JP4329679B2 - 多段型フレネルレンズ - Google Patents

Description

本発明は、光透過性を有する円盤状の光学基板上に、複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に回折方向が異なる第１，第２回折格子をそれぞれ配置した時に、第１，第２回折格子の輪帯ピッチに対する比率（割合）を、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変することで、各輪帯領域ごとに入射光に対する光透過率を調整して、内周部及び外周部での光量分布を均一化できるように構成した多段型フレネルレンズに関するものである。

最近、回折光学素子の一種であるフレネルレンズは、非球面レンズと組み合わせることにより、光学的な収差を小さな値に設定できる等の理由から、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に多用されている。

図３０（ａ），（ｂ）は一般的なフレネルレンズを示した平面図，縦断面図、
図３１は従来の多段型フレネルレンズを示した縦断面図、
図３２（ａ）〜（ｊ）は従来の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図、
図３３は従来の多段型フレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。

図３０（ａ），（ｂ）に示したように、一般的なフレネルレンズ１００は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、且つ、中心０から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されていると共に、各輪帯領域ＲＺ内には回折格子１０１が折り返した曲面状にそれぞれ形成されており、各輪帯領域ＲＺ内の各回折格子１０１の回折効果を利用してレンズ機能を持たせている。

ところで、下記の非特許文献１にも記載されているが、上記したフレネルレンズ１００を例えば光ディスク装置のピックアップの回折光学素子として用いるような場合には、素子として小型化、及びフレネルレンズ１００に入射させるレーザー光のビームパワーを有効利用するために高い回折効率、の双方が要求されており、これらを実現するためにフレネルレンズは、半導体製造工程の微細加工技術を使用して、図３１に示したような多段型フレネルレンズ２００が採用されている。

即ち、図３１に示した従来の多段型フレネルレンズ２００では、上記と同様に、光透過性を有する円盤状の光学基板ＯＰＢ上に、複数の輪帯領域ＲＺが中心０から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されているものの、上記とは異なって、各輪帯領域ＲＺ内に階段状回折格子部２０１が多段に形成されている。ここでは、階段状回折格子部２０１の階段の段数が例えば８段に設定され、且つ、各輪帯領域ＲＺごとに階段の向きは外周側に向っており、各輪帯領域ＲＺ内の内周側で最も深い部分の側壁は垂直に切り立つ形状となっている。

この多段型フレネルレンズ２００の構造は、特定次数の回折光として例えば１次回折光を所定の集光位置に集中的に回折するために作られており、８段１次回折構造の例を示したものであり、階段一段あたりの深さは使用するレーザー光の波長λの１／８λの光学的長さに対応している。

この際、多段型フレネルレンズ２００を作製する場合には、後述するように、光学基板ＯＢＰの上面を基準面としてエッチング処理を施して階段を形成することから、階段の最深部は上面から７段分の深さで形成されており、この深さは使用波長の７／８λの光学的長さに対応している。そして、複数の輪帯領域ＲＺ内に形成した階段状回折格子部２０１で回折される回折光強度は９５．３％が１次回折光に集中する。これを言い換えると、複数の輪帯領域ＲＺ内に形成した階段状回折格子部２０１で回折された１次回折光が所定の集光位置に集光され、この階段状回折格子部２０１によって入射光の位相を段階的に変化させることにより、高い回折効率が得られるようになっている。

尚、下記の非特許文献１によれば、多段型フレネルレンズにおいて、階段状の回折格子の多段構成を２段，４段，８段，１６段とした場合に、回折効率はそれぞれ３９．４％， ８１．０％， ９５．３％， ９８．９％と、階段の段数を多くするにつれて回折効率が増加することが明らかにされている。
応用物理学会日本光学会主催第２９回冬季講習会 回折光学素子の設計・作製技術。

この際、多段型フレネルレンズを作製する方法は、ガラス基板や石英基板などの光学基板に対して半導体プロセスを適用することによって作製されている。

より具体的には、図３２（ａ）〜（ｊ）に示したように、階段状の回折格子が４段構造である場合に、まず始めに、図３２（ａ）に示したような２段用のマスクパターンＭ１を用いて、図３２（ｂ）〜（ｅ）に示したようにレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、２段段構造の回折格子をまず作製する。

この際、図３２中で（ａ）は上記したように２段用のマスクパターンＭ１であり、（ｂ）は光学基板ＯＢＰに対するレジスト塗布、（ｃ）はマスクパターンマスクＭ１による露光及び現像後のレジストパターン、（ｄ）はレジストによる基板エッチング、（ｄ）はエッチング後の基板形状、（ｅ）はレジスト除去後の基板形状を示している。

この後、図３２（ｆ）に示したような４段用のマスクパターンＭ２を用いて、上記と略同じ工程で図３２（ｇ）〜（ｊ）に示したように、再度、レジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、４段構造の回折格子を作製する。

尚、一般的にはＮ枚のマスクと前記手順でＮの２乗段の多段構造を形成できる。

ところで、光ピックアップ等の光源に使用されている半導体レーザーは光強度分布を持っており、図３３に示した如く、従来の多段型フレネルレンズ２００に、半導体レーザーから出射したレーザー光Ｌを不図示のコリメータレンズで平行光に変換して入射させた時に、一般的に、適宜な位置で断面した時の断面積が略円形であるレーザー光Ｌの光束の中央部は光強度が強く（光量が大きく）、且つ、外周部の光束は光強度が弱い（光量が小さい）傾向がある。このように不均一な光強度分布（光量分布）を持ったレーザー光Ｌの光束を従来の多段型フレネルレンズ２００に入射させて集光した場合、レンズ外周部の光強度が、中央部と比較して弱くなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となる。このため、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生し、問題となっている。

そこで、本発明では、レーザー光を集光する多段型フレネルレンズに、集光機能の他に、レーザー光源の光強度分布（光量分布）を調整する機能を備え、多段型フレネルレンズへの入射光を均一に調整することで、多段型フレネルレンズの中央部と外周部での光量分布を均一とし、前述のＮＡ低下を抑制し、集光スポットの劣化を防止することができる構造形態の多段型フレネルレンズが望まれている。

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項１記載の発明は、光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に階段状回折格子部が多段に形成された多段型フレネルレンズにおいて、
前記各輪帯領域内で第１の回折格子と第２の回折格子とが外周側と内周側とに分けて配置され、
前記第１の回折格子は、入射光に対して特定の次数の回折光を回折して前記光学基板の中心を通る光軸上で所定の集光位置に集光させるために階段状回折格子部が前記外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて形成され、
一方、前記第２の回折格子は、前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折して前記第１の回折格子とは異なる回折位置に回折するために所定の深さの平坦状回折格子部又は前記第１の回折格子の前記階段状回折格子部に対して逆向きに階段状回折格子部が形成されており、
前記第１，第２の回折格子の前記輪帯ピッチに対する比率を、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とする多段型フレネルレンズである。

