JP3214964B2 - 回折光学素子 - Google Patents
回折光学素子Info
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- JP3214964B2 JP3214964B2 JP25963993A JP25963993A JP3214964B2 JP 3214964 B2 JP3214964 B2 JP 3214964B2 JP 25963993 A JP25963993 A JP 25963993A JP 25963993 A JP25963993 A JP 25963993A JP 3214964 B2 JP3214964 B2 JP 3214964B2
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、回折光学素子、特に、
斜め入射光に対してグレーティング周期の小さい領域で
も回折効率が良い回折光学素子に関するものである。
斜め入射光に対してグレーティング周期の小さい領域で
も回折効率が良い回折光学素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】回折光学素子は光の回折現象を利用する
光学素子であり、複数のグレーティングパターン(回折
格子)により構成されている。一般に、回折光学素子で
は回折効率がどのくらい達成できるかは非常に重要な要
素である。従来の回折光学素子として、図９に示すよう
な断面形状が階段状である垂直入射用の回折形のマイク
ロレンズが知られている。（J. Jahns and S. J. Walke
r : " Two-dimensional array of diffractive microle
nses fabricated by thin film deposition", Applied
Optics Vol. 29, No. 7, pp. 931-936 (1990).）。図９
において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は
その側部断面図である。図９から明らかなように、この
従来の回折光学素子は垂直入射光を集光あるいはコリメ
ートするものであり、基板上１に同心円のグレーティン
グパターン８，８’が設けられている。グレーティング
パターン８，８’は、外周に行くにつれてグレーティン
グ周期が小さくなるように構成されている。各グレーテ
ィングパターンの断面は階段形状であり、そのステップ
数（段数）は（ｂ）に示すような２段階のものや、
（ｃ）に示すような４段階のものから１６段階程度のも
のが考えられている。このような従来の回折光学素子で
は、グレーティング周期が異なっていても、同一の素子
では素子全域でグレーティングの階段形状のステップ数
はすべて同じであり、また最大膜厚もすべて同じであ
る。（ｂ）に示した２段階の回折光学素子では、入射光
を回折できる割合である回折効率は４１％であるが、
（ｃ）に示した４段階にすると回折効率は８１％に向上
する。さらに、８段階にすると９５％、１６段階では９
９％というように、階段のステップ数が多いほど回折効
率が高くなる。
光学素子であり、複数のグレーティングパターン(回折
格子)により構成されている。一般に、回折光学素子で
は回折効率がどのくらい達成できるかは非常に重要な要
素である。従来の回折光学素子として、図９に示すよう
な断面形状が階段状である垂直入射用の回折形のマイク
ロレンズが知られている。（J. Jahns and S. J. Walke
r : " Two-dimensional array of diffractive microle
nses fabricated by thin film deposition", Applied
Optics Vol. 29, No. 7, pp. 931-936 (1990).）。図９
において、（ａ）は平面図であり、（ｂ）及び（ｃ）は
その側部断面図である。図９から明らかなように、この
従来の回折光学素子は垂直入射光を集光あるいはコリメ
ートするものであり、基板上１に同心円のグレーティン
グパターン８，８’が設けられている。グレーティング
パターン８，８’は、外周に行くにつれてグレーティン
グ周期が小さくなるように構成されている。各グレーテ
ィングパターンの断面は階段形状であり、そのステップ
数（段数）は（ｂ）に示すような２段階のものや、
（ｃ）に示すような４段階のものから１６段階程度のも
のが考えられている。このような従来の回折光学素子で
は、グレーティング周期が異なっていても、同一の素子
では素子全域でグレーティングの階段形状のステップ数
はすべて同じであり、また最大膜厚もすべて同じであ
る。（ｂ）に示した２段階の回折光学素子では、入射光
を回折できる割合である回折効率は４１％であるが、
（ｃ）に示した４段階にすると回折効率は８１％に向上
する。さらに、８段階にすると９５％、１６段階では９
９％というように、階段のステップ数が多いほど回折効
率が高くなる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記回折効率及び階段
形状の断面を有するグレーティングパターンのステップ
数との関係を考慮すると、どのような種類の回折光学素
子であっても、階段形状のグレーティングパターンのス
テップ数が多ければ多いほど回折効率が高くなることは
容易に推定される。実際、入射光が垂直方向から傾いた
斜入射光になってきた場合、グレーティング周期が大き
い領域においては、ステップ数が多いほど回折効率はや
はり高かった。しかし、グレーティング周期が入射光の
波長に近い領域では、グレーティングパターンのステッ
プ数が多い素子では回折効率が急激に小さくなるという
問題点があることを本発明者らは見いだした。さらに、
グレーティング周期が入射光の波長に近い領域では、グ
レーティング周期が小さいため微細加工が難しく、グレ
ーティングパターンのステップ数が多い素子では設計通
りの階段形状が実現できず、その結果、光学特性が低下
するという問題点も有していた。本発明は、上記問題点
を解決するためになされたものであり、斜め入射光に対
して、回折光学素子全域にわたって回折効率が高く、グ
レーティング周期の小さい領域でも作製が容易な回折光
学素子を提供することを目的としている。
形状の断面を有するグレーティングパターンのステップ
数との関係を考慮すると、どのような種類の回折光学素
子であっても、階段形状のグレーティングパターンのス
