JP6356557B2 - レンズおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
φ(x)=(2π/λ)×(f+φmax λ/2π−(f2 +x2 )1/2 )
ここで、λは実施例1の設計波長(レンズによって集光する光の波長)、fは焦点距離、φmax は原点における位相変化量の値である。
なお、占有率rの定義が実施例1と異なっているが、定数倍の違いに過ぎず、実施例1と同様に、単位セル122の面積に対するリッジ120の面積の割合の平方根としても以下と同様の結論が得られる。
実施例6の変形例1は、実施例6における単位セル65を、図35に示す単位セル75に置き換えたものであり、他の構成は実施例6と同様である。
実施例6の変形例2は、実施例6における単位セル65を、図38に示す単位セル85に置き換えたものであり、他の構成は実施例6と同様である。
単位セルの平面視の形状、および平面充填方法は、実施例1〜7に示したものに限るものではなく、単一の形状によって平面を充填可能な任意の形状であってよい。ただし、偏光特性を有しないレンズとする場合には、正三角形、正方形、正六角形が望ましい。正三角形および正方形の場合、平面充填方法はそれぞれ2通りあるが、そのいずれであってもよい。偏光特性を有するレンズとする場合には、長方形、平行四辺形、菱形などの形状を単位セルの平面視の形状として用いることができる。
2、30、60:擬似周期構造層
20、120、62:リッジ
21、121、63:空間領域
22、122、65:単位セル
40:周期構造層
41:吸収層
42:低屈折率層
50:撮像素子アレイ
51、53:スペーサ
52、54:空気層
Claims (29)
- 所定波長の光を反射または透過させて集光あるいは発散させるレンズにおいて、
基板と、
前記基板上に位置する擬似周期構造層と、
を有し、
前記擬似周期構造層は、
その平面を2次元周期的に充填する単位セルによって区分した際に、その単位セル内に第1領域と第2領域とを有した構造であって、
前記基板の屈折率n1、前記第1領域の屈折率n2、前記第2領域の屈折率n3として、n2≧n1>n3またはn2>n1≧n3であり、
前記単位セルの面積に対する前記第1領域の面積の割合の平方根を占有率として、各単位セルの前記占有率が前記基板中心部から離れるにつれて、前記第1領域の平面視における形状が相似形を保ったまま、変化する構造であり、
前記平面上に、前記占有率と周期長が一定の単位セルを前記2次元周期的に充填した仮想配列において、前記占有率および前記周期長を変化させたときに、前記仮想配列の透過率が0.1以下となる前記占有率と前記周期長の関係を共鳴モードとし、その共鳴モードのうち前記占有率が最も小さくなる場合の共鳴モードを最低次共鳴モードとするとき、現実の前記擬似周期構造層における前記単位セルの周期長は、最低次共鳴モードの共鳴幅が最も狭くなる最適値を含む所定範囲内のある値に設定され、かつ、各単位セルの前記占有率の変化範囲は、最低次共鳴モードをまたいで変化する範囲である、
ことを特徴とするレンズ。 - 前記周期長の前記所定範囲は、前記最適値の0.9倍以上、1.1倍以下の範囲であることを特徴とする請求項1に記載のレンズ。
- 前記共鳴幅を前記占有率で表わすとき、現実の前記擬似周期構造層において前記占有率を変化させるステップ幅は、前記共鳴幅に存在する前記占有率の変化点数が、前記擬似周期構造層における前記占有率の全変化点数の0.1倍以下を満たす幅である、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のレンズ。
- 前記共鳴幅を前記占有率で表わすとき、現実の前記擬似周期構造層において前記占有率を変化させるステップ幅は、前記共鳴幅よりも大きい幅である、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項に記載のレンズ。
- 前記占有率の前記変化範囲の中央値の0.8倍以上、1.1倍以下の範囲に、前記最低次共鳴モードの共鳴幅が重なるように、前記占有率の前記変化範囲が設定されている、ことを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記基板はSiO2 、前記第1領域はSiからなり、前記第2領域は空気で満たされた空間領域である、ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記所定波長は、可視光または近赤外線であることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記所定波長は、0.4μm以上、12μm以下であり、
前記周期長は、前記所定波長の1/3〜2/3であり、
前記占有率の変化範囲の下限は0.2以上、上限は0.8以下である、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれか1項に記載のレンズ。 - 所定波長の光を反射または透過させて集光あるいは発散させるレンズにおいて、
基板と、
前記基板上に位置する擬似周期構造層と、
を有し、
前記所定波長は2μm以上であり、
前記擬似周期構造層は、
その平面を2次元周期的に充填する単位セルによって区分した際に、その単位セル内に前記基板と同一材料からなる第1領域と、第2領域と、を有した構造であって、
前記基板の屈折率n1、前記第1領域の屈折率n2、前記第2領域の屈折率n3として、n1=n2>n3、かつn1が3以上であり、
前記単位セルの面積に対する前記第1領域の面積の割合の平方根を占有率として、各単位セルの前記占有率が前記基板中心部から離れるにつれて、前記第1領域の平面視における形状が相似形を保ったまま、変化する構造であり、
前記平面上に、前記占有率と周期長が一定の単位セルを前記2次元周期的に充填した仮想配列において、所望の値の前記周期長において占有率を変化させたときに、前記仮想配列の透過率が極小値をとるときの前記占有率のうち最小のものを極小占有率とするとき、現実の前記擬似周期構造層における前記各単位セルの前記占有率の変化範囲は、前記極小占有率をまたいで変化する範囲である、
ことを特徴とするレンズ。 - 前記基板および前記第1領域はSiからなり、前記第2領域は空気で満たされた空間領域である、ことを特徴とする請求項9に記載のレンズ。
- 前記所定波長は、5〜15μmである、ことを特徴とする請求項9または請求項10に記載のレンズ。