また、請求項２記載の発明は、光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に階段状回折格子部が多段に形成された多段型フレネルレンズにおいて、
前記各輪帯領域内で第１の回折格子に第２の回折格子が光学的に重畳して配置され、
前記第１の回折格子は、入射光に対して特定の次数の回折光を回折して前記光学基板の中心を通る光軸上で所定の集光位置に集光させるために階段状回折格子部が前記外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて形成され、
一方、前記第２の回折格子は、前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折して前記第１の回折格子とは異なる回折位置に回折するために所定の深さの位相変調領域部が形成されており、
前記第２の回折格子に形成した前記位相変調領域部の幅の前記輪帯ピッチに対する比率を、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とする多段型フレネルレンズである。

請求項１記載の多段型フレネルレンズによると、光透過性を有する光学基板上に、複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されて、各輪帯領域内の外周側に入射光に対して特定の次数の回折光を回折する第１の回折格子が配置され、且つ、各輪帯領域内で第１の回折格子に隣接した内周側に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折する第２の回折格子が配置された状態で、第１，第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変させているので、多段型フレネルレンズに入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。

また、請求項２記載の多段型フレネルレンズによると、光透過性を有する光学基板上に、複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されて、各輪帯領域内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折する第１の回折格子が配置され、且つ、各輪帯領域内で入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折する第２の回折格子が第１の回折格子の階段状回折格子中に光学的に重畳された状態で、第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変させているので、請求項１記載と同様に、多段型フレネルレンズに入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。

以下に本発明に係る多段型フレネルレンズの一実施例を図１〜図２９を参照して、実施例１，実施例２の順に詳細に詳細に説明する。

本発明に係る多段型フレネルレンズは、例えば、光ディスク装置の光ピックアップに取り付けられた非球面を有する対物レンズと組み合わせて適用されている。そして、光ピックアップ内でレーザー光源から出射した不均一な光強度分布（光量分布）を有する光束を多段型フレネルレンズに入射させた時に、多段型フレネルレンズで均一な光強度分布（光量分布）を有する光束に補正して、対物レンズ側に出射できるように構成されている。

即ち、上記した本発明に係る多段型フレネルレンズは、光透過性を有する円盤状の光学基板上に、複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させる第１の回折格子と、入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折して第１の回折格子とは異なる回折位置に回折させる第２の回折格子とを配置すると共に、第１，第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率（割合）を、各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ごとに可変することで、各輪帯領域ごとに入射光に対する光透過率を調整して、多段型フレネルレンズの内周部及び外周部での光量分布を均一化できるように構成したことを特徴とするものである。

尚、以下の実施例１，２において、第１の回折格子は特定の次数の回折光として１次回折光を所定の集光位置に集光させる１次構造として形成し、一方、第２の回折格子は１次回折光以外の回折光を回折する場合について説明するが、多段型フレネルレンズの設計仕様により第１の回折格子への特定の次数の回折構造として２次構造、３次構造、……でも可能である。

図１（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを示した上面図，縦断面図、
図２は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図、
図３は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。

図１（ａ），（ｂ）に示した如く、本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズ１０は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、中心０から外周側に向かって輪帯ピッチｒｐ_ｎ（但し、ｎ：０以上の正の整数）を除々に狭めて設定されている。

また、多段型フレネルレンズ１０の各輪帯領域ＲＺ内には第１，第２の回折格子１１，１２が互いに隣接して外周側と内周側とに分かれて配置されており、且つ、後述するように第１，第２の回折格子１１，１２は各輪帯ピッチｒｐ_ｎに対して各輪帯領域ごとに異なる比率（割合）で配置されている。

また、各輪帯領域ＲＺ内で外周側に配置した第１の回折格子１１は、入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して、光学基板ＯＢＰの中心０を通る光軸Ｋ上で所定の集光位置（焦点位置）に集光させるために階段状回折格子部が外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成されている。この際、第１の回折格子１１に形成した階段状回折格子部は、階段の段数を例えば８段に設定して、１次回折構造８段の回折格子としている。

一方、各輪帯領域ＲＺ内で第１の回折格子１１に隣接して内周側に配置した第２の回折格子１２は、入射光に対して１次回折光以外の回折光を回折して第１の回折格子１１とは異なるに集光位置に集光させるために所定の深さで平坦状回折格子部が形成されている。

ここで、多段型フレネルレンズ１０において、複数の輪帯領域ＲＺを、光学基板ＯＢＰの中心０から外周側に向かって順にＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎと設定した場合に、まず、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてｎ（但し、ｎ：０以上の正の整数）番目の輪帯領域ＲＺ_ｎに対応するレンズ半径（輪帯半径）ｒ_ｎを下記の数１より求めることができる。

この数１中で、ｒ_ｎはｎ番目のレンズ半径であり、λは入射光の波長であり、入射光として波長λが０．４μｍのレーザー光を用いている。また、ｆ１は第１の回折格子１１による１次回折光の焦点距離であり、この実施例１ではｆ１＝２０ｍｍに設定されている。また、ｄは回折次数であり、この実施例１では第１の回折格子１１による１次回折光を対象にしているのでｄ＝１である。

従って、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎに対応してレンズ半径ｒ_０，ｒ_１，ｒ_２，……，ｒ_ｎが求められる。

次に、光学基板ＯＢＰの中心０を含む輪帯領域ＲＺ_０の輪帯ピッチｒｐ_０は、下記の数２より求めることができる。

次に、上記したｎ＝０の場合を除外して、ｎ番目の輪帯ピッチｒｐ_ｎは、下記の数３より求めることができる。

従って、数２及び数３から中央の輪帯領域ＲＺ_０のみが輪帯ピッチｒｐ_０を半径にして円形に設定されるものの、輪帯領域ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎは、輪帯ピッチｒｐ_１，ｒｐ_２，……，ｒｐ_ｎの各ピッチ幅でリング状に設定されている。

