JP2018146624A - 透過型回折素子および反射防止構造 - Google Patents

Abstract

【課題】分光素子等において、斜入射光に対して入射偏光にかかわらず高い反射防止性能を示しつつ、広い入射光波長帯域および入射角帯域に対して反射防止性能の変動を小さくする。【解決手段】本発明の透過型回折素子は、透明基板１１と、透明基板１１の第１面側に設けられる回折格子１２と、透明基板１１の第１面に対向する第２面側に設けられる反射防止構造１３とを備え、回折格子１３は、第１面内の第１方向に格子周期Ｐｇを持つ回折格子であり、反射防止構造１３は、凸部１３１と凹部１３２が透明基板１１の第２面内の少なくとも第１方向と直交する第２方向に交互に配される周期構造が設けられた周期構造層を有し、反射防止構造１３の周期構造層における凸部１３１の第２方向の周期をＰＡＲｙとしたとき、ＰＡＲｙ≦１．３Ｐｇを満足する。【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器に使用される反射防止構造および該反射防止構造を有する透過型回折素子に関する。

波長可変レーザ、波長選択スイッチ、光スペクトルアナライザ等の装置またはモジュールは、複数の波長を含む光を分離（分光）して、波長毎に含まれる光の強度、位相等の情報が得られる。このとき、光を分離する手段として、プリズムまたは回折素子を使用できる。とくに、回折素子は、格子周期を短くすることで単位波長刻みあたりの回折角の差を大きくでき、波長分解能を高くすることが容易なため、分光素子として多用されている。

しかし、回折素子を使用する場合、±１次、±２次、・・・といった複数の高次の回折光も発生し、光の利用効率が低くなる。これを補うため、回折素子の格子を入射光の波長以下の周期とし、回折素子の法線方向に対して斜めに光を入射させることで、１次または２次の回折光のみを発生させて光の利用効率を高める構成がとられている。

図１６は、分光素子としての透過型回折素子の一例を示す模式図である。透過型回折素子９０は、透明基板９１の第１面側に回折格子９２が設けられ、第１面と対向する第２面側に反射防止膜９３が設けられている。回折格子９２は、凸部９２１および凹部９２２が第１面内において、図中のＹ軸方向に延伸するとともに、第１面内においてそれに直交する図中のＸ軸方向に周期Ｐで交互に並ぶ周期構造である。

以下、図１６の構成において、第１面側より、該第１面の法線に対し入射角θで波長λの光を入射させ、回折格子９２により発生させた回折光を、第２面側より出射させる場合を考える。この場合、ｍ次の回折光（ｍは整数）は、第１面の法線に対して回折角θ_ｍの方向に出射し、入射角θと回折角θ_ｍとは、式（１）の関係を有する。

例えば、１次の回折光のみを高効率で発生させたい場合、２次以上の回折光を発生させない条件（２λ／Ｐ−ｓｉｎθ）＞１を満たすように、入射光の波長λに対し、回折格子９２の格子周期Ｐおよび入射角θを設定すればよい。

ところで、光通信や光計測の分野では、光の利用効率に加え偏光依存性がない分光素子が求められている。とくに、光通信分野では、光通信の情報量増加の背景などから、入射光の偏光依存性が小さく、所定の次数に対してのみ高い波長分解能で高い回折効率を実現できる透過型回折素子が開示されている（例えば、特許文献１，２）。

なお、前述のとおり、回折素子で高い波長分解能を得るため、格子周期Ｐを短くする方法がある。例えば、式（１）を１次回折光の回折角θ_１について解くと、式（２）が得られる。

式（２）より、入射光の波長λによって１次回折光の回折角θ_１が異なるのがわかる。θ_１の波長による違いの差、すなわち分解能波長は、式（２）をλで微分した式で表され、格子周期Ｐが短いほど波長分解能が大きくなる。

しかし、格子周期を短くして波長分解能を上げるこの方法は、格子周期が入射光の波長の半分以下になると原理的に回折しなくなる問題や、格子の加工困難性が生じ得る。そこで、複数の回折素子を設けたり、ミラーを設けたりして２回以上光を回折させる構成により、波長分解能を高める方法も提案されている（例えば、非特許文献１）。

ここで、回折素子の回折効率には、回折格子による回折効率から素子の入出射界面での反射損失を引いた実効の回折効率が適用される。このため、回折格子に対して、入射光の所定の波長範囲および角度範囲にわたり、偏光状態に関わらず、高い回折効率が望まれるだけでなく、対向側の反射防止膜等に対しても、入射光の所定の波長範囲および角度範囲にわたり、偏光状態に関わらず、高い反射防止性能（低い残留反射率）が望まれる。

なお、１つの回折素子に光を複数回入射させる場合、反射防止膜の残留反射率が抑えられないと、出射光に波長変動（リップル）が生じる問題もある。

例えば、図１６の構成において、反射防止膜９３の残留反射率が高いと、透明基板９１の内部で、回折格子９２の０次透過光が反射防止膜９３で反射される。そして、その反射光が回折格子９２に再入射した後に反射１次回折光として透明基板９１を出射し、回折格子９２の透過１次回折光が反射防止膜９３で反射されて回折格子９２に再入射した後に０次反射光として透明基板９１を出射する。その結果、何れも透過型回折素子の出射光となる１次回折光と重畳して干渉するため、波長に応じた位相差干渉条件の変化に伴い出射光強度にリップルが生じる原因となる。リップル振幅は反射防止膜の反射振幅（反射率の平方根）に比例するため、リップル改善には反射率を十分に低減することが課題であった。

反射防止膜の残留反射率を低減させるには、例えば、誘電体多層膜による反射防止膜であれば、積層する誘電体膜の層数を増やす構成が考えられる。また、同効果を得る構造として、入射光の波長より充分短い周期構造からなるモスアイ構造の反射防止構造（例えば、特許文献３）や、屈折率が１．１５〜１．２７のナノ多孔質膜またはナノ粒子膜を４層反射防止膜の最上層に用いた反射防止膜（例えば、特許文献４）が知られている。

なお、波長オーダーの周期構造の反射率の計算方法の一例として、非特許文献２には、厳密結合波理論（ＲＣＷＡ）が記載されている。

特許第５０７７４０４号公報 特開２０１３−２２８６８８号公報 特開２００８−１０２４８８号公報 特開２０１２−７８５９７号公報

日本電信電話株式会社 編、「ＮＴＴ技術ジャーナル−ＲＯＡＤＭを高機能化するＷＳＳモジュール技術」、電気通信協会、２０１３ Ｖｏｌ．２５ Ｎｏ．１１、２０１３年１１月、ｐ．２１−２４ M.G.Moharam, D.A.Pommet, E.B.Grann, and T.K.Gayload, "Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface relief gratings:enhanced transmittance matrix approach", Journal of the Optical Society of America A, vol.12, no.5, May 1995, p.1077-1086.

このように透過型回折素子において、より広い波長範囲および角度範囲の入射光に対して、高波長分解能かつ高回折効率で、さらに低偏光依存性を実現しようとすると、格子周期を短くしたり凸部に用いる部材を調整したりするだけでは不十分であった。そこで、多段構成等によりそれらの実現性を高めようとすると、反射防止膜に対しても、回折格子と同じ入射光の条件でより高い反射防止性能が求められる。ところが、反射防止膜として誘電体多層膜の層数を増やすと、より広い波長範囲かつより広い角度範囲の入射光に対して安定した低反射率を実現するのは困難である。さらに、特許文献３，４の構成でも、広い波長範囲かつ広い角度範囲の入射光に対して、低偏光依存性かつ低反射率を実現するのは困難である。

特許文献３の反射防止構造は、入射角θ＝４５°、波長域３．０μｍ〜３．５μｍの入射光に対して、ＴＥ偏光の透過率は９９．８％であるが、ＴＭ偏光の透過率は９９．０％〜９９．２％にとどまり（図３３参照）、偏光依存性が低いとは言えない。

また、特許文献４の反射防止膜は、入射角０°の可視光以外の条件について何ら考慮していない。さらに、該反射防止膜は、ナノ多孔質膜またはナノ粒子膜を成膜するために、透明樹脂または透明誘電体膜中に入射光の波長より充分小さな気泡を均一密度にかつ波長オーダーの厚さに分散させるなど煩雑な工程が必要となるなどの問題もある。

本発明は、上述したような課題を鑑みてなされたものであり、より広い波長範囲および角度範囲にわたり、入射光の偏光状態に関わらず高波長分解能かつ高光利用効率で光を分岐できる透過型回折素子の提供を目的とする。また、本発明は、より広い波長範囲および角度範囲にわたり、入射光の偏光状態に関わらず十分に低い残留反射率を実現できる反射防止構造の提供を目的とする。

さらに、本発明は、上述した特性に加えて、比較的容易に製造できる透過型回折素子および反射防止構造の提供を目的とする。

本発明による透過型回折素子は、透明基板と、透明基板の第１面側に設けられる回折格子と、透明基板の第１面に対向する第２面側に設けられる反射防止構造とを備え、回折格子は、第１面内の第１方向に格子周期Ｐｇを持つ回折格子であり、反射防止構造は、凸部と凹部が透明基板の第２面内の少なくとも第１方向に直交する第２方向に交互に配される周期構造が設けられた周期構造層を有し、反射防止構造の周期構造層における凸部の第２方向の周期をＰ_ＡＲｙとしたとき、Ｐ_ＡＲｙ≦１．３Ｐｇを満足する。

また、本発明による反射防止構造は、透明基板の入射側もしくは出射側の面上に設けられる反射防止構造であって、凸部と凹部が、透明基板の面内の少なくとも所定の一方向に交互に配される周期構造が設けられた周期構造層を備え、周期構造層における凸部の方向の周期をＰ_ＡＲｙ、入射光の最短波長をλ_ｓとしたとき、Ｐ_ＡＲｙ＜λ_ｓを満たし、透明基板の面の法線方向をＺ軸方向、凸部の周期方向をＹ軸方向とする３次元直交座標系において、面の法線に対するＸＺ面内での角度を入射光の入射角θとしたとき、θ＝３５°〜６５°の範囲に、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下を満足する入射角θが少なくとも存在する。

