JP4359713B2 - 回折光学素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は回折光学素子に関し、特に、回折格子上に誘電体多層膜が設けられた回折光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光に回折を生じさせる回折光学素子は、光ピックアップ、光通信デバイス、レーザビームプリンタ、複写機、顕微鏡等、光を扱う様々な装置で利用されている。回折光学素子には、光を透過させて透過光に回折を生じさせる透過型と、光を反射して反射光に回折を生じさせる反射型とがあり、いずれも、微細な凹凸の周期的繰り返しである回折格子が表面に形成された基板より成る。反射型の回折光学素子では、さらに、回折格子上にアルミニウム等の金属の反射膜が設けられている。透過型の回折光学素子や、基板の裏面側から光を入射させて使用する反射型の回折光学素子では、基板としては透明なものが使用される。
【０００３】
回折格子は、表面が傾斜したブレーズ型と、表面が水平なバイナリ型に大別される。ブレーズ型の回折格子には、表面の傾斜が一方向のものと双方向のものがあり、いずれも断面は三角形であるが、前者の断面は鋸歯状、後者の断面はＶ字状である。バイナリ型には、最高レベルと最低レベルのみを有する２レベルのものと、最高レベルと最低レベルの中間のレベルを有するマルチレベルのものがあり、前者の断面は矩形、後者の断面は矩形が集合した形状である。傾斜が一方向のブレーズ型回折格子や２レベルのバイナリ型回折格子では、基板表面全体に対して垂直な段差が凹凸の境界に存在し、マルチレベルのバイナリ型回折格子でも、垂直な段差がレベルの境界に存在する。
【０００４】
近年では、屈折率の大きい誘電体の層と屈折率の小さい誘電体の層を交互に周期的に積層して成る誘電体多層膜を回折格子上に設けることにより、回折光学素子の反射率を高めたり、反射の波長選択性や偏光選択性を高めたりすることが提案されている。このような回折光学素子は、透過型の機能と反射型の機能を併せもつことになり、有用性が高い。
【０００５】
回折格子上に誘電体多層膜を設けた回折光学素子の例を図４に示す。この回折光学素子５は、基板５１と、２つの誘電体の層５３ａ、５３ｂが交互に重なった誘電体多層膜５３より成る。基板５１の表面には回折格子５２が形成されており、この回折格子５２は傾斜が一方向のブレーズ型である。
【０００６】
反射光に回折を生じさせる場合、回折格子の凹凸の光学的高低差が光の波長の１／２のときに１次の回折の効率が最も高くなる。したがって、基板の裏面側から光を入射させて１次の反射光を得る場合、回折格子の凹凸の物理的高低差ｈ0は、反射対象の光の波長をλ、基板の屈折率をｎ0で表すと、ｈ0＝λ／２ｎ0に設定される。また、基板の表面側から、すなわち空気から誘電体多層膜に直接光を入射させて１次の反射光を得る場合、空気の屈折率は１であるから、ｈ0＝λ／２に設定される。
【０００７】
誘電体多層膜は、各層の光学的厚さが光の波長の１／４のときに最も高い反射率が得られる。したがって、誘電体多層膜の２つの層の物理的厚さｈ1、ｈ2は、それぞれの屈折率をｎ1、ｎ2で表すと、ｈ1＝λ／４ｎ1、ｈ2＝λ／４ｎ2に設定される。
【０００８】
反射対象とする光の波長を考慮して、回折格子や誘電体多層膜を上記のように設定することで、波長選択性が高まり、その光を反射光として効率よく取り出したり、その光が他の波長の透過光に混入するのを避けたりすることできる。また、Ｐ偏光を透過させＳ偏光を反射する誘電体多層膜の偏光選択性が高まり、Ｐ偏光とＳ偏光の分離も確実になる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、回折格子上に誘電体多層膜を設けた従来の回折光学素子では、回折格子の凹凸の物理的高低差ｈ0と、誘電体多層膜の２つの層の物理的厚さｈ1、ｈ2を上記のように設定してはいるものの、これらは個別に定められており、回折格子の凹凸の高低差ｈ0と誘電体多層膜の層の厚さｈ1、ｈ2の相互の関係については考慮されていない。このため、回折格子が段差を有する構成では、誘電体多層膜の層のうち屈折率の異なる層が格子の段差上で接し合うという事態が生じ、その結果、反射率が低くなるという問題がある。
【００１０】
この点について、図４の回折光学素子５を例に取って説明する。いま、基板５１の屈折率ｎ0を１．５とし、誘電体多層膜５３の層５３ａ、５３ｂの屈折率ｎ1、ｎ2をそれぞれ２．５、１．８７５とすると、