そして、多段型フレネルレンズ１０のレンズ半径の最大値に対応するｎの最大値を例えば１４０に設定した場合に、ｎを０〜１４０の範囲で順次可変しながらλ＝０．４μｍ，ｆ１＝２０ｍｍ，ｄ＝１を数１に代入してレンズ半径ｒ_ｎを計算し、この後、数２及び数３により、例えば、レンズ半径ｒ_ｎが光学基板ＯＢＰの中心を含んだ０μｍ近傍，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍにおける輪帯ピッチｒｐ_ｎをそれぞれ求めると、１２６．５μｍ（ｒｐ_０），１６．１μｍ（ｒｐ_１５），８．０μｍ（ｒｐ_６２），５．４μｍ（ｒｐ_１４０）が得られ、以下、ここで得られたレンズ半径ｒ_ｎ及び輪帯ピッチｒｐ_ｎの各値を使用して説明する。

尚、実施例１の多段型フレネルレンズ１０を設計する場合には、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（ｎ＝０〜１４０）に対応したレンズ半径ｒ_ｎ及び輪帯ピッチｒｐ_ｎを求めれば良い。

次に、第１の回折格子１１に形成した多段の階段状回折格子部の一段あたりの深さｓは、一般的に下記の数４より求めることがことができる。

この数４中で、ｓは多段構造の階段の一段あたりの深さ、λは光源の波長、ｄは回折次数で１以上の整数、ｋは多段型フレネルレンズ１０の屈折率、ｖは段数である。

この実施例１では第１の回折格子１１に形成した多段の階段状回折格子部は、１次回折構造８段の回折格子を使用しているので、λを０．４０μｍ、ｄを１、ｋを１．４６、ｖを８とすると、一段あたりの深さｓは０．１０９μｍとなる。

尚、８段の階段状回折格子部を形成する方法は、前述のように、半導体プロセスを使用し、ガラス基板や石英基板などの光学基板ＯＢＰに対して、少なくとも３枚のマスクパターンを用いてレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを繰り返し行うことで実現可能である。

次に、上記構成による実施例１の多段型フレネルレンズ１０を使用するにあたって、図２に示したように、位置Ｘ１を入射光と対応した位置とし、また、位置Ｘ２を多段型フレネルレンズ１０と対応した位置とし、また、位置Ｘ３を出射光と対応した位置とし、更に、位置Ｘ４を出射光の集光位置とした場合に、レーザー光源（図示せず）から出射したレーザー光Ｌをコリメータレンズ（図示せず）で平行光に変換して、適宜な位置で断面した時の断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光を多段型フレネルレンズ１０の一方の面から入射させ、他方の面上で複数の輪帯領域ＲＺ内にそれぞれ配置した第１，第２の回折格子１１，１２により回折させてから出射させた時に、とくに、多段の階段状回折格子部を有する第１の回折格子１１で回折された１次回折光が光軸Ｋ上で焦点距離ｆ１に対応した所定の集光位置に集光され、且つ、第２の回折格子１２で回折された１次回折光以外の回折光が第１の回折格子１１とは異なる回折位置に回折されるようになっている。

ここで、図３に示した如く、断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光を多段型フレネルレンズ１０に入射した時に、図２に示した位置Ｘ１における光束の光強度分布は、半導体レーザーの特性により、中央部の光強度を１００％とすると、レンズ半径が５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍでは光強度がそれぞれ、９７．５％，９０．０％，７７．５％に低下しており、中央部が凸状に突出した凸型の光強度分布特性となっている。

このように中央部が凸型の光強度分布を持った入射光束を、先に図３１を用いて説明したような従来の多段型フレネルレンズ２００で集光すると、レンズ外周部の光量が、中央部と比較して小さくなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となり、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生する。

この問題を解決する為に、図２中の位置Ｘ２における多段型フレネルレンズ１０上での光束の光透過率分布において、図３に示したように、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで光透過率が、それぞれ７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％になるように設定し、即ち、位置Ｘ１における凸型の光強度分布特性に対して反転させて、位置Ｘ２で中央部が凹状にへこんだ凹型の光透過率分布特性になるように逆補正している。

この設定により、入射光が多段型フレネルレンズ１０を透過して出射した時に、図２に示した位置Ｘ３における出射光の光強度分布は、図３に示したように、入射光量と多段型フレネルレンズ透過率との積となり、その結果フラットなものとなる。

これにより、多段型フレネルレンズ１０の外周部の光量が、中央部と略等しくなるので、レンズの口径は変化しない状態と等価になり、レンズの開口数（ＮＡ）は変化せず、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が発生しなくなる。

但し、出射光の光強度分布がフラットになった際、全体の光量は低下するが、高輝度レーザー等の、より光量の大きい光源を使用すれば、光量の低下は防止できる。

次に、実施例１の多段型フレネルレンズ１０において、各輪帯領域ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎ）内で外周側と内周側とに分けて配置した第１，第２回折格子１１，１２の輪帯ピッチに対する比率を、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変して、多段型フレネルレンズ１０上で図３に示したような位置Ｘ２における凹型の光透過率分布が得られるように補正する構造及び方法について、図４〜図１３を用いて説明する。

図４は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内で外周側と内周側とに分けて配置した第１，第２の回折格子を説明するために拡大して示した図、
図５は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の比率を可変した時に、第１，第２の回折格子による１次回折光回折効率を示した図、
図６は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での第１の回折格子を示した図、
図７は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折光強度を示した図、
図８は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での第１，第２の回折格子の占有比率を示した図、
図９は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折光強度を示した図、
図１０は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での第１，第２の回折格子の占有比率を示した図、
図１１は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折光強度を示した図、
図１２は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での第１，第２の回折格子の占有比率を示した図、図１３は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折光強度を示した図である。

図４中で、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内において、横軸に輪帯ピッチｒｐ_ｎを示し、縦軸に位相差λを示した場合に、実施例１の多段型フレネルレンズ１０（図１）において、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内で外周側に配置した第１の回折格子１１は、入射光に対して１次回折光のみを回折して、この１次回折光を光軸Ｋ（図２）上で所定の集光位置に集光する機能を備えているものであり、外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成された階段状回折格子部１１ａの階段の段数が８段に設定されており、階段状回折格子部１１ａの全体の高さが入射光の１波長λ分の高さ（λ＝０．４μｍ）に設定されているので、一段当たりの階段の高さは１／８λの光学的長さに対応している。

従って、第１の回折格子１１は、１次回折構造の８段回折格子を用いており、８段型の回折格子は、前述した非特許文献１に開示されている様に、１次回折光の回折効率が９５．３％であるので、１００％の光透過率を得ることはできない。それゆえ、多段型フレネルレンズ１０の光透過率の設定は、最高の透過率を９５．３％として、必要な光透過率を再計算すれば良い。

これに伴って、レンズ半径０μｍ近傍，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍにおける必要な光透過率は、１次回折構造８段回折格子の場合、前述したように７７．５％，７９．５％，８６．１％，１００％であるので、前記の各値に０．９５３を乗じた値となり、最終的に必要な光透過率は、それぞれ、７３．８％，７５．７％，８２．０％，９５．３％となる。