なお、上記の反射率は、周期構造が波長以下となる微細構造を有する基板表面の回折損失が考慮されたものとする。そのような反射率は、偏光方向である電磁界ベクトル成分を考慮してマクスウェル方程式を厳密に解く必要があり、例えば、非特許文献２に記載されたＲＣＷＡを用いてもよい。

本発明は、より広い波長範囲および角度範囲にわたり、入射光の偏光状態に関わらず高波長分解能かつ高光利用効率で光を分岐する透過型回折素子を提供できる。また、本発明は、より広い波長範囲および角度範囲にわたり、入射光の偏光状態に関わらず十分に低い残留反射率を実現する反射防止構造を提供できる。さらに、本発明は、比較的容易な製造工程により、そのような透過型回折素子および反射防止構造を提供できる。

第１の実施形態の透過型回折素子１０の斜視図。 （ａ）透過型回折素子１０のＹＺ断面図、（ｂ）透過型回折素子１０のＸＺ断面図。 反射防止構造１３の例を示す構成図。 第１の実施形態の透過型回折素子１０の他の例を構成図。 第２の実施形態の透過型回折素子２０の例を示す構成図。 反射防止構造２３の例を示す構成図。 第３の実施形態の透過型回折素子３０の例を示す構成図。 第３の実施形態の透過型回折素子３０の他の例を示す構成図。 第４の実施形態のビームスプリッタ４０の例を示す構成図である。 第１の実施例の反射防止構造１３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第１の実施例の反射防止構造１３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第１の実施例の反射防止構造１３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第２の実施例の反射防止構造３３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第２の実施例の反射防止構造３３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第２の実施例の反射防止構造３３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第３の実施例の反射防止構造３３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第３の実施例の反射防止構造３３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第３の実施例の反射防止構造３３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第４のダイクロイックミラー４２の分光透過率の計算結果を示すグラフ。 第４の実施例の反射防止構造４３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第４の実施例の反射防止構造４３の反射率の計算結果を示すグラフ。 第２の比較例の反射防止膜の反射率の計算結果を示すグラフ。 分光素子としての透過型回折素子の一例を示す模式図。

［第１の実施形態］
図１は、本発明の第１の実施形態における透過型回折素子１０の斜視図である。また、図２（ａ）および図２（ｂ）は、それぞれ図１に示す透過型回折素子１０のＹＺ断面図およびＸＺ断面図である。透過型回折素子１０は、透明基板１１と、透明基板１１の一方の面（以下、第１面という）側に設けられた回折格子１２と、透明基板１１の他方の面（以下、第２面という）側に設けられた反射防止構造１３とを備える。

以下、透明基板１１の第１面および第２面がＸＹ面に略平行であるとして説明する。ここで、略平行とは、基準線や基準面に対する傾斜角が０．５°以内をいう。

回折格子１２は、凸部１２１と凹部１２２とが、透明基板１１の第１面内における第１方向（図中のＸ軸方向）に、所定の周期で交互に配置される周期構造である。図２（ｂ）に示すように、以下、凸部１２１の深さをｄｇ、凸部１２１と凹部１２２の第１方向での繰り返し周期（格子周期）をＰｇ、凸部１２１の幅をａｇ、凹部１２２の幅をｂｇと記す。なお、周期Ｐｇ＝ａｇ＋ｂｇである。また、周期Ｐｇに対する凸部幅ａｇの比をＤｇ＝ａｇ／Ｐｇと記す。

反射防止構造１３は、凸部１３１と凹部１３２とが、透明基板１１の第２面内における第２方向（図中のＹ軸方向）に、所定の周期で交互に配置される周期構造である。図２（ａ）に示すように、以下、凸部１３１の深さをｄｍ、凸部１３１と凹部１３２のＹ軸方向での繰り返し周期をＰｙ、凸部１３１のＹ軸方向の幅をａｙ、凹部１３２のＹ軸方向の幅をｂｙと記す。なお、周期Ｐｙ＝ａｙ＋ｂｙである。また、周期Ｐｙに対する凸部幅ａｙの比をＤｙ＝ａｙ／Ｐｙと記す。なお、周期Ｐｙを周期Ｐ_ＡＲｙという場合がある。

以下、回折格子１２や反射防止構造１３において、凸部と凹部が所定の周期で交互に配置される方向を「周期方向」ともいう。なお、図１において、Ｘ軸方向が回折格子１２の周期方向である。また、Ｙ軸方向が反射防止構造１３の周期方向である。また、反射防止構造１３において、凸部と凹部からなる周期構造が形成されている層を、「周期構造層」ともいう（図２（ａ）中の符号１３３参照。）。

ここで、第１方向と第２方向とは互いに直交するので、反射防止構造１３は、少なくとも透明基板１１の対向側の面内に設けられた回折格子１２の周期方向に直交する方向に周期方向をもつ周期構造層を有すると言ってもよい。なお、３次元座標系を用いて、反射防止構造１３は、透明基板１１の第１面または第２の面の法線方向をＺ軸とする３次元直交座標系のＸＹ平面内において、回折格子１２の周期方向に直交する方向に周期方向をもつ周期構造層を有すると言ってもよい。

以下、回折格子１２の凸部１２１がＹ軸方向に直線状に延び、周期方向での（ＸＺ面の）断面形状が基板側の底辺に比べて空気側の上辺が狭い台形形状をなす例を用いて説明するが、凸部１２１の断面形状は特に限定されない。また、凸部１２１の台形の傾斜面が第１面となす角度は、例えば、略０°〜２０°で設定できる。このとき、凸部１２１の幅ａｇおよび凹部１２２の幅ｂｇは、それぞれ深さｄｇ／２における値としてもよい。

また、反射防止構造１３は、凹部１３２が空気層であり、凸部１３１が、Ｘ軸方向に直線状に延び、周期方向での（ＹＺ面での）断面形状が基板側の底辺に比べて空気側の上辺が狭い台形形状をなす例を用いて説明するが、凹部１３２は空気層に限定されず、また凸部１３１の断面形状も特に限定されない。また、凸部１３１の台形の傾斜面が第１面となす角度は、例えば、略０°〜２０°で設定できる。このとき、凸部１３１の幅ａｙおよび凹部１３２の幅ｂｙは、それぞれ深さｄｍ／２における値としてもよい。

本実施形態では、透過型回折素子１０の第１面の法線方向をＺ軸方向とし、回折格子１２の周期方向をＸ軸方向とする。そして、該ＸＺ面内においてＺ軸とのなす角度である入射角θで透明基板１１の第１面側から入射した光が、回折格子１２で回折され、反射防止構造１３を有する透明基板１１の第２面側から出射する場合を想定する。なお、Ｚ軸に対して、入射角の変位面とされる入射面は厳密にＸＺ面内でなくてもよい。すなわち、入射角θはＸＺ面内の角度成分θ_ｘが主だが、ＹＺ面内の角度成分θ_ｙを有する配置であっても本実施形態の透過型回折素子１０、とくに反射防止構造１３は有効である。

本実施形態においてＹＺ面内における入射角θ_ｙの光は、図２（ａ）のように、回折格子１２により回折されずに、入射角θ_ｙと同じ入射角θ_０ｙの０次透過光として反射防止構造１３に入射し、反射防止構造１３で回折されずに透過型回折素子１０を透過する。

また、ＸＺ平面内における入射角θ_ｘの光は、図２（ｂ）のように、回折格子１２により回折角θ_１ｘの１次回折光となって反射防止構造１３に入射し、反射防止構造１３で回折されずに回折角θ_１ｘを維持して透過型回折素子１０を透過する。

本実施形態では、回折格子１２および反射防止構造１３を、ＹＺ平面での入射角θ_y＝０°のときに、回折格子１２の１次回折効率および反射防止構造１３の反射防止性能が最大になるように設計できる。ここで、反射防止構造１３の反射防止性能が最大とは、残留反射率が最小であることに相当する。なお、入射角θ_yは１０°以下が好ましく、５°以下がより好ましく、３°以下がさらに好ましい。

一方、回折角θ_１ｘは、式（１）における格子周期Ｐを回折格子１２の周期Ｐｇとしたときの、回折次数ｍ＝１に対応した回折角θ_１に相当する。１次以外の回折光も同様である。このとき、透過型回折素子１０への入射光の波長λをλ_１〜λ_ｎ（λ_１＜λ_ｎ）とすると、該入射光は、回折格子１２での回折により、波長の相違に応じた回折角θ_ｍ（ｍは整数）の光となって出射される（図１参照）。図１は、模式的に入射光の波長の中心波長λｃに対する１次回折角θ_１（ｍ＝１）と２次回折角θ_２（ｍ＝２）とをそれぞれ実線で示すが、２次（以上の）回折光が発生しないようにも設計できる。なお、入射光の波長は、複数の離散的波長でも連続波長でもよい。

以下、θ＝θ_ｘ（すなわちθ_y＝０）として説明するが、θ_y＝０以外の場合はθをθ_ｘに読み替えればよい。

回折格子１２は、入射光の波長λおよび入射角θに対し（２λ／Ｐｇ−ｓｉｎθ）＞１を満たすように周期Ｐｇを設定する。その結果、ｍ＜０およびｍ≧２の次数ｍの回折光は発生せず、回折格子１２の凸部１２１の構造（屈折率、深さｄｇ、幅ａｇ、周期Ｐｇ、傾斜角等）に応じた０次透過光と１次回折光のみが発生する。０次透過光と１次回折光の効率は入射光の偏光状態に依存する。ここでは、凸部１２１の直線状に延びた方向である第２方向（Ｙ軸方向）の偏波面をＳ偏光、入射光方向とＳ偏光の成す平面に垂直な方向の偏波面をＰ偏光と呼ぶ。なお、凸部１２１の構造により、透過回折光以外の図示しない０次反射光と反射１次回折光が生じて、透過１次回折光の光量が低下しないように回折格子１２の構造を設計する。

