JP6981074B2 - Optical element - Google Patents

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Description

本発明は、所定の位相差を発生させる光学素子に関する。 The present invention relates to an optical element that generates a predetermined phase difference.

入射光に対して所定パターンの光スポットを生成する回折光学素子、屈折作用を有するレンズ素子、所定の出射角に光を拡散する拡散素子等、入射光に所定の位相差を発生させる様々な光学素子が使用されている。 Various optics that generate a predetermined phase difference in incident light, such as a diffractive optical element that generates a predetermined pattern of light spots with respect to incident light, a lens element that has a refraction action, and a diffuser element that diffuses light to a predetermined emission angle. The element is used.

このような光学素子は、例えば、計測装置の照射光学系において、所定の光を発生させて計測対象に照射する回折光学素子、通信機器の通信情報伝搬用光学系において、通信情報を伝搬する光を所定の光路に導くレンズやマイクロレンズ等が挙げられる。 Such an optical element is, for example, a diffractive optical element that generates a predetermined light to irradiate a measurement target in an irradiation optical system of a measuring device, or light that propagates communication information in a communication information propagation optical system of a communication device. Examples thereof include a lens and a microlens that guide the optical path to a predetermined optical path.

例えば、特許文献1には、入射ビームに対して制御可能な強度変化をもつ分散(拡散または散乱)を発現する微細構造分布を有する基板からなり、拡散素子や表示スクリーンとして機能する光学素子が例示されている。 For example, Patent Document 1 exemplifies an optical element which is composed of a substrate having a fine structure distribution that expresses dispersion (diffusion or scattering) having a controllable intensity change with respect to an incident beam and functions as a diffusion element or a display screen. Has been done.

上記のような光学素子を備える光学装置は、可視光に限らず近赤外光を取り扱うものもある。しかし、これらの光学装置の中には、入射光の進行方向に対して大きく異なる出射角で回折、拡散、屈折させる作用を求められるものもある。そのような光学素子は、近赤外光を扱う場合、波長の長さに起因して凹凸構造に物理的制約が生じる問題がある。とくに、波長600nm以上(〜1200nm以下)の可視域や近赤外域で入射する光に対して最大出射角が比較的大きい凹凸構造を有する光学素子を考えた場合、凹凸構造を形成する上で、高屈折率材料を使用したり、または凹凸部を深くしたりする必要がある。 Optical devices provided with the above optical elements handle not only visible light but also near-infrared light. However, some of these optical devices are required to have an action of diffracting, diffusing, and refracting at emission angles that are significantly different from the traveling direction of the incident light. When dealing with near-infrared light, such an optical element has a problem that the concave-convex structure is physically restricted due to the length of the wavelength. In particular, when considering an optical element having a concavo-convex structure having a relatively large maximum emission angle with respect to light incident in the visible region or near-infrared region having a wavelength of 600 nm or more (up to 1200 nm or less), it is necessary to form the concavo-convex structure. It is necessary to use a high refractive index material or to deepen the uneven part.

とくに、凹凸部の深さが増すと、それにしたがってアスペクト比(例えば、「凸部の高さ/凸部の幅」)も大きくなり、加工精度が高められない問題が顕著になる。このため、光学素子として精度よく所望の位相差を発生させにくくなるおそれがある。例えば、入射光に対して広角で所定の光スポットを発生させる回折光学素子の場合、凹凸構造が微細化してアスペクト比が大きくなる。このため、エッチング等の加工処理において凹凸構造を設計どおりに加工するのが困難となり、回折効率分布の制御性が低下する問題がある。また、拡散素子やマイクロレンズアレイなどの屈折作用を発現させる光学素子の場合でも、大きい屈折角を得るためには、レンズ部(より具体的には曲面形状の凹凸部)がなす傾斜角を大きくする必要がある。 In particular, as the depth of the uneven portion increases, the aspect ratio (for example, "height of the convex portion / width of the convex portion") also increases accordingly, and the problem that the processing accuracy cannot be improved becomes remarkable. Therefore, it may be difficult for the optical element to generate a desired phase difference with high accuracy. For example, in the case of a diffractive optical element that generates a predetermined light spot at a wide angle with respect to incident light, the uneven structure becomes finer and the aspect ratio becomes larger. For this reason, it becomes difficult to process the uneven structure as designed in the processing process such as etching, and there is a problem that the controllability of the diffraction efficiency distribution is lowered. Further, even in the case of an optical element such as a diffusion element or a microlens array that exhibits a refraction action, in order to obtain a large refraction angle, the inclination angle formed by the lens portion (more specifically, the uneven portion having a curved surface shape) is increased. There is a need to.

そのような形状の制約を低減するため、凹凸部に高屈折率材料を使用し、周辺媒質との屈折率差を大きくすることでアスペクト比を低減する構成が挙げられる。例えば、可視光に対して大きな吸収を持つ一方、近赤外光に対して高い屈折率を有するアモルファスシリコンなどの半導体材料の使用が挙げられる。例えば、特許文献2には、赤外線光に対して所望の位相差を発生できるように、複数のアモルファスシリコン位相シフト層を含む多層構造体を形成した回折光学素子が開示されている。 In order to reduce such restrictions on the shape, a configuration in which a high refractive index material is used for the uneven portion and the difference in the refractive index from the peripheral medium is increased to reduce the aspect ratio can be mentioned. For example, the use of a semiconductor material such as amorphous silicon, which has a large absorption for visible light and a high refractive index for near-infrared light, can be mentioned. For example, Patent Document 2 discloses a diffractive optical element in which a multilayer structure including a plurality of amorphous silicon phase shift layers is formed so that a desired phase difference can be generated with respect to infrared light.

米国特許第7033736号明細書U.S. Pat. No. 70333736 特開2004−62200号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-62200

特許文献2の回折光学素子は、凹凸形状を整えるために二酸化シリコンのエッチストップ層を有し、該層が周辺媒質である空気に晒された構成である。しかし、凹凸部として高屈折率材料を使用すると、当該凹凸部の入射側界面および出射側界面で発生する反射(以下、界面反射)が大きくなり、反射ロスが生じて光利用効率が低減するという別の問題が発生する。特許文献2に記載のエッチストップ層は、その機能を発揮する二酸化シリコンが5nm未満の厚さを有することが記載されているが、あくまでエッチストップに適した材料を備える構成であって、そこで発生する反射ロスについて考慮されていない。 The diffractive optical element of Patent Document 2 has an etch stop layer of silicon dioxide in order to adjust the uneven shape, and the layer is exposed to air as a peripheral medium. However, when a high-refractive index material is used as the uneven portion, the reflection (hereinafter referred to as interfacial reflection) generated at the entrance side interface and the exit side interface of the uneven portion becomes large, causing reflection loss and reducing the light utilization efficiency. Another problem arises. The etch stop layer described in Patent Document 2 describes that silicon dioxide exhibiting its function has a thickness of less than 5 nm, but it is configured to include a material suitable for etch stop to the last, and is generated there. No consideration is given to the reflection loss.

そこで、本発明は、入射光に対して所定の位相差を発生させる凹凸構造の高い光利用効率を備えた光学素子、それに加えて加工容易性を備えた光学素子の提供を目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an optical element having a high light utilization efficiency having a concavo-convex structure that generates a predetermined phase difference with respect to incident light, and an optical element having ease of processing in addition to the optical element.

本発明による光学素子は、透明基材と、前記透明基材上に設けられ、入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる凹凸部とを備え、前記凹凸部は、異なる2以上の材料により構成されており、前記凹凸部を構成する前記材料の一つが、前記入射光の波長帯における複素屈折率を、n−ikとしたとき、n≧2.5およびk<0.01である第1の材料であり、前記透明基材の平面の法線方向から入射する前記入射光に対し、少なくとも有効領域における前方透過率が80%以上であるまたは少なくとも有効領域における反射率が10%以下であり、前記凹凸部は、前記透明基材と非平行で連続的な曲面を1つ以上有するまたは前記透明基材と非平行な傾斜面を1つ以上有する単層の凹凸構造と、前記透明基材との界面および/または当該凹凸部の前記曲面または前記傾斜面が形成されている側の表面を覆う所定の媒質との界面に、反射防止層とを含むことを特徴とする。 The optical element according to the present invention includes a transparent base material and a concavo-convex portion provided on the transparent base material and generating a predetermined phase difference with respect to a predetermined polarization component of the incident light or the incident light. The uneven portion is composed of two or more different materials, and when one of the materials constituting the uneven portion has a complex refractive index in the wavelength band of the incident light as n−k, n ≧ 2. 5 and the first material with k <0.01, the forward transmittance in at least the effective region is 80% or more, or at least, with respect to the incident light incident from the normal direction of the plane of the transparent substrate. The transmittance in the effective region is 10% or less, and the uneven portion has one or more curved surfaces that are non-parallel to the transparent substrate or one or more inclined surfaces that are non-parallel to the transparent substrate. An antireflection layer is provided at the interface between the concavo-convex structure of a single layer and a predetermined medium that covers the interface with the transparent substrate and / or the surface of the concavo-convex portion on the side where the curved surface or the inclined surface is formed. It is characterized by including.

本発明によれば、入射光に対して所定の位相差を発生させる凹凸構造の高い光利用効率を備えた光学素子、それに加えて加工容易性を備えた光学素子を提供できる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical element having a high light utilization efficiency having a concavo-convex structure that generates a predetermined phase difference with respect to incident light, and an optical element having ease of processing in addition to the optical element.

第1の実施形態の光学素子10の断面模式図。The cross-sectional schematic diagram of the optical element 10 of 1st Embodiment. 光学素子10の他の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical element 10. 光学素子10の他の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical element 10. 光学素子10の他の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical element 10. 光学素子10の他の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical element 10. 光学素子10により生成される光のパターンの例を示す説明図。Explanatory drawing which shows an example of the pattern of light generated by an optical element 10. 光学素子10の凹凸部12の例を模式的に示す図。The figure which shows typically the example of the concavo-convex portion 12 of an optical element 10. 光学素子10内における回折光の伝播の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing an example of propagation of diffracted light in the optical element 10. 第2の実施形態の光学素子40の平面模式図および断面模式図。A schematic plan view and a schematic cross-sectional view of the optical element 40 of the second embodiment. 光学素子40の他の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical element 40. 光学素子40の他の例を示す断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view showing another example of the optical element 40. 傾斜がαの傾斜面から出射される光の屈折作用の例を示す断面模式図。Schematic diagram of a cross section showing an example of the refraction action of light emitted from an inclined surface having an inclination of α. 例1およびその比較例の波長800〜1000nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-1000 nm of Example 1 and its comparative example. 例2の波長800〜1200nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-1200 nm of Example 2. 例3〜例6の光学素子10の要部断面模式図。Schematic diagram of a main part of the optical element 10 of Examples 3 to 6. 例3の波長800〜900nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-900 nm of Example 3. 例4の波長800〜900nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-900 nm of Example 4. 例5の波長800〜900nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-900 nm of Example 5. 例6の波長800〜900nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-900 nm of Example 6. 例7の光学素子40の製造方法の説明図。The explanatory view of the manufacturing method of the optical element 40 of Example 7. 例7の波長800〜1000nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-1000 nm of Example 7. 例8の光学素子40の要部断面模式図。FIG. 6 is a schematic cross-sectional view of a main part of the optical element 40 of Example 8. 例9の光学素子10の製造方法の説明図。The explanatory view of the manufacturing method of the optical element 10 of Example 9. 例9の波長800〜1000nmの光における反射率の計算結果。Calculation result of reflectance in light of wavelength 800-1000 nm of Example 9.

実施形態1.
図1は、第1の実施形態の光学素子10の断面模式図である。光学素子10は、透明基材11と、透明基材上に設けられる凹凸部12とを備える。なお、図中の符号13は、凹凸部12を覆う媒質を示す。
Embodiment 1.
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the optical element 10 of the first embodiment. The optical element 10 includes a transparent base material 11 and an uneven portion 12 provided on the transparent base material. Reference numeral 13 in the figure indicates a medium that covers the uneven portion 12.

凹凸部12は、異なる2以上の材料により構成され、かつ2以上の層を有する多層構造である。また、凹凸部12は、入射光または、入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる部位を少なくとも含む。なお、図1は2層の凹凸部12を例示するが、凹凸部12は3層以上でもよい。 The uneven portion 12 is a multilayer structure composed of two or more different materials and having two or more layers. Further, the uneven portion 12 includes at least a portion of incident light or incident light that causes a predetermined phase difference with respect to a predetermined polarization component. Although FIG. 1 illustrates the two-layer uneven portion 12, the uneven portion 12 may have three or more layers.

本実施形態では、多層構造の凹凸部12に関し、凹凸部12と媒質13が接する面のうち最も低い部分より高い位置にあるものを、凹凸部12の凸部121とも呼ぶ。また、凸部121に囲まれてなる凹み部分であって凸部121の最上面より低い部分を、凹凸部12の凹部122とも呼ぶ。以下、凹凸部12から見て透明基材11に近づく方向を下方とし、透明基材11から離れる方向を上方とする。したがって、透明基材11と凹凸部12の界面が凹凸部12の最下面となり、凹凸部12の各段の上面のうち透明基材11と最も離れる面が最上面となる。さらに、凹凸部12と媒質13が接する面のうち最も高い部分と低い部分の間に位置する層を、位相差層123とも呼ぶ。 In the present embodiment, with respect to the uneven portion 12 having a multi-layer structure, the one at a position higher than the lowest portion of the surface where the uneven portion 12 and the medium 13 are in contact is also referred to as the convex portion 121 of the uneven portion 12. Further, a recessed portion surrounded by the convex portion 121 and lower than the uppermost surface of the convex portion 121 is also referred to as a concave portion 122 of the concave-convex portion 12. Hereinafter, the direction toward the transparent base material 11 as viewed from the uneven portion 12 is downward, and the direction away from the transparent base material 11 is upward. Therefore, the interface between the transparent base material 11 and the uneven portion 12 is the lowermost surface of the uneven portion 12, and the surface of the upper surface of each stage of the uneven portion 12 that is farthest from the transparent base material 11 is the uppermost surface. Further, the layer located between the highest portion and the lowest portion of the surface where the uneven portion 12 and the medium 13 are in contact with each other is also referred to as a retardation layer 123.

透明基材11には、ガラス、樹脂等、使用する光の波長に対して透明である部材を使用できる。 As the transparent base material 11, a member such as glass or resin that is transparent to the wavelength of light used can be used.

また、凹凸部12は、少なくとも1以上の層において、該層の使用波長における複素屈折率をn−ikとしたとき、式(1)を満たす材料を使用する。以下、式(1)を満たす材料を第1の材料とも表現する。なお、ここでいう「複素屈折率」は、使用波長のうち最も光強度が高い波長における屈折率に相当し、例えば、当該波長に対して±20nmの範囲や、±10nmの範囲で設定してもよい。以下、「屈折率」についても同様である。 Further, the uneven portion 12 uses a material satisfying the formula (1) in at least one or more layers when the complex refractive index at the wavelength used by the layer is n-ik. Hereinafter, the material satisfying the formula (1) is also referred to as a first material. The "complex refractive index" referred to here corresponds to the refractive index at the wavelength having the highest light intensity among the wavelengths used, and is set in the range of ± 20 nm or ± 10 nm with respect to the wavelength, for example. May be good. Hereinafter, the same applies to the “refractive index”.

n≧2.5、k<0.01 ・・・(1) n ≧ 2.5, k <0.01 ... (1)

なお、使用波長は、光学素子10への入射光の波長帯である。以下、光学素子10に、波長700〜1200nmの近赤外光が入射する、として説明する。なお、後述するように520nmの入射光も対象にできるので波長帯は特に限定されない。例えば、近赤外光のように、可視光より長波長の光を取り扱う場合、光路長差を大きくするために凹凸が高くなる傾向にあるため、本実施形態の光学素子の構成が効果的である。 The wavelength used is the wavelength band of the incident light on the optical element 10. Hereinafter, it will be described that near-infrared light having a wavelength of 700 to 1200 nm is incident on the optical element 10. As will be described later, the wavelength band is not particularly limited because the incident light of 520 nm can also be targeted. For example, when handling light having a longer wavelength than visible light, such as near-infrared light, the unevenness tends to be high in order to increase the optical path length difference, so that the configuration of the optical element of the present embodiment is effective. be.

