 투명 베이스(112)의 일측의 면에 설치될 수 있다. 도 2, 도 4 또는 도 5의 구조를 이용하는 경우, 투명 도전층은 전체 층의 형식으로 먼저 투명 베이스(112)의 일측의 면에 설치되고, 그 다음 양 측 임프린팅의 방법을 통해 각각 투명 베이스(112) 상에 회절 광학 소자(110)와 프레넬 렌즈(120)를 형성시킬 수 있다, 이때, 투명 도전층은 회절 광학 소자(110) 또는 프레넬 렌즈(120) 상에 위치될 수 있다. 상기 방법을 통해, 광학 소자(100)가 파열되는 경우 투명 도전층은 끊어지게 되어 측정 와이어가 절단될 수 있다. 광학 모듈(200)과 대응하는 제어기는 투명 도전층의 온/오프에 따라 광학 소자(100)의 상태를 확인할 수 있다. 광학 소자(100)에 손상이 없는 경우, 광원(210)은 정상적으로 발광할 수 있다. 이때, 광원(210)에서 방출되는 레이저는 광학 소자(100)의 회절 작용을 통해 사람의 눈에 상해를 주지 않는다. 광학 소자(100)가 파열되는 경우, 제어기는 광원(210)이 오프되도록 제어함으로써 광원(210)에서 방출되는 라이트 빔이 직접 출사되는 것을 피면하므로 사용자를 효과적으로 보호할 수 있어 제품 사용 시의 안전성을 향상시킬 수 있다.
도 2에 도시한 바와 같이, 프레넬 렌즈(120)는 기재(122) 및 상기 기재(122) 상에 설치되는 시준층(124)을 포함할 수 있다. 이를 통해, 프레넬 렌즈(120)를 투과한 라이트 빔이 평행하게 출사될 수 있다. 여기서, 시준층(124)은 투명 베이스(112)와 멀어지는 기재(122)의 일 면에 위치할 수 있다.
구체적으로, 프레넬 렌즈(120)는 임프린팅, 에칭 또는 레이저 직접 묘화의 방법을 통해 투명 베이스(112) 상에 성형될 수 있다. 상기 방법을 이용하는 경우, 기재(122)와 투명 베이스(112)는 동일한 특징을 가지고 있는 것으로 인정될 수 있다. 또한, 투명 베이스(112) 상에 임프린팅 접착제를 코팅하고 임프린팅 접착제의 표면에 임프린팅 성형하는 것을 통해 프레넬 렌즈(120)와 투명 베이스(112) 사이를 연결시켜 성형할 수 있다. 여기서, 임프린팅 성형의 방법을 이용하는 경우, 에칭 또는 레이저 직접 묘화의 방법을 이용하여 필요한 마스터를 제조할 수 있으며, 마스터에 대한 임프린팅을 통해 생산 코스트의 저감에 유리할 수 있는 동시에 대량 생산에 도움이 될 수 있어 생산 효율을 제고시킬 수 있다. 또한, 프레넬 렌즈(120)를 투과한 라이트 빔은 평행하게 출사하는 것은, 구체적으로 출사되는 라이트 빔 사이가 서로 평행되는 것을 가르키지만, 출사된 라이트 빔과 투명 베이스(112)가 위치하는 평면 사이가 서로 수직되기 때문에 라이트 빔의 효과적인 시준 교정을 확보할 수 있다.
본 출원의 선택적인 실시예에서, 회절층(114)과 시준층(124)의 구조 유형은 각각 단차형과 연속형 중의 어느 하나를 이용할 수 있다.
구체적으로, 회절 광학 소자(110)의 회절층(114)은 회절 유닛을 포함할 수 있고, 회절 유닛을 형성하는 개체는 단차형 또는 연속형을 이용할 수 있다. 여기서, 회절층(114)이 단차형 구조를 이용하는 경우, 2개 단차, 4개 단차 또는 8개 단차 등의 단차형 구조를 이용할 수 있다. 마찬가지로, 프레넬 렌즈(120)의 시준층(124)도 단차형(도 1에 도시됨.) 또는 연속형(도 2에 도시됨.)을 이용할 수 있다. 여기서, 시준층(124)이 단차형 구조를 이용하는 경우, 4개 단차, 8개 단차 또는 필요에 따라 더 높은 단차 등의 단차형 구조를 이용할 수 있다. 또한, 본 출원의 실시예의 프레넬 렌즈(120)는 마이크로-나노 오더의 프레넬 렌즈인 것이 바람직하다. 이러한 마이크로-나노 구조는 통상적인 프레넬 렌즈의 구조에 비하여 정밀화하고 정밀도가 더 높기 때문에, 시준 소자의 렌즈 개수를 감소하는 전제하에서 양호한 집광성 및 이미지 형성 성능을 확보할 수 있을 뿐만아니라, 시준 소자의 구면 수차(aberration)가 레이저 품질에 대한 영향을 어느 정도 감소시킬 수도 있다. 여기서 설명해야 할 것은, 연속형 프레넬 렌즈(120)의 높이는 약 10 ~ 30um이고, 이는 굴절 원리에 기초하여 설정될 수 있다. 단차형 프레넬 렌즈(120)의 높이는 약 1 ~ 2um이고, 이는 회절 원리에 기초하여 설정될 수 있다. 프리즈넬 존 플레이트(fresnel zone plate)의 위상 변화를 통해 비교적 높은 회절 효율을 얻을 수 있다.
