JP2003270418A - 回折光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 断面が実質的に鋸歯形状もしくは階段形状の
グレーティング部を有する回折光学素子に関し、特に、
周期が小さい領域（例えば、周期が波長の３．５倍以下
の領域）で高い回折効率の得られる素子を提供する。 【解決手段】 基板１と、上記基板１上に形成した、周
期が徐々に変化するグレーティング部２を具備し、上記
グレーティング部２は、入射波長λに対して、３．５λ
以下となる周期を具備し（グレーティング部領域２
ｂ）、上記グレーティング部２ｂの断面は、実質的に鋸
歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状であり、上
記グレーティング部２ｂは、周期が小さくなるにつれ
て、実質的に溝深さも小さくなる構造である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、断面が実質的に鋸
歯形状もしくは階段形状のグレーティング部を有する回
折光学素子に関し、特に、周期の小さい領域において高
い回折効率の得られる素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】回折光学素子は、波長程度の溝深さで機
能するため、光学系が小型・薄型・軽量化が実現でき、
注目されている。従来例の回折光学素子として、図１６
に示すような回折型マイクロレンズがあった（塩野照
弘：“高効率回折光学素子の作製技術”、応用物理 第
68巻 第６号 pp.633-638（1999年））。即ち、基板１
上に、図１６に示すような断面が鋸歯形状グレーティン
グ部２０を形成したものである。同心円状グレーティン
グ部２０が外周に行くほど周期が小さくなるように形成
され、垂直入射した光３をグレーティング部２０によ
り、１次回折光４を発生させて焦点に集光するように設
計される。グレーティング部２０を鋸歯形状に加工する
ことにより、１次回折効率（入射光を１次回折光に変え
る割合）を向上させている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】図１６に示した従来の
鋸歯形状の回折光学素子の１次回折効率及び規格化溝深
さと規格化周期との関係を図１７（ａ）、（ｂ）に示
す。規格化周期とは周期Λを波長λで割った値Λ／λで
あり、規格化溝深さとは、溝深さＬを基準の溝深さＬ０
で割った値Ｌ／Ｌ０である。図１７（ｂ）から分かるよ
うに、従来例の回折光学素子において、鋸歯形状の溝深
さは、周期に依存せず一定である。グレーティング部２
０の周期が波長に比べて十分大きい時（例えば、Λ／λ
＞１０）は、高い回折効率が得られるが、周期が入射波
長λの１０倍程度より小さくなると１次回折効率が低下
を始め、周期が入射波長λの約１．５倍から３．５倍程
度の間で回折効率は、例えば７０％程度以下に低下する
という課題がある。

【０００４】本発明はかかる点に鑑みてなされたもの
で、特に、周期の小さい領域（例えば、周期が波長の
３．５倍以下）において高い回折効率の得られる素子を
提供するものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】前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
成した、周期が徐々に変化するグレーティング部を具備
し、前記グレーティング部は、入射波長λに対して、
３．５λ以下となる周期を具備し、前記グレーティング
部の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似
した階段形状であり、前記グレーティング部は、周期が
小さくなるにつれて、実質的に溝深さも小さくなること
を特徴とする。これにより、周期が３．５λ以下の領域
で、回折効率を高くできる回折光学素子を実現すること
ができる。

【０００６】また、溝深さの小さくなる割合は、実質的
に周期に比例する構成としてもよい。

【０００７】また、周期Λの時のグレーティング部の溝
深さＬは、前記グレーティング部の屈折率ｎ、ｐ１＝
０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．
３に対して、鋸歯形状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ
−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を実質的
に満たし、階段形状の時は、レベル数をｍとすると、
（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ
＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を
実質的に満たす構成としてもよい。

【０００８】本発明の回折光学素子は、基板と、前記基
板上に形成したグレーティング部を具備し、前記グレー
ティング部は、入射波長λに対して、３．５λ以下とな
る実質的に均一の周期を具備し、前記グレーティング部
の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似し
た階段形状であり、前記グレーティング部の溝深さＬ
は、前記周期Λ、前記グレーティング部の屈折率ｎ、ｐ
１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−
０．３に対して、前記鋸歯形状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１
λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−
１）を実質的に満たし、前記階段形状の時は、レベル数
をｍとすると、（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／［ｍ
（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／
［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たすことを特徴とする。
これにより、周期が３．５λ以下の領域で、回折効率を
高くできる均一周期の回折光学素子を実現することがで
きる。