テップ数が多ければ多いほど回折効率が高くなることは
容易に推定される。実際、入射光が垂直方向から傾いた
斜入射光になってきた場合、グレーティング周期が大き
い領域においては、ステップ数が多いほど回折効率はや
はり高かった。しかし、グレーティング周期が入射光の
波長に近い領域では、グレーティングパターンのステッ
プ数が多い素子では回折効率が急激に小さくなるという
問題点があることを本発明者らは見いだした。さらに、
グレーティング周期が入射光の波長に近い領域では、グ
レーティング周期が小さいため微細加工が難しく、グレ
ーティングパターンのステップ数が多い素子では設計通
りの階段形状が実現できず、その結果、光学特性が低下
するという問題点も有していた。本発明は、上記問題点
を解決するためになされたものであり、斜め入射光に対
して、回折光学素子全域にわたって回折効率が高く、グ
レーティング周期の小さい領域でも作製が容易な回折光
学素子を提供することを目的としている。
【０００４】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の回折光学素子は、基板と、前記基板上に形
成された断面が階段形状であるグレーティング部を具備
する回折光学素子であって、前記グレーティング部は、
周期が入射波長の第１の所定数倍より小さい第１の領域
と、前記周期が前記入射波長の前記第１の所定数倍より
大きい第２の領域とを具備し、前記第１の領域の階段形
状のステップ数は、前記第２の領域の階段形状のステッ
プ数より小さく、斜め入射光に対して、前記周期が前記
入射波長の前記第１の所定数倍の近傍にあるとき、前記
第１の領域の回折効率は、前記第２の領域の回折効率と
実質的に等しいことを特徴とする。上記構成において、
グレーティング部は、第１の領域および第２の領域以外
の他の領域を具備し、階段形状のステップ数は、グレー
ティング部の周期が小さくなるにつれて徐々に小さくな
ることが好ましい。また、グレーティング部の周期が入
射波長の第１の所定数倍より大きい領域ではステップ数
は３以上であり、グレーティング部の周期が入射波長の
第１の所定数倍より小さい領域ではステップ数は２であ
り、前記第１の所定数は１．５〜３の間のいずれかの値
であることが好ましい。また、ステップ数が２の領域で
は、グレーティング部のディーティ比（１つの周期にお
ける空気層以外の領域の割合）は０．１５〜０．５の間
のいずれかの値であることが好ましい。また、グレーテ
ィング部の周期が入射波長の第２の所定数倍より大きい
領域ではステップ数は４以上であり、グレーティング部
の周期が入射波長の第２の所定数倍よりも小さく、かつ
第１の所定数倍より大きい領域ではステップ数は３であ
り、前記第２の所定数は２〜５の間のいずれかの値（た
だし、前記第１の所定数は前記第２の所定数よりも小さ
い）であることが好ましい。また、グレーティング部の
周期が入射波長の第３の所定数倍より大きい領域ではス
テップ数は５以上であり、前記第３の所定数倍より小さ
く前記第２の所定数倍より大きい領域ではステップ数は
４であり、前記第３の所定数は４〜７の間のいずれかの
値（ただし、前記第２の所定数は前記第３の所定数より
も小さい）であることが好ましい。また、グレーティン
グ部の最大膜厚は、ステップ数に応じて異なることが好
ましい。また、グレーティング部のパターンは中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、前記凸の方向に周期
が徐々に小さくなることが好ましい。また、グレーティ
ング部のパターンは直線であり、徐々に周期が変化する
ことが好ましい。
め、本発明の回折光学素子は、基板と、前記基板上に形
成された断面が階段形状であるグレーティング部を具備
する回折光学素子であって、前記グレーティング部は、
周期が入射波長の第１の所定数倍より小さい第１の領域
と、前記周期が前記入射波長の前記第１の所定数倍より
大きい第２の領域とを具備し、前記第１の領域の階段形
状のステップ数は、前記第２の領域の階段形状のステッ
プ数より小さく、斜め入射光に対して、前記周期が前記
入射波長の前記第１の所定数倍の近傍にあるとき、前記
第１の領域の回折効率は、前記第２の領域の回折効率と
実質的に等しいことを特徴とする。上記構成において、
グレーティング部は、第１の領域および第２の領域以外
の他の領域を具備し、階段形状のステップ数は、グレー
ティング部の周期が小さくなるにつれて徐々に小さくな
ることが好ましい。また、グレーティング部の周期が入
射波長の第１の所定数倍より大きい領域ではステップ数
は３以上であり、グレーティング部の周期が入射波長の
第１の所定数倍より小さい領域ではステップ数は２であ
り、前記第１の所定数は１．５〜３の間のいずれかの値
であることが好ましい。また、ステップ数が２の領域で
は、グレーティング部のディーティ比（１つの周期にお
ける空気層以外の領域の割合）は０．１５〜０．５の間
のいずれかの値であることが好ましい。また、グレーテ
ィング部の周期が入射波長の第２の所定数倍より大きい
領域ではステップ数は４以上であり、グレーティング部
の周期が入射波長の第２の所定数倍よりも小さく、かつ
第１の所定数倍より大きい領域ではステップ数は３であ
り、前記第２の所定数は２〜５の間のいずれかの値（た
だし、前記第１の所定数は前記第２の所定数よりも小さ
い）であることが好ましい。また、グレーティング部の
周期が入射波長の第３の所定数倍より大きい領域ではス
テップ数は５以上であり、前記第３の所定数倍より小さ
く前記第２の所定数倍より大きい領域ではステップ数は
４であり、前記第３の所定数は４〜７の間のいずれかの
値（ただし、前記第２の所定数は前記第３の所定数より
も小さい）であることが好ましい。また、グレーティン
グ部の最大膜厚は、ステップ数に応じて異なることが好
ましい。また、グレーティング部のパターンは中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、前記凸の方向に周期
が徐々に小さくなることが好ましい。また、グレーティ
ング部のパターンは直線であり、徐々に周期が変化する
ことが好ましい。
【０００５】
【作用】階段状断面を有するグレーティングに対して入
射光が垂直方向から傾斜して入射する場合、すべての領
域で階段状のステップ数が多いほど回折効率が高くなる
のではなく、グレーティング周期に応じて回折効率が高
くなるステップ数が存在する。そのため、各グレーティ
ング部の周期に応じてそのグレーティング部の階段状断
