特開 2024-171300 光束制御部材および金型

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024171300

(43)【公開日】2024-12-11

(54)【発明の名称】光束制御部材および金型

(51)【国際特許分類】

   G02B 3/08 20060101AFI20241204BHJP

   B29C 33/42 20060101ALI20241204BHJP

   G02B 3/00 20060101ALI20241204BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20241204BHJP

【ＦＩ】

G02B3/08

B29C33/42

G02B3/00 Z

G02B5/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】6

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023193673

(22)【出願日】2023-11-14

(31)【優先権主張番号】P 2023087773

(32)【優先日】2023-05-29

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(71)【出願人】

【識別番号】000208765

【氏名又は名称】株式会社エンプラス

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】弁理士法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】井澤 崇宏

(72)【発明者】

【氏名】斉藤 悠生

(72)【発明者】

【氏名】大島 智

【テーマコード（参考）】

2H149

4F202

【Ｆターム（参考）】

2H149AA24

2H149AB01

2H149DA02

2H149DA12

2H149DB22

2H149FA05Y

2H149FA08Y

2H149FA10Y

2H149FA13Y

2H149FD01

2H149FD46

4F202AG05

4F202AG26

4F202AH75

4F202AH77

4F202AR12

4F202AR13

4F202CA09

4F202CA11

4F202CA30

4F202CB01

4F202CK12

(57)【要約】

【課題】複数の位相制御面を含むボルテックス面を有する光束制御部材であって、リング状の強度分布の光を適切に形成できる光束制御部材を提供すること。
【解決手段】本発明の光束制御部材は、中心軸を中心とする螺旋形状を有し、かつ前記中心軸を中心として放射状に分割された複数の位相制御面と、前記複数の位相制御面のうち隣接する２つの位相制御面の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面と、を含むボルテックス面を有する。前記複数の段差面の上辺は、前記ボルテックス面の中心部で交わっている。側面視において、前記ボルテックス面の中心部から外周部に向かう曲線は、前記ボルテックス面の前記中心部に変曲点を有する。
【選択図】図９

【特許請求の範囲】

【請求項1】

中心軸を中心とする螺旋形状を有し、かつ前記中心軸を中心として放射状に分割された複数の位相制御面と、前記複数の位相制御面のうち隣接する２つの位相制御面の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面と、を含むボルテックス面を有し、
前記複数の段差面の上辺は、前記ボルテックス面の中心部で交わっており、
側面視において、前記ボルテックス面の中心部から外周部に向かう曲線は、前記ボルテックス面の前記中心部に変曲点を有する、
光束制御部材。

【請求項2】

前記複数の段差面のそれぞれの上辺の延長線と前記中心軸との最短距離、および前記複数の段差面のそれぞれの下辺の延長線と前記中心軸との最短距離は、いずれも５μｍ以下である、請求項１に記載の光束制御部材。

【請求項3】

前記複数の位相制御面の数は、前記ボルテックス面のトポロジカルチャージ数と同数である、請求項１に記載の光束制御部材。

【請求項4】

前記複数の位相制御面は、同じ形状を有する、請求項１に記載の光束制御部材。

【請求項5】

前記複数の位相制御面は、同じ高さ範囲に配置されている、請求項１～４のいずれか一項に記載の光束制御部材。

【請求項6】

光束制御部材を成形するための金型であって、
前記光束制御部材は、中心軸を中心とする螺旋形状を有し、かつ前記中心軸を中心として放射状に分割された複数の位相制御面と、前記複数の位相制御面のうち隣接する２つの位相制御面の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面と、を含むボルテックス面を有し、
前記複数の段差面の上辺は、前記ボルテックス面の中心部で交わっており、
側面視において、前記ボルテックス面の中心部から外周部に向かう曲線は、前記ボルテックス面の前記中心部に変曲点を有する、
金型。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光束制御部材、および光束制御部材を成形するための金型に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、大容量のデータを、光通信を用いて高速で送受信するために、マルチモード光ファイバを備えた通信装置および通信システムが使用されている。マルチモード光ファイバは、光が通るコアの径がシングルモード光ファイバよりも大きいため、より多くの光を通すことができる。このようなマルチモード光ファイバを用いた光通信では、光ファイバの端面で反射されて光源に向かって光が戻る後方反射が問題となる。光源に反射光が戻ると、光源の出力が変動してしまう戻り光雑音と呼ばれる現象が発生してしまうからである。

【0003】

この問題を改善するための手段として、ボルテックスレンズや螺旋位相板などと称される光学素子を用いることが知られている（例えば特許文献１）。ボルテックスレンズ（螺旋位相板）とは、螺旋形状の位相制御面と、位相制御面の端部を接続する段差面とを含むボルテックス面を有する光学素子（光束制御部材）である。ボルテックスレンズに、中心部分の強度が高いガウス分布を有する光（ガウシアンビーム）を通過させると、中心部分の強度が顕著に低下した、リング状の強度分布を有する光（ボルテックスビーム）に変換される。特許文献１には、マルチモード光ファイバに入射させる光を、ボルテックスレンズを用いて生成されたリング状の強度分布の光とすることで、後方反射された光が光源に到達しにくくなることが記載されている。

【0004】

非特許文献１および非特許文献２には、ボルテックスレンズと同様の機能を有する螺旋状位相マスクを用いた光通信が開示されている。非特許文献１および非特許文献２では、空間光変調器を用いて螺旋状位相マスクを実現している。非特許文献１では、トポロジカルチャージ数ｌが＋４、＋８、－８、＋１６の位相マスクを用いている。非特許文献２では、トポロジカルチャージ数ｌが１、２、３、４の位相マスクを用いている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１６－０９１０１４号公報

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】Jian Wang, et al., "Terabit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing", Nature Photonics, Vol. 6, pp. 488-496.

