JPWO2011099550A1 - Optical element and an optical system - Google Patents

Optical element and an optical system Download PDF

Info

Publication number
JPWO2011099550A1
JPWO2011099550A1 JP2011553882A JP2011553882A JPWO2011099550A1 JP WO2011099550 A1 JPWO2011099550 A1 JP WO2011099550A1 JP 2011553882 A JP2011553882 A JP 2011553882A JP 2011553882 A JP2011553882 A JP 2011553882A JP WO2011099550 A1 JPWO2011099550 A1 JP WO2011099550A1
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical
optical element
waveguide
refractive index
diffraction efficiency
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2011553882A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
林 政俊
政俊 林
桂 大滝
桂 大滝
Original Assignee
株式会社ニコン
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority to JP2010030435 priority Critical
Priority to JP2010030435 priority
Application filed by 株式会社ニコン filed Critical 株式会社ニコン
Priority to PCT/JP2011/052848 priority patent/WO2011099550A1/en
Publication of JPWO2011099550A1 publication Critical patent/JPWO2011099550A1/en
Application status is Pending legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS, OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1866Transmission gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • G02B5/1871Transmissive phase gratings
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS, OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1814Diffraction gratings structurally combined with one or more further optical elements, e.g. lenses, mirrors, prisms or other diffraction gratings
    • G02B5/1819Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings
    • G02B5/1823Plural gratings positioned on the same surface, e.g. array of gratings in an overlapping or superposed manner

Abstract

この光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備え、前記レリーフパターンの構成する面のうち、前記光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。 The optical element includes an optical member having a lattice interface relief pattern has been formed, among the surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of said optical element, than the optical member waveguide made of an optical material having a high refractive index is formed.

Description

本発明は、光学素子及び光学系に関する。 The present invention relates to an optical element and an optical system.
本願は、2010年2月15日に、日本国に出願された特願2010−030435号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。 This application, on February 15, 2010, claiming priority on Japanese Patent Application No. 2010-030435 filed in Japanese, which is incorporated herein by reference.

光学素子として、断面鋸歯状のレリーフパターンが形成された回折素子が幅広く用いられている。 As the optical element, it is widely used diffraction element section sawtooth relief pattern is formed. この種の回折素子では、レリーフパターンのエッジ部で発生したフレア光による光学性能の悪化が生じるため、フレア光の発生やフレア光による悪影響を抑制するための種々の工夫がなされてきた(例えば特許文献1参照)。 The diffractive element of this kind, since the deterioration in optical performance caused by flare light generated in the edge portion of the relief pattern is produced, various contrivances for suppressing the adverse effect of generation or flare light flare light have been made (for example, patent references 1).

日本国特許第3717555号公報 Japanese Patent No. 3717555 Publication

特許文献1に記載の発明では、レリーフパターンを界面とする2つの層の光学材料を適切に選定することにより回折効率を高めている。 In the invention described in Patent Document 1, to enhance the diffraction efficiency by the relief pattern selecting an appropriate optical material of the two layers of the interface. しかしながら、2種類の光学材料(低屈折率高分散材料、高屈折率低分散材料)で最適なものは未だ得られていない。 However, two kinds of optical materials (low refractive index and high dispersion material, high refractive index and low dispersion material) is not optimal is obtained yet with. 一方、レリーフパターンを高く形成したり、格子界面を増やしたりすることで回折効率を高めることも可能であるが、レリーフパターンを高くするとフレアが発生しやすくなり、格子界面を増やすと製造が困難になるという課題があった。 On the other hand, if high forming a relief pattern, it is possible to increase the diffraction efficiency by or increasing the grating surface, the flare is likely to occur when increasing the relief pattern, and manufacturing difficulties increase grating surface there is a problem that becomes.

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、フレア光が低減された光学素子の提供を目的の一つとする。 The present invention, which was made in view of the problems of the prior art, it is another object to provide an optical element which flare light is reduced.

本発明の第1の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備える。 Optical element according to the first aspect of the present invention comprises an optical member having a grid interface relief pattern is formed. 前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。 Wherein among surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of the optical element, a waveguide consisting of optical material having high refractive index than the optical member is formed.

また、本発明の第2の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する第1の光学部材と、前記第1の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第2の光学部材と、を備える。 The optical element according to the second aspect of the present invention includes a first optical member having a grid interface relief pattern is formed, are laminated in close contact or in proximity to the said grid interface of the first optical member comprising a second optical member, the. そして、前記レリーフパターンの構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記第1の光学部材及び前記第2の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。 Then, among the surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of the optical element, made of an optical material having a high refractive index than the first optical member and the second optical member waveguide is formed.

本発明の第1及び第2の態様によれば、フレア光が低減された光学素子を提供することができる。 According to the first and second aspects of the present invention, it is possible to provide an optical element which flare light is reduced.

本発明の第1の実施形態に係る光学素子を示す部分断面図である。 Is a partial sectional view showing an optical element according to a first embodiment of the present invention. RCWA法により光学素子の回折効率計算を行った結果を示すグラフである。 It is a graph showing the results of the diffraction efficiency calculation of the optical element by RCWA method. 本発明の第2の実施形態に係る光学素子を示す部分断面図である。 Is a partial sectional view showing an optical element according to a second embodiment of the present invention. 導波路幅と回折効率の関係を示すグラフである。 Waveguide width and is a graph showing the relationship between the diffraction efficiency. 入射光の波長と回折効率との関係を示すグラフである。 Is a graph showing the relationship between the wavelength of the incident light and the diffraction efficiency. 屈折率差と回折効率との関係を示すグラフである。 Is a graph showing the relationship between the refractive index difference between the diffraction efficiency. 位相ズレ量と回折効率との関係を示すグラフである。 It is a graph showing a relationship between the phase shift amount and the diffraction efficiency. 第2実施形態の変形例を示す部分断面図である。 It is a partial sectional view showing a modification of the second embodiment. 第2実施形態の他の変形例を示す部分断面図である。 It is a partial sectional view showing another modification of the second embodiment. 従来の光学素子を示す部分断面図である。 It is a partial sectional view showing a conventional optical element. RCWA法による回折効率の計算結果を示すグラフである。 Is a graph showing the calculation results of the diffraction efficiency by the RCWA method. 従来の光学素子を示す部分断面図である。 It is a partial sectional view showing a conventional optical element.

以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらのみに限定されない。 Hereinafter be described with reference to the accompanying drawings embodiments of the present invention, the present invention is not limited thereto.

(第1の実施形態) (First Embodiment)
図1は、本発明の第1の態様に係る実施の形態である光学素子10を示す部分断面図である。 Figure 1 is a partial sectional view of an optical element 10 is a preferred embodiment according to the first aspect of the present invention.
同光学素子10は、単層型回折光学素子(単層型DOE(Diffractive Optical Elements))である。 The optical element 10 is a single-layer type diffractive optical element (single-layer DOE (Diffractive Optical Elements)). 光学素子10は、透明な光学材料からなる光学部材10Aを有しており、光学部材10Aの一方の主面(図示上面)が断面鋸歯状のレリーフパターンが形成された格子界面11とされている。 The optical element 10 has an optical member 10A made of a transparent optical material, one main surface of the optical element 10A (shown upper surface) is a grating surface 11 that cross sawtooth relief pattern is formed .
格子界面11には、入射光Lの光軸方向に対して傾斜して形成された複数の傾斜面11aと、これら傾斜面11aとともに断面三角形状の凸条を複数形成し、入射光Lの光軸方向とほぼ平行な面として形成された複数の崖面11bとが形成されている。 Grid interface 11 includes a plurality of inclined surfaces 11a which are formed inclined with respect to the optical axis of the incident light L, forming a plurality triangular cross section ridges with the inclined surface 11a, the light of the incident light L a plurality of cliff surface 11b formed as a plane substantially parallel to the axial direction is formed. これらの傾斜面11aと崖面11bとが交互に配置されることで、上記レリーフパターンを形成している。 By the these inclined surfaces 11a and Gakemen 11b are alternately arranged to form the relief pattern.
そして、本実施形態の光学素子10では、崖面11bに、入射光Lの光軸に沿った方向のどの位置でも一様な幅(厚さ)を有する導波路12が形成されている。 Then, the optical device 10 of the present embodiment, the Gakemen 11b, waveguide 12 having any position uniform in width in the direction along the optical axis of the incident light L (thickness) is formed.