【０００９】また、グレーティング部はさらに、３．５
λより大きい周期を具備し、前記周期を有するグレーテ
ィング部の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状
を近似した階段形状であり、前記グレーティング部の溝
深さは実質的に一定である構成としてもよい。

【００１０】また、中央部が３．５λより大きい周期を
具備し、周辺部が３．５λ以下の周期を具備する回折光
学レンズである構成としてもよい。これにより、高い開
口数を有しながら光利用効率の高い回折光学レンズを実
現することができる。

【００１１】また、回折光学レンズの開口数は、１／
３．５以上である構成としてもよい。

【００１２】また、グレーティング部の断面は、ブレー
ズ化係数が１．０未満である鋸歯形状、または前記鋸歯
形状を近似した階段形状である構成としてもよい。これ
により、さらに回折効率を高くできる回折光学素子を実
現することができる。

【００１３】また、周期がΛ１より大きい領域のグレー
ティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８以下の鋸
歯形状、または前記ブレーズ化係数が０．８以下の前記
鋸歯形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小
さい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数
が０．８より大きい鋸歯形状、または前記ブレーズ化係
数が０．８より大きい鋸歯形状を近似した階段形状であ
って、Λ１は、入射波長λに対して、１．８λ≦Λ１≦
２．５λを実質的に満たす構成としてもよい。

【００１４】また、グレーティング部の断面は、スペー
ス係数が０より大きい鋸歯形状、または前記鋸歯形状を
近似した階段形状である構成としてもよい。これによ
り、さらに回折効率を高くできる回折光学素子を実現す
ることができる。

【００１５】また、周期がΛ１より大きい領域のグレー
ティング部の断面は、スペース係数が０．２未満の鋸歯
形状、または前記スペース係数が０．２未満の鋸歯形状
鋸歯形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小
さい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が
０．２以上の鋸歯形状、または前記スペース係数が０．
２以上の鋸歯形状を近似した階段形状であって、Λ１
は、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ１≦２．８λを
実質的に満たす構成としてもよい。

【００１６】また、周期が、入射波長λに対して、１．
５λより大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレ
ーズ化係数が１未満でかつスペース係数が０より大きい
鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状であ
る構成としてもよい。これにより、さらに回折効率を高
くできる回折光学素子を実現することができる。

【００１７】また、基板側から光が入射し、その入射角
はグレーティング部の法線に対して実質的に±１０°以
内であり、前記グレーティング部は１次回折光を出射す
る構成としてもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】（実施の形態１）まず、本発明の
実施の形態１の回折光学素子について、図１から図３を
用いて詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、それぞ
れ、本発明の実施の形態１における回折光学素子の断面
図、平面図、図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、同実施
の形態の回折光学素子において、基板側から波長λの光
が垂直入射した場合の、１次回折効率と規格化周期の関
係を示すグラフ、規格化溝深さと規格化周期の関係を示
すグラフ、図３は、同実施の形態の回折光学素子の１次
回折効率と入射角の関係を示すグラフである。

【００１９】なお、規格化周期は周期Λを波長λで割っ
た値Λ／λとし、規格化溝深さは、溝深さＬを、基準の
溝深さＬ０で割った値Ｌ／Ｌ０と定義している。ここ
で、Ｌ０は使用波長λ、グレーティング部２の屈折率ｎ
に対して、Ｌ０＝λ／（ｎ−１）と表され、この値はス
カラー回折理論から求まる最適な溝深さである。

【００２０】図１において、回折光学素子は、回折光学
レンズであって、例えば、ガラスや合成樹脂等の透明基
板１上に、グレーティング部２を、例えばＰＭＭＡ（ポ
リメチルメタアクリレート）やゼオネックス等の透明樹
脂や２Ｐ樹脂（フォトポリマー）で形成するか、または
基板１をエッチングして形成している。グレーティング
部２は、レンズ作用をするように同心円状又は同心楕円
状に外周になるほど周期が小さくなるようにしてある。

