JP2007183337A

JP2007183337A - 回折光学素子

Info

Publication number: JP2007183337A
Application number: JP2006000576A
Authority: JP
Inventors: Madoka Nishiyama; 円西山; Naoki Fukutake; 直樹福武
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 2006-01-05
Filing date: 2006-01-05
Publication date: 2007-07-19
Anticipated expiration: 2026-01-05
Also published as: JP4725846B2

Abstract

【課題】回折面に異なる入射角度で入射する入射光に対して入射角度毎に異なる回折像を得る。
【解決手段】回折光学素子１が、２以上の入射角度をなす入射光に対して入射角度により異なる回折像が形成されるように回折溝５を有する回折面の形状が構成されている。この回折光学素子１は、入射面が所定の段数からなる階段を有して断面階段状に形成されたバイナリ光学素子からなり、透過光もしくは反射光により回折像が形成される。回折面への入射光の入射角度は、回折光学素子１にＭＥＭＳ素子４のような圧電駆動型の素子を組み合わせることで、例えば１０度ごとに変えることが可能である。なお、計算機合成ホログラムにより回折面の形状を設計することで、回折面に対する入射光の入射角度により異なる回折像を取得可能である。
【選択図】図４

Description

本発明は、回折光学素子に関する。

従来から光学素子として、光の反射、屈折を利用したレンズやプリズムのほか、レンズ面に光の回折作用を有する回折光学面を設けた回折光学素子（Diffractive Optical Element,DOE）が知られている。

回折光学素子は、微小間隔（約１ｍｍ）当たり数百本程度の細い等間隔のスリット状もしくは溝状の格子構造を備えて作られた光学素子であり、光が入射されるとスリットや溝のピッチ（間隔）、光の波長、あるいは入射角度とで定まる方向に回折光束を生じさせて回折パターン（回折像）が形成される性質を有している。このような回折光学素子は種々の光学系に用いられており、例えば、色収差を低減させるため、特定次数の回折光を一点に集めてレンズとして使用するものなどが知られている。

上記のような回折光学素子には、鋸歯状の断面を持つレンズを階段形状に位相近似した構造を有するものがあり、このような回折光学素子は、電子集積回路と同様な方法で作製でき、基板のエッチングあるいは基板へのスパッタにより、基板表面に階段を形成するプロセスをでＮ回繰り返すことで、２のＮ乗レベルの階段が形成される。例えば、リソグラフィーとエッチングを４回繰り返すことで、１６段の階段を有する回折光学素子を作製することができる。このような回折光学素子は、階段の段数がエッチング等のプロセスを繰り返すことで２倍ずつ増加する構造となっているため、バイナリ光学素子（Binary Optical Element,BOE）と称される（例えば、非特許文献１を参照）。
「回折光学素子入門」株式会社オプトニクス社２００２年

ところで、上記のような回折光学素子は、従来は、その回折面に入射する入射光の入射角度を変えずに使用するのが一般的であるが、入射する入射光の入射角度を決めずに入射角度を様々に変えて回折面に入射させた場合であっても、入射光の入射角度を変えない場合と同じように回折光を所定の方向に集光させ、所定の投影面に入射光の入射角度毎に異なる回折像を投影させることが可能であれば、回折光学素子の使用用途が拡大する可能性が高い。

以上のような課題に鑑みて、本発明では、回折面に異なる入射角度で入射する入射光に対して入射角度毎に異なる回折像が形成される回折光学素子を提供することを目的とする。

前記課題を解決するために本発明に係る回折光学素子は、回折面に異なる入射角度で入射する入射光に対して入射角度毎に異なる回折像を形成させるように回折面が構成されている。

また、上記構成の回折光学素子において、回折面が２段以上の段数からなる、もしくは４段以上の段数からなる階段を有して断面階段状に形成されたバイナリ光学素子で構成するのが好ましい。

さらに、上記構成の回折光学素子において、入射光の波長をλとしたとき、階段の少なくとも１段の高さがλ以下であるのが好ましい。

また、上記構成の回折光学素子において、回折面の回折溝の深さが２μｍ以上、もしくは４μｍ以上であるのが好ましい。

また、上記構成の回折光学素子において、回折面の回折溝のピッチ幅が４μｍ以下もしくは２μｍ以下、または、入射光の波長をλとしたとき、回折面の回折溝のピッチ幅がλ以下もしくはλ×２／３以下であるバイナリ光学素子で構成するのが好ましい。