λ／２ｎ0＝λ／４ｎ1＋λ／４ｎ2＋λ／４ｎ1
の関係が成り立つ。すなわち、
ｈ0＝２ｈ1＋ｈ2
であり、回折格子５２の凹凸の物理的高低差ｈ0が、誘電体多層膜５３の層５３ａの物理的厚さｈ1の２倍と層５３ｂの物理的厚さｈ2の和になる。したがって、回折格子５２の段差Ｇ上で、屈折率の大きい奇数番目の層５３ａと屈折率の小さい偶数番目の層５３ｂが接し合う。
【００１１】
このような状態の回折光学素子５に、光が基板５１の裏面側から斜めに入射して回折格子５２の段差Ｇ上の部位に達すると、その光に対する層５３ａ、５３ｂの厚さｈ1、ｈ2は、反射率が最大となるλ／４ｎ1、λ／４ｎ2からずれてしまい、λ／４ｎ1、λ／４ｎ2よりも小さくなったり、例えば矢印で示した光に対するように、２倍のλ／２ｎ1、λ／２ｎ2になったりする。その結果、誘電体多層膜５３の反射率は低下し、反射すべき光が回折光学素子５を透過してしまう。
【００１２】
基板５１の裏面側から垂直に入射する光は段差Ｇ上の部位を斜めに横切らないから、このような光に対しては誘電体多層膜５３の反射率は低下しないように見える。しかし、回折された反射光は段差Ｇに平行にはならないから、段差Ｇ上の部位を斜めに横切ることになり、やはり、反射率は低下する。
【００１３】
回折格子５２の段差Ｇ上で屈折率の異なる層５３ａと層５３ｂが接することにより誘電体多層膜５３の反射率が低下するのは、光を基板５１の裏面側から入射させる場合だけでなく、基板５１の表面側から誘電体多層膜５３に直接入射させる場合にも生じる。
【００１４】
反射率が低下すると、取り出すべき反射光の量が減少したり、取り出すべき透過光に不要な光が混入したりするという不都合を招く。屈折率の大きい層と屈折率の小さい層の積層数を増せば誘電体多層膜の反射率の低下は避けられるが、そのようにすると、膜形成のための工程数や時間が増大して、回折光学素子の製造効率が大幅に低下する。
【００１５】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、段差を有する回折格子上に誘電体多層膜を備えた回折光学素子の反射率の向上を図ることを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、表面に回折格子が形成された基板と、基板表面の回折格子上に設けられた誘電体多層膜を備える回折光学素子であって、回折格子が基板表面全体に対して略垂直な段差を有し、誘電体多層膜が回折格子の段差上で連続しているものにおいて、回折格子の段差の大きさを誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍とする。
【００１９】
回折格子の段差の大きさが誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍であれば、誘電体多層膜に含まれる層のうち同一の誘電体の層のみが回折格子の段差上で連続することになり、したがって、高い反射率が得られる。回折格子の段差の大きさを誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍にすることは、誘電体多層膜の各層の屈折率の設定次第で容易に実現することができる。
【００２０】
この場合、誘電体多層膜が１周期に２つの層のみを有する構成とし、次の式１の関係を満たすようにするとよい。
２／ｎ0＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2） … 式１
ここで、ｎ0は基板の屈折率、ｎ1、ｎ2は誘電体多層膜の２つの層の屈折率、ｍは値が１以上の整数である。
【００２１】
１周期に２つの層のみを有する誘電体多層膜は最も簡素な構成であり、作製が容易である。式１を満たすことで、回折格子の段差の大きさが誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍になり、同時に、前述のｈ0＝λ／２ｎ0、ｈ1＝λ／４ｎ1、ｈ2＝λ／４ｎ2の関係を成り立たせることができる。したがって、光を基板の裏面側から入射させる場合に、１次の反射光を効率よく得ることが可能である。
【００２２】
誘電体多層膜が１周期に２つの層のみを有する構成とし、次の式２の関係を満たすようにしてもよい。
２＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2） … 式２