【００２１】図１に示すように、１次の回折光４が焦点
に集光するように、中央部２ａ（領域２ａ部）の断面は
実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状
２’であり、周辺部２ｂ（領域２ｂ部）の断面は、実質
的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状２’
である。この時のグレーティング部中央部２ａの溝の深
さＬは、周期に依らずＬ０＝λ／（ｎ−１）のほぼ一定
値（規格化溝深さＬ／Ｌ０＝１）とし、周辺部２ｂの溝
の深さは、周期が小さくなるにつれて（外周になるにつ
れて）、実質的に溝深さが小さくなる構造をしている。
このような構造により、周辺部２ｂにおいて回折効率を
高くすることができる。この理由として、Λ／λが小さ
い領域において、溝深さを最適化して垂直入射において
ブラッグ回折の条件に近づけているためと考えている。

【００２２】本実施の形態においては、例えば、波長λ
＝０．４０５μｍ、屈折率ｎ＝１．５１、Ｌ０＝０．７
９μｍである。グレーティング部２の周期Λは、外周に
なるに従い小さくなるが、中央部２ａでの最外周周期
は、例えば、波長λ＝０．４０５μｍに対して、図２に
も示すように、Λ＝２．６λ＝１．１μｍとし、周辺部
２ｂの最内周周期は、例えば、Λ＝２．５λ＝１．０μ
ｍで、周辺部２ｂの最外周周期は、例えば、Λ＝１．１
λ＝０．４５μｍ（但し、図２（ｂ）では、Λ／λ≦
１．１の場合も図示）とした。

【００２３】図２（ａ）に示すように、周期Λが２．６
λより大きい中央部２ａの１次回折効率は最内周では９
０％以上得られるが、周期が小さくなるにつれて（外周
に行くにつれて）低下し、周辺部２ｂとの境界で５０％
程度になる。しかしながら、周辺部２ｂでは、図２
（ｂ）に示すように、規格化溝深さを、境界部でＬ／Ｌ
０＝２．７（例えば、Ｌ＝２．１μｍ）と大きくしてお
り、周期が小さくなるにつれて、溝深さも徐々に小さく
した。溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例
するようにしている。図２に示した場合では、Ｌ／Ｌ０
＝１．３（Λ／λ）−０．６３のような一次関数で近似
でき、この時、回折効率を最も向上させることが可能で
あることが分かった。

【００２４】また、屈折率ｎ＝１．７の時は、Ｌ／Ｌ０
＝１．３７（Λ／λ）−０．３２のような一次関数で近
似でき、屈折率ｎ＝２．０の時は、Ｌ／Ｌ０＝１．７６
（Λ／λ）−０．３９のような一次関数で近似でき、こ
の時回折効率を最も向上させることが可能であることが
分かった。従って、色々の屈折率や入射条件を変化させ
た場合は、関数の係数が異なってくるが、溝深さＬは、
ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝
−０．３に対して、（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜
Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を満たすことが分
かった。なお、垂直入射の場合、Λ／λ≦１の時、１次
回折効率は０となる。

【００２５】断面形状が、鋸歯形状を近似した階段形状
２’の場合、階段の数であるレベル数をｍとすると、こ
の時も、例えばＬ／Ｌ０＝［１．３（Λ／λ）−０．６
３］（ｍ−１）／ｍのような一次関数で近似でき、その
時に回折効率を最も向上させることが可能であることも
分かった。また、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射条
件を変化させた場合は、同様に、溝深さＬは、レベル数
をｍとすると、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−
０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｍ−１）（ｐ１Λ
＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２
Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たすこと
も分かった。

【００２６】図２と図１７を比較すれば分かるように、
本実施の形態の回折光学素子によれば、周期が、例えば
２．５λ以下で回折効率を向上させることが可能で、そ
の結果、高い開口数を有しながら光利用効率の高い回折
光学レンズが実現できる。なお、レンズの開口数ＮＡ
は、最外周規格化周期の逆数で与えられ、本実施の形態
ではＮＡ＝１／１．１＝０．９１である。

【００２７】また、図３に示すように、周辺部（ｂ）に
おいて、Λ／λ＝２．５、２．０、１．５の場合の１次
回折効率と入射角の関係から、垂直入射（入射角＝０
°）近傍で回折効率が概ね高く、入射角が±１０°程度
になると、特に、Λ／λ＝２．５では効率が１０数％程
度に低下する傾向があり、入射角が±１０°以内で、本
実施形態の回折光学素子を使用するのが好ましいと言え
る。