面のステップ数を最適な値に設定することにより、回折
光学素子全域にわたって回折効率が高くなる。また、グ
レーティング周期が小さくなるほど最適なステップ数が
小さくなる傾向があるので、グレーティング周期の小さ
い領域でも作製が容易になる。
射光が垂直方向から傾斜して入射する場合、すべての領
域で階段状のステップ数が多いほど回折効率が高くなる
のではなく、グレーティング周期に応じて回折効率が高
くなるステップ数が存在する。そのため、各グレーティ
ング部の周期に応じてそのグレーティング部の階段状断
面のステップ数を最適な値に設定することにより、回折
光学素子全域にわたって回折効率が高くなる。また、グ
レーティング周期が小さくなるほど最適なステップ数が
小さくなる傾向があるので、グレーティング周期の小さ
い領域でも作製が容易になる。
【０００６】
【実施例】本発明の回折光学素子の第１の実施例を図１
から図４までを用いて詳細に説明する。図１において、
（ａ）は本発明の回折光学素子の第１の実施例の基本構
成を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。図
２は第１の実施例におけるグレーティング周期と１次回
折光の回折効率との関係を示す図である。図３は第１の
実施例において、グレーティング部２Ａのデューティ比
をパラメータとしたグレーティング周期と１次回折光の
回折効率との関係を示す図である。図４は第１の実施例
におけるの集光の様子を示す図である。図１に示すよう
に、第１の実施例に係る回折光学素子は、基板１及び基
板１上に形成されたグレーティング部２を具備する。こ
のグレーティング部２は、グレーティング周期が小さい
グレーティング部２Ａの領域と、グレーティング周期が
大きいグレーティング部２Ｂの領域とからなる。各グレ
ーティング部２Ａ及び２Ｂはそれぞれ断面が階段形状で
ある。グレーティング周期が大きいグレーティング部２
Ｂの領域では、階段形状のステップ数は３である。ま
た、グレーティング周期が小さいグレーティング部２Ａ
の領域では、階段形状のステップ数は２である。図２に
示すように、グレーティング周期が、例えば入射光の波
長の１．６倍より小さい領域はステップ数２のグレーテ
ィング部２Ａであり、それより大きい領域はステップ数
３のグレーティング部２Ｂである。
から図４までを用いて詳細に説明する。図１において、
（ａ）は本発明の回折光学素子の第１の実施例の基本構
成を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。図
２は第１の実施例におけるグレーティング周期と１次回
折光の回折効率との関係を示す図である。図３は第１の
実施例において、グレーティング部２Ａのデューティ比
をパラメータとしたグレーティング周期と１次回折光の
回折効率との関係を示す図である。図４は第１の実施例
におけるの集光の様子を示す図である。図１に示すよう
に、第１の実施例に係る回折光学素子は、基板１及び基
板１上に形成されたグレーティング部２を具備する。こ
のグレーティング部２は、グレーティング周期が小さい
グレーティング部２Ａの領域と、グレーティング周期が
大きいグレーティング部２Ｂの領域とからなる。各グレ
ーティング部２Ａ及び２Ｂはそれぞれ断面が階段形状で
ある。グレーティング周期が大きいグレーティング部２
Ｂの領域では、階段形状のステップ数は３である。ま
た、グレーティング周期が小さいグレーティング部２Ａ
の領域では、階段形状のステップ数は２である。図２に
示すように、グレーティング周期が、例えば入射光の波
長の１．６倍より小さい領域はステップ数２のグレーテ
ィング部２Ａであり、それより大きい領域はステップ数
３のグレーティング部２Ｂである。
【０００７】入射光が垂直方向から傾いた斜入射光であ
る場合、グレーティング周期が大きいグレーティング部
２Ｂの領域においては、階段形状のステップ数が多い回
折光学素子ほど回折効率は高く、階段形状のステップ数
が少ない回折光学素子では回折効率は低かった。しか
し、グレーティング周期が入射光の波長に近いグレーテ
ィング部２Ａの領域では、ステップ数が多い素子は回折
効率が急激に小さくなり、一方、階段形状のステップ数
が少ない回折光学素子では、グレーティング周期が入射
光の波長に近づく領域でも回折効率の低下の割合が小さ
いか、むしろ回折効率は向上する傾向にあることを本発
明者らは発見した。その詳細を以下に述べる。入射光の
入射角がθ＝２０°、グレーティング部２Ａ及び２Ｂの
屈折率がｎ＝１．５の場合について、回折効率とグレー
ティング周期との関係を図２に示す。図２において実線
で示したように、グレーティング周期が大きい領域２Ｂ
では、ステップ数が３の素子は回折効率は５０数％示
す。しかし、グレーティング周期が小さくなり、グレー
ティング周期が入射光の波長の２倍程度の領域２Ａにな
ると急激に低下する。一方、点線で示したように、グレ
ーティング周期が大きい領域２Ｂでは、ステップ数が２
の素子は回折効率が３０〜４０％である。しかし、グレ
ーティング周期が小さくなり、グレーティング周期が入
射光の波長の２〜３倍程度の領域から回折効率は上昇す
る。例えば、グレーティング周期が入射光の波長の１．
６倍のところでステップ数が２の素子の回折効率とステ
ップ数３の素子の回折効率が同じになることがわかる。
従って、例えばグレーティング周期が入射光の波長の
１．６倍より大きい領域ではグレーティング部２の階段
形状のステップ数を３とし、これよりグレーティング周
期が小さい領域では階段形状のステップ数を２とするこ
とにより、回折光学素子全域にわたって回折効率を高く
することができる。
る場合、グレーティング周期が大きいグレーティング部
２Ｂの領域においては、階段形状のステップ数が多い回
折光学素子ほど回折効率は高く、階段形状のステップ数
が少ない回折光学素子では回折効率は低かった。しか
し、グレーティング周期が入射光の波長に近いグレーテ
ィング部２Ａの領域では、ステップ数が多い素子は回折
効率が急激に小さくなり、一方、階段形状のステップ数
が少ない回折光学素子では、グレーティング周期が入射
光の波長に近づく領域でも回折効率の低下の割合が小さ
いか、むしろ回折効率は向上する傾向にあることを本発
明者らは発見した。その詳細を以下に述べる。入射光の
入射角がθ＝２０°、グレーティング部２Ａ及び２Ｂの
屈折率がｎ＝１．５の場合について、回折効率とグレー
ティング周期との関係を図２に示す。図２において実線
で示したように、グレーティング周期が大きい領域２Ｂ
