JP3189922B2 - Diffractive optical element - Google Patents
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Description
【０００１】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、回折光学素子、特に斜
め入射光に対してグレーティング周期の小さい領域でも
回折効率が良い回折光学素子に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a diffractive optical element, and more particularly to a diffractive optical element having good diffraction efficiency even in a region where a grating period is small for obliquely incident light.
【０００２】[0002]
【従来の技術】回折光学素子は光の回折現象を利用する
光学素子であり、複数のグレーティングパターン（回折
格子）により構成されている。一般に、回折光学素子で
は回折効率がどの位達成できるかは非常に重要な要素で
ある。従来の回折光学素子として、図９に示す垂直入射
用の回折形のマイクロレンズが知られている（J. Jahns
and S. J. Walker : " Two-dimensional array of diff
ractive microlenses fabricated by thin film deposi
tion", Applied Optics Vol. 29, No. 7, pp. 931-936
(1990).）。図９において、（ａ）は平面図であり、
（ｂ）はその側部断面図である。図９から明らかなよう
に、この従来の回折光学素子は垂直入射光を集光又はコ
リメートするためのものであり、基板１上に同心円のグ
レーティングパターン７が設けられている。グレーティ
ングパターン７は、外周に行くにつれてグレーティング
周期が小さくなるように構成されている。各グレーティ
ングパターンの断面は矩形形状であり、１つの周期にお
ける空気層以外の領域の比であるデューティ比は０．５
で設計されている。その理由は、グレーティングパター
ンの断面が矩形の場合のデューティ比が０．５のとき、
回折効率が最も大きい（４１％）ことが知られているた
めである。2. Description of the Related Art A diffractive optical element is an optical element utilizing a light diffraction phenomenon, and is constituted by a plurality of grating patterns (diffraction gratings). Generally, how much diffraction efficiency can be achieved in a diffractive optical element is a very important factor. As a conventional diffractive optical element, a diffractive microlens for normal incidence shown in FIG. 9 is known (J. Jahns
and SJ Walker: "Two-dimensional array of diff
ractive microlenses fabricated by thin film deposi
tion ", Applied Optics Vol. 29, No. 7, pp. 931-936
(1990).). In FIG. 9, (a) is a plan view,
(B) is a side sectional view thereof. As is apparent from FIG. 9, this conventional diffractive optical element is for condensing or collimating vertically incident light, and a concentric grating pattern 7 is provided on a substrate 1. The grating pattern 7 is configured such that the grating period becomes smaller toward the outer periphery. The cross section of each grating pattern is rectangular, and the duty ratio, which is the ratio of the area other than the air layer in one cycle, is 0.5.
Designed with. The reason is that when the duty ratio is 0.5 when the cross section of the grating pattern is rectangular,
This is because it is known that the diffraction efficiency is the highest (41%).
【０００３】[0003]
【発明が解決しようとする課題】上記回折効率及び矩形
断面を有するグレーティングパターンのデューティ比の
関係を考慮すると、回折光学素子のグレーティングパタ
ーンが矩形断面の場合、デューティ比が０．５のとき回
折効率が最も高くなるであろうことは容易に推定され
る。実際、入射光が垂直方向から傾いた斜入射光になっ
た場合、グレーティング周期の大きい領域においては、
推定通り矩形断面のデューティ比がほぼ０．５のときに
回折効率は最も高かった。しかし、グレーティングパタ
ーンの矩形断面のデューティ比が０．５である従来の回
折光学素子では、グレーティング周期が入射光の波長に
近い領域では、回折効率が低下するという問題点がある
ことを本発明者らは見いだした。本発明は、上記問題点
を解決するためになされたものであり、斜め入射光に対
してグレーティング周期の小さい領域でも回折効率がよ
い、矩形断面のグレーティングを有する回折光学素子を
提供することを目的としている。Considering the relationship between the diffraction efficiency and the duty ratio of a grating pattern having a rectangular cross section, when the grating pattern of a diffractive optical element has a rectangular cross section, the diffraction efficiency is 0.5 when the duty ratio is 0.5. Is likely to be the highest. In fact, when the incident light becomes obliquely incident light inclined from the vertical direction, in the region where the grating period is large,