【非特許文献2】Zikun Wang, "Efficient Recognition of the Propagated OrbitalAngular Momentum Modes in Turbulences With the Convolutional Neural Network", IEEE Photonics Journal, Vol. 11, 7903614.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

上記非特許文献１および非特許文献２に開示されているように、様々なトポロジカルチャージ数の位相マスクが知られている。そこで、本発明者は、様々なトポロジカルチャージ数のボルテックスレンズを製造することを試みた。図１Ａ～Ｃは、トポロジカルチャージ数ｌがそれぞれ異なる位相パターンの例を示す図であり、図１Ｄ～Ｆは、図１Ａ～Ｃに示される位相パターンを有する、その中心部がつぶれておらず、リング状の適切な強度分布の光を形成できるボルテックス面の形状を示す図である。具体的には、図１Ｄは、図１Ａに示される位相パターン（ｌ＝１）を有するボルテックス面の形状を示す図であり、図１Ｅは、図１Ｂに示される位相パターン（ｌ＝２）を有するボルテックス面の形状を示す図であり、図１Ｆは、図１Ｃに示される位相パターン（ｌ＝４）を有するボルテックス面の形状を示す図である。

【0008】

レンズなどの光学素子を金型を用いて製造する場合、金型の光学面を成形する面は、切削加工で形成されるのが一般的である。そこで、本発明者は、ボルテックスレンズを成形するための金型のボルテックス面を成形する面（以下「ボルテックス面成形面」と称する）を切削加工で形成した。このようにして得られた金型を用いて上記図１Ｅ、Ｆに示されるボルテックス面（ｌ≧２）を有するボルテックスレンズを製造したところ、ボルテックス面の中心部がつぶれてしまった。このようなボルテックスレンズでは、意図しない中心部の形状に起因して、リング状の強度分布の光を適切に形成することができなかった。

【0009】

本発明の目的は、複数の位相制御面を含むボルテックス面を有する光束制御部材であって、リング状の強度分布の光を適切に形成できる光束制御部材を提供することである。また、本発明の別の目的は、上記光束制御部材を成形するための金型を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は、以下の光束制御部材、および光束制御部材を成形するための金型に関する。

【0011】

［１］中心軸を中心とする螺旋形状を有し、かつ前記中心軸を中心として放射状に分割された複数の位相制御面と、前記複数の位相制御面のうち隣接する２つの位相制御面の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面と、を含むボルテックス面を有し、前記複数の段差面の上辺は、前記ボルテックス面の中心部で交わっており、側面視において、前記ボルテックス面の中心部から外周部に向かう曲線は、前記ボルテックス面の前記中心部に変曲点を有する、光束制御部材。
［２］前記複数の段差面のそれぞれの上辺の延長線と前記中心軸との最短距離、および前記複数の段差面のそれぞれの下辺の延長線と前記中心軸との最短距離は、いずれも５μｍ以下である、［１］に記載の光束制御部材。
［３］前記複数の位相制御面の数は、前記ボルテックス面のトポロジカルチャージ数と同数である、［１］または［２］に記載の光束制御部材。
［４］前記複数の位相制御面は、同じ形状を有する、［１］～［３］のいずれか一項に記載の光束制御部材。
［５］前記複数の位相制御面は、同じ高さ範囲に配置されている、［１］～［４］のいずれか一項に記載の光束制御部材。
［６］光束制御部材を成形するための金型であって、前記光束制御部材は、中心軸を中心とする螺旋形状を有し、かつ前記中心軸を中心として放射状に分割された複数の位相制御面と、前記複数の位相制御面のうち隣接する２つの位相制御面の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面と、を含むボルテックス面を有し、前記複数の段差面の上辺は、前記ボルテックス面の中心部で交わっており、側面視において、前記ボルテックス面の中心部から外周部に向かう曲線は、前記ボルテックス面の前記中心部に変曲点を有する、金型。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、リング状の強度分布の光を適切に形成できる、複数の位相制御面を含むボルテックス面を有する光束制御部材を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１Ａ～Ｃは、トポロジカルチャージ数が異なる位相パターンの例を示す図であり、図１Ｄ～Ｆは、図１Ａ～Ｃに示される位相パターンを有するボルテックス面の形状を示す図である。

【図2】実施の形態に係る金型の構成を示す断面図である。

【図3】図３Ａは、実施の形態に係る金型（下型）の底面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示すＡ－Ａ線の断面図である。