では、ステップ数が３の素子は回折効率は５０数％示
す。しかし、グレーティング周期が小さくなり、グレー
ティング周期が入射光の波長の２倍程度の領域２Ａにな
ると急激に低下する。一方、点線で示したように、グレ
ーティング周期が大きい領域２Ｂでは、ステップ数が２
の素子は回折効率が３０〜４０％である。しかし、グレ
ーティング周期が小さくなり、グレーティング周期が入
射光の波長の２〜３倍程度の領域から回折効率は上昇す
る。例えば、グレーティング周期が入射光の波長の１．
６倍のところでステップ数が２の素子の回折効率とステ
ップ数３の素子の回折効率が同じになることがわかる。
従って、例えばグレーティング周期が入射光の波長の
１．６倍より大きい領域ではグレーティング部２の階段
形状のステップ数を３とし、これよりグレーティング周
期が小さい領域では階段形状のステップ数を２とするこ
とにより、回折光学素子全域にわたって回折効率を高く
することができる。
【０００８】従来、グレーティング周期が入射光の波長
に近い領域では、グレーティング周期が小さいため微細
加工が難しく、ステップ数が多い素子では設計通りの階
段形状が実現できず、光学特性が悪くなるという問題点
を有していたが、本発明者らはグレーティング周期が小
さくなればなるほど最適ステップ数が小さくなる傾向が
あることを発見したので、それを応用すればグレーティ
ング周期の小さい領域でも回折光学素子の作製が容易に
なる。すなわち、従来、素子全域でステップ数３の階段
形状の回折光学素子を作製しようとした場合、グレーテ
ィング周期が大きい領域ではステップ数が３の階段形状
の加工は良好にできたが、グレーティング周期が小さな
領域では階段形状のエッジ部がだれ、うまく加工できな
かった。しかし、本実施例の回折光学素子では、グレー
ティング周期が入射光の波長の１．６倍より小さい領域
では、ステップ数が２の矩形形状でよいため、微細加工
が容易になり、設計通りに加工することが可能となる。
なお、本実施例では、ステップ数を２と３に切り換える
規格化グレーティング周期Λ／λ（Λ：グレーティング
周期）が１．６の場合について述べたが、ステップ数を
切り換える条件は入射光の入射角等によりその最適値は
変化するが、Λ／λ＝１．５〜３の範囲内であれば実質
的に同様の効果を奏することを確認した。
に近い領域では、グレーティング周期が小さいため微細
加工が難しく、ステップ数が多い素子では設計通りの階
段形状が実現できず、光学特性が悪くなるという問題点
を有していたが、本発明者らはグレーティング周期が小
さくなればなるほど最適ステップ数が小さくなる傾向が
あることを発見したので、それを応用すればグレーティ
ング周期の小さい領域でも回折光学素子の作製が容易に
なる。すなわち、従来、素子全域でステップ数３の階段
形状の回折光学素子を作製しようとした場合、グレーテ
ィング周期が大きい領域ではステップ数が３の階段形状
の加工は良好にできたが、グレーティング周期が小さな
領域では階段形状のエッジ部がだれ、うまく加工できな
かった。しかし、本実施例の回折光学素子では、グレー
ティング周期が入射光の波長の１．６倍より小さい領域
では、ステップ数が２の矩形形状でよいため、微細加工
が容易になり、設計通りに加工することが可能となる。
なお、本実施例では、ステップ数を２と３に切り換える
規格化グレーティング周期Λ／λ（Λ：グレーティング
周期）が１．６の場合について述べたが、ステップ数を
切り換える条件は入射光の入射角等によりその最適値は
変化するが、Λ／λ＝１．５〜３の範囲内であれば実質
的に同様の効果を奏することを確認した。
【０００９】第１の実施例の回折光学素子は、例えば口
径１ｍｍ（円形開口）、入射光の波長がλ＝０．６３２
８μｍ、入射角θ＝２０°、焦点距離は２．５ｍｍであ
る。ステップ数３のグレーティング部２Ｂは、グレーテ
ィング周期が、例えば１．０μｍから２．０μｍの範囲
内にあり、その最大膜厚は、例えばｈB＝０．８４μｍ
である。また、ステップ数２のグレーティング部２Ａ
は、グレーティング周期が、例えば０．８９μｍから
１.０μｍの範囲内にあり、その最大膜厚は、例えばｈA
＝０．６３μｍである。このように、グレーティング部
２Ａ，２Ｂの最大膜厚は、それらのステップ数に応じて
変えてある。ステップ数に応じて最大膜厚を変化させる
ことにより、回折効率を最適化することができる。グレ
ーティング部２Ａでは、例えばデューティ比を０．３と
した。ここで、デューティ比とは、図１における（ａ）
に示すように、ｄ1／ΛA、すなわち、１つのグレーティ
ング周期において空気層以外の物質が占める割合のこと
である。図３には、本実施例におけるグレーティング部
２Ａのデューティ比をパラメータとした場合における、
グレーティング周期と１次回折光の回折効率との関係を
示す。図３から明らかなように、特に斜め入射のときに
は、ステップ数２のグレーティング部２Ａのディーティ
比を０．１５〜０．５の範囲内のいずれかの値にすれ
ば、グレーティング周期が入射光の波長の２倍以下の領
域において、回折効率が向上することがわかる。
径１ｍｍ（円形開口）、入射光の波長がλ＝０．６３２
８μｍ、入射角θ＝２０°、焦点距離は２．５ｍｍであ
る。ステップ数３のグレーティング部２Ｂは、グレーテ
ィング周期が、例えば１．０μｍから２．０μｍの範囲
内にあり、その最大膜厚は、例えばｈB＝０．８４μｍ
である。また、ステップ数２のグレーティング部２Ａ
は、グレーティング周期が、例えば０．８９μｍから
１.０μｍの範囲内にあり、その最大膜厚は、例えばｈA
＝０．６３μｍである。このように、グレーティング部
２Ａ，２Ｂの最大膜厚は、それらのステップ数に応じて
変えてある。ステップ数に応じて最大膜厚を変化させる
ことにより、回折効率を最適化することができる。グレ
ーティング部２Ａでは、例えばデューティ比を０．３と
した。ここで、デューティ比とは、図１における（ａ）
に示すように、ｄ1／ΛA、すなわち、１つのグレーティ
ング周期において空気層以外の物質が占める割合のこと
である。図３には、本実施例におけるグレーティング部
２Ａのデューティ比をパラメータとした場合における、
グレーティング周期と１次回折光の回折効率との関係を
示す。図３から明らかなように、特に斜め入射のときに
は、ステップ数２のグレーティング部２Ａのディーティ
比を０．１５〜０．５の範囲内のいずれかの値にすれ
ば、グレーティング周期が入射光の波長の２倍以下の領
域において、回折効率が向上することがわかる。
【００１０】図４に示すように、上記第１の実施例の回