一方、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内で第１の回折格子１１に隣接して内周側に配置した第２の回折格子１２は、入射光に対して１次回折光以外の回折光を回折して第１の回折格子１１とは異なる回折位置に回折する機能を備えているものであり、光学基板ＯＭＰ（図１）の上面を基準面としてエッチングした時に、平坦状回折格子部１２ａの深さが例えば７／８λに設定されている。尚、第２の回折格子１２の平坦状回折格子部１２ａの深さは、１λ以下で１／８λの整数倍に設定することも可能である。

また、第２の回折格子１２は、各輪帯領域ＲＺ_ｎごとに輪帯ピッチｒｐ_ｎの値を正規化して１．００と設定した場合に、この輪帯ピッチｒｐ_ｎに対する比率α（但し、αは後述する図５に基づいて０≦α≦０．５の範囲とする）が各輪帯ピッチｒｐ_ｎごとにそれぞれ所定の値に設定されており、これについては後で後述する。

ここで、図４に示した構造形態の第１，第２の回折格子１１，１２において、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内における輪帯ピッチｒｐ_ｎに対する第２の回折格子１２の比率αを０〜０．５の範囲内で可変した時に、第１の回折格子１１と第２の回折格子１２とを合わせた時の１次回折光回折効率は、図５に示した特性曲線となる。

この図５中に示された１次回折光回折効率の値は、回折素子階段形状を位相分布に変換した値を、フーリエ変換することにより、回折次数における強度を算出したものである。

尚、第２の回折格子１２の平坦状回折格子部の深さを７／８λ以外の値に設定した場合には、図５に示した特性曲線の各値も変わるものである。

この図５において、横軸は輪帯ピッチに対する第２の回折格子の比率を示し、縦軸は第１，第２の回折格子による時の１次回折光回折効率（％）を示している。

そして、図５より、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の比率を０， ０．１， ０．２， ０．３， ０．４， ０．５と変化させた時に、第１，第２の回折格子を合わせた時の１次回折光回折効率は、それぞれ、９５．３％， ９１．９％， ８３．２％， ７０．２％， ５４．８％， ３８．９％となる。従って、輪帯ピッチｒｐ_ｎに対して第２の回折格子１２の比率を変化させた場合に、連続的に１次回折光回折効率を制御できることがわかる。これにより、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内で第１の回折格子１１と第２の回折格子１２との占有比率を輪帯ピッチｒｐ_ｎに対して調整することができる。

そして、図５に示したように、輪帯ピッチに対する第２の回折格子１２の比率と、第１，第２の回折格子１１，１２の１次回折光回折効率との関係をテーブルとして持つことにより、逆に、１次回折光回折効率、すなわち多段型フレネルレンズ１０の光透過率に対応して、第２の回折格子１２の比率を求めることができるので、当然、第１，第２の回折格子１２の占有比率がわかる。

以下、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎのレンズ半径ｒ_ｎと対応した輪帯ピッチｒｐ_ｎ内で第１，第２の回折格子１１，１２の占有比率を求める具体例について順を追って説明する。

まず、図６に示した如く、多段型フレネルレンズ１０（図１）において、前述したように、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチは５．４μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は９５．３％である。この場合、図５に示した曲線特性において１次回折光回折効率の値が光透過率の値と等価であるものとすると、図５に示した曲線特性中の回折効率９５．３％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子１２の比率が０であると読み取れるので、この輪帯領域内での構成は、輪帯ピッチに対して１００％第１の回折格子１１で占有すれば良い。

この際、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折次数における回折光強度を図７に示す。図７中で横軸は−９次から＋９次までの次数を示し、縦軸は１次回折光の回折光強度を１に正規化したときの回折光強度を示す。この図７から明らかなように、回折光の殆どがレンズ集光を担う＋１次の次数に集中している。

次に、図８に示した如く、多段型フレネルレンズ１０（図１）において、前述したように、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチは８．０μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は８２．０％である。この場合、図５に示した曲線特性中の回折効率８２．０％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子１２の比率が０．２１１であると読み取れるので、この輪帯領域内での構成は、輪帯ピッチに対して第１の回折格子１１の占有比率を０．７８９、第２の回折格子１２の占有比率を０．２１１に設定すれば良い。

この際、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折次数における回折光強度を正規化して図９に示す。この図９で明らかなように、メインの＋１次の次数の他に、＋２次、０次が僅かに存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯領域内での光透過率を下げている。

次に、図１０に示した如く、多段型フレネルレンズ１０（図１）において、前述したように、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチは１６．１μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は７５．７％である。この場合、図５に示した曲線特性中の回折効率７５．７％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子１２の比率が０．２６１であると読み取れるので、この輪帯領域内での構成は、輪帯ピッチに対して第１の回折格子１１の占有比率を０．７３９、第２の回折格子１２の占有比率を０．２６１に設定すれば良い。

この際、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折次数における回折光強度を正規化して図１１に示す。この図１１で明らかなように、メインの＋１次の次数の他に、＋２次、０次が図９に示した場合より多く存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯領域内での光透過率をより下げている。

次に、図１２に示した如く、多段型フレネルレンズ１０（図１）において、前述したように、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチは１２６．５μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は７３．８％である。この場合、図５に示した曲線特性中の回折効率７３．８％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子１２の比率が０．２７５であると読み取れるので、この輪帯領域内での構成は、輪帯ピッチに対して第１の回折格子１１の占有比率を０．７２５、第２の回折格子１２の占有比率を０．２７５に設定すれば良い。

この際、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折次数における回折光強度を正規化して図１３に示す。この図１３で明らかなように、メインの＋１次の次数の他に、＋２次、０次が図１１に示した場合より更に多く存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯領域内での光透過率をより下げている。

以上のように、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（但し、ｎ＝０〜１４０）に対応してレンズ半径ｒ_ｎ及び輪帯ピッチｒｐ_ｎを求めて、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内で各輪帯ピッチｒｐ_ｎに対応して必要な光透過率を求め、第１，第２の回折格子１１，１２の輪帯ピッチ対する比率を各輪帯ピッチｒｐ_ｎごとに求めれば良い。

従って、実施例１では、個別の輪帯領域内の回折格子形状を、レンズ集光作用を担う第１の回折格子１１と、集光方向とは異なる方向に入射光を回折させる第２の回折格子１２との輪帯ピッチ比率を輪帯ピッチごとに決定して所望の光透過率を得るものである。

