CN1969204A - 衍射光学元件及采用它的光学低通滤波器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有2维地多值化的微细周期构造的可作为光束分割元件和光学低通滤波器等使用的衍射光学元件(10)，其中，透明基板表面在正交的2个方向上整列地分割成同一形状的微细长方形区域，多个行在任1个方向上将行端对齐地进行排列，对垂直入射透明基板表面的基准波长光，奇数序号的行中的奇数序号的长方形区域(31)赋予相位2pπ，偶数序号的长方形区域(33)赋予相位{(4q+1)π/2+δπ/2}，偶数序号的行中的奇数序号的长方形区域(34)赋予相位{(4r+3)π/2+3δπ/2}，偶数序号的长方形区域(32)赋予相位{(4s+2)π/2+δπ}(其中，－0.25≤δ≤0.25，p、q、r、s：整数)。

Description

衍射光学元件及采用它的光学低通滤波器

技术领域

本发明涉及衍射光学元件，特别地说，涉及可作为光束分割元件等的光学元件使用的衍射光学元件及采用它的光学低通滤波器。

背景技术

本申请人在特愿2003-311036号中公开了：棋盘格状地配置正方形区域群、相邻正方形区域的基准波长光的相位差近似为π并将近似垂直入射的光束分割成4束或5束光束的衍射光学元件。

但是，从专利文献1～8等中可清楚知道，在采用具有以CCD阵列或CMOS阵列等为代表的离散的像素构造的固体拍摄元件的成像系统中，为了抑制被摄体所包含的高频分量引起的莫尔条纹或伪色的发生，采用衍射光学元件型的光学低通滤波器。

【专利文献1】特开昭53-119063号公报

【专利文献2】特开平5-2151号公报

【专利文献3】特开平5-181093号公报

【专利文献4】特开平5-66370号公报

【专利文献5】特开2000-66142号公报

【专利文献6】特开2002-156608号公报

【专利文献7】特公昭52-22247号公报

【专利文献8】特开平8-15646号公报

【专利文献9】特开平10-54960号公报

【专利文献10】特开2001-356673号公报

上述先行例的衍射光学元件的相位光栅部分的截面都是矩形波形状、三角波形状、梯形波形状或正弦波形状，而不是将相位差部分2维地多值化的二进制光学元件。

发明内容

本发明是在传统技术的这种状况下提出，其目的是提供具有2维地多值化的微细周期构造的可作为光束分割元件和光学低通滤波器等使用的衍射光学元件。

达成上述目的的本发明的衍射光学元件，其特征在于，透明基板表面在正交的2个方向上整列地分割成同一形状的微细长方形区域，多个行在任1个方向上将行端对齐地进行排列，对垂直入射透明基板表面的基准波长光，奇数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位2pπ，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4q+1)π/2+δπ/2}，偶数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位{(4r+3)π/2+3δπ/2}，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4s+2)π/2+δπ}(其中，-0.25≤δ≤0.25，p、q、r、s：整数)。

该场合，最好长方形区域由同一形状的正方形区域形成。

本发明的另一方面的衍射光学元件，其特征在于，

透明基板表面在正交的2个方向上整列地分割成同一形状的微细长方形区域，多个行在任1个方向上将行端对齐地进行排列，对垂直入射透明基板表面的基准波长光，奇数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位2pπ，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4q+1)π/2+δπ/2}，偶数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位{(4r+3)π/2+3δπ/2}，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4s+2)π/2+δπ}(其中，-0.25≤δ≤0.25，p、q、r、s：整数)，其中，

任一长方形区域都以与行方向及列方向上邻接的长方形区域之间的边为中心并不改变顶点的位置地在各边设定沿正交的两个方向插入的中间区域，任一长方形区域都从最初的长方形因插入中间区域而进行部分变形，在各中间区域，赋予其两侧的区域的相位换算成0～2π的值的近似中间值或将该值加上2π的整数倍后的值的相位，但是，其两侧的区域的相位换算成0～2π的值的差超过π时，则赋予其两侧的区域的相位换算成0～2π的值的近似中间值或将该值加上2π的整数倍后的值再加π的值的相位。

该场合，最好因中间区域的插入而部分变形前的长方形区域由同一形状的正方形区域组成。

另外，中间区域的边界线最好由圆滑的曲线组成，例如由正弦波曲线组成。

本发明的衍射光学元件，可作为将近似垂直入射透明基板的光束分割成4束或5束光束的光束分割元件使用，另外，可作为将相互错开的4幅或5幅同一图象重叠向拍摄面入射的光学低通滤波器使用。