본 출원의 선택적인 실시예에서, 투명 베이스(112) 또는 충진층(130)의 투광면에는 항반사막층, 내마모층 또는 소수소유성(Anti-fingerprint)층 중의 적어도 하나가 설치될 수 있다. 이를 통해, 투명 베이스(112) 또는 충진층(130)의 투광면에 항반사막층이 설치되는 경우, 라이트 빔의 투과율을 증대시킬 수 있으므로 라이트 빔의 이용율을 효과적으로 향상시킬 수 있다. 또한, 본 출원의 선택적인 실시예에서, 투명 베이스(112) 또는 충진층(130)의 출광면에 내마모층을 설치하는 것을 통해, 광학 소자(100)가 장착 또는 사용 과정에서의 안정성을 확보함으로써 표면의 마모에 의해 라이트 빔의 전파에 영향을 주는 확율을 감소시킬 수도 있다. 마찬가지로, 실제 수요에 따라 소수소유성층을 설치하는 것을 통해, 내지문 성능을 제고시켜 투명 베이스(112) 또는 충진층(130)의 투광면이 윤기가 나고 아름다운 것을 유지하는 것을 확보할 수 있다.
도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 본 출원의 실시예는 광학 모듈(200)을 더 제공한다. 광학 모듈(200)은 전술한 실시예에서의 광학 소자(100) 및 광원(210)을 포함할 수 있다. 여기서, 광원(210)은 광학 소자(100)의 프레넬 렌즈(120)의 초점면에 위치하고, 프레넬 렌즈(120)의 시준부는 광원(210)을 향하도록 배치될 수 있다.
구체적으로, 광학 모듈(200)의 광원(210)은 표면 방출 레이저 또는 레이저 다이오드(Laser Diode; LD)를 사용할 수 있다. 여기서, 표면 방출 레이저는 체적이 작고 원형 광반을 출력하며 단일 종파 모드로 출력하고 전류의 역치가 작으며 가격이 저렴하고 큰 면적의 어레이로 용이하게 접적화하는 등 우점을 가지고 있으므로 라이트 빔의 다원화된 출사에 유리할 수 있다. 광원(210)을 프레넬 렌즈(120)의 초점면에 설치하는 것을 통해 라이트 빔이 더 양호하게 시준 교정되는데 유리하게 되기 때문에, 형성되는 프리셋 패턴의 품질을 확보할 수 있다.
본 출원의 광학 모듈(200)은 구조가 간단하고 기타 시준 렌즈가 없이 광원(210) 및 광학 소자(100)만을 포함하기 때문에, 전통적인 광학 모듈(200)에 비하여 조립 코스트가 낮고 또한 광학 소자(100)가 시준 및 회절 기능을 가지고 있으므로 전체적인 사이즈를 1 mm 내로 제어할 수 있어 광학 모듈(200)의 소형화에 유리할 수 있다.
도 6, 도 9 및 도 10에 도시한 바와 같이, 프레넬 렌즈(120)가 단차형을 이용하고 각각 레이저 다이오드 또는 표면 방출 레이저의 구조를 나타내는 예시도이다. 해당 구조는 프레넬 렌즈(120)와 회절 광학 소자(110)가 각각 투명 베이스(112)의 양 면에 설치되어 있는 구조이다. 해당 상태에서, 회절 광학 소자(110)를 효과적으로 보호하기 위해 회절 광학 소자(110) 상에 커버 플레이트(140)를 설치함으로써, 사용 시 광학 모듈(200)이 더욱 안정적으로 동작할 수 있도록 한다. 회절 광학 소자(110) 상에 충진층(130; 도 11에 도시됨.)을 설치하는 것을 통해 커버 플레이트(140)와 동등한 작용을 실현할 수도 있다.
도 1, 도 7 및 도 8에 도시한 바와 같이, 해당 구조는 프레넬 렌즈(120)와 회절 광학 소자(110)가 모두 투명 베이스(112)의 동일한 일 면에 설치되어 있는 구조이다. 어떠한 형식을 이용하더라도, 프레넬 렌즈(120)와 회절 광학 소자(110)를 하나의 전체적인 구조로 설치하는 것을 통해 점유 공간을 효과적으로 감소시킬 수 있고 높은 효율을 확보하는데 유리할 수 있으며, 가공 난이도를 저하시키는 동시에 광학 모듈의 정열 정밀도를 향상시킬 수 있고, 또한 조립 코스트를 저감시켜 광학 모듈(200)의 소형화의 실현에 유리할 수 있다.
