JP6290704B2 - 回折光学素子の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子の製造方法及び回折光学素子に関する。

回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）は、例えば表面のレリーフ（凹凸）又はＤＯＥを形成する材料の屈折率分布により、位相分布を有する光学素子である。ＤＯＥは、このような位相分布により光を回折させる。そしてＤＯＥは、回折した光によってスクリーンに所望のパターンを生成する。

ＤＯＥによってスクリーンに所望のパターン（光強度分布）を生成するには、ＤＯＥの位相分布を設計する必要がある。そこで例えば特許文献１には、反復フーリエ変換アルゴリズム（ＩＦＴＡ：Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて、所望の光強度分布をＤＯＥの位相分布に変換する方法が記載されている。

さらに非特許文献１には、ＤＯＥによってボトルビーム（Ｂｏｔｔｌｅ Ｂｅａｍ）を生成する方法が記載されている。ボトルビームとは、光強度分布が中心に暗領域を含み、かつ暗領域を取り囲む領域に円周に沿って形成される輝領域を含むビームである。非特許文献１では、Ｌａｇｕｅｒｒｅ−Ｇａｕｓｓｉａｎモードを用いて、ボトルビームを生成するための位相領域を算出している。

特開２０１３−１８６３５０号公報

J. Arlt and M. J. Padgett, "Generation of a beam with a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam", Optics Letters 25 (2000) 191.

本発明者らは、ボトルビームを生成するためのＤＯＥを簡易な方法で設計する方法を検討した。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ボトルビームを生成するための回折光学素子の設計を簡易なものにすることにある。

本発明によれば、
２点の明点を生成するための回折光学素子の位相分布を示し、かつ等値線が所定の基準直線に平行かつ線対称に配置される第１の２次元位相分布を取得する工程と、
前記第１の２次元位相分布を前記等値線と直交する平面で切った場合に前記第１の２次元位相分布の断面に現れる１次元位相分布を生成する工程と、
前記１次元位相分布の対称軸を回転軸として前記１次元位相分布のうちの前記対称軸に対しての一方の側又は両方の側の分布を回転させることで第２の２次元位相分布を生成する工程と、
前記第２の２次元位相分布に基づいて回折光学素子を設計する工程と、
を備える回折光学素子の製造方法が提供される。

本発明によれば、ボトルビームを生成するための回折光学素子の設計を簡易なものになる。

実施形態に係る回折光学素子の設計方法を示すフローチャートである。 実施形態に係る回折光学素子の設計方法を説明するための図である。 実施形態に係る回折光学素子の設計方法を説明するための図である。 実施形態に係る回折光学素子の設計方法を説明するための図である。 実施形態に係る回折光学素子の設計方法を説明するための図である。 実施形態に係る回折光学素子の設計方法を説明するための図である。 実施形態に係る第２の２次元位相分布を示す図である。 図７に示した位相分布を有する回折光学素子が生成する光強度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施形態に係る回折光学素子（ＤＯＥ：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）の設計方法を示すフローチャートである。本図に示す例において、ＤＯＥの設計方法は、以下の工程を有している。まず、第１の２次元位相分布を取得する（Ｓ１００）。第１の２次元位相分布は、２点の明点を生成するためのＤＯＥの位相分布を示している。第１の２次元位相分布では、等値線が所定の基準直線に平行かつ線対称に配置されている。次いで、１次元位相分布を生成する（Ｓ２００）。１次元位相分布は、上記した第１の２次元位相分布を上記した等値線と直交する平面で切った場合に上記した第１の２次元位相分布の断面に現れる分布である。次いで、第２の２次元位相分布を生成する（Ｓ３００）。第２の２次元位相分布は、上記した１次元位相分布の対称軸を回転軸として上記した１次元位相分布を回転させた場合に現れる回転面である。次いで、上記した第２の２次元位相分布に基づいてＤＯＥを設計する（Ｓ４００）。以下、図２〜図６を用いて詳細に説明する。

まず、図２（ａ）に示すように、２点の明点ＬＰ１，ＬＰ２が生成された光強度分布を、ＤＯＥを設計するためのプログラムに設定する。この光強度分布は、ＤＯＥにより生成されるものである。本図（ｂ）の１次元分布は、本図（ａ）の光強度分布を、明点ＬＰ１，ＬＰ２を通過する直線の方向（本図（ａ）では矢印によって図示）に切った場合に現れる分布である。本図（ｂ）に示すように、明点ＬＰ１，ＬＰ２は等しい強度を有している。本図に示す例では、ＤＯＥを設計するためのプログラムとして、Ｌｉｇｈｔ Ｔｒａｎｓ 社製 Ｖｅｒｓｉｏｎ ｏｆ ＶｉｒｔｕａｌＬａｂ^ＴＭ ａｄｖａｎｃｅｄ ５．３．３を用いた。ただし、上記したプログラムは、これに限定されるものではない。

なお、本図に示した光強度分布は、フラウンホーファー回折によりスクリーンに形成されるパターンとして設定されている。言い換えると、上記したプログラムは、ＤＯＥ及びスクリーンの間にレンズが位置する光学系をシミュレートしている。この場合に、スクリーンは、レンズの焦点距離に位置している。

次いで、図３（ａ）に示すように、上記したプログラムを用いて、第１の２次元位相分布を取得する（Ｓ１００）。第１の２次元位相分布は、図２に示した光強度分布を生成するためのＤＯＥの位相分布を示している。第１の２次元位相分布は、図２に示した光強度分布に基づいて、例えば、反復フーリエ変換アルゴリズム（ＩＦＴＡ：Ｉｔｅｒａｔｉｖｅ Ｆｏｕｒｉｅｒ Ｔｒａｎｓｆｏｒｍ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて算出する。本図（ｂ）の１次元分布は、本図（ａ）の光強度分布を、等値線と直交する平面（本図（ａ）では矢印によって図示）で切った場合に現れる分布である。なお、本図に示す例では、ＤＯＥに入射する光はレーザとした。具体的には、このレーザは、波長９．４μｍのガウシアン分布を有し、かつスポット直径が２６ｍｍである。

図２に示した光強度分布は、明点ＬＰ１，ＬＰ２を結ぶ線分の中点に対称である。このため、本図に示した第１の２次元位相分布も対称となる。具体的には、本図に示した第１の２次元位相分布は、等値線が所定の基準直線（本図（ａ）において横軸のＰｏｓｉｔｉｏｎ ０ｍｍ（本図（ｂ）のＰｏｓｉｔｉｏｎ ２０ｍｍに相当）を縦軸に沿って通過する直線）に平行かつ線対称に配置されることになる。

次いで、図４に示すように、１次元位相分布を生成する（Ｓ２００）。この１次元位相分布は、図３に示した第１の２次元位相分布を上記した等値線と直交する平面で切った場合に第１の２次元位相分布の断面に現れる分布である。本図に示す例では、ＭａｔｈＷｏｒｋｓ社製Ｍａｔｌａｂ（Ｖｅｒｓｉｏｎ Ｒ２００７ｂ）を用いて、上記した１次元位相分布のうちこの１次元位相分布の対称軸に対して一方の側の分布を読み出している。

なお、本図に示す例に係る１次元位相分布は、領域ＲＧ１，ＲＧ２，ＲＧ３，ＲＧ４に分けることができる。領域ＲＧ１，ＲＧ２，ＲＧ３，ＲＧ４は、上記した対称軸（本図においてｐｉｘｅｌが０の位置）からこの順に並び、互いに隣り合っている。領域ＲＧ１は、すべての領域の中で位相のばらつきが最も小さく、ほぼ一定の位相をとっている。領域ＲＧ２は、すべての領域の中で位相のばらつきが最も大きく、すべての領域の中での位相の最小値をとっている。領域ＲＧ３は、領域ＲＧ２に比して位相のばらつきが小さく、位相が領域ＲＧ２側の端で最大値をとり、領域ＲＧ４側の端で最小値をとっている。そして領域ＲＧ３は、領域両端の位相差がすべての領域の中で最大となっている。領域ＲＧ４は、位相が領域ＲＧ３の領域ＲＧ４側の値から上昇した後、ばらつきながらほぼ単調に減少している。

次いで、図５及び図６に示すように、図４で読み出した１次元位相分布を、上記した対称軸を回転軸として回転させる。本図に示す例においてこの処理は、引き続き上記したＭａｔｌａｂを用いて行った。この１次元位相分布は、３６０度回転させる。この場合、図５及び図６に示すように、回転面が現れる。そして、この回転面を、上記した第２の２次元位相分布として取得する（Ｓ３００）。なお、図３（ｂ）に示した１次元位相分布の全体を回転させる場合は、この１次元位相分布を３６０度回転させる必要なく第２の２次元位相分布を取得することができる。この場合、この１次元位相分布を１８０度回転させれば第２の２次元位相分布を取得することができる。

図７は、上記した第２の２次元位相分布を示す図である。上記したように、第２の２次元位相分布は、上記した１次元位相分布を回転した場合に現れる回転面である。このため、本図（ａ）に示すように、第２の２次元位相分布は、等値線が同心円上に位置するようになる。なお、本図（ｂ）は、第２の２次元位相分布をこの同心円の直径方向に切った断面を示す図である。当然ながら、本図（ｂ）に示した位相分布は、図３（ｂ）に示した１次元位相分布と形状が一致している。

次いで、上記した第２の２次元位相分布に基づいてＤＯＥを設計する（Ｓ４００）。具体的には、例えば上記したＶｉｒｔｕａｌＬａｂ^ＴＭを用いて、第２の２次元位相分布が実現される構造を設計する。このような構造としては、ＤＯＥの表面にレリーフ（凹凸）を形成するもの、又は屈折率の異なる複数の材料によりＤＯＥを形成することでＤＯＥの屈折率を変調させるものが例示される。なお、ＤＯＥの表面にレリーフを形成する場合、その凹凸の分布は、上記した第２の２次元位相分布と相似するものとなる。次いで、Ｓ４００の設計に基づいてＤＯＥを製造する。このようにしてＤＯＥが製造される。

次に、本実施形態の作用及び効果について説明する。図８（ａ）は、図７に示した位相分布を有するＤＯＥが生成する光強度分布を示す図である。本図に示すように、ＤＯＥは暗領域及び輝領域を含む光強度分布を生成している。この場合に輝領域は、暗領域を囲み、かつ円周に沿って形成されている。言い換えると、ＤＯＥによってボトルビームが生成されている。このように本実施形態によれば、ボトルビームを生成するためのＤＯＥを設計することができる。なお、本図（ｂ）は、本図（ａ）の光強度分布を、上記した輝領域の円環の直径方向に通過する直線の方向（本図（ａ）では矢印によって図示）に切った場合に現れる分布である。

なお本図は、上記したＶｉｒｔｕａｌＬａｂ^ＴＭを用いたシミュレーションの結果を示している。そして本図に示した光強度分布は、フラウンホーファー回折によりスクリーンに形成されるパターンとして設定されている。言い換えると、上記したプログラムは、ＤＯＥ及びスクリーンの間にレンズが位置する光学系をシミュレートしている。この場合に、スクリーンは、レンズの焦点距離に位置している。

さらに本実施形態によれば、ＤＯＥを設計するための演算が簡易なものとなっている。具体的には、本実施形態では、上記した第１の２次元位相分布（図３）を取得している。この第１の２次元位相分布は、２点の明点ＬＰ１，ＬＰ２を有する光強度分布（図２）から算出されたものである。このため、第１の２次元位相分布は、ボトルビームの光強度分布を位相分布に直接変換するよりも簡易に取得することができる。さらに本実施形態では、第１の２次元位相分布の所定断面に現れる１次元位相分布（図４）を生成している。そしてこの１次元位相分布を回転させることで、第２の２次元位相分布（図５〜図７）を生成している。これらの演算も、ボトルビームの光強度分布を位相分布に直接変換するよりも簡易に実現することができる。このように本実施形態によれば、ＤＯＥを設計するための演算が簡易なものになる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
以下、参考形態の例を付記する。
１． ２点の明点を生成するための回折光学素子の位相分布を示し、かつ等値線が所定の基準直線に平行かつ線対称に配置される第１の２次元位相分布を取得する工程と、
前記第１の２次元位相分布を前記等値線と直交する平面で切った場合に前記第１の２次元位相分布の断面に現れる１次元位相分布を生成する工程と、
前記１次元位相分布の対称軸を回転軸として前記１次元位相分布を回転させた場合に現れる回転面である第２の２次元位相分布を生成する工程と、
前記第２の２次元位相分布に基づいて回折光学素子を設計する工程と、
を備える回折光学素子の製造方法。
２． １．に記載の回折光学素子の製造方法において、
前記第２の２次元位相分布を生成する工程は、
前記１次元位相分布のうち前記対称軸に対して一方の側の分布を読み出し、
読み出された前記分布を、前記対称軸を回転軸として３６０度回転させた場合に現れる回転面を、前記第２の２次元位相分布として取得する回折光学素子の製造方法。
３． 第１面を備える回折光学素子であって、
前記第１面は、等値線が同心円上に位置する２次元位相分布を有しており、
前記回折光学素子による回折光が形成する光強度分布が、
暗領域と、
前記暗領域を囲み、円周に沿って形成された輝領域と、
を含む回折光学素子。

ＬＰ１ 明点
ＬＰ２ 明点
ＲＧ１ 領域
ＲＧ２ 領域
ＲＧ３ 領域
ＲＧ４ 領域

Claims (2)

1. ２点の明点を生成するための回折光学素子の位相分布を示し、かつ等値線が所定の基準直線に平行かつ線対称に配置される第１の２次元位相分布を取得する工程と、
   前記第１の２次元位相分布を前記等値線と直交する平面で切った場合に前記第１の２次元位相分布の断面に現れる１次元位相分布を生成する工程と、
   前記１次元位相分布の対称軸を回転軸として前記１次元位相分布のうちの前記対称軸に対しての一方の側又は両方の側の分布を回転させることで第２の２次元位相分布を生成する工程と、
   前記第２の２次元位相分布に基づいて回折光学素子を設計する工程と、
   を備える回折光学素子の製造方法。
2. 請求項１に記載の回折光学素子の製造方法において、
   前記第２の２次元位相分布を生成する工程は、
   前記１次元位相分布のうち前記対称軸に対して一方の側の分布を読み出し、
   読み出された前記分布を、前記対称軸を回転軸として３６０度回転させることで前記第２の２次元位相分布を取得する回折光学素子の製造方法。