本发明是以上的衍射光学元件的制造方法，其特征在于，通过光刻蚀在基板形成2的n次方(n：2以上的自然数)的段数的凹凸而获得凹凸模具后，用上述凹凸模具对树脂层进行成型，在上述树脂层的表面形成衍射光学元件的凹凸。上述的2的n次方的段数通常将各段差设定成相等。

附图说明

图1是具有成为本发明的衍射光学元件的基础的2维地2值化微细周期构造的衍射光学元件的平面图(a)和透视图(b)。

图2是成为本发明的衍射光学元件的基础的衍射光学元件将入射光分割成4束衍射光的形态的透视图。

图3是说明可将成为本发明的基础的衍射光学元件作为采用了固体拍摄元件的拍摄光学装置的光学低通滤波器使用的的侧面图(a)和拍摄面中的光束的分离形态的图(b)。

图4是将图1的衍射光学元件沿正方形区域的对角方向朝横向和纵向配置时的平面图(a)及其基本图案(b)以及基本图案的相位分布(c)的示图。

图5是本发明的相位调制量为4值的衍射光学元件的平面图(a)及其基本图案(b)以及基本图案的相位分布(c)的示图。

图6是图5的衍射光学元件8值化时的基本考虑方法的说明图。

图7是以对图5的衍射光学元件的正方形区域中插入中间区域的高度为变量的各衍射光的衍射效率的示图。

图8是图5的衍射光学元件8值化时将边界线用正弦波近似的方法的说明图。

图9是本发明的相位调制量为8值的衍射光学元件的平面图(a)及其基本图案(b)以及基本图案的相位分布(c)的示图。

图10是X轴方向和Y轴方向的反复节距不同的例的与图5(b)对应的基本图案的示图。

图11是在基板上形成适用于复制本发明的衍射光学元件的凹凸模具的方法的一例示意图。

图12是光刻蚀的次数和凹凸的段数的说明图。

图13是凹凸模具和复制的衍射光学元件的示意图。

具体实施方式

以下，首先说明本发明的衍射光学元件的基础原理。

图1表示了具有成为特愿2003-311036号提出的本发明的衍射光学元件的基础的2维地2值化的微细周期构造的衍射光学元件10的平面图(a)和透视图(b)。该衍射光学元件10若设定与透明基板1的表面正交的2轴x、y，则沿x轴、y轴两方向，同一形状的微细正方形区域2、3整列地分割配置成棋盘的格状，对垂直入射透明基板1的基准波长λ₀的光赋予相位0的正方形区域2和赋予相位π的正方形区域3在x轴方向、y轴方向上分别交互配置。若将设定成x轴和y轴之间的45°、135°的相互正交的对角方向作为X轴、Y轴，则沿X轴、Y轴两方向，整列地配置赋予相位0的正方形区域2和赋予相位π的正方形区域3。即，正方形区域2和3的配置构成所谓的黑白相间的式样。若令x轴方向、y轴方向的正方形区域2或3的重复节距为λ，则对角方向的X轴方向、Y轴方向的正方形区域2或3的重复节距成为λ/√2。例如在λ＝4μm的场合，对角方向(X轴、Y轴方向)的重复节距成为λ/√2＝4/√2μm＝2√2μm。另外，基准波长λ₀＝800nm。

这样构成的衍射光学元件10中，若基准波长λ₀的光20垂直入射透明基板1，则图2所示，向相反侧射出4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y。但是，衍射方向不是正交的2轴的x轴、y轴方向，而是正交的对角方向的X轴方向、Y轴方向，为各个方向的+1次光21_+1X，21_+1Y，-1次光21_-1X，21_-1Y。与衍射光学元件10的透明基板1的法线形成的衍射角θ相对于这4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y，根据衍射式，存在θ＝arcsin{λ₀/(λ/√2)}的关系，在上述的数值例的场合下，当λ₀＝0.8μm时，θ＝16.43°。其中，不管是X轴方向或Y轴方向，+1次光和-1次光的θ的符号当然是相反的。

从这样正交的对角方向X轴方向、Y轴方向出射衍射光的理由考虑为，赋予相位0的正方形区域2及赋予相位π的正方形区域3分别连续地连接的直线状区域(1维相位衍射光栅)沿对角方向即X轴方向和Y轴方向重复。另外，不出射0次衍射光是因为，在衍射光学元件10整个面上赋予相位0的正方形区域2的面积和赋予相位π的正方形区域3的面积相等，在远离衍射光学元件10的远方位置，不对正方形区域2衍射而透过的分量和不对正方形区域3衍射而透过分量相互抵消。另外，奇数次的高次光虽然也进行若干衍射(无偶数次的衍射光。)，但是如以下的表1所示，这些衍射光与+1次光21_+1X，21_+1Y，-1次光21_-1X，21_-1Y相比相对地弱，因此在通常的使用状态下可忽视。