折光学素子は、斜め入射光５を垂直に出射させる（出射
光６）透過形のオフアキシスレンズである。オフアキシ
スレンズとは、入射光の光軸と出射光の光軸が異なるレ
ンズのことである。図４において、光５が伝播する領域
の基板１の表面と裏面に反射層４Ａ及び４Ｂが堆積され
ており、基板１内を光が繰返し反射されてジグザグに伝
播し、グレーティング部２から垂直出射される。斜入射
光５を垂直集光光にするために、グレーティング部２の
パターン形状は、図１の（ｂ）に示すように中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、上記凸の方向にグレ
ーティング周期が徐々に小さくなり、同時にパターンの
曲率も大きくなるような形状に構成されている。さらに
詳述すると、図１及び図４に示す座標系において、入射
光の波長をλ、基板１の屈折率をｎ、入射角をθとする
と、第１の実施例の回折光学素子の位相シフト関数は、
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ（（ｘ2＋ｙ2＋ｆ2）1/2＋ｎｙｓｉｎ
θ−ｆ）−２ｍπで表される。ただし、ｋ＝λ／２π、
ｍは０≦Φ≦２πを満たす整数であり、グレーティング
パターンの次数を表わしている。この位相シフト関数か
ら、次数ｍのグレーティング部２の曲線形状は、中心が
（０、−ｎｓｉｎθ（ｍλ＋ｆ）／（１−ｎ2ｓｉｎ
2θ））であり、短軸（ｘ軸）の長さｄx＝２（ｍ2λ2＋
２ｍλｆ＋ｎ2ｆ2ｓｉｎ2θ）1/2／（１−ｎ2ｓｉｎ
2θ）1/2、長軸（ｙ軸）の長さｄy＝ｄx／（１−ｎ2ｓ
ｉｎ2θ）1/2である楕円曲線の上部である。
折光学素子は、斜め入射光５を垂直に出射させる（出射
光６）透過形のオフアキシスレンズである。オフアキシ
スレンズとは、入射光の光軸と出射光の光軸が異なるレ
ンズのことである。図４において、光５が伝播する領域
の基板１の表面と裏面に反射層４Ａ及び４Ｂが堆積され
ており、基板１内を光が繰返し反射されてジグザグに伝
播し、グレーティング部２から垂直出射される。斜入射
光５を垂直集光光にするために、グレーティング部２の
パターン形状は、図１の（ｂ）に示すように中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、上記凸の方向にグレ
ーティング周期が徐々に小さくなり、同時にパターンの
曲率も大きくなるような形状に構成されている。さらに
詳述すると、図１及び図４に示す座標系において、入射
光の波長をλ、基板１の屈折率をｎ、入射角をθとする
と、第１の実施例の回折光学素子の位相シフト関数は、
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ（（ｘ2＋ｙ2＋ｆ2）1/2＋ｎｙｓｉｎ
θ−ｆ）−２ｍπで表される。ただし、ｋ＝λ／２π、
ｍは０≦Φ≦２πを満たす整数であり、グレーティング
パターンの次数を表わしている。この位相シフト関数か
ら、次数ｍのグレーティング部２の曲線形状は、中心が
（０、−ｎｓｉｎθ（ｍλ＋ｆ）／（１−ｎ2ｓｉｎ
2θ））であり、短軸（ｘ軸）の長さｄx＝２（ｍ2λ2＋
２ｍλｆ＋ｎ2ｆ2ｓｉｎ2θ）1/2／（１−ｎ2ｓｉｎ
2θ）1/2、長軸（ｙ軸）の長さｄy＝ｄx／（１−ｎ2ｓ
ｉｎ2θ）1/2である楕円曲線の上部である。
【００１１】基板１及びグレーティング部２は使用波長
に対して透明であればよく、例えばガラスや合成樹脂等
の材料で形成されている。使用光が赤外光の場合、基板
１及びグレーティング部２の材料として、ＳｉやＧａＡ
ｓ等の半導体も使うことができる。上記第１の実施例の
回折光学素子の製造方法として、電子ビーム描画法を用
いた。すなわち、例えばＰＭＭＡやＣＭＳ等の電子ビー
ムレジスト等の電子ビームに感光する合成樹脂を基板１
上にコーティングし、合成樹脂コーティング層に電子ビ
ームを照射する。そのとき、製造する回折光学素子の断
面形状に応じて、電子ビームの照射量を制御して照射し
（ポジ形のレジストでは素子の膜厚が大きいところは電
子ビーム照射量を少なくし、現像後の残膜率を大きくす
る）、現像処理をすることによって、回折光学素子を形
成した。なお、回折光学素子の仕様として、上記以外に
も目的に応じて任意のものが作製可能である。
に対して透明であればよく、例えばガラスや合成樹脂等
の材料で形成されている。使用光が赤外光の場合、基板
１及びグレーティング部２の材料として、ＳｉやＧａＡ
ｓ等の半導体も使うことができる。上記第１の実施例の
回折光学素子の製造方法として、電子ビーム描画法を用
いた。すなわち、例えばＰＭＭＡやＣＭＳ等の電子ビー
ムレジスト等の電子ビームに感光する合成樹脂を基板１
上にコーティングし、合成樹脂コーティング層に電子ビ
ームを照射する。そのとき、製造する回折光学素子の断
面形状に応じて、電子ビームの照射量を制御して照射し
（ポジ形のレジストでは素子の膜厚が大きいところは電
子ビーム照射量を少なくし、現像後の残膜率を大きくす
る）、現像処理をすることによって、回折光学素子を形
成した。なお、回折光学素子の仕様として、上記以外に
も目的に応じて任意のものが作製可能である。
【００１２】大量生産を行う場合、例えば、ニッケル電
鋳法で金型を作製し、例えば紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を
用いて金型から複製することにより、原盤と同一のレン
ズ素子を低価格で作製することが可能である。特に、回
折光学素子がアレイ状に配列されている場合、この方法
を用いることにより、同一特性の回折光学素子を同時に
精度よく形成できる。また、例えばイオンビームエッチ
ングにより、合成樹脂（電子ビームレジスト）で形成し
たグレーティング部２の形状を、例えばガラス基板１に
転写することにより、温度的にも非常に安定する。
鋳法で金型を作製し、例えば紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を
用いて金型から複製することにより、原盤と同一のレン
ズ素子を低価格で作製することが可能である。特に、回
折光学素子がアレイ状に配列されている場合、この方法
を用いることにより、同一特性の回折光学素子を同時に
精度よく形成できる。また、例えばイオンビームエッチ
ングにより、合成樹脂（電子ビームレジスト）で形成し
たグレーティング部２の形状を、例えばガラス基板１に
転写することにより、温度的にも非常に安定する。
【００１３】次に、本発明の回折光学素子の第２の実施
