WO2011030388A1 - 位相シフト素子 - Google Patents

Abstract

　本発明による位相シフト素子は、集光光学系の光軸上の点を中心位置として配置されたアパーチャと、アパーチャの開口を通過した波長λの光を透過させる屈折率ｎの材質からなる位相シフト部とを備える。ｔ及びｄを定数として、位相シフト部はｔの厚さの第１の領域と、ｔ－ｄの厚さの第２の領域と、ｔ＋ｄの厚さの第３の領域からなり、第２の領域と第３の領域とは隣接して配置されている。本発明による位相シフト素子において、開口を通過した光が透過する位相シフト部の面積をＳａ、開口を通過した光が透過する第２の領域の面積をＳｐ、開口を通過した光が透過する第３の領域の面積をＳｍ、式(1)、式(2)及び式(3)を定義して、式(4)及び式(5)を満足し、　0＜α＜1 の範囲で　α＝0　または　α＝1 の場合よりも、集光光学系の集光面におけるスポット径を小さくすること及び焦点深度を大きくすることの少なくとも一方を実現するように　α を定めている。

Description

位相シフト素子

　本発明は、ビームスポット径を小さくし、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化を小さくする位相シフト素子に関する。

　レーザビームプリンタなどの集光光学系においては、ビームスポット径が小さく、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さい（すなわち、焦点深度が大きい）ことが要求される。

　たとえば、特開平01-315041号公報（特許文献１）は、ビームスポットの中心付近とそれ以外の部分とでπの位相差を生じさせることによりビームスポット径を小さくする位相シフト板を開示している。また、特開平07-084221号公報（特許文献２）は、ビームの周縁部とその内側の部分とでπの位相差を生じさせることにより焦点深度を大きくする位相シフト板を開示している。

　しかし、上記のような従来の位相シフト板は、製造プロセスによる位相シフト部の厚さのバラツキ、製品組み立て時のビーム光軸に対する位相シフト板の間の傾き、光源波長の変化などの要因によってビームに与えられる位相差が設計値（π）からずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が大きくなるという問題点があった。この問題点については後で詳細に説明する。このように、ビームスポット径を小さくし、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化を小さくする位相シフト素子であって、位相差が設計値（π）からずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さい簡単な構造の位相シフト素子は従来開発されていなかった。

特開平01-315041号公報 特開平07-084221号公報

　したがって、ビームスポット径を小さくし、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化を小さくする位相シフト素子であって、位相差が設計値（π）からずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さい簡単な構造の位相シフト素子に対するニーズがある。

　本発明による位相シフト素子は、集光光学系の光軸上の点を中心位置として配置されたアパーチャと、前記アパーチャの開口を通過した波長λの光を透過させる屈折率ｎの材質からなる位相シフト部と、を備える。ｔ及びｄを定数として、前記位相シフト部は、ｔの厚さの第１の領域と、ｔ－ｄの厚さの第２の領域と、ｔ＋ｄの厚さの第３の領域からなり、第２の領域と第３の領域とは隣接して配置されている。本発明による位相シフト素子において、前記開口を通過した光が透過する前記位相シフト部の面積をＳａ、前記開口を通過した光が透過する第２の領域の面積をＳｐ、前記開口を通過した光が透過する第３の領域の面積をＳｍ、

として、

を満足し、
　0＜α＜1
の範囲で
　α＝0　　または　　α＝1
の場合よりも、前記集光光学系の集光面におけるスポット径を小さくすること及び焦点深度を大きくすることの少なくとも一方を実現するように
　α
を定めている。

　本発明による位相シフト素子において、第２の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりもほぼπ進み、第３の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりもほぼπ遅れる。ここで、位相の進み及び遅れの量がπからずれた場合には、デフォーカス量に対する像面特性は非対称となる。しかし、本発明の位相シフト素子においては、第２の領域による非対称成分の寄与と第３の領域による非対称成分の寄与とが打ち消しあうことによって、位相の進み及び遅れの量がπからずれた場合にも、デフォーカス量に対する像面特性は実用的には対称性を保ち続ける。その結果、位相差（位相の進み及び遅れの量）がπからずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さくなる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、
　β＝0.5
である。

