回折光学素子（DOE, Diffractive Optical Element)とは
回折光学素子（DOE: Diffractive Optical Element）は光の回折現象を利用した光学素子です。一般的なレンズ等の光学素子は、空気と光学素子の境界面の屈折率差による光の屈折を利用し、光の集光・拡散などの制御を行います。一方、DOEは、光学表面上の微小な構造による回折現象で光の方向や強度を制御します。
DOEの用途は多岐にわたります。例えば、計算機合成ホログラム（CGH、Computer-Generated Hologram）として実現される所望の回折像を発生させるパターンジェネレーター、レーザ光のビーム形状を変更するビームシェイパー、1本のレーザ光から多数の輝点を形成するスポットジェネレーター、さらに光学系の色収差補正や光学系の温度補償などといった光学機能を実現することができます。
ナルックスの回折光学素子の特徴
- ナルックス独自開発の設計ソフトによる最適なCGH形状設計、提案
- ブレーズド形状（鋸歯形状）や階段形状など多様な形状の回折格子の設計・量産が可能
- マルチレベル（多段）パターンの設計・加工が可能
- 製品の両面にパターン加工可能
- 石英の直接加工によるDOE作製の他、樹脂成形によるDOE量産対応
- 光学機能である分光比や回折効率を自社開発の測定器で測定し、品質を保証
DOEを用いることができるアプリケーション例
- アミューズメント機器、家電、医療機器、自動車、ロボットなど
（→ モーションキャプチャー、VR/AR等へのDOEの適用） - レーザー加工装置、通信系製品に用いられるビームシェーパーやスポットジェネレーター、および分光器などへの適用
（→ ビームシェーパーやスポットジェネレーター、分光器等へのDOEの適用）
回折光学素子の用途例
AR向け樹脂製導光板
現実世界にデジタル情報を表示するAR（拡張現実）技術とメガネ型のウェアラブルデバイスであるスマートグラスの組み合わせにより、現実世界の視覚情報にデジタル情報を重ね合わせることが可能です。想定する用途として、たとえば、製造業では技術者がスマートグラスを使用して機器のメンテナンスや修理を行う際に、AR技術を利用して手順書や部品の配置を視覚的に表示することで、作業効率の向上やエラーの発生を減少させることができます。そのほか、医療やエンターテイメントなど、今後は様々な用途での使用が想定されています。
ナルックスのスマートグラス用回折型導光板（Waveguide）は軽量で安全性の高い樹脂製の平板の表面に回折格子のような微細形状を施し、入射した光を内部全反射で伝搬させ目の方に投影します。平板の平坦性が画像の解像度に多大な影響を及ぼすため、TTV（Total Thickness Variation)を限りなく低減することが必須となりますが、ナルックスは業界でも珍しい微細形状を一体で成形する射出成形でTTVが低く、解像度の高い導光板を実現しています。
特徴
- RCWA（Rigorous Coupled-Wave Analysis)法を活用した光学ソフトウェアにより、開発リードタイムを短縮。
- ナルックスの高度なリソグラフィ技術により、大面積かつセグメント分割された微細形状を精緻に製作。これにより輝度のムラを軽減。
- 光入射部において非対称回折次数光を生成する微細形状を高精度に加工。光の効率を向上し、より明るく鮮明な出力を実現。
- アスペクト比1以上の微細形状を高精度に転写し、平坦性に優れた平板を射出成形。コストを抑えつつ歪みのない高画質を実現。
- インカプラ、EPE、アウトカプラのレイアウトを自由にカスタマイズ可能。デザイン性と機能性を両立。
単色対応（フルカラーは要相談）
大径スポット光源に最適
現在、導光板のみを販売中（導光板の保護・外形加工については相談可能）
開発品の試用可能
アプリケーション使用例
- 外国語の翻訳や、難聴の人向けに会話をリアルタイム表示
- 災害時の避難経路誘導や、目的地のナビゲーション
- 運動時の心拍数表示やスピード、高度変化をリアルタイムで計測し表示
