特許 7324936 光演算装置、及び、光演算装置の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-08-02

(45)【発行日】2023-08-10

(54)【発明の名称】光演算装置、及び、光演算装置の製造方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 7/00 20210101AFI20230803BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20230803BHJP

【ＦＩ】

G02B7/00 G

G02B7/00 F

G02B5/18

【請求項の数】 14

(21)【出願番号】P 2022511649

(86)(22)【出願日】2021-02-18

(86)【国際出願番号】 JP2021006061

(87)【国際公開番号】W WO2021199761

(87)【国際公開日】2021-10-07

【審査請求日】2022-07-13

(31)【優先権主張番号】P 2020064138

(32)【優先日】2020-03-31

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】000005186

【氏名又は名称】株式会社フジクラ

(74)【代理人】

【識別番号】110000338

【氏名又は名称】弁理士法人 ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ

(72)【発明者】

【氏名】山岸 裕幸

【審査官】岡田 弘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０００－３３８８４６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１０－１６０４７４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－３１６４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００４－１４４９７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－００９９８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０９－１２７３２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－１９９８１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ７／００

Ｇ０２Ｂ ５／２０

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、
前記筒体は、前記光硬化樹脂を硬化させるための光を透過する、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項2】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、
前記光回折素子群に含まれる２つの平面状光回折素子であって、互いに隣接する２つの平面状光回折素子は、前記光硬化樹脂によって構成された柱体によって互いに連結されている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項3】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、
前記光回折素子群には、屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する平面状光回折素子が少なくとも一つ含まれている、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項4】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、
最後段の前記平面状光回折素子の後段に、赤外光を可視光に変換する光変換層を備える、
ことを特徴とする光演算装置。

【請求項5】

最後段の前記平面状光回折素子の後段に、前記赤外光又は前記可視光を拡散させる拡散層をさらに含む、
ことを特徴とする請求項４に記載の光演算装置。

【請求項6】

前記最後段の平面状光回折素子から前記拡散層までの距離を規定するスペーサを更に含む、
ことを特徴とする請求項５に記載の光演算装置。

【請求項7】

前記筒体に囲まれた空間には、液体又は固体が充填されている、
ことを特徴とする請求項１～６の何れか一項に記載の光演算装置。

【請求項8】

前記液体又は固体の屈折率は、１よりも大きく、且つ、前記平面状光回折素子の屈折率よりも小さい、
ことを特徴とする請求項７に記載の光演算装置。

【請求項9】

前記筒体のヤング率は、前記光回折素子群のヤング率よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１～８の何れか一項に記載の光演算装置。

【請求項10】

前記筒体の熱膨張率は、前記平面状光回折素子の熱膨張率よりも小さい、
ことを特徴とする請求項１～９の何れか一項に記載の光演算装置。

【請求項11】

前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の形状は、円板状であり、
前記筒体の形状は、円筒状である、
ことを特徴とする請求項１～１０の何れか一項に記載の光演算装置。

【請求項12】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、前記光回折素子群に含まれる２つの平面状光回折素子であって、互いに隣接する２つの平面状光回折素子は、前記光硬化樹脂によって構成された柱体によって互いに連結されている、光演算装置の製造方法であって、
前記筒体の内部で前記光回折素子群を一体的に造型する造型工程を含み、
前記造型工程において、前記筒体の下端を未硬化状態の光硬化樹脂に浸し、又は、下端が封止された前記筒体の内部に未硬化の樹脂を注入し、前記光回折素子群の硬化が完了した部分を上方に引き上げながら、下方から光を照射することによって前記光回折素子群を前記筒体の内部において順次造形する、
ことを特徴とする光演算装置の製造方法。

【請求項13】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、前記筒体は、前記光硬化樹脂を硬化させるための光を透過する、光演算装置の製造方法であって、
前記筒体の内部で前記光回折素子群を一体的に造型する造型工程と、
前記造型工程の後に、前記筒体を介して側方から光を照射することによって、前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部を前記筒体の内側面に固着させる固着工程と、を含んでいる、
ことを特徴とする光演算装置の製造方法。

【請求項14】

光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、
前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備え、前記光回折素子群に含まれる各平面状光回折素子には、貫通孔が設けられている、光演算装置の製造方法であって、
前記筒体の内部で前記光回折素子群を一体的に造型する造型工程と、
前記造型工程の後に、前記筒体の内部に現像液を注入して行う現像処理、及び、前記筒体の内部に洗浄液を注入して行う洗浄処理の一方又は両方を実施することによって、前記光回折素子群に含まれる２つの平面状光回折素子であって、互いに隣接する２つの平面状光回折素子の間に残留した光硬化樹脂を排出する排出工程と、を含んでいる、
ことを特徴とする光演算装置の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、複数の平面状光回折素子を含む光演算装置に関する。また、そのような光演算装置の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、入力光の光路上にレンズやフィルタなど複数の光学素子を並べて配置し、これらの光学素子を入力光に順に作用させる技術が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】国際公開第２０１３／０２７３４０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

複数の平面状光回折素子を並べて配置し、これらの平面状光回折素子を入力光に順に作用させる光演算装置においては、これら複数の平面状光回折素子の相対的な位置関係を所期の関係に維持することが重要である。なぜなら、平面状光回折素子の相対的な位置関係が所期の関係からずれると、所期の作用を入力光に対して及ぼすことが困難になるからである。