【図4】図４Ａは、従来の切削工具を用いて金型を製造する様子を示す斜視図であり、図４Ｂは、実施の形態に係る切削工具を用いて金型を製造する様子を示す斜視図である。

【図5】図５は、図１Ｄに示されるボルテックス面を有するボルテックスレンズの試作品におけるボルテックス面の中心付近の写真である。

【図6】図６は、実施の形態に係る金型（ボルテックス面成形面）の写真である。

【図7】図７は、実施の形態に係る金型（ボルテックス面成形面）の写真である。

【図8】図８は、実施の形態に係る光束制御部材の製造方法のフローチャートである。

【図9】図９は、実施の形態に係る光束制御部材の斜視図である。

【図10】図１０Ａは、実施の形態に係る光束制御部材の平面図であり、図１０Ｂは、実施の形態に係る光束制御部材の正面図、右側面図、背面図および左側面図であり、図１０Ｃは、図１０ＡのＢ－Ｂ線およびＣ－Ｃ線の断面図である。

【図11】図１１は、実施の形態に係る光束制御部材におけるボルテックス面の中心付近の写真である。

【図12】図１２Ａは、中心部がつぶれたボルテックス面を有する光束制御部材から出射された光の強度分布を示す図であり、図１２Ｂは、実施の形態に係る光束制御部材から出射された光の強度分布を示す図である。

【図13】図１３Ａ、Ｂは、トポロジカルチャージ数ｌが４の光束制御部材のボルテックス面を示す平面模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、本発明に係る実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0015】

（金型およびその製造方法）
まず、本発明の一実施の形態に係る金型１００について説明する。図２に示されるように、金型１００は、本発明の一実施の形態に係る光束制御部材２００を成形するために用いられる。

【0016】

図２および図３Ａ、Ｂは、金型１００の構成を示す図である。図２に示されるように、金型１００は、上型１０１および下型１０２を有する。上型１０１および下型１０２によって、キャビティ１２０およびゲート１２１が形成される。図３Ａ、Ｂでは、金型１００のうち、ボルテックス面成形面１１０を含む駒（下型１０２）のみを示している。図３Ａは、金型１００（下型１０２）の底面図であり、図３Ｂは、図３Ａに示すＡ－Ａ線の断面図である。図３Ａ、Ｂでは、ゲート１２１を省略している。

【0017】

図３Ａ、Ｂに示されるように、金型１００は、ボルテックス面成形面１１０およびキャビティ１２０を有する。

【0018】

ボルテックス面成形面１１０は、光束制御部材２００のボルテックス面２１０を成形する面である。この後説明するように、光束制御部材２００のボルテックス面（光渦生成面とも称される）２１０は、光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２を中心とする螺旋形状を有し、かつ中心軸ＣＡ２を中心として放射状に分割された複数の位相制御面２１１と、複数の位相制御面２１１のうち隣接する２つの位相制御面２１１の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面２１２とを含む（図９参照）。ボルテックス面成形面１１０は、ボルテックス面２１０に相補的な形状を有しており、金型１００の中心軸ＣＡ１を中心とする螺旋形状を有し、かつ中心軸ＣＡ１を中心として放射状に分割された複数の位相制御面成形面１１１と、複数の位相制御面成形面１１１のうち隣接する２つの位相制御面成形面１１１の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面成形面１１２とを含む。なお、本明細書において「放射状に分割する」とは、平面視したときに複数の分割線が一点から放射状に延在するように対象を分割することを意味する。分割することで生成された領域は、扇形状である。

【0019】

複数の位相制御面成形面１１１は、それぞれ光束制御部材２００の位相制御面２１１を成形するための面である。光束制御部材２００の複数の位相制御面２１１は、それぞれ光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２を中心とする螺旋形状を有するため（図９参照）、金型１００の複数の位相制御面成形面１１１は、それぞれ金型１００の中心軸ＣＡ１を中心とする螺旋形状を有する。複数の位相制御面成形面１１１の数は、光束制御部材２００の複数の位相制御面２１１の数と同じである。図３Ａに示す例では、ボルテックス面成形面１１０は、４つの位相制御面成形面１１１を含んでいる。これらの複数（４つ）の位相制御面成形面１１１は、金型１００の中心軸ＣＡ１を中心として回転対称（４回対称）となるように配置されている。したがって、複数（４つ）の位相制御面成形面１１１は、同じ形状を有し、かつ同じ高さ範囲に配置されている。ここで、金型１００における高さとは、中心軸ＣＡ１に沿う方向における位置を意味する。