As estimated, the diffraction efficiency was highest when the duty ratio of the rectangular section was approximately 0.5. However, in the conventional diffractive optical element in which the duty ratio of the rectangular cross section of the grating pattern is 0.5, there is a problem that the diffraction efficiency is reduced in a region where the grating period is close to the wavelength of the incident light. Were found. The present invention has been made to solve the above problems, and has an object to provide a diffractive optical element having a grating having a rectangular cross section, which has good diffraction efficiency even in a region where the grating period is small with respect to oblique incident light. And
【０００４】[0004]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の回折光学素子は、基板と、前記基板上に形
成された断面が矩形形状であるグレーティング部を具備
し、前記グレーティング部の周期は１次回折光が生じる
範囲にあって、前記グレーティング部は、周期が入射光
の波長に近い第１の領域と、前記周期が前記第１の領域
における周期より大きい第２の領域を具備し、前記第１
の領域は、前記第２の領域の矩形断面のデューティ比
（１つの周期における空気層以外の領域の割合）より小
さいデューティ比を有することにより、斜入射光に対し
て前記第１の領域の回折効率を高めたことを特徴とす
る。上記構成において、グレーティング部の周期が入射
波長の３〜４倍より小さい領域において、前記グレーテ
ィング部の矩形断面のデューティ比を０．５より小さく
することが好ましい。また、グレーティング部の矩形断
面のデューティ比は、グレーティング部の周期が小さく
なるにつれて徐々に小さくなることが好ましい。また、
グレーティング部の溝の深さが、前記グレーティング部
の周期に応じて異なることを特徴とする請求項１記載の
回折光学素子。また、グレーティング部の周期が入射波
長の３〜４倍より小さい領域において、前記グレーティ
ング部の溝の深さが徐々に小さくなることが好ましい。
また、グレーティング部のパターンは中心対称で、かつ
一の方向に凸の曲線であり、前記凸の方向にグレーティ
ング周期が徐々に小さくなることが好ましい。また、グ
レーティング部のパターンは直線であり、徐々にグレー
ティング周期が変化することが好ましい。[MEANS FOR SOLVING THE PROBLEMS] To achieve the above object
The diffractive optical element of the present invention comprises a substrate and a
Equipped with a grating section whose cross section is rectangular
And the period of the grating portion is such that first-order diffracted light is generated.
In the range,The grating section has a cycle of incident light.
A first region close to the wavelength of
A second region larger than the period in
Area is the duty ratio of the rectangular section of the second area.
(Ratio of area other than air layer in one cycle)Less than
With a low duty ratio,
To enhance the diffraction efficiency of the first region.Characterized by
You. In the above configuration, the grating period is incident
In a region smaller than three to four times the wavelength,
The duty ratio of the rectangular section of the bearing part to less than 0.5
Is preferred. Also, the rectangular section of the grating
The duty ratio of the surface is such that the period of the grating part is small.
It is preferred that it gradually decreases as it becomes. Also,
The depth of the groove in the grating portion is
2. The method according to claim 1, wherein the difference is made in accordance with the period of
Diffractive optical element. In addition, the period of the grating
In an area smaller than 3 to 4 times the length,
It is preferable that the depth of the groove of the ring portion gradually decreases.
The pattern of the grating part is symmetrical about the center, and
The curve is convex in one direction, and the gray curve is in the convex direction.
It is preferable that the ringing cycle gradually decreases. Also,
The pattern of the rating part is a straight line and gradually becomes gray.
It is preferable that the timing cycle changes.
【０００５】[0005]
【作用】矩形断面を有するグレーティングに対して入射
光が垂直方向から傾斜して入射する場合、グレーティン
グ部の周期に応じて回折効率が高くなる最適なデューテ
ィ比が存在する。そのため、各グレーティング部の周期
に応じてそのグレーティング部の矩形断面のデューティ
比（１つの周期における空気層以外の領域の割合）を最
適な値となるように設定することにより、回折光学素子
全域にわたって回折効率が高くなる。In the case where incident light is incident on a grating having a rectangular cross section while being inclined from the vertical direction, there is an optimum duty ratio at which the diffraction efficiency is increased in accordance with the period of the grating section. Therefore, by setting the duty ratio (the ratio of the area other than the air layer in one cycle) of the rectangular section of the grating section to an optimal value according to the cycle of each grating section, the entire area of the diffractive optical element is set. Diffraction efficiency increases.