ここでも、ｎ1、ｎ2は誘電体多層膜の２つの層の屈折率、ｍは値が１以上の整数である。
【００２３】
式２を満たすことで、回折格子の段差の大きさが誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍になり、同時に、ｈ0＝λ／２、ｈ1＝λ／４ｎ1、ｈ2＝λ／４ｎ2の関係を成り立たせることができる。したがって、光を基板の表面側から誘電体多層膜に直接入射させる場合に、１次の反射光を効率よく得ることが可能である。
【００２４】
上記の各回折光学素子は、回折格子の隣合う段差間の表面が基板表面全体に対して傾斜しているものとすることができるし、回折格子の隣合う段差間の表面が基板表面全体に対して略平行であるものとすることもできる。すなわち、回折格子はブレーズ型であってもバイナリ型であってもよい。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の回折光学素子の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の回折光学素子１の断面を図１に模式的に示す。回折光学素子１は、表面に回折格子１２が形成された基板１１と、回折格子１２上に設けられた誘電体多層膜１３より成る。回折格子１２は、表面が１方向のみに傾斜したブレーズ型であり、凹凸の境界に段差Ｇを有する。誘電体多層膜１３は屈折率の異なる２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂを交互に重ねたものである。誘電体多層膜１３の厚さは回折格子１２の段差Ｇよりも大きく、誘電体多層膜１３は段差Ｇ上でも連続している。
【００２６】
回折光学素子１は、基板１１の裏面側から光を入射させ、所定の波長の光を選択的に反射して、反射光に１次の回折を生じさせるように設定されている。以下、反射対象とする光の波長をλ、基板１１の屈折率をｎ0、誘電体の層１３ａの屈折率をｎ1、誘電体の層１３ｂの屈折率をｎ2、回折格子１２の凹凸の物理的高低差すなわち段差Ｇの大きさをｈ0、誘電体の層１３ａの物理的厚さをｈ1、誘電体の層１３ｂの物理的厚さをｈ2とする。
【００２７】
回折格子１２の凹凸の物理的高低差ｈ0と基板１１の屈折率ｎ0は、ｈ0＝λ／２ｎ0の関係を満たすように設定されている。また、２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂの物理的厚さｈ1、ｈ2とそれらの屈折率ｎ1、ｎ2は、ｈ1＝λ／４ｎ1、ｈ2＝λ／４ｎ2の関係を満たすように設定されている。したがって、回折格子１２による反射光の１次の回折効率は高く、誘電体多層膜１３の反射率も高い。
【００２８】
さらに、回折格子１２の凹凸の物理的高低差ｈ0と２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂの物理的厚さｈ1、ｈ2は、式３を満たすように設定されている。
ｈ0＝ｈ1＋ｈ2 … 式３
【００２９】
したがって、回折格子１２の段差Ｇ上では、凸部側のｋ番目（ｋは１以上の整数）の層と凹部側の（ｋ＋２）番目の層とが同じ高さとなる。ｋ番目の層と（ｋ＋２）番目の層は、いずれも層１３ａであるか、いずれも層１３ｂであり、段差Ｇ上で同一の層のみが連続することになる。つまり、屈折率の異なる層１３ａと層１３ｂが接し合うことはない。
【００３０】
この構成では、基板１１の裏面側から斜めに入射して段差Ｇ上の部位を斜めに横切ることになる矢印で示した光や、基板１１の裏面側から垂直に入射し、回折されて段差Ｇ上の部位を斜めに横切ることになる光に対して、誘電体の層１３ａ、１３ｂの物理的厚さｈ1、ｈ2は変化せず、λ／４ｎ1とλ／４ｎ2のままである。つまり、誘電体多層膜１３の反射率は、回折格子１２の段差Ｇ上の部位を含めて一定であり、かつ高い。
【００３１】
式３に、ｈ0＝λ／２ｎ0、ｈ1＝λ／４ｎ1、ｈ2＝λ／４ｎ2の関係を代入して整理すると、式４が得られる。
２／ｎ0＝１／ｎ1＋１／ｎ2 … 式４
【００３２】
式４は、基板の屈折率ｎ0と誘電体の層１３ａ、１３ｂの屈折率ｎ1、ｎ2の関係を規定しているが、例えば、ｎ0＝１．５、ｎ1＝１．３８、ｎ2＝１．６４３とすれば成り立つ。種々の光学材料の中から式４の関係を満たす屈折率を有するものを選択するのは容易である。実際には、反射対象とする光の波長λを考慮して基板１１の屈折率ｎ0を定め、次いで、波長λと基板１１の屈折率ｎ0を考慮して式４を満たすように誘電体の層１３ａ、１３ｂの屈折率ｎ1、ｎ2を定めることになる。