【0005】

一例として、屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有し、各マイクロセルを透過した光を相互に干渉させることによって、省スペースかつ低消費電力で予め定められた演算を光学的に実行するように設計された平面状光回折素子が知られている。このような平面状光回折素子により構成された光演算装置においては、平面状光回折素子の相対的な位置関係のずれがｎｍオーダーであっても、所期の光演算を実行することが困難になり得る。

【0006】

本発明の一態様は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、平面状光回折素子の相対的な位置関係を所期の関係に維持することが容易な光演算装置を実現することにある。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の一態様に係る光演算装置は、光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備えている。

【0008】

本発明の一態様に係る光演算装置の製造方法は、前記一態様に係る光演算装置の製造方法であって、前記筒体の内部で前記光回折素子群を一体的に造型する造型工程を含んでいる。

【発明の効果】

【0009】

本発明の一態様によれば、平面状光回折素子の相対的な位置関係を所期の関係に維持することが容易な光演算装置を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明の実施形態１に係る光演算装置の構成を示す斜視図である。

【図2】図１の光演算装置の備える平面状光回折素子の具体例を示す斜視図である。

【図3】図１の光演算装置の備える光回折素子群のバリエーションを示す斜視図である。

【図4】図１の多層光回折素子１の第１の製造方法を模式的に示す図である。

【図5】図１の多層光回折素子１の第２の製造方法を模式的に示す図である。

【図6】本発明の実施形態２に係る光演算装置の構成を示す断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

〔実施形態１〕
本発明の一実施形態に係る光演算装置１の構成について、図１を参照して説明する。図１は、光演算装置１の構成を示す斜視図である。

【0012】

光演算装置１は、光回折素子群１１と、筒体１２と、栓１３ａ，１３ｂと、を備えている。

【0013】

光回折素子群１１は、光硬化樹脂により構成されたＮ個の平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの集合である。図１においては６個の平面状光回折素子１１ａ１～１１ａ６により構成された光回折素子群を例示しているが、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの個数Ｎは、２以上の任意の自然数であればよく６に限定されない。

【0014】

本実施形態において、各平面状光回折素子１１ａｉ（ｉは１以上Ｎ以下の自然数）の形状は、円板状（高さの低い円柱状）であり、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮは、各平面状光回折素子１１ａｉの中心軸が一致するように、かつ、各平面状光回折素子１１ａｊ（ｊは１以上Ｎ－１以下の自然数）の上面が隣接する平面状光回折素子１１ｊ＋１の下面と対向するように並んでいる。

【0015】

なお、本実施形態において、各平面状光回折素子１１ａｉは、有効領域内に屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有し、各マイクロセルを透過した光（主に可視光を想定）を相互に干渉させることによって、予め定められた光演算を実行するように設計されたものである。このような平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮを並べてＮ回の光演算を順次実行する場合、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの相対的な位置関係を所期の関係に保つことが重要になる。なお、本明細書において「マイクロセル」とは、サイズがマイクロメートルオーダー以下、すなわち、１０μｍ未満のセルのことを指す。マイクロセルのサイズの下限は、特に限定されないが、例えば、１ｎｍである。

【0016】

また、本実施形態において、光回折素子群１１は、光硬化樹脂により構成されたＮ－１組の柱体１１ｂ１～１１ｂＮ－１を有している。各柱体１１ｂｊは、隣接する平面状光回折素子１１ａｊ，１１ａｊ＋１を有効領域外において互いに連結するための構成である。これにより、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの並び方向の相対的な位置関係を所期の関係に保つことが容易になる。

【0017】

筒体１２は、光回折素子群１１を収容するための部材である。光回折素子群１１を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部は、筒体１２の内側面に固定されている。これにより、平面状光回折素子１１ａ～１１ａＮの方向の相対的な位置関係を所期の関係に保つことが容易になる。筒体１２の上端は、栓１３ａにより封止されており、筒体１２の下端は、栓１３ｂにより封止されている。栓１３ａは、光回折素子群１１から出力される光を透過する透明材料により構成されている。光回折素子群１１から出力された光に対する栓１３ａの光学的影響を小さく抑えるために、栓１３ａの上面及び下面は、平坦であり、かつ、平面状光回折素子１１ａ１の下面に平行であることが好ましい。また、栓１３ｂは、光回折素子群１１に入力される光を透過する透明材料により構成されている。光回折素子群１１に入力される光に対する栓１３ｂの光学的影響を小さく抑えるために、栓１３ｂの上面及び下面は、平坦であり、かつ、平面状光回折素子１１ａ５の上面に平行であることが好ましい。

【0018】

本実施形態において、筒体１２の形状は、円筒状である。筒体１２の内径は、各平面状光回折素子１１ａｉの外径と一致しており、各平面状光回折素子１１ａｉの外縁全体を、筒体１２の内側面に固定することができる。これにより、光回折素子群１１の熱膨張が生じた場合でも、各平面状光回折素子１１ａｉの外縁全体に均等に応力が作用するので、各平面状光回折素子１１ａｉに予期せぬ歪みが生じたり、平面状光回折素子１１ａ～１１Ｎの相対的な位置関係の変化が生じたりする可能性を低減することができる。

【0019】

なお、筒体１２は、光回折素子群１１よりもヤング率の大きい材料により構成されていることが好ましい。これにより、光回折素子群１１が筒体１２に収容されずに裸で存在している場合と比べて、外力が作用したときに平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの相対的な位置関係が変化し難い光演算装置１を実現することが可能になる。

