JP2005084485A - Diffraction optical element - Google Patents

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宏之 塚本
Masaki Harada
昌樹 原田
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円 西山
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction optical element that can be manufactured highly precisely and can control a transmission phase in a shape nearer to continuity than the conventional. <P>SOLUTION: A transparent substrate 2 has unevenness on the upper face as shown in the figure, and has one projection 3 and one recess 4 at a constant pitch q. A q value is shorter than light wavelength in which an optical system using the diffraction optical element 1 is handled. As shown in the figure, the width of the projection 3 is the largest in the leftmost end cycle, the width of the projection 3 is slightly narrower than it in the next cycle, and the width of the projection 3 is gradually narrow up to five cycles. The average reflective index of the pattern structure of the different cycle can be changed by gradually changing the width a of the projection 3 in a pattern structure of a different cycle. Consequently, the diffraction optical element has characteristics near to the diffraction optical element having a sawtooth wave shape. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

本発明は、光が透過する部分に応じて透過する光に位相差をつけることが可能な回折光学素子に関するものである。   The present invention relates to a diffractive optical element capable of giving a phase difference to transmitted light according to a portion through which light is transmitted.

回折光学素子、例えば、レンズ作用を有するように構成した回折光学素子(回折レンズ)は、以下に示すように、従来からある屈折レンズにはない特長を有することが知られている。
(1) 非球面波を容易に生成することができるので、収差を効果的に補正することができる。
(2) 実質的に厚みを持たないので、設計の自由度が高く、コンパクトな光学系を実現することができる。
(3) 屈折レンズでのアッベ数に相当する量が、回折レンズでは負の値となるので、屈折素子との組み合わせによって、色収差を効果的に補正することができる。
It is known that a diffractive optical element, for example, a diffractive optical element (diffractive lens) configured so as to have a lens action has characteristics not found in conventional refractive lenses, as will be described below.
(1) Since an aspheric wave can be easily generated, aberration can be corrected effectively.
(2) Since there is substantially no thickness, the design freedom is high and a compact optical system can be realized.
(3) Since the amount corresponding to the Abbe number in the refractive lens is a negative value in the diffractive lens, the chromatic aberration can be effectively corrected by the combination with the refractive element.

このような回折レンズの特長を利用し、光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, August 1989.(非特許文献1)に詳しく記述されている。   For example, Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J. Swanson, Technical Report 854, MIT. It is described in detail in Lincoln Laboratory, August 1989.

上述したように、回折光学素子には、従来の屈折素子にはない多くの有用な特長があるが、他方では、回折効率が波長に依存するために、以下のような原理的な問題がある。例えば、光学系に適用する回折光学素子は、レンズ素子として利用する場合が多いが、このような用途においては、複数の回折光(複数の焦点)が存在するのは、一般に好ましくない。そこで、従来の回折光学素子(具体的には回折レンズ)においては、一般に、使用する波長で透明な基材に、断面を鋸歯波状とした(ブレーズ化した)レリーフパターンを形成して、特定次数の回折光にエネルギーを集中させるようにしている。   As described above, the diffractive optical element has many useful features that the conventional refractive element does not have, but on the other hand, since the diffraction efficiency depends on the wavelength, there are the following fundamental problems. . For example, a diffractive optical element applied to an optical system is often used as a lens element. However, in such applications, it is generally not preferable that a plurality of diffracted lights (a plurality of focal points) exist. Therefore, in a conventional diffractive optical element (specifically, a diffractive lens), a relief pattern having a sawtooth waveform (blazed) in cross section is generally formed on a transparent substrate at a wavelength to be used. The energy is concentrated on the diffracted light.

このような回折光学素子の例を図5に示す。このタイプの素子は、基板媒質内と雰囲気の屈折率の差を利用して、素子の各部を透過する光に光路長差を与えるもので、素子を透過した光の光路長差が出射光の位相差となると同時に、ブレーズされた形状のために、入射した光が特定次数(例えば1次)の回折光に変換される率が非常に高くなる。   An example of such a diffractive optical element is shown in FIG. This type of element uses the difference in refractive index between the substrate medium and the atmosphere to give an optical path length difference to the light transmitted through each part of the element. The optical path length difference of the light transmitted through the element is At the same time as the phase difference, because of the blazed shape, the rate at which incident light is converted into diffracted light of a specific order (for example, first order) becomes very high.

位相差として必要なのは2π以内であるため、凹凸の高さは、基板の屈折率をn、対象とする光の波長をλとした場合に、λ/(n-1)程度以内である。可視光近辺の波長で動作する素子の場合、この値は1μm程度であり、機械的な加工は難しく、凹凸構造はエッチングプロセスにより作製される。
特開2001−318217号公報 Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, August 1989.
Since the required phase difference is within 2π, the height of the unevenness is within about λ / (n−1), where n is the refractive index of the substrate and λ is the wavelength of the light of interest. In the case of an element operating at a wavelength in the vicinity of visible light, this value is about 1 μm, mechanical processing is difficult, and the concavo-convex structure is produced by an etching process.
JP 2001-318217 A Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J. Swanson, Technical Report 854, MIT Lincoln Laboratory, August 1989.

しかしながら、このような方法で位相型の回折素子を作製しようとする場合、表面の凹凸の高さを連続的に制御することは難しい。そこで、多くの場合は連続的な高さ制御が必要な場合でも、離散的に作製する方法を採用している。例えば、図5のような光学素子を作製する場合、複数のマスクを用いてパターニングを行うことにより、複数の深さを持つ段差を設け、図6に示すように、近似的に図5のような断面形状を得る。   However, when a phase-type diffraction element is to be manufactured by such a method, it is difficult to continuously control the height of the unevenness on the surface. Therefore, in many cases, even when continuous height control is required, a method of discrete manufacture is employed. For example, when an optical element as shown in FIG. 5 is manufactured, a pattern having a plurality of depths is provided by patterning using a plurality of masks, and as shown in FIG. A good cross-sectional shape.