例の基本構成を図５に示す。図５は第２の実施例の基本
構成を示す平面図である。なお、上記第１の実施例と同
一の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につ
いて説明する。図５に示すように、グレーティング部
２’のパターンは直線であり、徐々にグレーティング周
期が変化しているシリンドリカルオフアキシスレンズで
ある。すなわち、第２の実施例の回折光学素子は、斜め
入射光を一軸方向（ｙ方向）のみ集光する。なお、断面
は図１の（ａ）に示した構成と実質的に同じである。従
って、このような一軸方向のシリンドリカルレンズで
も、グレーティング周期が大きい領域ではステップ数を
３とし、グレーティング周期が小さい領域ではステップ
数を２とすることにより、第１の実施例の回折光学素子
と同様の効果を奏する。
例の基本構成を図５に示す。図５は第２の実施例の基本
構成を示す平面図である。なお、上記第１の実施例と同
一の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につ
いて説明する。図５に示すように、グレーティング部
２’のパターンは直線であり、徐々にグレーティング周
期が変化しているシリンドリカルオフアキシスレンズで
ある。すなわち、第２の実施例の回折光学素子は、斜め
入射光を一軸方向（ｙ方向）のみ集光する。なお、断面
は図１の（ａ）に示した構成と実質的に同じである。従
って、このような一軸方向のシリンドリカルレンズで
も、グレーティング周期が大きい領域ではステップ数を
３とし、グレーティング周期が小さい領域ではステップ
数を２とすることにより、第１の実施例の回折光学素子
と同様の効果を奏する。
【００１４】次に、本発明の回折光学素子の第３の実施
例を図６、図７及び図８を用いて説明する。図６は第３
の実施例の回折光学素子の基本構成を示す断面図であ
る。図７は第３の実施例の回折光学素子における入射光
の入射角が２０°の場合のグレーティング周期と１次回
折光の回折効率との関係を示す図である。図８は第３の
実施例の回折光学素子における入射光の入射角が３０°
の場合のグレーティング周期と１次回折光の回折効率と
の関係を示す図である。なお、上記第１の実施例と同一
の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につい
て説明する。図６に示すように、第３の実施例に係る回
折光学素子は、最もグレーティング周期が大きい領域
（グレーティング部２Ｄ”）において、階段形状のステ
ップ数は５であり、グレーティング周期が小さくなるに
つれて、ステップ数を順に、４（グレーティング部２
Ｃ”）、３（グレーティング部２Ｂ”）、２（グレーテ
ィング部２Ａ”）と小さくするように構成されたオフア
キシスレンズである。図７から明らかなように、それぞ
れのグレーティング部の規格化周期Λ／λは、例えば
１．２から１．６までの範囲はグレーティング部２Ａ”
の領域に相当し、１．６から３．１までの範囲はグレー
ティング部２Ｂ”の領域に相当し、３．１から４．７ま
での範囲はグレーティング部２Ｃ”の領域に相当し、
４．７から５．５までの範囲はグレーティング部２Ｄ”
の領域に相当する。各領域におけるグレーティング部の
最大膜厚はそれぞれ、例えば、０．６３３μｍ（グレー
ティング部２Ａ”）、０．８４μｍ（グレーティング部
２Ｂ”）、０．９５μｍ（グレーティング部２Ｃ”）、
１．０１μｍ（グレーティング部２Ｄ”）である。本実
施例の回折光学素子は、例えば口径１ｍｍ（円形開
口）、入射光の波長がλ＝０．６３２８μｍ、入射角θ
＝２０°、焦点距離は１．４ｍｍである。第１の実施例
のオフアキシス形レンズと比較して、焦点距離が短いオ
フアキシスレンズである。このような焦点距離の短いオ
フアキシスレンズでは、グレーティング周期の変化の割
合が大きくなる。図７に示したように、ステップ数５の
回折光学素子の回折効率は、規格化周期が４．７のとこ
ろでステップ数４の素子の回折効率よりも小さくなる。
また、このステップ数４の素子の回折効率は、規格化周
期が３．１のところでステップ数３の素子の回折効率よ
りも小さくなる。同様に、ステップ数３の素子の回折効
率は、規格化周期が１．６のところでステップ数２の素
子の回折効率よりも小さくなる。従って、各グレーティ
ング部２Ａ”、２Ｂ”、２Ｃ”、２Ｄ”の領域において
最適なステップ数を設定することにより、回折光学素子
全域にわたって回折効率を大きくすることができる。
例を図６、図７及び図８を用いて説明する。図６は第３
の実施例の回折光学素子の基本構成を示す断面図であ
る。図７は第３の実施例の回折光学素子における入射光
の入射角が２０°の場合のグレーティング周期と１次回
折光の回折効率との関係を示す図である。図８は第３の
実施例の回折光学素子における入射光の入射角が３０°
の場合のグレーティング周期と１次回折光の回折効率と
の関係を示す図である。なお、上記第１の実施例と同一
の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につい
て説明する。図６に示すように、第３の実施例に係る回
折光学素子は、最もグレーティング周期が大きい領域
（グレーティング部２Ｄ”）において、階段形状のステ
ップ数は５であり、グレーティング周期が小さくなるに
つれて、ステップ数を順に、４（グレーティング部２
Ｃ”）、３（グレーティング部２Ｂ”）、２（グレーテ
ィング部２Ａ”）と小さくするように構成されたオフア
キシスレンズである。図７から明らかなように、それぞ
れのグレーティング部の規格化周期Λ／λは、例えば
１．２から１．６までの範囲はグレーティング部２Ａ”
の領域に相当し、１．６から３．１までの範囲はグレー
ティング部２Ｂ”の領域に相当し、３．１から４．７ま
での範囲はグレーティング部２Ｃ”の領域に相当し、
４．７から５．５までの範囲はグレーティング部２Ｄ”
の領域に相当する。各領域におけるグレーティング部の
最大膜厚はそれぞれ、例えば、０．６３３μｍ（グレー
ティング部２Ａ”）、０．８４μｍ（グレーティング部
２Ｂ”）、０．９５μｍ（グレーティング部２Ｃ”）、
１．０１μｍ（グレーティング部２Ｄ”）である。本実
施例の回折光学素子は、例えば口径１ｍｍ（円形開
口）、入射光の波長がλ＝０．６３２８μｍ、入射角θ
＝２０°、焦点距離は１．４ｍｍである。第１の実施例
のオフアキシス形レンズと比較して、焦点距離が短いオ
フアキシスレンズである。このような焦点距離の短いオ
フアキシスレンズでは、グレーティング周期の変化の割