関連特許例
- JP7309251
- その他複数の特許出願および出願準備中
計算機合成ホログラム（CGH, Computer-Generated Hologram）
ホログラムとは、物体光と参照光の相互の干渉によって発生した干渉縞（2次元の位相情報）を記録した光学素子です。ホログラムに適切な光を入力することで、記録した物体光の像を再生することができます。それに対して計算機合成ホログラム(CGH)は、所望の回折像を形成する位相情報を算出し、その位相情報を凹凸形状として具現化した光学素子です。CGHに適切な光を入力することで、計算に用いた所望の回折像を再生することが可能です。CGHは一般的に微細かつ非常に複雑な構造となります。ナルックスは電子線描画などの極限の微細加工技術と超精密樹脂成形により、各種のCGHを製品化しています。
ナルックスのCGHの特徴
- 独自の光学設計ソフトによる、ゴーストと歪曲補正を考慮した高度な光学設計
- EB（電子線描画）とエッチングによるリソグラフィー技術を用いた高精細な微細構造の作製
- 高転写成形によるシャープな照射パターンの実現
CGHを用いたアプリケーション事例
- 流通や集客施設、産業機器向けバーコード、2次元コードリーダーなどに使用できるパターンジェネレーターやターゲットマーカーなどへの適用など
（→ パターンジェネレーターやターゲットマーカー等へのCGHの適用）
DOEによる色収差補正
光学材料の屈折率は可視光帯とその近傍では短波長ほど高くなります。そのため、例えば集光レンズであれば、波長によって焦点距離が変わり、短波長ほど焦点距離が短くなります（正の分散）。この色収差を補正する方法としては、分散の小さい凸レンズと、分散の大きい凹レンズを組み合わせる手法が良く知られています。しかし、この方法はレンズ枚数が増える事がデメリットとなります。一方で、集光型のDOEでは、DOE構造によっては、長波長ほど大きい光の回折角度を得ることができます（負の分散）。つまり、屈折レンズと集光型DOE構造を組み合わせることで、色収差を補正することができ、レンズ枚数の削減などに貢献できます。DOE構造は、平凸レンズの平面側や、曲率を持ったレンズ面に付与することができます。
用途例/使用事例
- ヘッドライトの配光の色制御（第27回 中小企業優秀新技術・新製品賞）
- 2波長対応光ピックアップ用レンズ
- 高解像が要求される携帯電話用小型撮像レンズ
色収差の改善例：LED照明の照射パターン比較
DOEなし
（青いライン）が発生
DOEによる色収差補正あり
車載用ヘッドライト DOEの適用による配光の色制御（第27回 中小企業優秀新技術・新製品賞）
関連特許例
- 車載用ヘッドライト関連特許例
- ・JP5315505
- ・JP5909419
- ・JP6849193
- 小型撮像系関連特許例
- ・JP4317933
- ・JP4992004
- ・JP4798529
- ・JP4822033
- ピックアップ系(BD,DVD,CD3波長対応対物単レンズ)関連特許例
- ・JP4649572
温度補償コリメータ
光学特性の温度変動は樹脂レンズ設計における課題の一つです。例えば、レーザービームプリンタ等で使用されるコリメータでは、レンズの温度が上がると屈折率が低下し、焦点距離が伸びます。ナルックスはレーザーダイオード（LD)の発光波長の温度依存性と回折光学素子の特性を利用した、温度補償光学系を実現しています。この光学系では、LDの温度が上がると発振波長が長波長化する特性と、回折光学素子の長波長ほど回折力が強くなる特徴を利用し、樹脂レンズの温度による焦点距離変動を抑制します。ナルックスはこのように、自社で生産する光学素子単体での設計に留まらず、光源やディテクタ、組立、使用方法などを含めた製品全体を理解、その特徴を考慮したうえでの全体最適を行う事で、より良い設計提案ができると考えています。
用途例/使用事例
- レーザービームプリンタ用 入射光学系素子（コリメータ、シリンダーレンズ）及び対使用温度環境に課題のある光学素子