本実施形態の光学素子10では、崖面11bに導波路12を形成したことで、回折効率を高め、設計次数以外の回折光(フレア光)を低減することができる。 In the optical element 10 of the present embodiment, by forming the waveguide 12 to Gakemen 11b, enhance diffraction efficiency, it is possible to reduce the diffraction light other than the design order (flare light). 以下、本実施形態の光学素子10について、従来の光学素子と比較しつつ説明する。 Hereinafter, the optical element 10 of the present embodiment will be described in comparison with conventional optical elements.

図2は、RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis:厳密結合波解析)法により、図1に示した光学素子10の回折効率計算を行った結果を示すグラフである。 2, RCWA: by (Rigorous Coupled Wave Analysis rigorous coupled wave analysis) method, a graph showing the diffraction efficiency calculation was performed result of the optical element 10 shown in FIG.
計算モデルは、格子ピッチP1=10μm、格子高さH1=1.1μm、光学部材10Aの屈折率na=1.5、導波路12を構成する光学材料の屈折率ng=1.5+Δnとし、Δnを0.02〜0.2、導波路12の幅W1を0〜0.3μmの範囲で変化させた。 Computing model, the grating pitch P1 = 10 [mu] m, the grating height H1 = 1.1 .mu.m, the refractive index ng = 1.5 + [Delta] n of the optical material constituting the refractive index na = 1.5 optical member 10A, the waveguide 12, [Delta] n the 0.02 to 0.2, the width W1 of the waveguide 12 was varied in the range of 0~0.3Myuemu. また、入射光Lは、波長0.55μmのTE(Transverse Electric)平面波とした。 Further, the incident light L, and TE (Transverse Electric) plane wave and the wavelength 0.55 .mu.m.

なお、本実施形態では、入射光Lが光学部材10Aの内部から格子界面11を通過して外部へ射出されるものと仮定して計算した。 In the present embodiment, the incident light L is calculated on the assumption that emitted to the outside through the grating surface 11 from the inside of the optical member 10A. 実際の回折効率の計算には、空気中から光学部材10Aに入射する光線を考慮する必要があるが、導波路12の屈折率ng及び幅W1を変化させたときの回折効率の比較には全く影響しないため、計算を簡単化するために割愛した。 The calculation of the actual diffraction efficiency, it is necessary to consider the light rays incident from the air to the optical element 10A, all in the comparison of the diffraction efficiency when changing the refractive index ng and the width W1 of the waveguide 12 because it does not influence, it was omitted in order to simplify the calculation.

図2に示すグラフの横軸は導波路12の幅W1、縦軸は1次回折効率に対応する。 The horizontal axis of the graph shown in FIG. 2 the width W1 of the waveguide 12, and the vertical axis corresponds to the first-order diffraction efficiency. 図2には、Δnを、0.02〜0.2の範囲において0.02刻みで変化させたときの、導波路12の幅W1に対する回折効率の変化を示す10本の曲線が併記されている。 Figure 2 is a [Delta] n, when changing at 0.02 increments in the range of 0.02 to 0.2, are also shown the 10 curves showing the change in diffraction efficiency for the width W1 of the waveguide 12 there. 導波路12の幅W1が0(ゼロ)であるときの1次回折効率は、導波路12を備えない従来構成の光学素子の1次回折効率に相当する。 1-order diffraction efficiency when the width W1 is 0 (zero) of the waveguide 12 corresponds to the first-order diffraction efficiency of the optical element having a conventional structure without the waveguide 12.

ここで、図9は従来の光学素子を示す部分断面図である。 Here, FIG. 9 is a partial sectional view showing a conventional optical element. 図9に示す従来の光学素子1000は、一方の面に格子界面11が形成された光学部材1000Aからなる単層型DOEである。 Conventional optical element 1000 shown in FIG. 9 is a single layer type DOE formed of the optical member 1000A lattice interface 11 is formed on one surface.
光学素子1000は、通常、単一波長でのみ、回折効率が最適化されて使用される。 The optical element 1000 is usually only a single wavelength, the diffraction efficiency is used is optimized. 例えば、波長0.55μmにおいて1次光L1の回折効率が最も高くなるように、格子高さHが設定される。 For example, as the diffraction efficiency of first-order light L1 in the wavelength 0.55μm is highest, the grating height H is set. 具体的には、導波路12を備えない光学素子1000の場合に、波長λ(μm)で最適な1次回折効率を得るための格子高さH(μm)は、光学部材1000Aの屈折率がnbであるとしたとき、H=λ/(nb−1)となるように設定される。 Specifically, in the case of the optical element 1000 without the waveguide 12, the wavelength lambda ([mu] m) at the optimum first-order diffraction efficiency grating height for obtaining H ([mu] m), the refractive index of the optical member 1000A when to be nb, are set such that H = λ / (nb-1).

上記式のスカラー計算による1次回折効率は100%であるが、これは格子周期(図9に示す格子ピッチP)が十分に大きい場合にのみ成立する。 First-order diffraction efficiency due to the scalar computation of the above equation is 100%, which is the grating period (grating pitch P shown in FIG. 9) is satisfied only if sufficiently large. 可視光領域での使用を想定した場合、格子ピッチPが100μm以下、あるいは50μm以下の範囲から、スカラー計算に対する厳密な計算とのずれが目立ち始める。 If intended for use in the visible light region, the grating pitch P is 100μm or less, or from the range 50 [mu] m, begins conspicuous deviation between the exact calculation for scalar computation. 特に、格子ピッチPが10μm程度にまで小さくなると、最大回折効率は90%程度にまで低下する。 In particular, the grating pitch P is reduced to about 10 [mu] m, the maximum diffraction efficiency is reduced to about 90%.

図10は、入射光Lが波長0.55μm、格子ピッチPが10μm、屈折率nbが1.5であるとしたときのRCWA法による回折効率の計算結果を示すグラフである。 10, the incident light L wavelength 0.55 .mu.m, the grating pitch P is 10 [mu] m, is a graph showing the calculation results of the diffraction efficiency by RCWA method when the refractive index nb is to be 1.5. 図10に示すグラフの横軸は格子高さH、縦軸は1次回折効率に対応する。 The horizontal axis of the graph shown in FIG. 10 is the grating height H, and the vertical axis corresponds to the first-order diffraction efficiency.
図10に示すように、上記条件において最適な1次回折効率が得られる格子高さHは1.1μmであり、その時の最大回折効率は約91.3%である。 As shown in FIG. 10, the grating height H optimum first-order diffraction efficiency at the above conditions can be obtained is 1.1 .mu.m, the maximum diffraction efficiency at this time is about 91.3%. すなわち、1次回折効率が最大となる格子高さHは、先に示した式から導出される格子高さ(0.55/(1.5−1)=1.1(μm))と一致するが、1次回折効率は100%とはならない。 That is, the grating height H 1-order diffraction efficiency becomes maximum, coincides with the grating height derived from the equation shown above (0.55 / (1.5-1) = 1.1 (μm)) Suruga, the first-order diffraction efficiency is not a 100%. また、格子高さHが最適値1.1μmからずれると1次回折効率は大きく低下する。 Further, when the grating height H deviates from the optimum value 1.1 .mu.m 1-order diffraction efficiency is significantly reduced.

これに対して、本実施形態の光学素子10では、図2に示すように、導波路12の幅W1を適切に選択することで、導波路12の屈折率を変化させたすべての条件において従来の光学素子1000の最大回折効率(91.3%)よりも高い1次回折効率を得ることができる。 In contrast, in the optical element 10 of the present embodiment, as shown in FIG. 2, the width W1 of the waveguide 12 by appropriately selecting, conventional in all conditions of changing the refractive index of the waveguide 12 it is possible to obtain a high primary diffraction efficiency than the maximum diffraction efficiency of the optical element 1000 (91.3%) of. 例えば、屈折率差Δn(=ng−na)が0.1である場合、導波路12の幅W1が約0.2μmのときに回折効率が約93.5%となる。 For example, if the refractive index difference Δn (= ng-na) is 0.1, the width W1 of the waveguide 12 is the diffraction efficiency of about 93.5% at about 0.2 [mu] m.