　β＝0.5
であれば、ＳｐとＳｍが等しいので、第２の領域による非対称成分の寄与と第３の領域による非対称成分の寄与とがほぼ完全に打ち消しあう。その結果、位相差（位相の進み及び遅れの量）がπからずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化がさらに小さくなる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、第２及び第３の領域が前記光軸の周辺に配置されている。

　本実施形態によれば、主にスポット径を小さくすることができる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、第２及び第３の領域が、前記開口を通過した光が透過する前記位相シフト部の領域の周縁部に配置されている。

　本実施形態によれば、主に焦点深度を大きくすることができる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、第２及び第３の領域が、前記位相シフト部と前記光軸との交点を中心とする同心円状に配置されている。

　本実施形態によれば、光軸に垂直な面内における各方向について、位相差（位相の進み及び遅れの量）がπからずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化を小さくすることが可能になる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、第２及び第３の領域が、帯状に配置されている。

　本実施形態によれば、帯びの伸びる方向に垂直な方向について、位相差（位相の進み及び遅れの量）がπからずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化を小さくすることが可能になる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、第２及び第３の領域が、市松模様状に配置されている。

　本実施形態によれば、どのような形状の開口に対しても、位相差（位相の進み及び遅れの量）がπからずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さくなる。また、非対称成分をより完全に打ち消すことにより、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化がさらに小さくなる。

　本発明の実施形態による位相シフト素子において、第２の領域及び第３の領域が、前記開口の面積に比較して十分に小さい面積の領域の集合から構成されている。

　本実施形態によれば、どのような形状の開口に対しても、位相差（位相の進み及び遅れの量）がπからずれたときに、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さくなる。また、非対称成分をより完全に打ち消すことにより、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化がさらに小さくなる。

　本発明の態様による集光光学系は、本発明による位相シフト素子を含む。したがって、デフォーカス量に対するビームスポット径の変化が小さくなり集光特性が向上する。

本発明の一実施形態による位相シフト素子を含む集光光学系の一例を示す図である。 本発明の実施例１による位相シフト素子の構成を示す図である。 実施例１において、第１の領域に対する、第２の領域の位相の進み及び第３の領域位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 実施例１において、αを変化させた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 実施例１において、βを変化させた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 βと、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合との関係を示す図である。 本発明の実施例２による位相シフト素子の構成を示す図である。 実施例２において、第１の領域に対する、第２の領域の位相の進み及び第３の領域の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 実施例２において、αを変化させた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 本発明の実施例３による位相シフト素子の構成を示す図である。 実施例３において、第１の領域に対する、第２の領域の位相の進み及び第３の領域の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係及びアパーチャにおける光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 本発明の他の実施形態による位相シフト素子を含む集光光学系の一例を示す図である。 本発明の実施例１による位相シフト素子の構成を示す図である。本発明の実施例４による位相シフト素子の構成を示す図である。 本発明の実施例５による位相シフト素子の構成を示す図である。 本発明の実施例６による位相シフト素子の構成を示す図である。 位相シフト部をレンズの面上に設けた、本発明の他の実施形態の一例を示す図である。 開口部を通過した光が透過する位相シフト部の面積に対する、開口部を通過した光が透過する第２の領域及び第３の領域の面積の比率とスプット径及びサイドローブ強度との関係を示す図である。 従来の位相シフト素子の構成を示す図である。 比較例１において、第１の領域に対する、第２の領域の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。 比較例２において、厚さがｔの領域に対する、厚さがｔ－ｄの領域の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。

　図１は、本発明の一実施形態による位相シフト素子を含む集光光学系の一例を示す図である。位相シフト素子１００Ａは、光軸に垂直に配置されたアパーチャ１０１Ａと、光軸に垂直に配置された位相シフト部１０３Ａとからなる。アパーチャ１０１Ａ及び位相シフト部１０３Ａの面は、ビームの方向と垂直に配置される。本実施形態において、アパーチャ１０１Ａと、位相シフト部１０３Ａとは、間隔を空けて配置されているが接するように配置してもよい。アパーチャ１０１Ａ及び位相シフト部１０３Ａを通過したビームは、焦点距離ｆの集光レンズ２０１Ａによって像面２０３Ａ上に集光される。位相シフト素子１００Ａは、像面２０３Ａにおけるビームの集光状態を改善するように配置されている。