【0020】

また、筒体１２は、光回折素子群１１よりも熱膨張率の小さい材料により構成されていることが好ましい。これにより、光回折素子群１１が筒体１２に収容されずに裸で存在している場合と比べて、温度が変化したときに平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの相対的な位置関係が変化し難い光演算装置１を実現することが可能になる。

【0021】

また、筒体１２は、光回折素子群１１を構成する光硬化樹脂を硬化させるために用いる光（例えば光硬化樹脂が紫外線硬化樹脂の場合は紫外線）が透過する材料により構成されていることが好ましい。これにより、側方からの光照射によっても筒体１２の内部で光回折素子群１１を形成することが可能になるからである。なお、ヤング率が硬化樹脂よりも大きく、熱膨張率が光硬化樹脂よりも小さく、かつ、光硬化樹脂を硬化させる光が透過する材料としては、例えば、石英ガラスを挙げることができる。

【0022】

また、筒体１２の内部には、オイルが充填されていることが好ましい。これにより、（１）筒体１２の内部への異物（水分を含む）の侵入を困難にし、（２）平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの振動を抑制し、（３）各平面状光回折素子１１ａｉの経年劣化（例えば酸化）を抑制することができる。また、このオイルの屈折率が１よりも大きく、且つ、平面状光回折素子１１ａｉの屈折率よりも小さい場合、更に、（４）空気と各平面状光回折素子１１ａｉとの界面において生じ得る反射を低減することができる。オイルの種類は、特に限定されないが、シリコーン系又はパラフィン系のオイルが安定性及び入手性の面で優れている。アクリル系、エポキシ系、ビニル系、ゴム系、ウレタン系、メタクリル系、ナイロン系、ビスフェノール系、ジオール系、ポリイミド系、フッ素化アクリル系、フッ素化エポキシ系、又は、これらの高分子材料を組み合わせたものを、オイルとして用いてもよい。なお、オイルの充填は、必須ではない。オイルの代わりに、オイルと同程度の屈折率を有する液体又は固体を充填しても、オイルを充填した場合と同様の効果が得られる。オイルの代わりに充填する固体の例としては、例えば、光回折素子群１１を構成する光硬化樹脂とは屈折率の異なる光硬化樹脂などが挙げられる。なお、平面状光回折素子１１ａｉの各セルを透過した光を、そのセルの高さに応じて適度に屈折させるためには、平面状光回折素子１１ａｉの材料の屈折率と、筒体１２の内部に充填する液体又は固体の屈折率との差が、０．５以上１．５以下であることが好ましい。また、オイルの代わりに、酸素ガスや窒素ガスなどの気体を封入してもよい。なお、単に筒体１２の内部を空気で満たす場合には、栓１３ａ，１３ｂを省略してもよい。

【0023】

（平面状光回折素子の具体例）
光演算装置１が備える平面状光回折素子１１ａｉの具体例について、図２を参照して説明する。図２は、本具体例に係る平面状光回折素子１１ａｉの有効領域を示した斜視図である。

【0024】

本具体例に係る平面状光回折素子１１ａｉの有効領域は、一辺１．０ｍｍの正方形であり、マトリックス状に配置された１００×１００個のマイクロセルにより構成されている。各マイクロセルは、厚さ１００μｍのベース上に形成された、１辺１μｍの底辺を有するピラーにより構成されている。各ピラーの高さは、０ｎｍ、１００ｎｍ、２００ｎｍ、…、１１０ｎｍ、１２００ｎｍ（１００ｎｍステップ１３段階）の何れかであり、そのピラーにより構成されるマイクロセルの屈折率が所期の屈折率になるように決められている。

【0025】

なお、平面状光回折素子１１ａｉのセルサイズは、本具体例において１μｍであるが、これに限定されない。すなわち、平面状光回折素子１１ａｉのセルサイズは、１０μｍ未満であれば良い。また、平面状光回折素子１１ａｉのセル数及び有効領域サイズも任意である。

【0026】

（光回折素子群の変形例）
本実施形態においては、図３の（ａ）に示すように、互いに隣接する平面状光回折素子１１ａｊ，１１ａｊ＋１を互いに連結するための構成として、有効領域外に配置された複数の円柱状の柱体１１ｂｉを採用しているが、本発明はこれに限定されない。

【0027】

例えば、図３の（ｂ）に示すように、互いに隣接する平面状光回折素子１１ａｊ，１１ａｊ＋１を互いに連結するための構成として、有効領域を取り囲む単一の円筒状の柱体１１ｃｉを採用してもよい。これにより、互いに隣接する平面状光回折素子１１ａｊ，１１ａｊ＋１の相対的な位置関係を、より確実に維持することが可能になる。また、この場合、各柱体１１ｃｉには、開口１１ｄｉを設けることが好ましい。これにより、光回折素子群１１を造型する際に、柱体１１ｃｉの内部に残留した紫外線硬化樹脂を排出すること、及び、柱体１１ｃｉの内部に洗浄液又は現像液を注入及び排出することが可能になる。

【0028】

（光演算装置の第１の製造方法）
光演算装置１の第１の製造方法Ｓ１について、図４を参照して説明する。図４は、光演算装置１の第１の製造方法Ｓ１を模式的に示す図である。なお、光演算装置１の第１の製造方法Ｓ１においては、外径が筒体１２の内径と同一又は略同一の円板部２１が設けられた引上棒２を使用する。また、光回折素子群１１は、紫外線硬化樹脂により構成されているものとする。