入射光の波長範囲および角度範囲に対して、低偏光依存性で高い１次回折効率が得られる回折格子１２は、例えば、特許文献１、２の構造とする。とくに、回折格子１２の凸部１２１を、特許文献２に例示の高屈折率材料と低屈折率材料が交互に４層積層された構造とすると、入射光の波長帯全域にわたって、高回折効率と低偏光依存性を実現できる。

また、透過型回折素子において、入射光の全波長域の波長λに対し回折格子１２で１次回折光のみが発生する条件式（１）および（２）より、入射角θ＝２５°〜７５°を想定する。このとき、回折格子１２の格子周期Ｐｇと入射光の全波長域の波長λの比Ｐｇ／λは０．５１〜１．４０が好ましい。さらに、入射角θ＝３５°〜６５°では、比Ｐｇ／λは０．５３〜１．２７が好ましい。

さらに、高い１次回折効率が得られるリトロー配置では、入射角θが１次の回折角θ_１に等しくなる。このため、入射角θ＝２５°〜７５°では、比Ｐｇ／λは０．５２〜１．１８が好ましく、入射角θ＝３５°〜６５°では、比Ｐｇ／λは０．５５〜０．８７が好ましい。なお、リトロー配置相当の入射角θと１次の回折角θ_１との関係｜θ−θ_１｜は、±１０°以下が好ましく、±５°以下がより好ましい。

また、反射防止構造１３の凸部１３１は、屈折率ｎｇの透明基板１１とその界面である屈折率ｎａの空気などの雰囲気との屈折率差により生じるフレネル反射を低減する反射防止構造になるように設計することが好ましい。

なお、図１は、透過型回折素子１０の第１面から入射して第２面から出射する配置を示すが、第２面から入射して第１面から出射する配置でもよく、両者は同様に機能する。

以下、反射防止構造１３について図３に基づいて、より詳細に説明する。図３（ａ）〜図３（ｃ）は、それぞれ、反射防止構造１３のＸＹ平面図（上面図）、ＸＺ平面図（側面図）、ＹＺ平面図（側面図）である。反射防止構造１３は、透明材料からなる凸部１３１と、空気などの雰囲気からなる凹部１３２とが、予め定めた周期方向（Ｙ軸方向）に一定周期で交互に並ぶ、すなわち延伸方向が該周期方向に直交するように並ぶように配置された周期構造を有する。この場合、各凸部１３１は、透明基板１１の第２面内において周期方向に直交するＸ軸方向に直線状に延びた矩形の外周形状となる。

凸部１３１の（ＹＺ面の）断面形状は任意であり、矩形でもよい。なお、凸部１３１は、透明基板１１側から離れるＺ方向にａｙが減少する構成等により、基板面から最表面に向かう高さ方向で１周期内の平均屈折率が低下する構成がより好ましい。例えば、凸部１３１の形状は、周期構造層の１周期に占める上面の幅の割合が底部の幅の割合以下となるのがより好ましい。具体例として、ＹＺ断面形状が、基板側の底辺から空気側の上辺に向かって幅が狭くなる台形、三角形、釣鐘型、半球形状あるいは楕円形状などが挙げられる。このように、凸部１３１の断面形状が深さ方向で変化する場合、幅ａｙは深さ方向の平均値とすればよい。また、凸部１３１の深さｄｍはＸＹ面内で略一定で、その分布は±１０％以下が好ましく、±５％以下がさらに好ましい。

凸部１３１の屈折率をｎｓ、周期Ｐｙを入射光の最短波長λ_Ｓより短い構造とした場合、深さｄｍの周期構造層１３３の平均屈折率ｎ_ａｖｅは、式（３）で表される。なお、ｎａは凹部１３２（例えば、空気）の屈折率である。

ｎ_ａｖｅ＝ｎｓ・Ｄｙ＋ｎａ・（１−Ｄｙ） ・・・（３）

反射防止構造１３は、凸部１３１を透明基板１１と略同一の屈折率の材料とする。さらに、単層による低反射条件（ｎｓ・ｎａ）^１／２と略一致するように平均屈折率ｎ_ａｖｅ（より具体的にはＤｙ）を調整し、さらに光学膜厚（ｎ_ａｖｅ・ｄｍ）が入射光の中心波長λｃの略１／（４・ｃｏｓΦ）となる深さｄｍとする。例えば、光学膜厚が中心波長λｃの０．２〜０．５倍になるように調整する。なお、中心波長λｃは、入射光の最短波長をλ_Ｓ、最長波長をλ_Ｌとするとき、λｃ＝２λ_Ｓ・λ_Ｌ／（λ_Ｓ＋λ_Ｌ）とする。また、入射角θで平均屈折率ｎ_ａｖｅの反射防止構造１３に入射した光の屈折角をΦとするとき、ｓｉｎθ＝ｎ_ａｖｅ・ｓｉｎΦで関係付けられる。ここで、深さｄｍのばらつきは±５％以下が好ましく、±３％以下がより好ましい。

これは、凹部１３２と凸部１３１との体積比の調整により、低反射条件を満たす低屈折率の単層反射防止構造を得ることに相当する。例えば、周期Ｐｙ中の凹部幅ｂｙを調整して空気の割合を増やすことで、所望の低屈折率の単層反射防止構造が得られる。

その結果、透明基板１１の第２面に入射する波長λｃの入射角θの光の反射率は略ゼロ（０．８％以下）となり、広い波長範囲（λ_Ｓ〜λ_Ｌ）で高い反射防止性能が得られる。なお、後述するように、本実施形態では斜入射に対応するために、所望の入射角範囲θ_Ｓ〜θ_Ｌもしくはその中心となる入射角θ_ｃにおいて偏光により異なる実効屈折率を考慮して、単層反射防止構造の低反射条件を適用する。より具体的には、斜入射のＰ偏光に対する実効屈折率と、斜入射のＳ偏光に対する実効屈折率とが同程度に上記の単層反射防止構造の低反射条件に近づける調整や、両偏光の実効屈折率のいずれも、上記の単層反射防止構造の低反射条件との差を所定の閾値以内に収めるような平均屈折率ｎ_ａｖｅ（より具体的にはＤｙ）の調整が挙げられる。

なお、反射防止構造１３の凸部１３１の周期Ｐｙは、回折格子１２の格子周期Ｐｇに対し、Ｐｙ≦１．３Ｐｇとすれば、凸部１３１による回折光の発生が抑制できる。反射防止性能向上のためには、Ｐｙ≦１．２Ｐｇがより好ましく、Ｐｙ≦Ｐｇがさらに好ましい。

例えば、石英ガラス基板表面に設けられる凸部１３１（ｎｇ＝ｎｓ≒１．４５）に対して上述の単層による低反射条件（ｎ_ａｖｅ≒１．２０）を満たす反射防止構造１３を考えた場合、Ｄｙ＝ａｙ／Ｐｙ＝０．４４となる。ただし、斜入射条件では、入射偏光および入射角θで実効屈折率が変化するため、それを考慮したＤｙおよび深さｄｍを設定する。

例えば、屈折率ｎの部材と空気との界面で発生するフレネル反射光の反射率は入射偏光により異なる。これは、斜入射光のＰ偏光に対する実効屈折率ηｐとＳ偏光に対する実効屈折率ηｓが入射角θに依存して変化するためである。入射角θの光のＰ偏光とＳ偏光に対する実効屈折率ηｐとηｓの関係を式（４）および式（５）に示す。

ηｐ＝ｎ／ｃｏｓθ ・・・（４）
ηｓ＝ｎ・ｃｏｓθ ・・・（５）

本実施形態では、実効屈折率を考慮するにあたり、上記を適用するだけでなく、さらに周期構造層１３３の構造性複屈折による偏光依存性を考慮する。フレネル反射光を考慮した反射率は、斜入射ではＰ偏光に比べてＳ偏光が高くなるため、本実施形態では、入射面に平行な第１方向を凸部１３１の延伸方向として、Ｓ偏光とＰ偏光とで単層反射防止構造としての作用を異ならせる。とくに、Ｓ偏光に対する反射率を低減できるので、その結果、Ｓ偏光とＰ偏光のフレネル反射率が近づき、偏光依存性を低減できる。

例えば、ｎｇ＝１．４５およびｎａ＝１．０に対し、入射角θ＝４５°（θ_ｘ＝４５°、θ_ｙ＝０°）で単層の低反射条件を満たす反射防止膜は、屈折率ｎ＝１．２０となる。また、光学膜厚の条件ｎ・ｄ・ｃｏｓθ’＝λ／４より、λｃ＝１５７０ｎｍではｄ≒４００ｎｍと算出される。なお、角度θ’は反射防止膜内の屈折角で、ｓｉｎθ＝ｎ・ｓｉｎθ’のスネル屈折則による。次に、この反射防止膜を、Ｐ偏光と平行な方向に直線状に延びた凸部１３１と空気層とからなるＰｙ＝１０００ｎｍの周期構造層の反射防止構造１３に置き換えた場合、上述の単層による低反射条件よりｎ_ａｖｅ＝１．２０となるＤｙ＝０．４４とし、深さｄｍ≒４００ｎｍの反射防止構造１３とすればよい。波長１５２０〜１６２０ｎｍのＰ偏光およびＳ偏光に対する平均反射率の計算結果は、ｎ＝１．２０の均質の単層反射防止膜では０．０９％だが、構造性複屈折による偏光依存性を考慮できる反射防止構造１３では０．０３％となり、略１／３に低減する。

なお、最適値をより厳密に求める場合、Ｐ偏光およびＳ偏光に対して、非特許文献２に示されるような波動光学における偏光電磁界ベクトル成分を考慮した方法を用いて、Ｄｙおよびｄｍをパラメータとして反射防止構造１３の反射率を算出し、Ｄｙおよびｄｍの最適値を決定すればよい。