【0020】

複数の段差面成形面１１２は、それぞれ光束制御部材２００の段差面２１２を成形するための面である。光束制御部材２００の複数の段差面２１２は、隣接する２つの位相制御面２１１の端部同士をそれぞれ接続するため（図９参照）、金型１００の複数の段差面成形面１１２は、隣接する２つの位相制御面成形面１１１の端部同士をそれぞれ接続する。また、光束制御部材２００の複数の段差面２１２は、それぞれ光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２から外縁まで径方向に延在する平面であるため（図７参照）、金型１００の複数の段差面成形面１１２は、それぞれ金型１００の中心軸ＣＡ１から外縁まで径方向に延在する平面である。複数の段差面成形面１１２の数は、光束制御部材２００の複数の位相制御面２１１の数および金型１００の複数の位相制御面成形面１１１の数と同じである。本実施の形態に示す例では、ボルテックス面成形面１１０は、４つの段差面成形面１１２を含んでいる。これらの複数（４つ）の段差面成形面１１２は、金型１００の中心軸ＣＡ１を中心として回転対称（４回対称）となるように配置されている。したがって、複数（４つ）の段差面成形面１１２は、同じ形状を有し、かつ同じ高さ範囲に配置されている。なお、以下の説明では、段差面成形面１１２の辺のうち、光束制御部材２００の段差面２１２の上辺に対応する辺を段差面成形面１１２の上辺とし、光束制御部材２００の段差面２１２の下辺に対応する辺を段差面成形面１１２の下辺とする。光束制御部材２００は、光源からの光を入射させるか、または内部を進行した光を外部に出射させるための第１面２２０と、第１面２２０で入射した光を外部に出射させるか、光を入射させるためのボルテックス面（第２面）２１０とを有する（図１０Ｂ、Ｃ参照）。本明細書では、光束制御部材２００の第１面２２０側（光源側）を下方向とし、光束制御部材２００のボルテックス面２１０側を上方向とする（図１０Ｂ、Ｃ参照）。したがって、光束制御部材２００の段差面２１２の上辺は、光束制御部材２００の段差面２１２の下辺よりも、第１面２２０（光源側の面）から離れている。

【0021】

前述の図１Ｆは、好ましいボルテックス面２１０の例を示している。図１Ｆに示されるように、周方向において２つの段差面２１２間に位置する位相制御面２１１は、なだらかに連続する面であることが好ましく、鏡面であることがより好ましい。

【0022】

従来の一般的な加工方法と同様に、金型１００のボルテックス面成形面１１０を同心円状に切削加工を行うことで形成すると、円環状の加工痕が形成されてしまう。その結果、光束制御部材２００のボルテックス面２１０にも、円環状の加工痕が形成されてしまう。この加工痕は、ボルテックス面２１０の外周部だけでなく中心部にも形成されてしまう。このようにボルテックス面２１０の中心部に加工痕が形成されてしまった場合、複数の段差面２１２のそれぞれの上辺は、ボルテックス面２１０の中心部で交わらない。このようなボルテックス面２１０の中心部に加工痕がある光束制御部材２００では、意図しない加工痕に起因して、リング状の強度分布の光を適切に形成することができない。

【0023】

そこで、本実施の形態では、金型１００のボルテックス面成形面１１０を放射状に切削加工を行うことで形成する。この場合、図３Ａに示すように、ボルテックス面成形面１１０の外周部では、放射状の加工溝（加工痕）１１３がわずかに形成されることがある。これに対し、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４では、加工領域が重なって同じ領域が繰り返し加工されるため、加工溝１１３が消失する。したがって、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４は、略鏡面となる。また、複数の段差面成形面１１２の上辺は、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４で交わる。このため、光束制御部材２００のボルテックス面２１０の中心部２１４も略鏡面となるとともに、複数の段差面２１２の上辺がボルテックス面２１０の中心部で交わり、リング状の強度分布の光を適切に形成することができる。なお、本明細書において、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４とは、ボルテックス面成形面１１０（金型１００）の中心軸ＣＡ１から、ボルテックス面成形面１１０の半径の１／１０の距離までの範囲を意味する。同様に、本明細書において、ボルテックス面２１０の中心部２１４とは、ボルテックス面２１０（光束制御部材２００）の中心軸ＣＡ２から、ボルテックス面２１０の半径の１／１０の距離までの範囲を意味する。

【0024】

また、金型１００のボルテックス面成形面１１０を放射状に切削加工を行う場合に、従来の一般的な切削工具（バイト）１３０を用いると、図４Ａに示されるように、段差面成形面１１２の上端（段差面成形面１１２の上辺に対応する部分）において、位相制御面成形面１１１と段差面成形面１１２との境界が曲面（Ｒ面）１１２Ｒとなってしまう。このため、段差面成形面１１２の上辺の位置と段差面成形面１１２の下辺の位置とが水平方向において大きくずれてしまい、段差面成形面１１２の上辺および下辺の少なくとも一方は、金型１００の中心軸ＣＡ１から離れてしまう。その結果、従来の一般的な切削工具１３０で形成された金型１００を用いて光束制御部材２００を製造すると、図５に示されるように、光束制御部材２００の段差面２１２の上辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離、および光束制御部材２００の段差面２１２の下辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離の少なくとも一方は、７μｍ以上となる。すなわち、設計上は中心軸ＣＡ２から放射状に延在するはずの段差面２１２が、中心軸ＣＡ２から離れた位置に形成されてしまう。このような光束制御部材２００では、意図しない段差面２１２の形状に起因して、リング状の強度分布の光を適切に形成することができない。なお、図５では、段差面２１２と中心軸ＣＡ２との関係を見やすくするために、段差面２１２が１つのボルテックス面２１０を示している。