すなわち、当初は平行な表裏面を有する透明基板11(石英等)の表面にレジスト膜を塗布し、Aのようなパターンを有するマスクでレジストを露光・現像し、残ったレジストを保護層として透明基板11をエッチングする。続いて、再度透明基板の表面にレジスト膜を塗布し、Bのようなパターンを有するマスクでレジストを露光・現像し、残ったレジストを保護層として透明基板11をエッチングする。これにより、図6に示すような断面形状を有する回折光学素子が得られる。このタイプの素子はバイナリタイプの素子と呼ばれている。   That is, initially, a resist film is applied to the surface of a transparent substrate 11 (quartz or the like) having parallel front and back surfaces, the resist is exposed and developed with a mask having a pattern such as A, and the remaining resist is transparent as a protective layer. The substrate 11 is etched. Subsequently, a resist film is applied again on the surface of the transparent substrate, the resist is exposed and developed with a mask having a pattern such as B, and the transparent substrate 11 is etched using the remaining resist as a protective layer. Thereby, a diffractive optical element having a cross-sectional shape as shown in FIG. 6 is obtained. This type of element is called a binary type element.

ただし、高さの段階を十分に細かくすることは難しいため、図6に示すような近似的な断面形状を有する素子は、図5に示すような理想形状を有する素子と比較して、位相型の回折素子としての性能は低下することになる。さらに、表面に、波長より大きなスケールの凹凸のあるタイプの素子においては、表面の凹凸部による回折効果が生じるため、不要な回折光が生じるのは避けられない。例えば、波長500nmの光に対してパターンのピッチが2.4μmであり、1次回折光にブレーズするようなグレーティングを考える。この場合、光が空気から素子へ入射するとき、図5のような理想形状であれば1次回折光への回折効率は78%程度であるが、高さを4段階として近似して製造した図6のような形状になると、回折効率は64%程度にまで低下してしまう(ただし、入射光は無偏光であるとして計算を行った)。   However, since it is difficult to make the height stage sufficiently fine, an element having an approximate cross-sectional shape as shown in FIG. 6 is a phase type compared with an element having an ideal shape as shown in FIG. The performance as a diffraction element is reduced. Furthermore, in a type of element having irregularities with a scale larger than the wavelength on the surface, a diffractive effect due to the irregularities on the surface is generated, so that unnecessary diffracted light is inevitable. For example, consider a grating that has a pattern pitch of 2.4 μm with respect to light having a wavelength of 500 nm and is blazed by first-order diffracted light. In this case, when light enters the element from the air, the diffraction efficiency for the first-order diffracted light is about 78% in the ideal shape as shown in FIG. When the shape is such as 6, the diffraction efficiency is reduced to about 64% (however, the calculation was performed assuming that the incident light is not polarized).

特開2001−318217号公報(特許文献1)では、作製の困難さに対する対策として、光学素子の有効屈折率を変化させることにより、光路長差をつける方法が提案されている。ここでは、対象とする光の波長以下のスケールの周期構造においては(0次以外の)回折光が発生しないという広く知られた性質を利用している。ただし、この場合も同ピッチの部分が連続する単位パターンを用いているため、面の構造を細かく制御するのは困難である。微細加工のサイズの制限を考えると、特に、波長程度のスケールで位相が変化するような回折素子に関してはこの方法で作製するのは事実上不可能である。   Japanese Patent Laid-Open No. 2001-318217 (Patent Document 1) proposes a method of providing an optical path length difference by changing the effective refractive index of an optical element as a countermeasure against the difficulty of manufacture. Here, a widely known property that diffracted light (other than the 0th order) is not generated in a periodic structure with a scale less than or equal to the wavelength of the target light is used. In this case, however, it is difficult to finely control the surface structure because a unit pattern in which the portions having the same pitch are continuous is used. Considering the limitation on the size of microfabrication, it is practically impossible to produce a diffraction element whose phase changes on a scale of about a wavelength by this method.

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高精度で製作でき、少ない工程で、透過位相を従来より連続に近い形に制御可能な回折光学素子を提供することを課題とする。   The present invention has been made in view of such circumstances, and an object of the present invention is to provide a diffractive optical element that can be manufactured with high accuracy and that can control the transmission phase to be more continuous than in the past with fewer steps.

前記課題を解決するための第1の手段は、透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、1次元または2次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記1周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記1周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化していることを特徴とする回折光学素子(請求項1)である。   A first means for solving the problem is a diffractive optical element having a function of modulating a wavefront of transmitted light, and is one-dimensional or two-dimensional in a direction perpendicular to a direction in which the light passes. The pattern structure has a period equal to or less than the wavelength of the light, and in the one-cycle pattern structure, the refractive index is perpendicular to the direction in which the light passes. And the average refractive index in the one-cycle pattern structure gradually changes between the pattern structures. (Claim 1)

本手段においては、パターン構造の単位周期が、対象とする光の波長以下であるので、当該光に対して0次以外の回折光はほとんど発生しない。又、1周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化している。この1周期のパターン構造内における平均屈折率は、そのパターン構造領域内における屈折率を平均したものである。   In this means, since the unit period of the pattern structure is equal to or less than the wavelength of the target light, diffracted light other than the 0th order is hardly generated for the light. Further, in a one-cycle pattern structure, the refractive index changes in a direction perpendicular to the direction in which the light passes. The average refractive index in the pattern structure of one cycle is an average of the refractive indexes in the pattern structure region.

すなわち、入射する光の進行方向をz軸にとったx−y−z直交座標系において、平均屈折率neffは以下の式で表される。 That is, in the xyz orthogonal coordinate system in which the traveling direction of incident light is taken as the z-axis, the average refractive index n eff is expressed by the following equation.

Figure 2005084485
ここに、n(x,y,z)は、座標(x,y,z)における屈折率であり、積分範囲は、x−y方向にパターン領域のx−y方向区分範囲内、z方向に回折光学素子の最大厚さ部分であり、Sはパターン領域のx−y方向区分範囲の面積、Δzは回折光学素子の最大厚さである。
Figure 2005084485
Here, n (x, y, z) is the refractive index at the coordinates (x, y, z), and the integration range is in the xy direction segmentation range of the pattern region in the xy direction, and in the z direction. The maximum thickness portion of the diffractive optical element, S is the area of the xy direction section range of the pattern region, and Δz is the maximum thickness of the diffractive optical element.