第1の材料は、アモルファスシリコンまたはアモルファスシリコン化合物を母材とする材料が例示できる。該材料を用いると、波長700〜1200nmにおいてkを十分小さくできる。とくに、化学的安定性の観点から、水素化アモルファスシリコンまたは水素化アモルファスシリコン化合物のように、水素化したものが好ましい。アモルファスシリコンまたはアモルファスシリコン化合物を母材とする材料の成膜には、真空蒸着、スパッタリング、プラズマCVDなどを使用できる。以下、アモルファスシリコンは、「a−Si」とも記載する。 As the first material, a material having amorphous silicon or an amorphous silicon compound as a base material can be exemplified. When the material is used, k can be sufficiently reduced at a wavelength of 700 to 1200 nm. In particular, from the viewpoint of chemical stability, hydrogenated ones such as hydrogenated amorphous silicon or hydrogenated amorphous silicon compounds are preferable. Vacuum vapor deposition, sputtering, plasma CVD, or the like can be used for film formation of a material using amorphous silicon or an amorphous silicon compound as a base material. Hereinafter, amorphous silicon is also referred to as “a—Si”.

a−Siまたはa−Si化合物を母材とする材料としては、a−Siを水素化したもの、a−Siと炭素やゲルマニウムとの化合物(それぞれ、a−SiC、a−SiGeと記述する)並びにこれら材料を水素化したものでもよい。例えば、a−Siやa−Siに対して炭素やゲルマニウムとの化合物を水素化したものは、それぞれa−Si:H、a−SiC:H、a−SiGe:Hなどのように記述される。また、これらは、それぞれ一部に酸素や窒素がドープされてもよい。 Materials using a-Si or a-Si compound as a base material include hydrogenated a-Si and compounds of a-Si and carbon or germanium (described as a-SiC and a-SiGe, respectively). In addition, these materials may be hydrogenated. For example, hydrogenated compounds of carbon and germanium with respect to a-Si and a-Si are described as a-Si: H, a-SiC: H, a-SiGe: H, etc., respectively. .. Further, each of these may be partially doped with oxygen or nitrogen.

a−Siの化合物を用いる利点としては、近赤外光に対して吸収が少ない点である。結晶化シリコンのバンドギャップは約1.1eVであり、波長に換算すると約1130nmである。したがって、結晶化シリコンの場合、波長1130nm以下の光は透過できない。一方、a−Siの化合物としては、a−SiC:Hで1.8〜2.4eV(波長で約520〜690nm)、a−Si:Hで1.7〜1.9eV(波長で約650〜730nm)、a−SiGe:Hで1.0〜1.7eV(波長で約730〜1240nm)のハンドギャップを有する。これらによれば、波長520nm以上の光に対して、吸収が小さい状態で透過できる。 The advantage of using the a-Si compound is that it absorbs less in the near infrared light. The bandgap of crystallized silicon is about 1.1 eV, which is about 1130 nm in terms of wavelength. Therefore, in the case of crystallized silicon, light having a wavelength of 1130 nm or less cannot be transmitted. On the other hand, as the compound of a-Si, a-SiC: H is 1.8 to 2.4 eV (wavelength of about 520 to 690 nm), and a-Si: H is 1.7 to 1.9 eV (wavelength of about 650). ~ 730 nm), a-SiGe: has a hand gap of 1.0 to 1.7 eV (about 730 to 1240 nm in wavelength) at H. According to these, light having a wavelength of 520 nm or more can be transmitted with a small absorption.

また、これらのa−Si化合物の中には、屈折率が2.3〜4の範囲のものがある。とくに2.5以上の屈折率のものを使用すると、可視域で用いられるTiOなどの光学材料よりも屈折率が大きくなり好ましい。また、屈折率は、2.8以上がより好ましく、3以上がさらに好ましい。また、屈折率が高すぎると吸収が出やすいため、屈折率の上限は5以下が好ましく、4以下がより好ましい。 Further, some of these a-Si compounds have a refractive index in the range of 2.3 to 4. In particular, it is preferable to use a material having a refractive index of 2.5 or more because the refractive index becomes larger than that of an optical material such as TiO 2 used in the visible region. The refractive index is more preferably 2.8 or more, and even more preferably 3 or more. Further, if the refractive index is too high, absorption is likely to occur, so that the upper limit of the refractive index is preferably 5 or less, more preferably 4 or less.

上記材料を用いる場合、光学素子の使用波長範囲を520nm以上とできる。ただし、吸収率よりも透過率が高くなる吸収端近傍では吸収が残る場合があるため、使用する光の波長としては、600nm以上が好ましく、700nm以上がより好ましい。なお、結晶化シリコンでも、波長が1130nm以上、とくに1200nm以上では吸収が少ないことから、該波長範囲を使用する場合は結晶化シリコンを使用できる。しかし、使用する光の波長が1200nm以下の場合、材料選択性の観点からも、a−Si化合物を使用するとよい。 When the above material is used, the wavelength range of the optical element can be set to 520 nm or more. However, since absorption may remain in the vicinity of the absorption edge where the transmittance is higher than the transmittance, the wavelength of the light used is preferably 600 nm or more, more preferably 700 nm or more. Even with crystallized silicon, since absorption is small when the wavelength is 1130 nm or more, particularly 1200 nm or more, crystallized silicon can be used when the wavelength range is used. However, when the wavelength of the light used is 1200 nm or less, it is preferable to use the a-Si compound from the viewpoint of material selectivity.

また、基材は使用波長の光に対する透明性が要求されるため、1200nm以下の光を使用する場合、基材としては、結晶化シリコンのような材料を使用できない。したがって、ガラス、樹脂、セラミックスなどの透明材料を用いる必要がある。また、光学ガラスの一般的な屈折率は1.5程度、高いものでも2.1程度であるため、基材とa−Siとの界面で大きな屈折率差を生じ、大きな反射光が発生する。このような観点で後述する屈折率調整層や反射防止層により界面での反射防止が必要になる。 Further, since the base material is required to be transparent to light of the wavelength used, when light of 1200 nm or less is used, a material such as crystallized silicon cannot be used as the base material. Therefore, it is necessary to use transparent materials such as glass, resin, and ceramics. Further, since the general refractive index of optical glass is about 1.5, and even if it is high, it is about 2.1, a large difference in refractive index occurs at the interface between the base material and a-Si, and a large reflected light is generated. .. From this point of view, it is necessary to prevent reflection at the interface by using a refractive index adjusting layer and an antireflection layer, which will be described later.

また、基材上に0.5μm以上のa−Siまたはa−Si化合物を備える場合、これら部材と基材間の応力によって剥離が生じるおそれがあるため、これら部材と基材の線膨張係数の差が小さいとよい。基材とa−Siまたはa−Si化合物の線膨張係数の差の絶対値は、4×10−6/K以下が好ましく、2×10−6/K以下がより好ましい。なお、a−Siの線膨張係数は1.5〜4.0×10−6/Kである。したがって、基材の線膨張係数の例として、8×10−6/K以下が好ましく、6×10−6/K以下がより好ましい。ここで、基材としてガラスを用いる場合、線膨張係数は20℃から300℃の平均線膨張係数を比較できる。線膨張係数は、−2×10−6/K以上が好ましく、0×10−6/K以上がより好ましい。 Further, when an a-Si or a-Si compound having a thickness of 0.5 μm or more is provided on the base material, peeling may occur due to stress between these members and the base material. The difference should be small. The absolute value of the difference in the coefficient of linear expansion between the substrate and the a-Si or a-Si compound is preferably 4 × 10 -6 / K or less, and more preferably 2 × 10 -6 / K or less. The coefficient of linear expansion of a-Si is 1.5 to 4.0 × 10 −6 / K. Therefore, as an example of the coefficient of linear expansion of the base material, 8 × 10 -6 / K or less is preferable, and 6 × 10 -6 / K or less is more preferable. Here, when glass is used as the base material, the coefficient of linear expansion can be compared with the average coefficient of linear expansion of 20 ° C to 300 ° C. The coefficient of linear expansion is preferably -2 × 10 -6 / K or more, and more preferably 0 × 10 -6 / K or more.

このような材料の使用により、凹凸部12の高さを低減でき、例えばエッチングによって加工をする場合にテーパーなどの意図しない構造が発生する前に加工を終了でき、より設計に近い形状が得られる。これにより光学素子10の光学機能の制御が容易になる。 By using such a material, the height of the uneven portion 12 can be reduced, and the machining can be completed before an unintended structure such as a taper is generated when machining by etching, for example, and a shape closer to the design can be obtained. .. This facilitates control of the optical function of the optical element 10.

図1は2段の凹凸部12を例示しているが、凹凸部12は3段以上の、階段状の疑似ブレーズ構造でもよい。ここで、凹凸部12の段数は、一般的な回折格子と同様、入射光に対して位相差を生じさせる段差を構成する各面を1段として数える。 Although FIG. 1 illustrates a two-step uneven portion 12, the uneven portion 12 may have a stepped pseudo-blaze structure having three or more steps. Here, the number of steps of the uneven portion 12 is counted as one step for each surface constituting the step that causes a phase difference with respect to the incident light, as in the case of a general diffraction grating.

例えば、光学素子10は、図2(a)に示すように3段以上の凹凸部12を備えてもよく、図2(b)に示すように、少なくとも光路上の凹凸部12の全てが透明基材11に接し、第3の媒質13が透明基材11と接しない構成でもよい。以下、このような構成において、凹凸部12の1段目を構成する層すなわち少なくとも入射光の有効領域内において透明基材11の表面を覆っている層を、下地層124とも呼ぶ。なお、図2(b)の構成では、下地層124の上面が凹凸部12の1段目である。下地層124は、単層でも多層でもよい。ここで、入射光の有効領域とは、入射光の光強度が1/e以上の領域、すなわち入射光のうち最も高い(位置の)光強度を100%とした場合に、13%以上の光強度を示す光が照射される領域とする。 For example, the optical element 10 may be provided with three or more steps of uneven portions 12 as shown in FIG. 2A, and at least all of the uneven portions 12 on the optical path are transparent as shown in FIG. 2B. The configuration may be such that the third medium 13 is in contact with the base material 11 and is not in contact with the transparent base material 11. Hereinafter, in such a configuration, the layer constituting the first stage of the uneven portion 12, that is, the layer covering the surface of the transparent base material 11 at least in the effective region of the incident light is also referred to as the base layer 124. In the configuration of FIG. 2B, the upper surface of the base layer 124 is the first stage of the uneven portion 12. The base layer 124 may be a single layer or a multilayer. Here, the effective area of the incident light and the light intensity is 1 / e 2 or more regions of the incident light, that is, when the highest (position) the light intensity of the incident light is 100%, more than 13% The area to be irradiated with light indicating the light intensity.

なお、光学素子10が回折光学素子であって凹凸部12がN段の階段状の疑似ブレーズ形状の場合、式(2)を満たすと、凸部121と凹部122(媒質13)によって発生する光路長差が1波長分の波面に近似でき、高い回折効率が得られ好ましい。ここでNは3以上の整数である。 When the optical element 10 is a diffractive optical element and the uneven portion 12 has an N-step stepped pseudo-blaze shape, the optical path generated by the convex portion 121 and the concave portion 122 (medium 13) when the equation (2) is satisfied. It is preferable that the length difference can be approximated to the wavefront for one wavelength and high diffraction efficiency can be obtained. Here, N is an integer of 3 or more.

{(N−1)/N}×λ=Δnd ・・・(2) {(N-1) / N} × λ = Δnd ・ ・ ・ (2)

ここで、Δnは凹凸部12と媒質13の屈折率差、dは凹凸部12と媒質13が接する面のうち最も高い部分と低い部分の差、すなわち位相差層123の高さである。 Here, Δn is the difference in the refractive index between the uneven portion 12 and the medium 13, and d is the difference between the highest portion and the lowest portion of the surface in which the uneven portion 12 and the medium 13 are in contact, that is, the height of the retardation layer 123.

例えば、近赤外光において屈折率=1.455の石英ガラス周辺が空気雰囲気の場合を例にとると、{(N−1)/N}×λ=0.455dとなる。これより、位相差層123の高さdが、d<{(N−1)/N}×λ/0.455を満たすとよい。また、使用する光の波長が700〜1200nmの場合、位相差層123の高さdは、特に2段の凹凸部12であれば750nm以下が好ましい。なお、高さdは、4段以上であれば1150nm以下が好ましく、8段以上であれば1350nm以下が好ましい。 For example, in the case of near-infrared light where the quartz glass having a refractive index of 1.455 has an air atmosphere, {(N-1) / N} × λ = 0.455d. From this, it is preferable that the height d of the retardation layer 123 satisfies d <{(N-1) / N} × λ / 0.455. Further, when the wavelength of the light used is 700 to 1200 nm, the height d of the retardation layer 123 is preferably 750 nm or less, particularly in the case of the two-stage uneven portion 12. The height d is preferably 1150 nm or less when the height is 4 or more, and preferably 1350 nm or less when the height is 8 or more.

また、凹凸部12は、反射防止機能を有してもよい。例えば、凹凸部12自体が、所定の位相差を発生させる凹凸構造であるとともに反射防止構造を有する多層構造の凹凸構造でもよい。 Further, the uneven portion 12 may have an antireflection function. For example, the concavo-convex portion 12 itself may have a concavo-convex structure that generates a predetermined phase difference and may have a multi-layered concavo-convex structure having an antireflection structure.

ここで、屈折率nの媒質M1から入射角θで光が入射し、各層の屈折率がnで厚さがdであるq層からなる多層膜M2を透過し、屈折率nの媒質M3へ光が入射する場合を考える。このときの反射率は、式(3)で計算できる。なお、η、η、ηはそれぞれ、斜入射を考慮した媒質M1、多層膜M2、媒質M3の実効屈折率である。以下、式(3)に示す反射率Rを、多層構造による理論反射率とも呼ぶ。また、特に断らない場合、θ=0とするが、入射面が傾斜するような場合には、傾斜の平均的な傾斜によって入射角を定義してもよい。 Here, the incident light at an incident angle theta 0 from a medium M1 having a refractive index n 0, refractive index of each layer thickness at n r is transmitted through the multilayer film M2 formed of q layer is d r, the refractive index n Consider the case where light is incident on the medium M3 of m. The reflectance at this time can be calculated by the equation (3). Note that η 0 , η m , and η r are the effective refractive indexes of the medium M1, the multilayer film M2, and the medium M3 in consideration of oblique incident, respectively. Hereinafter, the reflectance R represented by the equation (3) is also referred to as a theoretical reflectance due to the multilayer structure. Further, unless otherwise specified, θ 0 = 0, but when the incident surface is inclined, the incident angle may be defined by the average inclination of the inclination.

Figure 0006981074
Figure 0006981074

したがって、凹凸部12の多層構造の設計により、Yをηに近づけられると、他の媒質との界面反射を低減できる。とくに垂直入射の時は、ηやηやηは屈折率と等価である。このとき、凹凸部12を、各層の屈折率をn、厚さをdとしたq層からなる多層膜とする。また、凹凸部12から見て入射側界面を構成する部材(透明基材11または媒質13)の屈折率をn、凹凸部12から見て出射側界面を構成する部材(媒質13または透明基材11)の屈折率をnとすればよい。 Therefore, by designing the multi-layer structure of the uneven portion 12, when Y is brought close to η 0 , interfacial reflection with other media can be reduced. Especially in the case of vertical incident, η 0 , η m and η r are equivalent to the refractive index. In this case, the uneven portion 12, the refractive index of each layer n r, a multilayer film consisting of a thick was d r q layer. Further, the refractive index of the member (transparent base material 11 or medium 13) constituting the incident side interface when viewed from the uneven portion 12 is n 0 , and the member (medium 13 or transparent group) constituting the exit side interface when viewed from the uneven portion 12 is set. The refractive index of the material 11) may be nm.