以上所述的相位调制量在以下的表1表示为2值的衍射光学元件10的各衍射次数的强度。表1，令横轴为X轴方向，纵轴为Y轴方向，各个数字表示次数。基准波长采用λ₀＝532nm，使用波长λ也采用相同的532nm。上述的4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y分别对应于(+1，0)次、(-1，0)次、(0，+1)次、(0，-1)次，若令入射光20的强度为100％，则成为16.4％(表中的″E-0n″(n是0或正的整数)意味着×10^-n。以下同。)。根据该表1，+1次光21_+1X、21_+1Y、-1次光21_-1X、21_-1Y的衍射效率为65.6％，除此以外的次数的衍射光(噪声光)的衍射效率为34.4％，SN比为1.94。

表1

衍射效率

次数

图1的构成的衍射光学元件10可用作将入射光20均等分割成4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y的光束分割元件，另外，通过使正方形区域3赋予的相位若干地偏离π，可使0次衍射光的强度与+1次光21_+1X、21_+1Y、-1次光21_-1X、21_-1Y大致相同，可用作将入射光20近似均等地分割成5束光束的光束分割元件。这样的光束分割元件，例如，可用于沿同心圆或旋涡状的轨道记录信息的光记录媒体的读取头的追踪控制，或可用于沿同心圆或旋涡状的轨道记录信息的光记录媒体的读取头的追踪位置感应信号的发生(详细情况参照特愿2003-311036号)。

另外，这样将入射光20近似均等分割成4束或5束光束的光束分割元件，可作为采用以CCD阵列或CMOS阵列等为代表的具有离散像素构造的固体拍摄元件的拍摄光学装置的光学低通滤波器使用。图3(a)是光束分离的形态的侧面图，(b)是光束分离的形态的拍摄面，由未图示的成像光学系统(对物光学系统)变换成可在CCD11的拍摄面12成像的光线20，通过在成像光学系统和CCD11的拍摄面12之间配置的构成光学低通滤波器的衍射光学元件10，在CCD11的拍摄面12分离成x轴方向及y轴方向的分离距离为δ的4束成像光线21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y并入射。由于各成像光线21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y分别在CCD11的拍摄面12形成被摄体的像，结果，在拍摄面12形成相该图象，在x轴方向及y轴方向上以距离δ相互偏离的4幅图象重叠地成像。因此，在拍摄面12重叠成像的图象模糊，成为去除了空间频率的高频分量的图象(专利文献9)。

作为一个具体例，CCD11的x轴方向及y轴方向的像素节距为3.00μm的场合，上述偏离距离δ通常同样选为3.00μm(当然也可以更小。)。在衍射光学元件(光学低通滤波器)10的内面(拍摄面12侧)配置折射率1.50、厚0.5mm的玻璃板13，若令从该玻璃板13的内面到拍摄面12为止的距离为1.0mm，波长λ＝532nm，则为了获得这样的偏离距离δ，上述衍射角θ为0.09116°，衍射光学元件(光学低通滤波器)10的X轴方向、Y轴方向的正方形区域2或3的重复节距λ/√2为334.4μm，x轴方向、y轴方向的正方形区域2或3的重复节距λ成为472.9μm。

以上，将把入射光20近似均等分割成4束光束的衍射光学元件10用作光学低通滤波器，但是也可以将近似均等分割成5束光束的衍射光学元件10同样用作光学低通滤波器。

如图1所示的相位调制量由0和π的2值组成的光束分割元件，如上所述，有效的光束21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y全体的衍射效率为65.6％左右，不需要的噪声光的衍射效率为34.4％左右，比较高。

因而，本发明中，考虑将图1的相位调制量为2值的衍射光学元件10变形为4值以上的相位调制量，以获得更高的衍射效率。

图4(a)是将图1的对基准波长λ₀的光赋予相位0的正方形区域2和赋予相位π的正方形区域3构成所谓黑白相间的式样的衍射光学元件10沿正方形区域2、3的对角方向朝向横向(X轴方向)和纵向(Y轴方向)配置时的平面图，该图(b)所示的基本图案以纵横4×4配置而成，其基本图案为该图(c)所示的相位分布。