また、上記構成の回折光学素子において、回折面を透過した透過光もしくは回折面で反射した反射光により回折像が形成されるようにするのが好ましい。

一方、上記構成の回折光学素子において、回折面を透過した透過光および回折面で反射した反射光により回折像が形成されるようにしてもよい。

また、上記構成の回折光学素子において、回折面に対する入射光の入射角度を変えるための入射角度変更手段を有するのが好ましい。

さらに、上記構成の回折光学素子において、入射角度変更手段により入射角度を所定の角度ずつ変化させるようにしてもよい。

また、上記構成の回折光学素子において、回折面の形状が位相回復法を用いた計算機合成ホログラムにより設計されているのが好ましい。

また、上記構成の回折光学素子を表示装置もしくは照明装置に用いてもよい。

本発明に関する回折光学素子によれば、回折面に異なる入射角度で入射する入射光に対して入射角度毎に異なる回折像を得ることが可能である。

以下、本発明の好ましい実施の形態について図１乃至図４を参照して説明する。ここではまず、本発明に係る回折光学素子の回折面の１ピッチ内の位相分布を表す位相パターン（回折面の形状）の設計方法について説明する。本実施例においては、回折光学素子の回折面の形状の算出のために位相回復法による計算機合成ホログラム（ＣＧＨ（Computer Generated Hologram））を用いるが、必ずしも位相回復法によるものに限られず、他の方法によるＣＧＨを用いて設計を行ってもよい。

従来においては位相回復法により単色光を回折光学素子に対して垂直入射する場合の回折光学素子の回折面の形状の設計が行われており、以下のような位相回復アルゴリズムが用いられている（図１（ａ）参照）。まず、初期位相パターン（回折光学素子の初期回折面形状）を決定し（Ｓ１１）、それをフーリエ変換して回折パターン（回折像として投影されるパターン）を取得する（Ｓ１３）。このとき、初期位相パターンとして、ランダムパターンがよい。そして、得られた回折パターンの位相をそのまま維持し、その強度のみ所望のパターンに置換する（Ｓ１４）。この置換された回折パターンを逆フーリエ変換することにより回折光学素子の位相パターン（回折面の形状）を取得できるが（Ｓ１５）、これを離散化された位相パターンに強制的に合わせる（Ｓ１２）。ここまでが一つのループとなる。そして、このようなループを繰り返すことで、すなわち、位相パターンのフーリエ変換による回折パターンの取得と、回折パターンの逆フーリエ変換による位相パターンの取得とを繰り返すことで、回折光学素子の回折面の形状がある所定の形状に収束する。

以上は、入射光を回折光学素子に対して垂直入射する場合の位相回復アルゴリズムであるが、本実施例においては、この位相回復アルゴリズムを応用し、入射光の入射角度毎に回折パターンが変化する回折光学素子の設計を行う（図１（ｂ）参照）。本実施例では、上記の従来の場合と同様に、まず最初に回折光学素子の初期表面形状を与える。そして、入射光の回折面に対する入射角度(θ₁〜θ_N)毎に、上記位相回復アルゴリズムを１ループ分だけ実行し（Ｓ２１，Ｓ２２，Ｓ２５）、入射角度ごとに回折光学素子の位相パターン（回折面の形状）を取得する（Ｓ２２，Ｓ２４，Ｓ２６）。しかしながら、上記アルゴリズムにより取得された位相パターンは、入射角度ごとに相違しているため、本実施例では最小自乗法により入射角度による位相パターンの違いを考慮した一つの最適な位相パターンを求めるようになっている（Ｓ２７）。そして、当該最小自乗法に基づく位相パターンを次のループの初期位相パターンとして用い、入射角度ごとに位相パターンを取得したのち、最小自乗法により最適な位相パターンを求める。このようなことを繰り返すことで、回折光学素子の回折面の形状は、ある所定の状態に収束していく。ここで、回折光学素子の予測される集光効率（全回折光のうち特定の範囲に集光される回折光の割合）が約８０％になった場合に回折面の形状の算出を停止させ、すなわち位相回復アルゴリズムを停止させ、その時点で取得されている位相パターンを、入射光の入射角度の違いを考慮した回折光学素子の表面形状として決定する。

次に、上記のようにして回折面の形状が求められた多段の回折光学素子の実際の作製方法について、図２を参照して説明する。多段の回折光学素子は、以下のようにフォトリソグラフィーとエッチングとのプロセスを繰り返すことで作製される。まず、シリコン基板（シリコンに限らず、ＧａＡｓなどの半導体材料の基板であればよい）２上にレジスト膜３を塗布し、上記の計算により決定された回折面の形状に応じたレチクルマスクを通して露光を行う（図２（ａ）参照）。露光に使用する光線は、ｇ線（４３６ｎｍ）やｉ線（３６５ｎｍ）、電子線のほか、Ｘ線等の放射線であってもよい。また、レーザ光を使用した直接描画による露光方法であってもよい。さらに、２光束干渉させて露光を行ってもよい。露光に続いて現像がなされ、続くエッチングのプロセスが行われる。