- 前記周期長は、前記所定波長をλとして、λ/n1の1/2倍以上λ/n1の5/4倍以下であることを特徴とする請求項9ないし請求項11のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記擬似周期構造層は、各単位セルの前記占有率が、前記基板中心部から離れるにつれて、ノコギリ歯状に増減を繰り返す構造である、ことを特徴とする請求項1ないし請求項12のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記単位セルの平面視の形状は、正三角形、正方形、または正六角形であり、前記第1領域の平面視の形状は、前記単位セルの平面視の形状の整数倍の回転対称性を有する形状であることを特徴とする請求項1ないし請求項13のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記単位セルの平面視における形状は正方形であって、前記単位セルによって正方格子状に充填される構造であり、前記周期長をa、前記所定波長をλ、前記擬似周期構造層の厚さをhとして、
a>λ2 /(n2×h)
であることを特徴とする請求項1ないし請求項14のいずれか1項に記載のレンズ。 - 前記第1領域の平面視の形状は、長方形または平行四辺形であることを特徴とする請求項1ないし請求項15のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記第1領域の平面視の形状は、前記単位セルの縮小相似形であることを特徴とする請求項1ないし請求項16のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記擬似周期構造層の外周領域は、前記占有率が一定の周期構造である、ことを特徴とする請求項1ないし請求項17のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記基板の前記擬似周期構造層側とは反対側の面に、周期構造層を有する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項18のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記基板と前記周期構造層との間に、前記基板よりも屈折率の低い低屈折率層を有する、ことを特徴とする請求項19に記載のレンズ。
- 前記基板の前記擬似周期構造層側とは反対側の面に、吸収層を有する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項20のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記基板の前記擬似周期構造層側とは反対側の面に、または、前記擬似周期構造層上に、撮像素子アレイを有する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項21のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記基板と前記第1領域との間に、前記第1領域のエッチングに対して耐性を有するエッチングストッパ層を有する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項22のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記第1領域は、その前記基板に平行な断面積が、前記基板から離れるに従って減少するような形状である、ことを特徴とする請求項1ないし請求項23のいずれか1項に記載のレンズ。
- 前記第1領域は、角錐台、円錐台、角錐、または円錐であることを特徴とする請求項24に記載のレンズ。
- 前記第1領域の側面の傾斜角度は5°以下である、ことを特徴とする請求項25に記載のレンズ。
- 前記第1領域上に、前記第1領域よりも屈折率の低い低屈折率層を有する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項26のいずれか1項に記載のレンズ。
- 基板上に擬似周期構造層を形成する工程を有し、
前記擬似周期構造層の形成は、
その平面を2次元周期的に充填する単位セルによって区分した際に、その単位セル内に第1領域と第2領域とを有した構造であって、
前記基板の屈折率n1、前記第1領域の屈折率n2、前記第2領域の屈折率n3として、n2≧n1>n3またはn2>n1≧n3であり、
前記単位セルの面積に対する前記第1領域の面積の割合の平方根を占有率として、各単位セルの前記占有率が前記基板中心部から離れるにつれて、前記第1領域の平面視における形状が相似形を保ったまま、変化する構造に形成し、
前記平面上に、前記占有率と周期長が一定の単位セルを前記2次元周期的に充填した仮想配列において、前記占有率および前記周期長を変化させたときに、前記仮想配列の透過率が0となる前記占有率と前記周期長の関係を共鳴モードとし、その共鳴モードのうち前記占有率が最も小さくなる場合の共鳴モードを最低次共鳴モードとするとき、現実の前記擬似周期構造層における前記単位セルの周期長は、最低次共鳴モードの共鳴幅が最も狭くなる最適値を含む所定範囲内のある値に設定され、かつ、各単位セルの前記占有率の変化範囲は、最低次共鳴モードをまたいで変化する範囲である、
ことを特徴とするレンズの製造方法。 - 波長2μm以上の光を反射または透過させて集光あるいは発散させるレンズの製造方法において、
基板上に擬似周期構造層を形成する工程を有し、
前記擬似周期構造層の形成は、
その平面を2次元周期的に充填する単位セルによって区分した際に、その単位セル内に第1領域と第2領域とを有した構造であって、
前記基板の屈折率n1、前記第1領域の屈折率n2、前記第2領域の屈折率n3として、n1=n2>n3、かつn1が3以上であり、
前記単位セルの面積に対する前記第1領域の面積の割合の平方根を占有率として、各単位セルの前記占有率が前記基板中心部から離れるにつれて、前記第1領域の平面視における形状が相似形を保ったまま、変化する構造に形成し、
前記平面上に、前記占有率と周期長が一定の単位セルを前記2次元周期的に充填した仮想配列において、所望の値の前記周期長において占有率を変化させたときに、前記仮想配列の透過率が極小値をとるときの前記占有率のうち最小のものを極小占有率とするとき、現実の前記擬似周期構造層における前記各単位セルの前記占有率の変化範囲は、前記極小占有率をまたいで変化する範囲である、
ことを特徴とするレンズの製造方法。
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