这样的构成中，赋予相位0的正方形区域2及赋予相位π的正方形区域3分别横向(X轴方向)连续地连接的直线状区域4及5以相同宽度(L/2)纵向交互排列，另外，赋予相位0的正方形区域2及赋予相位π的正方形区域3分别纵向(Y轴方向)连续地连接的直线状区域4′及5′以相同宽度(L/2)横向交互排列。这里，与图1的关联为L＝λ/√2。考虑使直线状区域4及5构成横向光栅的1维相位衍射光栅，直线状区域4′及5′构成纵向光栅的1维相位衍射光栅。赋予相位0的直线状区域4和直线状区域4′交差的区域，构成与正方形区域2中的对角线相互成45°倾角的更小的正方形区域31，赋予相位π的直线状区域5和直线状区域5′交差的区域，构成与正方形区域3中的对角线相互成45°倾角的更小的正方形区域32。相位调制量2值变更为4值时，该正方形区域31和32分别与原来的相位为0的区域2和相位为π的区域3完全重叠，因此，分别作为相位0和相位π残留。

另一方面，例如沿横向延伸的直线状区域4考虑时，正方形区域31和相邻的正方形区域31之间存在同样大小的正方形区域33。该区域是原来的相位为0的区域2和相位为π的区域3均等混合的区域，且，两侧与相位0的正方形区域31邻接，因此将相位分配成π/2(＝2π/4)是自然的。若向横向延伸的直线状区域4的正方形区域31之间的正方形区域33分配相位π/2(＝2π/4)，则向纵向延伸的直线状区域4′的正方形区域31之间的正方形区域34也分配相位π/2(＝2π/4)是合理的。但是，若也向该区域分配π/2(＝2π/4)，则在衍射光学元件10整个面，赋予相位π/2(＝2π/4)的区域的面积成为全体的一半，在远离衍射光学元件10的远方位置，不存在使抵消了不衍射而透过赋予该相位π/2(＝2π/4)的区域的分量的分量透过的区域。因而，要花费工夫。与纵向延伸的直线状区域4′的正方形区域31之间的正方形区域34相关的相位0的正方形区域2的相位0等价于2π。从而，正方形区域34的相位的平均值成为(π+2π)/2＝3π/2。将该3π/2分配给正方形区域34。若沿纵向延伸的直线状区域4′交互排列相位0的区域31和相位3π/2的区域34，则相位的间隙过大，但是由于相位3π/2与相位-π/2等价，因此区域31和区域34之间的相位差为π/2，可以说等于横向延伸的直线状区域4的区域31和区域33之间的相位差π/2，因此，并不是很不合理。

另外，根据以上的研究可知，向正方形区域33分配相位3π/2，向正方形区域34分配相位π/2也一样。

图5表示了以上的正方形区域31～34的区分和对这些正方形区域31～34进行相位分配的相位调制量为4值的衍射光学元件10的平面图(a)和其基本图案(b)以及其基本图案的相位分布(c)。图5(a)的衍射光学元件10由该图(b)所示基本图案以纵横4×4配置而成。该相位调制量为4值的衍射光学元件10的各衍射次数的强度如下表2所示。表2中，横轴表示X轴方向，纵轴表示Y轴方向，各个数字表示次数。基准波长设为λ₀＝532nm，使用波长也设为相同的λ＝532nm，另外，衍射光学元件10的X轴方向、Y轴方向的正方形区域31～34的反复节距设为L＝334.4μm。图1的4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y分别与(+1，0)次、(-1，0)次、(0，+1)次、(0，-1)次对应，若设入射光20的强度为100％，则成为20.3％。根据该表2，+1次光21_+1X、21_+1Y、-1次光21_-1X、21_-1Y的衍射效率为81.2％，除此以外的次数的衍射光(噪声光)的衍射效率为18.8％，SN比为4.32。

表2

衍射效率

次数

根据该结果可知，按照本发明，通过将图1的相位调制量为2值的衍射光学元件10作为图5的相位调制量为4值的衍射光学元件10，可进一步提高分割的有效4束光束21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y的衍射效率，减少不需要的噪声光。从而，通过将这样的相位调制量为4值的衍射光学元件10作为图3所示的拍摄光学装置的光学低通滤波器使用，可更有效消除高频分量，在画质不降低的情况下去除不需要的噪声。另外，与2值的情况相同，通过使正方形区域32～34的相位分别稍微偏离π、π/2(或3π/2)、3π/2(或π/2)，可使0次衍射光的强度与+1次光21_+1X、21_+1Y、-1次光21_-1X、21_-1Y近似相同，也可用作将入射光20近似均等分割成5束光束的光束分割元件。