【0029】

まず、準備工程Ｓ１１を実施する。準備工程Ｓ１１においては、引上棒２を円板部２１を下に向けて筒体１２の内部に上方から挿入した後、紫外線を透過する材料により構成された小型のプール３に張られた未硬化状態の紫外線硬化樹脂に筒体１２の下端を浸す。

【0030】

次に、光回折素子造型工程Ｓ１２及び柱体造型工程Ｓ１３（特許請求の範囲における「造型工程」の一例）を実施する。光回折素子造型工程Ｓ１２においては、引上棒２を徐々に引き上げながら、紫外線を筒体１２の下方から筒体１２の内部の紫外線硬化樹脂に照射することによって、平面状光回折素子１１ａ１を造形する。柱体造型工程Ｓ３においては、引上棒２を徐々に引き上げながら、紫外線を筒体１２の下方から筒体１２の内部の紫外線硬化樹脂に照射することによって、柱体１１ｂ１を造形する。なお、光回折素子造型工程Ｓ１２及び柱体造型工程Ｓ１３における紫外線照射は、ＳＬＡ（Stereo Lithography）方式で行ってもよいし、ＤＬＰ（Digital Light Processing）方式で行ってもよい。

【0031】

続けて、光回折素子造型工程Ｓ１２及び柱体造型工程Ｓ１３を繰り返し、平面状光回折素子１１ａ２～１１ａＮ、及び、柱体１１ｂ２～１１ｂＮ－１からなる光回折素子群１１を一体的に造形する。なお、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮ、及び、柱体１１ｂ１～１１ｂＮ－１の造形を完了した後、紫外線を筒体１２の側方から照射することによって、各平面状光回折素子１１ａｉの外縁を筒体１２の内側面に固着させる固着工程を実施してもよい。

【0032】

次に、円板部２１を平面状光回折素子１１ａ１から切り離して引上棒２を筒体１２から抜き取り、光回折素子群１１が内部に形成された筒体１２をプール３から引き上げる。そして、現像・洗浄工程Ｓ１４（特許請求の範囲における「排出工程」の一例）を実施する。現像・洗浄工程Ｓ１４においては、筒体１２の内部に現像液を注入して現像処理を行うと共に、筒体１２の内部に洗浄液を注入して洗浄処理を行う。この現像処理及び／又は洗浄処理によって、隣接する平面状光回折素子１１ａｊ，１１ａｊ＋１の間に残留した未硬化の紫外線硬化樹脂が、上述した貫通孔を介して排出される。なお、現像の必要がない紫外線硬化樹脂を用いる場合には、現像処理を省略してもよい。

【0033】

最後に、オイル充填工程Ｓ１５を実施する。オイル充填工程Ｓ１５においては、筒体１２の内部にオイルを充填して、筒体１２の上端及び下端を栓１３ａ及び１３ｂで封止する。これにより、光演算装置１ができあがる。

【0034】

なお、各平面状光回折素子１１ａｉには、有効領域外に貫通孔が設けられていることが好ましい。これにより、隣接する平面状光回折素子１１ａｊ，１１ａｊ＋１の間に残留した未硬化の紫外線硬化樹脂を排出したり、現像液又は洗浄液を注入及び排出したりすることが容易になる。

【0035】

以上のように、第１の製造方法Ｓ１は、光演算装置１の製造方法であって、筒体１２の下端を未硬化状態の光硬化樹脂に浸し、光回折素子群１１の硬化が完了した部分を上方に引き上げながら、下方から光を照射することによって光回折素子群１１を筒体１２の内部において順次造形する。したがって、第１の製造方法Ｓ１によれば、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮの相対的な位置関係が所期の関係にある光回折素子群１１を、筒体１２の内部において一体的に造形することができる。また、第１の製造方法Ｓ１によれば、紫外線を用いて光回折素子群１１を造形しているので、電子線を用いて光回折素子群１１を造形する場合と比べて、造形に要する時間が短くて済む。また、以上の製造方法Ｓ１によれば、未硬化の紫外線硬化樹脂を廃棄する必要がないので、原料コストを抑制することができる。

【0036】

また、第１の製造方法Ｓ１によれば、各平面状光回折素子１１ａｉは、ベースとマイクロセルとが同じ光硬化樹脂を用いて形成される。そのため、マイクロセルがベースとは異なる材料で形成された場合に比べ、マイクロセルとベースとの間の結合強度が増加する。例えば、ガラス製のベースの上に光硬化樹脂のマイクロセルを形成した場合、未硬化の光硬化樹脂を洗浄する際などに、マイクロセルがベースから剥離する場合がある。それに比べて、両者が同じ材料で一体的に形成される本実施形態においては、マイクロセルとベースとの結合力が強く、マイクロセルがベースからより剥離しにくいという効果が得られる。

【0037】

ベースから剥離するマイクロセルが多くなると、回折された光の光路長が変わる、又は回折角度が変わる等により光の性質が変わり、演算精度が低下する虞がある。しかし、本実施形態による製造方法で製造された光演算装置１では、マイクロセルがベースから剥離しにくいため、そのような虞をより低減することができる。

【0038】

（光演算装置の第２の製造方法）
光演算装置１の第２の製造方法Ｓ２について、図５を参照して説明する。図５は、光演算装置１の第２の製造方法Ｓ２を模式的に示す図である。なお、光演算装置１の第２の製造方法Ｓ２においては、プール３を用いることなく光演算装置１を製造する。