【０００６】[0006]
【実施例】本発明の回折光学素子の第１の実施例を図１
から図５までを用いて詳細に説明する。図１において、
（ａ）は本発明の回折光学素子の第１の実施例の基本構
成を示す断面図であり、（ｂ）はその平面図である。図
２は第１の実施例において、入射光の入射角θ＝２０°
の場合の規格化グレーティング周期と１次回折光の回折
効率との関係を示す図である。図３は第１の実施例にお
いて、入射光の入射角θ＝３０°の場合の規格化グレー
ティング周期と１次回折光の回折効率との関係を示す図
である。図４は第１の実施例における規格化グレーティ
ング周期とデューティ比との関係を示す図である。図５
は第１の実施例における集光の様子を示す図である。図
１に示すように、第１の実施例に係る回折光学素子は、
基板１及び基板１の上に形成されたグレーティング部２
を具備する。グレーティング部２は、断面が矩形形状で
あり、（ａ）に示すｄ／Λで表わされるデューティ比が
その周期に応じて異なるように構成されている。ここ
で、Λはグレーティング周期であり、ｄはその周期にお
ける空気層以外の領域のサイズである。後に詳述する
が、グレーティング部２のグレーティング周期が大きい
領域では、デューティ比はほぼ０．５であるが、グレー
ティング周期が小さくなるにつれてデューティ比が小さ
くなるように設定されている。また、溝の深さｈはグレ
ーティング周期にかかわらず一定である。第１の実施例
の回折光学素子は、例えば口径１ｍｍ（円形開口）、入
射光の波長λ＝０．６３２８μｍ、入射角θ＝２０°、
グレーティング部２は周期が例えば０．６３３μｍから
６．３μｍで最大溝の深さは例えばｈ＝０．６３μｍで
ある。FIG. 1 shows a first embodiment of the diffractive optical element of the present invention.
This will be described in detail with reference to FIGS. In FIG.
(A) is a sectional view showing a basic configuration of a first embodiment of the diffractive optical element of the present invention, and (b) is a plan view thereof. FIG. 2 shows an incident angle θ of incident light of 20 ° in the first embodiment.
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between the normalized grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the case of FIG. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the normalized grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light when the incident angle θ of the incident light is 30 ° in the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the normalized grating period and the duty ratio in the first embodiment. FIG.
FIG. 6 is a diagram showing a state of light collection in the first embodiment. As shown in FIG. 1, the diffractive optical element according to the first embodiment includes:
Substrate 1 and grating portion 2 formed on substrate 1
Is provided. The grating section 2 has a rectangular cross section, and is configured such that the duty ratio represented by d / Λ shown in FIG. Here, Λ is the grating period, and d is the size of the area other than the air layer in that period. As will be described later in detail, in a region where the grating period of the grating unit 2 is large, the duty ratio is substantially 0.5, but the duty ratio is set to decrease as the grating period decreases. Further, the depth h of the groove is constant regardless of the grating period. The diffractive optical element of the first embodiment has, for example, an aperture of 1 mm (circular aperture), a wavelength λ of incident light = 0.6328 μm, an incident angle θ = 20 °,
The grating section 2 has a period of, for example, from 0.633 μm to 6.3 μm, and the maximum groove depth is, for example, h = 0.63 μm.