【００２８】グレーティング部２の加工方法としては、
例えば、公知の電子ビーム描画法を用いた。即ち、基板
１上に、電子ビームレジストをコーティングし、電子ビ
ーム描画装置を用いて、図１に示したような回折光学レ
ンズの膜厚分布に対応するように露光量分布を与え、現
像処理をしてレジストの膜厚を変化させて作製した。さ
らに、このレジスト形状をエッチングにより、基板１に
転写しても良い。また、階段形状２’の場合は、フォト
リソグラフィとエッチングを組み合わせる、いわゆる公
知のバイナリオプティクス作製技術を用いて作製でき
る。

【００２９】さらに、集束イオンビームやＣＮＣ旋盤等
（computerized numerical control）の機械加工を用い
て作製してもよい。又、これらによって作製したグレー
ティング部２を原盤にして金型を形成し、例えば透明エ
ポキシや紫外線硬化樹脂、ＰＭＭＡ等の合成樹脂を用い
て複製法により形成することも可能であり、安価な大量
生産を実現することもできる。

【００３０】次に、実施の形態１の別の例における回折
光学素子について、図４を用いて上記実施の形態１と異
なる点を中心に説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、それ
ぞれ本発明の実施の形態１の別の例における回折光学素
子の断面図、平面図である。図４の回折光学素子の構造
は、図１の素子と全く同じであり、光の入射の形態のみ
が異なる。

【００３１】本実施の形態の回折光学素子では、レーザ
やＬＥＤのような点光源５から出射した発散光３’をグ
レーティング部２側から入射させて、基板１側に平行な
回折光４’として出射する。即ち、図１に示した回折光
学素子とは光の進行方向が逆である。上述したように、
本発明の回折光学素子によれば、基板側から入射する場
合、入射角が±１０°以内で、回折光学素子を使用する
のが好ましいと言えたので、図４に示すような、発散光
３’を平行光４’に回折して変換する場合でも、高い回
折効率を得るには、平行光４’がグレーティング部２の
法線から±１０°以内になるように構成するのが望まし
いと言える。

【００３２】実施の形態１のさらに別の例における回折
光学素子について、図５を用いて上記説明したものと異
なる点を中心に説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、それ
ぞれ本発明の実施の形態１のさらに別の例における回折
光学素子の断面図、平面図である。図５の回折光学素子
は、図５（ｂ）から分かるように、１次元構造のレンズ
で、いわゆるシリンドリカル回折型レンズであり、基板
１側からの平行な入射光３を、直線状に集光するように
回折光４として出射する。

【００３３】図５（ａ）に示すように、本実施形態の回
折光学素子の一方向の断面形状は、図１（ａ）の場合と
同じであり、中央部２”ａは溝深さは実質的に一定で、
周辺部２”ｂは、周期が小さくなるにつれて、実質的に
溝深さも小さくなる構造である。本実施の形態の回折光
学素子によれば、シリンドリカルレンズにおいても、周
期が、例えば２．５λ以下で回折効率を向上させること
が可能で、その結果、高い開口数を有しながら光利用効
率の高いシリンドリカルの回折光学レンズが実現でき
る。

【００３４】（実施の形態２）次に、本発明の実施の形
態２の回折光学素子について、図６から図７を用いて、
上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図６
は、本発明の実施の形態２における回折光学素子の断面
図（なお、平面図は図１（ｂ）と同じ）、図７（ａ）、
（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学素子にお
いて、基板側から波長λの光が垂直入射した場合の、１
次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、規格化溝
深さと規格化周期の関係を示すグラフである。

【００３５】本実施の形態の回折光学素子は、図６から
分かるように、グレーティング部２の断面は、中央部２
ａにおいては実施の形態１の素子と同じであるが、周辺
部２ｃとさらなる周辺部２ｄにおいて、実施の形態１の
素子と異なる。まず、図６の拡大図に示すように、周期
Λ１の鋸歯形状において最も溝の深い位置から頂点の位
置までのグレーティング部２の水平方向の距離をａ１Λ
１とした時、そのａ１をブレーズ化係数と呼ぶことにす
る。ちなみに実施の形態１では、ブレーズ化係数は１で
あった。

【００３６】本発明者らは、規格化周期Λ／λ≦３．５
において、ブレーズ化係数が１．０未満の鋸歯形状、ま
たは上記ブレーズ化係数が１．０未満の鋸歯形状を近似
した階段形状２’にとり、周期が小さくなるにつれて、
実質的に溝深さも小さくすることにより、さらに回折効
率を向上させられることを発見した。ブレーズ化係数を
１未満にとるということは、素子の製作がし易くなると
いう効果があり、かなり有用である。本実施の形態で
は、周辺部２ｃでは、例えば、ａ１＝０．７、さらなる
周辺部２ｄにおいては、例えば、ａ２＝０．９とし、境
界のΛ／λ＝２．２においてブレーズ化係数を変化させ
た。なお、中央部２ａではブレーズ化係数は１である。