本手段においては、1周期のパターン構造内においては、光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、これにより、1周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化するようにされている。これにより、従来技術のように、回折光学素子の厚さを徐々に変化させなくても、この素子を透過する光の位相が、その透過位置に応じて徐々に変化することになり、回折光学素子としての特性を持たせることができる。   In this means, the refractive index is changed in the direction perpendicular to the direction in which light passes within the one-cycle pattern structure, whereby the average refractive index in the one-cycle pattern structure is The pattern structure is gradually changed. As a result, even if the thickness of the diffractive optical element is not gradually changed as in the prior art, the phase of the light transmitted through the element gradually changes according to the transmission position. It can have characteristics as an element.

これにより、後に実施の形態の欄で説明するように、必ずしも回折光学素子の厚さを場所により変化させなくても、これと同等の作用効果を得ることができ、リソグラフィ等を使用することにより、従来よりも、隣り合う周期パターン構造間での位相差を細かくすることが可能になり、滑らかな特性を有する回折光学素子を得ることができる。このような回折光学素子は、隣り合う周期パターン構造間での位相差を適当なものとすることにより、プリズム、回折格子やレンズ(フレネルレンズを含む)として使用することができる。   As a result, as will be described later in the section of the embodiment, even if the thickness of the diffractive optical element is not necessarily changed depending on the location, the same effect can be obtained. As compared with the prior art, the phase difference between adjacent periodic pattern structures can be made finer, and a diffractive optical element having smooth characteristics can be obtained. Such a diffractive optical element can be used as a prism, a diffraction grating, or a lens (including a Fresnel lens) by setting an appropriate phase difference between adjacent periodic pattern structures.

前記課題を解決するための第2の手段は、透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、1次元または2次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記1周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記1周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記1周期のパターン構造複数を単位とする周期で、周期的に変化していることを特徴とする回折光学素子(請求項2)である。   The second means for solving the problem is a diffractive optical element having a function of modulating the wavefront of transmitted light, and is one-dimensional or two-dimensional in a direction perpendicular to the direction in which the light passes. The pattern structure has a period equal to or less than the wavelength of the light, and in the one-cycle pattern structure, the refractive index is perpendicular to the direction in which the light passes. And the average refractive index in the one-cycle pattern structure periodically changes with a period in units of the one-cycle pattern structure. (Claim 2).

本手段は、基本的には前記第1の手段と同じ構造を有するものであるが、1周期のパターン構造内における平均屈折率が、1周期のパターン構造複数を単位とする周期で、周期的に変化していることに特徴を有している。本手段の一例として、図5に示すような、所定次の回折光のみを強めるようなブレーズを設けた回折光学素子と同様の作用を持たせることができる。この場合、本手段においては、図6に示すような従来のバイナリタイプの回折光学素子に比して、隣り合うパターン構造を透過する光の位相差を小さくすることができるので、より、図5に示すようなパターンに近い特性を得ることができる。   This means basically has the same structure as the first means, but the average refractive index in one period of the pattern structure is a period with a plurality of one period of the pattern structure as a unit, and is periodic. It is characterized by changing. As an example of this means, it is possible to have the same action as a diffractive optical element provided with a blaze that enhances only predetermined-order diffracted light as shown in FIG. In this case, in this means, the phase difference of the light transmitted through the adjacent pattern structure can be reduced as compared with the conventional binary type diffractive optical element as shown in FIG. Characteristics close to the pattern as shown in FIG.

前記課題を解決するための第3の手段は、前記第1の手段又は第2の手段であって、前記パターン構造が、等間隔に整列した機械的な周期構造を有するパターン構造中で物質構成比を変化させることによって形成されていることを特徴とするもの(請求項3)である。   A third means for solving the problem is the first means or the second means, wherein the pattern structure has a mechanical periodic structure arranged at equal intervals in the pattern structure. It is formed by changing the ratio (claim 3).

本手段においては、等間隔に整列した機械的な周期構造を有するパターン構造中で物質構成比を変化させることによって、1周期のパターン構造内においては、光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記1周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化しているようなパターン構造を形成している。物質として屈折率の異なる2つ以上の物質(空気も含む)を使用すれば、1周期のパターン構造内においては、光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化している構造を作り出すことができ、その場合に、物質の構成割合を徐々に変えれば、パターン構造間において平均屈折率を徐々に変えることができる。   In this means, by changing the material composition ratio in a pattern structure having mechanical periodic structures arranged at equal intervals, the direction perpendicular to the direction in which light passes within the pattern structure of one period. In addition, a pattern structure is formed in which the refractive index is changed and the average refractive index in the one-cycle pattern structure is gradually changed between the pattern structures. If two or more substances (including air) having different refractive indices are used as the substance, the refractive index changes in a direction perpendicular to the direction of light passing through in a one-cycle pattern structure. A structure can be created, and in this case, the average refractive index can be gradually changed between the pattern structures by gradually changing the constituent ratio of the substance.

前記課題を解決するための第4の手段は、前記第3の手段であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とするもの(請求項4)である。   A fourth means for solving the above-mentioned problem is the third means, wherein the pattern structure is formed by providing an uneven structure on a substrate surface that transmits light. (Claim 4).

光を透過する基板の表面に凹凸を設け、光が通過する方向と垂直な方向の単位面積当たりの凹部と凸部の割合を調節することにより、平均屈折率を変化させることができる。よって、例えば1次元の場合、一定間隔ごとに凹部と凸部を一つづつ設け、隣り合う一定間隔の領域ごとに凸部の幅を徐々に大きく又は小さくしていくこと、又は、前記一定間隔の所定数倍の幅を周期として、凸部の幅を周期的に変えることにより、前記第3の手段を実現することができる。   The average refractive index can be changed by providing irregularities on the surface of the substrate that transmits light and adjusting the ratio of the concave and convex portions per unit area in the direction perpendicular to the direction in which the light passes. Thus, for example, in the case of one dimension, one concave portion and one convex portion are provided at regular intervals, and the width of the convex portion is gradually increased or decreased for each adjacent regular interval region, or the regular intervals. The third means can be realized by periodically changing the width of the convex portion with a width of a predetermined number of times as a cycle.