【０００７】入射光が垂直方向から傾いた斜入射光であ
る場合、グレーティング部２のグレーティング周期が大
きい領域では、矩形形状のデューティ比がほぼ０．５の
ときが回折効率は最も高かった。しかし、本発明者らは
グレーティング周期が入射光の波長に近づく領域ではデ
ューティ比が小さいほうが回折効率が大きくなる傾向に
あることを発見した。その詳細を以下に述べる。入射光
の入射角がθ＝２０°、グレーティング部２の屈折率が
ｎ＝１．５の場合について、回折効率と規格化グレーテ
ィング周期Λ／λ（λ：波長）との関係を図２に示す。
図２において実線で示したように、デューティ比が０．
５の場合、グレーティング周期が大きい領域で回折効率
が約４０％示すが、グレーティング周期が小さくなり波
長の３倍程度になると回折効率が低下する。一方、デュ
ーティ比が０．４及び０．３の場合、それぞれ、一点鎖
線、点線で示すようにグレーティング周期が大きい領域
で回折効率はデューティ比が０．５の場合より小さい
が、グレーティング周期が小さくなってくるとデューテ
ィ比が０．５の場合より回折効率が向上することがわか
る。同様に、入射角がθ＝３０°である場合における回
折効率と規格化グレーティング周期Λ／λ（λ：波長）
との関係を図３に示す。やはり、各グレーティング周期
に関して、回折効率が高くなるデューティ比が存在する
ことがわかる。従って、グレーティング部２のグレーテ
ィング周期に応じて、回折効率を高くするデューティ比
にする構造にすれば、回折光学素子全域にわたって回折
効率が高くなることがわかる。When the incident light is obliquely incident light inclined from the vertical direction, in a region where the grating period of the grating section 2 is large, the diffraction efficiency is highest when the rectangular duty ratio is approximately 0.5. However, the present inventors have discovered that in a region where the grating period approaches the wavelength of the incident light, the smaller the duty ratio, the higher the diffraction efficiency. The details are described below. FIG. 2 shows the relationship between the diffraction efficiency and the normalized grating period Λ / λ (λ: wavelength) when the incident angle of the incident light is θ = 20 ° and the refractive index of the grating unit 2 is n = 1.5. .
As shown by the solid line in FIG.
In the case of 5, the diffraction efficiency is about 40% in a region where the grating period is large, but the diffraction efficiency decreases when the grating period becomes small and becomes about three times the wavelength. On the other hand, when the duty ratio is 0.4 and 0.3, the diffraction efficiency is smaller than the case where the duty ratio is 0.5, but the grating period is small in the region where the grating period is large as shown by the one-dot chain line and the dotted line, respectively. It can be seen that the diffraction efficiency is more improved when the duty ratio is 0.5. Similarly, the diffraction efficiency and the normalized grating period Λ / λ (λ: wavelength) when the incident angle is θ = 30 °
Is shown in FIG. Again, it can be seen that there is a duty ratio at which the diffraction efficiency increases for each grating period. Therefore, it is understood that the diffraction efficiency is increased over the entire area of the diffractive optical element if the duty ratio is set to increase the diffraction efficiency according to the grating period of the grating section 2.
【０００８】第１の実施例では、例えば図４に示すよう
にデューティ比を設定した。すなわち、グレーティング
周期が大きい領域では、デューティ比を０．４５〜０．
５とし、デューティ比をほぼ０．５とした。一方、グレ
ーティング周期が小さくなる領域では、図４に示される
曲線に従ってデューティ比を変化させた。デューティ比
の最適変化曲線は種々の条件により異なるが、グレーテ
ィング部の周期が入射波長の３〜４倍より小さい領域に
おいてデューティ比を０．５より小さくすればよい。一
般的傾向として、グレーティング部の周期が小さくなる
につれて、デューティ比を徐々に小さくすれば回折効率
が向上するといえる。In the first embodiment, the duty ratio is set, for example, as shown in FIG. That is, in a region where the grating period is large, the duty ratio is set to 0.45 to 0.5.
5, and the duty ratio was approximately 0.5. On the other hand, in the region where the grating period becomes small, the duty ratio was changed according to the curve shown in FIG. Although the optimum change curve of the duty ratio varies depending on various conditions, the duty ratio may be smaller than 0.5 in a region where the period of the grating portion is smaller than 3 to 4 times the incident wavelength. As a general tendency, it can be said that the diffraction efficiency is improved by gradually reducing the duty ratio as the period of the grating section is reduced.
