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公開番号2025096025
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-06-26
出願番号2023212472
出願日2023-12-15
発明の名称角度選択フィルター
出願人日本放送協会
代理人個人,個人,個人,個人
主分類G02B 5/18 20060101AFI20250619BHJP(光学)
要約【課題】小型な光学系で、回折光学素子からの不要な光を正確に除去し、所望の光パターンを得ることができる角度選択フィルターを提供する。
【解決手段】本発明の角度選択フィルターは、周期的な微細構造を備える角度選択フィルターであって、回折光学素子の後段に配置されたとき、前記回折光学素子への入射光の入射角度又は反射角度に一致した角度で伝搬する0次光と、前記回折光学素子の高次の回折光との、少なくとも一方を除去する2次元角度分布応答を有することを特徴とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
周期的な微細構造を備える角度選択フィルターであって、
回折光学素子の後段に配置されたとき、前記回折光学素子への入射光の入射角度又は反射角度に一致した角度で伝搬する０次光と、前記回折光学素子の高次の回折光との、少なくとも一方を除去する２次元角度分布応答を有する、角度選択フィルター。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
請求項１に記載の角度選択フィルターにおいて、
前記高次の回折光を除去する２次元角度分布応答は、前記回折光学素子の正方格子のピッチをｐ、光源の波長をλ、ｎを回折次数としたとき、
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の角度範囲内の光を通過させ、この角度範囲を超える光を減衰させる応答である、角度選択フィルター。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
前記回折光学素子への入射光の入射角度又は反射角度に一致した角度で伝搬する０次光を除去する角度選択フィルターと、前記回折光学素子の高次の回折光を除去する角度選択フィルターとを積層することで、前記０次光及び前記高次の回折光を除去する、角度選択フィルター。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
前記回折光学素子の高次の回折光を除去する角度選択フィルターは、一軸の角度方向の所定角度を超える光を減衰させる角度分布応答を有する角度選択フィルター４枚を、９０度ずつ回転させ、積層して構成される、角度選択フィルター。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
前記回折光学素子の高次の回折光を除去する角度選択フィルターは、一軸の角度方向の特定の角度領域の光を減衰させる角度分布応答を有する角度選択フィルターであって、前記角度領域が互いにずれている複数の角度選択フィルターを積層して構成される、角度選択フィルター。
【請求項６】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
さらに、一軸の角度方向の通過帯域を半分以下にした、角度選択フィルター。
【請求項７】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
さらに、角度軸に沿って生じる十字の前記０次光を除去する、角度選択フィルター。
【請求項８】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
１層以上の誘電体の層上に、入射光の波長よりも小さな、１次元又は２次元周期の誘電体あるいは金属の微細構造を備える、角度選択フィルター。
【請求項９】
請求項１又は請求項２に記載の角度選択フィルターにおいて、
前記回折光学素子に密着させて配置される、角度選択フィルター。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は角度選択フィルターに関し、特に、回折光学素子とともに用いられる角度選択フィルターに関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
光の振幅、位相、偏光の少なくとも一つの物理量を空間的に変調し、光の回折現象を利用して、所望の光パターンを生成する回折光学素子は、レーザー加工、ホログラフィックディスプレイ、カメラ、分光器、顕微鏡、ライダー、光通信をはじめ、多様な光学機器・光学技術の分野で利用されている。回折光学素子には、静的な回折光学素子と動的な回折光学素子がある。静的な回折光学素子は、誘電体材料（ガラス、液晶材料、樹脂材料）又は金属材料に、リソグラフィ、エッチング、ナノインプリント、レーザー加工、旋盤加工、又は、多光子吸収、光配向、若しくは光干渉露光に基づく加工を施したものであり、その加工形状に依存した光の物理量の変化から、単一の光パターンを回折現象に基づいて生成する。動的な回折光学素子は、空間光変調器、ディジタルミラーデバイス等であり、液晶分子、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）、磁気光学効果等を利用して光の物理量を変調し、回折現象により生成される光パターンを可変とすることができる。