이상 설명한 것은 본 출원의 바람직한 실시예일 뿐 본 출원을 한정하기 위한 것이 아니며, 본 출원이 속하는 기술영역의 기술 인원은 본 출원에 대하여 여러가지 변경 및 체환을 수행할 수 있다. 본 출원의 기술 사상과 원칙 내에서 수행한 임의의 수정, 동등한 체환, 개선 등은 모두 본 출원의 보호 범위 내에 속한다.
산업상의 이용 가능성
본 출원은 광학 소자 및 광학 모듈을 제공하고, 상기 광학 소자는 회절 광학 소자 및 상기 회절 광학 소자와 연결되는 프레넬 렌즈를 포함하며, 프레넬 렌즈를 통과하고 상기 회절 광학 소자를 투과한 라이트 빔은 프리셋 패턴을 형성할 수 있다. 이를 통해 조립 코스트를 저감시키고 광학 모듈의 소형화의 실현에 유리할 수 있다.
또한, 이해할 수 있는 것은 본 출원의 광학 소자 및 광학 모듈은 재현될 수 있으며, 각종 산업에 적용될 수 있다. 예를 들어, 본 출원의 광학 소자 및 광학 모듈은 광학 기술 영역에 적용될 수 있다.
100-광학 소자; 110-회절 광학 소자; 112-투명 베이스; 114-회절층; 120-프레넬 렌즈; 122-기재; 124-시준층; 130-충진층; 140-커버 플레이트; 200-광학 모듈; 210-광원.

Claims (14)

  1. 광학 소자로서,
    회절 광학 소자 및 상기 회절 광학 소자와 연결되는 프레넬 렌즈를 포함하고,
    상기 프레넬 렌즈를 통과하고 상기 회절 광학 소자를 투과하는 라이트 빔은 프리셋 패턴을 형성하는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자는 투명 베이스 및 상기 투명 베이스 상에 설치되는 회절층을 포함하는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 투명 베이스를 구성하는 재질은 유리 또는 수지이고,
    상기 회절층은 마이크로-나노 에칭 또는 임프린팅 공정을 통해 패턴화되는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  4. 제2 항 또는 제3 항에 있어서,
    상기 회절층 상에는 상기 회절층을 커버하기 위한 충진층이 충진되고, 또는
    상기 회절층 상에는 커버 플레이트가 설치되는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈는 상기 투명 베이스 상에 설치되고, 또는
    상기 프레넬 렌즈는 상기 충진층 상에 설치되는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  6. 제4 항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자의 굴절율n1과 상기 충진층의 굴절율n2 사이의 차이값은 |n1-n2|≥0.2인
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 회절 광학 소자를 형성하는 재질은 상기 충진층을 구성하는 재질보다 높은 굴절율을 가지고, 또는
    상기 회절 광학 소자를 형성하는 재질은 상기 충진층을 구성하는 재질보다 낮은 굴절율을 가지는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  8. 제2 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 베이스의 일 면에는 투명 도전층이 설치되는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  9. 제8 항에 있어서,
    상기 투명 도전층은 투명한 금속 산화물 또는 금속 도핑 산화물을 사용하는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  10. 제2 항 내지 제9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 프레넬 렌즈는 기재 및 상기 기재 상에 설치되는 시준층을 포함하고,
    상기 프레넬 렌즈를 투과한 라이트 빔은 평행하게 출사되며,
    상기 시준층은 상기 투명 베이스와 멀어지는 상기 기재의 일 면에 위치하는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  11. 제10 항에 있어서,
    상기 회절층 및 상기 시준층의 구조 유형은 각각 단차형과 연속형 중의 어느 하나인
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  12. 제4 항 내지 제11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 투명 베이스 또는 상기 충진층의 투광면에는 항반사막층, 내마모층 또는 소수소유성층 중의 적어도 하나가 설치되는
    것을 특징으로 하는 광학 소자.
  13. 광학 모듈로서,
    제1 항 내지 제12 항 중 어느 한 항에 따른 광학 소자 및 광원을 포함하고,
    상기 광원은 상기 광학 소자의 프레넬 렌즈의 초점면에 위치하며,
    상기 프레넬 렌즈의 시준부는 상기 광원을 향하도록 배치되는
    것을 특징으로 하는 광학 모듈.
  14. 제13 항에 있어서,
    상기 광학 모듈의 상기 광원은 표면 방출 레이저 또는 레이저 다이오드를 사용하는
    것을 특징으로 하는 광학 모듈.
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