例えば、凹凸部12は、多層構造による理論反射率R≦4%を満たすと好ましく、R≦2%を満たすとより好ましく、R≦1%を満たすとさらに好ましい。 For example, it is preferable that the uneven portion 12 satisfies the theoretical reflectance R ≦ 4% due to the multilayer structure, more preferably R ≦ 2%, and further preferably R ≦ 1%.

一例として、凹凸部12は、図3(a)に示すように、最下位層すなわち透明基材11との界面に屈折率調整層14aを有し、かつ最上位層すなわち媒質13との界面に屈折率調整層14bを有する構成でもよい。ここで、屈折率調整層14aおよび14bは、当該屈折率調整層14aを含む多層構造の凹凸部12において、入射側界面をなす媒質(例えば、透明基材11)の屈折率をn、出射側界面をなす媒質(例えば、空気または媒質13)の屈折率をn、当該凹凸部12の各層のn、厚さをdとしたとき、当該凹凸部12の両界面に対して、式(4)を満たす単層または多層構造によって、理論反射率Rが上記条件を満たせばよい。 As an example, as shown in FIG. 3A, the uneven portion 12 has a refractive index adjusting layer 14a at the interface with the lowermost layer, that is, the transparent base material 11, and at the interface with the uppermost layer, that is, the medium 13. A configuration having a refractive index adjusting layer 14b may be used. Here, the refractive index adjusting layers 14a and 14b emit the refractive index of the medium (for example, the transparent base material 11) forming the interface on the incident side in the uneven portion 12 of the multilayer structure including the refractive index adjusting layer 14a by nm . medium forming the side surface (e.g., air or medium 13) when the refractive index n 0 of, n r of each of the concavo-convex portion 12, the thickness was set to d r, with respect to both interfaces of the concavo-convex portion 12, The theoretical refractive index R may satisfy the above condition by the single-layer or multi-layer structure satisfying the formula (4).

(n×n0.5−α<n<(n×n0.5+α、かつ
(1−β)×λ/4<n×d<(1+β)×λ/4
ただし、α=0.25、β=0.6
・・・(4)
(N 0 × n m ) 0.5 − α <n r <(n 0 × n m ) 0.5 + α, and (1-β) × λ / 4 <n r × dr <(1 + β) × λ / 4
However, α = 0.25 and β = 0.6
... (4)

ここで、αは0.25が好ましく、0.2がより好ましく、0.1がさらに好ましい。また、βは0.6が好ましく、0.4がより好ましい。また、図3(a)に示す中間層14cは、1層でもよく、2層以上でもよい。また、屈折率調整層14aは最下位層でなくてもよく、また屈折率調整層14bも最上位層でなくてもよい。また、凹凸部12は、屈折率調整層14a、14bのいずれか一方のみを含む構成でもよい。すなわち、説明の便宜のため凹凸部12を構成する層に屈折率調整層14a、14b、中間層14c等の名称を付したが、いずれの構成でも、少なくとも第1の材料を含む多層構造の凹凸部12が、式(4)または理論反射率Rが上記条件を満たす構成であればよい。 Here, α is preferably 0.25, more preferably 0.2, and even more preferably 0.1. Further, β is preferably 0.6, more preferably 0.4. Further, the intermediate layer 14c shown in FIG. 3A may be one layer or two or more layers. Further, the refractive index adjusting layer 14a does not have to be the lowest layer, and the refractive index adjusting layer 14b does not have to be the uppermost layer either. Further, the uneven portion 12 may be configured to include only one of the refractive index adjusting layers 14a and 14b. That is, for convenience of explanation, the layers constituting the uneven portion 12 are given names such as the refractive index adjusting layers 14a, 14b, and the intermediate layer 14c, but in any of the configurations, the unevenness of the multilayer structure including at least the first material is given. The unit 12 may be configured such that the equation (4) or the theoretical reflectance R satisfies the above conditions.

また、凹凸部12が3段以上の場合、凹凸部12の各段(ただし、高さを有する段に限る)は、2層以上の薄膜構造を基本ブロックとする多層構造でもよい。すなわち、凹凸部の各段のうち高さを有する段が、所定の屈折率及び厚さを有する2層以上の多層膜である基本ブロックを1つ以上積み上げられた構成でもよい。なお、基本ブロックは1種類に限らず、複数種類でもよい。その場合、基本ブロックの多層構造による理論反射率Rが上記条件を満たすように構成される。 Further, when the uneven portion 12 has three or more stages, each stage of the uneven portion 12 (provided that the stage has a height) may be a multi-layer structure having two or more thin film structures as a basic block. That is, the step having a height among the steps of the uneven portion may be configured by stacking one or more basic blocks which are two or more layers of multilayer films having a predetermined refractive index and thickness. The basic block is not limited to one type, and may be a plurality of types. In that case, the theoretical reflectance R due to the multi-layer structure of the basic block is configured to satisfy the above conditions.

また、凹凸部12は、図3(b)や図3(c)に示すように、位相差層123や下地層124に加えて、少なくとも入射光の有効領域内の透明基材11と接する界面および媒質13と接する界面に、反射防止層15a,15bを有する構成でもよい。この場合、位相差層123,反射防止層15a,15bを含めて、凹凸部12と呼ぶ。なお、凹凸部12は、少なくとも反射防止層15aを含んでいればよい。また、図3(b)は、凹部122において反射防止層15a,15bが積層されるが、反射防止層15aは、少なくとも入射光の有効領域内において、第1の材料により形成される層を少なくとも含む位相差層123(下地層124が存在すれば、下地層124)と透明基材11との間に備わっていればよい。また、反射防止層15bは、少なくとも入射光の有効領域内において、該位相差層123と媒質13との間に備わっていればよい。 Further, as shown in FIGS. 3 (b) and 3 (c), the uneven portion 12 has an interface in contact with at least the transparent base material 11 in the effective region of the incident light, in addition to the retardation layer 123 and the base layer 124. The antireflection layers 15a and 15b may be provided at the interface in contact with the medium 13 and the medium 13. In this case, the retardation layer 123 and the antireflection layers 15a and 15b are included and referred to as an uneven portion 12. The uneven portion 12 may include at least the antireflection layer 15a. Further, in FIG. 3B, the antireflection layers 15a and 15b are laminated in the recess 122, and the antireflection layer 15a has at least a layer formed by the first material in the effective region of the incident light. It may be provided between the included retardation layer 123 (if the base layer 124 is present, the base layer 124) and the transparent base material 11. Further, the antireflection layer 15b may be provided between the retardation layer 123 and the medium 13 at least in the effective region of the incident light.

反射防止層15a、15bは、単層でもよいし、2層以上の多層膜でもよい。反射防止層を形成する材料として、各種金属、半導体の酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物を使用できるが、シリコンを含有するシリコン化合物による単層膜または多層膜であると、例えばエッチング加工する場合に加工条件を大きく変える必要がないため好ましい。 The antireflection layers 15a and 15b may be a single layer or may be a multilayer film having two or more layers. Various metals, semiconductor oxides, nitrides, oxynitrides, and fluorides can be used as the material for forming the antireflection layer, but if it is a single-layer film or a multilayer film made of a silicon compound containing silicon, for example, etching. It is preferable because it is not necessary to change the processing conditions significantly when processing.

一例として、反射防止層15a、15bはそれぞれ、入射側界面をなす媒質の屈折率をn、出射側界面をなす媒質の屈折率をn、当該反射防止層もしくはその各層の屈折率をn、厚さをdとしたとき、当該反射防止層の両界面に対して、式(4)を満たす単層の反射防止層または多層構造による理論反射率Rが上記条件を満たせばよい。例えば、図3(b)において透明基材11側から光が入射する場合、反射防止層15aに対して、入射側界面をなす媒質は透明基材11、出射側界面をなす媒質は位相差層123の部材である。また、反射防止層15bに対して、入射側界面をなす媒質は位相差層123の部材、出射側界面をなす媒質は媒質13である。 As an example, in the antireflection layers 15a and 15b, the refractive index of the medium forming the incident side interface is nm , the refractive index of the medium forming the exit side interface is n 0 , and the refractive index of the antireflection layer or each layer thereof is n. r, when the thickness was set to d r, with respect to both interfaces of the anti-reflection layer, the theoretical reflectivity R by the antireflection-layer or multi-layer structure of a single layer satisfying the expression (4) may satisfy the above conditions. For example, when light is incident from the transparent base material 11 side in FIG. 3 (b), the medium forming the incident side interface is the transparent base material 11 and the medium forming the exit side interface is the retardation layer with respect to the antireflection layer 15a. It is a member of 123. Further, with respect to the antireflection layer 15b, the medium forming the interface on the incident side is a member of the retardation layer 123, and the medium forming the interface on the exit side is the medium 13.

また、位相差層123も、単層でもよいし、多層でもよい。所望の位相差を発生させ、かつ反射率を低減するための光学層として寄与させる観点より、凹凸部12の各層の厚さは、5nm以上が好ましい。その理由は、例えば、凹凸部12が、従来の構成のように、厚さ5nm程度のエッチングストップ層などを有すると、該層がない構成と比べて、光学的に制御されていない多層構造によって生じる干渉状態の大きなばらつきが生じるためである。なお、各層の厚さが5nm程度であっても凹凸部12全体として反射率が上記条件を満たしていればよく、その場合、当該各層の厚さの下限条件は無視してもよい。 Further, the retardation layer 123 may be a single layer or a multilayer layer. The thickness of each layer of the uneven portion 12 is preferably 5 nm or more from the viewpoint of generating a desired phase difference and contributing as an optical layer for reducing the reflectance. The reason is that, for example, when the uneven portion 12 has an etching stop layer having a thickness of about 5 nm as in the conventional configuration, the multilayer structure is not optically controlled as compared with the configuration without the layer. This is because there is a large variation in the interference state that occurs. Even if the thickness of each layer is about 5 nm, the reflectance of the entire uneven portion 12 may satisfy the above condition, and in that case, the lower limit condition of the thickness of each layer may be ignored.

また、媒質13は、空気でも、空気以外でもよい。すなわち、光学素子10は、図4に示すように、凹凸部12の透明基材11と対向する側の表面を覆って平坦化する充填部16を備えてもよい。この場合、充填部16の材料が媒質13となる。 Further, the medium 13 may be air or other than air. That is, as shown in FIG. 4, the optical element 10 may include a filling portion 16 that covers and flattens the surface of the uneven portion 12 on the side facing the transparent base material 11. In this case, the material of the filling portion 16 is the medium 13.

空気以外の媒質13の例としては、樹脂や無機物が挙げられる。この場合、所望の位相差を発生させるべく凹凸部12(より具体的には凸部121)と充填部16との、所定の波長(範囲)の光に対する屈折率差Δnは、0.45以上が好ましく、0.6以上がより好ましい。なお、光学素子10は、充填部16が露出する例(図4)に限らず、図5(a)のように、透明基材11−1および11−2によって凹凸部12および充填部16の主面を覆った構成でもよく、また、複数の凹凸部12を有してもよい。この場合、1つの凹凸部12を有する光学素子10を2つ重ねた構成でもよいし、図5(b)のように、媒質13を介して2つの凹凸部12(12−1および12−2)を貼り合わせた構成でもよい。 Examples of the medium 13 other than air include resins and inorganic substances. In this case, the refractive index difference Δn between the uneven portion 12 (more specifically, the convex portion 121) and the filling portion 16 with respect to light of a predetermined wavelength (range) in order to generate a desired phase difference is 0.45 or more. Is preferable, and 0.6 or more is more preferable. The optical element 10 is not limited to the example in which the filling portion 16 is exposed (FIG. 4), and as shown in FIG. 5A, the uneven portion 12 and the filling portion 16 are formed by the transparent base materials 11-1 and 11-2. It may be configured to cover the main surface, or may have a plurality of uneven portions 12. In this case, two optical elements 10 having one uneven portion 12 may be stacked, or as shown in FIG. 5 (b), two uneven portions 12 (12-1 and 12-2) are interposed via the medium 13. ) May be bonded together.

また、光学素子10全体としての反射率は、10%以下であればよく、6%以下が好ましく、4%以下がより好ましく、3%以下がさらに好ましい。このとき、透明基材11、凹凸部12及び媒質13の積層構造による反射率は、8%以下であればよく、4%以下が好ましく、2%以下がより好ましく、1%以下がさらに好ましい。ここで、透明基材11、凹凸部12及び媒質13の積層構造による反射率は、式(3)で示した多層構造による理論反射率でも評価できる。 Further, the reflectance of the optical element 10 as a whole may be 10% or less, preferably 6% or less, more preferably 4% or less, still more preferably 3% or less. At this time, the reflectance due to the laminated structure of the transparent base material 11, the uneven portion 12, and the medium 13 may be 8% or less, preferably 4% or less, more preferably 2% or less, still more preferably 1% or less. Here, the reflectance due to the laminated structure of the transparent base material 11, the uneven portion 12, and the medium 13 can also be evaluated by the theoretical reflectance due to the multilayer structure represented by the equation (3).

次に、光学素子10が回折光学素子であるとしてより詳細に説明する。この場合、凹凸部12は、回折作用を発現できる構造であればよい。凹凸部12は、例えば、図1等に示すように、透明基材11の一方の表面上に2段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行でもよい。 Next, the optical element 10 will be described in more detail assuming that it is a diffractive optical element. In this case, the uneven portion 12 may have a structure capable of exhibiting a diffraction action. As shown in FIG. 1, for example, the uneven portion 12 may have two or more steps on one surface of the transparent base material 11, and the upper surfaces of the steps may be parallel to each other.

次に、光学素子10が発現する回折作用について、図6の光学素子10により生成される光のパターンの例示に基づき説明する。光学素子10は、光軸方向をZ軸として入射する光束21に対して出射される回折光群22が2次元に分布するように形成される。光学素子10は、Z軸と交点を持ちZ軸に垂直な軸をX軸及びY軸とした場合、X軸上における最小角度θxminから最大角度θxmax及びY軸上における最小角度θyminから最大角度θymax(いずれも不図示)の角度範囲内に光束群が分布する。 Next, the diffraction action exhibited by the optical element 10 will be described with reference to an example of the light pattern generated by the optical element 10 of FIG. The optical element 10 is formed so that the diffracted light group 22 emitted with respect to the incident light flux 21 with the optical axis direction as the Z axis is distributed two-dimensionally. When the optical element 10 has an intersection with the Z axis and the axes perpendicular to the Z axis are the X axis and the Y axis, the minimum angle θ x min on the X axis to the maximum angle θ x max and the minimum angle θ y min on the Y axis The light beam group is distributed within the angle range of the maximum angle θy max (not shown).

ここでX軸は光スポットパターンの長辺に略平行でY軸は光スポットパターンの短辺に略平行となる。なお、X軸方向における最小角度θxminから最大角度θxmax、Y軸方向における最小角度θyminから最大角度θymaxにより形成される回折光群22の照射される範囲は、光学素子10と一緒に用いられる光検出素子における光検出範囲と略一致した範囲となる。本例では、光スポットパターンにおいて、Z軸に対しX方向の角度がθxmaxである光スポットを通るY軸に平行な直線が上記短辺となり、Z軸に対しY方向の角度がθymaxである光スポットを通るX軸と平行な直線が上記長辺となる。以下、上記短辺と上記長辺の交点と回折光学素子を結ぶ直線とZ軸とがなす角度をθとし、この角度を対角方向の角度と称する。なお、対角方向の角度θは、光学素子10の最大出射角に相当する。 Here, the X-axis is substantially parallel to the long side of the light spot pattern, and the Y-axis is substantially parallel to the short side of the light spot pattern. The irradiated range of the diffracted light group 22 formed by the minimum angle θx min to the maximum angle θx max in the X-axis direction and the maximum angle θy max from the minimum angle θy min in the Y-axis direction is the same as that of the optical element 10. The range is substantially the same as the light detection range of the photodetector used. In this example, in the light spot pattern, the straight line parallel to the Y axis passing through the light spot whose angle in the X direction with respect to the Z axis is θx max is the short side, and the angle in the Y direction with respect to the Z axis is θy max . The straight line parallel to the X-axis passing through a certain light spot is the long side. Hereinafter, the angle formed by the Z axis and the straight line connecting the intersection of the short side and the long side and the diffractive optical element is defined as θ d, and this angle is referred to as a diagonal angle. The diagonal angle θ d corresponds to the maximum emission angle of the optical element 10.