このように、本実施形態の光学素子10によれば、導波路12と光学部材10Aとの屈折率差Δn(すなわち屈折率ng、na)と、導波路12の幅W1とを適宜に選択して構成することで、導波路12を備えない従来の光学素子1000を超える回折効率を得ることができる。 Thus, according to the optical element 10 of this embodiment, the waveguide 12 and the optical member 10A and the refractive index difference [Delta] n (that is, the refractive index ng, na) with, appropriately selecting the width W1 of the waveguide 12 by configuring Te, it is possible to obtain a diffraction efficiency over conventional optical element 1000 without the waveguide 12.

本実施形態の光学素子10が、従来の光学素子1000と比べて高い回折効率を得られるのは、以下の理由によると考えられる。 The optical element 10 of this embodiment, the obtained high diffraction efficiency compared with the conventional optical element 1000 is thought to be due to the following reason.
図2及び図10に示した上記の結果は、電磁場をベクトル計算(本実施形態ではRCWA法)で行った場合にのみ得られる知見であるため、幾何学的な差異に基づく説明は困難である。 The above results shown in FIGS. 2 and 10, since the electromagnetic field vector calculation (in this embodiment RCWA method) is a knowledge obtained only when made in the description based on the geometric difference is difficult . だが、おそらく回折効率がスカラー値よりも低下してしまう原因であるレリーフパターンの崖部分での電磁場の乱れに関係があるものと考えられる。 But perhaps the diffraction efficiency is believed to be related to the disturbance of the electromagnetic field in the cliff portion of the relief pattern is a cause of lowered than the scalar value.

スカラー計算での回折効率計算では、格子高さがパラメータに含まれない。 The diffraction efficiency calculation of a scalar computation, the grating height is not included in the parameters. 位相が各格子のつなぎ目でスムーズに切り替わることを前提としているからである。 Phase because it is assumed that switching to smooth joint of each grid. しかし、実際にはこの部分に位相乱れが存在する。 However, in practice there is a phase disturbance in this part. そのため、波長に対して格子ピッチが十分に大きい場合にのみ、回折効率のスカラー計算が成り立つ。 Therefore, only when the grating pitch is sufficiently large relative to the wavelength, it holds scalar calculation of the diffraction efficiency. そして、格子ピッチが小さくなると、単位面積当たりのレリーフパターンの崖部分の数が増えるため、この崖部分による電磁場の乱れの比率が大きくなる。 When the grating pitch becomes smaller, the number of cliff portion of the relief pattern per unit area is increased, the ratio of the electromagnetic field disturbance due to the cliff portion increases. この電磁場の乱れが無視できない大きさになると、回折効率が100%を下回ることとなる。 If disturbance of the electromagnetic field is too large to be ignored, the diffraction efficiency is that below 100%. 格子ピッチが10μm程度と小さい場合に回折効率の最大値が90%程度になってしまうのは、レリーフパターンの崖部分の位相乱れが大きく影響していると考えられる。 The maximum value of the diffraction efficiency when the grating pitch is as small as about 10μm becomes about 90% is considered a phase disturbance cliff portion of the relief pattern is greatly affected.

一方、本実施形態では、電磁場の乱れの発生箇所であるレリーフパターンの崖部分に、導波路12を設けることで、崖面11bのすぐ外側を通過する光を導波路12内に閉じこめる。 On the other hand, in this embodiment, the cliff portion of the relief pattern is a generation part of the electromagnetic field disturbance, by providing the waveguide 12, confine the light passing through just outside the Gakemen 11b in the waveguide 12. そうすると、導波路12内に閉じこめられた光は、レリーフパターンの凸条部内を傾斜面11aに向かって進行する光とともにほぼ同じ位相で進行し、導波路12の先端からほぼ球面波として出力される。 Then, trapped light in the waveguide 12, and output the ridge portion of the relief pattern against the inclined surface 11a proceeds in substantially the same phase with the light traveling as a substantially spherical wave from the tip of the waveguide 12 . これにより、レリーフパターンのエッジ部において、このエッジ部の左右の位相を滑らかに接続することができる。 Thus, in the edge portions of the relief pattern, the left and right phase of the edge portion can be smoothly connected. その結果、回折効率を向上させることができるものと考えられる。 As a result, it is considered that it is possible to improve the diffraction efficiency.

また、図2のグラフから、屈折率差Δnが大きいほど高い回折効率が得られる一方で、1次回折効率のピーク幅が狭くなっており、導波路12の幅W1が少しずれただけで1次回折効率が大きく変化する。 Further, from the graph of FIG. 2, while the high diffraction efficiency greater the refractive index difference Δn is obtained, only have peak widths of the first-order diffraction efficiency is narrowed, the width W1 of the waveguide 12 is shifted a little 1 the following diffraction efficiency is greatly changed. そして、実際の加工を考えた場合には、導波路12の幅W1を精密にコントロールするのが難しい場合もある。 When considering the actual machining it may also be difficult to precisely control the width W1 of the waveguide 12. このような場合には、屈折率差Δnを小さめにとることで、導波路12の幅W1に誤差が生じても1次回折効率が急激に変化(低下)しないようにすることができる。 In such a case, by taking the smaller the refractive index difference [Delta] n, even if an error occurs in the width W1 of the waveguide 12 is the first-order diffraction efficiency can be prevented from being abruptly changed (reduced). 例えば図2に示すように屈折率差Δnを0.1とすれば、屈折率差Δnが0.2である場合と比べ、回折効率の変化がピーク値から−0.5%以内の範囲での幅W1の許容範囲が2倍程度となる。 For example if 0.1 refractive index difference Δn as shown in FIG. 2, compared with the case where the refractive index difference Δn is 0.2, the range change is within -0.5% from the peak value of the diffraction efficiency tolerance of the width W1 is about 2 times. 一方、導波路12の幅W1を十分な精度で制御できる場合には、屈折率差Δnを大きくすることで非常に高い回折効率を得ることができる。 On the other hand, when the width W1 of the waveguide 12 can be controlled with sufficient accuracy, it is possible to obtain very high diffraction efficiency by increasing the refractive index difference [Delta] n.

(第2の実施形態) (Second Embodiment)
次に、本発明の第2の態様に係る光学素子の実施の形態について、図3から図7を参照しつつ説明する。 Next, an embodiment of an optical element according to the second aspect of the present invention will be described with reference to FIGS. 3-7.
図3は、本実施形態の光学素子を示す断面図である。 Figure 3 is a cross-sectional view showing an optical element of the present embodiment.
図3に示す光学素子20は、密着複層型DOEである。 Optical element 20 shown in FIG. 3 is a bonded multi-layer DOE. 光学素子20は、一方の主面(図示上面)が断面鋸歯状のレリーフパターンを有する格子界面11である光学部材20Aと、光学部材20Aの格子界面11に密着して形成された第2の光学部材20Bと、を有する。 The optical element 20 has one main surface and the optical member 20A (shown upper surface) is lattice interface 11 having a cross section sawtooth relief pattern, a second optical that are formed in close adherence to the grid interface 11 of the optical member 20A has a member 20B, the. 格子界面11には、入射光Lの光軸方向に対して傾斜して形成された複数の傾斜面11aと、これら傾斜面11aとともに断面三角形状の凸条を複数形成し入射光Lの光軸方向とほぼ平行な面として形成された複数の崖面11bとが形成されている。 Grid interface 11 includes a plurality of inclined surfaces 11a which are formed inclined with respect to the optical axis of the incident light L, the optical axis of the incident light L to form a plurality of triangular cross section ridges with the inclined surface 11a a plurality of cliff surface 11b formed as a plane substantially parallel to the direction is formed. これらの傾斜面11aと崖面11bとが交互に配置されることで、上記レリーフパターンを形成している。 By the these inclined surfaces 11a and Gakemen 11b are alternately arranged to form the relief pattern. そして、崖面11bに、入射光Lの光軸に沿った方向のどの位置でも一様な幅(厚さ)を有する導波路12が形成されている。 And Gakemen 11b, waveguide 12 having any position uniform in width in the direction along the optical axis of the incident light L (thickness) is formed.