【0039】

まず、準備工程Ｓ２１を実施する。準備工程Ｓ２１においては、筒体１２の下端を栓１３ａにより封止し、引上棒２を円板部２１から下に向けて筒体１２の内部に上方から挿入した後、筒体１２の内部に紫外線硬化樹脂を注入する。注入された紫外線硬化樹脂は、円板部２１を上下に貫通する不図示の貫通孔を通って、円板部２１の下側にも侵入する。

【0040】

次に、光回折素子造型工程Ｓ２２及び柱体造型工程Ｓ２３を実施する。光回折素子造型工程Ｓ２２においては、引上棒２を徐々に引き上げながら、紫外線を筒体１２の下方から筒体１２の内部の紫外線硬化樹脂に照射することによって、平面状光回折素子１１ａ１を造形する。柱体造型工程Ｓ２３においては、引上棒２を徐々に引き上げながら、紫外線を筒体１２の下方から筒体１２の内部の紫外線硬化樹脂に照射することによって、柱体１１ｂ１を造形する。なお、光回折素子造型工程Ｓ２２及び柱体造型工程Ｓ２３における紫外線照射は、ＳＬＡ（Stereo Lithography）方式で行ってもよいし、ＤＬＰ（Digital Light Processing）方式で行ってもよい。

【0041】

続けて、光回折素子造型工程Ｓ２２及び柱体造型工程Ｓ２３を繰り返し、平面状光回折素子１１ａ２～１１ａＮ、及び、柱体１１ｂ２～１１ｃＮ－１を造形する。なお、平面状光回折素子１１ａ１～１１ａＮ、及び、柱体１１ｂ１～１１ｂＮ－１の造形を完了した後、紫外線を筒体１２の側方から照射することによって、各平面状光回折素子１１ａｉの外縁を筒体１２の内側面に固着させてもよい。

【0042】

次に、円板部２１を平面状光回折素子１１ａ１から切り離して引上棒２を筒体１２から抜き取り、筒体１２の内部に残留した紫外線硬化樹脂を排出する。そして、現像・洗浄工程Ｓ２４を実施する。現像・洗浄工程Ｓ１４においては、筒体１２の内部に現像液を注入して現像処理を行うと共に、筒体１２の内部に洗浄液を注入して洗浄処理を行う。なお、現像の必要がない紫外線硬化樹脂を用いる場合には、現像処理を省略してもよい。

【0043】

最後に、オイル充填工程Ｓ２５を実施する。オイル充填工程Ｓ２５においては、筒体１２の内部にオイルを充填して、筒体１２の上端を栓１３ｂで封止する。これにより、光演算装置１ができあがる。

【0044】

第２の製造方法Ｓ２よれば、第１の製造方法Ｓ１よりも少ない紫外線硬化樹脂で光演算装置１を製造することができる。このため、第２の製造方法Ｓ２によれば、第１の製造方法Ｓ１よりも更に原料コストを抑制することができる。

【0045】

また、本製造方法においても、ベースとマイクロセルとが同じ材料で一体的に形成されるため、マイクロセルがベースからより剥離しにくいという効果が得られる。

【0046】

〔実施形態２〕
次に、本発明の実施形態２に係る光演算装置１Ａについて、図面を参照して説明する。なお、実施形態１に係る光演算装置１と同じ要素については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。光演算装置１Ａに入射される光は赤外光（特に近赤外光）である。最初に、入射光として赤外光を用いる理由について説明する。

【0047】

光演算装置１Ａに入射した入射光は、最後段の平面状光回折素子１１ａ６から所定の距離にある像面（image plane）で結像する。この像面までの距離は、最後段の平面状光回折素子１１ａ６から、入射光の波長の倍数で決められた数値になる。また、各平面状光回折素子１１ａｉに入射する光は平行光にすることが必要で、光の発散角による光の広がりを勘案すると、波長の倍数だけ離した像面までの距離は短いほどよい。しかし、像面までの距離が短いと、位置合わせを含めた製造が難しくなる。以上の条件を考慮すると、光演算装置１Ａに入射される光の波長は長いほどよい。例えば、可視光よりも赤外光が好ましい。これが、光演算装置１Ａに入射される光として赤外光を用いる理由である。

【0048】

図６は、本発明の実施形態２に係る光演算装置１Ａの構成を示す断面図である。光演算装置１Ａは、実施形態１に係る光演算装置１の光の出口側の栓１３ｂに代えて、光変換層３１、光拡散層３２、及びスペーサ４０を備える。それ以外の構成は、光演算装置１の構成と同じである。

【0049】

光変換層３１と光拡散層３２は、赤外光の入射方向に略直交する方向に設けられた円板状の部材である。光変換層３１と光拡散層３２の形状は特に限定されないが、本実施形態では、平面状光回折素子１１ａｉの形状に合わせている。スペーサ４０は、光変換層３１と光拡散層３２とを外周部で支持する部材である。図６には、赤外光の入射方向を矢印Ｄで示している。

【0050】

光変換層３１は、赤外光の波長を短くして可視光に変換する層であり、光演算装置１Ａの最後段に配置されている。最後段とは、光演算装置１Ａに入射した光が出ていく段であり、本実施形態では平面状光回折素子１１ａ６の後段である。光変換層３１は、平面状光回折素子１１ａ６から出射された赤外光を可視光に変換する。