光学素子10は、発生させる光スポットの数としては、10点以上が好ましく、100点以上がより好ましく、1000点以上がさらに好ましい。なお、光スポットの数の上限は、特に限定されないが、例えば、1000万点でもよい。 The number of light spots generated by the optical element 10 is preferably 10 points or more, more preferably 100 points or more, still more preferably 1000 points or more. The upper limit of the number of light spots is not particularly limited, but may be, for example, 10 million points.

また、通常、回折光学素子の凹凸構造は、断面がバイナリ形状やブレーズ形状等であるが、該凹凸構造の断面が連続的なブレーズ形状以外で形成される場合や、断面がブレーズ形状でも製造上のバラツキがある場合、所望の回折光の他に迷光が発生するおそれがある。しかし、このような迷光は、設計段階において意図するものではないため、上記角度範囲内に分布する光スポットには含まないものとする。 In addition, the concave-convex structure of the diffractive optical element usually has a binary shape, a blaze shape, or the like in a cross section. If there is a variation in the light, stray light may be generated in addition to the desired diffracted light. However, since such stray light is not intended at the design stage, it is not included in the light spots distributed within the above angle range.

また、図6において、Rijは投影面の分割領域を示す。例えば、光学素子10は、透明面を複数の領域Rijに分割した場合、各領域Rijに照射される回折光群22による光スポット23の分布密度が全領域の平均値に対して±50%以内となるように構成してもよい。なお、上記分布密度は、全領域の平均値に対して±25%以内でもよい。このように構成すると、投影面内で光スポット23の分布を均一にできるので、計測用途等において好適である。ここで投影面は、平面だけでなく曲面でもよい。また、平面の場合も、光学系の光軸に対して垂直な面以外に傾斜した面でもよい。 Further, in FIG. 6, Rij indicates a divided region of the projection plane. For example, in the optical element 10, when the transparent surface is divided into a plurality of regions R ij , the distribution density of the light spots 23 by the diffracted light group 22 irradiated to each region R ij is ± 50 with respect to the average value of all regions. It may be configured to be within%. The distribution density may be within ± 25% of the average value of all regions. With such a configuration, the distribution of the light spots 23 can be made uniform in the projection plane, which is suitable for measurement applications and the like. Here, the projection plane may be a curved surface as well as a plane. Further, in the case of a flat surface, a plane inclined other than the plane perpendicular to the optical axis of the optical system may be used.

図6に示す回折光群22に含まれる各回折光は、式(5)に示すグレーティング方程式において、Z軸方向を基準として、X方向における角度θxo、Y方向における角度θyoに回折される光となる。式(5)において、mはX方向の回折次数であり、mはY方向の回折次数であり、λは光束21の波長であり、P、Pは後述する光学素子の基本ユニットのX軸方向、Y軸方向におけるピッチであり、θxiはX方向における光学素子への入射角、θyiはY方向における光学素子への入射角である。この回折光群22をスクリーンまたは測定対象物等の投影面に照射させることにより、照射された領域に複数の光スポット23が生成される。 Each diffracted light included in the diffracted light group 22 shown in FIG. 6 is diffracted into an angle θ xo in the X direction and an angle θ yo in the Y direction with respect to the Z-axis direction in the grating equation shown in the equation (5). It becomes light. In the formula (5), m x is the diffraction order in the X direction, m y is the diffraction order of the Y-direction, lambda is the wavelength of the light beam 21, P x, P y is the basic unit of the optical element to be described later Is the pitch in the X-axis direction and the Y-axis direction, θ xi is the angle of incidence on the optical element in the X direction, and θ yi is the angle of incidence on the optical element in the Y direction. By irradiating the projected surface of the screen or the object to be measured with the diffracted light group 22, a plurality of light spots 23 are generated in the irradiated area.

sinθxo=sinθxi+mλ/P
sinθyo=sinθyi+mλ/P
・・・(5)
sinθ xo = sinθ xi + m x λ / P x
sinθ yo = sinθ yi + m y λ / P y
... (5)

このような所定の条件を満たす回折光群22を出射する光学素子10として、反復フーリエ変換法等により設計された光学素子を使用できる。より具体的に、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、2次元的に配列させた光学素子を使用できる。このような光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニットにおけるフーリエ変換により得られる。 As the optical element 10 that emits the diffracted light group 22 satisfying such a predetermined condition, an optical element designed by an iterative Fourier transform method or the like can be used. More specifically, an optical element in which basic units that generate a predetermined phase distribution are periodically, for example, two-dimensionally arranged can be used. In such an optical element, the distribution of the diffraction order of the diffracted light in the distance is obtained by the Fourier transform in the basic unit.

光学素子10は、図7(a)に示すように、透明基材11上に、凹凸部12を構成する基本ユニット31が、X軸方向にピッチP、Y軸方向にピッチPで2次元的に周期的に配列されてもよい。基本ユニット31は、例えば、図7(b)に示すような位相分布を有する。図7(b)に示す例では、黒塗りの領域が凸部121、白抜きの領域が凹部122となるように凹凸パターンを形成する。凹凸部12は、位相分布を発生できればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材(透明基材11)の表面に凹凸パターンを形成した構造も含まれる。なお、光学素子10としては、この他にも、凹凸パターンが形成された透明な部材(透明基材11)の上に、この部材とは屈折率の異なる部材(充填部16)を貼り合わせ、表面を平坦化した構造や、透明な部材において屈折率を変化させた構造でもよい。つまり、凹凸パターンは、表面形状が凹凸である場合のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えられる構造も含む。 As shown in FIG. 7A, the optical element 10 has a basic unit 31 constituting the uneven portion 12 on the transparent base material 11 having a pitch P x in the X-axis direction and a pitch P y in the Y-axis direction. It may be arranged dimensionally and periodically. The basic unit 31 has, for example, a phase distribution as shown in FIG. 7 (b). In the example shown in FIG. 7B, the uneven pattern is formed so that the black-painted area is the convex portion 121 and the white area is the concave portion 122. The uneven portion 12 only needs to be able to generate a phase distribution, and includes a structure in which an uneven pattern is formed on the surface of a member (transparent base material 11) that transmits light such as glass or a resin material. In addition to this, as the optical element 10, a member (filling portion 16) having a refractive index different from that of this member is attached onto a transparent member (transparent base material 11) on which an uneven pattern is formed. A structure having a flat surface or a structure in which the refractive index is changed in a transparent member may be used. That is, the uneven pattern does not mean only when the surface shape is uneven, but also includes a structure in which a phase difference can be given to the incident light.

また、光学素子10に基本ユニット31を2次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、凹凸パターン内に1つ以上の基本ユニットが含まれれば凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と必ずしも一致しなくてもよい。また、基本ユニット31は一種類に限らず複数種でもよい。 Further, when the basic units 31 are two-dimensionally arranged on the optical element 10, the number of basic units does not have to be an integer number, and if one or more basic units are included in the uneven pattern, the uneven pattern and the uneven pattern are provided. The boundaries of the non-existent areas do not necessarily have to match the boundaries of the base unit. Further, the basic unit 31 is not limited to one type, and may be a plurality of types.

また、光学素子10は、上記の回折光学素子以外に、複数の基本ユニットを持たせることで拡散機能を発現させる回折光学素子や、レンズ作用など入射波面に対して位相を付与するフレネルレンズ素子、構造複屈折により偏光ごとに位相差を与える位相子や特定の偏光のみを透過する偏光子等でもよい。 Further, the optical element 10 includes a diffraction optical element that exhibits a diffusion function by having a plurality of basic units in addition to the above-mentioned diffraction optical element, and a Frenel lens element that imparts a phase to an incident wave surface such as a lens action. It may be a phaser that gives a phase difference for each polarized light by structural double refraction, a polarizing element that transmits only specific polarized light, or the like.

例えば、凹凸部12は、2次元な光拡散機能を発現する非周期的な凹凸構造でもよい。さらに、凹凸部12は、1次元方向に光を回折させる凹凸構造、レンズ作用など入射波面に対して位相を付与するフレネルレンズ構造を有する凹凸構造、入射光のうち所定の偏光成分に対して位相差を与える構造複屈折作用を発現する凹凸構造でもよい。 For example, the uneven portion 12 may have an aperiodic uneven structure that exhibits a two-dimensional light diffusion function. Further, the concavo-convex portion 12 has a concavo-convex structure that diffracts light in a one-dimensional direction, a concavo-convex structure having a Fresnel lens structure that imparts a phase to an incident wavefront such as a lens action, and a position with respect to a predetermined polarization component of the incident light. Structure that gives a phase difference An uneven structure that exhibits a double refraction action may be used.

式(5)に基づき、回折角が大きくなると格子のピッチが短くなる。また、一般的には出射させる光スポットの数を増やそうとすると基本ユニットの凹凸形状が複雑になる。すると、凹凸形状幅が細かくなり理想形状通りの加工が難しくなるため、回折光の制御が難しくなる傾向がある。したがって、本実施形態の光学素子10は、比較的広角の回折角を得る場合に、とくに効果的である。 Based on the equation (5), the pitch of the lattice becomes shorter as the diffraction angle becomes larger. Further, in general, if an attempt is made to increase the number of light spots to be emitted, the uneven shape of the basic unit becomes complicated. Then, the width of the uneven shape becomes fine and it becomes difficult to process the shape according to the ideal shape, so that it tends to be difficult to control the diffracted light. Therefore, the optical element 10 of the present embodiment is particularly effective when obtaining a relatively wide-angle diffraction angle.

一般的に2次元に光を出射させる回折光学素子の凹凸形状の平面パターンは、複雑な2次元模様となる。そのため、単純なアスペクト比などの形状の指標を得るのは困難であるが、形状の加工性を議論するために空間的な周期Pと凹凸の高さdを用いて、形式的なアスペクト比Rを、式(6)によって定義する。 Generally, a planar pattern having an uneven shape of a diffractive optical element that emits light in two dimensions is a complicated two-dimensional pattern. Therefore, it is difficult to obtain an index of the shape such as a simple aspect ratio, but in order to discuss the processability of the shape, the spatial period P p and the height d of the unevenness are used to form a formal aspect ratio. RA is defined by the equation (6).

=d/(P/2) ・・・(6) RA = d / (P p / 2) ・ ・ ・ (6)

式(5)の次数m、mは凹凸部12の2次元形状をフーリエ変換して得られるが、このフーリエ変換によって2次元形状が有する空間周波数成分を求めているとも解釈できる。このとき、x、y方向の最大次数をmxmax、mymaxとした場合、それに相当する空間的な周期Ppx、PpyはPpx=P/mxmax、Ppy=P/mymaxとなる。これらの値を上記の空間的な周期Pとして用いる。形式的なアスペクト比Rの好ましい範囲は、x,y方向ともに、3以下がよく、2以下が好ましく、1以下がより好ましい。 The order m x, m y of formula (5) obtained a two-dimensional shape of the concave-convex portion 12 and the Fourier transform, but can be interpreted as also seeking spatial frequency components included in the two-dimensional shape by the Fourier transform. In this case, when x, the maximum degree in the y direction m xmax, and m ymax, spatial period P px corresponding thereto, P py is P px = P x / m xmax , P py = P y / m ymax Will be. These values are used as the above spatial period P p. The preferred range of the formal aspect ratio RA is preferably 3 or less in both the x and y directions, preferably 2 or less, and more preferably 1 or less.

上記構成は、例えば、回折角、具体的には、入射光が透明基材11の一方の表面の法線方向から入射したときに発生する複数の回折光の各々(光スポット)がなす対角方向の角度θが7.5°以上である場合に適用するとよく、15°以上の場合が好ましく、25°以上の場合がより好ましい。これは、2次元的な光のスポットを発現する回折光学素子に限らず1次元的な回折光を発現する回折格子やフレネルレンズ素子や拡散板や偏光子等にも適用できる。この場合、対角方向の角度θを、レンズの広がり角、拡散板の拡散角、偏光子の最大出射角等と読み替えればよい。なお、これらを包含する表現として、単に「光学素子10の最大出射角」という場合がある。 The above configuration has, for example, a diffraction angle, specifically, a diagonal formed by each of a plurality of diffracted lights (light spots) generated when the incident light is incident from the normal direction of one surface of the transparent substrate 11. It is preferable to apply it when the angle θ d in the direction is 7.5 ° or more, preferably 15 ° or more, and more preferably 25 ° or more. This can be applied not only to a diffractive optical element that expresses a two-dimensional light spot, but also to a diffraction grating, a Fresnel lens element, a diffuser plate, a splitter, and the like that express one-dimensional diffracted light. In this case, the diagonal angle θ d may be read as the spread angle of the lens, the spread angle of the diffuser plate, the maximum emission angle of the polarizing element, and the like. In addition, as an expression including these, there is a case where it is simply referred to as "the maximum emission angle of the optical element 10."

また、上記では、凹凸部12と他媒質の界面の反射率に基づいた構成を説明したが、実際の光学素子は、反射光も凹凸構造の作用によって複数の反射光に分岐されるため反射光の光量の測定が難しい場合がある。この場合、反射光の光量の評価を透過光の光量で評価してもよい。なお、透過光の光量は、光学素子の入射面と対向する出射面から出射される光を、素子に対して隣接させた積分球等の受光素子に受光させ、その光量を測定し評価できる。例えば、透過光の光量を、入射光の光量に対する受光量の割合である前方透過率により評価してもよい。このとき、透過光の光量は、入射光の光量から、透明基材11、凹凸部12、媒質13の界面で生じる反射だけでなく、素子の吸収、入射側素子界面で生じる反射、出射側素子界面で生じる反射を除いたものになる。 Further, in the above, the configuration based on the reflectance of the interface between the uneven portion 12 and the other medium has been described, but in an actual optical element, the reflected light is also branched into a plurality of reflected light by the action of the uneven structure, so that the reflected light is reflected. It may be difficult to measure the amount of light. In this case, the evaluation of the amount of reflected light may be evaluated by the amount of transmitted light. The amount of transmitted light can be evaluated by having a light receiving element such as an integrating sphere adjacent to the element receive light emitted from an emitting surface facing the incident surface of the optical element and measuring the amount of light. For example, the amount of transmitted light may be evaluated by the forward transmittance, which is the ratio of the amount of received light to the amount of incident light. At this time, the amount of transmitted light is not only the reflection generated at the interface of the transparent base material 11, the uneven portion 12, and the medium 13 from the light amount of the incident light, but also the absorption of the element, the reflection generated at the interface of the incident side element, and the emission side element. It is the one excluding the reflection generated at the interface.

また、光学素子10が回折光学素子の場合、例えば、透過光の光量を、各回折光に関するグレーティング方程式(式(5))を用いた理論値を用いて評価してもよい。この場合も、光学素子において、透明基材11、凹凸部12、媒質13の界面による反射以外に、素子内の吸収や素子界面の反射が発生しないものとする。 When the optical element 10 is a diffractive optical element, for example, the amount of transmitted light may be evaluated using a theoretical value using a grating equation (Equation (5)) for each diffracted light. Also in this case, it is assumed that in the optical element, absorption in the element and reflection at the element interface do not occur in addition to the reflection by the interface of the transparent base material 11, the uneven portion 12, and the medium 13.