このような調整の結果、例えば、屈折率ｎｇ≒１．４５程度の基板を用い、凸部１３１の材料を基板と略同一の屈折率（ｎｓ≒ｎｇ）をもつ材料とする。このとき、入射角θ＝３５°〜６５°の光に対して、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下、好ましくは０．３％以下、より好ましくは０．１％以下になるような周期構造を考えた場合、平均屈折率ｎ_ａｖｅは、１．０５〜１．３５であればよく、１．１〜１．３が好ましく、１．１０〜１．２５がより好ましい。また、深さｄｍに関しては、（ｎ_ａｖｅ×ｄｍ）／λｃが０．２〜０．５が好ましく、０．２２〜０．３５がより好ましい。

ここで、屈折率に関して略同一とは±８％以内の相違を意味する。例えば、屈折率ｎｇ＝１．５２の硼珪酸ガラスの透明基板１１の第２面に、反射防止構造１３として屈折率ｎｓ＝１．４５のＳｉＯ_２からなる凸部１３１を形成してもよい。

このようにして、回折格子１２で高い１次回折効率を得るために、ＺＸ面内で入射角θ（≒θ_ｘ）が３５°〜６５°の範囲内となる斜入射配置を前提とした場合でも、透明材料を微細加工することにより石英ガラスなどの低屈折率基板に対しても、屈折率の条件がさらに低い単層反射防止構造の低反射条件を満たす反射防止構造１３を作製できる。

例えば、入射光の波長λが１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの範囲で、入射角θが３５°〜６５°の範囲にあり、回折格子１２の周期Ｐｇが波長λの０．５３〜１．２７倍の範囲である透過型回折素子１０を分光素子として用いた場合、偏光状態に関わらず反射率が０．８％以下の反射防止構造１３を実現できる。なお、入射条件によっては、反射防止構造の残留反射率を、偏光状態に関わらず０．３％以下、０．２５％以下、さらに０．１％以下にできる。

また、本実施形態の反射防止構造１３の周期Ｐｙを上記の条件を満たす範囲でできるだけ大きくとれば、さらに加工が容易となる。例えば、フォトマスクを用いて、透明基板１１に塗布されたフォトレジストを露光して格子形状にパターニングした後、反応性イオンエッチング等によりレジストパターンを反射防止構造層に転写することを考える。このとき、回折格子１２と同じ装置を用いて加工する場合を含め、周期Ｐｙは０．５μｍ以上が好ましい。また、反射防止性能ばらつきを抑えて、反射防止構造１３の形状を再現性良く作製するには、周期Ｐｙは０．７μｍ以上が好ましく、１．０μｍ以上がより好ましい。

例えば、特許文献３は、反射防止構造とされる第２リッジ（２７）が、回折格子の周期方向と平行な方向に周期的に設けられている。そのため、特許文献３の構造は、第２リッジで回折光が発生しないように、第２リッジの周期を光の波長よりも十分短く設定する必要がある。これに対して本実施形態の反射防止構造１３は、周期Ｐｙが格子周期Ｐｇと略等しい値でもよい。このため、反射防止構造１３は、回折格子１２と同じ装置で加工でき、安定した形状精度が得られるため、形状ばらつきに起因する特性変動を低減できる。

また、例えば、特許文献４のナノ多孔質膜の場合、入射光に対して均一屈折率誘電体膜と同様の光学作用を示す。このため、垂直入射（θ＝０°〜１０°）では屈折率偏光依存性が無く、斜入射では入射角に応じて実効屈折率の偏光依存性が生じ、フレネル反射強度が変化する。

一方、反射防止構造１３における周期構造層は、凸部と凹部がそれぞれ一方向に直線状に延びているとみなせるため、構造性複屈折を示し、垂直入射でも凸部長手方向の直線偏光とその直交方向の直線偏光に対する屈折率が異なる。そのため、例えば、反射防止構造１３とナノ多孔質膜とで平均屈折率および光学膜厚が同じであっても、両者の斜入射光に対する実効屈折率の偏光依存性は異なる。すなわち、反射防止構造１３では、構造性複屈折を利用した反射防止設計が可能となるため、ナノ多孔質膜などの均一な低屈折率の光学膜に比べ、斜入射光に対する低反射率および低偏光依存性を実現しやすい。

また、反射防止構造１３の周期構造層は、後述するように比較的加工が容易であるため、安定した屈折率および膜厚が得やすい。一方、ナノ多孔質膜の加工は周期構造層の加工に比べると困難であり、傷が生じやすいため取り扱いが難しい。

以下、反射防止構造１３の作製方法の一例を示す。本例では、反射防止構造１３の凸部１３１を、回折格子１２の加工と同じ装置で作製する場合を考える。まず、透明基板１１の第２面側の表面にフォトレジストを塗布した後、硬化する。次に、第２方向の周期Ｐｙの凸部１３１に対応するフォトマスクを用い、紫外光を照射して該フォトレジストを感光する。次に、感光後のフォトレジスト層の感光部または非感光部を除去して、透明基板１１の上記面にフォトレジストパターンを形成する。なお、本加工では、例えば、高圧水銀放電ランプのｉ線発光の波長３６５ｎｍ紫外線を用い、１μｍレベルの周期構造のフォトレジストパターンを含む基板表面層を作製するのが実用的である。次に、この基板表面層を、ドライエッチングまたはウェットエッチングにより微細加工する。

ドライエッチングとしては、例えば、反応性イオンエッチングにより、上記の基板表面層に凸部１３１に対応する凹部を形成することで、フォトレジストパターンに対応した凸部１３１を形成できる。ここで、凸部材料（Ａ）とフォトレジスト材料（Ｂ）のエッチングレート比（Ａ／Ｂ）が大きい程、加工が容易となるため、そのような材料およびプラズマ放電ガスを用いるのが好ましい。

ウェットエッチングとしては、例えば、凸部１３１の材料となる基板を化学反応により溶解するフッ化水素酸等の溶液に投入し、腐食により基板表面層に凸部１３１に対応する凹部を形成することで、フォトレジストパターンに対応した凸部１３１を形成できる。この場合も、前述の比（Ａ／Ｂ）が大きい程、加工が容易となるため、そのような材料および腐食溶液を用いるのが好ましい。

また、透明基板１１の表面をドライエッチングなどにより、凸部１３１形状に直接加工する場合、凸部１３１の深さ精度向上のため、凸部１３１の部材よりエッチングレートの低い膜材料を、あらかじめ透明基板１１の表面に備えてもよい。より具体的には、透過型回折素子１０の他の例である図４のように、反射防止構造１３と透明基板１１との間に、凸部１３１の部材よりエッチングレートの低い膜材料からなるエッチング調整層１４を備えてもよい。なお、エッチング調整層１４は、反射防止構造１３の周期構造層１３３の透明基板１１側の界面を構成する位置に設けられていればよい。以下、エッチング調整層の厚さをｄ_ｓｐと記す。

凸部１３１の材料として、例えば、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ１_１４、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２のいずれかの誘電体材料を用いた場合、エッチング調整層１４として、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３やＺｒＯ_２などの透明誘電体膜を使用できる。

エッチング調整層１４は、例えば、上記工程において、透明基板１１の第２面に、まずエッチング調整層１４となる透明誘電体膜を膜厚３ｎｍ〜５０ｎｍに成膜後、凸部１３１となる透明誘電体膜を膜厚がｄｍになるよう連続して成膜すればよい。その後、フォトリソグラフィとドライエッチングなどにより凸部１３１形状に加工する。エッチングレートの低いエッチング調整層１４の膜面でドライエッチングが止まる制御がしやすく、凸部１３１および凹部１３２の深さ精度が確保できる。

凸部１３１の他の作製方法としてリフトオフ法を用いてもよい。すなわち、上述のフォトレジストパターンを含む基板表面層においてフォトレジストの無い凹部領域に凸部１３１の材料が埋め込まれるように、凸部１３１の深さｄｍに相当する膜厚の透明誘電体膜を、該基板表面層全面に成膜する。そして、フォトレジストの現像液を用いてフォトレジストパターンを剥離する。その結果、エッチング加工をせずに、反射防止構造１３を作製できる。リフトオフ法では、凸部１３１の深さｄｍは成膜時の膜厚精度に依存するため、エッチング調整層１４は不要である。なお、リフトオフ法と、上述のエッチングを用いる方法とでは、フォトレジストパターンの凹凸幅の設定が異なる点に注意するとよい。

回折格子１２の凸部１２１も、凸部１３１と同様の方法で作製してもよい。その場合、透明基板１１の第２面を第１面に、第２方向を第１方向に、周期Ｐｙを周期Ｐｇに読み替えればよい。

［第２の実施形態］
本実施形態では、２次元の周期構造を有する反射防止構造を備えた透過型回折素子２０について第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。図５は、本実施形態の透過型回折素子２０の例を示す構成図である。なお、図５（ａ）、図５（ｂ）はそれぞれ、３次元直交座標系における透過型回折素子２０のＹＺ断面図、ＸＺ断面図である。透過型回折素子２０は、第１の実施形態の反射防止構造１３に代えて、反射防止構造２３を備える。

本実施形態の反射防止構造２３は、透明基板１１の第２面内において凸部と凹部が上記の第２方向（図中のＹ軸方向）および該第２方向とは異なる第３方向（図中のＸ軸方向）の２つの方向に交互に配される２次元の周期構造を備える。

以下、凸部２３１の深さをｄｍ、凸部２３１と凹部２３２のＹ軸方向での繰り返し周期をＰｙ、凸部２３１のＹ軸方向の幅をａｙ、凹部２３２のＹ軸方向の幅をｂｙ、凸部２３１と凹部２３２のＸ軸方向での繰り返し周期をＰｘ、凸部２３１のＸ軸方向の幅をａｘ、凹部２３２のＸ軸方向の幅をｂｘと記す。なお、周期Ｐｙ＝ａｙ＋ｂｙであり、周期Ｐｘ＝ａｘ＋ｂｘである。また、周期Ｐｙに対する凸部幅ａｙの比をＤｙ＝ａｙ／Ｐｙ、周期Ｐｘに対する凸部幅ａｘの比をＤｘ＝ａｘ／Ｐｘと記す。