密着複層型DOEにおいても、RCWA法を用いたベクトル計算を行うと、レリーフパターンの崖部分において電磁場の乱れが観測される。 Also in contact multilayered DOE, when performing vector calculation using the RCWA method, the disturbance of the electromagnetic field is observed at the cliff portion of the relief pattern. そのため、第1の光学部材20Aの屈折率n1と、第2の光学部材20Bの屈折率n2とを最適化しても、例えば格子ピッチ20μm、格子高さ25μmのときに、1次回折効率は90%に達しない程度が最大となる。 Therefore, the refractive index n1 of the first optical member 20A, be optimized and the refractive index n2 of the second optical member 20B, for example, the grating pitch 20 [mu] m, when the grating height 25 [mu] m, 1-order diffraction efficiency is 90 % degree does not reach is maximized.
なお、スカラー計算では波長を最適化したときの回折効率は100%となる。 The diffraction efficiency is 100% when the optimizing wavelength in scalar calculation. これは、スカラー計算では格子高さがパラメータに含まれないためである。 This is a scalar computation is because the grating height is not included in the parameter. しかし、格子高さを小さくすることで電磁場の乱れを小さくしようとすると、第1の光学部材20Aを構成する光学材料と第2の光学部材20Bを構成する光学材料とを、屈折率分散の極めて良好な組み合わせとする必要がある。 However, in order to reduce the disturbance of the electromagnetic field by reducing the grating height, and an optical material forming the optical material and second optical member 20B constituting the first optical member 20A, very refractive index dispersion there needs to be a good combination. また、格子高さが小さくなると高さばらつきの影響が大きくなり、製造誤差により回折効率が大きく変動してしまうことも懸念される。 Further, the influence of the height variation when the grating height is reduced is increased, is also a concern that the diffraction efficiency due to a manufacturing error fluctuates greatly. これに対して、本実施形態の光学素子20は、導波路12の作用により、格子高さH2を過度に小さくすることなく従来の光学素子よりも高い回折効率を得られるようにしている。 In contrast, the optical element 20 of this embodiment, by the action of the waveguide 12, and thus obtain a high diffraction efficiency than conventional optical elements without reducing the grating height H2 excessively.

以下では、光学素子20について、ガラス素材を用いて構成した場合における導波路12の構成(幅W2、屈折率ng)と回折効率の関係について検証した。 In the following, the optical element 20, the configuration of the waveguide 12 in the case of configuring with a glass material (the width W2, the refractive index ng) was verified the relationship between the diffraction efficiency.

光学素子20について、下記の表1に示す材料により構成した。 An optical element 20, constructed in accordance with the materials shown in Table 1 below.

表1に示すN−SF2(商品名)は低屈折率高分散材であり、N−BAF10(商品名)は高屈折率低分散材である。 N-SF2 (trade name) as shown in Table 1 is a low refractive index and high dispersion material, N-BAF10 (trade name) is a high refractive index and low dispersion material. 回折効率を計算するための各波長の屈折率は、Schott社から開示されている分散式の定数を用い、下記のセルマイヤーの分散式を用いて算出した。 Refractive index of each wavelength to calculate the diffraction efficiency using the dispersion equation constants disclosed from Schott Corporation, was calculated using the dispersion formula Sellmeier below. 表1に記載した波長0.62μmにおける屈折率は下式により算出した。 Refractive index at a wavelength of 0.62μm described in Table 1 was calculated by the following equation.
n 2 (λ)-1={B 1 λ 2 /(λ 2 -C 1 )}+{B 2 λ 2 /(λ 2 -C 2 )}+{B 3 λ 2 /(λ 2 -C 3 )} n 2 (λ) -1 = { B 1 λ 2 / (λ 2 -C 1)} + {B 2 λ 2 / (λ 2 -C 2)} + {B 3 λ 2 / (λ 2 -C 3 )}

また光学素子20の格子ピッチP2は20μmとした。 The grating pitch P2 of the optical element 20 was set to 20 [mu] m.
格子高さH2は波長0.62μmで最適化した値とした。 Grating height H2 was optimized values ​​at a wavelength of 0.62 .mu.m. すなわち、第1の光学部材20Aを構成する光学材料(N−SF2)と、第2の光学部材20Bを構成する光学材料(N−BAF10)との波長0.62μmにおける屈折率差Δn 620から、波長0.62μmでのブレーズ条件に一致する高さを算出して用いた。 That is, the first optical material constituting an optical member 20A (N-SF2), the refractive index difference [Delta] n 620 at the wavelength 0.62μm and optical materials (N-BAF10) constituting the second optical member 20B, It was used to calculate the height that matches the blaze condition at the wavelength 0.62 .mu.m. 以下に計算式を示す。 The following shows the calculation formula.
Δn 620 =1.66785−1.64481=0.02304 Δn 620 = 1.66785-1.64481 = 0.02304
H2=λ/Δn 620 =26.9095(μm) H2 = λ / Δn 620 = 26.9095 (μm)
なお、導波路12を構成する光学材料(N−LAK12)と第2の光学部材20Bを構成する光学材料(N−BAF10)との屈折率差Δnは、1.67600−1.66785=0.00815である。 The refractive index difference Δn between the optical material (N-BAF10) constituting optical materials and (N-LAK12) a second optical member 20B constituting the waveguide 12, 1.67600-1.66785 = 0. it is 00,815.

ここで図11は、第1の光学部材2000Aの格子界面11に第2の光学部材2000Bが密着形成された密着複層型DOEを示す図である。 Here, FIG. 11 is a diagram showing a second optical member 2000B is bonded multilayer DOE which formed in close contact grid interface 11 of the first optical member 2000A.
比較のために、図11に示す従来の光学素子2000について、導波路12を設けない以外は同様とした条件を設定した。 For comparison, a conventional optical element 2000 shown in FIG. 11, except without the waveguide 12 was set the conditions were the same. 具体的に、格子ピッチ20μm、格子高さ26.9095μm、第1の光学部材20Aを構成する光学材料をN−SF2(屈折率1.64481)、第2の光学部材20Bを構成する光学材料をN−BAF10(屈折率1.66785)とした。 Specifically, the grating pitch 20 [mu] m, the grating height 26.9095Myuemu, the optical material forming the first optical member 20A N-SF2 (refractive index 1.64481), the optical material forming the second optical member 20B It was N-BAF10 (refractive index 1.66785).

以上の条件のもと、入射光をTE平面波(波長0.62μm)、入射光の波長域を可視光域(0.42〜0.75μm)としてRCWA法による計算を行った。 Under the above conditions, the incident light TE plane wave (wavelength 0.62 .mu.m), was calculated by the RCWA method the wavelength range of the incident light, a visible light region (0.42~0.75μm).
なお、本実施形態においても、簡単のために、入射光Lが第1の光学部材20A(2000A)から格子界面11を通過して第1の光学部材20B(2000B)に入射するときの第2の光学部材20B(2000B)内部での回折効率を計算した。 Also in this embodiment, for simplicity, first when the incident light L is incident on the first optical member 20B through the grating surface 11 from the first optical member 20A (2000A) (2000B) 2 of the optical member 20B (2000B) were calculated diffraction efficiency inside. 実際の回折効率の計算には、第1の光学部材20A(2000A)の外側から第1の光学部材20A(2000A)内へ入射する光線、及び第2の光学部材20B(2000B)から外部へ射出される光線を考慮する必要があるが、導波路12の構成を変化させたときの回折効率の比較には全く影響しないため、ここでは割愛した。 The calculation of the actual diffraction efficiency, exit ray incident from the outside of the first optical member 20A (2000A) to the first optical member 20A (2000A) within, and the second optical member 20B (2000B) to the outside it is necessary to consider the rays of light, because it does not at all affect the comparison of the diffraction efficiency when changing the configuration of the waveguide 12, and omitted here.

図4は、計算により得られた導波路12の幅W2と1次回折効率との関係を示すグラフである。 Figure 4 is a graph showing the relationship between the width W2 of the resulting waveguide 12 and the first-order diffraction efficiency calculation.
図4に示すように、導波路幅W2が1.175μm(図示の交点Q)未満の範囲において、本実施形態の光学素子20は、従来の光学素子2000の1次回折効率(導波路幅W2=0μmの位置)よりも高い回折効率を得ることができる。 As shown in FIG. 4, in the range of less than the waveguide width W2 is 1.175Myuemu (intersection illustrated Q), the optical element 20 of this embodiment, a conventional first-order diffraction efficiency of the optical element 2000 (waveguide width W2 = position of 0 .mu.m) it is possible to obtain high diffraction efficiency than. また、導波路幅W2=0.07μmのときに最大の回折効率(約95.5%)が得られている。 The maximum diffraction efficiency when the waveguide width W2 = 0.07 .mu.m (about 95.5%) is obtained.