ここで、光学素子10が、図5(a)に示すような、2つの透明基材11で充填部16を封止した構造の回折光学素子の場合、前方透過率は入射光から、(A)基材、凹凸部、充填部の界面による反射、(B)基材、凹凸部、充填部を構成する部材の吸収、の2つの要因以外にも、(C)回折光が素子界面から出射されず素子内を伝播する成分を考慮する必要がある。この成分は、例えば、図8中の実線矢印のように、素子内のいずれかの界面で全反射される光線であり、例えば式(5)を用いて計算できる。式(5)において、光線のZ方向のベクトル成分は(1−sinθxo−sinθyo0.5となるが、カッコ内が負の値になる場合、Z成分の伝播ベクトル成分が虚数になり空気中には出射されない成分と判断してもよい。なお、厳密には、素子内を伝播する回折光は素子界面で全反射され、凹凸部に再入射して、素子内で再度回折される場合があるが、以下、簡単のためにそのような擾乱がないとする。 Here, in the case where the optical element 10 is a diffractive optical element having a structure in which the filling portion 16 is sealed with two transparent base materials 11 as shown in FIG. 5A, the forward transmittance is (A) from the incident light. (C) Diffracted light is emitted from the element interface in addition to the two factors of (B) reflection by the interface between the base material, the uneven portion and the filling portion, and (B) absorption of the base material, the uneven portion and the member constituting the filling portion. It is necessary to consider the components that propagate in the element. This component is, for example, a light beam that is totally reflected at any interface in the element, as shown by the solid arrow in FIG. 8, and can be calculated using, for example, equation (5). In equation (5), the vector component of the light ray in the Z direction is (1-sin 2 θ xo − sin 2 θ yo ) 0.5 , but when the value in parentheses is a negative value, the propagation vector component of the Z component. May be determined as a component that becomes an imaginary number and is not emitted into the air. Strictly speaking, the diffracted light propagating in the device may be totally reflected at the device interface, re-incidented in the uneven portion, and diffracted again in the device. Suppose there is no disturbance.

前方透過率は、積分球等の受光素子で評価できるが、上記のような出射側素子界面での全反射による素子内を伝播する成分も、素子側面から出射する光を受光装置で計測して評価できる。光学素子に吸収がないとした場合、光学素子としての反射率を、入射光量から前方透過率と光学素子側面から出射する光量を差分した値で評価してもよい。 The forward transmittance can be evaluated by a light receiving element such as an integrating sphere, but the component propagating in the element due to total reflection at the interface of the emitting side element as described above is also measured by the light receiving device by measuring the light emitted from the side surface of the element. Can be evaluated. When the optical element has no absorption, the reflectance of the optical element may be evaluated by the difference between the front transmittance and the amount of light emitted from the side surface of the optical element from the amount of incident light.

以上のように、光学素子は、最大出射角の設計によって前方透過率が変化する場合があり、とくに広角の光を出射させる場合、該変化が顕著になりやすい。また、凹凸部と他媒質との界面による反射率が低い場合、相対的に前方透過率を大きくできる。したがって、反射光量の評価の指標である前方透過率は、80%以上であればよく、85%以上が好ましく、90%以上がより好ましく、95%以上がさらに好ましい。また、光学素子が他の機能層を含む場合もあるが、上記の前方透過率は1つの凹凸部のみを含む単純な構造を想定した。一方、他の機能層を有する光学素子の場合、他の機能層による吸収や反射によるロスを計算して除去し、前方透過率を評価してもよい。また、凹凸部と他媒質との界面以外で生じる反射、吸収によるロスを計算して評価し、それを除去してもよい。 As described above, the front transmittance of the optical element may change depending on the design of the maximum emission angle, and the change tends to be remarkable especially when a wide-angle light is emitted. Further, when the reflectance due to the interface between the uneven portion and another medium is low, the front transmittance can be relatively increased. Therefore, the forward transmittance, which is an index for evaluating the amount of reflected light, may be 80% or more, preferably 85% or more, more preferably 90% or more, still more preferably 95% or more. Further, although the optical element may include other functional layers, the above-mentioned front transmittance assumes a simple structure including only one uneven portion. On the other hand, in the case of an optical element having another functional layer, the loss due to absorption or reflection by the other functional layer may be calculated and removed, and the forward transmittance may be evaluated. Further, the loss due to reflection and absorption generated at a place other than the interface between the uneven portion and the other medium may be calculated and evaluated, and the loss may be removed.

実施形態2.
図9(a)、図9(b)は、それぞれ、第2の実施形態の光学素子40の平面模式図、断面模式図である。本実施形態の光学素子40は、透明基材41の一方の面上に、透明基材41の主面と非平行で連続的な1つ以上の曲面を有する凹凸部42を備える。なお、図中の符号43は、凹凸部42の透明基材41と対向する側の表面を覆う媒質を示す。
Embodiment 2.
9 (a) and 9 (b) are a schematic plan view and a schematic cross-sectional view of the optical element 40 of the second embodiment, respectively. The optical element 40 of the present embodiment includes an uneven portion 42 having one or more curved surfaces that are non-parallel to the main surface of the transparent base material 41 and are continuous on one surface of the transparent base material 41. Reference numeral 43 in the drawing indicates a medium that covers the surface of the uneven portion 42 on the side facing the transparent base material 41.

光学素子40は、図9(b)に示すように、透明基材41の主面上に、透明基材41の主面と非平行で連続的な1つ以上の曲面を形成する凹凸構造44と、凹凸構造44と透明基材41との間に設けられる反射防止層45aと、凹凸構造44と媒質43との間に設けられる反射防止層45bとを含む凹凸部42を備える。このように、凹凸部42は、反射防止層45a、凹凸構造44、反射防止層45bの多層構造である。なお、凹凸部42は、反射防止層45aおよび反射防止層45bのいずれか一方のみを含む構成でもよい。 As shown in FIG. 9B, the optical element 40 has a concave-convex structure 44 that forms one or more continuous curved surfaces that are non-parallel to the main surface of the transparent base material 41 on the main surface of the transparent base material 41. A concavo-convex portion 42 including an antireflection layer 45a provided between the concavo-convex structure 44 and the transparent base material 41 and an antireflection layer 45b provided between the concavo-convex structure 44 and the medium 43 is provided. As described above, the uneven portion 42 is a multilayer structure of the antireflection layer 45a, the uneven structure 44, and the antireflection layer 45b. The uneven portion 42 may be configured to include only one of the antireflection layer 45a and the antireflection layer 45b.

以下、凹凸構造44において各曲面を構成する部位を、曲面部421とも呼ぶ。 Hereinafter, the portion constituting each curved surface in the concave-convex structure 44 is also referred to as a curved surface portion 421.

凹凸構造44は、図9(a)および図9(b)に示すように、透明基材41と非平行で連続的な曲面を構成する曲面部421が、少なくとも入射光の有効領域において隙間なく配された構造が挙げられる。このとき、曲面部421のうち、隣接する2つの曲面の境界が非連続な(尾根に相当する)部分が形成されてもよい。このように、曲面部421は、複数の曲面により隙間の無い(フラットな部分が無い)形状で構成することで、入射光の直進抜け成分が低減し、光利用効率を高める効果を奏する。 In the concave-convex structure 44, as shown in FIGS. 9A and 9B, the curved surface portion 421 forming a continuous curved surface non-parallel to the transparent base material 41 has no gap at least in the effective region of the incident light. The arranged structure can be mentioned. At this time, a portion of the curved surface portion 421 whose boundaries between two adjacent curved surfaces are discontinuous (corresponding to a ridge) may be formed. As described above, the curved surface portion 421 has a shape in which there is no gap (no flat portion) due to the plurality of curved surfaces, so that the straight-through component of the incident light is reduced and the light utilization efficiency is enhanced.

なお、図9(a)および図9(b)における光学素子40は、拡散板を例示するがこれに限らない。光学素子40は、一次元方向や二次元方向に回折作用を有するブレーズ型回折光学素子、レンズ作用などを生じさせるレンズ素子やマイクロレンズアレイ、入射波面に対して位相を付与するブレーズ型フレネルレンズ素子、入射光のうち所定の偏光成分に対して位相差を与えて構造複屈折作用を発現するブレーズ型の位相子等でもよい。このとき、凹凸構造44は、透明基材41と非平行で連続的な曲面に代わる、もしくは該曲面に加えて、透明基材と非平行な傾斜面を1つ以上有する構造でもよい。 The optical element 40 in FIGS. 9 (a) and 9 (b) exemplifies, but is not limited to, a diffuser plate. The optical element 40 includes a blaze-type diffractive optical element having a diffraction action in a one-dimensional direction or a two-dimensional direction, a lens element or a microlens array that causes a lens action, and a blaze-type Frenel lens element that imparts a phase to an incident wave surface. , A blaze-type phaser or the like that exerts a structural double-refractive action by giving a phase difference to a predetermined polarization component of the incident light. At this time, the concave-convex structure 44 may be a structure that replaces a continuous curved surface that is non-parallel to the transparent base material 41, or has one or more inclined surfaces that are non-parallel to the transparent base material in addition to the curved surface.

以下、本実施形態でも、光学素子40に波長700〜1200nmの近赤外光が入射するものとして説明する。 Hereinafter, even in this embodiment, it is assumed that near-infrared light having a wavelength of 700 to 1200 nm is incident on the optical element 40.

透明基材41には、透明基材11と同様、ガラス、樹脂等、使用する光の波長に対して透明である部材を使用できる。 Similar to the transparent base material 11, the transparent base material 41 can be made of a member that is transparent to the wavelength of light used, such as glass and resin.

本実施形態でも、凹凸部42は、異なる2以上の材料により構成され、かつ2以上の層を有する多層構造である。凹凸部42は、少なくとも1以上の層において、該層の使用波長における複素屈折率をn−ikとしたとき、式(1)を満たす材料(第1の材料)を使用する。 Also in this embodiment, the uneven portion 42 is a multilayer structure composed of two or more different materials and having two or more layers. The uneven portion 42 uses a material (first material) satisfying the formula (1) in at least one or more layers, where the complex refractive index at the wavelength used by the layer is n-ik.

反射防止層45a、45bは、基本的に反射防止層15a、15bと同様であり、実施形態1.で説明した反射防止層15a、15bのように単層や多層の構成であったり、同様の材料の使用であったり、踏襲できる。 The antireflection layers 45a and 45b are basically the same as the antireflection layers 15a and 15b, and the first embodiment. The antireflection layers 15a and 15b described in the above can be configured as a single layer or a multi-layer structure, or the same material may be used, or the same can be followed.

また、実施形態1.における反射防止層15a、15bと同様、反射防止層45a、45bもそれぞれ、入射側界面をなす媒質の屈折率をn、出射側界面をなす媒質の屈折率をn、当該反射防止層もしくはその各層の屈折率をn、厚さをdとしたとき、当該反射防止層の両界面に対して、式(4)を満たす単層の反射防止層または多層構造による理論反射率Rが上記条件を満たす1層以上の反射防止層でもよい。 Further, the first embodiment. As with the anti-reflection layer 15a, 15b in the anti-reflection layer 45a, respectively 45b also the refractive index n m of the medium constituting the incident side interface, the refractive index of the medium forming the exit-side interface n 0, the anti-reflective layer or the refractive index of each layer n r, when the thickness was set to d r, with respect to both interfaces of the anti-reflection layer, the theoretical reflectivity R by the antireflection-layer or multi-layer structure of a single layer satisfying the expression (4) One or more antireflection layers satisfying the above conditions may be used.

また、媒質43は、空気でも、樹脂や無機物等の空気以外でもよい。すなわち、光学素子40は、図10(a)に示すように、凹凸部42の透明基材41と対向する側の表面を覆って平坦化する充填部46を備えてもよい。この場合、充填部46の材料が媒質43となる。また、光学素子40は、充填部46を封止する第2の透明基材41−2を備えてもよい。すなわち、光学素子40は、第1の透明基材41−1と第2の透明基材41−2とによって凹凸部42および充填部46を封止した構成でもよい。 Further, the medium 43 may be air or other than air such as a resin or an inorganic substance. That is, as shown in FIG. 10A, the optical element 40 may include a filling portion 46 that covers and flattens the surface of the uneven portion 42 on the side facing the transparent base material 41. In this case, the material of the filling portion 46 is the medium 43. Further, the optical element 40 may include a second transparent base material 41-2 that seals the filling portion 46. That is, the optical element 40 may have a configuration in which the uneven portion 42 and the filling portion 46 are sealed by the first transparent base material 41-1 and the second transparent base material 41-2.

本実施形態でも、所定の波長(範囲)の光における、凹凸部42(特に、凹凸構造44の凸部相当)と充填部46との屈折率差Δnは、0.45以上が好ましく、0.6以上がより好ましい。 Also in this embodiment, the refractive index difference Δn between the uneven portion 42 (particularly, corresponding to the convex portion of the concave-convex structure 44) and the filling portion 46 in the light of a predetermined wavelength (range) is preferably 0.45 or more, and 0. 6 or more is more preferable.

また、図11に示すように、光学素子10は、屈折作用等を発生させる面を有する凹凸構造44を2以上備えてもよい。この場合、1つの凹凸構造44を有する凹凸部42を含む光学素子40を2つ重ねた構成でもよいし、図11(a)および図11(b)のように、1つの透明基材41上に、2つの凹凸構造44が積層されてもよい。このとき、図11(a)に示すように、2つの凹凸構造44のうち第1の凹凸構造44−1は、透明基材41と一体化されてもよい。その場合、2つの凹凸構造44のうち第2の凹凸構造44−2は第1の凹凸構造44−1に積層され、反射防止層45aが、第1の凹凸構造44−1(透明基材41の材料により形成される凹凸構造)と第2の凹凸構造44−2(第1の材料により形成される凹凸構造)との間に備えられる。また、反射防止層45bが、第2の凹凸構造44−2(第1の材料により形成される凹凸構造)と媒質43との間に備えられる。この場合、凹凸部42は4つの機能層(第1の凹凸構造44−1、反射防止層45a、第2の凹凸構造44−2、反射防止層45b)を含む。 Further, as shown in FIG. 11, the optical element 10 may include two or more uneven structures 44 having a surface that causes a refraction action or the like. In this case, two optical elements 40 including a concavo-convex portion 42 having one concavo-convex structure 44 may be stacked, or as shown in FIGS. 11 (a) and 11 (b), on one transparent base material 41. In addition, two uneven structures 44 may be laminated. At this time, as shown in FIG. 11A, the first concavo-convex structure 44-1 of the two concavo-convex structures 44 may be integrated with the transparent base material 41. In that case, the second uneven structure 44-2 of the two uneven structures 44 is laminated on the first uneven structure 44-1, and the antireflection layer 45a is the first uneven structure 44-1 (transparent base material 41). It is provided between the concavo-convex structure formed by the material of 1) and the second concavo-convex structure 44-2 (concave and convex structure formed by the first material). Further, the antireflection layer 45b is provided between the second uneven structure 44-2 (the uneven structure formed by the first material) and the medium 43. In this case, the uneven portion 42 includes four functional layers (first uneven structure 44-1, antireflection layer 45a, second uneven structure 44-2, antireflection layer 45b).

また、図11(b)に示すように、第1の凹凸構造44−1は、透明基材41の面上に、別の部材により設けられてもよい。その場合、反射防止層45aは、透明基材41と第1の凹凸構造44−1(特に、第1の材料により形成される凹凸構造の場合)との間に備えられてもよい。また、反射防止層45bは、第2の凹凸構造44−2(特に、第1の材料により形成される凹凸構造の場合)と媒質43との間に備えられてもよい。さらに、第1の凹凸構造44−1と第2の凹凸構造44−2との間に反射防止層45cが設けられてもよい。この場合、凹凸部42は5つの機能層(反射防止層45a、第1の凹凸構造44−1、反射防止層45c、第2の凹凸構造44−2、反射防止層45b)を含む。このように、凹凸構造を形成している媒質と他の媒質との界面全てに反射防止層が設けられているのが好ましい。 Further, as shown in FIG. 11B, the first uneven structure 44-1 may be provided by another member on the surface of the transparent base material 41. In that case, the antireflection layer 45a may be provided between the transparent base material 41 and the first concavo-convex structure 44-1 (particularly, in the case of the concavo-convex structure formed by the first material). Further, the antireflection layer 45b may be provided between the second concavo-convex structure 44-2 (particularly, in the case of the concavo-convex structure formed of the first material) and the medium 43. Further, an antireflection layer 45c may be provided between the first uneven structure 44-1 and the second uneven structure 44-2. In this case, the uneven portion 42 includes five functional layers (antireflection layer 45a, first uneven structure 44-1, antireflection layer 45c, second uneven structure 44-2, antireflection layer 45b). As described above, it is preferable that the antireflection layer is provided at all the interfaces between the medium forming the uneven structure and the other medium.