以下、反射防止構造２３は、凹部２３２が空気層であり、凸部２３１が、周期方向での（ＹＺ面およびＸＺ面の）断面形状が基板側の底辺に比べて空気側の上辺が狭い台形形状をなす例を用いて説明するが、凹部２３２は空気層に限定されず、また凸部２３１の断面形状も特に限定されない。なお、本例において、凸部２３１の台形の傾斜面が第１面となす角度は、ＹＺ断面・ＸＺ断面ともに、略０°〜２０°である。凸部２３１の幅ａｘ，ａｙおよび凹部２３２の幅ｂｘ，ｂｙはいずれも深さｄｍ／２における値とする。

本実施形態でも、透過型回折素子２０の第１面の法線方向をＺ軸とし、回折格子１２の周期方向である第１方向をＸ軸方向とした場合に、入射角θで透明基板１１の第１面側から入射した光が、回折格子１２で回折され、反射防止構造２３が形成された透明基板１１の第２面側から出射する場合を想定する。なお、入射角θはＸＺ面内の角度成分θ_ｘが主だが、ＹＺ面内の角度成分θ_ｙを有する配置であっても本実施形態の透過型回折素子２０、とくに反射防止構造２３は有効である。

本実施形態は、図５（ａ）のように、ＹＺ面内における入射角θ_ｙの光は、回折格子１２により回折されずに、入射角θ_ｙと同じ回折角θ_０ｙの０次透過光として反射防止構造２３に入射する。そして、その光は、反射防止構造２３で回折されずに回折角θ_０ｙを維持して透過型回折素子２０を透過する。また、図５（ｂ）のように、θに略等しいＸＺ平面内における入射角θ_ｘの光は、回折格子１２により回折角θ_１ｘの１次回折光となって反射防止構造２３に入射する。そして、その光は、反射防止構造２３で回折されずに回折角θ_１ｘを維持して透過型回折素子２０を透過する。

本実施形態でも、回折格子１２および反射防止構造２３を、ＹＺ平面での入射角θ_y＝０°のときに、回折格子１２の１次回折効率および反射防止構造２３の反射防止性能が最大になるように設計する。なお、入射角θ_yは１０°以下が好ましく、５°以下がより好ましく、３°以下がさらに好ましい。

図６は、本実施形態の反射防止構造２３の構成例である。図６（ａ）、図６（ｂ）および図６（ｃ）はそれぞれ、反射防止構造２３における、ＸＹ平面図（上面図）、ＸＺ平面図（側面図）およびＹＺ平面図（側面図）である。

以下、凸部２３１の２つの周期方向のうち、回折格子１２の周期方向に直交する第２方向を第１の周期方向といい、他方を第２の周期方向という。また、第２の周期方向とされる方向を第３方向ともいう。第２方向（図中のＹ軸方向）と第３方向とは直交関係にあると構造複屈折を利用したＸ軸方向およびＹ軸方向の屈折率の入射角依存性を調整できる効果が得られ好ましい。なお、第３方向は、回折格子１２の第１方向と異なってもよい。換言すると、第１の周期方向と第２の周期方向は直交しなくてもよい。

なお、図６には、第１の周期方向と第２の周期方向とが直交する例を示すが、この場合、凸部２３１の各々は、第１の周期方向であるＹ軸方向に平行な２辺と、第２の周期方向であるＸ軸方向に平行な２辺とからなる４辺に囲まれた矩形の外周形状となる。また、凸部２３１の各々は、第１の周期方向であるＹ軸方向に所定の間隔（周期Ｐｙ）で直線状に延びる形状と、第２の周期方向であるＸ軸方向に所定の間隔（周期Ｐｘ）で直線状に延びる形状とが重なる位置に配される。

凸部２３１のＹＺ断面およびＸＺ断面の形状は任意である。なお、第１の実施形態と同様、凸部２３１は、透明基板１１側から離れるＺ方向にａｙおよび／またはａｘが減少する構成等により、基板面から最表面に向かう高さ方向で１周期内の平均屈折率が低下する構成がより好ましい。例えば、凸部２３１の形状は、２つの周期方向の各々またはいずれかにおける、周期構造層の１周期に占める上面の幅の割合が底部の幅の割合以下となるのが好ましい。凸部２３１の断面形状が深さ方向で変化する場合、幅ａｙ，ａｘは深さ方向の平均値とすればよい。

また、凸部２３１の屈折率をｎｓ、周期Ｐｙおよび周期Ｐｘを入射光の最短波長λ_Ｓより短い構造とした場合、深さｄｍの周期構造層２３３の平均屈折率ｎ_ａｖｅは、式（６）で表される。

ｎ_ａｖｅ＝ｎｓ・Ｄｘ・Ｄｙ＋ｎａ・｛１−（Ｄｘ・Ｄｙ）｝ ・・・（６）

本例でも、凸部１３１の屈折率が透明基板１１と略同一であることを前提に、平均屈折率ｎ_ａｖｅ（より具体的にはＤｙおよびＤｘ）および深さｄｍを、単層の低反射条件と光学膜厚を考慮して調整する。なお、本実施形態では、Ｙ軸方向における凹部幅ｂｙに加えてＸ軸方向における凹部幅ｂｘの調整により空気の割合を増加できるので、所望の低屈折率の単層反射防止構造を得やすい。

その結果、透明基板１１の第２面に略垂直（第２面の法線に対するＹＺ面内の入射角θｙ＝０°〜１０°）に入射する波長λの光の反射率は偏光状態に関わらず０．８％以下となり、広い波長範囲（λ_Ｓ〜λ_Ｌ）で高い反射防止性能が得られる。なお、本実施形態でも斜入射に対応するために、実効屈折率を考慮してＤｙ、Ｄｘおよび深さｄｍを設定する。なお、実効屈折率を考慮するにあたり、Ｙ軸方向の周期構造による構造性複屈折率の偏光依存性を無視してもよく、例えば、Ｄｘに応じた平均屈折率の凸部２３１がＸ軸方向に直線状に延びているとみなしてもよい。なお、本実施形態も、より厳密には、Ｐ偏光とＳ偏光とに対して、非特許文献２に示される偏光方向である電磁界ベクトル成分を考慮して周期構造層２３３の反射率を求めながら、ＤｙおよびＤｘの最適値を決定すればよい。

また、回折格子１２で光損失となる回折光の発生を抑止し高い１次回折効率を得るために、ＺＸ面内で入射角θ（≒θ_ｘ）が３５°〜６５°の範囲内となる斜入射配置を考えた場合、第２の周期方向における周期Ｐｘは、格子周期Ｐｇより十分小さく設定される。具体的に、式（１）における格子周期Ｐに周期Ｐｘを代入した場合に、ｍ＝０以外の回折光が発生しないように設定される。なお、Ｐｇとの関係は、Ｐｘ≦Ｐｇ／２が好ましく、Ｐｘ≦Ｐｙ／２がより好ましい。

［第３の実施形態］
本実施形態では、多層構造の反射防止構造を備えた透過型回折素子３０について説明する。図７は、第３の実施形態の透過型回折素子３０の例を示す構成図である。透過型回折素子３０は、第１の実施形態の反射防止構造１３に代えて、反射防止構造３３を備える。反射防止構造３３は、周期構造層３３３と透明基板１１との間に、屈折率の異なる層を積層して、より広い角度範囲の入射光に対して偏光依存性を低減させる。

反射防止構造３３は、具体的に、周期構造層３３３に加えて、透明基板１１の屈折率ｎｇよりも高い屈折率ｎ_Ｈの材料からなる高屈折率層３１と、高屈折率層３１の屈折率ｎ_Ｈよりも低い屈折率ｎ_Ｌの材料からなる低屈折率層３２とをさらに有する。そして、それらが、透明基板１１の第２面上に、高屈折率層３１、低屈折率層３２、周期構造層３３３の順番に設けられている。

本実施形態の反射防止構造３３は、ｎ_Ｈ（高屈折率層３１）＞ｎ_Ｌ（低屈折率層３２）＞ｎ_ａｖｅ（周期構造層３３３）の屈折率関係の３層反射防止膜に相当する。以下、高屈折率層３１の厚さをｄ_Ｈ、低屈折率層３２の厚さをｄ_Ｌと記す。

ここで、周期構造層３３３は、各実施形態の反射防止構造が有するいずれかの周期構造層であればよい。すなわち、周期構造層３３３は、第１の実施形態の周期構造層１３３や、第２の実施形態の周期構造層２３３と同様の構成でよい。

高屈折率層３１は、Ｓｉ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかの材料またはその混合材料を用いて得られる誘電体膜が例示できる。また、低屈折率層３２は、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ１_１４、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２のいずれかの材料を用いて得られる誘電体膜が例示できる。さらに、凸部３３１の材料は、例えば、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ１_１４、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２のいずれかの材料を使用できる。

なお、屈折率ｎ_Ｈは１．６以上、屈折率ｎ_Ｌはｌ．５以下が好ましい。また、安定した光学特性が得られる膜密度の高い誘電体膜の成膜に有利なスパッタリング法を用いる場合、高屈折率層３１および低屈折率層３２には、酸化物誘電体膜を用いるとよい。

以下、反射防止構造３３の作製方法の一例を示す。本例では、合成石英からなる透明基板１１の第２面に、屈折率ｎ_Ｈで膜厚ｄ_Ｈの第１の誘電体膜と、屈折率ｎ_Ｌで膜厚ｄ_２＝ｄ_Ｌ＋ｄｍの第２の誘電体膜を成膜する。ここで、第１の誘電体膜はそのまま高屈折率層３１となる。