【0025】

そこで、本実施の形態では、金型１００のボルテックス面成形面１１０を放射状に切削加工を行う場合に、両側に曲面形状（Ｒ形状）の刃先を有する従来の切削工具１３０の代わりに、一方の側に垂直形状の刃先を有する本実施の形態に係る切削工具を用いることとした。このようにすることで、図４Ｂに示されるように、段差面成形面１１２の上端において、位相制御面成形面１１１と段差面成形面１１２との境界が曲面（Ｒ面）１１２Ｒとなってしまうことを抑制できる。このため、段差面成形面１１２の上辺の位置と段差面成形面１１２の下辺の位置とが水平方向においてずれることが抑制され、段差面成形面１１２の上辺および下辺が、金型１００の中心軸ＣＡ１から離れてしまうことも抑制される。その結果、複数の段差面成形面１１２のそれぞれの上辺の延長線と金型１００の中心軸ＣＡ１との最短距離、および複数の段差面成形面１１２のそれぞれの下辺の延長線と金型１００の中心軸ＣＡ１との最短距離は、いずれも０μｍ以上５μｍ以下となる。本実施の形態に係る切削工具で形成された金型１００を用いて光束制御部材２００を製造すると、光束制御部材２００の複数の段差面２１２のそれぞれの上辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離、および光束制御部材２００の複数の段差面２１２のそれぞれの下辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離は、いずれも０μｍ以上５μｍ以下となる（図１１参照）。すなわち、複数の段差面２１２が、設計通り中心軸ＣＡ２から放射状に延在するように形成される。

【0026】

本実施の形態に係る金型１００は、例えば、所定の点を中心として金型母材を放射状に切削してボルテックス面成形面１１０を形成することで製造されうる。このとき、上記の本実施の形態に係る切削工具を用いることが好ましい。

【0027】

金型母材を構成する材料は、特に限定されず、公知の材料から適宜選択されうる。金型母材を構成する材料の例には、鋼材、亜鉛合金、アルミニウム合金が含まれる。耐久性の観点からは、金型母材は鋼材を含むことが好ましい。

【0028】

たとえば、切削加工によりボルテックス面成形面１１０を形成する際には、金型母材の一主面において、螺旋の中心となる点を定め、上記中心に向けて放射状に切削すればよい。逆に、金型母材の一主面において、螺旋の中心となる点を定め、上記中心から放射状に切削してもよい。いずれの場合であっても、螺旋の中心に向けて放射状に配置された複数の溝１１３がボルテックス面成形面１１０の外周部に形成されることがある。

【0029】

位相制御面成形面１１１を形成する際には、１つの溝１１３に対して、螺旋の回転方向において隣接する溝の深さがより深くまたはより浅くなるように、工具の先端の高さを変えて切削する。たとえば、平面視したときに、隣接する溝どうしのなす角が０．２°となるように、時計回りの方向に順に溝を切削する場合、形成された１つの溝に対して、時計回りに０．２°進んだ位置に上記溝の深さよりも深い溝または浅い溝が形成されるように切削する。これを連続して所定の角度範囲（例えば９０°）行うことで、位相制御面成形面１１１が金型母材の主面に形成される。螺旋の回転方向は任意で決定することができ、上記回転方向に合わせて工具の先端の高さを変えて切削すればよい。

【0030】

段差面成形面１１２を形成する際には、垂直形状の刃先が段差面成形面１１２側に位置するように上記の本実施の形態に係る切削工具を配置して切削する（図４Ｂ参照）。これにより段差面成形面１１２が金型母材の主面に形成される。なお、段差面成形面１１２は、中心軸ＣＡ１に平行であってもよいが、中心軸ＣＡ１に対してわずかに傾斜していてもよい（抜きテーパー）。

【0031】

このようにして形成されたボルテックス面成形面１１０では、複数の位相制御面成形面１１１は、それぞれ、凹曲面であり、かつ側面透過視において、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４から外周部に向かう曲線が、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４に変曲点を有する。すなわち、中心軸ＣＡ１を含む断面において、位相制御面成形面１１１の断面である曲線は、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４に変曲点を有する。より具体的には、中心軸ＣＡ１を含む断面において、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４以外の領域では、位相制御面成形面１１１は、中心軸ＣＡ１に近づくほど傾きが小さくなる（中心軸ＣＡ１に対して垂直に近くなる）が、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４では、位相制御面成形面１１１は、中心軸ＣＡ１に近づくほど傾きが大きくなる（中心軸ＣＡ１に対する角度が小さくなる）部分を含む。ただし、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４であっても、段差面成形面１１２のごく近傍においてはこの限りではない。したがって、図３Ｂでは、位相制御面成形面１１１が変曲していることは示されていない。

【0032】

図６は、上記のように製造された金型１００（ボルテックス面成形面１１０）の写真である。図７は、ボルテックス面成形面１１０の中心部を拡大（１０００倍）した写真である。上記のように、金型１００のボルテックス面成形面１１０を放射状に切削加工して形成することで、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４を略鏡面とすることができる。また、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４に連続して切削工具を押し当てることなくボルテックス面成形面１１０を加工するため、ボルテックス面成形面１１０の中心部に大きな加工痕（つぶれ）が形成されるのを抑制することができる。さらに、一方の側に垂直形状の刃先を有する本実施の形態の切削工具を用いることで、段差面成形面１１２の上端において、位相制御面成形面１１１と段差面成形面１１２との境界が曲面（Ｒ面）１１２Ｒとなってしまうことを抑制できる。したがって、複数の段差面成形面１１２のそれぞれの上辺は、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４で交わる。また、複数の位相制御面成形面１１１は、それぞれ、凹曲面であり、かつ側面透過視において、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４から外周部に向かう曲線が、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４に変曲点を有する。さらに、複数の段差面成形面１１２のそれぞれの上辺の延長線と金型１００の中心軸ＣＡ１との最短距離、および複数の段差面成形面１１２のそれぞれの下辺の延長線と金型１００の中心軸ＣＡ１との最短距離は、いずれも０μｍ以上５μｍ以下となる。