　図２は、本発明の実施例１による位相シフト素子の構成を示す図である。

　図２（ａ）は、アパーチャ１１０１の構成を示す図である。アパーチャ１１０１は、ビームを通過させる開口部１１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部１１０１３とからなる。

　図２（ｂ）は、位相シフト部１１０３の構成を示す図である。位相シフト部１１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部１１０３は、厚さがｔの第１の領域１１０３１と、厚さがｔ－ｄの第２の領域１１０３３と、厚さがｔ＋ｄの第３の領域１１０３３と、からなる。ここで、ｔ及びｄは、定数で、ｄは以下の式を満足するように定められる。

ただし、λは、使用される光の波長であり、ｎは、位相シフト部１１０３の材質の屈折率である。位相シフト部１１０３の材質は、本例では、プラスチックであるが、ガラスなど他の材質であってもよい。式（５）が満足される場合に、第２の領域１１０３３を通過した光の位相は、第１の領域１１０３１を通過した光の位相よりπ進み、第３の領域１１０３５を通過した光の位相は、第１の領域１１０３１を通過した光の位相よりπ遅れる。

　上記のような厚さの異なる位相シフト部は、ＮＣ加工機で作成した金型コアを射出成形やインプリントによってプラスチックまたはガラス材に転写して製造してもよい。あるいは、エッチングで作成した金型コアを射出成形やインプリントによってプラスチックまたはガラス材に転写して製造してもよい。さらに、蒸着やスパッタによって厚さの差に相当する段差分の薄膜を母材上に形成して製造してもよい。

　図２（ｃ）は、アパーチャ１１０１及び位相シフト部１１０３を組み合わせた位相シフト素子１１００の構成を示す図である。図２（ｃ）は、位相シフト素子１１００をアパーチャ１１０１の側から観察した図である。

　以下において、光軸と位相シフト部の面との交点を原点とし、光軸の方向をｚ軸とし、位相シフト部の面内にｘ軸及びｙ軸を定める。図２及び他の図中にｘ、ｙ軸の方向を示した。

　位相シフト部１１０３の、開口部１１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心とする円形である。第２の領域１１０３３及び第３の領域１１０３５は、該円形の外周付近において外周に隣接して、該円形の同心円を境界として互いに隣接して設けられる。

　ここで、開口部１１０１１を通過した光が透過する位相シフト部の面積をＳａとする。図２（ｃ）において、Ｓａは、第１の領域１１０３１、第２の領域１１０３３及び第３の領域１１０３５のうち開口部１１０１１を通過した光が透過する領域の面積の合計である。開口部１１０１１を通過した光が透過する第２の領域１１０３３の面積をＳｐとする。開口部１１０１１を通過した光が透過する第３の領域１１０３５の面積をＳｍとする。α及びβを以下の式によって定義する。

　すなわち、αは、開口部１１０１１を通過した光が透過する第２の領域１１０３３の面積及び開口部１１０１１を通過した光が透過する第３の領域１１０３５の面積の合計値の、開口部１１０１１を通過した光が透過する位相シフト部の面積に対する比である。また、βは、開口部１１０１１を通過した光が透過する第２の領域１１０３３の面積の、開口部１１０１１を通過した光が透過する第２の領域１１０３３の面積及び開口部１１０１１を通過した光が透過する第３の領域１１０３５の面積の合計値に対する比である。

　図３は、実施例１において、第１の領域１１０３１に対する、第２の領域１１０３３の位相の進み及び第３の領域１１０３５の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図３の横軸は、ｆを集光レンズの焦点距離、Ｄをｘ軸方向の開口径として、