【0051】

光変換層３１は、例えば、ナノ粒子を表面改質することにより形成する方法が知られている。例えば、無機フッ化物や無機酸化物等の誘電体表面に希土類イオンをドープした、ナノサイズの粒子を使用することができる。また、光変換層３１は、例えば、希土類イオンに有機色素を錯形成する方法により形成してもよい。この方法は、赤外光を可視光に変換する変換効率が比較的高い。

【0052】

光演算装置１Ａが光変換層３１を備える理由は以下のとおりである。赤外光を撮像する高精度カメラは、例えばＩｎＧａＡｓセンサを用いた撮像素子が必要となり、高価である。そこで、光演算装置１Ａを透過させる光は赤外光を用いて、光演算装置１Ａを透過した赤外光を可視光に変換して可視光カメラで撮像する方法が考えられる。可視光であれば、可視光用の安価なＣＭＯＳセンサ等を用いて撮像することができるからである。光変換層３１は、光演算装置１Ａから出てきた光を可視光用のカメラで検出可能とするための波長変換要素である。

【0053】

平面状光回折素子１１ａ６を透過した光（以下、透過光とも記載する）は、例えば、レンズを透過した後にカメラで撮像される。この透過光には、様々な進行方向を有する成分が含まれており、一部の成分は、レンズでケラレてしまう場合がある。そのため、拡散層３２により、透過光のうち、レンズでケラレてしまう成分の進行方向を変化させ、カメラに入射する成分を増やす（透過光の開口数を小さくすること、或いは、レンズの実効的な開口数を大きくすることに相当）ことが好ましい。つまり、拡散層３２は、光変換層３１で発生した可視光を拡散させ、レンズでケラレない成分を増やし、カメラにより多くの光を導く機能を有する。言い換えると、拡散層３２により、レンズによる物理的制約を回避することができる。拡散層３２は、光を拡散させる機能を有するものであればその構成は限定されないが、例えば石英板の片面の表面を粗化したものである。石英板の表面を粗化する方法は、サンドブラスト等による機械的方法、又は腐食液を塗布する化学的方法等がある。粗化の程度は、例えば表面に微粒子を分散させたような構成の場合、微粒子の粒度としては粒度８０から２５０程度であることが好ましい。また、光の拡散角度という点では、１０°から８０°の間であることが好ましく、６０°から８０°程度の広い拡散角がさらに好ましい。なお、深く粗化すると、深さ方向（光の進行方向）に光が拡散して像がぼけるため、粗化は石英板の表面のみであることが好ましい。つまり、拡散機能を有する層は薄いほうが好ましい。

【0054】

スペーサ４０は、光演算装置１Ａの最後段の平面状光回折素子１１ａ６から拡散層３２までの距離Ｌを規定する。距離Ｌは、厳密には平面状光回折素子１１ａ６のマイクロセルの最も高い位置から拡散層３２までの距離であるが、マイクロセルの高さは最大でも１２００ｎｍ（１．２μｍ）程度であるため、マイクロセルの高さを無視してもよい。例えば、光変換層３１の厚さがｘである場合、スペーサ４０の高さ（赤外光の進行方向の長さ）は（Ｌ－ｘ）とする。具体的には、入射赤外光が１５５０ｎｍの近赤外光の場合、距離Ｌは一例として６０μｍとすることができる。例えば、別体として製造したスペーサ４０（高さＬ－ｘ）を平面状光回折素子１１ａ６の上に配置し、スペーサ４０の上に光変換層３１（厚さｘ）と拡散層３２を順に配置することにより、平面状光回折素子１１ａ６から拡散層３２までの距離Ｌを精度よく規定することができる。スペーサ４０は、柱体１１ｂｉと同様の柱体を円環状に配列して構成してもよく、また円環状の形状に形成してもよい。

【0055】

上述の光演算装置１Ａでは、光変換層３１が光の入射側にあり、拡散層３２が光の出射側にある。しかし、光変換層３１と拡散層３２の順序はこれに限られず、逆の配列としてもよい（図示せず）。この場合、平面状光回折素子１１ａ６から出た赤外光はまず拡散層３２に入射して拡散され、拡散された赤外光が光変換層３１に入射して可視光に変換される。

【0056】

（製造方法）
次に、光演算装置１Ａの製造方法について説明する。光演算装置１Ａの製造方法は、光演算装置１の第１の製造方法Ｓ１の現像・洗浄工程Ｓ１４まで同じである。その後、スペーサ４０を形成し、スペーサ４０の上に、予め製造しておいた光変換層３１と拡散層３２とをこの順に積層する。また、スペーサ４０は、柱体１１ｂｉの製造方法と同様の方法で、平面状光回折素子１１ａ６の上に紫外線硬化樹脂を用いて形成してもよい。スペーサ４０を柱体１１ｂｉの製造方法と同様の方法で製造することにより、より距離Ｌの寸法精度を高めることができる。

【0057】

あるいは、スペーサ４０と光変換層３１と拡散層３２とをこの順に積層した光変換ユニットを予め製造しておき、製造方法Ｓ１の現像・洗浄工程Ｓ１４の後で光変換ユニットを平面状光回折素子１１ａ６の上に積層してもよい。

【0058】

（変形例１）
光演算装置１Ａは、スペーサ４０と光変換層３１と拡散層３２とを別々の要素として構成した。しかし、図６の光演算装置１Ｂに示すように、距離Ｌをできるだけ寸法精度よく規定するため、スペーサ４０と拡散層３２とを一体化して構成してもよい。