【００３７】さらに、図７から、例えば、２．３≦Λ／
λ≦３．５では、ブレーズ化係数０．７が最も効率が良
く、１．７≦Λ／λ＜２．３では、ブレーズ化係数０．
８が最も効率が良く、１．３≦Λ／λ＜２．３では、ブ
レーズ化係数０．９が最も効率が良く、１．０＜Λ／λ
＜１．３では、ブレーズ化係数１．０が最も効率が良い
ことが分かった。従って、Λ／λに応じて、さらに細か
くブレーズ化係数を変化させることにより効率の一層の
向上が可能である。その時、図７（ｂ）から分かるよう
に、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例す
るようにしている。ブレーズ化係数が１の場合では、溝
深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．３（Λ／λ）−０．６
３のような一次関数で近似でき、ブレーズ化係数が０．
６の場合では、溝深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．０
（Λ／λ）−０．５６のような一次関数で近似できる。
ブレーズ化係数が小さい程、溝深さを小さくできるとい
う効果があり、その結果、素子の作製も容易になる。

【００３８】また、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射
条件を変化させた場合は、関数の係数が異なってくる
が、溝深さＬは、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝
−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｐ１Λ＋ｑ１
λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−
１）を満たすことが分かった。

【００３９】ブレーズ化係数に関しては、屈折率ｎが
１．５１以外の時や入射条件を変化させた場合を考慮す
ると、Λ１を、入射波長λに対して、１．８λ≦Λ１≦
２．５λを実質的に満たす周期とすると、Λ１より大き
い領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が
０．８以下の鋸歯形状、またはその鋸歯形状を近似した
階段形状で、周期がΛ１より小さい領域のグレーティン
グ部の断面は、ブレーズ化係数が０．８より大きい鋸歯
形状、またはその鋸歯形状を近似した階段形状にするこ
とにより、回折効率を向上できるという効果がある。

【００４０】なお、本実施の形態２の回折光学素子は、
規格化周期Λ／λ≦３．５において回折効率が高くなる
ことから、開口数ＮＡ≧１／３．５＝０．２９の回折型
レンズに対して有効である。

【００４１】（実施の形態３）次に、本発明の実施の形
態３の回折光学素子について、図８から図９を用いて、
上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図８
は、本発明の実施の形態３における回折光学素子の断面
図（なお、平面図は図１（ｂ）と同じ）、図９（ａ）、
（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学素子にお
いて、基板側から波長λの光が垂直入射した場合の、１
次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、規格化溝
深さと規格化周期の関係を示すグラフである。

【００４２】本実施の形態の回折光学素子は、図８から
分かるように、グレーティング部２の断面は、中央部２
ａにおいては実施の形態１の素子と同じであるが、周辺
部２ｅとさらなる周辺部２ｆにおいて、実施の形態１の
素子と異なる。まず、図８の拡大図に示すように、周期
Λ１の鋸歯形状において最も溝の深い位置の幅をｓ１Λ
１とした時、そのｓ１をスペース係数と呼ぶことにす
る。ちなみに実施の形態１では、スペース係数は０であ
った。

【００４３】本発明者らは、規格化周期Λ／λ≦３．５
において、スペース係数が０より大きい鋸歯形状、また
はスペース係数が０より大きい鋸歯形状を近似した階段
形状にとり、周期が小さくなるにつれて、実質的に溝深
さも小さくすることにより、回折効率を向上させられる
ことを発見した。本実施の形態では、周辺部２ｅでは、
例えば、ｓ１＝０．１、さらなる周辺部２ｆにおいて
は、例えば、ｓ２＝０．２とし、境界のΛ／λ＝２にお
いてスペース係数を変化させた。なお、中央部２ａでは
スペース係数は０である。

【００４４】また、Λ／λに応じてスペース係数をさら
に細かく変化させることにより効率の一層の向上が可能
である。その時、図９（ｂ）から分かるように、溝深さ
の小さくなる割合は、実質的に周期に比例するようにし
ている。スペース係数が０の場合では、溝深さは、例え
ば、Ｌ／Ｌ０＝１．３（Λ／λ）−０．６３のような一
次関数で近似でき、スペース係数が０．３の場合では、
溝深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．１（Λ／λ）−０．
５０のような一次関数で近似できる。スペース係数が小
さい程、溝深さを小さくできるという効果があり、その
結果、素子の作製も容易になる。

