JP4397482B2 - 光束分割素子 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、グレーティング型の光束分割素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来のグレーティング型の光束分割素子は、例えば特開平5−323110号公報、特開平7−225305号公報に開示されている。これらの公報には、単一の位相高さを持つ不均等幅の矩形パターンを利用して奇数本、あるいは偶数本の回折光を得る光束分割素子が開示される。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した公報に記載された従来の光束分割素子は、回折効率が前者の実施例で70%〜85%、後者の実施例で81%と低い値に止まっており、入射光の強度を十分有効に利用することができず、光エネルギーのロスが大きいという課題がある。
【0004】
なお、上記の特開平7−225305号公報にも記載されるように、コンピュータに接続される光記録装置、あるいは、光コンピュータの分野では、ディジタル演算の単位が1バイト、すなわち8ビットであり、演算の基本が一般に偶数ビット単位であるため、これらの分野で利用される光記録装置、あるいは光コンピュータにおいても、偶数本の光が利用される場合がある。したがって、光束分割素子も光を偶数本に分割することができれば、入射光の強度を無駄にすることなく有効に利用することができる。
【0005】
この発明は、上述した従来技術の課題に鑑みてなされたものであり、偶数本の回折光を発生する光束分割素子であって、回折効率を従来の素子よりも高めることができる光束分割素子を提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
この発明にかかるグレーティング型の光束分割素子は、上記の目的を達成させるため、以下の特性を持つ第1,第2の位相分布の位相和で全体の位相分布を構成したことを特徴とする。第1の位相分布は、入射光の半波長の段差を持って位相差が矩形波状に変化し、周期がT、デューティ比が1となり、第2の位相分布は、位相差が非線形に変化し、周期がT/2となり、これら全体で入射光を偶数本の回折光に分離する。第1の位相分布は、入射光を主として±1次回折光に二分し、第2の位相分布は、入射光を主として奇数本の回折光に分離する。
【0007】
上記の構成によれば、第1の位相分布は、入射光を主として±1次回折光に2分割する機能を有し、第2の位相分布は第1の位相分布による回折角の2倍の回折角で入射光を奇数の回折光に分割する。このため、第2の位相分布により分割されたある次数の回折光は第1の位相分布によりそれぞれ2分割され、同様に2分割された隣の次数の回折光と重なり合う。ここで、最も外側で他の回折光と重ならない成分を消去するように第2の位相分布を調整することにより、偶数本の回折光を得ることができる。
【0008】
第1、第2の位相分布の形態としては、以下の3種類が考えられる。
(1) 第1、第2の位相分布を複合した位相パターンを単一の部材の一面に形成する。
(2) 第1、第2の位相分布の各位相パターンを、単一の部材の異なる面にそれぞれ独立して形成する。
(3) 第1,第2の位相分布の各位相パターンを、それぞれ異なる部材に独立して形成し、これらの部材を光の進行方向に沿って直列に配置する。
いずれの形態においても、光学的な作用はほぼ同一である。実際の設置時における位置合わせの容易さからは(1),(2)が望ましく、加工の容易さからは(3)が有利である。
【0009】
【発明の実施の形態】
以下、この発明にかかる光束分割素子の実施形態を3例説明する。なお、各実施形態では、第2の位相分布として後述する実施例1に示されるパターンを使用しており、第1の位相分布と合わせて入射光を4分割する素子を構成している。
【0010】
図1は実施形態の光束分割素子1を示す斜視図、図2は図1の光束分割素子の位相分布を示すグラフである。光束分割素子1は、図1に拡大して示されるように、x方向に延びる帯状の基準位相パターンP1,P2,...を基板B上に等ピッチでy方向に多数並列して形成することにより構成されている。基板Bは、基準位相パターンP1,P2,...も含めて透明な樹脂材料、またはガラス材料で形成されている。
【0011】
それぞれの基準位相パターンP1,P2,...は、y方向においてそのピッチ内で与える位相差が非線形に変化するよう形成されている。この位相分布は、図2に示すように、入射光の半波長の段差を持って位相差が矩形波状に変化し、周期がT、デューティ比が1となる第1の位相分布と、位相差が非線形に変化し、周期がT/2となる第2の位相分布との位相和で構成される複合位相分布である。すなわち、第1の実施形態にかかる光束分割素子1は、第1、第2の位相分布を複合した位相パターンを単一の部材の一面に形成したものである。入射光は、x,y両方向に垂直なz方向と平行に入射する。
【0012】
第1の位相分布は、図3(A)に示すように、入射光を回折角θで±1次回折光に2分割する機能を有し、第2の位相分布は、図3(B)に示すように、第1の位相分布による回折角の2倍の回折角2θで入射光を奇数の回折光(この例では0次、±1次、±2次の5本)に分割する機能を有する。
【0013】
このような第1,第2の位相分布を合わせることにより、第2の位相分布により分割された各次数の回折光は、第1の位相分布によりそれぞれ2分割される。ここで、第1の位相分布による回折角θは第2の位相分布による回折角2θの1/2であるため、二分割された各次数の回折光は、同様に2分割された隣の次数の回折光と重なり合う。すなわち、図3(C)に破線で示したように、0次光は、L1,L2に分割され、-1次光はL1,L3、+1次光はL2,L4、-2次光はL3,L5、+2次光はL4,L6にそれぞれ分割される。ここで、最も外側で他の回折光と重ならない成分L5,L6を消去することにより、図3(D)に示すようにL1,L2,L3,L4の4本の回折光を得ることができる。
【0014】
上記のような構成によると、偶数本の回折光を効率よく発生させることができる。一般に回折格子を用いると、回折光は0次回折光(透過光)を中心にプラスマイナスの回折光が対称的に現れて全体として奇数本の回折光が得られる。実施形態の光束分割素子1は、互いに周期が異なる第1の位相分布と第2の位相分布とを組み合わせることにより、偶数本の回折光を発生させている。
【0015】
なお、図3の説明は、大部分の光に対するもので、厳密な意味では正確でない。すなわち、第1の位相分布は、理論上入射光の100%を±1次光に分離することはできず、その81%を±1次の回折光に分離できるに過ぎない。したがって、残りの19%の光は±3次、±5次の回折光になる。このため、第2の位相分布を重ねたとしても、厳密な意味では等分岐の偶数分岐を得ることはできない。また、最も外側の回折光成分L5,L6も消す必要がある。そこで、実際の設計に当たっては、第1,第2の位相分布(初期値)をコンピュータに入力して重ね合わせ、自動最適化プログラムにより、L5,L6の消去と、残りの偶数本の回折光の等分岐を目標に第2の位相分布を微調整する。その意味では、調整後の第2の位相分布は、入射光を奇数本に等分記できるわけではない。