前記課題を解決するための第5の手段は、前記第3の手段であって、前記パターン構造が、光を透過し、屈折率の異なる基板間の界面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とするもの(請求項5)である。   A fifth means for solving the above problem is the third means, wherein the pattern structure is formed by providing an uneven structure at an interface between substrates that transmit light and have different refractive indexes. (Claim 5).

本手段の技術的思想は、前記第4の手段と同じであるが、本手段においては、光を透過し、屈折率の異なる基板間の界面に凹凸構造を設けることによりパターン構造を形成している。このようなものは、前記第4の手段と同じ作用効果を奏する。   The technical idea of this means is the same as that of the fourth means. However, in this means, a pattern structure is formed by providing a concavo-convex structure at the interface between substrates having different refractive indexes. Yes. Such a thing has the same effect as said 4th means.

前記課題を解決するための第6の手段は、前記第3の手段であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設け、その凹部に前記基板とは屈折率の異なる物質を配置することにより形成されていることを特徴とするもの(請求項6)である。   A sixth means for solving the above-mentioned problem is the third means, wherein the pattern structure is provided with a concavo-convex structure on a substrate surface that transmits light, and the concave portion has a refractive index different from that of the substrate. It is formed by disposing a substance (claim 6).

本手段の技術的思想は、前記第5の手段と同じであるが、本手段においては、光を透過する基板表面に凹凸構造を設け、その凹部に前記基板とは屈折率の異なる物質を配置する(例えば埋め込む)ことにより、パターン構造を形成している。このようなものは、前記第5の手段と同じ作用効果を奏する。   The technical idea of this means is the same as that of the fifth means, but in this means, an uneven structure is provided on the surface of the substrate that transmits light, and a substance having a refractive index different from that of the substrate is disposed in the recess. By doing (for example, embedding), a pattern structure is formed. Such a thing has the same effect as said 5th means.

前記課題を解決するための第7の手段は、前記第1の手段から第6の手段のいずれかであって、前記パターン構造は、隣接するパターン構造間における、当該光学素子を透過する光の有効位相差Δφ12がπ/2以下となるような構造とされていることを特徴とするもの(請求項7)である。
ここで、有効位相差Δφ12とは、隣接する2つパターン構造の平均屈折率をそれぞれ、n1eff、n2effとした場合に、
A seventh means for solving the problem is any one of the first means to the sixth means, wherein the pattern structure is configured to transmit light transmitted through the optical element between adjacent pattern structures. is intended to enable the phase difference [Delta] [phi 12 is characterized in that it is constructed such that [pi / 2 or less (claim 7).
Here, the effective phase difference Δφ 12 is obtained when the average refractive indexes of two adjacent pattern structures are n 1eff and n 2eff , respectively.

Figure 2005084485
で表される量である。
Figure 2005084485
It is the quantity represented by.

ここで、n2eff、n1effは、それぞれのパターン構造における前記平均屈折率neffに相当する量である。よって、有効位相差Δφ12は、2つの相隣るパターン構造を透過した光の位相差に相当する。 Here, n 2eff and n 1eff are amounts corresponding to the average refractive index n eff in each pattern structure. Therefore, the effective phase difference Δφ 12 corresponds to the phase difference of light transmitted through two adjacent pattern structures.

前記第1の手段から第6の手段においては、隣接するパターン構造間における有効位相差長を大きくすることにより、近似的に連続でない波面を構成することも可能であるが、このような場合、変化が滑らかでなくなるので、不要な回折波が増加することになる。   In the first to sixth means, it is possible to construct a wavefront that is not approximately continuous by increasing the effective phase difference length between adjacent pattern structures. Since the change is not smooth, unnecessary diffracted waves increase.

例えば、図5のような1次回折光にブレーズするグレーティングを屈折率1.5の材質で構成する場合、素子の形状が完全であれば、ピッチを大きくした極限において回折効率は4%の反射成分を除いた96%に漸近する。しかし、図6のような段階的な構造にした場合には、8段(位相差π/4)で91%、4段(位相差π/2)では78%にしか達せず、残りの強度は不要な回折光となる。本発明の素子においても事情は同じであり、隣接するパターン構造間における透過波の位相の差を大きくすることは、余分な回折光を発生することにつながって、回折素子としての性能の低下をもたらす。   For example, when the grating blazed to the first-order diffracted light as shown in FIG. 5 is made of a material having a refractive index of 1.5, if the element shape is perfect, the diffraction efficiency is excluded except for the reflection component of 4% at the limit where the pitch is increased. Asymptotically approach 96%. However, in the case of the stepped structure as shown in FIG. 6, it reaches 91% at 8 steps (phase difference π / 4) and only 78% at 4 steps (phase difference π / 2), and the remaining intensity. Becomes unnecessary diffraction light. The situation is the same also in the element of the present invention. Increasing the difference in phase of the transmitted wave between adjacent pattern structures leads to generation of extra diffracted light, which degrades the performance as a diffraction element. Bring.

不要な回折光の発生を抑制し、十分に性能を保って素子を構成するためには、単位周期構造あたりの変調量は透過光の位相に換算してπ/2程度以下にすることが重要である。よって、本手段においては、(1)式で示される隣接するパターン構造間における有効位相差長をπ/2以下に限定する。   In order to suppress the generation of unnecessary diffracted light and to configure the device with sufficient performance, it is important that the modulation amount per unit periodic structure is reduced to about π / 2 or less in terms of the phase of transmitted light. It is. Therefore, in this means, the effective phase difference length between adjacent pattern structures represented by the equation (1) is limited to π / 2 or less.

以上説明したように、本発明によれば、高精度で製作でき、少ない工程で、透過位相を従来より連続に近い形に制御可能な回折光学素子を提供することができる。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a diffractive optical element that can be manufactured with high accuracy and can control the transmission phase to be more continuous than in the past with fewer steps.