接着，如上所述，考虑将相位调制量4值化的图5所示的衍射光学元件10进行8值化而形成更高衍射效率的元件。图6(a)表示图5的4值化的衍射光学元件10的基本图案。以下说明用该基本图案进行8值化的方法。例如4值化的衍射光学元件10中，在正方形区域31～34之间，存在相互相位差为π/2或3π/2的不同的4种边。具体为以下4种：与正方形区域31的左右(X轴方向)相接的正方形区域33之间的边；与正方形区域31的上下(Y轴方向)相接的正方形区域34之间的边；与正方形区域32的左右(X轴方向)相接的正方形区域34之间的边；与正方形区域32的上下(Y轴方向)相接的正方形区域33之间的边。如图6(b)所示，以这些边为中心，边为横向时在上下的区域分别插入等高a/L的三角形，另外，边为纵向时在左右的区域分别插入等高a/L的三角形，设定具有邻接的相位差之间的相位的区域41～44。即，在区域31和区域33之间，设定相位为区域31和33的中间的π/4的区域41，在区域33和区域32之间，设定相位为区域33和32的中间的3π/4的区域42，在区域32和区域34之间，设定相位为区域32和34的中间的5π/4的区域43。在区域34和区域31之间，根据与在图4中的区域34分配相位3π/2的同样的理由，令区域31的相位等价于2π，设定该相位和区域34的相位的中间的7π/4的区域44。另外，若在区域31～34之间设定这样的区域41～44，则区域31～34不再是最初的正方形的形状。

令对设定这样的中间区域41～44并4值化时的正方形区域31～34进行插入的高度为a/L(L是基本图案的X轴方向、Y轴方向上的反复节距)，以该a为变量调查4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y各自的衍射效率，获得图7的结果。根据结果，当a为1/32≤a≤5/32(0.03125≤a≤0.15625)之间时，通过相位调制量为4值的图5的衍射光学元件10可获得高衍射效率。并且，最好a为1/16≤a≤1/8(0.0625≤a≤0.125)之间。

但是，图6的场合，邻接的例如区域31和区域42的边界线不是光滑的曲线，可能引起高次的衍射，因此如图8(a)所示，将边界线用通过原来的正方形区域31～34各个顶点(光栅点)且振幅为a/L的光滑正弦波近似。该场合的基本图案如图8(b)所示。这里，若选择a＝9/128≈0.07，则4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y各自的衍射效率近似优化为22.1％。

图9表示了为了使以上的2维邻接的区域31，41，33，42，32，43，34，44间相互具有相位差π/4而将相位调制量8值化时的衍射光学元件10的平面图(a)和其基本图案(b)以及基本图案的相位分布(c)。图9(a)的衍射光学元件10是由该图(b)所示基本图案以纵横4×4配置而构成。其中，如图8，将边界线用正弦波近似，a＝9/128≈0.07。该相位调制量为8值的衍射光学元件10的各衍射次数的强度如下表3所示。表3中，令横轴为X轴方向，纵轴为Y轴方向，各个数字表示次数。令基准波长λ₀＝532nm，使用波长也为相同的λ＝532nm，另外，令衍射光学元件10的X轴方向、Y轴方向的区域31～34、41～44的反复节距L＝334.4μm。图1的4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y分别对应于(+1，0)次、(-1，0)次、(0，+1)次、(0，-1)次，若设入射光20的强度为100％，则成为22.1％。根据该表3可知，+1次光21_+1X、21_+1Y、-1次光21_-1X、21_-1Y的衍射效率成为88.4％，除此以外的次数的衍射光(噪声光)的衍射效率为11.6％，SN比成为7.62。

表3

衍射效率

次数

结果，根据本发明，通过使图1的衍射光学元件10作为图9所示相位调制量为8值的元件，可进一步提高分割的有效4束光束21_+1X、21_{- 1X}、21_+1Y、21_-1Y的衍射效率，进一步减少不需要的噪声光。从而，通过将这样的相位调制量为8值的衍射光学元件10作为图3所示的拍摄光学装置的光学低通滤波器使用，可更有效去除高频分量，可在画质不降低的情况下可靠地去除不需要的噪声。另外，与2值、4值的场合同样，通过将区域32～34、41～44的相位分别从4π/4、2π/4、6π/4、π/4、3π/4、5π/4、7π/4稍微偏移，0次衍射光的强度可以与+1次光21_+1X、21_+1Y、-1次光21_-1X、21_-1Y近似相同，也可作为将入射光20近似均等分割成5束光束的光束分割元件使用。