【0059】

光演算装置１Ｂは、スペーサ４０と、光変換層３１とを備える。スペーサ４０は、外周部において光の入射方向に設けられた脚部４０１と、円板状のプレート部４０２とを含む。プレート部４０２の入射側の面には、拡散層３２が形成されている。光変換層３１は、プレート部４０２の出射側の面に積層されている。脚部４０１は、平面状光回折素子１１ａ６と拡散層３２との間の距離Ｌを規定する。即ち、脚部４０１の高さ（光の入射方向の長さ）はＬである。本変形例においても、光変換層３１と拡散層３２の順序を入れ替えてもよい。

【0060】

スペーサ４０は、例えば石英で形成されており、拡散層３２は、プレート部４０２の入射側の面を粗化して形成されている。また、スペーサ４０は石英であるため、脚部４０１の高さＬの寸法精度よく形成することができる。つまり、スペーサ４０の一部を拡散層３２として構成することで、平面状光回折素子１１ａ６と拡散層３２との間の距離Ｌを寸法精度よく規定することができる。

【0061】

光演算装置１Ｂの製造方法は、光演算装置１の第１の製造方法Ｓ１の現像・洗浄工程Ｓ１４の後で、予め製造しておいたスペーサ４０と光変換層３１を平面状光回折素子１１ａ６の上に配置すればよい。

【0062】

（変形例２）
光演算装置１Ａ、１Ｂにおいて、拡散層３２は、円板状部材の全面に形成する必要はない。拡散層３２は、少なくとも平面状光回折素子１１ａ６のマイクロセルからの出射光が入射する範囲に形成されていればよい。マイクロセルからの出射光が入射しない範囲には、拡散層３２を形成せず、位置合わせのためのアライメントマークを設けてもよい。例えば、光演算装置１Ｂにおいては、脚部４０１の底面にアライメントマークを設けてもよい。拡散層３２を設けない領域にアライメントマークを設けることにより、アライメントマークを見ながら位置決めが容易となる。

【0063】

（付記事項）
本発明は、上述した実施形態に限定されるものでなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、上述した実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても、本発明の技術的範囲に含まれる。

【0064】

なお、本明細書における「光回折素子」は、或る情報（例えば、或る画像）を表す光信号を別の情報（例えば、別の画像）を表す光信号に変換する素子である。このため、或る画像を表す電気信号を別の画像を表す電気信号に変換する素子をフィルタと呼ぶのと同様の意味で、本明細書における「光回折素子」は、「光フィルタ」と言い換えることができる。また、本明細書における「光演算装置」は、光回折素子、すなわち、光フィルタを用いて光演算を実行するものである。このため、本明細書における「光演算装置」は、「多層光フィルタ装置」と言い換えることができる。

【0065】

（まとめ）
本発明の態様１に係る光演算装置は、光硬化樹脂により構成された複数の平面状光回折素子を含む光回折素子群と、前記光回折素子群を収容する筒体であって、その内側面に前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部が固定された筒体と、を備えている。

【0066】

上記の構成によれば、平面状光回折素子の相対的な位置関係を所期の関係に維持することが容易になる。

【0067】

本発明の態様２に係る光演算装置においては、態様１の構成に加えて、前記筒体に囲まれた空間には、屈折率整合を図るための液体又は固体が充填されている、という構成が採用されている。

【0068】

上記の構成によれば、筒体内部への異物（水分を含む）を困難にすることができる。或いは、平面状光回折素子が振動することを抑制することができる。或いは、各平面状光回折素子の経年劣化（例えば酸化）を抑制することができる。

【0069】

本発明の態様３に係る光演算装置においては、態様１又は２の構成に加えて、前記液体又は固体の屈折率は、１よりも大きく、且つ、前記平面状光回折素子の屈折率よりも小さい、という構成が採用されている。

【0070】

上記の構成によれば、空気と各平面状光回折素子との界面において生じ得る反射を低減することができる。

【0071】

本発明の態様４に係る光演算装置においては、態様１～３の何れかの構成に加えて、前記筒体のヤング率は、前記光回折素子群のヤング率よりも大きい、という構成が採用されている。

【0072】

上記の構成によれば、光回折素子群が筒体に収容されずに裸で存在している場合と比べて、外力が作用したときに平面状光回折素子の相対的な位置関係が変化し難い光演算装置を実現することができる。

【0073】

本発明の態様５に係る光演算装置においては、態様１～４の何れか一態様の構成に加えて、前記筒体の熱膨張率は、前記平面状光回折素子の熱膨張率よりも小さい、という構成が採用されている。

【0074】

上記の構成によれば、光回折素子群が筒体に収容されずに裸で存在している場合と比べて、温度が変化したときに平面状光回折素子の相対的な位置関係が変化し難い光演算装置を実現することができる。

【0075】

本発明の態様６に係る光演算装置においては、態様１～５の何れか一態様の構成に加えて、前記筒体は、前記光硬化樹脂を硬化させるための光を透過する、という構成が採用されている。

【0076】

上記の構成によれば、側方からの光照射によっても筒体内で光回折素子群を形成することが可能になる。また、側方からの光照射によって各平面状光回折素子の外縁を筒体の内側面に固着させることが容易になる。

【0077】

本発明の態様７に係る光演算装置においては、態様１～６の何れか一態様の構成に加えて、前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の形状は、円板状であり、前記筒体の形状は、円筒状である、という構成が採用されている。