次に、第２の誘電体膜の表面を、膜厚ｄ_Ｌの低屈折率層３２となる誘電体膜を残すように、フォトリソグラフィとドライエッチングを行う。これにより、低屈折率層３２上に、所定の周期方向に凸部３３１と凹部３３２（空気）とが交互に並ぶ深さｄｍ（＜ｄ_Ｌ）の周期構造を有する周期構造層３３３が形成できる。すなわち、凸部３３１と低屈折率層３２の材料は同じであって、凸部３３１の屈折率ｎｓと低屈折率層３２の屈折率ｎＬとは略同一である。その際、周期構造層３３３の平均屈折率ｎ_ａｖｅは、凸部３３１の分散配置により、式（３）に示すように、第２の誘電体膜の屈折率すなわち低屈折率層３２の屈折率ｎ_Ｌより小さくできる。

なお、低屈折率層３２と凸部３３１の材料は、異なってもよい。その場合、屈折率ｎ_Ｈの第１の誘電体膜と、屈折率ｎ_Ｌの第２の誘電体膜と、凸部３３１となる屈折率ｎｓの第３の誘電体膜をそれぞれ厚さｄ_Ｈ、ｄ_Ｌ、ｄｍとなるよう成膜した後で、第３の誘電体膜のみを凸部３３１形状に加工してもよい。

また、膜厚ｄ_２＝ｄ_Ｌ＋ｄ_ｍの第２の誘電体膜の表面を、膜厚ｄ_Ｌの低屈折率層３２となる誘電体膜を残すようにして、周期構造層３３３を形成する方法を用いる場合、第１の実施形態と同様のエッチング調整層を設けてもよい。具体的には、本実施形態の透過型回折素子３０の他の例である図８のように、周期構造層３３３と低屈折率層３２との間に、凸部３３１の部材よりエッチングレートの低い膜材料からなるエッチング調整層３４を備えてもよい。なお、エッチング調整層３４は、周期構造層３３３（具体的に凸部３３１）の透明基板１１側の界面を構成する位置に設けられていればよい。

エッチング調整層３４を設ける場合、例えば、上記工程において、低屈折率層３２および凸部３３１となる膜厚ｄ_２の第２の誘電体膜に代えて、３層の膜構成からなる誘電体膜を成膜すればよい。具体的には、低屈折率層３２となる膜厚ｄ_Ｌの誘電体膜と、凸部３３１形状に加工される膜厚ｄｍの誘電体膜との間に、エッチング調整層３４となる誘電体膜を膜厚ｄ_ｓｐ＝５ｎｍ〜３０ｎｍで形成する。その結果、凸部３３１の深さｄｍの分布が安定し、反射防止性能のばらつきを低減できる。

［第４の実施形態］
本実施形態では、本発明の反射防止構造の他の適用例であるビームスプリッタ４０について図９を用いて説明する。ビームスプリッタ４０は、透明基板１１の第１面側に設けられる誘電体多層膜からなるダイクロイックミラー４２と、透明基板１１の第２面側に設けられる反射防止構造４３とを備える。なお、回折格子１２に代えてダイクロイックミラー４２を備える点が上記の各実施形態と異なる。

本実施形態でも、透明基板１１の第１面および第２面がＸＹ面に略平行であるとして説明する。以下、透明基板１１の第１面の法線（Ｚ軸方向）とＸ軸とを含むＸＹ面内に光軸を有する光が入射角θ_xでダイクロイックミラー４２に入射することを考える。なお、入射角θ_ｙは、１０°以下が好ましく、５°以下がより好ましく、３°以下がさらに好ましい。

ダイクロイックミラー４２は、透明な高屈折率の誘電体膜と低屈折率の誘電体膜を交互に、光学膜厚が入射光の波長程度以下に積層した構造からなる。その際、例えば、可視光を反射し、近赤外光を透過する分光特性を示す多層膜の各層の膜厚が調整される。

反射防止構造４３は、上記の各実施形態の反射防止構造のいずれかであればよい。なお、図９では、ビームスプリッタ４０が、第１の実施形態の反射防止構造１３と同じ反射防止構造４３を備える例を示したが、これに限定されない。例えば、反射防止構造４３の凸部４３１の断面形状はほぼ矩形であってもよく、また第２の実施形態の反射防止構造２３や第３の実施形態の反射防止構造３３と同じであってもよい。

以下、本実施形態のビームスプリッタ４０の使用例を示す。本使用例では、可視反射光と近赤外透過光の各光軸の成す角度が９０°となるように、入射角θ_x＝４５°とする。なお、ビームスプリッタ４０の入射光は、完全な平行光ではなく、約４５°を平均として、例えば、４５°±５°の角度範囲を有してもよい。

ビームスプリッタ４０は、ダイクロイックミラー４２側より入射する光のうち、可視光をダイクロイックミラー４２で反射し、近赤外光を透過する。このとき、近赤外光は、透明基板１１の第２面側に備えられた反射防止構造４３から入射光と同じ角度θ_xで出射する。反射防止構造４３を備えることにより、角度範囲４５°±５°で入射する近赤外光に対し、偏光状態に関わらず低反射率を実現する反射防止効果が得られる。とくに、近赤外光として可干渉性の強いレーザ光を用いる場合、第１面（ダイクロイックミラー４２）の反射光と第２面（反射防止構造４３）の反射光との多重干渉に起因した近赤外分光透過率変動が低減できるため、高精度の光計測に適用できる。

なお、上述した各実施形態では、反射防止構造を、周期構造層を最表面に少なくとも含む単層〜４層の構成としたが、透明基板１１に異なる屈折率の誘電体膜からなる４層以上の多層膜を成膜し、その最表面に周期構造層を形成してもよい。

また、各実施形態において、反射防止構造の周期構造層の製造方法として、単一材料を、断面が矩形または台形で直線格子形状の凸部に加工する例を示したが、屈折率の異なる複数の透明材料からなる多層構造層を凸部形状に加工してもよい。この場合においても、基板面から最表面に向かう高さ方向で１周期内の平均屈折率が低下する構成が好ましい。

また、反射防止構造の周期構造層をなす凸部を、例えば、透明樹脂材料を用いて形成してもよい。透明樹脂材料を用いる場合、成膜法としてスピンコート成膜や、インプリント用の金型を用いた樹脂転写などを用いてもよい。とくに、可視光が入射する反射防止構造の場合、周期構造の形成に、ナノインプリント用金型を用いた樹脂成型加工を用いるのが有効である。

また、反射防止構造は、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの斜入射光に対して機能する仕様を例示できるが、入射光の波長範囲に対応させて反射防止構造の各層の光学膜厚（屈折率×膜厚）および周期を調整すると、上記と異なる波長範囲に対しても同様の反射防止機能が得られる。例えば、所望の反射率等の光学特性が得られる波長範囲は、任意の中心波長λｃに対し、０．９５λｃ〜１．０５λｃが好ましく、０．９７λｃ〜１．０３λｃがより好ましい。

また、各実施形態では、透明基板の第１面に備えられた回折格子やビームスプリッタと、該透明基板の第２面に設けられた反射防止構造とを有する分光素子について説明したが、本発明の反射防止構造は、対向面に回折格子等の無い透明基板上に形成されてもよく、その場合でも、斜入射光に対する低反射の反射防止構造として有効である。

実施例１．
実施例１として、図１および図２に基づく、第１の実施形態の透過型回折素子１０の例を説明する。本例では、合成石英からなる透明基板１１の第１面に、凸部１２１と凹部１２２（空気）の周期構造である回折格子１２を形成する。回折格子１２の凸部１２１は、所定の膜厚になるようにＴａ_２Ｏ_５膜とＳｉＯ_２膜を交互に４層成膜した後、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、第１方向（Ｘ軸）に直線状に延びた周期Ｐｇ＝１０４０ｎｍで断面が台形形状の格子に加工する。

次に、透明基板１１の第２面に、凸部１３１と凹部１３２（空気）の周期構造からなる反射防止構造１３を形成する。反射防止構造１３の凸部１３１も、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、透明基板１１の合成石英（ｎｓ≒１．４５）表面を直接加工する。このとき凸部１３１が、第１方向（Ｘ軸）に直線状に延び、かつ第２方向（Ｙ軸）に周期Ｐｙ＝１０００ｎｍで並ぶ、断面が台形形状の格子に加工して、反射防止構造１３を得る。ここで、Ｄｙ＝ａｙ／Ｐｙ＝０．４３、深さｄｍ＝４５５ｎｍとし、凸部１３１の底辺と上辺はほぼ等しい傾斜角約２°の断面形状とする。なお、本例の反射防止構造１３の周期構造層１３３は、平均屈折率ｎ_ａｖｅ＝１．１９である。

得られた反射防止構造１３の反射率の計算結果を図１０Ａ〜図１０Ｃに示す。図１０Ａは、本実施例の透過型回折素子１０における反射防止構造１３に、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率計算結果を示すグラフである。グラフ中の注釈において、例えば「４５Ｓ」は、入射角４５°のＳ偏光を意味する。図１０Ａに示すように、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍでは、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°の光に対し、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに、反射率０．３％以下が得られる。

また、図１０Ｂは、同じ反射防止構造１３に、波長１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。図１０Ｂに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下が得られる波長範囲は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°では波長１４３０ｎｍ〜２０００ｎｍ以上、入射角θ＝θ_ｘ＝５０°では波長１３００ｎｍ以下〜１９４０ｎｍ、入射角θ＝θ_ｘ＝５５°では波長１３７０ｎｍ〜１８００ｎｍとなる。したがって、本実施例の反射防止構造１３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°および波長略１４３０ｎｍ〜略１８００ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造１３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°および波長略１５２０ｎｍ〜略１６７０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造１３は、入射角θ＝θ_ｘ＝５０°および波長略１５００ｎｍ〜略１７６０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

また、図１０Ｃは、同じ反射防止構造１３に、波長１５２０ｎｍ、１５７０ｎｍ、１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝３０°〜６５°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。グラフ中の注釈において、例えば「１５２０Ｓ」は、波長１５２０ｎｍのＳ偏光を意味する。図１０Ｃに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下が得られる角度範囲は、波長１５２０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝３３°〜６０°、波長１５７０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝３０°以下〜６０°、波長１６２０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝３０°以下〜６０°となる。したがって、本実施例の反射防止構造１３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略３３°〜略６０°および波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造１３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略４５°〜略５５°および波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造１３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略４８°〜略５３°および波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