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図1(a)は、本発明の実施の形態の第1の例である回折光学素子の断面形状を示す図である。この回折光学素子1は、紙面に垂直な方向に所定の幅を有し、紙面に平行な面で切断した断面が、全て図1に示すような形状を有するような形状をしている。光は、紙面の上方(又は下方)から入射し、紙面の下方(又は上方)に透過する。以下、図1において、紙面の上下方向をz軸方向、左右方向をx軸方向、紙面に垂直な方向をy軸方向とする。   Hereinafter, an example of an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1A is a diagram showing a cross-sectional shape of a diffractive optical element which is a first example of an embodiment of the present invention. The diffractive optical element 1 has a predetermined width in a direction perpendicular to the paper surface, and a cross section cut along a plane parallel to the paper surface has a shape as shown in FIG. The light enters from above (or below) the paper surface and is transmitted below (or above) the paper surface. In the following, in FIG. 1, the vertical direction of the paper surface is the z-axis direction, the horizontal direction is the x-axis direction, and the direction perpendicular to the paper surface is the y-axis direction.

透明基板2は、図に示すようにその上面に凹凸を有し、一定ピッチqの間に1個の凸部3と1個の凹部4とを有している。すなわち、この実施の形態においては、qなる周期で、凹凸構造のパターンが形成されている。qの値は回折光学素子1が使用される光学系が取り扱う光の波長よりも短くされている。そして、図に示すように、最左端の周期内では凸部3の幅が最も大きく、次の周期内では、凸部3の幅がそれよりやや狭くされ、5周期目までは、凸部3の幅が徐々に狭くなるようにされている。   As shown in the figure, the transparent substrate 2 has irregularities on its upper surface, and has one convex portion 3 and one concave portion 4 in a certain pitch q. That is, in this embodiment, the pattern of the concavo-convex structure is formed with a period of q. The value of q is shorter than the wavelength of light handled by the optical system in which the diffractive optical element 1 is used. As shown in the figure, the width of the convex portion 3 is the largest within the leftmost period, and the width of the convex portion 3 is slightly narrower within the next period, and the convex portion 3 is up to the fifth period. The width is gradually reduced.

今、凸部3における透明基板の厚さをd、凹部4における透明基板の厚さをd、1周期内の凸部3の幅をa、透明基板の屈折率をnとすると、1周期内での平均屈折率neffは、
eff=n{d*a+d*(q−a)}/(q*d
で表される。よって、異なるパターン構造内における凸部3の幅aを徐々に変化させることにより、異なるパターン構造の平均屈折率を変化させることができる。
Assuming that the thickness of the transparent substrate in the convex portion 3 is d 1 , the thickness of the transparent substrate in the concave portion 4 is d 2 , the width of the convex portion 3 in one period is a, and the refractive index of the transparent substrate is n. The average refractive index n eff within the period is
n eff = n {d 1 * a + d 2 * (q−a)} / (q * d 1 )
It is represented by Therefore, the average refractive index of different pattern structures can be changed by gradually changing the width a of the convex portions 3 in the different pattern structures.

図1(a)に示す回折光学素子においては、5周期に渡って凸部3の幅が図の右に行くに従って狭くなり、6周期目に1周期目の幅と同じになっていて、あとはこの繰り返しパターンとなっている。即ち、図1(a)においては、ピッチp(=5q)で、パターンが繰り返している。このような構造が、図6に示すような構造と光学的に等価であることは明らかであろう。   In the diffractive optical element shown in FIG. 1A, the width of the convex portion 3 becomes narrower as it goes to the right in the figure for five periods, and is the same as the width of the first period in the sixth period. Has this repeating pattern. That is, in FIG. 1A, the pattern is repeated at a pitch p (= 5q). It will be apparent that such a structure is optically equivalent to the structure shown in FIG.

すなわち、図1(a)に示すような回折光学素子においては、回折光学素子(この場合は回折格子)として作用するための構造周期pの1/m(mは2以上の整数)が、実際の構造のピッチqとなっており、1つのピッチq内には少なくとも1つの凸部3と少なくとも1つの凹部4が形成されている。そして、実際の構造のピッチqに着目した場合、隣り合う構造同士では平均屈折率が徐々に変化するようになっており、これが、ピッチpで繰り返している。   That is, in the diffractive optical element as shown in FIG. 1A, 1 / m (m is an integer of 2 or more) of the structural period p for acting as a diffractive optical element (in this case, a diffraction grating) is actually The pitch q of the structure is such that at least one convex portion 3 and at least one concave portion 4 are formed in one pitch q. When attention is paid to the pitch q of the actual structure, the average refractive index gradually changes between adjacent structures, and this is repeated at the pitch p.

例として、p=mqとした場合、凹部4の幅を0〜(m-1)p/mまでp/mずつ変化させ、(m-1)p/mの次に、再び又0とするようにして繰り返せば、図5に示すような鋸歯状波の形状を有する回折光学素子に近い特性を有するものができる。この場合、凹部4の深さを、位相差2πに相当するλ/(n-1)とすれば、1次回折光に強度が集中するブレーズ型のグレーティングとして動作することになる。見方を変えればピッチpで構造が周期的に変化しており、それがピッチqで変調されていると見ることもできる。このようなことは、図6に示す従来例でも同じであるが、本実施の形態においては、基板の厚さの変化でなく、凹凸の幅の変化でこれを実現しているところが異なる。   As an example, when p = mq, the width of the recess 4 is changed by 0 / (m-1) p / m by p / m, and after (m-1) p / m, it is set to 0 again. If it repeats in this way, what has the characteristic close | similar to the diffractive optical element which has the shape of a sawtooth wave as shown in FIG. 5 can be obtained. In this case, if the depth of the concave portion 4 is λ / (n−1) corresponding to the phase difference 2π, it operates as a blazed grating in which the intensity concentrates on the first-order diffracted light. In other words, the structure periodically changes at the pitch p, and it can be seen that the structure is modulated at the pitch q. This is the same in the conventional example shown in FIG. 6, but in the present embodiment, this is realized not by changing the thickness of the substrate but by changing the width of the unevenness.