次に、図5は、入射光Lの波長と1次回折効率との関係を示すグラフである。 Next, FIG. 5 is a graph showing the relationship between the wavelength and the first-order diffraction efficiency of the incident light L.
図5に示すように、導波路幅W2が0.2μm〜0.8μmの範囲において、計算した全ての波長域で従来の光学素子2000の回折効率(図中点線で示すW2=0μmの条件)を上回る回折効率が得られている。 As shown in FIG. 5, in the range waveguide width W2 is 0.2Myuemu~0.8Myuemu, the diffraction efficiency of the conventional optical element 2000 in all wavelength regions, calculated (condition W2 = 0 .mu.m shown by dotted line in the figure) It has been obtained diffraction efficiency in excess of. 特に、導波路幅W2が0.6μm〜0.8μmの範囲では、全ての波長域で安定して従来の光学素子2000の回折効率を上回っている。 In particular, the waveguide width W2 is in the range of 0.6Myuemu~0.8Myuemu, it exceeds the steady conventional diffraction efficiency of the optical element 2000 in all wavelengths.

次に、図6は、導波路幅W2を0.8μmに固定し、導波路12と第2の光学部材20Bとの屈折率差Δnを0〜0.1の範囲で変化させたときの1次回折効率の変化を、TE平面波についてRCWA法により計算した結果を示すグラフである。 Next, FIG. 6, 1 when the waveguide width W2 is fixed to 0.8 [mu] m, the waveguide 12 and the refractive index difference Δn between the second optical member 20B is varied in the range of 0 to 0.1 the change in the following diffraction efficiency is a graph showing the result of calculation by the RCWA for TE plane wave.
図6に示すように、導波路幅W2を0.8μmで固定し、導波路12の屈折率を第2の光学部材20Bの屈折率よりも少しずつ大きくすると、まず、屈折率差Δnが0.008付近の位置M1で1次回折効率が極大値をとっている。 As shown in FIG. 6, the waveguide width W2 were fixed with 0.8 [mu] m, the refractive index of the waveguide 12 by increasing gradually than the refractive index of the second optical member 20B, first, the refractive index difference Δn is 0 position M1 in the first-order diffraction efficiency in the vicinity of .008 is taking a maximum value. さらに導波路12の屈折率を大きくすると、1次回折効率が急激に低下する。 Further increasing the refractive index of the waveguide 12, the first-order diffraction efficiency is rapidly lowered. これは、導波路12内を進む光の位相が導波路12の外側を進む光の位相とずれてしまうために、導波路12の先端(レリーフパターンのエッジ部)において電磁場の乱れが生じるからであると考えられる。 In this, in order to the phase of the light traveling within the waveguide 12 is shifted with the phase of the light traveling outside the waveguide 12, since the disturbance of the electromagnetic field is generated at the tip of the waveguide 12 (the edge portions of the relief pattern) It is believed that there is. しかし、屈折率差Δnをさらに大きくすると、屈折率差Δnが0.025を超える辺りで1次回折効率は上昇に転じ、Δnが0.04付近である位置M2において再度極大値をとっている。 However, further increasing the refractive index difference [Delta] n, 1-order diffraction efficiency around a refractive index difference [Delta] n is more than 0.025 turned upward, [Delta] n is taking again the maximum value at a position M2 is around 0.04 . 位置M2における1次回折効率も従来の光学素子2000の回折効率を上回っている。 1-order diffraction efficiency in the position M2 even exceeds the conventional diffraction efficiency of the optical element 2000. これは、1つめの極大値の位置M1から位相がちょうど2πずれたために、導波路12内を進行する光の位相と導波路12の外側を進行する光の位相が揃ったためである。 This is because the phase of one pawl position M1 of the local maximum is shifted just 2 [pi, is because the phase of light traveling through the outer phase and the waveguide 12 of the light traveling through the waveguide 12 are aligned.

ここで、図7は、図6に示した計算結果を、横軸を位相ズレ量に変換してプロットしたグラフである。 Here, FIG. 7, the calculation results shown in FIG. 6 is a graph plotting by converting the horizontal axis the phase shift amount. 位相ズレ量とは、導波路12中を進行する光と第2の光学部材20Bを進行する光との間に生じる位相差を意味する。 The phase shift amount, means a phase difference generated between the light traveling light and second optical member 20B traveling through the waveguide 12 medium. 位相ズレ量が0の位置は、導波路12の有効屈折率が第2の光学部材20Bの屈折率に一致し、スラブ型導波路の基本モードが成立する場合であって、図6におけるM1の点に相当する。 Position of the phase shift amount is 0, the effective refractive index of the waveguide 12 matches the refractive index of the second optical member 20B, in a case where the fundamental mode of the slab waveguide is established, the M1 in FIG. 6 It corresponds to the point. そして、図7に示す1次回折効率のピークは、2πずつずれていることから、位相が2π×N(N:自然数)ずつずれていても導波路12の条件としては許容されることが分かる。 Then, the peak of the first-order diffraction efficiency shown in FIG. 7, since it is shifted by 2 [pi, phase 2 [pi × N: seen to be tolerated on the condition for the waveguide 12 be shifted (N is a natural number) one by . また、回折効率が極大値をとる位置からの位相ズレ量についても、±0.25π〜±0.4π程度は許容される。 As for the phase shift amount from a position where the diffraction efficiency takes a maximum value, ± 0.25π~ ± 0.4π about is permitted.

以上の第2実施形態の光学素子においても、従来の密着複層型DOEに対して高い回折効率が得られるのは、先の第1実施形態と同様の理由によると考えられる。 Also in the optical element of the second embodiment described above, the high diffraction efficiency over conventional contact multilayered DOE is obtained is thought to be due to the same reason as the first embodiment previously. すなわち、レリーフパターンの崖部分に形成された導波路12によって崖部分近傍の光を閉じこめ、導波路12の先端からほぼ球面波として射出させることで、レリーフパターンのエッジ部において位相を滑らかに接続させることができる。 That is, confinement of light in the cliff portion near the waveguide 12 formed on the cliff portion of the relief pattern, by injection as substantially spherical wave from the tip of the waveguide 12, to smoothly connect the phase at edges of the relief pattern be able to. その結果、回折効率を向上させることができると考えられる。 As a result, it is considered that it is possible to improve the diffraction efficiency.

[変形例] [Modification]
図8A及び8Bは、本実施形態の光学素子20の変形例を示す図である。 8A and 8B are views showing a modification of the optical device 20 of the present embodiment. 図8Aは第1変形例、図8Bは第2変形例に対応する。 8A is a first modification, FIG. 8B corresponds to the second modification.
図8A及び8Bに示す光学素子201及び光学素子202は、いずれも、第1の光学部材20Aの格子界面11を覆って形成された高屈折率層121を有している。 Optical element 201 and optical element 202 shown in FIGS. 8A and 8B, both have a high refractive index layer 121 formed over the grating surface 11 of the first optical member 20A. 高屈折率層121は、上記実施形態の光学素子20における導波路12と同様、第1の光学部材20A及び第2の光学部材20Bのいずれよりも高い屈折率を有する光学材料を用いて形成されている。 High refractive index layer 121, similar to the waveguide 12 in the optical element 20 of the above embodiments, formed using an optical material having a refractive index higher than any of the first optical member 20A and the second optical member 20B ing.

光学素子201と光学素子202との違いは、格子界面11の構成のみであり、光学素子201がこの光学素子201に垂直に入射する光Lに対して用いられるものであるのに対して、光学素子202は、この光学素子202に対して斜め方向から入射する光Lに対して用いられる。 The difference between the optical element 201 and the optical element 202 is only construction of the grating surface 11, whereas the one in which the optical element 201 is used to light L incident perpendicularly to the optical element 201, optical element 202 is used for the light L incident on the optical element 202 from an oblique direction. そのため、光学素子202では、格子界面11の崖面11bが、光学素子202における水平面202aの法線方向(図示上下方向)に対して交差する傾斜面として形成されている。 Therefore, in the optical element 202, a cliff surface 11b of the grid interface 11 is formed as an inclined surface intersecting with respect to the normal direction of the horizontal plane 202a of the optical element 202 (shown vertically). ただし、光学素子202における入射光Lと崖面11bとの関係は、光学素子201と同様であり、崖面11bは入射光Lの光軸に対してほぼ平行に形成されている。 However, the relation between the incident light L and Gakemen 11b in the optical element 202 is similar to the optical element 201, Gakemen 11b is formed substantially parallel to the optical axis of the incident light L.