また、この実施例１では、図４に示したように、第１の回折格子１１に１次回折構造８段の回折格子を、第２の回折格子１２に１段構造例を示しているが、第１，第２の回折格子１１，１２はこの回折構造、この段数に限定されるものでなく、例えば図１４に示したように、実施例１を一部変形させても良い。

図１４は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例を説明するための図である。

この図１４において、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ’内の外周側に配置した第１の回折格子１１は実施例１と同様な形状の階段状回折格子部１１ａが形成されているものの、第１の回折格子１１に隣接して内周側に配置した第２の回折格子１２’は、実施例１に対して変形させて第１の回折格子１１の階段状回折格子部１１ａに対して逆向きで内周側に向けて階段状回折格子部１２ｂが８段構造で形成されているものであり、この変形例の場合でも実施例１の技術的思想を適用できる。

また、第１，第２の回折格子１１，１２は、２次、３次等、より高次な回折構造でも同様な機能を備えることができる。

また、実施例１の多段型フレネルレンズ１０の光学特性は、中心部よりも外周部の光強度が低い不均一な光強度分布を有する入射光を入射させた時に、出射光をフラットな光強度分布に補正するだけでなく、組み合わせられる光学系の特性に合わせて、各輪帯領域がそれぞれ要求する適宜な光透過率を設定することで、適宜な光強度分布（光量分布）を得ることができる。

図１５（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを示した上面図，縦断面図、
図１６は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図、
図１７は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図１６中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。

図１５に示した実施例２の多段型フレネルレンズ２０は、先に説明した実施例１の多段型フレネルレンズ１０の技術的思想を踏まえて構成されており、ここでは実施例１に対して異なる点を中心にして以下説明する。

図１５（ａ），（ｂ）に示した如く、本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズ２０は、先に説明した実施例１と同様に、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｂａｓｅ Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、中心０から外周側に向かって輪帯ピッチｒｐ_ｎを除々に狭めて設定されている。

この際、複数の輪帯領域ＲＺは、光学基板ＯＢＰの中心０から外周側に向かって順にＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎと設定され、これに対応してレンズ半径ｒ_０，ｒ_１，ｒ_２，……，ｒ_ｎと、輪帯ピッチｒｐ_０，ｒｐ_１，ｒｐ_２，……，ｒｐ_ｎとが前記した数１〜数３に基づいて求められている。尚、この実施例２でも、実施例１と同様にｎの値を０〜１４０に設定している。

また、実施例２の多段型フレネルレンズ２０の各輪帯領域ＲＺ内には、実施例１と異なって輪帯ピッチｒｐ_ｎの全域に亘って、第１の回折格子２１が入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して、光学基板ＯＢＰの中心０を通る光軸Ｋ上で所定の集光位置（焦点位置）に集光させるために階段状回折格子部が外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成されている。この際、第１の回折格子２１に形成した階段状回折格子部は、階段の段数を例えば８段に設定して、１次回折構造８段の回折格子としている。

ここで、実施例２の多段型フレネルレンズ２０の各輪帯領域ＲＺ内の全域に亘って形成した第１の回折格子２１の階段状回折格子中で所定の位置には、所定の深さの位相変調領域部を有する第２の回折格子２２が輪帯ピッチに対してそれぞれ所定の比率で輪帯領域ごとに光学的に重畳されている点が実施例１に対して大きく異なる点である。

そして、上記構成による実施例２の多段型フレネルレンズ２０を使用するにあたって、図１６に示したように、位置Ｘ１’を入射光と対応した位置とし、また、位置Ｘ２’を多段型フレネルレンズ２０と対応した位置とし、また、位置Ｘ３’を出射光と対応した位置とし、更に、位置Ｘ４’を出射光の集光位置とした場合に、適宜な位置で断面した時の断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光を多段型フレネルレンズ２０の一方の面から入射させ、他方の面上で複数の輪帯領域ＲＺ内に配置した第１の回折格子２１及びこの第１の回折格子２１の階段状回折格子中に光学的に重畳させた第２の回折格子２２により回折させてから出射させた時に、この実施例２でも、多段の階段状回折格子部を有する第１の回折格子２１で回折された１次回折光が光軸Ｋ上で焦点距離ｆ１に対応した所定の集光位置に集光され、且つ、第２の回折格子２２で回折された１回折光以外の回折光が第１の回折格子２１とは異なる回折位置に回折されるようになっている。

これに伴って、実施例２の多段型フレネルレンズ２０でも、図１７に示したように、断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光を多段型フレネルレンズ２０に入射した時に、図１６に示した位置Ｘ１’における光束の光強度分布は、半導体レーザーの特性により、中央部の光強度を１００％とすると、レンズ半径が５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍでは光強度がそれぞれ、９７．５％，９０．０％，７７．５％に低下しており、中央部が凸状に突出した凸型の光強度分布特性となっている。

これに対して、実施例２でも、図１６中の位置Ｘ２’における多段型フレネルレンズ２０での光束の光透過率分布において、図１７に示したように、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで光透過率が、それぞれ７７．５％， ７９．５％， ８６．１％， １００％になるように設定し、即ち、位置Ｘ１’における凸型の光強度分布特性に対して反転させて、位置Ｘ２’で中央部が凹状にへこんだ凹型の光透過率分布特性になるように逆補正することで、入射光が多段型フレネルレンズ２０を透過して出射した時に、図１６に示した位置Ｘ３’における出射光の光強度分布は、入射光量と多段型フレネルレンズ透過率との積となり、その結果フラットなものとなる。

これにより、多段型フレネルレンズ２０の外周部の光量が、中央部と略等しくなるので、レンズの口径は変化しない状態と等価になり、レンズの開口数（ＮＡ）は変化せず、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が発生しなくなる。

但し、出射光の光強度分布がフラットになった際、全体の光量は低下するが、高輝度レーザー等の、より光量の大きい光源を使用すれば、光量の低下は防止できる。

次に、実施例２の多段型フレネルレンズ２０において、各輪帯領域ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎ）内に配置した第１の回折格子２１の階段状回折格子中に第２の回折格子２２を光学的に重畳させ、且つ、第１の回折格子２１に重畳させた第２回折格子２２の輪帯ピッチに対する比率を、各輪帯領域ＲＺがそれぞれ要求する光透過率になるように各輪帯領域ＲＺごとに可変して、多段型フレネルレンズ２０上で図１７に示したような位置Ｘ２における凹型の光透過率分布が得られるように補正する構造及び方法について、図１８〜図２８を用いて説明する。