実施例２．
次に、実施例２として、第３の実施形態の透過型回折素子３０の例を説明する。実施例１の反射防止構造１３は、図１０Ｃの反射率計算結果に示されるように、θ＝５０°以外で反射率の偏光依存性が増加傾向にあるが、このような偏光依存性は、図７に示した屈折率の異なる誘電体膜の積層構成により低減できる。また、同構成により反射率自体をさらに低減できる。

本例は、図７に示す透過型回折素子３０の構成において、合成石英からなる透明基板１１の第１面に回折格子１２を形成する。回折格子１２の構造および作製方法は、実施例１と同じである。

次に、スパッタリング法により、透明基板１１の第２面に、高屈折率層３１となる第１の誘電体膜として、屈折率ｎ_Ｈ＝２．１２のＴａ_２Ｏ_５膜を膜厚ｄ_１＝３５ｎｍで成膜する。さらに、その上に、低屈折率層３２および凸部３３１となる第２の誘電体膜として、屈折率ｎ_Ｌ＝１．４６のＳｉＯ_２膜を膜厚ｄ_２＝ｄ_Ｌ＋ｄ_ｍ＝１０００ｎｍで成膜する。次に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、第２の誘電体膜をＹＺ断面において周期Ｐｙ＝１０００ｎｍ、幅ｂｙ＝７４０ｎｍ、第１方向（Ｘ軸）に直線状に延びた深さｄｍ＝５４０ｎｍの断面が矩形状の凹部３３２を有する周期構造層３３３となるように加工する。その結果、上記の高屈折率層３１上に積層された、膜厚ｄ_Ｌ＝ｄ_２−ｄｍ＝４６０ｎｍのＳｉＯ_２膜からなる低屈折率層３２上に、周期Ｐｙ＝１０００ｎｍで幅ａｙ＝２６０ｎｍのＳｉＯ_２からなる凸部３３１が形成される。

ここで、凸部３３１は底辺と上辺がほぼ等しい矩形断面形状で、Ｄｙ＝ａｙ／Ｐｙ＝０．２６、深さｄｍ＝５４０ｎｍである。したがって、周期構造層３３３の平均屈折率ｎ_ａｖｅは１．１２となる。

このようにして、屈折率ｎｇの透明基板１１の上に、ｎ_Ｈ（高屈折率層３１）＞ｎ_Ｌ（低屈折率層３２）＞ｎ_ａｖｅ（周期構造層３３３）の屈折率関係の３層からなる反射防止構造３３を得る。なお、反射防止構造３３の入出射界面での屈折率関係は、ｎａ＜ｎ_ａｖｅ＜ｎ_Ｌ＜ｎ_Ｈ、かつｎａ＜ｎｇ＜ｎ_Ｈである。

得られた反射防止構造３３の反射率の計算結果を図１１Ａ〜図１１Ｃに示す。図１１Ａは、本実施例の透過型回折素子３０における反射防止構造３３に、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率計算結果を示すグラフである。図１１Ａに示すように、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍでは、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°の光に対し、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに、反射率０．１％以下が得られる。

また、図１１Ｂは、同じ反射防止構造３３に、波長１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。図１１Ｂに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下が得られる波長範囲は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°では波長１３９０ｎｍ〜２０００ｎｍ以上、入射角θ＝θ_ｘ＝５０°では１３００ｎｍ以下〜２０００ｎｍ、入射角θ＝θ_ｘ＝５５°では波長１３２０ｎｍ〜１９４０ｎｍとなる。したがって、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°および波長略１３９０ｎｍ〜略１９４０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°および波長略１４５０ｎｍ〜略１８３０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°および波長略１４７０ｎｍ〜略１７６０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

また、図１１Ｃは、同じ反射防止構造３３に、波長１５２０ｎｍ、１５７０ｎｍ、１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝２０°〜７０°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。図１１Ｃに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下の反射防止効果が得られる角度範囲は、波長１５２０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝２８°〜６６°、波長１５７０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝２０°以下〜６５°、波長１６２０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝２０°以下〜６３°となる。したがって、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝２８°〜６３°および波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略３６°〜略６１°および波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略３９°〜略６０°および波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

実施例３．
次に、実施例３として、図３に示す第３の実施形態の透過型回折素子３０の他の例を説明する。本例では、透過型回折素子３０の構成において、合成石英からなる透明基板１１の第１面に回折格子１２を形成する。回折格子１２の構造および作製方法は、実施例１と同じである。

次に、スパッタリング法により、透明基板１１の第２面に、高屈折率層３１となる第２の誘電体膜として屈折率ｎ_Ｈ＝１．６５のＡｌ_２Ｏ_３膜を膜厚ｄ_Ｈ＝１２３ｎｍで成膜し、その上に低屈折率層３２となる第２の誘電体膜として屈折率ｎ_Ｌ＝１．４６のＳｉＯ_２膜を膜厚ｄ_Ｌ＝４００ｎｍで成膜する。さらに、その上にエッチング調整層３４となる第３の誘電体膜としてＡｌ_２Ｏ_３膜を膜厚ｄ_ｓｐ＝１０ｎｍで成膜し、その上に、凸部３３１形状に加工される第４の誘電体膜として屈折率ｎ_Ｌ＝１．４６のＳｉＯ_２膜を膜厚ｄｍ＝５１０ｎｍで成膜する。本例では、ＳｉＯ_２よりドライエッチングレートの低いＡｌ_２Ｏ_３を用いて、かつ反射防止効果を奏する厚さのエッチング調整層３４を備える。

次に、実施例２と同様に、フォトリソグラフィとドライエッチングにより、最表面のＳｉＯ_２膜である第４の誘電体膜を、周期Ｐｙ＝１０００ｎｍ、幅ｂｙ＝７３０ｎｍ、第１方向（Ｘ軸）に直線状に延びた断面が矩形状の凹部３３２を有する周期構造層３３３となるように加工する。このとき、凹部３３２の深さは、第４の誘電体膜の成膜時の膜厚で規定される分布の深さｄｍを維持できる。このようにして、４層構造の反射防止構造３３を得る。

ここで、凸部３３１は底辺と上辺がほぼ等しい矩形断面形状で、Ｄｙ＝ａｙ／Ｐｙ＝０．２７、深さｄｍ＝５１０ｎｍである。したがって、周期構造層３３３の平均屈折率ｎ_ａｖｅは１．１２５となる。

得られた反射防止構造３３の反射率の計算結果を図１２Ａ〜図１２Ｃに示す。図１２Ａは、本実施例の透過型回折素子３０における反射防止構造３３に、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率計算結果を示すグラフである。図１２Ａに示すように、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍでは、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°の光に対し、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに、反射率０．０６％以下が得られる。すなわち、本実施例の反射防止構造３３は、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍおよび入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°の光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．０６％以下を実現できる。

また、図１２Ｂは、同じ反射防止構造３３に、波長１３００ｎｍ〜２０００ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。図１２Ｂに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下の反射防止効果が得られる波長範囲は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°では１３７０ｎｍ〜２０００ｎｍ以上、入射角θ＝θ_ｘ＝５０°では１３００ｎｍ以下〜２０００ｎｍ以上、入射角θ＝θ_ｘ＝５５°では１３００ｎｍ以下〜１９００ｎｍとなる。したがって、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°、波長略１３７０ｎｍ〜略１９００ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°、波長略１４３０ｎｍ〜略１７９０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°、波長略１４６０ｎｍ〜略１７６０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

また、図１２Ｃは、同じ反射防止構造３３に、波長１５２０ｎｍ、１５７０ｎｍ、１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝２０°〜７０°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。図１２Ｃに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下の反射防止効果が得られる角度範囲は、波長１５２０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝２２°〜６３°、波長１５７０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝２０°以下〜６３°、波長１６２０ｎｍでは入射角θ＝θ_ｘ＝２０°以下〜６３°となる。したがって、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略２２°〜略６３°、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略３５°〜略６１°、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造３３は、入射角θ＝θ_ｘ＝略３９°〜略６０°、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

実施例４．
次に、実施例４として、図９に基づき、第４の実施形態のビームスプリッタ４０の例を説明する。本例では、合成石英からなる透明基板１１の第１面にダイクロイックミラー４２を形成し、第２面に反射防止構造４３を形成する。

ダイクロイックミラー４２は、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２とを交互に８０層積層した構成とする。図１３は、本例のダイクロイックミラー４２の分光透過率の計算結果を示すグラフである。グラフ中の注釈において、例えば「Ｔ４０ｄｅｇ」は、入射角４０°の透過率を意味する。ダイクロイックミラー４２に用いた材料は、波長４００ｎｍ〜１０００ｎｍで光吸収のない誘電体材料であるため、１００％から図１３に示す透過率を差し引いた値を反射率としている。図１３に示すように、本例では、入射角４５°±５°の光に対し、波長４２０ｎｍ〜６５０ｎｍの可視光を９０％以上反射し、波長７３０ｎｍ〜１０００ｎｍの近赤外光を９５％以上透過する。

また、反射防止構造４３としては、透明基板１１の第２面に、基板と同じ合成石英からなる凸部４３１と、空気からなる凹部４３２とによる周期構造を形成する。このとき、凸部４３１が、第１方向（Ｘ軸）に直線状に延びた周期Ｐｙ＝６５５ｎｍで並ぶ、断面形状がほぼ矩形の格子となるように加工する。ここで、Ｄｙ＝ａｙ／Ｐｙ＝０．４３、深さｄｍ＝２４５ｎｍとする。なお、周期構造層４３３の平均屈折率はｎ_ａｖｅ＝１．１９である。