エッチングは、エッチング装置を用いることでドライエッチングにより行われる。このときにエッチングガスは、基板（シリコン、ＧａＡｓ等）２の種類に応じて任意に選択するが、一例として四フッ化カーボンガスといったものが用いられる。このようにして、一回のフォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスが終了すると、図２（ｂ）のように、所望の深さの回折溝を有し、所望のパターンに応じた２段レンズ（２ＢＯＥ素子）が作製される。

この２段レンズに、さらに、フォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスを繰り返すことで４段レンズが作製され（図２（ｃ）および（ｄ）参照）、この４段レンズに、さらにフォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスを繰り返すことで８段レンズが作製される（図２（ｅ）および（ｆ）参照）。この８段レンズから、１６段レンズ、３２段レンズ、…といったように、フォトリソグラフィーおよびエッチングのプロセスを複数繰り返すと、回折面の形状が多段のバイナリ形状からなる回折光学素子を得ることが可能である。

また、上記のようにして作製された多段の回折光学素子の回折面の形状を、電気鋳造法により電着を行って金型に転写することも可能である。そして、基板ガラス上に十分に加熱され可塑性を有した紫外線硬化樹脂を滴下する。この後、滴下した紫外線硬化樹脂に所望の波面の反転形状が形成された上記金型を押し当てる。さらに、基板ガラス側から紫外線を照射することで、紫外線硬化樹脂を硬化させ、硬化させた紫外線硬化樹脂を金型および基板ガラスより取り外す。これにより、金型に形成されていた表面の形状が紫外線硬化樹脂に転写され、この紫外線硬化樹脂を回折光学素子の複製物として使用できる。

次に、上記の位相回復法によって設計された、回折光学素子の回折面の形状の一例を示す。図３に一例として示す回折光学素子１は所定の深さを有する複数の回折溝５が所定のピッチで形成されたいわゆるバイナリ光学素子であり、その入射面は所定の段数を有して階段状（いわゆるバイナリ形状）に形成されている。図３に示すように、この回折光学素子１は８段の階段を有する８段レンズで構成されているが、必ずしも８段レンズである必要はなく、４段レンズや２段レンズであってもよく、あるいは、８段よりも段数が多い１６段レンズや３２段レンズ等で構成してもよい。この回折光学素子１の階段の１段の高さＨは、例えば入射光の波長λｎｍ以下になるように設計されている。また、回折光学素子１の回折溝５の深さＤは２μｍ以上もしくは４μｍ以上であるのが好ましい。さらに、回折溝５のピッチ幅Ｐは４μｍ以下であるのが好ましいが、２μｍ以下であってもよい。さらに、ピッチ幅Ｐは入射光の波長λｎｍ以下であってもよく、また、入射光の波長λｎｍの２／３以下であってもよい。

次に、上記のようにして設計された回折光学素子に、所定の波長の光を照射した場合に投影面に投影される回折パターン（回折像）について図４を用いて説明する。回折光学素子１は、ＭＥＭＳ(Micro-electro-mechanical System)素子４と組み合わせることで、回折光学素子１の回折面に入射光が垂直入射する状態から入射光の入射角度が所定の角度ずつ変化するように、回折光学素子１を所定の角度ずつ（本実施例では１０度ずつであるが、必ずしもこの角度に限られない）傾斜させることが可能である。

このＭＥＭＳ素子４は、例えば圧電駆動型であり、印加する電圧の大きさを制御することで、回折光学素子１の回折面に入射光が垂直入射するような状態から入射光の入射角度が１０度ずつ変化するように回折光学素子１を揺動させることが可能である。そして、回折光学素子１を揺動させつつ入射光を入射させることにより、以下のように入射光の入射角度ごとに異なる回折パターンを投影させることが可能である。

図４に示すように、回折光学素子１の傾斜角（回折光学素子の回折面と入射光が垂直入射するように置かれた面Ｓとのなす角度）がゼロ度の場合に回折光学素子１を透過した回折光は、所定の投影面に回折パターンＰＡＴ１（模式的に矩形状で示す）として投影される。また、回折光学素子１の傾斜角が１０度の場合に回折光学素子１を透過した回折光は、当該投影面に回折パターンＰＡＴ２（模式的に円形状で示す）として投影され、回折光学素子１の傾斜角が２０度の場合に回折光学素子１を透過した回折光は、当該投影面に回折パターンＰＡＴ３（模式的に三角形で示す）として投影される。さらに、回折光学素子１の傾斜角が３０度の場合に回折光学素子１を透過した回折光は、当該投影面に回折パターンＰＡＴ４（模式的に星形で示す）として投影される。このように、回折光学素子１の回折面に入射する入射光の入射角度を変化させるために、回折光学素子１を揺動させることが可能なＭＥＭＳ素子と本発明に係る回折光学素子１とを組み合わせることで、所定の投影面に入射光の回折光学素子１の回折面に対する入射角度ごとに異なる回折パターンを投影させることが可能である。

