回折光学素子の原理と発展

回折光学素子は、光波の回折理論に基づき、コンピュータ支援設計と半導体チップ製造プロセスを用いて基板（または従来の光学素子の表面）に段差構造または連続的なレリーフ構造をエッチングする、高い回折効率を有する光学素子の一種です。回折光学素子は、薄型、軽量、小型で、高い回折効率、多様な設計自由度、優れた熱安定性、そして独特の分散特性を有し、多くの光学機器の重要な構成部品となっています。回折は常に光学系の高解像度化の限界につながるため、従来の光学技術は1960年代まで回折効果による悪影響を回避しようと努めてきました。しかし、アナログホログラフィー、コンピュータホログラム、そして位相図の発明と成功により、概念に大きな変化がもたらされました。1970年代には、コンピュータホログラムと位相図の技術はますます進歩しましたが、可視光線および近赤外波長域において高い回折効率を有する超微細構造素子を製造することは依然として困難であり、回折光学素子の実用化範囲は限定されていました。 1980年代、米国MITリンカーン研究所のWBVeldkamp率いる研究グループは、VLSI製造のリソグラフィー技術を回折光学部品の製造に初めて導入し、「バイナリオプティクス」の概念を提唱しました。その後、高品質で多機能な回折光学部品の製造を含む、様々な新しい加工手法が次々と登場し、回折光学素子の発展を大きく促進しました。

回折光学素子の回折効率

回折効率は、回折光学素子および回折光学素子を併用した複合回折光学系を評価する上で重要な指標の一つです。光が回折光学素子を通過すると、複数の回折次数が発生します。一般的には、主回折次数の光のみが注目されます。他の回折次数の光は、主回折次数の像面に迷光を形成し、像面のコントラストを低下させます。したがって、回折光学素子の回折効率は、回折光学素子の結像品質に直接影響を及ぼします。

回折光学素子の開発

回折光学素子とその柔軟な波面制御により、光学システムとデバイスは軽量化、小型化、集積化へと発展しました。1990年代まで、回折光学素子の研究は光学分野の最前線にありました。これらの部品は、レーザー波面補正、ビームプロファイル形成、ビームアレイ生成、光インターコネクション、光並列計算、衛星光通信など、幅広い用途に用いられています。