【０００９】図５に示すように、上記第１の実施例の回
折光学素子は、斜め入射光５を垂直に出射させる（出射
光６）透過形のオフアキシスレンズである。オフアキシ
スレンズとは、入射光の光軸と出射光の光軸が異なるレ
ンズのことである。図５において、光５が伝播する領域
の基板１の表面と裏面には反射層４Ａ及び４Ｂが堆積さ
れており、基板１内を光が繰返し反射されジグザグに伝
播し、グレーティング部２から垂直出射される。斜入射
光５を垂直集光光にするために、グレーティング部２の
パターン形状は、図１の（ｂ）に示すように中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、上記凸の方向にグレ
ーティング周期が徐々に小さくなり、同時にパターンの
曲率も大きくなるような形状に構成されている。さらに
詳述すると、図１及び図５に示す座標系において、入射
光の波長をλ、基板１の屈折率をｎ、入射角をθとする
と、第１の実施例の回折光学素子の位相シフト関数は、
Φ（ｘ，ｙ）＝ｋ（（ｘ2＋ｙ2＋ｆ2）1/2＋ｎｙｓｉｎ
θ−ｆ）−２ｍπで表される。ただし、ｋ＝λ／２π、
ｍは０≦Φ≦２πを満たす整数であり、グレーティング
パターンの次数を表わしている。この位相シフト関数か
ら、次数ｍのグレーティング部２の曲線形状は、中心が
（０、−ｎｓｉｎθ（ｍλ＋ｆ）／（１−ｎ2ｓｉｎ
2θ））であり、短軸（ｘ軸）の長さｄx＝２（ｍ2λ2＋
２ｍλｆ＋ｎ2ｆ2ｓｉｎ2θ）1/2／（１−ｎ2ｓｉｎ
2θ）1/2、長軸（ｙ軸）の長さｄy＝ｄx／（１−ｎ2ｓ
ｉｎ2θ）1/2である楕円曲線の上部である。As shown in FIG. 5, the diffractive optical element of the first embodiment is a transmissive off-axis lens that emits obliquely incident light 5 vertically (emitted light 6). An off-axis lens is a lens in which the optical axis of incident light and the optical axis of outgoing light are different. In FIG. 5, reflective layers 4A and 4B are deposited on the front surface and the back surface of the substrate 1 in the region where the light 5 propagates, and the light is repeatedly reflected in the substrate 1 and propagates in a zigzag manner. Is done. In order to convert the obliquely incident light 5 into vertically condensed light, the pattern shape of the grating part 2 is a centrally symmetrical and convex curve in one direction as shown in FIG. The grating period is gradually reduced, and at the same time, the curvature of the pattern is increased. More specifically, assuming that the wavelength of the incident light is λ, the refractive index of the substrate 1 is n, and the incident angle is θ in the coordinate systems shown in FIGS. 1 and 5, the phase shift of the diffractive optical element of the first embodiment is described. the function is,
Φ (x, y) = k ((x 2 + y 2 + f 2 ) 1/2 + nysin
θ−f) −2mπ. Where k = λ / 2π,
m is an integer satisfying 0 ≦ Φ ≦ 2π, and represents the order of the grating pattern. From this phase shift function, the curve shape of the grating section 2 of order m is centered at (0, −nsin θ (mλ + f) / (1−n 2 sin).
2 theta)) and is, minor axis (the length of the x-axis) d x = 2 (m 2 λ 2 +
2mλf + n 2 f 2 sin 2 θ) 1/2 / (1-n 2 sin
2 theta) 1/2, the long axis of the (y-axis) length d y = d x / (1 -n 2 s
in 2 θ) 1/2 is the upper part of the elliptic curve.
【００１０】基板１及びグレーティング部２は使用波長
に対して透明であればよく、例えばガラスや合成樹脂等
の材料で形成されている。使用光が赤外光の場合、基板
１及びグレーティング部２の材料として、ＳｉやＧａＡ
ｓ等の半導体を使用することも可能である。上記第１の
実施例の回折光学素子の製造方法として、電子ビーム描
画法を用いた。すなわち、例えばＰＭＭＡやＣＭＳ等の
電子ビームレジスト等の電子ビームに感光する合成樹脂
を基板１上にコーティングし、合成樹脂コーティング層
に電子ビームを照射し、現像処理をすることによって回
折光学素子を形成した。なお、回折光学素子の仕様とし
て、上記以外にも目的に応じて任意のものが作製可能で
ある。The substrate 1 and the grating section 2 need only be transparent to the wavelength used, and are formed of a material such as glass or synthetic resin. When the light used is infrared light, the material of the substrate 1 and the grating part 2 may be Si or GaAs.