図1(a)に示す実施の形態と、図6に示す従来例とを比較してみた場合、従来例においては、透明基板の厚さを制御することにより、バイナリタイプの回折光学素子を実現していたのに対し、図1(a)に示す実施の形態においては、透明基板の厚さ、凹部の深さを一定にして、凹部と凸部の幅を徐々に変えることにより、バイナリタイプの回折光学素子と同等の作用をする回折光学素子を形成している。   When comparing the embodiment shown in FIG. 1 (a) with the conventional example shown in FIG. 6, in the conventional example, a binary type diffractive optical element is realized by controlling the thickness of the transparent substrate. On the other hand, in the embodiment shown in FIG. 1A, the thickness of the transparent substrate and the depth of the concave portion are made constant, and the width of the concave portion and the convex portion is gradually changed, so that the binary type The diffractive optical element having the same function as the diffractive optical element is formed.

先に説明したように、透明基板の厚さを制御することは困難であるが、回折基板の凹部と凸部の幅を制御することは、リソグラフィ技術(電子ビーム描画等)を使用すれば容易であり、100nm程度の精度で幅を制御することは容易にできる。よって、従来のバイナリタイプの回折光学素子に比して、位相差のピッチを細かくできると共に、位相差の精度を良くすることができる。   As described above, it is difficult to control the thickness of the transparent substrate, but it is easy to control the width of the concave and convex portions of the diffraction substrate by using a lithography technique (such as electron beam drawing). Therefore, the width can be easily controlled with an accuracy of about 100 nm. Therefore, the pitch of the phase difference can be made finer and the accuracy of the phase difference can be improved as compared with the conventional binary type diffractive optical element.

一例として、n=1.5の透明基板を使用し、λ=500nmの光に対して使用される回折格子について、従来例のものと、図1(a)に示す方式のものについて、非偏光の入射光が空気から基板へ垂直入射した場合の1次回折光への回折効率を実測により求めた結果を表1に示す。ピッチpとして1.2μm、2.4μmの2つをとり、ピッチqは0.3μmとした。よって、ピッチpに対応するmは、それぞれ4と8である。表1において、凹凸タイプ(理想)とは、図5に示すような形状をしたものであり、凹凸タイプ(4段BOE:Binary Optical Element)とは、図6に示すような形状をしたものである。
(表1)
As an example, with respect to a diffraction grating that uses a transparent substrate of n = 1.5 and is used for light of λ = 500 nm, a non-polarized light is incident on the conventional example and the type shown in FIG. Table 1 shows the results obtained by actually measuring the diffraction efficiency of the first-order diffracted light when light is vertically incident on the substrate from the air. Two pitches of 1.2 μm and 2.4 μm were taken as the pitch p, and the pitch q was set to 0.3 μm. Therefore, m corresponding to the pitch p is 4 and 8, respectively. In Table 1, the uneven type (ideal) has a shape as shown in FIG. 5, and the uneven type (4-stage BOE: Binary Optical Element) has a shape as shown in FIG. is there.
(Table 1)

Figure 2005084485
Figure 2005084485

表1を見ると分かるように、ピッチpが1.2μmと小さい場合は、本発明の回折光学素子の方が、通常のタイプの素子(理想)よりも効率が高い。これは、従来タイプの素子の場合には、突起など高さ方向の構造に起因する不要な回折光の発生が大きいため、性能がかなり低くなっているためであると考えられる。ピッチpが1.2μmと小さい場合には、位相差の変化が4段階しかとれないため、連続的な理想変化からの乖離が大きくなっており、このため、回折効率の絶対値は大きくないが、相対的には、通常のタイプの素子(理想)よりも本発明による素子の方が効率は良い。ただし、実用上は隣接する擬周期構造qでの位相差がこの例での値であるπ/2を超えると素子としての機能を維持するのが困難であると考えられる。   As can be seen from Table 1, when the pitch p is as small as 1.2 μm, the diffractive optical element of the present invention is more efficient than a normal type element (ideal). This is presumably because in the case of a conventional type element, the generation of unnecessary diffracted light due to the structure in the height direction such as a protrusion is large, so the performance is considerably low. When the pitch p is as small as 1.2 μm, the phase difference can be changed only in four stages, so the deviation from the continuous ideal change is large, and therefore the absolute value of the diffraction efficiency is not large. In comparison, the element according to the invention is more efficient than the normal type element (ideal). However, in practice, it is considered that it is difficult to maintain the function as an element when the phase difference between adjacent pseudo-periodic structures q exceeds π / 2, which is the value in this example.

ピッチpが2.4μmの場合は、理想的に形状を作製すれば凹凸タイプの方が効率は高いが、段数の低いBOEと比べると本発明による素子の方が、効率が高い。BOEタイプの場合、段数を上げれば効率を上げることができるはずであるが、プロセス時の工程数の増加につながるうえ、位置合わせ誤差などの問題が生じることになり、実際の性能の向上には限界がある。それに対して、本発明の素子においては、たとえmを増加させてもプロセス工程の増加にはつながらない。以上説明したように、表1の結果から、この素子がブレーズ型のグレーティングとして動作し、しかもパラメータによっては、通常のものよりも高性能であることがわかる。   When the pitch p is 2.4 μm, if the shape is ideally manufactured, the uneven type is more efficient, but the element according to the present invention is more efficient than the BOE having a lower number of steps. In the case of the BOE type, if the number of stages is increased, the efficiency should be improved. However, in addition to increasing the number of processes during the process, problems such as alignment errors may occur, which may improve the actual performance. There is a limit. On the other hand, in the device of the present invention, even if m is increased, the number of process steps is not increased. As described above, it can be seen from the results in Table 1 that this element operates as a blazed grating and, depending on the parameters, has higher performance than a normal one.