【０００３】
現実の回折光学素子から生成される光パターンは、所望の光パターンに加え、不要な光として、０次光と高次の回折光が発生する。
【０００４】
０次光に関しては、回折光学素子の加工誤差が主因であり、特に、液晶型の空間光変調器では、フィルファクターが低いことに起因する非変調光波の存在や、液晶分子・電圧のクロストークが主因となって発生する。所望の光パターンの分布にも依存するが、回折光学素子のフーリエ変換面での光波は、概して、０次光の強度が最も強い。アプリケーションに応じては、０次光の存在を無視できる場合があるが、特に、レーザー加工、ホログラフィックディスプレイの分野では、０次光の除去が必要である。また、回折光学素子でホログラフィに基づいて光の複素振幅分布を変調する場合（すなわち、振幅分布あるいは位相分布の一方の物理量の変調から、干渉・回折現象を利用して、所望の複素振幅分布を生成する場合）、多くのホログラム計算手法では直流光成分が０次光として発生してしまい、これらの０次光は必ず除去する必要がある。
【０００５】
高次の回折光に関しては、回折光学素子の変調面が周期的な構造を有する場合、例えば正方格子状、輪帯状、六方格子状等の周期性を有する場合に、必ず発生する。また、０次光の場合と同様に、回折光学素子でホログラフィに基づいて光の複素振幅分布を変調する場合、多くのホログラム計算手法では高次に限らず、低次の不要な回折光成分（例えば、マイナス１次光）が、発生してしまう。
【０００６】
上述した０次光や高次の回折光を除去する必要がある場合、従来のほとんどのアプリケーションでは４ｆ光学系を用いて、空間周波数フィルタリングが行われてきた。図１６は、４ｆ光学系の概念図である。回折光学素子１は、回折現象に基づいて、入射光から所定の光パターンを生成する。現実の回折光学素子１で生成される光パターンは、所望の光パターンに加え、不要な光が含まれている。１枚目のレンズ２により、回折光学素子１からの光をフーリエ変換することで、空間周波数分布、つまり、角スペクトル分布が得られる。この面に、所望のフィルター３（例えば、所望の開口を有するフィルター）を配置し、光軸付近に発生する０次光と、ある空間周波数帯域を超えた（例えばナイキストサイズを超えた）領域の高周波成分や、所定のスペクトル帯域の光を除去することで、純粋に生成したい光パターンだけが正確に得られる。実空間面での光パターンを利用したい場合には、２枚目のレンズ４で再度フーリエ変換する。
【０００７】
また、ホログラフィックディスプレイの分野では、誘電体多層膜を角度選択フィルターとして用いることが提案されている（非特許文献１）。誘電体多層膜は、波長フィルターとして一般的に用いられているもので、２種類以上の、誘電率が異なる均質な光学薄膜の積層体である。誘電体多層膜は、波長選択性があるのと同時に、角度選択性も有しており、この機能を利用すれば、４ｆ光学系に基づく空間周波数フィルタリングを利用することなく、上述の不要な回折光成分を除去できる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
Kiseung Bang, Changwon Jang, and Byoungho Lee、「Compact noise-filtering volume gratings for holographic displays」、Optics Letters、(2019年)、vol. 44、No. 9、pp. 2133-2136
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述のとおり、これまで、回折光学素子を利用するアプリケーションでは、不要な０次光や高次の回折光を除去するために、４ｆ光学系に基づく空間周波数フィルタリング又は誘電体多層膜を用いることが提案されてきた。
【００１０】
しかし、４ｆ光学系に基づく空間周波数フィルタリングは、光学系が非常に大型になるという問題がある。一方、誘電体多層膜を用いた角度選択フィルターは、光学系の小型化が可能となる。しかしながら、誘電体多層膜は、積層体であるため、１軸方向にだけにしか誘電率の変化がなく、角度フィルターとしてのフィルター透過率分布の設計自由度が著しく低い。非特許文献１で示されているように、不要な回折光成分を除去するとともに、所望の光パターンも一部除去されてしまう。さらに、回折光学素子の有効な空間周波数帯域（２次元角度分布)の形状は、通常、矩形であるが、誘電体多層膜を角度選択フィルターとして用いる場合の空間周波数帯域（２次元角度分布)の形状は、円形になる。この場合、矩形と円形の形状のミスマッチが生じるため、不要な回折光を一部通すか、あるいは、所望の光パターンを一部除去するか、という選択になり、厳密に所望の光パターンを生成することが困難となる。
（【００１１】以降は省略されています）

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