【００３３】
なお、回折光学素子１に対して光を斜めに入射させる場合、光の入射角をθとすると、厳密には、ｈ0＝λ／２ｎ0cosθ、ｈ1＝λ／４ｎ1cosθ、ｈ2＝λ／４ｎ2cosθの関係を満たすように設定する。ただし、この場合も、式４の関係を満たせば式３が成り立ち、回折格子１２の段差Ｇ上で同一の誘電体の層のみが連続する。
【００３４】
以下、本発明の他の実施形態について説明するが、回折光学素子１の構成要素と同一または類似の機能を有する構成要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。基板や誘電体の層の屈折率や厚さも同じ符号で表す。
【００３５】
第２の実施形態の回折光学素子２の断面を図２に模式的に示す。この回折光学素子２は、第１の実施形態の回折光学素子１を修飾して、基板１１の凹凸の物理的高低差ｈ0と誘電体多層膜１３を成す２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂの物理的厚さｈ1、ｈ2が、式５の関係を満たすようにしたものである。
ｈ0＝２（ｈ1＋ｈ2） … 式５
【００３６】
したがって、回折格子１２の段差Ｇ上では、凸部側のｋ番目の層と凹部側の（ｋ＋４）番目の層とが同じ高さとなる。この構成でも、段差Ｇ上で同一の層のみが連続し、基板１１の裏面側から入射する光を高い反射率で反射することができる。
【００３７】
式５に、ｈ0＝λ／２ｎ0、ｈ1＝λ／４ｎ1、ｈ2＝λ／４ｎ2の関係を代入して整理すると、式６が得られる。
１／ｎ0＝１／ｎ1＋１／ｎ2 … 式６
【００３８】
式６は、例えば、ｎ0＝１．５、ｎ1＝３．３、ｎ2＝２．７５とすれば成り立つ。回折格子１２の凹凸の物理的高低差ｈ0や基板１１の屈折率ｎ0を回折光学素子１と同じにすると、誘電体多層膜１３の２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂの物理的厚さの和（ｈ1＋ｈ2）が半分になるため、誘電体の層１３ａ、１３ｂの屈折率ｎ1、ｎ2を大きくすることになる。
【００３９】
第３の実施形態の回折光学素子３の断面を図３に模式的に示す。回折光学素子３は、基板１１の表面に形成する回折格子１２を２レベルのバイナリ型としたものである。回折格子１２の凹凸の物理的高低差ｈ0と誘電体多層膜１３を成す２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂの物理的厚さｈ1、ｈ2は、第１の実施形態の回折光学素子１と同様に、式３の関係を満たすように設定されている。したがって、回折格子１２の段差Ｇ上で同一の層のみが連続し、基板１１の裏面側から入射する光を高い反射率で反射することが可能である。
【００４０】
上記の第１〜第３の実施形態の回折光学素子１〜３では、回折格子１２の段差Ｇ上で、誘電体多層膜１３のｋ番目の層と（ｋ＋２）番目の層、またはｋ番目の層と（ｋ＋４）番目の層が連続する構成としたが、ｋ番目の層と（ｋ＋２ｉ）番目（ｉは３以上の整数）が連続する構成とすることもできる。したがって、基板１１の屈折率ｎ0と誘電体多層膜１３の２つの層１３ａ、１３ｂの屈折率ｎ1、ｎ2は式１の関係を満たせばよい。ここでｍは１以上の整数である。
２／ｎ0＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2） … 式１（再掲）
【００４１】
また、回折光学素子１〜３は基板の裏面側から光を入射させて使用するものであるが、本発明は、基板１１の表面側から誘電体多層膜１３に直接光を入射させて使用する場合にも適用可能である。その場合、誘電体多層膜１３に光が入射する直前の媒質が空気であるから、式１のｎ0に代えて、空気の屈折率１を入れればよい。すなわち、誘電体多層膜１３の２つの層１３ａ、１３ｂの屈折率ｎ1、ｎ2が式２の関係を満たすように設定する。
２＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2） … 式２（再掲）
【００４２】
本発明はさらに、回折格子がマルチレベルのバイナリ型である回折光学素子にも適用可能である。その場合、誘電体多層膜を、回折格子の最高レベルと最低レベルの高低差以上の厚さになるように、かつ、屈折率が式１または式２の関係を満たすように設ける。
【００４３】