図1(b)に、本発明の第2の実施の形態である回折光学素子の断面形状を示す。この実施の形態においては、回折光学素子は、屈折率の異なる透明基板5と6とを組み合わせて構成されている。図に示す例においては、透明基板5の形状が図1(a)に示す透明基板2と同じ形状をしており、透明基板6は、透明基板5に密着している。このような構造の回折光学素子1が、図1(a)に示す回折光学素子と等価であることは説明を要しないであろう。ただし、透明基板5と透明基板6の屈折率の大小を逆転させることによって特性が逆転する。   FIG. 1B shows a cross-sectional shape of a diffractive optical element according to the second embodiment of the present invention. In this embodiment, the diffractive optical element is configured by combining transparent substrates 5 and 6 having different refractive indexes. In the example shown in the figure, the transparent substrate 5 has the same shape as the transparent substrate 2 shown in FIG. 1A, and the transparent substrate 6 is in close contact with the transparent substrate 5. It will not be necessary to explain that the diffractive optical element 1 having such a structure is equivalent to the diffractive optical element shown in FIG. However, the characteristics are reversed by reversing the refractive indexes of the transparent substrate 5 and the transparent substrate 6.

図2に、本発明の第3の実施の形態である回折光学素子の斜視図を示す。回折光学素子7においては、透明基板8に、x方向に周期qで孔9が開けられており、孔9の直径は図の左側に行くに従って小さくなっている。孔9は図のy方向にも所定のピッチで配列されているが、x方向の同じ位置では孔9の直径は同じとされている。光は図のz方向から入射する。   FIG. 2 shows a perspective view of a diffractive optical element according to the third embodiment of the present invention. In the diffractive optical element 7, holes 9 are formed in the transparent substrate 8 with a period q in the x direction, and the diameter of the holes 9 decreases toward the left side of the figure. The holes 9 are arranged at a predetermined pitch in the y direction in the figure, but the diameters of the holes 9 are the same at the same position in the x direction. Light enters from the z direction in the figure.

このような構成とすることにより、ピッチq毎に回折光学素子7の有効屈折率を、図の右に行くほど小さくすることができる。よって、この第3の実施の形態の回折光学素子7は、擬似的にプリズムとしての作用を奏することになる。   With such a configuration, the effective refractive index of the diffractive optical element 7 can be decreased for each pitch q as it goes to the right in the figure. Therefore, the diffractive optical element 7 of the third embodiment has a pseudo function as a prism.

図3に、本発明の第4の実施の形態である回折光学素子の斜視図を示す。回折光学素子7においては、透明基板8に、x方向に周期qで孔9が開けられており、孔9の直径は図の左側に行くに従って3段階に小さくなっており、これが3qの周期で繰り返している。孔9は図のy方向にも所定のピッチで配列されているが、x方向の同じ位置では孔9の直径は同じとされている。光は図のz方向から入射する。   FIG. 3 shows a perspective view of a diffractive optical element according to the fourth embodiment of the present invention. In the diffractive optical element 7, a hole 9 is formed in the transparent substrate 8 with a period q in the x direction, and the diameter of the hole 9 decreases in three steps toward the left side of the figure, and this is a period of 3q. It is repeating. The holes 9 are arranged at a predetermined pitch in the y direction in the figure, but the diameters of the holes 9 are the same at the same position in the x direction. Light enters from the z direction in the figure.

このような構成にすることにより、ピッチqごとに回折光学素子7の有効屈折率を3段階に亘って図の左に行くほど大きくし、これをピッチ3qで繰り返すことができる。これは、ブレーズ構想を有する回折格子として作用する。図では説明のために3段階にわたって孔9の直径を変化させているが、qは光の波長以下であるので、実際には、段階の数を大きくすることができる。   By adopting such a configuration, the effective refractive index of the diffractive optical element 7 can be increased in three steps toward the left in the figure for every pitch q, and this can be repeated at the pitch 3q. This acts as a diffraction grating with a blaze concept. In the figure, for the sake of explanation, the diameter of the hole 9 is changed over three steps, but since q is equal to or less than the wavelength of light, the number of steps can actually be increased.

図2、図3に示す実施の形態においては、孔9を空洞にしているが、この中に透明基板8と屈折率が異なる物質を充填しても同じ効果が得られる。この場合、透明基板の屈折率と充填物質の屈折率の大小関係により特性が逆転することは言うまでもない。   In the embodiment shown in FIGS. 2 and 3, the hole 9 is made hollow, but the same effect can be obtained even if a material having a refractive index different from that of the transparent substrate 8 is filled therein. In this case, it goes without saying that the characteristics are reversed due to the magnitude relationship between the refractive index of the transparent substrate and the refractive index of the filling material.

図4に、本発明の第5の実施の形態である回折光学素子の概要を示す。(a)は平面図であり、(b)は(a)におけるA−A断面図である。この実施の形態においては、半径方向にピッチqで一つの凸部と一つの凹部が設けられており、それがp=mqのピッチで繰り返している(図ではm=3である)。一つのピッチp内では、ピッチq内での凸部の幅が外周に行くに従って徐々に小さくされている。よって、第5の実施の形態においては、回折光学素子は円形のブレーズされた回折格子として働く。   FIG. 4 shows an outline of a diffractive optical element according to the fifth embodiment of the present invention. (A) is a top view, (b) is AA sectional drawing in (a). In this embodiment, one convex portion and one concave portion are provided at a pitch q in the radial direction, and this is repeated at a pitch of p = mq (in the figure, m = 3). Within one pitch p, the width of the convex portion within the pitch q is gradually reduced toward the outer periphery. Thus, in the fifth embodiment, the diffractive optical element acts as a circular blazed diffraction grating.

図では簡単のために、p=mqでmを一定としたが、例えば、mを可変とし、かつ、ピッチqで隣り合う構造での凸部の変化量を場所によって変えることにより、フレネルレンズとしての光学特性を持たせることができる。   In the figure, for simplicity, m is constant at p = mq. For example, by changing m and changing the amount of change of the convex portion in the adjacent structure at the pitch q depending on the location, a Fresnel lens can be obtained. The optical characteristics can be provided.