で規格化した光軸方向のデフォーカス量を示し、図３の縦軸は、

で規格化したｘ軸方向のスポット径（ＦＷＨＭ、半値全幅）を示す。ここで、
　α＝0.1
　β＝0.5
とした。

　図３に示すように位相進み及び位相遅れが０．８πから１．２πの範囲で変化しても、デフォーカス量に対するスポット径の変化は小さいままである。

　図１７は、従来の位相シフト素子の構成を示す図である。この位相シフト素子を比較例１と呼称する。

　図１７（ａ）は、アパーチャ１０１０１の構成を示す図である。アパーチャ１０１０１は、ビームを通過させる開口部１０１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部１０１０１３とからなる。

　図１７（ｂ）は、位相シフト部１０１０３の構成を示す図である。位相シフト部１０１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部１０１０３は、厚さがｔの第１の領域１０１０３１と、厚さがｔ＋ｄの第２の領域１０１０３３と、からなる。第２の領域１０１０３３は、実施例１の第３の領域１１０３５に対応する。

　図１７（ｃ）は、アパーチャ１０１０１及び位相シフト部１０１０３を組み合わせた位相シフト素子１０１００の構成を示す図である。図１７（ｃ）は、位相シフト素子１０１００をアパーチャ１０１０１の側から観察した図である。

　位相シフト部１０１０３の、開口部１０１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心とする円形である。第２の領域１０１０３３は、該円形の外周付近において外周に隣接して、該円形の同心円を境界として設けられる。位相シフト素子１０１００において、Ｓｐは０である。ここで、
　α＝0.9
　β＝0.0
とした。

　図１８は、比較例１において、第１の領域１０１０３１に対する、第２の領域１０１０３３の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図１８の横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同様である。

　図１８から位相遅れがπからずれた場合には、スポット径はデフォーカス量に対して変化する。また、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合（絶対値）は、位相遅れのπからのずれ（シフト）量に応じて大きくなる。

　実施例１による結果を示す図３においては、比較例１による結果を示す図１８と比較すると、位相進み及び位相遅れのπからのずれ（シフト）量が大きくなっても、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合（絶対値）は、小さいままである。すなわち、位相差が設計値（π）からずれたときに、デフォーカス量の変化に対するビームスポット径の変化は、小さいままである。

　図４は、実施例１において、αを変化させた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図４の横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同様である。ここで、
　β＝0.5
とした。

　図４において、αを０から徐々に大きくすると、デフォーカス量０の場合のスポット径は大きくなるが、デフォーカス量に対してスポット径の変化が小さい範囲は大きくなる。この範囲は、焦点深度に対応する。デフォーカス量０の場合のスポット径を抑えながら焦点深度を深くするには、
　0＜α＜0.15
であるのが好ましい。

　図５Ａは、実施例１において、βを変化させた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図５Ａの横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同様である。ここで、
　α＝0.1
とした。また、位相進み及び位相遅れ（位相シフト量）は、０．９πとした。

　図５Ａにおいて、βが０の場合は、比較例１の図１８の位相シフト量が０．９πの場合と同じである。βを０と１の間で変化させると、
　β＝0.5
の場合に、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合（絶対値）は最小となる。デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合（絶対値）を抑えるには、

であるのが好ましい。

　図５Ｂは、βと、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合との関係を示す図である。図５の横軸はβを示し、図５の縦軸はデフォーカス量０におけるデフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合を示す。上記の割合を図５Ｂにおいて「デフォーカス０での傾き」と記載した。

　β＝0.5
の場合に、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合（絶対値）が最小となる理由は以下のとおりである。

　ビームへ付与された位相差が+πでも－πでも最終的に得られる波面は同一のものとみなせるので、実施例１の位相シフト素子１１００は、第２の領域１１０３３及び第３の領域１１０３５を、＋πあるいは－πのみの位相シフト領域に置き換えた位相板と同様に機能する。

　集光光学系自体が持つ波面をφ1、位相板による位相シフトをφ2（= 0 or ±π）、光軸方向zへのデフォーカスによる波面の変化をφd(z)とする。ここで、

と表せる。位相の2πの周期性とデフォーカスの特性により、無収差に近い集光光学系の波面成分はz=0に対して奇対称になる。

集光光学系の射出瞳中心から像面上の点（x, y）までの距離rが射出瞳径Rに比べて十分に大きければ像面での電場分布u（x, y）はフラウンホーファー回折の式

によって表せるので、奇対称な波面成分から得られる電場強度I（x, y, z）はz=0に対して対称になる。

したがって、通常は位相差がπの位相シフト板（たとえば、比較例１の位相板）が挿入されることによってデフォーカス量に対する像面特性の対称性が乱されることはない。しかし、光源の波長変化や位相シフト部の厚み誤差などによって位相板の位相シフト量が変化した場合には、波面の奇対称性が乱れ、像面特性が非対称になる。この現象は、比較例１に関して図１８で説明した。