図１８（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に配置した第１の回折格子に対して第２の回折格子を光学的に重畳させる場合を説明するために拡大して示した図、
図１９は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を可変した時に、第２の回折格子の０次光回折効率を示した図、
図２０は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を可変した時に、第１，第２の回折格子による１次回折光回折効率を示した図、
図２１は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での第１の回折格子を示した図、
図２２は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折光強度を示した図、
図２３は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内で第１の回折格子に光学的に重畳させた第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を示した図、
図２４は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折光強度を示した図、
図２５は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内で第１の回折格子に光学的に重畳させた第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を示した図、
図２６は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折光強度を示した図、
図２７は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内で第１の回折格子に光学的に重畳させた第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を示した図、
図２８は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折光強度を示した図である。

図１８（ａ）〜（ｃ）中で、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内において、横軸に輪帯ピッチｒｐ_ｎを示し、縦軸に位相差λを示し、且つ、図１８（ａ）は第１の回折格子２１を単独で示し、また、図１８（ｂ）は第２の回折格子２２を単独で示し、図１８（ｃ）は図１８（ａ）に示した第１の回折格子２１に対して図１８（ｂ）に示した第２の回折格子２２を光学的に重畳させた最終形態を示している。

ここで、実施例２の多段型フレネルレンズ２０（図１５）において、図１８（ａ）に示したように、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内の全域に亘って配置される第１の回折格子２１は、入射光に対して１次回折光のみを回折して、この１次回折光を光軸Ｋ（図１６）上で所定の集光位置に集光する機能を備えているものであり、外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成された階段状回折格子部２１ａの階段の段数が８段に設定されており、階段状回折格子部２１ａの全体の高さが入射光の１波長λ分の高さ（λ＝０．４μｍ）に設定されているので、一段当たりの階段の高さは１／８λの光学的長さに対応している。

従って、第１の回折格子２１は、１次回折構造の８段回折格子を用いており、８段型の回折格子は、前述した非特許文献１に開示されている様に、１次回折光の回折効率が９５．３％であるので、１００％の光透過率を得ることはできない。それゆえ、この実施例２でも実施例１と同様に、多段型フレネルレンズ２０の光透過率の設定は、最高の透過率を９５．３％として、必要な光透過率を再計算すればよい。

これに伴って、レンズ半径０μｍ近傍，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍにおける必要な光透過率は、１次回折構造８段回折格子の場合、前述したように７７．５％，７９．５％，８６．１％，１００％であるので、前記の各値に０．９５３を乗じた値となり、最終的に必要な光透過率は、それぞれ、７３．８％，７５．７％，８２．０％，９５．３％となる。

一方、図１８（ｂ）に示したように、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内で輪帯ピッチｒｐ_ｎ中の所定の位置に配置される第２の回折格子２２は、入射光に対して１次回折光以外の回折光を回折する機能を備えているものであり、光学基板ＯＭＰ（図１）の上面を基準面としてエッチングした時に、平坦にエッチングした位相変調領域部２２ａの深さは位相差が半波長（１／２λ）になるように設定されて２値構造になっており、この位相変調領域部２２ａは、第１の回折格子２１に対して位相変調を行うようになっている。尚、第２の回折格子２２の位相変調領域部２２ａの深さは、１λ以下で１／８λの整数倍に設定することも可能である。

また、第２の回折格子２２の位相変調領域部２２ａは、各輪帯領域ＲＺ_ｎごとに輪帯ピッチｒｐ_ｎの値を正規化して１．００と設定した場合に、この輪帯ピッチｒｐ_ｎに対する比率β（但し、βは後述する図２０に基づいて０≦β≦０．１の範囲とする）が各輪帯ピッチｒｐ_ｎごとにそれぞれ所定の値に設定されており、これについては後で後述する。

ここで、図１８（ｃ）に示した如く、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内で図１８（ａ）に示した第１の回折格子２１の階段状回折格子２１ａによる位相分布に対して、図１８（ｂ）に示した第２の回折格子２２の位相分布を光学的に重畳させることで最終的な構造形態を得ている。即ち、位相分布の重畳とは、具体的には図１８（ａ）の位相分布と図１８（ｂ）の位相分布と重ね合わせた和となる。

この際、第１の回折格子２１の階段状回折格子２１ａ中に光学的に重畳される第２の回折格子２２の所定の位置は、光学基板ＯＢＰ（図１５）が厚みを持っているので、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内で第１の回折格子２１の階段状回折格子部２１ａ中でレンズ半径方向の適宜な位置に配置可能であり、この第２の回折格子２２を前記のような適宜な位置に配置しても作用効果は変らない。更に、後述する多段型フレネルレンズ２０の作製において、第２の回折格子２２の位相変調領域部２２ａは、第１の回折格子２１を作製した上から１／２λの深さでエッチング処理される関係上、エッチング量が同じであるので適宜な階段の右側の一部が深さ方向に僅かに残されるために、位相変調領域部２２ａは図１８（ｂ）に示した単独の場合と異なって完全な平坦形状ではなくなる。

ここで、一般的に、回折格子の位相分布をフーリエ変換することにより、入射光の回折次数における強度、及び回折効率を算出できるので、このフーリエ変換を用いて計算した時に、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内における輪帯ピッチｒｐ_ｎに対する第２の回折格子２２の０次回折光回折効率は、図１９に示した特性曲線となる。

この図１９において、横軸は輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を示し、縦軸は第２の回折格子の０次光回折効率（％）を示している。尚、第２の回折格子の位相変調領域部の深さを１／２λ以外の値に設定した場合には、図１９に示した特性曲線の各値も変わるものである。

そして、図１９より、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を０．００， ０．０２， ０．０４， ０．０６， ０．０８， ０．１０と変化させた時に、第２の回折格子の０次光回折効率は、それぞれ、１．００， ０．９２， ０．８４， ０．７７， ０．７０， ０．６４と変化する。

一方、第１の回折格子２１に対して第２の回折格子２２を光学的に重畳して、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎ内における輪帯ピッチｒｐ_ｎに対する第２の回折格子２２の比率βを上記と同様に０〜０．１の範囲内で可変した時に、第１の回折格子２１の１次回折光回折効率と、第２の回折格子２２の０次回折光回折効率との積により、第１，第２の回折格子２１，２２を合わせた時の１次回折光回折効率は、図２０に示した特性曲線となる。

この図２０において、横軸は輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を示し、縦軸は第１，第２の回折格子による時の１次回折光回折効率（％）を示している。勿論、この図２０においても、第２の回折格子の位相変調領域部の深さを１／２λ以外の値に設定した場合には、特性曲線の各値が変わるものである。