変形例に係る光学素子201、202においても、高屈折率層121が崖面11b上に形成されていることで、先の実施形態と同様に、回折効率を高め、フレア光を低減する効果を得ることができる。 Also in the optical elements 201 and 202 according to the modification, the high refractive index layer 121 is formed on Gakemen 11b, as in the previous embodiments, increase the diffraction efficiency, the effect of reducing the flare light it is possible to obtain. なお、変形例に係る光学素子201、202では、崖面11bのみならず、格子界面11の全体が高屈折率層121に覆われているが、高屈折率層121のうち、傾斜面11a上に形成された部分は、光学素子201、202の光学特性に影響しない。 In the optical element 201 and 202 according to a modification, not Gakemen 11b only, the entire grid surface 11 is covered with the high refractive index layer 121, of the high refractive index layer 121, the inclined surface 11a on portion formed does not affect the optical properties of the optical elements 201 and 202. これは、この部分が高屈折率層121を透過する光に対して一様な位相差を与えるだけであるから、光学素子全体で見たときには、変化がないのと同じになるためである。 This is because this portion is only gives a uniform phase difference to the light transmitted through the high refractive index layer 121, when viewed in the entire optical element is to be the same as no change.

なお、光学素子201及び202において光学部材20Bを空気層とした素子も構成可能であるが、この場合、高屈折率層121と空気層の間の屈折率差は光学部材20Aと空気層の間の屈折率差よりも大きいため、傾斜面11a上に高屈折率層121が形成されることによる反射損失の増大を生じうる。 Although the optical member 20B in the optical element 201 and 202 is also possible components that an air layer, during this case, the refractive index difference between the high refractive index layer 121 and the air layer optical member 20A and the air layer larger than the refractive index difference can result in an increase in return loss due to the high refractive index layer 121 is formed on the inclined surface 11a. かかる反射損失を低減するためには、傾斜面11a上の高屈折率層121の屈折率及び膜厚を考慮して、適切な反射防止膜を設ければ良い。 To reduce such reflection losses, taking into account the refractive index and thickness of the high refractive index layer 121 on the inclined surface 11a, it may be provided an appropriate anti-reflection film. また、反射防止膜を設ける代わりに、傾斜面11a上の高屈折率層121の膜厚tを、反射防止条件、すなわち、t=Mλ/2ng (M=1,2,...)を満たすように形成しても良い。 Further, instead of providing the anti-reflection film, satisfies the thickness t of the high refractive index layer 121 on the inclined surface 11a, the anti-reflection condition, i.e., t = m [lambda / 2 ng of (M = 1,2, ...) it may be formed so.

また、上記実施の形態では、基材がガラス材料である場合について説明したが、上記実施形態及び変形例の構成は、国際公開第WO2006/068137号公報に開示されているような、2種類の樹脂からなる密着複層型DOEにも適用することができる。 Further, in the above-described embodiment, the substrate has been described is a glass material, the configuration of the above embodiment and modification, as disclosed in International Publication No. WO2006 / 068 137, 2 kinds of it can be applied to contact multilayered DOE made of resin.

また、上記導波路を形成することによる作用効果及び導波路の条件は、以下に詳細を示すように、理論的にも説明することができる。 The condition of the operational effects and waveguide by forming the waveguide, as detailed below, can also be explained theoretically.

図3に示した光学素子20において、波長λ、ブレーズ格子の入射側媒質(媒質1;第1の光学部材20A)の屈折率n 、射出側媒質(媒質2;第2の光学部材20B)の屈折率n 、格子深さH(崖面11bの高さ)とする。 In the optical element 20 shown in FIG. 3, the wavelength lambda, the incident-side medium of the blaze grating; refractive index n 1 of the (medium 1 first optical member 20A), the exit side medium (medium 2; the second optical member 20B) refractive index n 2 of the grating depth H (height Gakemen 11b). 格子側面に付加した高屈折率部材(導波路12)の屈折率ng、幅をWgとする。 Refractive index ng of the high refractive index member which is attached to the grid side (waveguide 12), the width Wg. 理想的なブレーズ格子は格子透過後に格子で分断された波面がうまく接合され、そのため特定の方向にエネルギーが集中して回折される。 The ideal blazed grating wavefront is divided by the grid is well bonded after grid transmission, therefore energy in a particular direction is diffracted concentrated. この条件は良く知られるように、下記式(1)で示される。 As this condition is well known, the following formula (1).

ところで、実際のブレーズ格子では、波面伝播時に、格子側面の左右で屈折率が異なるために波面が乱れる。 Incidentally, in the actual blaze grating, at the time of wavefront propagation wavefront is disturbed in the refractive index in the left and right grid side are different. これは格子側面で散乱され、波面が拡がってしまうため、とも解釈できる。 This is scattered by the grating side surface, since the wavefront will spread can Tomo interpretation. その結果、格子透過後に波面がうまくつながらず、理想的なブレーズ格子から予測される値よりも回折効率が低下してしまう。 As a result, the wavefront is not connected successfully after grid transmission, diffraction efficiency drops than the value predicted from the ideal blazed grating. ブレーズ格子の側面に高屈折率部材を付加し、この導波路構造により光を閉じ込める事で散乱による波面乱れを抑え、回折効率の低下を抑制する事が可能となる。 Adding a high refractive index member in the side surface of the blaze grating, suppressing wavefront disturbance due to scattering by confining the light by the waveguide structure, it is possible to suppress a decrease in diffraction efficiency. このために必要な光の閉じ込め条件を考える。 Given the light confinement conditions necessary for this purpose. 一般的な非対称スラブ型導波路について、光を導波路内に閉じ込めるための条件は、TEモードについて下記条件式(2)及び(3)で、TMモードについて下記条件式(4)及び(5)で示されている(下記文献参照)。 For general asymmetric slab type waveguide, the conditions for confining light within the waveguide, the TE mode by the following conditional expression (2) and (3), the TM mode the following conditional expression (4) and (5) in shown (see the following reference).
(文献) A.Yariv Quantum Electronics, 2nd ed. P512 (Literature) A.Yariv Quantum Electronics, 2nd ed. P512

ここに、n effは格子側面の高屈折率部材(導波路)の有効屈折率に相当する。 Here, n eff corresponds to the effective refractive index of the high refractive index member of the grating side (waveguide). この式のWよりも導波路幅Wgを広くしてやれば、光を閉じ込めることが可能である。 If Shiteyare wide waveguide width Wg than W in this equation, it is possible to confine light. すなわち、本発明の態様の導波路幅Wgは、TE波とTM波のそれぞれについて式(6)及び式(7)によって表される。 That is, the waveguide width Wg aspect of the present invention, for each of the TE and TM waves are represented by the formula (6) and (7).

また、部分偏光の光を含む一般の光に関しては、偏光成分のうちTE成分の強度割合をα、TM成分の強度割合をβ、非偏光成分の強度割合を1−α−β(ただしα+β≦1)とし、下記式(8)及び式(9)により導波路厚Wgを求めればよい。 With respect to general light including light of partial polarization, the intensity ratio of the TE component of the polarization component alpha, the intensity ratio of the TM component beta, the intensity ratio of the non-polarized light component 1-α-β (although alpha + beta ≦ 1), and it may be determined to guide NamijiAtsu Wg by the following equation (8) and (9). 式(8)は、Wgに対するTE成分の寄与がαW TE 、TM成分の寄与がβW TM 、非偏光成分の寄与が{(W TE +W TM )/2}×(1−α−β)であることから導かれる。 Equation (8), the contribution of TE component to Wg of ArufaW TE, the contribution of the TM component BetaW TM, with the contribution of the non-polarized light component {(W TE + W TM) / 2} × (1-α-β) It is derived from the fact that there is.