【0016】
第1の実施形態のように位相差が非線形に変化するような複雑な位相パターンを持つ回折格子は、通常のリソグラフィ技術では正確に刻むことができない。そこで、ここでは、旋盤を用いた機械刻線法によりマスターとなる金型を作成し、その刻線されたマスターのパターンを樹脂や光学ガラスに転写することにより光束分割素子を作成する。
【0017】
図4(A)は、第2の実施形態にかかる光束分割素子2の側面図である。この光束分割素子2は、単一の部材の一方の面に第1の位相分布の位相パターンを形成し、他方の面に第2の位相分布の位相パターンを形成して構成されている。
【0018】
図4(B)は、第3の実施形態にかかる光束分割素子3の側面図である。この光束分割素子3は、第1の位相分布の位相パターンが形成された第1の部材3aと、第2の位相分布の位相パターンが形成された第2の部材3bとを、位相パターンを互いに向かい合わせる状態で、光の進行方向に沿って直列に配置して構成されている。
【0019】
第2,第3の実施形態における第1の位相分布の位相パターンは、半波長分の深さをコントロールするのみであるため、通常のリソグラフィ技術により容易に形成することができる。これに対して第2の位相分布の位相パターンは、第1の実施形態におけるのと同様に、機械刻線法により形成することができる。
【0020】
次に、上記の第1の実施形態に基づく具体的な実施例である光束分割素子の構成例を14例説明する。実施例1は入射光束を4本の回折光に分割する素子、実施例2,3は入射光を6本の回折光に分割する素子、実施例4〜6は入射光束を8本の回折光に分割する素子、実施例7,8は入射光束を10本の回折光に分割する素子、実施例9,10は入射光束を12本の回折光に分割する素子、実施例11,12は入射光束を14本の回折光に分割する素子、実施例13,14は入射光束を16本の回折光に分割する素子の例である。
【0021】
【実施例1】
表1は、実施例1の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示す。この表は、第2の位相分布の1ピッチ(周期T/2)を図1のy方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って1〜32の32の座標に等分割した各座標での光の位相を示しており、その単位はラジアンである。
【0022】
【表1】
【0023】
表2は、表1に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。この表は、複合位相分布の1ピッチ(周期T)を図1のy方向、すなわち位相パターンの並列方向に沿って1〜64の64の座標に等分割した各座標での光の位相を示しており、その単位はラジアンである。
【0024】
【表2】
【0025】
位相パターンの実形状は、位相差0の点からの光の進行方向(図1のz方向)の距離として表される場合、空気中での使用を前提とすると、使用波長をλ、素子の屈折率をnとして、位相×λn/(2π(n−1))により求められる。図5は、表2に示される実施例1の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフであり、縦軸が位相、横軸が座標である。
【0026】
表3は、表2に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。入射光の強度を1として、分割された各光束の光量を−15次〜+15次の奇数次の回折光について示している。偶数次の光量は全て0であるため、省略している。また、「回折効率」は、各実施例が目的とする分割数の回折光の強度が入射光束の強度に占める割合を示し、例えば実施例1では−3次,−1次,1次,3次の4つの回折光強度の合計が、入射光束の強度1に占める割合を示す。図6は、表3に示される回折光の強度分布を示すグラフである。このグラフで、横軸は回折光の次数、縦軸は入射光の強度を1としたときの各次数の回折光の強度を示す。
【0027】
【表3】
【0028】
【実施例2】
表4は、実施例2の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表5は表4に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図7は、表5に示される実施例2の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0029】
【表4】
【0030】
【表5】
【0031】
表6は、表5に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図8は、表6に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0032】
【表6】
【0033】
【実施例3】
表7は、実施例3の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表8は表7に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図9は、表8に示される実施例3の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0034】
【表7】
【0035】
【表8】
【0036】
表9は、表8に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図10は、表9に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0037】
【表9】
【0038】
【実施例4】
表10は、実施例4の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表11は表10に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図11は、表11に示される実施例4の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0039】
【表10】
【0040】
【表11】
【0041】
表12は、表11に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図12は、表12に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0042】
【表12】
【0043】
【実施例5】
表13は、実施例5の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表14は表13に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図13は、表14に示される実施例5の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0044】
【表13】
【0045】
【表14】
【0046】