但是，图5和图9的衍射光学元件10中，X轴方向和Y轴方向的反复节距相等，但是X轴方向和Y轴方向的反复节距即使不同，也可将入射光20近似均等分割成4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y或近似均等分割成加上0次衍射光的5束光束。该例以图5的构成为例进行说明。如图10所示，将相位调制量为4值的衍射光学元件10的基本图案的X轴方向的长度(反复节距)设为334.4μm，Y轴方向的长度(反复节距)设为其2倍的668.8μm时的各衍射次数的强度如下表4所示。表4中，横轴表示X轴方向，纵轴表示Y轴方向，各个数字表示次数。基准波长设为λ₀＝532nm，使用波长也为相同的λ＝532nm。图1的4束衍射光21_+1X、21_-1X、21_+1Y、21_-1Y分别对应于(+1，0)次、(-1，0)次、(0，+1)次、(0，-1)次。从该表4可知，衍射效率、SN比与表2的场合近似相同。

表4

衍射效率

次数

以上中，若令在表面形成衍射光学元件10的透明基板1的折射率为n，则相对于赋予相位0的区域31，赋予相位π的区域32满足厚d_4/4、2(n-1)d_4/4/λ₀＝(2s+1)(s：整数)的关系即可，s不必一定是0。另外，同样，赋予相位π/2的区域33满足厚d_2/4、2(n-1)d_2/4/λ₀＝(2q+1/2)(q：整数)的关系即可，赋予相位3π/2的区域34满足厚d_6/4、2(n-1)d_6/4/λ₀＝(2r+3/2)(r：整数)的关系即可，赋予相位π/4的区域41满足厚d_1/4、2(n-1)d_1/4/λ₀＝(2e+1/4)(e：整数)的关系即可，赋予相位3π/4的区域42满足厚d_3/4厚，2(n-1)d_3/4/λ₀＝(2f+3/4)(f：整数)的关系即可，赋予相位5π/4的区域43满足厚d_5/4、2(n-1)d_5/4/λ₀＝(2g+5/4)(g：整数)的关系即可，赋予相位7π/4的区域44满足厚d_7/4、2(n-1)d_7/4/λ₀＝(2h+7/4)(h：整数)的关系即可。q，r，s，e，f，g，h不必一定是0。另外，赋予相位0的区域31也可构成为赋予相位2pπ(p：整数)。

另外，对于以上的区域32～34、41～44，即使相位分别从4π/4、2π/4、6π/4、π/4、3π/4、5π/4、7π/4偏移25％以下，也可将入射光20近似均等分割成4束或5束光束，也可作为以上的光束分割元件使用。

作为以上的本发明的衍射光学元件及利用其的光学低通滤波器的制造方法，可以是利用例如计算机全息图的制造方法中采用的光刻法的方法和使用凹凸模具进行复制的方法等(专利文献10)。以下，说明本发明的相位调制量为4值或8值的衍射光学元件的制造方法的实施例。

图11(a)～(d)是在基板形成适用于复制本发明的衍射光学元件10的凹凸模具的方法的一例示图，可利用制造半导体电路制造用的光掩膜的工序，并可利用光掩膜坯料、描画装置即激光描画装置、电子线描画装置。使用这些描画装置时，本发明的衍射光学元件10将相同基本图案(图5(b)，图9(b))2维地反复排列，因此，通过向描画装置提供该基本图案的数据和排列所必要的纵横等的节距，可显著减轻描画装置的数据处理的负担，另外，获得基本图案的数据的运算与衍射光学元件10全体的运算相比，可实现负担的显著减轻。这是因为，衍射光学元件10为5cm×5cm的大小，基本图案的大小(L×L)为250μm×250μm的场合，基本图案相关的数据与衍射光学元件10全体的数据相比，面积比为1/40,000。

如图11(a)所示，例如，在15cm×15cm、厚度6.4mm的合成石英等的基板51上淀积有表面低反射铬薄膜52的光掩膜坯板50的铬薄膜52上，将具有干刻蚀耐性的光刻胶(图示的例中为正片型)层53形成为例如400nm左右厚度的薄膜状。作为干刻蚀用光刻胶的一例，可使用日本ゼオン(株)制的ZEP7000等，光刻胶的淀积可通过旋转器等的旋转进行涂敷。对该光刻胶层53进行图案曝光，图案曝光除了采用图案54以外，也可通过激光描画装置或电子线描画装置来扫描激光束或电子束而进行。例如，可使用ETEC社制的电子线描画装置「MEBES4500」。

由于由曝光使光刻胶树脂固化的易溶化部分53b和未曝光部分53a分区形成，因此如图11(b)所示，通过将显影液喷雾而进行的喷雾显影等，进行溶剂显影并除去易溶化部分53b，形成光刻胶图案53a。另外，光刻胶也可使用负片型，显影也可通过显影液的浸渍来进行。另外，在以下的工序中，由于除干刻蚀以外也可进行浸渍的湿刻蚀，因此使用的光刻胶不限于具有干刻蚀耐性的光刻胶。