合が大きくなる。図７に示したように、ステップ数５の
回折光学素子の回折効率は、規格化周期が４．７のとこ
ろでステップ数４の素子の回折効率よりも小さくなる。
また、このステップ数４の素子の回折効率は、規格化周
期が３．１のところでステップ数３の素子の回折効率よ
りも小さくなる。同様に、ステップ数３の素子の回折効
率は、規格化周期が１．６のところでステップ数２の素
子の回折効率よりも小さくなる。従って、各グレーティ
ング部２Ａ”、２Ｂ”、２Ｃ”、２Ｄ”の領域において
最適なステップ数を設定することにより、回折光学素子
全域にわたって回折効率を大きくすることができる。
【００１５】図８に入射光の入射角が３０°の場合の第
３の実施例の回折光学素子におけるグレーティング周期
と１次回折光の回折効率との関係を示す。図８に示すよ
うに、入射光の入射角等に基づいてステップ数を変化さ
せる場合、ステップ数を切り換えるべきグレーティング
周期の境界値は変化する。しかし、ステップ数を５から
４に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波長
の４〜７倍程度の範囲内にあり、またステップ数を４か
ら３に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波
長の２〜５倍程度の範囲内にあり、ステップ数を３から
２に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波長
の１．５〜３倍程度の範囲内にあれば、同様の効果を奏
することを確認した。
３の実施例の回折光学素子におけるグレーティング周期
と１次回折光の回折効率との関係を示す。図８に示すよ
うに、入射光の入射角等に基づいてステップ数を変化さ
せる場合、ステップ数を切り換えるべきグレーティング
周期の境界値は変化する。しかし、ステップ数を５から
４に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波長
の４〜７倍程度の範囲内にあり、またステップ数を４か
ら３に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波
長の２〜５倍程度の範囲内にあり、ステップ数を３から
２に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波長
の１．５〜３倍程度の範囲内にあれば、同様の効果を奏
することを確認した。
【００１６】なお、上記各実施例では、本発明を斜入射
光を垂直に集光するオフアキシスレンズに適用した場合
について説明したが、オフアキシス形レンズだけでなく
他の形式の回折光学素子に適用した場合であっても、入
射光が斜め方向の場合に同様の効果を奏する。
光を垂直に集光するオフアキシスレンズに適用した場合
について説明したが、オフアキシス形レンズだけでなく
他の形式の回折光学素子に適用した場合であっても、入
射光が斜め方向の場合に同様の効果を奏する。
【００１７】
【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折光学
素子の各グレーティング部の周期に応じてグレーティン
グ部の階段形状のステップ数が異なるように構成したの
で、特に斜め入射光に対して光学素子全域にわたって回
折効率を高くすることが可能となる。また、グレーティ
ング周期が小さくなるほど最適なステップ数を小さくす
ることにより、グレーティング周期の小さい領域でも作
製が容易である回折光学素子を実現することが可能とな
る。
素子の各グレーティング部の周期に応じてグレーティン
グ部の階段形状のステップ数が異なるように構成したの
で、特に斜め入射光に対して光学素子全域にわたって回
折効率を高くすることが可能となる。また、グレーティ
ング周期が小さくなるほど最適なステップ数を小さくす
ることにより、グレーティング周期の小さい領域でも作
製が容易である回折光学素子を実現することが可能とな
る。
【図１】（ａ）は本発明の回折光学素子の第１の実施例
の基本構成を示す断面図、（ｂ）はその平面図
の基本構成を示す断面図、（ｂ）はその平面図
【図２】第１の実施例におけるグレーティング周期と１
次回折光の回折効率との関係を示す図
次回折光の回折効率との関係を示す図
【図３】第１の実施例において、グレーティング部２Ａ
のデューティ比をパラメータとしたグレーティング周期
と１次回折光の回折効率との関係を示す図
のデューティ比をパラメータとしたグレーティング周期
と１次回折光の回折効率との関係を示す図
【図４】第１の実施例における集光の様子を示す図
【図５】本発明の回折光学素子の第２の実施例の基本構
成を示す平面図
成を示す平面図
【図６】本発明の回折光学素子の第３の実施例の基本構
成を示す断面図
成を示す断面図
【図７】第３の実施例における入射光の入射角が２０°
の場合グレーティング周期と１次回折光の回折効率との
関係を示す図
の場合グレーティング周期と１次回折光の回折効率との
関係を示す図
【図８】第３の実施例における入射光の入射角が３０°
の場合グレーティング周期と１次回折光の回折効率との
関係を示す図
の場合グレーティング周期と１次回折光の回折効率との
関係を示す図
【図９】（ａ）は従来の回折光学素子の構成を示す平面
図、（ｂ）及び（ｃ）はその断面図
図、（ｂ）及び（ｃ）はその断面図
１： 基板 ２： グレーティング部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−150107（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−178601（ＪＰ，Ａ)
Claims (9)
- 【請求項１】 基板と、前記基板上に形成された断面が
階段形状であるグレーティング部を具備する回折光学素
子であって、前記グレーティング部は、周期が入射波長
の第１の所定数倍より小さい第１の領域と、前記周期が
前記入射波長の前記第１の所定数倍より大きい第２の領
域とを具備し、前記第１の領域の階段形状のステップ数
は、前記第２の領域の階段形状のステップ数より小さ
く、斜め入射光に対して、前記周期が前記入射波長の前
記第１の所定数倍の近傍にあるとき、前記第１の領域の
回折効率は、前記第２の領域の回折効率と実質的に等し
いことを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項２】 グレーティング部は、第１の領域および