表15は、表14に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図14は、表15に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0047】
【表15】
【0048】
【実施例6】
表16は、実施例6の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表17は表16に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図15は、表17に示される実施例6の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0049】
【表16】
【0050】
【表17】
【0051】
表18は、表17に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図16は、表18に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0052】
【表18】
【0053】
【実施例7】
表19は、実施例2の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表20は表19に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図17は、表20に示される実施例7の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0054】
【表19】
【0055】
【表20】
【0056】
表21は、表20に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図18は、表21に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0057】
【表21】
【0058】
【実施例8】
表22は、実施例8の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表23は表22に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図19は、表23に示される実施例8の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0059】
【表22】
【0060】
【表23】
【0061】
表24は、表23に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図20は、表24に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0062】
【表24】
【0063】
【実施例9】
表25は、実施例9の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表26は表25に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図21は、表26に示される実施例9の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0064】
【表25】
【0065】
【表26】
【0066】
表27は、表26に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図22は、表27に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0067】
【表27】
【0068】
【実施例10】
表28は、実施例10の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表29は表28に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図23は、表29に示される実施例10の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0069】
【表28】
【0070】
【表29】
【0071】
表30は、表29に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図24は、表30に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0072】
【表30】
【0073】
【実施例11】
表31は、実施例11の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表32は表31に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図25は、表32に示される実施例2の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0074】
【表31】
【0075】
【表32】
【0076】
表33は、表32に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図26は、表33に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0077】
【表33】
【0078】
【実施例12】
表34は、実施例12の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表35は表34に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図27は、表35に示される実施例12の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0079】
【表34】
【0080】
【表35】
【0081】
表36は、表35に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図28は、表36に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0082】
【表36】
【0083】
【実施例13】
表37は、実施例13の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表38は表37に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図29は、表38に示される実施例13の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0084】
【表37】
【0085】
【表38】
【0086】
表39は、表38に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図30は、表39に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0087】
【表39】
【0088】
【実施例14】