このように、本発明においては、隣り合うピッチの構造間における凹部と凸部の幅の変化量や、これらのピッチが集まって繰り返される周期の幅を変化させることにより、プリズム、回折格子、レンズ等、一般の回折光学素子が有する特性を持たせることができる。そして、従来のように、回折光学素子の部分毎の厚さを制御するのでなく、凸部と凹部の幅を制御することにより、所定の光学特性を持たせているので、例えばリソグラフィプロセスにより精密加工を行うことができ、1回のリソグラフィプロセスにより精度の良い回折光学素子が得られる。   As described above, in the present invention, the amount of change in the width of the concave and convex portions between adjacent pitch structures and the width of the cycle in which these pitches are gathered are changed to change the prism, diffraction grating, and lens. Thus, it is possible to provide the characteristics of a general diffractive optical element. In addition, the thickness of each part of the diffractive optical element is not controlled as in the prior art, but the predetermined optical characteristics are provided by controlling the width of the convex part and the concave part. Processing can be performed, and an accurate diffractive optical element can be obtained by one lithography process.

なお、以上の説明においては、回折光学素子の凸部の高さ及び凹部の深さは一定のものとして扱ってきたが、これらを段階的に変化させる手段を併用してもよい。この場合、凸部の高さ及び凹部の深さをきめ細かく制御する必要がない。例えば、2段階に変化させる等で十分な効果が得られる。   In the above description, the height of the convex portion and the depth of the concave portion of the diffractive optical element have been treated as being constant, but means for changing them stepwise may be used in combination. In this case, it is not necessary to finely control the height of the convex portion and the depth of the concave portion. For example, a sufficient effect can be obtained by changing in two steps.

本発明の実施の形態の第1の例、第2の実施の例である回折光学素子の断面形状を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional shape of the diffractive optical element which is the 1st example of embodiment of this invention, and a 2nd example. 本発明の第3の実施の形態である回折光学素子の斜視図である。It is a perspective view of the diffractive optical element which is the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態である回折光学素子の斜視図である。It is a perspective view of the diffractive optical element which is the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施の形態である回折光学素子の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the diffractive optical element which is the 5th Embodiment of this invention. 断面を鋸歯波状とした(ブレーズ化した)レリーフパターンを形成して、特定次数の回折光にエネルギーを集中させるようにした回折光学素子の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the diffractive optical element which formed the relief pattern which made the cross-section sawtooth wave shape (blazed), and was made to concentrate energy on the diffracted light of a specific order. バイナリタイプの回折光学素子とその製造方法を説明するための図である。It is a figure for demonstrating a binary type diffractive optical element and its manufacturing method.

符号の説明Explanation of symbols

1…回折光学素子、2…透明基板、3…凸部、4…凹部、5…透明基板、6…透明基板、7…回折光学素子、8…透明基板、9…孔
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Diffractive optical element, 2 ... Transparent substrate, 3 ... Convex part, 4 ... Concave part, 5 ... Transparent substrate, 6 ... Transparent substrate, 7 ... Diffractive optical element, 8 ... Transparent substrate, 9 ... Hole

Claims (7)

透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、1次元または2次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記1周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記1周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化していることを特徴とする回折光学素子。 A diffractive optical element having a function of modulating a wavefront of transmitted light, the pattern structure having a one-dimensional or two-dimensional period in a direction perpendicular to a direction in which the light passes. Is less than the wavelength of the light, and within the one-cycle pattern structure, the refractive index changes in a direction perpendicular to the direction in which the light passes, and the one-cycle pattern A diffractive optical element, wherein an average refractive index in a structure gradually changes between the pattern structures. 透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、1次元または2次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記1周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記1周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記1周期のパターン構造複数を単位とする周期で、周期的に変化していることを特徴とする回折光学素子。 A diffractive optical element having a function of modulating a wavefront of transmitted light, the pattern structure having a one-dimensional or two-dimensional period in a direction perpendicular to a direction in which the light passes. Is less than the wavelength of the light, and within the one-cycle pattern structure, the refractive index changes in a direction perpendicular to the direction in which the light passes, and the one-cycle pattern The diffractive optical element according to claim 1, wherein an average refractive index in the structure periodically changes with a period of a plurality of pattern structures of one period as a unit. 請求項1又は請求項2に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、等間隔に整列した機械的な周期構造を有するパターン構造中で物質構成比を変化させることによって形成されていることを特徴とする回折光学素子。 3. The optical element according to claim 1, wherein the pattern structure is formed by changing a material composition ratio in a pattern structure having a mechanical periodic structure aligned at equal intervals. A diffractive optical element characterized by the above. 請求項3に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とする回折光学素子。 4. The diffractive optical element according to claim 3, wherein the pattern structure is formed by providing an uneven structure on a substrate surface that transmits light. 請求項3に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、光を透過し、屈折率の異なる基板間の界面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とする回折光学素子。 4. The diffractive optical element according to claim 3, wherein the pattern structure is formed by providing an uneven structure at an interface between substrates that transmit light and have different refractive indexes. 請求項3に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設け、その凹部に前記基板とは屈折率の異なる物質を配置することにより形成されていることを特徴とする回折光学素子。 4. The optical element according to claim 3, wherein the pattern structure is formed by providing a concavo-convex structure on a surface of a substrate that transmits light, and disposing a substance having a refractive index different from that of the substrate in the concave portion. A diffractive optical element. 請求項1から請求項6のうちいずれか1項に記載の光学素子であって、前記パターン構造は、隣接するパターン構造間における、当該光学素子を透過する光の有効位相差Δφ12がπ/2以下となるような構造とされていることを特徴とする回折光学素子。
ここで、有効位相差Δφ12とは、隣接する2つパターン構造の平均屈折率をそれぞれ、n1eff、n2effとした場合に、
Figure 2005084485
で表される量である。
An optical element according to claims 1 to any one of claims 6, wherein the pattern structure, between adjacent pattern structure, the effective phase difference [Delta] [phi 12 of light passing through the optical element [pi / A diffractive optical element characterized by having a structure of 2 or less.
Here, the effective phase difference Δφ 12 is obtained when the average refractive indexes of two adjacent pattern structures are n 1eff and n 2eff , respectively.
Figure 2005084485
It is the quantity represented by.
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