【0033】

（光束制御部材およびその製造方法）
図８は、本実施の形態に係る光束制御部材２００の製造方法のフローチャートである。

【0034】

図８に示すように、本実施の形態に係る光束制御部材２００は、例えば、（１）上記の金型１００のキャビティ１２０に成形材料を注入する工程（工程Ｓ１０）と、（２）キャビティ１２０内の成形材料を固化させる工程（工程Ｓ２０）と、（３）固化させた成形材料を金型１００から離型して取り出す工程（工程Ｓ３０）と、を有する。以下、各工程について説明する。

【0035】

まず、金型１００のキャビティ１２０に成形材料を注入する（工程Ｓ１０）。たとえば、上記の金型１００を固定側金型として使用し、固定側金型と対向するように配置された可動側金型と型閉めした後、成形材料注入口から成形材料を注入する。

【0036】

本実施の形態では、成形材料として樹脂材料を用いることができる。樹脂材料の種類は、使用する光に対して透光性を有する材料から適宜選択されうる。樹脂材料の例には、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、エポキシ樹脂（ＥＰ）、変性ポリフェニレンエーテル（ｍ－ＰＰＥ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、環状オレフィン・コポリマー（ＣＯＣ）が含まれる。

【0037】

次いで、キャビティ１２０に注入された成形材料を固化させる（工程Ｓ２０）。たとえば、キャビティ１２０に熱可塑性樹脂を注入した場合は、熱可塑性樹脂を冷却して固化させればよい。また、キャビティ１２０に熱硬化性樹脂を注入した場合は、キャビティ１２０内の樹脂を加熱して固化（硬化）させればよい。

【0038】

最後に、工程Ｓ２０で固化された成形材料を、上記金型１００から離型して取り出す（工程Ｓ３０）。

【0039】

以上の手順により、金型１００のボルテックス面成形面１１０の形状を反転させたボルテックス面２１０を有する光束制御部材２００を製造することができる。以下、光束制御部材２００について説明する。

【0040】

図９および図１０Ａ～Ｃは、本実施の形態に係る光束制御部材２００を示す図である。図９は、光束制御部材２００の斜視図であり、図１０Ａは、光束制御部材２００の平面図であり、図１０Ｂは、光束制御部材２００の正面図、右側面図、背面図および左側面図であり、図１０Ｃは、図１０ＡのＢ－Ｂ線およびＣ－Ｃ線の断面図である。

【0041】

図９および図１０Ａ～Ｃに示されるように、光束制御部材２００は、ボルテックス面２１０および第１面２２０を有する。

【0042】

ボルテックス面（光渦生成面）２１０は、中心軸ＣＡ２を中心とする螺旋形状を有し、かつ中心軸ＣＡ２を中心として放射状に分割された複数の位相制御面２１１と、複数の位相制御面２１１のうち隣接する２つの位相制御面２１１の端部同士をそれぞれ接続する複数の段差面２１２とを含む。ボルテックス面２１０を通過する光は、円周方向において位相差を持ち、かつリング状の強度分布を有する光に変換される（図１２Ｂ参照）。本実施の形態では、図１０Ａに示されるように、ボルテックス面２１０（位相制御面２１１）は、金型１００の複数の加工溝１１３に対応する複数の凸条２１３も含む。なお、図９および図１０Ｂでは、複数の凸条２１３を省略している。

【0043】

複数の位相制御面２１１は、それぞれ光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２を中心とする螺旋形状を有する。ここで、螺旋形状は、滑らかに連続する螺旋形状であってもよいし、階段状の螺旋形状であってもよい。位相制御面２１１の数は、特に限定されない。本実施の形態では、ボルテックス面２１０は、ボルテックス面２１０のトポロジカルチャージ数ｌと同数の複数（４つ）の位相制御面２１１を含んでいる。これらの複数（４つ）の位相制御面２１１は、中心軸ＣＡ２を中心として回転対称（４回対称）となるように配置されている。したがって、複数の位相制御面２１１は、同じ形状を有し、かつ同じ高さ範囲に配置されている。ここで、光束制御部材２００における高さとは、中心軸ＣＡ２に沿う方向における位置を意味する。

【0044】

複数の位相制御面２１１は、それぞれ、凸曲面であり、かつ側面視において、ボルテックス面２１０の中心部２１４から外周部に向かう曲線が、ボルテックス面２１０の中心部２１４に変曲点を有する。すなわち、中心軸ＣＡ２を含む断面において、位相制御面２１１の断面である曲線は、ボルテックス面２１０の中心部２１４に変曲点２１５を有する。より具体的には、中心軸ＣＡ２を含む断面において、ボルテックス面２１０の中心部２１４以外の領域では、位相制御面２１１は、中心軸ＣＡ２に近づくほど傾きが小さくなる（中心軸ＣＡ２に対して垂直に近くなる）が、ボルテックス面２１０の中心部２１４では、位相制御面２１１は、中心軸ＣＡ２に近づくほど傾きが大きくなる（中心軸ＣＡ２に対する角度が小さくなる）部分を含む（図１０Ｂ参照）。ただし、ボルテックス面２１０の中心部２１４であっても、段差面２１２のごく近傍においてはこの限りではない。したがって、図１０Ｃでは、位相制御面２１１が変曲していることは示されていない。