表40は、実施例14の光束分割素子に用いられる第2の位相分布を示し、表41は表40に示した第2の位相分布を前述の第1の実施形態で示したように同一面上で第1の位相分布と重ね合わせた複合位相分布を示す。図31は、表41に示される実施例14の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフである。
【0089】
【表40】
【0090】
【表41】
【0091】
表42は、表41に示した基準位相パターンを有する光束分割素子の光束分割性能を示す。図32は、表42に示される回折光の強度分布を示すグラフである。
【0092】
【表42】
【0093】
各実施例によれば、回折効率を最低でも約89%、最大では約98%にまで高めることができる。
【0094】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、入射光を±1次回折光に二分する第1の位相分布と、第1の位相分布の半分の周期を有して入射光を奇数本の回折光に分離する第2の位相分布との位相和で全体の位相分布を形成することにより、従来より高い回折効率で入射光を偶数本の回折光に分割することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 第1の実施形態の光束分割素子の位相パターンを拡大して示す斜視図。
【図2】 第1の実施形態の光束分割素子の位相分布を示すグラフ。
【図3】 第1の実施形態における第1,第2の位相分布の作用、及び複合位相分布の作用を示す説明図。
【図4】 第2,第2の実施形態の光束分割素子の側面図。
【図5】 実施例1の4分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図6】 実施例1の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図7】 実施例2の6分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図8】 実施例2の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図9】 実施例3の6分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図10】 実施例3の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図11】 実施例4の8分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図12】 実施例4の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図13】 実施例5の8分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図14】 実施例5の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図15】 実施例6の8分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図16】 実施例6の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図17】 実施例7の10分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図18】 実施例7の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図19】 実施例8の10分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図20】 実施例8の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図21】 実施例9の12分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図22】 実施例9の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図23】 実施例10の12分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図24】 実施例10の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図25】 実施例11の14分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図26】 実施例11の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図27】 実施例12の14分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図28】 実施例12の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図29】 実施例13の16分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図30】 実施例13の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【図31】 実施例14の16分割型の光束分割素子の複合位相分布を示すグラフ。
【図32】 実施例14の光束分割素子による回折光の強度分布を示すグラフ。
【符号の説明】
1 光束分割素子
P1,P2,... 基準位相パターン
B 基板
Claims (4)
- 入射光を回折させて複数の光束に分割するグレーティング型の光束分割素子において、前記入射光の半波長の段差を持って位相差が矩形波状に変化し、周期がT、デューティ比が1となる第1の位相分布と、位相差が非線形に変化し、周期がT/2となる第2の位相分布との位相和で全体の位相分布が構成され、前記第1、第2の位相分布は、全体として入射光を偶数本の回折光に分離することを特徴とする光束分割素子。
- 前記第1、第2の位相分布を複合した位相パターンが、単一の部材の一面に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光束分割素子。
- 前記第1、第2の位相分布を生じる各位相パターンが、単一の部材の異なる面にそれぞれ独立して形成されていることを特徴とする請求項1に記載の光束分割素子。
- 前記第1,第2の位相分布を生じる各位相パターンが、それぞれ異なる部材に形成され、これらの部材を光の進行方向に沿って直列に配置したことを特徴とする請求項1に記載の光束分割素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP33195599A JP4397482B2 (ja) | 1999-11-22 | 1999-11-22 | 光束分割素子 |
Applications Claiming Priority (1)
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