【００４５】また、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射
条件を変化させた場合は、関数の係数が異なってくる
が、溝深さＬは、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝
−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｐ１Λ＋ｑ１
λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−
１）を満たすことが分かった。

【００４６】スペース係数に関しては、屈折率ｎが１．
５１以外の時や入射条件を変化させた場合を考慮する
と、Λ１は、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ１≦
２．８λを実質的に満たす周期とすると、周期がΛ１よ
り大きい領域のグレーティング部の断面は、スペース係
数が０．２未満の鋸歯形状、または上記スペース係数が
０．２未満の鋸歯形状鋸歯形状を近似した階段形状であ
り、周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断
面は、スペース係数が０．２以上の鋸歯形状、または上
記スペース係数が０．２以上の鋸歯形状を近似した階段
形状にすることにより、回折効率を向上できるというこ
とが言える。

【００４７】（実施の形態４）次に、本発明の実施の形
態４の回折光学素子について、図１０から図１１を用い
て、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図
１０は、本発明の実施の形態４における回折光学素子の
断面図（なお、平面図は図１（ｂ）と同じ）、図１１
（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学
素子において、基板側から波長λの光が垂直入射した場
合の、１次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、
規格化溝深さと規格化周期の関係を示すグラフである。

【００４８】本実施の形態の回折光学素子は、図１０か
ら分かるように、グレーティング部２の断面は、中央部
２ａにおいては実施の形態１の素子と同じであるが、周
辺部２ｇとさらなる周辺部２ｈにおいて、実施の形態１
の素子と異なる。まず、図１０の拡大図に示すように、
周辺部２ｇの鋸歯形状において、ブレーズ化係数ａを１
未満に、かつスペース係数ｓを０より大きくとってい
る。

【００４９】本発明者らは、入射波長λに対して、１．
５λ≦Λ≦３．５λとなる周期において、グレーティン
グ部の断面が、ブレーズ化係数が１未満でかつスペース
係数が０より大きい鋸歯形状、または上記鋸歯形状を近
似した階段形状にとり、周期が小さくなるにつれて、実
質的に溝深さも小さくすることにより、回折効率を向上
させられることを発見した。

【００５０】本実施の形態では、周辺部２ｇでは、例え
ば、ａ＝０．８、ｓ＝０．１、さらなる周辺部２ｈにお
いては、例えば、ａ＝０．８、ｓ＝０とし、境界のΛ／
λ＝２．１においてスペース係数を変化させた。なお、
中央部２ａでは、ａ＝１、ｓ＝０である。

【００５１】また、Λ／λに応じてブレーズ化係数とス
ペース係数をさらに細かく変化させることにより効率の
一層の向上が可能である。その時、図１１（ｂ）から分
かるように、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期
に比例するようにしている。ブレーズ化係数が１未満で
かつスペース係数が０より大きい鋸歯形状にすることに
より、溝深さを小さくできるという効果があり、その結
果、素子の作製も容易になる。

【００５２】（実施の形態５）次に、本発明の実施の形
態５の回折光学素子について、図１２から図１５までを
用いて、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明す
る。図１２（ａ）、（ｂ）から図１５（ａ）、（ｂ）
は、それぞれ本発明の実施の形態５における回折光学素
子の断面図、平面図である。

【００５３】図１２の回折光学素子の鋸歯形状２Ａ、ま
たは鋸歯形状を近似した階段形状２Ａ’は、ブレーズ化
係数ａ＝１、スペース係数ｓ＝０の場合、図１３の回折
光学素子の鋸歯形状２Ｂ、または鋸歯形状を近似した階
段形状２Ｂ’は、ブレーズ化係数ａ＜１、スペース係数
ｓ＝０の場合、図１４の回折光学素子の鋸歯形状２Ｃ、
または鋸歯形状を近似した階段形状２Ｃ’は、ブレーズ
化係数ａ＝１、スペース係数ｓ＞０の場合、図１５の回
折光学素子の鋸歯形状２Ｄ、または鋸歯形状を近似した
階段形状２Ｄ’は、ブレーズ化係数ａ＜１、スペース係
数ｓ＞０の場合の例である。