【0045】

複数の段差面２１２は、隣接する２つの位相制御面２１１の端部同士をそれぞれ接続する。本実施の形態では、複数の段差面２１２は、それぞれ中心軸ＣＡ２から外縁まで径方向に延在する平面である。複数の段差面２１２の上辺は、ボルテックス面２１０の中心部２１４で交わっている。段差面２１２の数は、位相制御面２１１の数と同じである。たとえば、ボルテックス面２１０が２つの位相制御面２１１を含む場合、ボルテックス面２１０は２つの段差面２１２を含み、それぞれの段差面２１２は、互いに隣接する２つの位相制御面２１１の端部同士を接続する。本実施の形態に示す例では、ボルテックス面２１０は、４つの段差面２１２を含んでいる。これらの複数（４つ）の段差面２１２は、中心軸ＣＡ２を中心として回転対称（４回対称）となるように配置されている。したがって、複数（４つ）の段差面２１２は、同じ形状を有し、かつ同じ高さ範囲に配置されている。

【0046】

複数の段差面２１２の合計高さは、ガウシアン光をどのようなボルテックス光に変換するかに関係するトポロジカルチャージ数ｌに応じて適宜設定されうる。トポロジカルチャージ数をｌ、ボルテックス面２１０を通過する光の波長をλ、光束制御部材２００の材料と周辺の媒質（例えば空気）との光の波長λにおける屈折率の差をΔｎとしたとき、複数の段差面２１２の合計高さｄは、以下の式（１）から求めることができる。複数の段差面２１２の合計高さｄは、付与したいトポロジカルチャージ数ｌに応じて設定され、例えば１μｍ以上１０μｍ以下である。
ｄ＝ｌ×λ／Δｎ （１）

【0047】

複数の凸条２１３は、金型１００の複数の加工溝１１３が転写されたパターンである。図１０Ａに示すように、複数の凸条２１３は、ボルテックス面２１０において、中心軸ＣＡ２から放射状に配置されている。そのため、複数の凸条２１３は、それぞれ、中心軸ＣＡ２に近づくほど、隣接する凸条２１３との間隔が狭くなり、最終的には重なる。これに伴い、隣接する凸条２１３間に形成される溝についても、中心軸ＣＡ２に近づくほど浅くなる。したがって、凸条２１３の高さは、中心に近づくほど低くなる。これにより、ボルテックス面２１０の中心部２１４は、略鏡面となる。ここで「凸条２１３の高さ」とは、凸条２１３の絶対的な高さ（例えば第１面２２０に対する高さ）を意味するのではなく、凸条２１３の両側にある溝の底に対する高さを意味する。

【0048】

本実施の形態に係る光束制御部材２００は、上記本実施の形態に係る金型１００を用いて製造されうる。前述のとおり、本実施の形態に係る金型１００では、複数の段差面成形面１１２の上辺は、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４で交わっており、複数の段差面成形面１１２のそれぞれの上辺の延長線と金型１００の中心軸ＣＡ１との最短距離、および複数の段差面成形面１１２のそれぞれの下辺の延長線と金型１００の中心軸ＣＡ１との最短距離は、いずれも０μｍ以上５μｍ以下である。したがって、本実施の形態に係る光束制御部材２００でも、複数の段差面２１２の上辺は、ボルテックス面２１０の中心部２１４で交わっており、複数の段差面２１２のそれぞれの上辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離、および複数の段差面２１２のそれぞれの下辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離は、いずれも０μｍ以上５μｍ以下である。すなわち、段差面２１２が、設計通り中心軸ＣＡ２から放射状に延在するように形成される。

【0049】

図１１は、本実施の形態に係る光束制御部材２００におけるボルテックス面２１０の中心付近の写真である。ここでは、段差面２１２と中心軸ＣＡ２との関係を見やすくするために、段差面２１２が１つのボルテックス面２１０を示す。図１１において、段差面２１２の上辺および下辺が中心軸（螺旋の中心）から離れていないことがわかる（図５と比較参照）。図１１に示される例では、段差面２１２の上辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２との最短距離、および光束制御部材２００の段差面２１２の下辺の延長線と光束制御部材２００の中心軸ＣＡ２の最短距離は、いずれも１μｍ以下であった。

【0050】

図１２Ａは、図５に示されるような中心部がつぶれたボルテックス面２１０を有する光束制御部材２００から出射された光の強度分布を示す図であり、図１２Ｂは、本実施の形態に係る光束制御部材２００から出射された光の強度分布を示す図である。いずれの図も、光束制御部材２００の焦点位置における光の強度分布を示している。図１２Ｂに示されるように、本実施の形態に係る光束制御部材２００は、所期のリング状の強度分布を有する光を生成することができる。