【0078】

上記の構成によれば、光回折素子群の熱膨張が生じた場合でも、各平面状光回折素子の外縁全体に均等に応力が作用するので、各平面状光回折素子に予期せぬ歪みが生じたり、平面状光回折素子の相対的な位置関係の変化が生じたりする可能性を低減することができる。

【0079】

本発明の態様８に係る光演算装置においては、態様１～７の何れか一態様の構成に加えて、前記光回折素子群に含まれる２つの平面状光回折素子であって、互いに隣接する２つの平面状光回折素子は、前記光硬化樹脂によって構成された柱体によって互いに連結されている、という構成が採用されている。

【0080】

上記の構成によれば、平面状光回折素子の並び方向の相対的な位置関係を所期の関係に保つ、すなわち、互いに隣接する平面状光回折素子間の間隔を所期の値に保つことが容易になる。

【0081】

本発明の態様９に係る光演算装置においては、態様１～８の何れか一態様の構成に加えて、前記光回折素子群には、屈折率が個別に設定された複数のマイクロセルを有する平面状光回折素子が少なくとも一つ含まれている、という構成が採用されている。

【0082】

上記の構成によれば、多段階の光演算を実行可能な光演算装置を実現することができる。

【0083】

本発明の態様１０に係る光演算装置においては、態様１～９の何れか一態様の構成に加えて、最後段の前記平面状光回折素子の後段に、赤外光を可視光に変換する光変換層を備える、という構成が採用されている。

【0084】

上記の構成によれば、光演算装置から出射された光に含まれる赤外光を可視光に変換することができ、可視光用の撮像素子を用いて出射光を検出することができる。

【0085】

本発明の態様１１に係る光演算装置においては、態様１０の構成に加えて、最後段の前記平面状光回折素子の後段に、前記赤外光又は前記可視光を拡散させる拡散層をさらに含む、という構成が採用されている。

【0086】

上記の構成によれば、光変換層での光変換効率を高めることができる。

【0087】

本発明の態様１２に係る光演算装置においては、態様１１の態様の構成に加えて、前記最後段の平面状光回折素子から前記拡散層までの距離を規定するスペーサを更に含む、という構成が採用されている。

【0088】

上記の構成によれば、最後段の平面状光回折素子から拡散層までの距離を寸法精度よく規定することができる。

【0089】

本発明の態様１３に係る光演算装置の製造方法は、態様１～１２の何れか一態様に係る光演算装置の製造方法であって、前記筒体の内部で前記光回折素子群を一体的に造型する造型工程を含んでいる。

【0090】

上記の方法によれば、光回折素子群が筒体の内部で一体的に造型されるので、平面状光回折素子の相対的な位置関係が所期の関係にある光演算装置を容易に製造することができる。

【0091】

本発明の態様１４に係る光演算装置の製造方法は、態様１３に係る光演算装置の製造方法のうち、前記筒体の下端を未硬化状態の光硬化樹脂に浸し、又は、下端を封止した前記筒体の内部に未硬化の樹脂を注入し、前記光回折素子群の硬化が完了した部分を上方に引き上げながら、下方から光を照射することによって前記光回折素子群を前記筒体の内部において順次造形する、ものである。なお、前記光回折素子群に含まれる２つの平面状光回折素子であって、互いに隣接する２つの平面状光回折素子は、前記光硬化樹脂によって構成された柱体によって互いに連結されているものとする。

【0092】

上記の方法によれば、光（例えば紫外線）を用いて光回折素子群を造形しているので、電子線を用いて光回折素子群を造形する場合と比べて、造形に要する時間が短くて済む。また、上記の方法によれば、小型のプール、又は、筒体の内部に注入した少量の紫外線硬化樹脂によって光回折素子群を造型することができるので、原料コストを抑制することができる。

【0093】

本発明の態様１５に係る光演算装置の製造方法は、態様１３又は１４に係る光演算装置の製造方法のうち、前記造型工程の後に、前記筒体を介して側方から光を照射することよって、前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部を前記筒体の内側面に固着させる固着工程を更に含んでいる、ものである。なお、前記筒体は、前記光硬化樹脂を硬化させるための光を透過するものとする。

【0094】

上記の方法によれば、前記光回折素子群を構成する各平面状光回折素子の外縁の少なくとも一部を前記筒体の内側面により強固に固定することができる。

【0095】

本発明の態様１６に係る光演算装置の製造方法は、態様１３～１５の何れか一態様に係る光演算装置の製造方法のうち、前記造型工程の後に、前記筒体の内部に現像液を注入して行う現像処理、及び、前記筒体の内部に洗浄液を注入して行う洗浄処理の一方又は両方を実施することによって、前記光回折素子群に含まれる２つの平面状光回折素子であって、互いに隣接する２つの平面状光回折素子の間に残留した光硬化樹脂を排出する排出工程を更に含んでいる、ものである。なお、前記光回折素子群に含まれる各平面状光回折素子には、貫通孔が設けられているものとする。

【0096】

上記の方法によれば、互いに隣接する２つの平面状光回折素子の間に残留した光硬化樹脂をより確実に排出することができる。

【符号の説明】

【0097】

１ 光演算装置
１１ 光回折素子群
１１ａ１～１１ａ６ 平面状光回折素子
１１ｂ１～１１ｂ５ 柱体（円柱状）
１１ｃ１～１１ｃ５ 柱体（円筒状）
１２ 筒体
１３ａ，１３ｃ 栓
３１ 光変換層
３２ 拡散層
４０ スペーサ
４０１ 脚部
４０２ プレート部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】