なお、本発明のような、回折面に対する入射角度毎に異なる回折パターンを投影させる回折光学素子１の製品への適用例として、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）のような表示素子を装備したプロジェクタ、レーザポインタ、照明装置等が挙げられる。例えば、プロジェクタに本発明に係る回折光学素子１を適用した場合、回折光学素子１であるＤＭＤが、ＤＭＤへの制御信号に応じて揺動することで、所望の映像をスクリーンに投影させることが可能である。また、例えばレーザポインタに本発明に係る回折光学素子１を適用した場合、当該レーザポインタに設けられた操作スイッチの操作に応じて回折光学素子１を揺動させて回折面に対する入射光の入射角度を変化させるように構成することで、所望の投影パターンをスクリーンに投影させることが可能である。

なお、これまで本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明の範囲は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、図４に基づく上記の説明では、回折光学素子１を透過した透過光により回折パターンＰＡＴ１〜ＰＡＴ３が投影される構成を示したが、投影される回折パターンは透過光に限られるわけではなく、回折光学素子１で反射した反射光により入射光の入射角度毎に異なる回折パターンを投影させるように構成してもよい。あるいは、回折光学素子１の一部分を透過した透過光による回折パターンの投影と、回折光学素子１の残りの部分で反射した反射光による回折パターンの投影とを組み合わせてもよい。

また、上記の実施例においては、上記のようにして設計された回折面を入射光の入射面として回折パターンを投影させたが、バイナリ形状が形成された回折面を入射光の出射面として、回折パターンを投影させるようにしてもよい。

本発明に係る回折光学素子の回折面の回折溝の形状が計算機合成ホログラムにより設計するためのアルゴリズムを示すブロック図で、（ａ）は従来から用いられている単色光用の位相回復アルゴリズムで、（ｂ）は上記単色光用の位相回復アルゴリズムを応用して回折光学素子の回折面に対する入射光の入射角度を変えた場合の回折パターンを取得するためのアルゴリズムである。本発明に係る回折光学素子の製造工程を（ａ）から（ｆ）の順で示す図である。本発明に係る回折光学素子の回折面の形状を示す模式断面図である。本発明に係る回折光学素子の回折面に入射する入射光の入射角度を変化させた場合の回折パターンの様子を示す模式図である。

符号の説明

１回折光学素子２基板３レジスト膜４ＭＥＭＳ素子（入射角度変更手段）５回折溝

Claims

回折面に異なる入射角度で入射する入射光に対して前記入射角度毎に異なる回折像を形成させるように前記回折面が構成されていることを特徴とする回折光学素子。
前記回折面が２段以上の段数からなる階段を有して断面階段状に形成されたバイナリ光学素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
前記回折面が４段以上の段数からなる階段を有して断面階段状に形成されたバイナリ光学素子で構成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
入射光の波長をλとしたとき、前記階段の少なくとも１段の高さがλ以下であることを特徴とする請求項２もしくは３に記載の回折光学素子。
前記回折面の回折溝の深さが２μｍ以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面の回折溝の深さが４μｍ以上であることを特徴とする請求項２〜４のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面の回折溝のピッチ幅が４μｍ以下である前記バイナリ光学素子からなることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面の回折溝のピッチ幅が２μｍ以下である前記バイナリ光学素子からなることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子。
入射光の波長をλとしたとき、前記回折面の回折溝のピッチ幅がλ以下である前記バイナリ光学素子からなることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子。
入射光の波長をλとしたとき、前記回折面の回折溝のピッチ幅がλ×２／３以下である前記バイナリ光学素子からなることを特徴とする請求項２〜６のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面を透過した透過光により前記回折像が形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面で反射した反射光により前記回折像が形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面を透過した透過光および前記回折面で反射した反射光により前記回折像が形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の回折光学素子。
前記回折面に対する入射光の前記入射角度を変えるための入射角度変更手段を有することを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載の回折光学素子。
前記入射角度変更手段により前記入射角度を所定の角度ずつ変化させることを特徴とする請求項１４に記載の回折光学素子。
前記回折面の形状が計算機合成ホログラムにより設計されていることを特徴とする請求項１〜１５のいずれかに記載の回折光学素子。
前記計算機合成ホログラムが位相回復法を用いていることを特徴とする請求項１６に記載の回折光学素子。
表示装置もしくは照明装置に用いられることを特徴とする請求項１〜１７のいずれかに記載の回折光学素子。