第２の領域以外の他の領域を具備し、階段形状のステッ
プ数は、グレーティング部の周期が小さくなるにつれて
徐々に小さくなることを特徴とする請求項１記載の回折
光学素子。 - 【請求項３】 グレーティング部の周期が入射波長の第
１の所定数倍より大きい領域ではステップ数は３以上で
あり、グレーティング部の周期が入射波長の第１の所定
数倍より小さい領域ではステップ数は２であり、前記第
１の所定数は１．５〜３の間のいずれかの値であること
を特徴とする請求項２記載の回折光学素子。 - 【請求項４】 ステップ数が２の領域では、グレーティ
ング部のディーティ比（１つの周期における空気層以外
の領域の割合）は０．１５〜０．５の間のいずれかの値
であることを特徴とする請求項３記載の回折光学素子。 - 【請求項５】 グレーティング部の周期が入射波長の第
２の所定数倍より大きい領域ではステップ数は４以上で
あり、グレーティング部の周期が入射波長の第２の所定
数倍よりも小さく、かつ第１の所定数倍より大きい領域
ではステップ数は３であり、前記第２の所定数は２〜５
の間のいずれかの値（ただし、前記第１の所定数は前記
第２の所定数よりも小さい）であることを特徴とする請
求項３記載の回折光学素子。 - 【請求項６】 グレーティング部の周期が入射波長の第
３の所定数倍より大きい領域ではステップ数は５以上で
あり、前記第３の所定数倍より小さく前記第２の所定数
倍より大きい領域ではステップ数は４であり、前記第３
の所定数は４〜７の間のいずれかの値（ただし、前記第
２の所定数は前記第３の所定数よりも小さい）であるこ
とを特徴とする請求項４記載の回折光学素子。 - 【請求項７】 グレーティング部の最大膜厚は、ステッ
プ数に応じて異なることを特徴とする請求項１記載の回
折光学素子。 - 【請求項８】 グレーティング部のパターンは中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、前記凸の方向に周期
が徐々に小さくなることを特徴とする請求項１記載の回
折光学素子。 - 【請求項９】 グレーティング部のパターンは直線であ
り、徐々に周期が変化することを特徴とする請求項１記
載の回折光学素子。
Priority Applications (6)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25963993A JP3214964B2 (ja) | 1993-10-18 | 1993-10-18 | 回折光学素子 |
| US08/323,927 US5561558A (en) | 1993-10-18 | 1994-10-17 | Diffractive optical device |
| DE69410732T DE69410732T2 (de) | 1993-10-18 | 1994-10-18 | Diffraktive optische Einrichtung |
| CNB941128148A CN1145048C (zh) | 1993-10-18 | 1994-10-18 | 衍射光学器件 |
| EP94116398A EP0649037B1 (en) | 1993-10-18 | 1994-10-18 | Diffractive optical device |
| US08/627,442 US5742433A (en) | 1993-10-18 | 1996-04-04 | Diffractive optical device including grating elements with different grating periods and duty ratios |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP25963993A JP3214964B2 (ja) | 1993-10-18 | 1993-10-18 | 回折光学素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH07113906A JPH07113906A (ja) | 1995-05-02 |
| JP3214964B2 true JP3214964B2 (ja) | 2001-10-02 |
Family
ID=17336858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP25963993A Expired - Fee Related JP3214964B2 (ja) | 1993-10-18 | 1993-10-18 | 回折光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3214964B2 (ja) |
Families Citing this family (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP3486606B2 (ja) | 2000-09-08 | 2004-01-13 | キヤノン株式会社 | 回折光学素子およびそれを用いた光学系 |
| WO2005101067A1 (ja) * | 2004-04-13 | 2005-10-27 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 集光素子および固体撮像装置 |
| JP2006072169A (ja) * | 2004-09-06 | 2006-03-16 | Dainippon Printing Co Ltd | ブレーズ化回折光学素子 |
| CN107111058B (zh) * | 2015-01-10 | 2020-10-02 | 镭亚股份有限公司 | 具有受控衍射耦合效率的基于衍射光栅的背光 |
| US12124170B2 (en) * | 2019-03-27 | 2024-10-22 | Eulitha Ag | Method and apparatus for printing a periodic pattern with a varying duty cycle |
-
1993
- 1993-10-18 JP JP25963993A patent/JP3214964B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH07113906A (ja) | 1995-05-02 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |