JPH0315003A - グレーティング・レンズおよび集光グレーティング・カプラ - Google Patents

グレーティング・レンズおよび集光グレーティング・カプラ

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JPH0315003A
JPH0315003A JP2044525A JP4452590A JPH0315003A JP H0315003 A JPH0315003 A JP H0315003A JP 2044525 A JP2044525 A JP 2044525A JP 4452590 A JP4452590 A JP 4452590A JP H0315003 A JPH0315003 A JP H0315003A
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grating
lens
light
fresnel
diffraction efficiency
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Shigeru Aoyama
茂 青山
Masami Tada
多田　昌実
Hayami Hosokawa
速美 細川
Norisada Horie
堀江　教禎
Maki Yamashita
山下　牧
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Omron Corp
Omron Tateisi Electronics Co
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 技術分野 この発明は．光の回折現象を利用して集光するグレーテ
ィング・レンズおよび集光グレーティング・カプラに関
する。
従来技術とその問題点 集光された光ビームのスポット・サイズをできるだけ小
さくすることは，光ディスクへのデータの記録（書込み
）または光ディスクからのデータの再生（読出し）の技
術において重要である。光ビームのスポット径が小さい
ほど記録密度を高めることができるからである。
スポット・サイズを小さくするためには光を集光する対
物レンズの開口数（ＮＡ）を高くすることが必要である
。対物レンズが光の屈折現象を利用して集光する凸レン
ズの場合には，凸レンズの光軸方向の厚さを厚くして，
焦点距離を短＜シ，高ＮＡ化を図る。しかしながら．そ
のような凸レンズでは曲率が大きくなるから加工がきわ
めて難しく，それに伴ってレンズ価格も高くなる。対物
レンズが光の回折現象を利用して集光するマイクロ・フ
レネル・レンズの場合には．高ＮＡ化に伴ってその周辺
部でのグレーティング周期が小さくなるから，実際上そ
の作製は困難である。
このようなレンズの高ＮＡ化に伴う問題点を避けかつ集
光ビーム・スポット径をより小さくするために超解像力
フィルタ（またはコーティング）を利用する技術が知ら
れている。たとえば「光学技術コンタクトＪ　Ｖｏｌ．
２２，　Ｎａ４　（１９８４）　ｐｐ４２−５２，およ
びｌｌ．ｏｓｔｅｒｂｅｒｇ　ｅｔ　ａｔ　．“Ｔｈｅ
　ＲｅｓｏｌｖｉｎｇＰｏｗｅｒ　ｏｒａ　Ｃｏａｔｅ
ｄ　Ｏｂｊｅｃｔｌｖｅ　　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｒｔｈ
ｅＯｐｔｉｃａｌ　Ｓｏｃｉｅｔｙ　ｏｆ’　Ａｍｅｒ
ｉｃａ，　ＶＯｌ．３９．　Ｎ（Ｌ７，Ｊｕｌ￥，　　
１９４９，　　ｐｐ５５３−５５７　　。
前者の文献に記載されている超解像力フィルタは，レン
ズの中心部で光の吸収が大きく，周辺で光の吸収が小さ
くなるような振幅透過率分布を持つように構成されてい
る。しかしながら，ビーム・スポット径を小さくするた
めの超解像力フィルタそのものの製作が実際上難しく，
またこの超解像力フィルタと対物レンズとの手間のかか
る光軸：Ａ整作業が必要である。
一方，次世代の光ビックアップ装置に利用可能であると
して期待されているものの１つに集光グレーティング・
カプラがある。集光グレーティング・カプラは，基板上
に形成された光導波路を伝播する光を基板表面から外部
に出射させかつ集光するとともに，外部から入射する光
を基阪上の先導波路に導く働きをする。この集光グレー
ティング・カプラを光ビックアップ装置に利用するとそ
の小型化，軽量化を図ることができる。たとえば，裏ら
「光集積ディスクピックアップ用集光グレーティング」
電子通信学会論文誌Ｃ，Ｖｏｌ　．Ｊ６８−Ｃ．Ｎｏ．
ｌ０　，１９８５年１０月．ｐｐ８０３−８１０，およ
び裏ら「光集積ピックアップ用集光グレーティングの収
差特性」電子情報通信学会光・量子エレクトロニクス技
術研究報告ＯＱＥｌ６−　８４　（　１９８Ｂ）。
しかしながら，集光グレーティング・カプラを光ビック
アップ装置に利用するためには集光スポット径を１μｍ
程度までに絞る必要があり，そのためにはＮＡを大きく
しなければならない。上述したように高ＮＡ化を図るた
めにはグレーティングの周期を非常に小さくしなければ
ならず，精度の許容誤差が小さくその作製が困難である
。
発明の概要 発明の目的 この発明は．超解像力フィルタを用いることなく光ビー
ム・スポット径を小さくすることのできるグレーティン
グ・レンズを提供することを目的とする。
この発明はまた，グレーティング周期を必ずしも非常に
小さくしなくても集光スポット径を小さくすることので
きる集光グレーティング・カプラを提供することを目的
とする。
発明の構成，作用および効果 この発明によるグレーティング・レンズは，レンズ面上
において光の集光方向に回折効率が変化していることを
特徴とする。
この発明による集光グレーティング●カプラは，基板に
形成された先導波路上に形或されたグレーティングの回
折効率が光の集光方向に変化していることを特徴とする
。
グレーティングは，媒質の屈折率を周期的に変化させた
屈折率変調形と，周期的に凸条と凹溝を設けたレリーフ
形とに大別されるが．この発明は両方のタイプのグレー
ティングをもつものに適用可能である。回折効率の変化
は，グレーティング要素の厚さの変化によって，屈折率
の変化によって，その他の方法によって実現することが
できる。グレーティング要素とは，一周期の屈折率変化
または一周期の凸条と凹溝をさす。グレーティングのパ
ターンは用途に応じて，円形，楕円形円弧状，直線状等
任意の形をとることができる。
この発明の一態様によると，グレーティング・レンズま
たは集光グレーティング・カブラにおけるグレーティン
グの周辺部で回折効率が高く．中央部で回折効率が低く
設定される。このように構成すると，超解像現象により
，集光スポ・ント径を，光の波長とＮＡとによって定ま
る回折限界よりも小さくすることができる。
したがって，小さな光ビーム・スポット径を得るために
，超解像力フィルタを用いる必要がなく，そのための光
軸調整作業が不要となる。また　グレーティングの周期
を非常に小さくする必要がなく，シたがって，グレーテ
ィング作製誤差の許容度が比較的大きく，グレーティン
グの作製が容易となる。
実施例の説明 第１図および第２図はこの発明によるグレーティング・
レンズの実施例を示すものであり，グレーティング・レ
ンズとしてマイクロ・フレネル・レンズが示されている
。
マイクロ・フレネル・レンズＩＯは，使用する光に対し
て透明な基板１１上に形成された多数のフレネル・ゾー
ン（グレーティング要素）Ｚｌ〜Ｚ６（この実施例では
６個のみ図示されている）を備えている。平面からみて
，中央のフレネル・ゾーンｚ１は円形であり，その周囲
にある他のフレネル・ゾーンＺ２〜Ｚ６は輪帯状である
。断面からみて，各フレネル・ゾーンは凸条であり，（
隣接する凸条間が凹溝となっている）かつブレーズ化さ
れている。各フレネル・ゾーンの凸条の形状は位相シフ
ト関数ψ（Ｘ）により定められる（位相シフト関数ψ（
ｘ）を下記第（３）式で示す）。変数Ｘは各ゾーンごと
に原点をもつ。フレネル・ゾーンの周期（幅）Ｔは外側
のものほど小さくなっている。このようなフレネル！レ
ンズ１０は光の回折現象により入射光を集光する作用を
行なう。
このようなマイクロ・フレネル・レンズ１０に，その基
板１１の面に垂直に平面波が入射したときのマイクロ・
フレネル・レンズの回折効率ηは，次式で与えられる。
７７　−（１／Ｔ）　ｊ”，ｅｘｐ（ｊψ（ｘ）ｌｅｘ
ｐｌ−ｊ（２πＩＩｌｘ／Ｔ）ｌｄｘ　　−＝（１）こ
こで，二次以上の次数の回折光は無視できるとして一次
光について考えると，ｍ−１と置ける。
フレネル・ゾーンの凸条の厚さ（高さ，または凹満の深
さ）ｄを次式によりθ（ｒａｄ）に変換し，以下厚さθ
を用いる。ｎはマイクロ・フレネル・レンズの屈折率．
λは入射光の波長である。
θ−　１２ｘ　（ｎ−１）　／’λｌｄ　　　　　　　
　−（２）フレネル・ゾーンごとの位相シフト関数ψ（
Ｘ）は次式で与えられる。
ψ（ｘ）　＝　（θ／Ｔ）　・Ｘ　　　　　　　・・・
（３）第（３）式を第（１）式に代入すると，次式が得
られる。
η一ｓｉｎｅ２（θ−２π）／２　　　　　　　　　　
　・・・（４）ここで ｓｉｎｅ　ｙ−ｓｉｎ　ｙ　／　ｙ 第（１）式および第（４〉式に関しては，藤田ら「電子
ビーム描画作製マイクロフレネルレンズのブレーズ化」
電子情報通信学会光・量子エレクトロニクス技術研究報
告，　ＯＱＥ８２−２５　（　１９８２）を参照。
第（４）式を表わすグラフが第４図に示されている。こ
のグラフから明らかなように，マイクロ・フレネル・レ
ンズにおける一次光の回折効率ηはフレネル・ゾーンの
厚さθに依存して変化する。
回折効率ηが最大（１００％）となるのはθ−２πのと
きである。このときの実際の厚さｄは，第（２）式にθ
−２πを代入して．ｄ一λ／（ｎ−１）で与えられる。
マイクロ●フレネル◆レンズ１０において，最も外側の
フレネル●ゾーンＺ６の厚さ（このゾーンの厚さの最大
値）θ６を最大とし．内側のフレネル・ゾーンほどその
厚さ（各ゾーンの厚さの最大１ｉｉ！）θ５，・・・，
θ１を小さくすることにより，最も外側のフレネル・ゾ
ーンＺ６の回折効率が最大となり，中心に向うほど回折
効率が小さくなる。
このような構成のマイクロ・フレネル●レンズ１０は，
その中心部における光の吸収が大きく，周辺部にいくほ
ど光の吸収が小さくなるような振幅透過率分布を持つ超
解像力フィルタと同じ機能を持つことになる。したがっ
て，マイクロ・フレネル・レンズのＮＡを必ずしも大き
くしなくても，また超解像力フィルタを用いなくても，
超解像力フィルタを用いたのと同等の機能が実現され，
光ビーム・スポット径をより小さくした集光作用が達成
される。
第２図に示すマイクロ・フレネル・レンズＩＯではすべ
てのフレネル●ゾーンにおける凸条の頂点が同一平面上
にくるように各フレネルｅゾーンが形或されている。第
３図に示すように，すべてのフレネル・ゾーンにおける
凹溝の底が同一平面上にくるように各フレネル・ゾーン
を形成してもよい。このように，フレネル・ゾーンの厚
さを調整するやり方には種々あり，いずれの方法を採用
してもよい。
第５図および第６図はマイクロ・フレネル◆レンズの他
の実施例を示している。
このマイクロ・フレネル●レンズ２０においては，基板
２１上に，中央部分Ｚｌｌを除いて，輪帯状のフレネル
◆ゾーンＺ　１２，　・・・，２１５が形成されている
。これらのフレネル・ゾーンｚ１２〜２１５の厚さ（各
ゾーンにおける最大の厚さ）はすべて等しく設定されて
いる。中央部分Ｚｌｌは平坦であり，この部分では光の
回折は生じない，すなわち回折効率は零である。鎖線Ｚ
１１０で示すように中央部分の平坦面の高さをフレネル
・ゾーンｚｌ２〜Ｚ１５の頂点の位置にあわせてもよい
。
このような超解像マイクロ・フレネル●レンズ２０によ
って集光された光のスポット・サイズが，従来のマイク
ロ・フレネル●レンズによる集光スポット・サイズより
も小さくなることについて，定量的に一例を以下に述べ
る。
超解像マイクローフレネルｅレンズ２０の直径を１關，
焦点距離をｌｍｌｌ，ＮＡを０．４５とする。グレーテ
ィングが形成されていない平坦な中央部分Ｚｌｌまたハ
ＺｌｌＯノ直径を０．５ｍｍとする。波長λ−　０．７
８μｍの平面波をこのマイクロ・フレネル・レンズ２０
に入射した場合に焦点面に生じる集光強度分布が第７図
に実線で示されている（横軸のＲは中心からの距離を表
わす）。光強度がビーク値の１／ｅ２　（ｅは自然対数
の底）となるスポット径は１，ｌ２μｍとなる。これに
対して，平坦な中央部にもグレーティングが形戊された
従来のマイクロ・フレネル・レンズ（直径，焦点距離は
上記と同じ）によって生じる焦点面における集光強度分
布は第７図に破線で示すようになる。光強度がピーク値
の１／ｅ２となるスポット径は１．４２μｍである。し
たがって，超解像によりスポット径が（１．１２／１．
４２）　ＸＩＯＯ　＝−７９％に縮小することが分る。
超解像マイクロ・フレネル・レンズ２０による集光強度
のピーク値は従来のマイクロ・フレネル・レンズのピー
ク強度よりも小さくなっている。これは，超解像マイク
ロ・フレネル・レンズ２０の中央部分ＺｌｌまたはＺ１
１０の回折効率が低下していることに帰囚して集光され
る光量が減少すること，および集光ビーム強度分布にお
けるサイドローブ光量の割合が増大することによるもの
である。
第８図は超解像マイクロ●フレネル・レンズのさらに他
の例を示すもので，中央の平坦部を除く輪帯状フレネル
・ゾーンの凸条の断面形状が方形状となっている（ステ
ップ●タイプ）。
第６図および第８図において，輪帯状フレネル・ゾーン
の凸条の厚さ（各ゾーンにおける最大厚さ）を，外側の
ゾーンほど厚くするようにすることもできる。
第９図および第ｌＯ図はこの発明による集光グレーティ
ング・カプラの実施例を示している。
基板４ｌ上に光導波層４２が形戊され，この先導波層４
２上に集光グレーティング・カプラ４０が形成されてい
る。集光グレーティング・カプラ４ｏはチャープ化され
た円弧状グレーティングによって構成されている。すな
わち，グレーティング要素は平面からみて円弧状に形成
され．かつグレーティング周期が導波光の進行方向に向
ってしだいに小さくなっている。このグレーティング●
カブラ４０の中央部分Ｚ２１はグレーティングが形成さ
れず平坦となっている。先導波層４２内を集光グレーテ
ィング・カプラ４０に向って進む光は集光グレーティン
グ・カプラ４０のグレーティングが形成されている部分
で先導波層４２から斜め上方に向って出射し（垂直上方
に向って出射するようにすることもできる）かつ一点に
集光する。平坦中央部分Ｚ２１では導波光は出射しない
。上述した超解像マイクロ◆フレネル・レンズと同じよ
うに，超解像現象によって集光される光のスポット径は
，平坦部分２２１を設けない場合に比べて小さくなる。
第１０図においては，先導波層４２内を伝播する光の強
度が２本の鎖線間の幅によって表現されている。
上述のように超解像化により集光スポット径を縮小でき
るので，同じ大きさのスポット径であれば従来の集光グ
レーティング●カブラに比べてＮＡを小さくすることが
できる。したがって，グレーティング周期を大きくでき
，グレーティングの作製が容易となる。また許容作製誤
差，許容波長変動も緩和される。
第１Ｉ図および第１２図は集光グレーティング・カプラ
の他の実施例を示している。これらの図において，グレ
ーティングはブレーズ化されている，すなわちグレーテ
ィング要素の凸条の断面が三角形状になっている。また
，グレーティング要素の厚さが前後の周辺部で最も高く
，中央にいくにしたがって低くなっている。すなわち．
中央部ほど回折効率が低くなっている。第１１図に示す
集光グレーティング・カプラ５０ではグレーティング要
素の凸条の頂点が一平面内に含まれるように，第ｌ２図
に示す集光グレーティング・カプラＢＯではグレーティ
ング要素の凹清の底が一平面内に含まれるように，それ
ぞれグレーティングが作製されている。これらのグレー
ティング・カプラ５Ｇ，　６０＋，：おいて，グレーテ
ィング要素の厚さを幅方向に変化させるようにしてもよ
いのはいうまでもない。
上述したマイクロ・フレネル・レンズおよび集光グレー
ティング・カプラは電子ビーム・リソグラフィを利用し
て容易に作製することができる。
たとえば，電子ビーム・リソグラフィによりマイクロ・
フレネル・レンズや集光グレーティング・カプラの原盤
を作成し．この原盤を用いて電鋳法，転写法等によりス
タンパを作成する。そして．このスタンパを用いて，マ
イクロ・フレネル・レンズおよび集光グレーティング・
カプラを樹脂の射出成形，その他の成形法により複製す
る。集光グレーティング・カプラの作製においては，基
板上の光導波層と集光グレーティング・カプラとを一体
に成形することが可能である。
上記実施例のマイクロ・フレネルｅレンズおよび集光グ
レーティング・カプラではそれらのグレーティング要素
の厚さが中心部で小さく，周辺部で大きくなる厚さ分布
としているが，これとは逆に中心部で大きく，周辺部で
小さくなる厚さ分布とすることもできる。いずれにして
も，回折効率の変化の＝　ｈｖはその用途に応じて任意
に定めることができる。
以上のようにして，この発明によると，グレーティング
・レンズおよび集光グレーティング・カプラに回折効率
分布をもたせているので，そのＮＡに強く影響されるこ
となく，集光ビーム・スポット径を任意に設定すること
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第１図および第２図はこの発明によるグレーティング・
レンズの実施例を示すものである。 第１図はマイクロ・フレネル・レンズの斜視図である。 第２図は第１図の■一■線にそう拡大断面図である。 第３図はマイクロ・フレネル・レンズにおけるフレネル
・ゾーンの厚さを変える他のやり方を示すための第２図
相当の断面図である。 第４図はマイクロ・フレネル●レンズにおける回折効率
とグレーティング厚さとの関係を示すグラフである。 ｍ５図および第６図はマイクロ・フレネル・レンズの他
の例を示すものである。 第５図はマイクロ●フレネル◆レンズの斜視図である。 第６図は第５図のＶｌ−Ｖｌ線にそう断面図である。 第７図は．第５図および第６図に示す超解像マイクロ・
フレネル・レンズと従来のマイクロ・フレネル・レンズ
の集光強度分布を示すグラフである。 第８図はマイクロ●フレネル●レンズのさらに他の例を
示す第６図相当の断面図である。 第９図および第ｌＯ図はこの発明による集光グレーティ
ング・カプラの実施例を示すものである。 第９図は集光グレーティング・カプラの斜視図である。 第ＬＯ図は第９図のＸ−Ｘ線にそう拡大断面図である。 第ＩＩ図および第１２図は集光グレーティング・カプラ
の他の例を示す第１０図相当の断面図である。 １０，　２０．　３０・・・マイクロ・フレネル・レン
ズ２２１・・・基板， ４０，　５０．　８０・・・集光グレーティング・カプ
ラ，４１・・・基板， ４２・・・先導波層， Ｚ１〜Ｚ６，Ｚ１２〜２１５・・・フレネル●ゾーン．
Ｚｌｌ，　　２１１０　．　　２２１・・・平坦中央部
分。 第２図 第３図 第４図 ａ（ｒａｄ） 第５図 Ｎ６図 ２０ ｊ１９図 第７図 第８図 第 ０図

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. （１）レンズ面上において光の集光方向に回折効率が変
    化していることを特徴とするグレーティング・レンズ。
  2. （２）回折効率の変化がグレーティング要素の厚さの変
    化によって実現されている請求項（１）に記載のグレー
    ティング・レンズ。
  3. （３）円形のグレーティング・パターンをもつグレーテ
    ィング・レンズにおいて、周辺部で回折効率が最大で中
    心にいくほど回折効率が小さくなる請求項（１）に記載
    のグレーティング・レンズ。
  4. （４）中央部が平坦面である請求項（１）に記載のグレ
    ーティング・レンズ。
  5. （５）基板に形成された光導波路上に形成されたグレー
    ティングの回折効率が光の集光方向に変化していること
    を特徴とする集光グレーティング・カプラ。
  6. （６）回折効率の変化がグレーティング要素の厚さの変
    化によって実現されている請求項（５）に記載の集光グ
    レーティング・カプラ。
  7. （７）中央部が平坦面である請求項（５）に記載の集光
    グレーティング・カプラ。
JP2044525A 1989-03-16 1990-02-27 グレーティング・レンズおよび集光グレーティング・カプラ Pending JPH0315003A (ja)

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JP2044525A JPH0315003A (ja) 1989-03-16 1990-02-27 グレーティング・レンズおよび集光グレーティング・カプラ
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JP1-65277 1989-03-16
JP6527789 1989-03-16
JP2044525A JPH0315003A (ja) 1989-03-16 1990-02-27 グレーティング・レンズおよび集光グレーティング・カプラ

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