【００５４】本実施の形態の回折光学素子は、基板１
と、上記基板１上に形成したグレーティング部２Ａ、２
Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２
Ｄ’を具備し、上記グレーティング部２Ａ、２Ｂ、２
Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’は、
それぞれ入射波長λに対して、それぞれ、３．５λ以下
となる実質的に均一の周期Λを具備し、上記グレーティ
ング部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２
Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’の断面は、それぞれ実質的に鋸歯
形状２、または鋸歯形状を近似した階段形状２’であ
り、入射光３を１次の回折光６に変換するグレーティン
グ（回折格子）である。

【００５５】上記グレーティング部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、
２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’の溝深さ
Ｌは、いずれも、上記周期Λ、上記グレーティング部２
の屈折率ｎ、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−
０．６、ｑ２＝−０．３に対して、上記鋸歯形状の時は
（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２
λ）／（ｎ−１）を実質的に満たし、上記階段形状の時
は、レベル数をｍとすると、（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１
λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ
２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たすように構成
しており、このような構成により、垂直入射付近におい
て、周期が３．５λ以下の領域で回折効率の高いグレー
ティングを実現するという効果がある。

【００５６】本実施の形態の回折光学素子の具体的な回
折効率や溝の深さは、これまでに述べた実施の形態１か
ら４の値を当てはめることができる。例えば図１２の回
折光学素子では、ブレーズ化係数ａ＝１、スペース係数
ｓ＝０の場合であるから、実施の形態１で述べた値（図
２参照）を、素子のΛ／λから求めることができる。

【００５７】同様に、図１３の回折光学素子では、ブレ
ーズ化係数ａ＜１、スペース係数ｓ＝０の場合であるか
ら、実施の形態２で述べた値（図７参照）を、素子のΛ
／λから求めることができる。また、図１４の回折光学
素子では、ブレーズ化係数ａ＝１、スペース係数ｓ＞０
の場合であるから、実施の形態３で述べた値（図９参
照）を、素子のΛ／λから求めることができる。さら
に、図１５の回折光学素子では、ブレーズ化係数ａ＜
１、スペース係数ｓ＞０の場合であるから、実施の形態
４で述べた値（図１１参照）を、素子のΛ／λから求め
ることができる。

【００５８】なお、それらの入射角はグレーティング部
の法線に対して実質的に±１０°以内であることが好ま
しいのは、同様の理由による。

【００５９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
断面が実質的に鋸歯形状もしくは階段形状のグレーティ
ング部を有する回折光学素子に関し、特に、周期が小さ
い領域（例えば、周期が波長の３．５倍以下の領域）で
高い回折効率の得られる素子が実現できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における回折光学
素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態１における回折光学素子の平
面図

【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における、回折光
学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラ
フ （ｂ）本発明の実施の形態１における、回折光学素子の
規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ

【図３】本発明の実施の形態１における、回折光学素子
の１次回折効率と入射角との関係を示すグラフ

【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の別の例における
回折光学素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態１の別の例における回折光学
素子の平面図

【図５】（ａ）本発明の実施の形態１の別の例における
回折光学素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態１の別の例における回折光学
素子の平面図

【図６】本発明の実施の形態２における回折光学素子の
断面図

【図７】（ａ）本発明の実施の形態２における、回折光
学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラ
フ （ｂ）本発明の実施の形態２における、回折光学素子の
規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ

【図８】本発明の実施の形態３における回折光学素子の
断面図

【図９】（ａ）本発明の実施の形態３における、回折光
学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラ
フ （ｂ）本発明の実施の形態３における、回折光学素子の
規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ

【図１０】本発明の実施の形態４における回折光学素子
の断面図

【図１１】（ａ）本発明の実施の形態４における、回折
光学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグ
ラフ （ｂ）本発明の実施の形態４における、回折光学素子の
規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ

【図１２】（ａ）本発明の実施の形態５における回折光
学素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態５における回折光学素子の平
面図

【図１３】（ａ）本発明の実施の形態５の別の例におけ
る回折光学素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学
素子の平面図

【図１４】（ａ）本発明の実施の形態５の別の例におけ
る回折光学素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学
素子の平面図

【図１５】（ａ）本発明の実施の形態５の別の例におけ
る回折光学素子の断面図 （ｂ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学
素子の平面図