【0051】

本実施の形態に係る光束制御部材２００のボルテックス面２１０は、ｎ回対称（ｎは２以上の整数）であることが好ましく、ｎは、ボルテックス面２１０のトポロジカルチャージ数ｌと同じ数であることが好ましい。たとえば、トポロジカルチャージ数ｌが４である場合、図９および図１０Ａに示されるように、ボルテックス面２１０は、４回対称、すなわち同一形状の４つの位相制御面２１１および同一形状の４つの段差面２１２を含むことが好ましい。これら４つの位相制御面２１１および４つの段差面２１２は、同じ高さ範囲に配置される。このようにすることで、光束制御部材２００内における厚みの差が小さくなるため、金型１００の切削加工時および光束制御部材２００の成形時の応力歪みが抑制され、光束制御部材２００の成形精度が向上する。

【0052】

図１３Ａ、Ｂは、トポロジカルチャージ数ｌが４の光束制御部材２００のボルテックス面２１０を示す平面模式図である。図１３Ａに示されるボルテックス面２１０は、１つの位相制御面２１１および１つの段差面２１２を含む。一方、図１３Ｂに示されるボルテックス面２１０は、４つの位相制御面２１１および４つの段差面２１２を含む。ここで、図１３Ａ、Ｂに示されるように、ボルテックス面２１０をＡ～Ｄの４つの領域に分けたとする。図１３Ａに示されるボルテックス面２１０では、領域Ａは、０～２πの位相差ΔΦに対応し、領域Ｂは、２～４πの位相差ΔΦに対応し、領域Ｃは、４～６πの位相差ΔΦに対応し、領域Ｄは、６～８πの位相差ΔΦに対応する。図１３Ａに示されるボルテックス面２１０では、領域Ａと領域Ｄの間にのみ段差面２１２が存在し、この段差面２１２の高さは、例えば５．２μｍ（＝１．３μｍ×４）である。一方、図１３Ｂに示されるボルテックス面２１０では、領域Ａ～Ｄは、いずれも０～２πの位相差ΔΦに対応する。図１３Ｂに示されるボルテックス面２１０では、領域Ａと領域Ｂの間、領域Ｂと領域Ｃの間、領域Ｃと領域Ｄの間、および領域Ｄと領域Ａの間に段差面２１２がそれぞれ存在し、これらの段差面２１２の高さは、例えばそれぞれ１．３μｍ（合計高さは５．２μｍ）である。したがって、図１３Ａに示される光束制御部材２００では、段差面２１２に隣接する部分の厚みの差が５．２μｍもあるのに対し、図１３Ｂに示される光束制御部材２００では、段差面２１２に隣接する部分の厚みの差がわずか１．３μｍである。このように、図１３Ｂに示される光束制御部材２００では、光束制御部材２００内における厚みの差が小さくなるため、金型１００の切削加工時および光束制御部材２００の成形時の応力歪みが抑制され、光束制御部材２００の成形精度が向上する。

【0053】

（効果）
以上のように、本実施の形態では、金型１００のボルテックス面成形面１１０を放射状に切削加工を行うことで形成することで、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４を略鏡面とすることができる。また、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４に連続して切削工具を押し当てることなくボルテックス面成形面１１０を加工するため、ボルテックス面成形面１１０の中心部１１４に大きな加工痕（つぶれ）が形成されるのを抑制することができる。さらに、一方の側に垂直形状の刃先を有する本実施の形態の切削工具を用いることで、段差面成形面１１２の下端において、位相制御面成形面１１１と段差面成形面１１２との境界が曲面（Ｒ面）１１２Ｒとなってしまうことを抑制できる。その結果、本実施の形態に係る光束制御部材２００は、所期のリング状の強度分布を有する光を生成することができる。

【0054】

（変形例）
なお、上記実施の形態では、ボルテックス面２１０を１つ有する光束制御部材２００について説明したが、本発明に係る光束制御部材は、複数のボルテックス面２１０を有するレンズアレイであってもよい。

【0055】

また、本発明に係る光束制御部材は、ボルテックス面（第２面）２１０が入射面として機能し、第１面２２０が出射面として機能する光束制御部材であってもよいし、第１面２２０が入射面として機能し、ボルテックス面（第２面）２１０が出射面として機能する光束制御部材であってもよい。

【産業上の利用可能性】

【0056】

本発明によれば、リング状の強度分布の光を適切に形成できる光束制御部材を提供することができる。本発明に係る光束制御部材は、例えば光通信などに有用である。

【符号の説明】

【0057】

１００ 金型
１０１ 上型
１０２ 下型
１１０ ボルテックス面成形面
１１１ 位相制御面成形面
１１２ 段差面成形面
１１２Ｒ 曲面
１１３ 加工溝
１１４ ボルテックス面成形面の中心部
１２０ キャビティ
１２１ ゲート
１３０ 従来の切削工具
２００ 光束制御部材
２１０ ボルテックス面（第２面）
２１１ 位相制御面
２１２ 段差面
２１３ 凸条
２１４ ボルテックス面の中心部
２１５ 位相制御面の変曲点
２２０ 第１面
ＣＡ１ 金型の中心軸
ＣＡ２ 光束制御部材の中心軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】