利用形成的光刻胶图案53a，如图11(c)所示，通过干刻蚀刻蚀除去未被光刻胶被覆的部分的铬薄膜52，在除去的部分中，露出下层的石英基板51。然后，如图11(d)所示，对露出的石英基板51同样进行干刻蚀，刻蚀石英基板51，形成通过刻蚀的进行产生的凹部55和铬薄膜52及光刻胶薄膜53a从下到上顺序被覆的石英基板51的原来的部分组成的凸部。然后，通过溶解等除去光刻胶薄膜，获得具有刻蚀石英基板51所产生的凹部55和在顶部淀积铬薄膜52的部分组成的凸部56的石英基板。

仅用以上的方法只能获得具有凸部和凹部的2值(高低的2段，在深度上，除原来的石英基板的表面还生成一个水平的面。)的基板，但通过对上述获得的基板反复进行由光刻胶的形成→图案曝光→光刻胶的显影→铬薄膜的干刻蚀→石英基板的干刻蚀→光刻胶的除去所组成的光刻蚀的工序，可对第一次光刻蚀产生的凹部及凸部进行光刻蚀，控制刻蚀的深度，从而在原来的石英基板的表面再生成3个水平的面，若算上原来的石英基板的表面则生成4段的段数(4值)。此时，光刻胶使用具有干刻蚀耐性的酚醛树脂系的i线光刻胶，形成465nm左右的薄膜，曝光例如使用ALTA3500作为描画装置来进行。

图12是上述的光刻蚀的工序的反复次数和生成段差的数的示意图，图12(a)表示以1次工序生成段数2的情形。对图12(a)中的上下各段再度重复上述工序，如图2(b)所示，生成段数4，可制作本发明的相位调制量为4值的衍射光学元件。而且，反复进行工序，通过合计3次工序的反复而生成段数8，可制作本发明的相位调制量为8值的衍射光学元件。从而，对光刻蚀的次数n(自然数)，最大可生成2的n次方的段数。这样，获得规定的段数后，通过湿刻蚀除去铬薄膜52，可获得在石英基板51表面形成规定段数的深凹凸的衍射光学元件10的凹凸模具。

可以说，本发明的衍射光学元件10为了再现相位分布的数据，再度进行运算即可，可能需要运算的步骤，另外，可能在凹凸模具使用时突然产生污染或破损等的事故。因而，采用该种凹凸模具进行的生产中，可根据最初获得的模具制作一个至少数几个的复制模具，并根据该复制模具制作必要数目的生产用的模具，以用于生产。另外，为了增加凹凸模具的耐久性，最好使用在凹凸模具的模具面进行电镀并剥离而作成的金属电镀模具。另外，凹凸模具的制造也可用钻石针等对适当基板进行机械雕刻来进行。

作为使用凹凸模具(最好是上述的生产用的模具)复制衍射光学元件10的方法，可采用将图13(a)所示的凹凸模具60压附到加热软化的树脂层进行复制的方法、注射法或铸造法，这些方法所使用的树脂可采用热可塑性或热固化性的树脂。工业上更有效的方法是，最好将包含紫外线固化性树脂的未固化树脂组成物与凹凸模具60的模具面(图13(a)的下面)接触，在树脂组成物的相反侧层叠成为基体材料的塑料薄膜，在将树脂组成物夹到凹凸模具和塑料薄膜之间的状态下，通过照射紫外线等进行固化，并将凹凸模具的模具面的凹凸压附并固化的树脂层组成的相位调制层62连同塑料薄膜63一起作为积层体61剥离的方法(图13(b))。该塑料薄膜63在树脂组成物固化后，可根据情况剥离(图13(c))。

作为紫外线固化性树脂，例如可以使用：不饱和聚酯、三聚氰胺、环氧、聚酯(甲基)丙烯酸酯、聚氨酯(甲基)丙烯酸酯、环氧(甲基)丙烯酸酯、聚醚(甲基)丙烯酸酯、多元醇(甲基)丙烯酸酯、三聚氰胺(甲基)丙烯酸酯、或者三嗪系丙烯酸酯等热固性树脂、或者向这些中加入自由基聚合性不饱和单体而制成的电离放射线固化性物质等。

另外，成为基材的塑料薄膜63，优选透明性和平滑性高的物质，可以例举：厚度为1μm～1mm、优选10μm～100μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜、丙烯酸酯薄膜、三醋酸纤维素薄膜、醋酸丁酸纤维素薄膜等。