そして、図２０より、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を０．００， ０．０２， ０．０４， ０．０６， ０．０８， ０．１０と変化させた時に、第１，第２の回折格子を合わせた時の１次回折光回折効率は、それぞれ、０．９５， ０．８８， ０．８１， ０．７３， ０．６７， ０．６１となる。従って、輪帯ピッチｒｐ_ｎに対して第２の回折格子１２の位相変調領域部の比率を変化させた場合に、連続的に１次回折光回折効率を制御できることがわかる。これにより、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内で第１の回折格子２１に光学的に重畳させた第２の回折格子２２は、輪帯ピッチに対する位相変調領域部の比率を調整することができる。

そして、図２０に示したように、輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率と、第１，第２の回折格子２１，２２の１次回折光回折効率との関係をテーブルとして持つことにより、逆に、１次回折光回折効率、すなわち多段型フレネルレンズ２０の光透過率に対応して、輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率を求めることができる。

以下、一つの輪帯領域ＲＺ_ｎのレンズ半径ｒ_ｎと対応した輪帯ピッチｒｐ_ｎ内で第１の回折格子２１に第２の回折格子２２を光学的に重畳させた時に、輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率を求める具体例について順を追って説明する。

まず、図２１に示した如く、多段型フレネルレンズ２０（図１５）において、前述したように、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチは５．４μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は９５．３％である。この場合、図２０に示した特性曲線において１次回折光回折効率の値が光透過率と等価であるものとすると、図２０に示した特性曲線中の回折効率９５．３％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率が０であると読み取れるので、この輪帯領域内での構成は、輪帯ピッチに対して１００％第１の回折格子２１で占有すれば良い。

この際、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折次数における回折光強度を図２２に示す。図２２中で横軸は−９次から＋９次までの次数を示し、縦軸は１次回折光の回折光強度を１に正規化したときの回折光強度を示す。この図２２から明らかなように、回折光の殆どがレンズ集光を担う＋１次の次数に集中している。

次に、図２３に示した如く、多段型フレネルレンズ２０（図１５）において、前述したように、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチは８．０μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は８２．０％である。この場合、図２０に示した特性曲線中の回折効率８２．０％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率が０．０３６３であると読み取れるので、この比率に対応して位相変調領域部の幅を０．２９０４μｍに設定して位相変調領域部の深さを１／２λで作製すれば良い。

この際、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折次数における回折光強度を正規化して図２４に示す。この図２４で明らかなように、レンズ集光を担う＋１次の次数の他に、−７次が僅かに存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯領域内での光透過率を下げている。

次に、図２５に示した如く、多段型フレネルレンズ２０（図１５）において、前述したように、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチは１６．１μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は７５．７％である。この場合、図２０に示した特性曲線中の回折効率７５．７％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率が０．０５５０であると読み取れるので、この比率に対応して位相変調領域部の幅を０．８８５５μｍに設定して位相変調領域部の深さを１／２λで作製すれば良い。

この際、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折次数における回折光強度を正規化して図２６に示す。この図２６で明らかなように、レンズ集光を担う＋１次の次数の他に、−７次及び＋１次周辺の回折光が存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯領域内での光透過率を下げている。

次に、図２７に示した如く、多段型フレネルレンズ２０（図１５）において、前述したように、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチは１２６．５μｍであり、この輪帯領域内で要求される光透過率は７３．８％である。この場合、図２０に示した特性曲線中の回折効率７３．８％の値から輪帯ピッチに対する第２の回折格子２２の位相変調領域部の比率が０．０６０５であると読み取れるので、この比率に対応して位相変調領域部の幅を７．６５３２μｍに設定して位相変調領域部の深さを１／２λで作製すれば良い。

この際、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折次数における回折光強度を正規化して図２８に示す。この図２８で明らかなように、レンズ集光を担う＋１次の次数の他に、−７次及び＋１次周辺の回折光が存在し、これらが、集光位置とは異なる方向に入射光を回折し、輪帯領域内での光透過率を下げている。

以上のように、全ての輪帯領域ＲＺ_ｎ（但し、ｎ＝０〜１４０）に対応してレンズ半径ｒ_ｎ及び輪帯ピッチｒｐ_ｎを求めて、各輪帯領域ＲＺ_ｎ内で各輪帯ピッチｒｐ_ｎに対応して必要な光透過率を求め、第１の回折格子２１に光学的に重畳させた第２の回折格子２２の位相変調領域部の輪帯ピッチ対する比率を各輪帯ピッチｒｐ_ｎごとに求めれば良い。

従って、実施例２では、個別の輪帯領域内の回折格子形状を、レンズ集光作用を担う第１の回折格子２１に対して集光方向とは異なる方向に入射光を回折させる第２の回折格子２２の位相変調領域部の輪帯ピッチ比率を輪帯ピッチごとに決定して所望の光透過率を得るものである。

尚、この実施例２では、図１６（ａ）に示したように、第１の回折格子２１に１次回折構造８段の回折格子を、図１６（ｂ）に示したように、第２の回折格子２２に２値構造例を示しているが、第１、第２の回折格子２１，２２はこの回折構造、この段数、値数に限定されるものでない。更に、第２回折格子２２の位相変調領域部の位相差を１／２λとしているが、この位相差に限定されるものでなく、任意の位相差も取り得るものである。

また、第１、第２の回折格子２１，２２は、２次、３次等、より高次な回折構造でも同様な機能を備えることができる。

また、実施例２の多段型フレネルレンズ２０の光学特性も、実施例１と同様に、中心部よりも外周部の光強度が低い不均一な光強度分布を有する入射光を入射させた時に、出射光をフラットな光強度分布に補正するだけでなく、組み合わせられる光学系の特性に合わせて、各輪帯領域がそれぞれ要求する適宜な光透過率を設定することで、適宜な光強度分布（光量分布）を得ることができる。

次に、本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズ２０を作製する方法について、図２９を用いて説明する。

図２９（ａ）〜（ｊ）は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。

この実施例２の多段型フレネルレンズは第１の回折格子が８段構造であるために、先に図３２（ａ）〜（ｈ）を用いて説明した４段構造の多段型フレネルレンズに対して、図２９（ａ）に示したような８段用のマスクパターンＭ３を用いて、図２９（ｂ）〜（ｅ）に示したようにレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、８段段構造の第１の回折格子をまず作製する。

この際、図２９中で（ａ）は上記したように８段用のマスクパターンＭ３であり、（ｂ）は光学基板ＯＢＰに対するレジスト塗布、（ｃ）はマスクパターンマスクＭ３による露光及び現像後のレジストパターン、（ｄ）はレジストによる基板エッチング、（ｄ）はエッチング後の基板形状、（ｅ）はレジスト除去後の基板形状を示している。