得られた反射防止構造４３の反射率の計算結果を図１４Ａおよび図１４Ｂに示す。図１４Ａは、本実施例の反射防止構造４３に、波長９００ｎｍ〜９８０ｎｍの近赤外光を、入射角θ_ｘ＝４５°±５°で入射したときの反射率計算結果を示すグラフである。なお、ＹＺ面内の入射角成分であるθ_ｙ＝０°±５°に対しても同様の反射率となる。図１４Ａに示すように、波長９００ｎｍ〜９８０ｎｍでは、入射角θ_ｘ＝４０°、４５°、５０°の光に対し、偏光状態に関わらず最大反射率０．３％以下が得られる。

また、図１４Ｂは、同じ反射防止構造４３に、波長８５０ｎｍ〜１１５０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４０°、４５°、５０°で入射したときの反射率の計算結果を示すグラフである。図１４Ｂに示すように、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下の反射防止効果が得られる波長範囲は、入射角θ＝θ_ｘ＝４０°では略８５０ｎｍ〜略１１５０ｎｍ以上、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°では略８５０ｎｍ〜略１１５０ｎｍ、入射角θ＝θ_ｘ＝５０°では略８５０ｎｍ〜略１０６０ｎｍとなる。なお、波長８００ｎｍ〜８５０ｎｍ未満は、反射防止構造４３による回折光の発生にともない透過率が低下するため対象外とした。したがって、本実施例の反射防止構造４３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４０°〜５０°、波長略８５０ｎｍ〜略１０６０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．８％以下を実現できる。また、本実施例の反射防止構造４３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４０°〜５０°、波長略８８０ｎｍ〜略９８０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．３％以下を実現できる。さらに、本実施例の反射防止構造４３は、入射角θ＝θ_ｘ＝４０°〜５０°、波長略９１０ｎｍ〜略９６０ｎｍの光に対し、偏光状態に関わらず反射率０．２％以下を実現できる。

比較例１．
比較例１として、誘電体多層膜による反射防止膜を考える。本例では、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍおよび入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°の光に対し、反射防止効果が最大になる設計をする。Ｔａ_２Ｏ_５膜（ｎ_Ｈ＝２．１２）とＳｉＯ_２膜（ｎ_Ｌ＝１．４６）を交互に、波長以下の光学膜厚で積層した場合、上記波長範囲および角度範囲における最大反射率は、１８層（総膜厚略４．７μｍ）で０．５％以上となり、２４層（総膜厚略６．２μｍ）で０．４％程度となる。このように、上記波長範囲および角度範囲での利用を考えた場合に、誘電体多層膜では、上記の各実施例の反射防止構造の反射率と同じレベル（０．３％以下）の反射防止効果の実現が困難なだけでなく、膜厚も増大する。さらに、反射防止膜の膜厚化に起因する残留膜応力による基板変形を低減するために、合成石英基板の厚板化も必要となる。

比較例２．
比較例２として、ナノ多孔質膜を利用した反射防止膜を考える。本例では、実施例３の周期構造層３３３と同等の平均屈折率および膜厚になるように設計する。具体的には、面内均一な低屈折率１．１２５の中空シリカからなるナノ多孔質膜を膜厚５１０ｎｍで形成する。なお、他の構成は、実施例３の反射防止構造３３と同様とする。

得られた反射防止膜の反射率の計算結果を図１５に示す。図１５は、本例の反射防止膜に、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍの光を、入射角θ＝θ_ｘ＝４５°、５０°、５５°で入射したときの反射率計算結果を示すグラフである。図１５に示すように、本例の反射防止膜は、波長１５２０ｎｍ〜１６２０ｎｍおよび入射角θ＝θ_ｘ＝４５°〜５５°の光に対し、反射率０．１６％以下を実現できるが、実施例３の反射防止構造３３と比べると、反射防止効果は劣る。

本発明は、斜入射光に対して高い反射防止性能を示しつつ、広い波長範囲および角度範囲に対して反射防止性能の変動を小さくできる。とくに、複数の波長の斜入射光を回折させる分光素子において、透明基板の分光作用を発現させる部位と対向する光入射面または光出射面に形成される反射防止構造として、好適である。

１０、２０、３０、９０ 透過型回折素子
１１、９１ 透明基板
１２、９２ 回折格子
１２１、９２１ 凸部
１２２、９２２ 凹部
１３、２３、３３、４３ 反射防止構造
１３１、２３１、３３１、４３１ 凸部
１３２、２３２、３３２、４３２ 凹部
１３３、２３３、３３３、４３３ 周期構造層
１４、３４ エッチング調整層
３１ 高屈折率層
３２ 低屈折率層
４０ ビームスプリッタ
４２ ダイクロイックミラー
９３ 反射防止膜

Claims (17)

1. 透明基板と、
   前記透明基板の第１面側に設けられる回折格子と、
   前記透明基板の前記第１面に対向する第２面側に設けられる反射防止構造とを備え、
   前記回折格子は、前記第１面内の第１方向に格子周期Ｐｇを持つ回折格子であり、
   前記反射防止構造は、凸部と凹部が前記透明基板の前記第２面内の少なくとも前記第１方向と直交する第２方向に交互に配される周期構造が設けられた周期構造層を有し、
   前記周期構造層における前記凸部の前記第２方向の周期をＰ_ＡＲｙとしたとき、Ｐ_ＡＲｙ≦１．３Ｐｇを満足する
   ことを特徴とする透過型回折光学素子。
2. 前記格子周期Ｐｇは、入射光の全波長域の波長λの０．５１〜１．４０倍であり、
   前記周期Ｐ_ＡＲｙは、前記入射光の最短波長λ_ｓより小さく、
   前記透明基板の前記第１面の法線方向をＺ軸方向、前記第２方向をＹ軸方向とする３次元直交座標系において、前記第１面の法線に対するＸＺ面内での角度を前記第１面側から入射する光の入射角θとしたとき、θ＝３５°〜６５°の範囲に、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下を満足する入射角θが少なくとも存在する
   請求項１に記載の透過型回折光学素子。
3. 前記周期構造層の平均屈折率ｎ_ａｖｅは、１．０５〜１．３５であり、前記凸部の深さｄｍと前記平均屈折率ｎ_ａｖｅで表される光学膜厚（ｎ_ａｖｅ・ｄｍ）が前記入射光の中心波長λｃの０．２〜０．５倍である
   請求項１または２に記載の透過型回折光学素子。
4. 前記凸部の屈折率ｎｓが、前記透明基板の屈折率ｎｇと略同一である
   請求項１〜３いずれか１項に記載の透過型回折光学素子。
5. 前記反射防止構造は、
   前記透明基板の屈折率ｎｇよりも高い屈折率ｎ_Ｈの材料からなる高屈折率層と、
   前記高屈折率層の屈折率ｎ_Ｈよりも低い屈折率ｎ_Ｌの材料からなる低屈折率層とをさらに備え、
   前記透明基板の前記第２面上に、前記高屈折率層と、前記低屈折率層と、前記周期構造層とがこの順番で備えられている
   請求項１〜４いずれか１項に記載の透過型回折光学素子。
6. 前記凸部の屈折率ｎｓが、前記低屈折率層の屈折率ｎ_Ｌと略同一である
   請求項５に記載の透過型回折光学素子。
7. 前記高屈折率層は、Ｓｉ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＨｆＯ_２、ＣｅＯ_２、ＺｒＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｙ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、Ａｌ_２Ｏ_３のいずれかの材料またはその混合材料からなる請求項５または６に記載の透過型回折素子。
8. 前記低屈折率層は、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ１_１４、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２のいずれかの材料からなる請求項５〜７いずれか１項に記載の透過型回折素子。
9. 前記反射防止構造は、前記凸部の透明基板側界面を構成する位置に、前記凸部の材料に比べてエッチングレートが小さい材料からなるエッチング調整層をさらに備えた
   請求項１〜８いずれか１項に記載の透過型回折光学素子。
10. 前記エッチング調整層は、３〜５０ｎｍの厚さである請求項９に記載の透過型回折素子。
11. 前記凹部は空気からなり、
    前記凸部は、Ｎａ_５Ａｌ_３Ｆ１_１４、Ｎａ_３ＡｌＦ_６、ＡｌＦ_３、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２のいずれかの材料からなる請求項１〜１０いずれか１項に記載の透過型回折素子。
12. 前記反射防止構造は、前記入射光の中心波長λｃに基づく波長域０．９７λｃ〜１．０３λｃに対し、Ｐ偏光およびＳ偏光いずれも反射率が０．３％以下である請求項２〜１１いずれか１項に記載の透過型回折素子。
13. 前記反射防止構造は、前記入射光の中心波長λｃに基づく波長域０．９７λｃ〜１．０３λｃに対し、Ｐ偏光およびＳ偏光いずれも反射率が０．１％以下である請求項２〜１１いずれか１項に記載の透過型回折素子。
14. 前記３次元直交座標において、前記透明基板の前記第２面の法線に対するＹＺ面内での角度をθｙとしたとき、前記入射光が、θｙ＝１０°以下である請求項１２または１３に記載の透過型回折素子。
15. 前記周期構造層には、前記凸部と前記凹部が、前記第２方向および前記第２面内の前記第２方向とは異なる第３方向の２つの方向に交互に配される２次元の周期構造が設けられている
    請求項１〜１４いずれか１項に記載の透過型回折光学素子。
16. 前記第２方向と前記第３方向とは直交する請求項１５に記載の透過型回折光学素子。
17. 透明基板の入射側もしくは出射側の面上に設けられる反射防止構造であって、
    凸部と凹部が、前記透明基板の前記面内の少なくとも所定の一方向に交互に配される周期構造が設けられた周期構造層を備え、
    前記周期構造層における前記凸部の前記方向の周期をＰ_ＡＲｙ、入射光の最短波長をλ_ｓとしたとき、Ｐ_ＡＲｙ＜λ_ｓを満たし、
    前記透明基板の前記面の法線方向をＺ軸方向、前記方向をＹ軸方向とする３次元直交座標系において、前記面の法線に対するＸＺ面内での角度を前記入射光の入射角θとしたとき、θ＝３５°〜６５°の範囲に、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率０．８％以下を満足する入射角θが少なくとも存在する
    ことを特徴とする反射防止構造。
    

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