なお、高屈折率部材はブレーズの効果を持たないので、導波路幅Wgは大きければ大きいほど効率の損失をもたらす。 Since the high refractive index member no effect blaze, waveguide width Wg results in loss of efficiency larger. したがって効率の観点からは閉じ込め条件を満足する範囲でWgはなるべく小さいほうが良く、式(6)、(7)、(9)においてWgが最も小さい条件、すなわち各式で等号が成立する条件において効率が最も高くなる。 Thus, in a range satisfying the conditions confinement in terms of efficiency Wg may be better as small as possible, the formula (6), (7), Wg is the smallest condition (9), i.e. in the condition that equality is satisfied in the formula efficiency is highest.

次に、導波路の波面と媒質1、媒質2を透過する波面の位相がほぼ揃う条件、いわゆる位相整合条件を検討する。 Next, the wavefront and the medium 1 in the waveguide, the phase of the wavefront passing through the medium 2 to consider substantially aligned condition, so-called phase-matching condition.
TE波に関して位相が揃う条件は、式(2)及び(3)を連立させて解いて得られる有効屈折率n eff,TEを用い、Hを格子高さ、nをn ,n の大きい方であるとして、下記式(10)で表すことができる。 Conditions the phase with respect to TE waves are aligned, the using Equation (2) and (3) is simultaneous with and solved effective refractive index n eff obtained, TE, H the grating height, larger of n 1, n 2 n as is better, it can be represented by the following formula (10). また、TM波に関する位相整合条件は同様に式(11)で表される。 Moreover, the phase matching condition relating TM wave is similarly represented by the formula (11).

実際には位相差が2πN±0.2πの範囲内で位相整合すれば効率向上の効果が認められるので、TE波及びTM波に関する本発明の態様の位相整合条件は、それぞれ下記式(12)〜(13)で表される。 Actually, since the phase difference is the effect of efficiency improvement if phase matching is observed in the range of 2πN ± 0.2π, the phase matching condition aspect of the present invention relates to TE waves and TM waves, the following formulas (12) represented by - (13).

一方、部分偏光を含む一般の光に関する本発明の態様の位相整合条件は、上記の議論に基づいて、式(8)と同様に式(14)により表される。 On the other hand, the phase matching condition aspect of the present invention relates to an optical general including partially polarized light, based on the above discussion, is represented by the same manner as Equation (8) Equation (14).

上記各式は、図6、図7のグラフにより検証される。 Above formulas is 6, is verified by the graph in FIG. 図6に示すピークM1,M2,M3らは、(9)式に示されるように位相がN周期ずれている。 Peak M1, M2, M3, et al shown in Figure 6 is out of phase with N periods as shown in equation (9). N=0、即ちn eff −n=0は、導波路基本モードのみが成立する状態であるが、このとき導波路を進む光と屈折率nの部材内を進む光が最も位相乱れの少ない状態となる。 N = 0, i.e., n eff -n = 0, only the waveguide fundamental mode is a state which satisfies less conditions of this time the light most phase disturbance light traveling within member of the refractive index n traveling through waveguide to become. そのため、ピークM1は最も高い1次回折効率を示している。 Therefore, peak M1 represents the highest first-order diffraction efficiency.

また、各ピークはピンポイントではなく幅をもっている。 Further, each peak has a width not pinpoint. 図6では、横軸0,2(N=0、1)の時を中心に、およそ±1/8周期分の幅でディフォルト効率値(高屈折部材を設けない場合の効率値)を越えている。 6, around the time of the horizontal axis 0, 2 (N = 0, 1), beyond the default efficiency value at approximately ± 1/8 cycle width (efficiency value of the case without the high refractive member) there. したがって、N=0及び1の場合には、それぞれ2π(N±0.125)の範囲内で位相整合させることがより好ましい。 Therefore, in the case of N = 0 and 1, it is more preferable to phase matching within each 2π (N ± 0.125).

以上説明の各実施の形態によれば、エッジ部における透過光の位相乱れを抑制でき、フレア光が低減された光学素子を提供することができる。 According to the embodiments of the description above, it is possible to suppress phase disturbance of the transmitted light at the edges, it is possible to provide an optical element which flare light is reduced.
なお、各実施の形態で説明した光学素子は、投影装置(ステッパー、液晶プロジェクタ等)の光学系、撮影装置(カメラ等)の光学系、及び観察装置(顕微鏡、双眼鏡等)の光学系に用いることができ、いずれの光学系においてもフレア光を低減する効果を得ることができる。 The optical element described in the embodiments are used in the optical system of the projection device (stepper, a liquid crystal projector or the like) an optical system, imaging device optical system (camera), and the observation device (the microscope, binoculars, etc.) it is possible, it is possible to obtain the effect of reducing the flare light in any optical system.

本発明によれば、フレア光が低減された光学素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide an optical element which flare light is reduced.

10,20 光学素子 10A 光学部材 11 格子界面 11a 傾斜面 11b 崖面 12 導波路 20A 第1の光学部材 20B 第2の光学部材 10, 20 optical element 10A optical member 11 grating surface 11a inclined surface 11b Gakemen 12 waveguide 20A first optical member 20B second optical member

本発明の第1の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備える。 Optical element according to the first aspect of the present invention comprises an optical member having a grid interface relief pattern is formed. 前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。 Wherein among surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of the optical element, a waveguide consisting of optical material having high refractive index than the optical member is formed.

また、本発明の第2の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する第1の光学部材と、前記第1の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第2の光学部材と、を備える。 The optical element according to the second aspect of the present invention includes a first optical member having a grid interface relief pattern is formed, are laminated in close contact or in proximity to the said grid interface of the first optical member comprising a second optical member, the. そして、前記レリーフパターンの構成する面のうち、この光学素子の光軸に略平行である崖面に、前記第1の光学部材及び前記第2の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。 Then, among the surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of the optical element, made of an optical material having a high refractive index than the first optical member and the second optical member waveguide is formed.

Claims (7)