この後、図２９（ｆ）に示したように、第２の回折格子の位相変調領域部と対応するマスクパターンＭ４を用いて、図２９（ｇ）〜（ｊ）に示したように、再度、レジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、第１の回折格子に第２の回折格子を光学的に重畳させた多段型フレネルレンズを作製する。

より具体的に説明すると、図２９（ｆ）は第２の回折格子の位相変調領域部に対応したマスクパターンＭ４である。また、図２９（ｇ）は前述の工程において作製した第１の回折格子にレジスト塗布したものであり、レジスト塗布基板に対してマスクパターンＭ４による第２の回折格子の位相変調領域部の露光を行い、レジストを現像する。また、図２９（ｈ）は図２９（ｇ）に対して現像後に残ったレジスト形状を示す。このレジストをマスクとして、エッチングを行い、図２９（ｉ）に示したようにエッチング後の形状を得る。更に、図２９（ｊ）に示したように、レジストを剥離して、第１の回折格子に対して第２の回折格子の位相を光学的に重畳した多段型フレネルレンズを得る。

ここで、第１の回折格子は１次回折構造８段回折格子を使用しているので、一段あたりの階段深さは、１／８λの光学的長さに対応している。また、第２の回折格子は、位相変調領域部の位相変調量を、１／２λとし、回折格子を２値構造としている。

以上のように、レンズとして集光作用を有する第１の回折格子を予め製作しておいて、次に第２の回折格子を作製することであり、例えば、光源を変更し、異なる照明光の強度分布を持った際、その強度分布に対応して第２の回折格子を設計し、この位相変調領域部のみのマスクパターンを作製し、前記した（ｆ）〜（ｊ）の作製工程で、多段型フレネルレンズを得ることができる。

尚、この実施例２では、８段の段差をエッチングする際、３枚のマスクパターンを使用して、３回の露光、エッチング工程を行っているが、これに限定されるものでなく、例えばマスクを７枚用意して、７回エッチングを行って、８段の段差を得ることもできる。

（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを示した上面図，縦断面図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内で外周側と内周側とに分けて配置した第１，第２の回折格子を説明するために拡大して示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の比率を可変した時に、第１，第２の回折格子による１次回折光回折効率を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での第１の回折格子を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折光強度を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での第１，第２の回折格子の占有比率を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折光強度を示した図、 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での第１，第２の回折格子の占有比率を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折光強度を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での第１，第２の回折格子の占有比率を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折光強度を示した図である。 本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例を説明するための図である。 （ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを示した上面図，縦断面図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光路を説明するための図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを使用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図１６中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。 （ａ）〜（ｃ）は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、一つの輪帯領域内に配置した第１の回折格子に対して第２の回折格子を光学的に重畳させる場合を説明するために拡大して示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を可変した時に、第２の回折格子の０次光回折効率を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、輪帯ピッチに対する第２の回折格子の位相変調領域部の比率を可変した時に、第１，第２の回折格子による１次回折光回折効率を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での第１の回折格子を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１５００μｍにおける輪帯ピッチ５．４μｍ内での回折光強度を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内で第１の回折格子に光学的に重畳させた第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径１０００μｍにおける輪帯ピッチ８．０μｍ内での回折光強度を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内で第１の回折格子に光学的に重畳させた第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径５００μｍにおける輪帯ピッチ１６．１μｍ内での回折光強度を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内で第１の回折格子に光学的に重畳させた第２の回折格子の輪帯ピッチに対する比率を示した図である。 本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズにおいて、レンズ半径０μｍ近傍における輪帯ピッチ１２６．５μｍ内での回折光強度を示した図である。 （ａ）〜（ｊ）は本発明に係る実施例２の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。 （ａ），（ｂ）は一般的なフレネルレンズを示した平面図，縦断面図である。 従来の多段型フレネルレンズを示した縦断面図である。 （ａ）〜（ｊ）は従来の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。 従来の多段型フレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。

符号の説明

１０…実施例１の多段型フレネルレンズ、
１１…第１の回折格子、１１ａ…階段状回折格子部、
１２…第２の回折格子、１２ａ…平坦状回折格子部、
１２’…第２の回折格子、１２ｂ…階段状回折格子部、
２０…実施例２の多段型フレネルレンズ、
２１…第１の回折格子、２１ａ…階段状回折格子部、
２２…第２の回折格子、２２ａ…位相変調領域部、
ＯＢＰ…光学基板、０…光学基板の中心、
Ｋ…光軸、
ＲＺ（ＲＺ_０，ＲＺ_１，ＲＺ_２，……，ＲＺ_ｎ）…輪帯領域、
ＲＺ_ｎ’ …輪帯領域、
ｒ_ｎ（ｒ_０，ｒ_１，ｒ_２，……，ｒ_ｎ）…レンズ半径、
ｒｐ_ｎ（ｒｐ_０，ｒｐ_１，ｒｐ_２，……，ｒｐ_ｎ）…輪帯ピッチ。

Claims (2)

1. 光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に階段状回折格子部が多段に形成された多段型フレネルレンズにおいて、
   前記各輪帯領域内で第１の回折格子と第２の回折格子とが外周側と内周側とに分けて配置され、
   前記第１の回折格子は、入射光に対して特定の次数の回折光を回折して前記光学基板の中心を通る光軸上で所定の集光位置に集光させるために階段状回折格子部が前記外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて形成され、
   一方、前記第２の回折格子は、前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折して前記第１の回折格子とは異なる回折位置に回折するために所定の深さの平坦状回折格子部又は前記第１の回折格子の前記階段状回折格子部に対して逆向きに階段状回折格子部が形成されており、
   前記第１，第２の回折格子の前記輪帯ピッチに対する比率を、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とする多段型フレネルレンズ。
2. 光透過性を有する光学基板上に複数の輪帯領域が中心から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各輪帯領域内に階段状回折格子部が多段に形成された多段型フレネルレンズにおいて、
   前記各輪帯領域内で第１の回折格子に第２の回折格子が光学的に重畳して配置され、
   前記第１の回折格子は、入射光に対して特定の次数の回折光を回折して前記光学基板の中心を通る光軸上で所定の集光位置に集光させるために階段状回折格子部が前記外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて形成され、
   一方、前記第２の回折格子は、前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折して前記第１の回折格子とは異なる回折位置に回折するために所定の深さの位相変調領域部が形成されており、
   前記第２の回折格子に形成した前記位相変調領域部の幅の前記輪帯ピッチに対する比率を、前記各輪帯領域がそれぞれ要求する光透過率になるように前記各輪帯領域ごとに可変させたことを特徴とする多段型フレネルレンズ。
   
   

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