反射防止層45cは、反射防止層45a、45bと同様、当該反射防止層の両界面に対して、式(4)を満たす単層または多層構造により、理論反射率Rが上記条件を満たす設計であればよい。例えば、図11(b)において透明基材41側から近赤外光が入射する場合、反射防止層45cに対して、入射側界面をなす媒質は第1の凹凸構造44−1、出射側界面をなす媒質は第2の凹凸構造44−2である。 Like the antireflection layers 45a and 45b, the antireflection layer 45c has a single-layer or multilayer structure satisfying the formula (4) with respect to both interfaces of the antireflection layer, and is designed so that the theoretical reflectance R satisfies the above conditions. All you need is. For example, when near-infrared light is incident from the transparent substrate 41 side in FIG. 11B, the medium forming the incident side interface with respect to the antireflection layer 45c is the first concave-convex structure 44-1 and the emission side interface. The medium forming the surface is the second uneven structure 44-2.

また、図11(a)のように透明基材41の表面を切削して凹凸構造44を得た場合は、当該凹凸構造44の表面のうち最も低い位置にある面を、透明基材との境界(すなわち、当該凹凸構造44の最下面であり透明基材41の表面である)とすればよい。 Further, when the surface of the transparent base material 41 is cut to obtain the concavo-convex structure 44 as shown in FIG. 11A, the lowest surface of the surface of the concavo-convex structure 44 is referred to as the transparent base material. It may be a boundary (that is, the lowermost surface of the uneven structure 44 and the surface of the transparent base material 41).

また、図11(c)のように、光学素子40は、第1の凹凸構造44−1と第2の凹凸構造44−2が隣り合う構成でもよい。図11(c)の場合、反射防止層45aは、第1の凹凸構造44−1(透明基材41の材料により形成される凹凸構造)と第2の凹凸構造44−2(第1の材料により形成される凹凸構造)との間に備えられる。また、反射防止層45bは、第2の凹凸構造44−2(第1の材料により形成される凹凸構造)と媒質43との間に備えられる。この場合、凹凸部42は4つの機能層(第1の凹凸構造44−1、反射防止層45a、第2の凹凸構造44−2、反射防止層45b)を含む。 Further, as shown in FIG. 11C, the optical element 40 may have a configuration in which the first concavo-convex structure 44-1 and the second concavo-convex structure 44-2 are adjacent to each other. In the case of FIG. 11C, the antireflection layer 45a has a first concavo-convex structure 44-1 (concave-convex structure formed of the material of the transparent base material 41) and a second concavo-convex structure 44-2 (first material). It is provided between the uneven structure formed by the above. Further, the antireflection layer 45b is provided between the second uneven structure 44-2 (the uneven structure formed by the first material) and the medium 43. In this case, the uneven portion 42 includes four functional layers (first uneven structure 44-1, antireflection layer 45a, second uneven structure 44-2, antireflection layer 45b).

ここで、図12を用いて、屈折率nを有する凹凸構造44に透明基材41の法線方向から入射し、角度α傾斜した面から空気(屈折率=1)に出射する光の屈折作用を説明する。まず、スネルの法則により、nsinα=sinβが成立するが、例えばα=10°のときに石英ガラス(屈折率1.455)を材質とする場合、出射角(β−α)=4.6°となる。一方、凹凸構造44に屈折率2.8の材料を用いる場合、出射角=19°となる。したがって、凹凸構造44にこのような大きな屈折率の材料を用いることで小さな傾斜角でも大きな出射角が得られる。ここで、該傾斜面は、凹凸構造44が有する曲面の一部の近似として捉えてもよい。したがって、比較的大きな屈折率の材料を使用すれば、凹凸構造の傾斜面または曲面の傾斜角を小さくでき、これより、凹凸構造44の傾斜面または曲面を構成している部分の高さを低減できるので、凹凸構造(とくに、傾斜面や曲面が隣接する境界領域)の加工が容易になる。したがって、本実施形態においても、光学素子40の上記構成は、最大出射角が7.5°以上の場合に適用してもよい。なお、上記の最大出射角は、15°以上でもよく、25°以上でもよい。 Here, using FIG. 12, the refraction action of light incident on the concave-convex structure 44 having a refractive index n from the normal direction of the transparent base material 41 and emitted from a surface inclined at an angle α to air (refractive index = 1). To explain. First, according to Snell's law, nsinα = sinβ is established. For example, when quartz glass (refractive index 1.455) is used as a material when α = 10 °, the emission angle (β-α) = 4.6 °. Will be. On the other hand, when a material having a refractive index of 2.8 is used for the uneven structure 44, the emission angle is 19 °. Therefore, by using a material having such a large refractive index for the uneven structure 44, a large emission angle can be obtained even with a small inclination angle. Here, the inclined surface may be regarded as an approximation of a part of the curved surface of the concave-convex structure 44. Therefore, if a material having a relatively large refractive index is used, the inclination angle of the inclined surface or the curved surface of the uneven structure can be reduced, and the height of the portion forming the inclined surface or the curved surface of the uneven structure 44 can be reduced. Since it can be formed, it becomes easy to process an uneven structure (particularly, a boundary region where an inclined surface or a curved surface is adjacent). Therefore, also in this embodiment, the above configuration of the optical element 40 may be applied when the maximum emission angle is 7.5 ° or more. The maximum emission angle may be 15 ° or more, or 25 ° or more.

また、同じ観点より、凹凸構造44が1つ以上の曲面を有する場合において、凹凸構造44の各曲面のサグ量は、20μm以下が好ましく、5μm以下がより好ましい。 From the same viewpoint, when the concave-convex structure 44 has one or more curved surfaces, the sag amount of each curved surface of the concave-convex structure 44 is preferably 20 μm or less, more preferably 5 μm or less.

また、各実施形態の光学素子は、3次元計測装置や、認証装置のように、光を照射して対象物によって散乱された(検査)光を所定の投影範囲に照射する投影装置にも使用できる。また、各実施形態の光学素子は、通信機器に含まれる、通信情報伝搬用光学系におけるレンズやマイクロレンズとしても使用できる。 Further, the optical element of each embodiment is also used for a three-dimensional measuring device and a projection device such as an authentication device that irradiates light and irradiates (inspection) light scattered by an object into a predetermined projection range. can. Further, the optical element of each embodiment can also be used as a lens or a microlens in an optical system for propagating communication information included in a communication device.

これら各装置においては、光学素子の反射率が低減される効果により、光源から出射される光の光量に対する当該光学素子から出射される光の光量の割合が50%以上であると好ましい。 In each of these devices, the ratio of the amount of light emitted from the optical element to the amount of light emitted from the light source is preferably 50% or more due to the effect of reducing the reflectance of the optical element.

また、各実施形態の光学素子は、入射光または入射光のうち所定の偏光成分に対して、所定の波面変調を発現する所定の位相差を発生させるものでもよい。例えば、所定の波面変調により補正される収差の量として1λrms以下を得る場合に、上記各実施形態の光学素子を適用すると、より効果的である。ここで、1λrms以上の収差量の補正も可能であるが、一般的には光学系によって収差は1λrms以下に抑えられており、大きな波面を近似するために回折作用による迷光が生じることがあるため、1λrms以下が好適である。 Further, the optical element of each embodiment may generate a predetermined phase difference that causes a predetermined wavefront modulation with respect to a predetermined polarization component of the incident light or the incident light. For example, when the amount of aberration corrected by a predetermined wavefront modulation is 1λrms or less, it is more effective to apply the optical element of each of the above embodiments. Here, it is possible to correct the amount of aberration of 1λrms or more, but in general, the aberration is suppressed to 1λrms or less by the optical system, and stray light due to diffraction may occur in order to approximate a large wavefront. 1λrms or less is preferable.

(例1)
本例は、図1に示す第1の実施形態の光学素子10の例である。本例では、透明基材11の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部12の材料に、a−Si:HとSiOを用いる。ここで、a−Si:Hが第1の材料に相当する。
(Example 1)
This example is an example of the optical element 10 of the first embodiment shown in FIG. In this example, a glass substrate is used as a member of the transparent base material 11. Further, a—Si: H and SiO 2 are used as the material of the uneven portion 12. Here, a—Si: H corresponds to the first material.

本例で用いるa−Si:Hの波長950nmにおける複素屈折率は、3.82−ik(k=0.001以下)である。また、ガラス基板、SiOの波長950nmにおける屈折率は、それぞれ1.513、1.457である。また、媒質13は空気とする。 The complex refractive index of a—Si: H used in this example at a wavelength of 950 nm is 3.82-ik (k = 0.001 or less). The refractive indexes of the glass substrate and SiO 2 at a wavelength of 950 nm are 1.513 and 1.457, respectively. Further, the medium 13 is air.

まず、ガラス基板上にa−Si:Hを130nmの厚さで成膜後、SiOを228nmの厚さで成膜する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングによってa−Si:H膜およびSiO膜を2段の凹凸構造へ加工し、ガラス基板上に2層構造の凹凸部12を得る。ここで、基本ユニットのピッチPx,Pyは1056μm(X方向),1003μm(Y方向)であり、最大次数mxmax,mymaxは640(X方向),480(Y方向)である。したがって、X方向の空間的な周期Ppx=1.65μm、Y方向の空間的な周期Ppy=2.09μmである。ここから、X方向のアスペクト比RAX=0.434、Y方向のアスペクト比RAY=0.343となる。なお、波長950nmの光に出射される回折光の最大出射角は、X方向で34.7°、Y方向で26.7°である。 First, a—Si: H is formed on a glass substrate with a thickness of 130 nm, and then SiO 2 is formed with a thickness of 228 nm. Then, the a-Si: H film and the SiO 2 film are processed into a two-stage uneven structure by photolithography and etching to obtain an uneven portion 12 having a two-layer structure on a glass substrate. Here, the pitches Px and Py of the basic unit are 1056 μm (X direction) and 1003 μm (Y direction), and the maximum orders m xmax and mymax are 640 (X direction) and 480 (Y direction). Thus, X-direction spatial period P px = 1.65 .mu.m, a spatial period P py = 2.09μm in the Y direction. From here, the aspect ratio R AX = 0.434 in the X direction and the aspect ratio R AY = 0.343 in the Y direction. The maximum emission angle of the diffracted light emitted to the light having a wavelength of 950 nm is 34.7 ° in the X direction and 26.7 ° in the Y direction.

図13に、波長800〜1000nmの光における本例の凸部121を通る光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。なお、反射率は式(3)を用いて計算した。ここで、図中の本例の凸部121を通る光路は、具体的に、ガラス基板、a−Si:H、SiOおよび媒質13としての空気を通る光路である。図13に示すように950nmの光における、本例の反射率は0.1%であり、十分に小さい。なお、950±10nmでは0.1%以下であり、950±20nmでは1.1%以下である。またこのとき、凹凸部12と媒質13によって生じる位相差Δnd/λは0.5であり、2段の回折光学素子として好適である。 FIG. 13 shows the calculation result of the reflectance for the vertical incident of the optical path passing through the convex portion 121 of this example in the light having a wavelength of 800 to 1000 nm. The reflectance was calculated using the equation (3). Here, the optical path passing through the convex portion 121 of this example in the figure is specifically an optical path passing through the glass substrate, a—Si: H, SiO 2 and air as the medium 13. As shown in FIG. 13, the reflectance of this example in light of 950 nm is 0.1%, which is sufficiently small. It should be noted that it is 0.1% or less at 950 ± 10 nm and 1.1% or less at 950 ± 20 nm. At this time, the phase difference Δnd / λ generated by the uneven portion 12 and the medium 13 is 0.5, which is suitable as a two-stage diffraction optical element.

また、図13に、比較例として、上記構成においてa−Si:Hのみで凹凸部を構成した場合の凸部を通る光路の垂直入射に対する反射率の計算結果も併せ示す。比較例のa−Si:H膜の厚さは167nmであり、Δnd/λ=0.5である。ここで、図中の比較例の光路は、具体的に、ガラス基板、a−Si:Hおよび空気を通る光路である。図13に示すように950nmの光における、比較例の反射率は60.2%であり、本例の反射率と比べると大きく、反射による損失が大きい。 Further, as a comparative example, FIG. 13 also shows the calculation result of the reflectance with respect to the vertical incident of the optical path passing through the convex portion when the concave-convex portion is configured only with a—Si: H in the above configuration. The thickness of the a—Si: H film of the comparative example is 167 nm, and Δnd / λ = 0.5. Here, the optical path of the comparative example in the figure is specifically an optical path passing through a glass substrate, a-Si: H, and air. As shown in FIG. 13, the reflectance of the comparative example is 60.2% in the light of 950 nm, which is larger than the reflectance of this example, and the loss due to the reflection is large.

(例2)
本例は、図3(c)に示す第1の実施形態の光学素子10の例である。本例では、透明基材11の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部12の反射防止層15aの材料として、a−Si:H、SiOおよびSiNを用いる。また、下地層124および位相差層123の材料としてa−Si:Hを用いる。また、反射防止層15bの材料として、SiNを用いる。
(Example 2)
This example is an example of the optical element 10 of the first embodiment shown in FIG. 3 (c). In this example, a glass substrate is used as a member of the transparent base material 11. Further, a—Si: H, SiO 2 and SiN are used as the material of the antireflection layer 15a of the uneven portion 12. Further, a—Si: H is used as the material of the base layer 124 and the retardation layer 123. Further, SiN is used as the material of the antireflection layer 15b.

本例で用いるa−Si:Hの波長950nmの光における複素屈折率は3.82−ik(k=0.001以下)である。また、ガラス基板、SiO、SiNの波長950nmにおける屈折率は、それぞれ1.513、1.457、1.9である。また、媒質13は空気(屈折率=1)とする。 The complex refractive index of a—Si: H light having a wavelength of 950 nm used in this example is 3.82-ik (k = 0.001 or less). The refractive indexes of the glass substrate, SiO 2 , and SiN at wavelengths of 950 nm are 1.513, 1.457, and 1.9, respectively. Further, the medium 13 is air (refractive index = 1).

まず、ガラス基板上にa−Si:H、SiO、SiNからなる3層構造の反射防止層15aを成膜する。各層の膜厚はそれぞれ130nm、230nm、120nmである。その後、下地層124および位相差層123となるa−Si:H膜を400nmの厚さで成膜する。成膜後、a−Si:H膜を4段の凹凸構造へ加工する。当該凹凸構造において位相差層123の1段の高さは85nmである。凹凸構造に加工後、反射防止層15bとしてのSiNを125nmの厚さで成膜する。これにより、透明基材11上に5層構造の凹凸部12を得る。ここで、基本ユニットのx,y方向のピッチおよび最大次数は、Px=1056μm,Py=1003μm,mxmax=640,mymax=480である。したがって、x,y方向の空間的な周期Ppx=1.65μm,Ppy=2.09μmである。ここから、x,y方向のアスペクト比RAX=0.309、RAY=0.244となる。 First, an antireflection layer 15a having a three-layer structure composed of a-Si: H, SiO 2, and SiN is formed on a glass substrate. The film thickness of each layer is 130 nm, 230 nm, and 120 nm, respectively. Then, an a—Si: H film to be the base layer 124 and the retardation layer 123 is formed with a thickness of 400 nm. After the film formation, the a—Si: H film is processed into a four-stage uneven structure. In the uneven structure, the height of one step of the retardation layer 123 is 85 nm. After processing into an uneven structure, SiN as the antireflection layer 15b is formed into a film having a thickness of 125 nm. As a result, the uneven portion 12 having a five-layer structure is obtained on the transparent base material 11. Here, the pitch and the maximum degree of the basic unit in the x and y directions are Px = 1056 μm, Py = 1003 μm, m xmax = 640, and mymax = 480. Therefore, x, y-direction spatial period P px = 1.65 .mu.m, a P py = 2.09μm. From here, the aspect ratios in the x and y directions are R AX = 0.309 and R AY = 0.244.