  1. レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備えた光学素子であって、 An optical element comprising an optical element having a grating interface relief pattern is formed,
    前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されていることを特徴とする光学素子。 Wherein among surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of the optical element, wherein the waveguide consisting of optical material having high refractive index than the optical member is formed the optical element.
  2. レリーフパターンが形成された格子界面を有する第1の光学部材と、前記第1の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第2の光学部材と、を備えた光学素子であって、 There the first optical member, an optical element and a second optical member that is laminated in close contact or in proximity to the said grid interface of the first optical member having a grid interface relief pattern is formed Te,
    前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記第1の光学部材及び前記第2の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されていることを特徴とする光学素子。 Wherein among surfaces constituting the relief pattern, the cliff surface is substantially parallel to the optical axis of the optical element, the waveguide consisting of said first optical member and an optical material having a high refractive index than the second optical member optical element characterized by There are formed.
  3. 前記導波路を構成する光学材料からなる高屈折率層が、前記格子界面を覆って形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。 The high refractive index layer made of a material constituting the waveguide, the optical element according to claim 1 or 2, characterized in that it is formed to cover the grating surface.
  4. 前記導波路の幅WgがWg≧Wであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学素子。 The optical element according to claim 1 or 2, characterized in that the width Wg of the waveguide is Wg ≧ W.
    ただし、前記Wは下記式(E1)により定義される値である。 However, the W is a value defined by the following equation (E1).
    ここで、W TE及びW TMは、前記格子界面を構成する媒質の屈折率をn 及びn 、導波路を構成する光学材料の屈折率をng、使用波長をλとしたときに、下記式(E2)〜(E5)により定義される値であり、式(E3)及び(E5)におけるn eff,TE及びn eff,TMは、前記導波路のTE成分及びTM成分に関する有効屈折率であり、α及びβは、それぞれ、前記波長λの光のTE成分及びTM成分の強度割合(ただしα+β≦1)である。 Here, W TE and W TM is the refractive index of the medium constituting the grating surface n 1 and n 2, ng the refractive index of the optical material constituting the waveguide, when the use wavelength is lambda, the following is a value defined by the formula (E2) ~ (E5), n eff in the equation (E3) and (E5), TE and n eff, TM is the effective refractive index regarding TE component and TM component of the waveguide There, the alpha and beta, respectively, the intensity ratio of the TE component and TM component of the light having the wavelength lambda (provided that α + β ≦ 1).
  5. 請求項1又は2に記載の光学素子を備えた光学系であって、 An optical system having an optical element according to claim 1 or 2,
    前記光学素子に入射する光の波長がλ、前記光のTE成分とTM成分の強度割合がそれぞれα及びβ(ただしα+β≦1)であり、 Wherein the wavelength of light is λ incident on the optical element, the intensity ratio of the TE and TM components of the light are each alpha and beta (but α + β ≦ 1),
    前記光学素子の導波路の幅WgがWg≧Wであることを特徴とする光学系。 Optical system, wherein the width Wg of the waveguide of the optical element is a Wg ≧ W.
    ただし、前記Wは下記式(E1)により定義される値である。 However, the W is a value defined by the following equation (E1).
    ここで、W TE及びW TMは、前記格子界面を構成する媒質の屈折率をn 及びn 、導波路を構成する光学材料の屈折率をngとしたときに、下記式(E2)〜(E5)により定義される値であり、式(E3)及び(E5)におけるn eff,TE及びn eff,TMは前記導波路のTE成分及びTM成分に関する有効屈折率である。 Here, W TE and W TM is the refractive index of the medium constituting the grating surface is taken as ng the refractive index of the material constituting n 1 and n 2, the waveguide, the following equation (E2) ~ is a value defined by (E5), the formula (E3) and (E5) n in eff, TE and n eff, TM is the effective refractive index regarding TE component and TM component of the waveguide.
  6. 請求項1又は2に記載の光学素子であって、 An optical element according to claim 1 or 2,
    前記導波路の幅をWg、前記格子界面を構成する媒質の屈折率をn 及びn 、導波路を構成する光学材料の屈折率をng、使用波長をλとしたときに、下記式(E6)を満足することを特徴とする光学素子。 The width of the waveguide Wg, the refractive index of the medium constituting the grating surface n 1 and n 2, ng the refractive index of the optical material constituting the waveguide, when the use wavelength is lambda, the following formula ( optical element satisfies the E6).
    ここで、Hは前記崖面の高さ、nは前記屈折率n およびn のうち大きい方の値、α及びβはそれぞれ前記波長λの光のTE成分及びTM成分の強度割合(ただしα+β≦1)であり、n eff,TE及びn eff,TMはそれぞれ下記式(E2)〜(E5)によって定義されるTE成分及びTM成分に関する有効屈折率であり、式(E2)〜(E5)においてW TE =W TM =Wgである。 Here, H is the height of the cliff face, n represents the larger value of the refractive index n 1 and n 2, the intensity ratio of the TE component and TM component of light α and β are respectively the wavelength lambda (although an α + β ≦ 1), n eff, TE and n eff, TM is the effective refractive index regarding TE component and the TM component is defined by the following formulas (E2) ~ (E5), the formula (E2) ~ (E5 a W TE = W TM = Wg in).
  7. 請求項1又は2に記載の光学素子を備えた光学系であって、 An optical system having an optical element according to claim 1 or 2,
    前記光学素子に入射する光の波長がλ、前記光のTE成分とTM成分の強度割合がそれぞれα及びβ(ただしα+β≦1)、前記導波路の幅がWgであり、 Wherein the wavelength of light is λ incident on the optical element, the intensity ratio of the TE and TM components of the light respectively alpha and beta (but α + β ≦ 1), the width of the waveguide is Wg,
    下記式(E6)を満足することを特徴とする光学系。 Optical system satisfies the following formula (E6).
    ここで、Hは前記崖面の高さ、nは前記屈折率n およびn のうち大きい方の値、α及びβはそれぞれ前記波長λの光のTE成分及びTM成分の強度割合(ただしα+β≦1)であり、n eff,TE及びn eff,TMはそれぞれ下記式(E2)〜(E5)によって定義されるTE成分及びTM成分に関する有効屈折率であり、式(E2)〜(E5)においてW TE =W TM =Wgである。 Here, H is the height of the cliff face, n represents the larger value of the refractive index n 1 and n 2, the intensity ratio of the TE component and TM component of light α and β are respectively the wavelength lambda (although an α + β ≦ 1), n eff, TE and n eff, TM is the effective refractive index regarding TE component and the TM component is defined by the following formulas (E2) ~ (E5), the formula (E2) ~ (E5 a W TE = W TM = Wg in).
JP2011553882A 2010-02-15 2011-02-10 Optical element and an optical system Pending JPWO2011099550A1 (en)

Priority Applications (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2010030435 2010-02-15
JP2010030435 2010-02-15
PCT/JP2011/052848 WO2011099550A1 (en) 2010-02-15 2011-02-10 Optical element and optical system

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPWO2011099550A1 true JPWO2011099550A1 (en) 2013-06-13

Family

ID=44367820

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2011553882A Pending JPWO2011099550A1 (en) 2010-02-15 2011-02-10 Optical element and an optical system

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JPWO2011099550A1 (en)
WO (1) WO2011099550A1 (en)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP5676929B2 (en) * 2010-06-11 2015-02-25 キヤノン株式会社 Diffractive optical element, optical system and optical apparatus
JP2013125259A (en) 2011-12-16 2013-06-24 Canon Inc Diffractive optical element, optical system, and optical apparatus
JP2014170109A (en) * 2013-03-04 2014-09-18 Canon Inc Diffraction optical element, optical system and optical device
US10133084B2 (en) 2015-05-15 2018-11-20 Canon Kabushiki Kaisha Diffractive optical element, optical system, and optical apparatus which reduce generation of unnecessary light
WO2018179164A1 (en) * 2017-03-29 2018-10-04 キヤノン株式会社 Diffractive optical element, optical system having same, image pickup device, and lens device

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0615067U (en) * 1993-05-21 1994-02-25 大日本印刷株式会社 Relief hologram
JPH09127321A (en) * 1994-09-12 1997-05-16 Olympus Optical Co Ltd Diffraction optical element
JP2002507770A (en) * 1998-03-13 2002-03-12 オーファオデー キネグラム アーゲー Transparent and semitransparent diffractive elements, particularly holograms and a manufacturing method thereof

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0615067U (en) * 1993-05-21 1994-02-25 大日本印刷株式会社 Relief hologram
JPH09127321A (en) * 1994-09-12 1997-05-16 Olympus Optical Co Ltd Diffraction optical element
JP2002507770A (en) * 1998-03-13 2002-03-12 オーファオデー キネグラム アーゲー Transparent and semitransparent diffractive elements, particularly holograms and a manufacturing method thereof

Also Published As

Publication number Publication date
WO2011099550A1 (en) 2011-08-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Schulz et al. Dispersion engineered slow light in photonic crystals: a comparison
US8320722B1 (en) Non-linear optical grating
Cotter et al. Scattering-matrix approach to multilayer diffraction
EP1212644B1 (en) Improved broad band wire-grid polarizing beam splitter for the visible spectral range
US9310566B2 (en) Optical waveguides
JP4310080B2 (en) Diffractive optical element and the optical system having the same optical device
US20110026128A1 (en) waveguides
AU2010240707B2 (en) Surface relief grating in an optical waveguide having a reflecting surface and dielectric layer conforming to the surface
US7386205B2 (en) Optical device and method for making same
US5436991A (en) Optical waveguide device
He et al. Giant negative Goos-Hänchen shifts for a photonic crystal with a negative effective index
Baida et al. Origin of the super-enhanced light transmission through a 2-D metallic annular aperture array: a study of photonic bands
US7454103B2 (en) High efficiency optical diffraction device
Ding et al. Use of nondegenerate resonant leaky modes to fashion diverse optical spectra
US20050152659A1 (en) Optical control element
Monsoriu et al. Devil’s lenses
JP3809167B2 (en) The mode conversion photonic crystal structure
US7113335B2 (en) Grid polarizer with suppressed reflectivity
JP2002504711A (en) Omnidirectional reflector photonic crystals
JP2009533875A (en) Efficiency of the solar cell through the periodicity
Zhou et al. A novel ultra-low loss hollow-core waveguide using subwavelength high-contrast gratings
US8529114B2 (en) Sheet and light emitting device
CN1682132A (en) Method and system for providing beam polarization
CA2759295A1 (en) Improvements in optical waveguides
US7397987B2 (en) Resonantly enhanced grating coupler

Legal Events

Date Code Title Description
A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20130820