It is also possible to use a semiconductor such as s. As a method for manufacturing the diffractive optical element of the first embodiment, an electron beam drawing method was used. That is, for example, a synthetic resin sensitive to an electron beam such as an electron beam resist such as PMMA or CMS is coated on the substrate 1, and the synthetic resin coating layer is irradiated with the electron beam and developed to form a diffractive optical element. did. In addition, as the specifications of the diffractive optical element, any other than the above can be manufactured according to the purpose.
【００１１】大量生産を行う場合、例えばニッケル電鋳
法で金型を作製し、例えば紫外線（ＵＶ）硬化樹脂を用
いて金型から複製することにより、原盤と同一のレンズ
素子を低価格で作製することが可能である。特に、回折
光学素子がアレイ状に配列されている場合、この方法を
用いることにより、同一特性の回折光学素子を同時に精
度よく形成できる。また、例えばイオンビームエッチン
グにより、合成樹脂（電子ビームレジスト）で形成した
グレーティング部２の形状を、例えばガラス基板１に転
写することにより、温度的にも非常に安定する。In mass production, for example, a mold is manufactured by a nickel electroforming method, and the same lens element as that of the master is manufactured at a low cost by, for example, duplicating the mold using an ultraviolet (UV) curable resin. It is possible to In particular, when the diffractive optical elements are arranged in an array, by using this method, diffractive optical elements having the same characteristics can be simultaneously formed with high accuracy. Further, by transferring the shape of the grating portion 2 formed of a synthetic resin (electron beam resist) to, for example, the glass substrate 1 by, for example, ion beam etching, the temperature is very stable.
【００１２】次に、本発明の回折光学素子の第２の実施
例の基本構成を図６に示す。図６は第２の実施例の回折
光学素子の平面図である。なお、上記第１の実施例と同
一の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につ
いて説明する。図６に示すように、第２の実施例の回折
光学素子は、グレーティング部２’のパターンは直線で
あり、徐々にグレーティング周期が変化しているシリン
ドリカルオフアキシスレンズである。すなわち、第２の
実施例の回折光学素子は、斜め入射光を一軸方向（ｙ方
向）のみ集光する。なお、断面は図１の（ａ）に示した
構成と実質的に同じである。従って、このような一軸方
向のシリンドリカルレンズでも、矩形断面のデューティ
比を変化させることにより回折効率が向上し、第１の実
施例の回折光学素子と同様の効果を奏する。FIG. 6 shows the basic structure of a second embodiment of the diffractive optical element according to the present invention. FIG. 6 is a plan view of the diffractive optical element of the second embodiment. The description of the same parts as in the first embodiment is omitted, and different parts will be described. As shown in FIG. 6, the diffractive optical element of the second embodiment is a cylindrical off-axis lens in which the pattern of the grating section 2 'is a straight line and the grating period is gradually changed. That is, the diffractive optical element of the second embodiment focuses obliquely incident light only in one axial direction (y direction). The cross section is substantially the same as the configuration shown in FIG. Therefore, even in such a uniaxial cylindrical lens, the diffraction efficiency is improved by changing the duty ratio of the rectangular cross section, and the same effect as that of the diffractive optical element of the first embodiment can be obtained.
【００１３】次に、本発明の回折光学素子の第３の実施
例を図７及び図８を用いて説明する。図７は第３の実施
例に係る回折光学素子の基本構成を示す断面図である。
図８は第３の実施例の回折光学素子における規格化グレ
ーティング周期と１次回折光の回折効率との関係を示す
図である。なお、上記第１の実施例と同一の部分につい
てはその説明を省略し、異なる部分について説明する。
図７に示すように、第３の実施例に係る回折光学素子
は、グレーティング部２”の周期に応じて、デューティ
比だけでなく、その溝の深さも変化させた構造を有して
いる。図８に示すように、規格化グレーティング周期が
３以上の領域ではグレーティング部２の溝の深さを一定
とし、規格化グレーティング周期が３以下の領域ではグ
レーティング部２”の溝の深さを回折効率の値がほぼ一
定になるように変化させた。種々の条件により、溝の深
さの変化曲線は異なるが、グレーティング部２”の周期
が入射波長の３〜４倍より小さい領域において溝の深さ
を変化させればよい。一般的傾向として、グレーティン
グ部の周期が小さくなるにつれて、溝の深さを徐々に小
さくすればよいといえる。第３の実施例では、このよう
にグレーティング部２”の周期に応じてデューティ比と
溝の深さを変化させ、グレーティング周期の小さい領域
でも回折効率の低下を防ぐように構成したので、グレー
ティング部２”の全領域にわたり回折効率の値をほぼ一
定にすることができ、回折光学素子の集光スポットの光
分布が均一になるという効果を奏する。Next, a third embodiment of the diffractive optical element according to the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a sectional view showing a basic configuration of the diffractive optical element according to the third example.