表1に、本例の構成における凹凸部12の各層の部材および高さをまとめて示す。 Table 1 summarizes the members and heights of each layer of the uneven portion 12 in the configuration of this example.

Figure 0006981074
Figure 0006981074

図14に、波長800〜1200nmの光における本例の各光路(より具体的には、凹凸部の各段に相当する領域)の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図14に示すように950nmの光における本例の最大反射率は0.9%であり、各光路の平均反射率は0.6%であり、十分に小さい。またこのとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δnd/λは0.75(4段分)であり4段の回折光学素子として好適である。 FIG. 14 shows the calculation result of the reflectance for the vertical incident of each optical path (more specifically, the region corresponding to each stage of the uneven portion) of this example in the light having a wavelength of 800 to 1200 nm. As shown in FIG. 14, the maximum reflectance of this example in light of 950 nm is 0.9%, and the average reflectance of each optical path is 0.6%, which is sufficiently small. At this time, the phase difference Δnd / λ generated by the uneven portion and the medium is 0.75 (4 stages), which is suitable as a 4-stage diffraction optical element.

(例3)
本例は、図3(b)に示す第1の実施形態の光学素子10と比較して、反射防止層15aを備えない例(比較例)である。なお、本例の光学素子は、透明基材11と、位相差層123と、位相差層123と媒質13との間に設けられる反射防止層15bを含む。本例では、透明基材11の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部12の位相差層123の材料としてa−Si:Hを用いる。また、反射防止層15bの材料としてSiNを用いる。本例で用いるa−Si:Hの波長850nmの光における複素屈折率は3.5−ik(k=0.001以下)である。また、ガラス基板、SiNの波長850nmにおける屈折率は、それぞれ1.514、1.87である。なお、SiNは計算上、波長によらず屈折率が1.87として計算している。
(Example 3)
This example is an example (comparative example) in which the antireflection layer 15a is not provided as compared with the optical element 10 of the first embodiment shown in FIG. 3 (b). The optical element of this example includes a transparent base material 11, a retardation layer 123, and an antireflection layer 15b provided between the retardation layer 123 and the medium 13. In this example, a glass substrate is used as a member of the transparent base material 11. Further, a—Si: H is used as the material of the retardation layer 123 of the uneven portion 12. Further, SiN is used as the material of the antireflection layer 15b. The complex refractive index of a—Si: H light having a wavelength of 850 nm used in this example is 3.5-ik (k = 0.001 or less). The refractive indexes of the glass substrate and SiN at a wavelength of 850 nm are 1.514 and 1.87, respectively. In addition, SiN is calculated assuming that the refractive index is 1.87 regardless of the wavelength.

まず、ガラス基板上にa−Si:Hを297.5nmの厚さで成膜後、SiOを228nmの厚さで成膜する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングによってa−Si:H膜を8段の凹凸構造へ加工する。当該凹凸構造において位相差層123の1段の高さは42.5nmである。凹凸構造に加工後、反射防止層15bとしてのSiNを114nmの厚さで成膜する。これにより、透明基材11上に2層構造の凹凸部12を得る。ここで、基本ユニットのx,y方向のピッチおよび最大次数は、Px=1056μm,Py=1003μm,mxmax=640,mymax=480である。したがって、x,y方向の空間的な周期Ppx=1.65μm,Ppy=2.09μmである。ここから、x,y方向のアスペクト比RAX=0.361、RAY=0.285となる。 First, a—Si: H is formed on a glass substrate with a thickness of 297.5 nm, and then SiO 2 is formed with a thickness of 228 nm. After that, the a—Si: H film is processed into an eight-stage uneven structure by photolithography and etching. In the uneven structure, the height of one step of the retardation layer 123 is 42.5 nm. After processing into an uneven structure, SiN x as the antireflection layer 15b is formed into a film having a thickness of 114 nm. As a result, the uneven portion 12 having a two-layer structure is obtained on the transparent base material 11. Here, the pitch and the maximum degree of the basic unit in the x and y directions are Px = 1056 μm, Py = 1003 μm, m xmax = 640, and mymax = 480. Therefore, x, y-direction spatial period P px = 1.65 .mu.m, a P py = 2.09μm. Here, x, y direction of the aspect ratio R AX = 0.361, the R AY = 0.285.

図15(a)は、本例の光学素子の要部断面模式図である。また、表2に、本例の構成における凹凸部12の各層の部材および高さをまとめて示す。 FIG. 15A is a schematic cross-sectional view of a main part of the optical element of this example. In addition, Table 2 summarizes the members and heights of each layer of the uneven portion 12 in the configuration of this example.

Figure 0006981074
Figure 0006981074

図16に、波長800〜900nmの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図16に示すように850nmの光における本例の最大反射率は17.0%であり、各光路の平均反射率は17.0%である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δnd/λは0.875(8段分)である。 FIG. 16 shows the calculation result of the reflectance for the vertical incident of each optical path of this example in the light having a wavelength of 800 to 900 nm. As shown in FIG. 16, the maximum reflectance of this example in light of 850 nm is 17.0%, and the average reflectance of each optical path is 17.0%. At this time, the phase difference Δnd / λ generated by the uneven portion and the medium is 0.875 (8 steps).

(例4)
本例は、例3の構成に、さらに、位相差層123の各段の間にSiOからなるストップエッチ層17を設けた例(比較例)である。図15(b)は、本例の光学素子の要部断面模式図である。本例のストップエッチ層17の厚さは各々5nmとした。他の構成は例3と同様である。表3に、本例の構成における凹凸部12の各層の部材および高さをまとめて示す。
(Example 4)
This example is an example (comparative example) in which a stop etch layer 17 made of SiO 2 is further provided between each stage of the retardation layer 123 in the configuration of Example 3. FIG. 15B is a schematic cross-sectional view of a main part of the optical element of this example. The thickness of each of the stop etch layers 17 of this example was 5 nm. Other configurations are the same as in Example 3. Table 3 summarizes the members and heights of each layer of the uneven portion 12 in the configuration of this example.

Figure 0006981074
Figure 0006981074

図17に、波長800〜900nmの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図17に示すように850nmの光における本例の最大反射率は18.0%であり、各光路の平均反射率は15.9%である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δnd/λは0.883(8段分)である。 FIG. 17 shows the calculation result of the reflectance for the vertical incident of each optical path of this example in the light having a wavelength of 800 to 900 nm. As shown in FIG. 17, the maximum reflectance of this example in light of 850 nm is 18.0%, and the average reflectance of each optical path is 15.9%. At this time, the phase difference Δnd / λ generated by the uneven portion and the medium is 0.883 (8 steps).

(例5)
本例は、例4に示した構成の他の例(比較例)として、ストップエッチ層17の厚さが2nmの例を示す。表4に、本例の構成における凹凸部12の各層の部材および高さをまとめて示す。
(Example 5)
This example shows an example in which the thickness of the stop etch layer 17 is 2 nm as another example (comparative example) of the configuration shown in Example 4. Table 4 summarizes the members and heights of each layer of the uneven portion 12 in the configuration of this example.

Figure 0006981074
Figure 0006981074

図18に、波長800〜900nmの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図18に示すように850nmの光における本例の最大反射率は17.4%であり、各光路の平均反射率は16.6%である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δnd/λは0.894(8段分)である。 FIG. 18 shows the calculation result of the reflectance for the vertical incident of each optical path of this example in the light having a wavelength of 800 to 900 nm. As shown in FIG. 18, the maximum reflectance of this example in light of 850 nm is 17.4%, and the average reflectance of each optical path is 16.6%. At this time, the phase difference Δnd / λ generated by the uneven portion and the medium is 0.894 (8 steps).

(例6)
本例は、例4の構成に対して、さらに反射防止層15aを備えた例であって、ストップエッチ層17で発生する反射を抑制する構成である。なお、本例は、図3(b)に示す第1の実施形態の光学素子10の例である。図15(c)は、本例の光学素子の要部断面模式図である。本例のストップエッチ層17の厚さは各々5nmとした。また、反射防止層15aの材料として、波長850nmにおける屈折率が2.3のTiOを用いた。他の構成は例4と同様である。
(Example 6)
This example is an example in which the antireflection layer 15a is further provided with respect to the configuration of Example 4, and is a configuration for suppressing the reflection generated in the stop etch layer 17. This example is an example of the optical element 10 of the first embodiment shown in FIG. 3 (b). FIG. 15C is a schematic cross-sectional view of a main part of the optical element of this example. The thickness of each of the stop etch layers 17 of this example was 5 nm. Further, as the material of the antireflection layer 15a, TiO 2 having a refractive index of 2.3 at a wavelength of 850 nm was used. Other configurations are the same as in Example 4.

表5に、本例の構成における凹凸部12の各層の部材および高さをまとめて示す。 Table 5 summarizes the members and heights of each layer of the uneven portion 12 in the configuration of this example.

Figure 0006981074
Figure 0006981074

図19に、波長800〜900nmの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図19に示すように850nmの光における本例の最大反射率は0.5%であり、各光路の平均反射率は0.2%である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δnd/λは0.883(8段分)である。 FIG. 19 shows the calculation result of the reflectance for the vertical incident of each optical path of this example in the light having a wavelength of 800 to 900 nm. As shown in FIG. 19, the maximum reflectance of this example in light of 850 nm is 0.5%, and the average reflectance of each optical path is 0.2%. At this time, the phase difference Δnd / λ generated by the uneven portion and the medium is 0.883 (8 steps).

(例7)
本例は、図11(c)に示す第2の実施形態の光学素子40の例である。本例では、透明基材41および第1の凹凸構造44−1の材料としてガラス基板を用い、第2の凹凸構造44−2の材料としてa−Si:Hを用いる。また、反射防止層45aとしてTa、SiOおよびTaからなる3層の多層膜を用いる。また、反射防止層45bとしてSiOおよびTaからなる2層の多層膜を用いる。本例で用いるa−Si:Hの波長950nmの光における複素屈折率は3.68−ik(k=0.001以下)である。また、ガラス基板、SiO、Taの波長950nmにおける屈折率は、それぞれ1.513、1.47、2.158である。また、媒質43は空気とする。
(Example 7)
This example is an example of the optical element 40 of the second embodiment shown in FIG. 11 (c). In this example, a glass substrate is used as the material of the transparent base material 41 and the first uneven structure 44-1, and a-Si: H is used as the material of the second uneven structure 44-2. Further, as the antireflection layer 45a, a three-layer multilayer film composed of Ta 2 O 5 , SiO 2 and Ta 2 O 5 is used. Further, as the antireflection layer 45b, a two-layer multilayer film composed of SiO 2 and Ta 2 O 5 is used. The complex refractive index of a—Si: H light having a wavelength of 950 nm used in this example is 3.68-ik (k = 0.001 or less). The refractive indexes of the glass substrate, SiO 2 , and Ta 2 O 5 at a wavelength of 950 nm are 1.513, 1.47, and 2.158, respectively. Further, the medium 43 is air.

まず、ガラス基板の表面を、フォトリソグラフィおよびエッチング加工によってX方向の平均ピッチが30μm、Y方向の平均ピッチが24μmとなる不規則な凹型の曲面部421群を有する第1の凹凸構造44−1へと加工する(図20(a))。なお、X方向とY方向は素子面内においてそれぞれ直交する2方向である。ここで、曲面部421の平均曲率半径は70μmであり、曲面部421端部の平均的な傾斜はX方向で12.4°、Y方向で9.9°である。凹凸構造44−1において一番高い面と一番低い面の高低差は3μmである。なお、素子の大きさを3mm角とし、凹凸構造の加工領域は素子の全面にわたっている。また、入射光の有効領域を2mmφとする。 First, the first uneven structure 44-1 having an irregular concave curved surface portion 421 group having an average pitch in the X direction of 30 μm and an average pitch in the Y direction of 24 μm by photolithography and etching on the surface of the glass substrate. (Fig. 20 (a)). The X direction and the Y direction are two directions orthogonal to each other in the element plane. Here, the average radius of curvature of the curved surface portion 421 is 70 μm, and the average inclination of the end portion of the curved surface portion 421 is 12.4 ° in the X direction and 9.9 ° in the Y direction. The height difference between the highest surface and the lowest surface in the uneven structure 44-1 is 3 μm. The size of the element is 3 mm square, and the processing region of the uneven structure covers the entire surface of the element. Further, the effective area of the incident light is 2 mmφ.

次いで、第1の凹凸構造44−1上に、厚さ112nmのTa、厚さ171nmのSiOおよび厚さ224nmのTaからなる3層の反射防止層45aをスパッタリングによって製膜する(図20(b))。その後、プラズマCVDにより、反射防止層45a上に、第2の凹凸構造44−2となるa−Si:Hを、第1の凹凸構造44−1の曲面部421を覆うことができる厚さ3μm以上で成膜する(図20(c))。その後、a−Si:H膜の表面を研磨して平坦化し、第2の凹凸構造44−2を得る。さらに、第2の凹凸構造44−2の平坦な面に厚さ55nmのSiOおよび厚さ55nmのTaOからなる2層の反射防止膜45bを製膜し、本例の光学素子40を得る(図20(d))。 Next, on the first uneven structure 44-1, a three-layer antireflection layer 45a composed of Ta 2 O 5 having a thickness of 112 nm, SiO 2 having a thickness of 171 nm and Ta 2 O 5 having a thickness of 224 nm is produced by sputtering. Membrane (FIG. 20 (b)). Then, by plasma CVD, a-Si: H to be the second uneven structure 44-2 can be covered on the antireflection layer 45a with the curved surface portion 421 of the first uneven structure 44-1. The film is formed as described above (FIG. 20 (c)). Then, the surface of the a-Si: H film is polished and flattened to obtain a second uneven structure 44-2. Further, a two-layer antireflection film 45b made of SiO 2 having a thickness of 55 nm and Ta 2 O having a thickness of 55 nm is formed on the flat surface of the second uneven structure 44-2, and the optical element 40 of this example is formed. Obtain (FIG. 20 (d)).

図21は、本例の凹凸構造44−2の入射側および出射側の界面それぞれでの垂直入射する、波長800〜1000nmの光に対する反射率の計算結果である。なお、凹凸構造44−2の入射側界面の反射率は、具体的に、透明基材41(第1の凹凸構造44−1)側から反射防止層45aを介して第2の凹凸構造44−2へ、光が垂直に入射した場合の反射率である。また、凹凸構造44−2の出射側界面の反射率は、具体的に、第2の凹凸構造44−2から反射防止層45bを介して空気(媒質43)へ、光が垂直に入射した場合の反射率である。図21に示すように、本例の凹凸構造44−2の入射側および出射側の界面での反射率は、それぞれ950nm±50nmの波長帯において、1%以下であり、950nm±20nmの波長帯で0.5%以下となっている。 FIG. 21 is a calculation result of the reflectance for light having a wavelength of 800 to 1000 nm, which is vertically incident at the interface between the incident side and the exit side of the concave-convex structure 44-2 of this example. The reflectance of the incident side interface of the uneven structure 44-2 is specifically determined from the transparent base material 41 (first uneven structure 44-1) side via the antireflection layer 45a to the second uneven structure 44-. It is the reflectance when light is vertically incident on 2. Further, the reflectance of the emission side interface of the uneven structure 44-2 is specifically when light is vertically incident on the air (medium 43) from the second uneven structure 44-2 via the antireflection layer 45b. The reflectance of. As shown in FIG. 21, the reflectance at the interface between the incident side and the exit side of the concave-convex structure 44-2 of this example is 1% or less in the wavelength band of 950 nm ± 50 nm, respectively, and the wavelength band of 950 nm ± 20 nm. It is 0.5% or less.

