회절소자의 회절효율

회절광학소자(DOE, diffractive optical element)가 가장 많이 사용된 것은 아마도 광저장장치(DVD, CD)에 쓰인 광픽업용 대물렌즈입니다.

DVD의 규격이 정해지면서 CD와의 호환 문제가 큰 이슈였는데, 파장과 NA, 그리고 디스크 두께가 다른 두 개의 매체를 어떻게 하면 하나의 렌즈로 쓰고 읽기가 가능할까 하는 문제였습니다. 이를 깨끗하게 해결한게 비구면 렌즈의 한 쪽에 회절패턴을 형성해서 색수차를 해결한 것입니다. 이를 보통 회절렌즈라고 합니다. 회절렌즈는 분산이 (-)이고 매우 큰 편입니다. 따라서 이를 이용해 굴절렌즈의 색수차를 보상해 줄 수 있습니다. 또한, 열에 의한 변형시에도 굴절렌즈와는 다른 경향을 보여 온도 변화에 따른 성능열화를 최소화할 수 있는 장점이 있습니다.

Canon에서 만든 카메라용 대물렌즈도 있고, 저화질용도의 카메라폰에도 적용된 적이 있지만, 결상광학계에서 많이 사용되지는 않습니다.

최근에 굴절렌즈의 색수차를 회절소자를 이용해서 줄이는 작업을 하고 있습니다. 회절패턴을 줄이기 위해 10차정도의 고차를 사용하는 것을 검토하고 회절효율을 계산해 보았습니다.

저도 회절렌즈를 개발한 적이 있습니다만, 제가 만들어 본 것은 회절차수를 1차로 한 것 뿐이였는데, 계산해 보니 문제가 발생하네요. 

그림처럼 회절차수가 고차가 됨에 따라 회절효율이 적절하게 높게 유지되는 파장영역이 점점 좁아집니다.아래 파장 범위는 400~700nm대역입니다. 이렇게 급격하게 파장이 떨어지는 것을 이전에는 알지 못했습니다.

하지만, 파장 영역이 매우 제한 적이라면 훌륭하게 사용할 수 있습니다.