ナレッジベースまとめ_OpticStudioでの回折面の取り扱い

こんにちは。光学、光でのお困りごとがありましたか？

光ラーニングは、「光学」をテーマに様々な情報を発信する光源を目指しています。情報源はインターネットの公開情報と、筆者の多少の知識と経験です。このページでは、Zemaxホームページで公開されている技術記事、How diffractive surfaces are modeled in OpticStudio (Zemax技術記事、英語) を短くまとめます。記事には記載されていない仕様も説明します。今は英語版のみですが、そのうち日本語版が追加させることを期待しましょう。

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「OpticStudioでの回折面の取り扱い」まとめ
所感

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技術記事(ナレッジベース)は、OpticStudioを深く知るうえで非常に有用ですが、有用な記事ほど長くなってしまいます。書かれている内容をざっと把握して、「この記事に知りたいことが書いてある！」と感じることができれば、ぜひ記事にアクセスして詳細を確認してほしいです。

「OpticStudioでの回折面の取り扱い」まとめ

OpticStudioの回折面には、回折格子のピッチが均一な面と、不均一な面があり、回折光線の角度の計算方法が異なります。
回折格子のピッチが均一な場合、以下の回折方程式に従って回折光線の角度が求められます。
- n₁, n₂: 回折格子前後の屈折率、M: 回折次数、λ: 光線の波長、d: 回折格子の周期、θ₁: 光線の入射角度によって、θ₂: 回折角度が決まります。OpticStudioでは周期幅の逆数を取って、1/d=T: マイクロメートル当たりの溝の数(グレーティング周波数)で入力します。

図 58-1 ピッチが等間隔の回折格子における回折光線の角度計算。ピッチ以外の格子形状は考慮されない。

回折格子のピッチを面の位置によって変化させる(ピッチを不均一にする)ことで、所望の位置で所望の回折力が得られます。
- 例えば、不等間隔溝グレーティング、バイナリ1、バイナリ2、グリッド位相、ユーザ定義面によって、回折格子のピッチが変化する回折面を定義できます。
- OpticStudioは、このような面の回折力を連続的な位相分布(位相プロファイル)としてモデル化します。回折光線には位相プロファイルに基づいた光路長が加えられ、位相プロファイルの勾配(微分)によって回折角度が求められます。

図 58-2 回折格子のピッチが不均一な回折面。連続的な位相プロファイルによって、光路差と回折角度が計算される。

回折面の設計プロセスは、位相プロファイルを設計することです。その後、設計した位相プロファイルを実現する回折格子構造を計算します。回折面の位相プロファイルの設計例として、バイナリ2面を使用した回折光学系の設計方法(Zemax技術記事) も参照してください。
OpticStudioの回折面のほとんどは、理想的な回折光学素子(DOE)としてモデル化されます。微細構造に起因する回折効率は計算せず、すべてのエネルギーが指定した回折次数の光線に割り当てられます。
- 連続的な位相プロファイルを与えられる回折格子を、キノフォームと言います。サグ形状が階段状になっている回折格子を、バイナリ回折格子と言います。
- OpticStudioのほとんど回折面は、キノフォーム回折格子を想定しています。ただ、OpticStudioの機能にキノフォーム回折格子の形状を出力する機能はありません。
OpticStudioのサブスクリプションライセンス＋Premiumエディションには、回折格子の形状を設定して回折効率を計算する手法の1つ、RCWAを使用する機能(DLL)があります。機能の詳細については、表面レリーフ型グレーティングの回折効率を RCWA 法でシミュレーションする(Zemax技術記事) を参照してください。