本例の光学素子40に対して、波長950nmの光を、加工前のガラス基板の主面に垂直に入射した場合、第1の凹凸構造44−1と第2の凹凸構造44−2と、の貼り合わせ後の凹凸部42の各曲面部421の端部において屈折される光の平均的な出射角はX方向で28°、Y方向で22°、対角方向で39°となる。したがって、最大出射角は39°である。比較として、このような出射角を屈折率1.51のガラス基板の表面加工により得られる凹凸構造のみで実現すると、曲面部421端部の傾斜角としてX方向で52.5°、Y方向で42°必要になる。したがって、a−Si:Hにより形成される第2の凹凸構造44−2を設けることで、傾斜角が低減し、凹凸部42の曲面部421が、加工が容易な形状となる。ここで、上記の各曲面部421端部の平均的な出射角を、本例の光学素子40の最大出射角とみなしてもよい。 When light having a wavelength of 950 nm is vertically incident on the main surface of the glass substrate before processing with respect to the optical element 40 of this example, the first concave-convex structure 44-1 and the second concave-convex structure 44-2 The average emission angle of the light refracted at the end of each curved surface portion 421 of the uneven portion 42 after bonding is 28 ° in the X direction, 22 ° in the Y direction, and 39 ° in the diagonal direction. Therefore, the maximum emission angle is 39 °. As a comparison, if such an emission angle is realized only by the uneven structure obtained by surface processing of a glass substrate having a refractive index of 1.51, the inclination angle of the end of the curved surface portion 421 is 52.5 ° in the X direction and 52.5 ° in the Y direction. 42 ° is required. Therefore, by providing the second uneven structure 44-2 formed by a-Si: H, the inclination angle is reduced, and the curved surface portion 421 of the uneven portion 42 has a shape that can be easily processed. Here, the average emission angle of each of the curved surface portions 421 ends may be regarded as the maximum emission angle of the optical element 40 of this example.

(例8)
本例は、第2の実施形態の光学素子40の他の例である。図22は、本例の光学素子40の要部断面模式図であり、凸型の曲面部421を含む凹凸部42を備える。本例では、透明基材41の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸構造44の材料としてa−Si:Hを用いる。また、反射防止層45aとしてTa、SiOおよびTaからなる3層の多層膜、反射防止層45bとしてSiOおよびTaからなる2層の多層膜を用いる。本例で用いるa−Si:Hの波長950nmの光における複素屈折率は3.68−ik(k=0.001以下)である。また、ガラス基板、SiO、Taの波長950nmにおける屈折率は、例7と同じである。
(Example 8)
This example is another example of the optical element 40 of the second embodiment. FIG. 22 is a schematic cross-sectional view of a main part of the optical element 40 of this example, and includes a concavo-convex portion 42 including a convex curved surface portion 421. In this example, a glass substrate is used as a member of the transparent base material 41. Further, a—Si: H is used as the material of the concave-convex structure 44. Further, a three-layer multilayer film composed of Ta 2 O 5 , SiO 2 and Ta 2 O 5 is used as the antireflection layer 45a, and a two- layer multilayer film composed of SiO 2 and Ta 2 O 5 is used as the antireflection layer 45b. The complex refractive index of a—Si: H light having a wavelength of 950 nm used in this example is 3.68-ik (k = 0.001 or less). Further, the refractive index of the glass substrate, SiO 2 , and Ta 2 O 5 at a wavelength of 950 nm is the same as that of Example 7.

まず、ガラス基板上に、厚さ112nmのTa、厚さ171nmのSiOおよび厚さ224nmのTaからなる3層の反射防止層45aをスパッタリングによって製膜する。なお、反射防止層45aは、後に凹凸構造44(より具体的には、凸型の曲面部421)が形成される位置に少なくとも設けられていればよい。その後、プラズマCVDにより、反射防止層45aが設けられたガラス基板上に、凹凸構造44となるa−Si:Hを厚さ4.5μmで成膜する。その後、フォトリソグラフィとエッチングによって、該a−Si:H膜を、外形φ120μm、曲率半径400μm、ピッチ240μmのレンズアレイに加工し、反射防止層45aに積層される凸型の曲面部421を有する凹凸構造44を得る。その後、凹凸構造44が設けられたガラス基板上に、厚さ55nmのSiOおよび厚さ55nmのTaからなる2層の反射防止膜45bを製膜し、本例の光学素子40を得る。 First, a three-layer antireflection layer 45a composed of Ta 2 O 5 having a thickness of 112 nm, SiO 2 having a thickness of 171 nm and Ta 2 O 5 having a thickness of 224 nm is formed on a glass substrate by sputtering. The antireflection layer 45a may be provided at least at a position where the concave-convex structure 44 (more specifically, the convex curved surface portion 421) is formed later. Then, by plasma CVD, a—Si: H having an uneven structure 44 is formed on a glass substrate provided with the antireflection layer 45a to a thickness of 4.5 μm. After that, the a-Si: H film is processed into a lens array having an outer diameter of 120 μm, a radius of curvature of 400 μm, and a pitch of 240 μm by photolithography and etching, and unevenness having a convex curved surface portion 421 laminated on the antireflection layer 45a. Obtain structure 44. After that, a two-layer antireflection film 45b made of SiO 2 having a thickness of 55 nm and Ta 2 O 5 having a thickness of 55 nm was formed on a glass substrate provided with the uneven structure 44, and the optical element 40 of this example was formed. obtain.

本例の光学素子40に対して、波長950nmの光をガラス基板の主面に垂直に入射した場合、レンズアレイをなす各曲面部421の端部において屈折される光の出射角は23.7°となる。なお、各曲面部421の中心厚みは、4.5μmである。比較として、このような出射角を屈折率1.51のガラス基板の表面加工により得られる凹凸構造のみで実現しようとすると、曲面部421端部の傾斜角として41.4°必要になり、かつ曲面部421の中心厚みが23μm必要となる。したがって、レンズアレイの材料にa−Si:Hを用いることで、凹凸部42の曲面部421(レンズアレイをなす各レンズ)は、加工が容易な形状となる。 When light having a wavelength of 950 nm is vertically incident on the main surface of the glass substrate with respect to the optical element 40 of this example, the emission angle of the light refracted at the end of each curved surface portion 421 forming the lens array is 23.7. It becomes °. The central thickness of each curved surface portion 421 is 4.5 μm. As a comparison, if such an emission angle is to be realized only by the uneven structure obtained by surface processing of a glass substrate having a refractive index of 1.51, 41.4 ° is required as the inclination angle of the end portion of the curved surface portion 421, and The central thickness of the curved surface portion 421 needs to be 23 μm. Therefore, by using a—Si: H as the material of the lens array, the curved surface portion 421 of the uneven portion 42 (each lens forming the lens array) has a shape that can be easily processed.

(例9)
本例は、図4に示す第1の実施形態の光学素子10の例であり、透明基材11の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部12の材料に、a−Si:HとSiOを用いる。ここで、a−Si:Hが第1の材料に相当する。また、本例の媒質13となる充填部16の材料に、SiOを用いる。
(Example 9)
This example is an example of the optical element 10 of the first embodiment shown in FIG. 4, and a glass substrate is used as a member of the transparent base material 11. Further, a—Si: H and SiO 2 are used as the material of the uneven portion 12. Here, a—Si: H corresponds to the first material. Further, SiO 2 is used as the material of the filling portion 16 which is the medium 13 of this example.

本例で用いるa−Si:Hの波長950nmにおける複素屈折率は、3.82−ik(k=0.001以下)である。また、ガラス基板、SiOの波長950nmにおける屈折率は、それぞれ1.513、1.47である。なお、SiOの屈折率が他の例と異なるが、成膜条件等による違いである。 The complex refractive index of a—Si: H used in this example at a wavelength of 950 nm is 3.82-ik (k = 0.001 or less). The refractive indexes of the glass substrate and SiO 2 at a wavelength of 950 nm are 1.513 and 1.47, respectively. The refractive index of SiO 2 is different from that of other examples, but it is different depending on the film forming conditions and the like.

まず、ガラス基板上に、最終的に位相差層123となる、厚さ107nmのa−Si:H、厚さ239nmのSiOおよび厚さ107nmのa−Si:Hからなる3層の多層膜を成膜する(図23(a))。その後、該多層膜を、フォトリソグラフィとエッチングによって矩形の凸部121が所定のピッチで並ぶ凹凸形状に加工し、ガラス基板上に3層構造の位相差層123を含む2段の凹凸部12を得る(図23(b))。その後、該凹凸部12が形成されたガラス基板上に、充填部16となるSiOを、該凹凸部12の凹部122を覆うことができる厚さ453nm以上で成膜する(図23(c))。その後、SiO膜の表面を研磨して平坦化し、充填部16を有する本例の光学素子10を得る。 First, on a glass substrate, a three-layer multilayer film composed of a—Si: H having a thickness of 107 nm, SiO 2 having a thickness of 239 nm, and a—Si: H having a thickness of 107 nm, which finally becomes a retardation layer 123. Is formed (FIG. 23 (a)). After that, the multilayer film is processed into a concavo-convex shape in which rectangular convex portions 121 are lined up at a predetermined pitch by photolithography and etching, and a two-stage concavo-convex portion 12 including a retardation layer 123 having a three-layer structure is formed on a glass substrate. Obtain (FIG. 23 (b)). Then, on the glass substrate on which the uneven portion 12 is formed, the SiO 2 to be the filling portion 16 is formed into a film having a thickness of 453 nm or more that can cover the concave portion 122 of the uneven portion 12 (FIG. 23 (c)). ). Then, the surface of the SiO 2 film is polished and flattened to obtain the optical element 10 of this example having the filling portion 16.

図24は、本例の凸部121を通る光路の垂直入射する、波長800〜1000nmの光に対する反射率の計算結果である。該反射率は、具体的には、透明基材11、3層構造の凸部121、充填部16によって生じる反射率として計算した。図24に示すように、950nm±10nmの波長帯の反射率は、1%以下となっている。また、3層構造の凸部121と、充填部材による凹部122とによって生じる位相差は波長950nmに対して半波長になっており、本例の光学素子10はバイナリ格子として好適である。 FIG. 24 is a calculation result of the reflectance for light having a wavelength of 800 to 1000 nm, which is vertically incident in the optical path passing through the convex portion 121 of this example. Specifically, the reflectance was calculated as the reflectance generated by the transparent base material 11, the convex portion 121 of the three-layer structure, and the filling portion 16. As shown in FIG. 24, the reflectance in the wavelength band of 950 nm ± 10 nm is 1% or less. Further, the phase difference generated by the convex portion 121 having the three-layer structure and the concave portion 122 due to the filling member has a half wavelength with respect to the wavelength of 950 nm, and the optical element 10 of this example is suitable as a binary lattice.

入射光に対して異なる出射角で回折、拡散、屈折させる作用等の所定の位相差を発生させる凹凸構造を有する光学素子や装置であれば、好適に適用可能である。 Any optical element or device having a concavo-convex structure that generates a predetermined phase difference such as diffraction, diffusion, and refraction at different emission angles with respect to incident light can be suitably applied.

10、40 光学素子
11、41 透明基材
11−1、41−1 第1の透明基材
11−2、41−2 第2の透明基材
12、42 凹凸部
121 凸部
122 凹部
123 位相差層
124 下地層
13、43 媒質
14a、14b 屈折率調整層
14c 中間層
15a、15b 反射防止層
16、46 充填部
17 ストップエッチ層
21 光束
22 回折光群
23 光スポット
31 基本ユニット
421 曲面部
44 凹凸構造
44−1 第1の凹凸構造
44−2 第2の凹凸構造
45a、45b、45c 反射防止層
10, 40 Optical elements 11, 41 Transparent base material 11-1, 41-1 First transparent base material 11-2, 41-2 Second transparent base material 12, 42 Concavo-convex part 121 Convex part 122 Concave part 123 Phase difference Layer 124 Underlayer 13, 43 Medium 14a, 14b Refractive index adjustment layer 14c Intermediate layer 15a, 15b Antireflection layer 16, 46 Filling part 17 Stop etch layer 21 Light beam 22 Diffraction light group 23 Light spot 31 Basic unit 421 Curved surface part 44 Concavo-convex Structure 44-1 First uneven structure 44-2 Second uneven structure 45a, 45b, 45c Antireflection layer

Claims (4)

透明基材と、
前記透明基材上に設けられ、入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる凹凸部とを備え、
前記凹凸部は、異なる2以上の材料により構成されており、
前記凹凸部を構成する前記材料の一つが、前記入射光の波長帯における複素屈折率を、n−ikとしたとき、n≧2.5およびk<0.01である第1の材料であり、
前記透明基材の平面の法線方向から入射する前記入射光に対し、少なくとも有効領域における前方透過率が80%以上であるまたは少なくとも有効領域における反射率が10%以下であり、
前記凹凸部は、
前記透明基材と非平行で連続的な曲面を1つ以上有するまたは前記透明基材と非平行な傾斜面を1つ以上有する単層の凹凸構造と、
前記透明基材との界面および/または当該凹凸部の前記曲面または前記傾斜面が形成されている側の表面を覆う所定の媒質との界面に、反射防止層とを含む
ことを特徴とする光学素子。
With a transparent base material
It is provided on the transparent substrate and is provided with an uneven portion that generates a predetermined phase difference with respect to a predetermined polarization component of the incident light or the incident light.
The uneven portion is composed of two or more different materials.
One of the materials constituting the uneven portion is the first material in which n ≧ 2.5 and k <0.01 when the complex refractive index in the wavelength band of the incident light is n−k. ,
With respect to the incident light incident from the normal direction of the plane of the transparent substrate, the front transmittance at least in the effective region is 80% or more, or at least the reflectance in the effective region is 10% or less.
The uneven portion is
A single-layer concavo-convex structure having one or more curved surfaces that are non-parallel to the transparent substrate or having one or more inclined surfaces that are non-parallel to the transparent substrate.
Optics characterized by including an antireflection layer at the interface with the transparent substrate and / or with a predetermined medium covering the surface of the uneven portion on the curved surface or the surface on which the inclined surface is formed. element.
前記凹凸構造は、前記透明基材と非平行で連続的な曲面が、少なくとも前記入射光の有効領域において隙間なく配された構造である
請求項に記載の光学素子。
The optical element according to claim 1 , wherein the uneven structure is a structure in which curved surfaces that are non-parallel to the transparent substrate and are continuous are arranged without gaps at least in the effective region of the incident light.
前記凹凸構造の各曲面のサグ量が20μm以下である
請求項に記載の光学素子。
The optical element according to claim 2 , wherein the sag amount of each curved surface of the uneven structure is 20 μm or less.
前記凹凸部は、前記透明基材と非平行で連続的な曲面を1つ以上有するまたは前記透明基材と非平行な傾斜面を1つ以上有する単層の凹凸構造を2つ含み、
前記2つの凹凸構造のうち第1の凹凸構造は、前記透明基材と一体化されまたは前記透明基材の面上に設けられ、
前記2つの凹凸構造のうち第2の凹凸構造は、前記第1の凹凸構造に積層され、
前記凹凸部は、前記第1の凹凸構造と前記第2の凹凸構造との間に設けられる反射防止層をさらに含む
請求項または請求項に記載の光学素子。
The concavo-convex portion comprises two single-layer concavo-convex structures having one or more curved surfaces that are non-parallel to the transparent substrate or having one or more inclined surfaces that are non-parallel to the transparent substrate.
The first concavo-convex structure of the two concavo-convex structures is integrated with the transparent base material or provided on the surface of the transparent base material.
The second concavo-convex structure of the two concavo-convex structures is laminated on the first concavo-convex structure.
The optical element according to claim 2 or 3 , wherein the uneven portion further includes an antireflection layer provided between the first uneven structure and the second uneven structure.
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