基体材料不限于塑料薄膜，也可以是玻璃板。

如上所述，根据本发明，通过将衍射光学元件的相位调制量设为4值或8值，可使光学低通滤波器的厚度比水晶制品更加薄型化。例如，可为水晶制的光学低通滤波器(设计为2mm程度)的一半(1mm)以下。以塑料薄膜作为基体材料，采用紫外线固化树脂对相位衍射光栅(衍射光学元件)进行赋形，可形成为100μm以下。若不采用塑料薄膜而直接采用玻璃盖片或透镜作为基体材料，进行4值或8值的相位衍射光栅的赋形，则可薄型化为30μm以下直到1μm为止。

以上，根据原理和实施例说明本发明的衍射光学元件和利用其的光学低通滤波器，但是本发明不限于这些实施例，可以有各种变形。例如，图9的构成中，通过将各中间区域41～44进一步设为2值以上的多值化，可获得相位调制量为16值以上的衍射光学元件。另外，在本发明的衍射光学元件10的射出侧粘贴或接近配置体积全息图感光材料，通过使复制照明光从衍射光学元件10侧入射并进行全息图复制，可制作与衍射光学元件10同样特性(特别是分割成5束光的衍射光学元件)的体积全息图。

产业上的利用可能性

根据本发明，通过将衍射光学元件的相位调制量2维地4值或8值化，可减少不需要的高次衍射光，并可提高有利于被分割的光束或像的形成的光束衍射效率。另外，若将这样的相位调制量为4值或8值的衍射光学元件用作例如数字相机用的光学低通滤波器，则可进一步减少图象上重叠的噪声光或伪像。而且，根据本发明，可构成比传统的水晶制的光学低通滤波器更薄型的光学低通滤波器。

Claims (9)

1.一种衍射光学元件，其特征在于，

透明基板表面在正交的2个方向上整列地分割成同一形状的微细长方形区域，多个行在任1个方向上将行端对齐地进行排列，对垂直入射透明基板表面的基准波长光，奇数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位2pπ，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4q+1)π/2+δπ/2}，偶数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位{(4r+3)π/2+3δπ/2}，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4s+2)π/2+δπ}(其中，-0.25≤δ≤0.25，p、q、r、s：整数)。

2.权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，

长方形区域由同一形状的正方形区域组成。

3.一种衍射光学元件，其特征在于，

透明基板表面在正交的2个方向上整列地分割成同一形状的微细长方形区域，多个行在任1个方向上将行端对齐地进行排列，对垂直入射透明基板表面的基准波长光，奇数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位2pπ，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4q+1)π/2+δπ/2}，偶数序号的行中的奇数序号的长方形区域赋予相位{(4r+3)π/2+3δπ/2}，偶数序号的长方形区域赋予相位{(4s+2)π/2+δπ}(其中，-0.25≤δ≤0.25，p、q、r、s：整数)，其中，

任一长方形区域都以与行方向及列方向上邻接的长方形区域之间的边为中心并不改变顶点的位置地在各边设定沿正交的两个方向插入的中间区域，任一长方形区域都从最初的长方形因插入中间区域而进行部分变形，在各中间区域，赋予其两侧的区域的相位换算成0～2π的值的近似中间值或将该值加上2π的整数倍后的值的相位，但是，其两侧的区域的相位换算成0～2π的值的差超过π时，则赋予其两侧的区域的相位换算成0～2π的值的近似中间值或将该值加上2π的整数倍后的值再加π的值的相位。

4.权利要求3所述的衍射光学元件，其特征在于，

因中间区域的插入而部分变形前的长方形区域由同一形状的正方形区域组成。

5.权利要求3或4所述的衍射光学元件，其特征在于，

中间区域的边界线由圆滑的曲线组成。

6.权利要求5所述的衍射光学元件，其特征在于，

圆滑的曲线由正弦波曲线组成。

7.权利要求1到6的任1项所述的衍射光学元件，其特征在于，

作为将近似垂直入射透明基板的光束分割成4束或5束光束的光束分割元件使用。

8.权利要求1到6的任1项所述的衍射光学元件，其特征在于，

作为将相互错开的4幅或5幅同一图象重叠向拍摄面入射的光学低通滤波器使用。

9.一种权利要求1到8的任1项所述的衍射光学元件的制造方法，其特征在于，

通过光刻蚀在基板形成2的n次方(n：2以上的自然数)的段数的凹凸而获得凹凸模具后，用上述凹凸模具对树脂层进行成型，在上述树脂层的表面形成衍射光学元件的凹凸。

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