また、ここでは、誘電体多層膜１３の積層の１周期に２つの誘電体の層１３ａ、１３ｂのみを含ませて最も簡素な構成としているが、誘電体多層膜は１周期に３種以上の誘電体の層を含む構成とすることもできる。その場合、１周期内の誘電体の層の総数をｊとして、式７または式８の関係を満たすようにすればよい。
２／ｎ0＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2＋ … ＋１／ｎj） … 式７
２＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2＋ … ＋１／ｎj） … 式８
【００４４】
反射光に２次以上の回折を生じさせる場合、回折格子の凹凸の物理的高低差ｈ0と基板の屈折率ｎ0を、ｈ0＝λ／２ｎ0とは異なる関係に設定することになる。その場合は、その回折の次数に適する式に応じて、式１、式２あるいは式７、式８の左辺を定めればよい。
【００４５】
【発明の効果】
回折格子の段差の大きさが誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍である本発明の回折光学素子は、同一の誘電体の層のみが回折格子の段差上で連続することになるので、段差上の部位を斜めに横切る光があっても、その光に対する各層の厚さに変化がないから、高い反射率を示す素子となる。したがって、反射光を利用する場合は、効率よく所望の反射光を得ることができ、透過光を利用する場合は、所望の透過光に不要な光が混入するのを避けることができる。
【００４７】
誘電体多層膜が１周期に２つの層のみを有する構成とし、式１または式２の関係を満たすように設定したものでは、誘電体多層膜の作製が容易である上、反射した光に１次の回折を最も効率よく生じさせ、しかも、誘電体多層膜の反射率を最も高くすることができる。したがって、一般的な用途に好適な素子となる。式１を満たす設定では、基板の裏面側から光を入射させる使用形態に適しており、式２を満たす設定では、基板の表面側から誘電体多層膜に直接光を入射させる使用形態に適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 第１の実施形態の回折光学素子の構成を模式的に示す断面図。
【図２】 第２の実施形態の回折光学素子の構成を模式的に示す断面図。
【図３】 第３の実施形態の回折光学素子の構成を模式的に示す断面図。
【図４】 従来の回折光学素子の構成を模式的に示す断面図。
【符号の説明】
１、２、３ 回折光学素子
１１ 基板
１２ 回折格子
１３ 誘電体多層膜
１３ａ、１３ｂ 誘電体層
Ｇ 段差
λ 反射対象光の波長
ｎ0 基板の屈折率
ｎ1、ｎ2 誘電体層の屈折率
ｈ0 回折格子の物理的高低差
ｈ1、ｈ2 誘電体層の物理的厚さ

Claims (5)

1. 表面に回折格子が形成された基板と、基板表面の回折格子上に設けられた誘電体多層膜を備える回折光学素子であって、回折格子が基板表面全体に対して略垂直な段差を有し、誘電体多層膜が回折格子の段差上で連続しているものにおいて、
   回折格子の段差の大きさが誘電体多層膜の１周期の厚さの整数倍であることを特徴とする回折光学素子。
2. 誘電体多層膜が１周期に２つの層のみを有し、
   基板の屈折率をｎ0、誘電体多層膜の２つの層の屈折率をｎ1、ｎ2、値が１以上の整数をｍで表すとき、
   ２／ｎ0＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2）
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
3. 誘電体多層膜が１周期に２つの層のみを有し、
   誘電体多層膜の２つの層の屈折率をｎ1、ｎ2、値が１以上の整数をｍで表すとき、
   ２＝ｍ・（１／ｎ1＋１／ｎ2）
   の関係を満たすことを特徴とする請求項１に記載の回折光学素子。
4. 回折格子の隣合う段差間の表面が基板表面全体に対して傾斜していることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
5. 回折格子の隣合う段差間の表面が基板表面全体に対して略平行であることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の回折光学素子。

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