【図１６】（ａ）従来の回折光学素子の断面図 （ｂ）従来の回折光学素子の平面図

【図１７】（ａ）従来の回折光学素子における、回折光
学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラ
フ （ｂ）従来の回折光学素子における、回折光学素子の規
格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ

【符号の説明】

１ 基板 ２ グレーティング部 ３ 入射光 ４ 回折光 ５ 光源 ６ 回折光

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基板と、前記基板上に形成した、周期が徐
   々に変化するグレーティング部を具備し、前記グレーテ
   ィング部は、入射波長λに対して、３．５λ以下となる
   周期を具備し、前記グレーティング部の断面は、実質的
   に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状であ
   り、前記グレーティング部は、周期が小さくなるにつれ
   て、実質的に溝深さも小さくなることを特徴とする回折
   光学素子。
2. 【請求項２】溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期
   に比例する請求項１に記載の回折光学素子。
3. 【請求項３】周期Λの時のグレーティング部の溝深さＬ
   は、前記グレーティング部の屈折率ｎ、ｐ１＝０．９、
   ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対し
   て、鋸歯形状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜
   Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を実質的に満た
   し、階段形状の時は、レベル数をｍとすると、（ｍ−
   １）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ
   −１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的
   に満たす請求項１に記載の回折光学素子。
4. 【請求項４】基板と、前記基板上に形成したグレーティ
   ング部を具備し、前記グレーティング部は、入射波長λ
   に対して、３．５λ以下となる実質的に均一の周期を具
   備し、前記グレーティング部の断面は、実質的に鋸歯形
   状、または鋸歯形状を近似した階段形状であり、前記グ
   レーティング部の溝深さＬは、前記周期Λ、前記グレー
   ティング部の屈折率ｎ、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、
   ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、前記鋸歯形
   状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２
   Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を実質的に満たし、前記階段
   形状の時は、レベル数をｍとすると、（ｍ−１）（ｐ１
   Λ＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ
   ２Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たすこ
   とを特徴とする回折光学素子。
5. 【請求項５】グレーティング部はさらに、３．５λより
   大きい周期を具備し、前記周期を有するグレーティング
   部の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似
   した階段形状であり、前記グレーティング部の溝深さは
   実質的に一定である請求項１記載の回折光学素子。
6. 【請求項６】中央部が３．５λより大きい周期を具備
   し、周辺部が３．５λ以下の周期を具備する回折光学レ
   ンズである請求項５記載の回折光学素子。
7. 【請求項７】回折光学レンズの開口数は、１／３．５以
   上である請求項６記載の回折光学素子。
8. 【請求項８】グレーティング部の断面は、ブレーズ化係
   数が１．０未満である鋸歯形状、または前記鋸歯形状を
   近似した階段形状である請求項１もしくは４記載の回折
   光学素子。
9. 【請求項９】周期がΛ１より大きい領域のグレーティン
   グ部の断面は、ブレーズ化係数が０．８以下の鋸歯形
   状、または前記ブレーズ化係数が０．８以下の前記鋸歯
   形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小さい
   領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が
   ０．８より大きい鋸歯形状、または前記ブレーズ化係数
   が０．８より大きい鋸歯形状を近似した階段形状であっ
   て、Λ１は、入射波長λに対して、１．８λ≦Λ１≦
   ２．５λを実質的に満たす請求項８記載の回折光学素
   子。
10. 【請求項１０】グレーティング部の断面は、スペース係
    数が０より大きい鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似
    した階段形状である請求項１もしくは４記載の回折光学
    素子。
11. 【請求項１１】周期がΛ１より大きい領域のグレーティ
    ング部の断面は、スペース係数が０．２未満の鋸歯形
    状、または前記スペース係数が０．２未満の鋸歯形状鋸
    歯形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小さ
    い領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が
    ０．２以上の鋸歯形状、または前記スペース係数が０．
    ２以上の鋸歯形状を近似した階段形状であって、Λ１
    は、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ１≦２．８λを
    実質的に満たす請求項１０記載の回折光学素子。
12. 【請求項１２】周期が、入射波長λに対して、１．５λ
    より大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ
    化係数が１未満でかつスペース係数が０より大きい鋸歯
    形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である請
    求項１もしくは４記載の回折光学素子。
13. 【請求項１３】基板側から光が入射し、その入射角はグ
    レーティング部の法線に対して実質的に±１０°以内で
    あり、前記グレーティング部は１次回折光を出射する請
    求項１もしくは４に記載の回折光学素子。