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the normalized grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the diffractive optical element of the third embodiment. The description of the same parts as in the first embodiment is omitted, and different parts will be described.
As shown in FIG. 7, the diffractive optical element according to the third example has a structure in which not only the duty ratio but also the depth of the groove is changed according to the period of the grating section 2 ″. As shown in FIG. 8, the depth of the groove of the grating portion 2 is made constant in a region where the normalized grating period is 3 or more, and the depth of the groove of the grating portion 2 ″ is diffracted in a region where the normalized grating period is 3 or less. The value of the efficiency was changed so as to be almost constant. Although the change curve of the groove depth varies depending on various conditions, the groove depth may be changed in a region in which the period of the grating portion 2 ″ is smaller than 3 to 4 times the incident wavelength. It can be said that the depth of the groove should be gradually reduced as the period of the grating portion becomes smaller.In the third embodiment, the duty ratio and the depth of the groove are set in accordance with the period of the grating portion 2 ". Since the diffraction efficiency is changed so as to prevent the diffraction efficiency from lowering even in the area where the grating period is small, the value of the diffraction efficiency can be made substantially constant over the entire area of the grating section 2 ″, and the converging spot of the diffractive optical element can This has the effect of making the light distribution uniform.
【００１４】なお、上記各実施例では、本発明を斜入射
光を垂直に集光するオフアキシスレンズに適用した場合
について説明したが、オフアキシス形レンズだけでなく
他の形式の回折光学素子に適用した場合であっても、入
射光が斜め方向の場合に同様の効果を奏する。In each of the embodiments described above, the case where the present invention is applied to an off-axis lens that condenses obliquely incident light vertically is described. However, the present invention is applied not only to an off-axis type lens but also to other types of diffractive optical elements. The same effect can be obtained even when the incident light is oblique.
【００１５】[0015]
【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折光学
素子の各グレーティング部の周期に応じてそのグレーテ
ィング部の矩形断面のデューティ比を最適な値となるよ
うに設定するように構成したので、特に斜め入射光に対
してグレーティング周期の小さい領域でも回折効率がよ
い断面が矩形形状の回折光学素子が実現可能である。ま
た、グレーティング部の周期に応じてデューティ比と溝
の深さを変化させることにより、グレーティング部の全
領域にわたり回折効率の値をほぼ一定にすることがで
き、回折光学素子の集光スポットの光分布を均一にする
ことができる。As described above, according to the present invention, the duty ratio of the rectangular cross section of the grating section is set to an optimum value in accordance with the period of each grating section of the diffractive optical element. Therefore, it is possible to realize a diffractive optical element having a rectangular section with good diffraction efficiency even in a region where the grating period is small particularly for obliquely incident light. Further, by changing the duty ratio and the depth of the groove in accordance with the period of the grating section, the value of the diffraction efficiency can be made substantially constant over the entire area of the grating section, and the light of the condensing spot of the diffractive optical element can be obtained. The distribution can be made uniform.
【図１】（ａ）は本発明の回折光学素子の第１実施例の
基本構成を示す断面図、（ｂ）はその平面図FIG. 1A is a sectional view showing a basic configuration of a first embodiment of a diffractive optical element of the present invention, and FIG. 1B is a plan view thereof.
【図２】第１の実施例における入射光の入射角θ＝２０
°の場合の規格化グレーティング周期と１次回折光の回
折効率との関係を示す図FIG. 2 shows the incident angle θ of incident light in the first embodiment = 20.
Diagram showing the relationship between the normalized grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the case of °
【図３】第１の実施例における入射光の入射角θ＝３０
°の場合の規格化グレーティング周期と１次回折光の回
折効率との関係を示す図FIG. 3 is an incident angle θ of incident light in the first embodiment = 30.
Diagram showing the relationship between the normalized grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the case of °
【図４】第１の実施例における規格化グレーティング周
期とデューティ比との関係を示す図FIG. 4 is a diagram showing a relationship between a normalized grating period and a duty ratio in the first embodiment.
【図５】第１の実施例における集光の様子を示す図FIG. 5 is a diagram showing a state of light collection in the first embodiment.
【図６】本発明の回折光学素子の第２の実施例の基本構
成を示す平面図FIG. 6 is a plan view showing a basic configuration of a second embodiment of the diffractive optical element of the present invention.
【図７】本発明の回折光学素子の第３の実施例の基本構
成を示す断面図FIG. 7 is a sectional view showing a basic configuration of a third embodiment of the diffractive optical element of the present invention.
【図８】第３の実施例における規格化グレーティング周
期と１次回折光の回折効率との関係を示す図FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the normalized grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the third embodiment.
【図９】（ａ）は従来の回折光学素子の構成を示す平面
図、（ｂ）はその断面図9A is a plan view showing a configuration of a conventional diffractive optical element, and FIG. 9B is a cross-sectional view thereof.
１ ：基板 ２ ：グレーティング部 1: substrate 2: grating part
Claims (7)
矩形形状であるグレーティング部を具備し、前記グレー
ティング部の周期は１次回折光が生じる範囲にあって、
前記グレーティング部は、周期が入射光の波長に近い第
１の領域と、前記周期が前記第１の領域における周期よ
り大きい第２の領域を具備し、前記第１の領域は、前記
第２の領域の矩形断面のデューティ比（１つの周期にお
ける空気層以外の領域の割合）より小さいデューティ比
を有することにより、斜入射光に対して前記第１の領域
の回折効率を高めたことを特徴とする回折光学素子。1. A substrate, comprising: a grating portion having a rectangular cross section formed on the substrate, wherein a period of the grating portion is in a range where first-order diffracted light is generated;
The grating section has a period close to the wavelength of the incident light.
1 region and the period is the period in the first region.
A second region that is larger than the first region,
Duty ratio smaller than the duty ratio of the rectangular section of the second region (the ratio of the region other than the air layer in one cycle)
The first region for obliquely incident light.
A diffractive optical element characterized by having increased diffraction efficiency .
〜４倍より小さい領域において、前記グレーティング部
の矩形断面のデューティ比を０．５より小さくすること
を特徴とする請求項１記載の回折光学素子。2. The period of the grating part is 3 times the incident wavelength.
2. The diffractive optical element according to claim 1, wherein a duty ratio of a rectangular cross section of the grating section is smaller than 0.5 in an area smaller than 4 times.
ィ比は、グレーティング部の周期が小さくなるにつれて
徐々に小さくなることを特徴とする請求項２記載の回折
光学素子。3. The diffractive optical element according to claim 2, wherein the duty ratio of the rectangular section of the grating section gradually decreases as the period of the grating section decreases.
レーティング部の周期に応じて異なることを特徴とする
請求項１記載の回折光学素子。4. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the depth of the groove of the grating portion varies depending on the period of the grating portion.
〜４倍より小さい領域において、前記グレーティング部
の溝の深さが徐々に小さくなることを特徴とする請求項
４記載の回折光学素子。5. The period of the grating part is 3 times the incident wavelength.
5. The diffractive optical element according to claim 4, wherein the depth of the groove of the grating portion gradually decreases in a region smaller than 4 times.
で、かつ一の方向に凸の曲線であり、前記凸の方向にグ
レーティング周期が徐々に小さくなることを特徴とする
請求項１記載の回折光学素子。6. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the pattern of the grating portion is symmetric with respect to the center and is a curve that is convex in one direction, and the grating period gradually decreases in the convex direction. .
り、徐々にグレーティング周期が変化することを特徴と
する請求項１記載の回折光学素子。7. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the pattern of the grating section is a straight line, and the grating period changes gradually.
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| JP25964093A JP3189922B2 (en) | 1993-10-18 | 1993-10-18 | Diffractive optical element |
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- 1993-10-18 JP JP25964093A patent/JP3189922B2/en not_active Expired - Fee Related
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