　実施例１の位相シフト素子１１００を備えた集光光学系でも位相シフト量がずれたときに波面の非対称性が生じる。しかし、開口の各部位からの寄与を積分する際に、凹領域（第２の領域１１０３３）を通過する波面のなす電場の非対称成分と凸領域（第３の領域１１０３５）を通過する波面のなす電場の非対称成分は打ち消しあう。

　β＝0.5
の場合に上記凹領域と上記凸領域の面積が等しくなるので、双方からの寄与による非対称成分は、ほぼ打ち消され、図３に示したように最終的に得られる像面特性は実用的には対称性を保ち続ける。

　図６は、本発明の実施例２による位相シフト素子の構成を示す図である。

　図６（ａ）は、アパーチャ２１０１の構成を示す図である。アパーチャ２１０１は、ビームを通過させる開口部２１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部２１０１３とからなる。

　図６（ｂ）は、位相シフト部２１０３の構成を示す図である。位相シフト部２１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部２１０３は、厚さがｔの第１の領域２１０３１と、厚さがｔ－ｄの第２の領域２１０３３と、厚さがｔ＋ｄの第３の領域２１０３５と、からなる。ここで、ｔ及びｄは、定数で、ｄは以下の式を満足するように定められる。

ただし、λは、使用される光の波長であり、ｎは、位相シフト部２１０３の材質（本例では、プラスチック）の屈折率である。式（５）が満足される場合に、第２の領域２１０３３を通過した光の位相は、第１の領域２１０３１を通過した光の位相よりπ進み、第３の領域２１０３５を通過した光の位相は、第１の領域２１０３１を通過した光の位相よりπ遅れる。

　図６（ｃ）は、アパーチャ２１０１及び位相シフト部２１０３を組み合わせた位相シフト素子２１００の構成を示す図である。図６（ｃ）は、位相シフト素子２１００をアパーチャ２１０１の側から観察した図である。

　位相シフト部２１０３の、開口部２１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心とする円形である。第２の領域２１０３３及び第３の領域２１０３５は、原点付近に該円形の同心円を境界として、互いに隣接して設けられる。

　α及びβは、実施例１と同様に式（６）および式（７）によって定義される。

　図７は、実施例２において、第１の領域２１０３１に対する、第２の領域２１０３３の位相の進み及び第３の領域２１０３５の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図７の横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同様である。ここで、
　α＝0.1
　β＝0.5
とした。

　図７に示すように位相進み及び位相遅れが０．８πから１．２πの範囲で変化しても、スポット径はほぼ一定である。

　実施例２の厚さがｔ－ｄの第２の領域２１０３３及び厚さがｔ＋ｄの第３の領域２１０３３を、厚さがｔ－ｄの領域で置き換えた位相シフト素子を比較例２とする。

　図１９は、比較例２において、厚さがｔの領域に対する、厚さがｔ－ｄの領域の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図１９の横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同様である。

　図１９から位相遅れがπからずれた場合には、スポット径はデフォーカス量の変化に対して変化する。また、デフォーカス量の変化量に対するスポット径の変化量の割合（絶対値）は、位相遅れのπからのずれ（シフト）量に応じて大きくなる。

　図８は、実施例２において、αを変化させた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図８の横軸及び縦軸は、図３の横軸及び縦軸と同様である。ここで、
　β＝0.5
とした。

　図８において、αを０から徐々に大きくすると、スポット径は小さくなる。αが０．２５を超えると、デフォーカス量０の場合のスポット径が大きくなるので、

であるのが好ましい。

　図９は、本発明の実施例３による位相シフト素子の構成を示す図である。

　図９（ａ）は、アパーチャ３１０１の構成を示す図である。アパーチャ３１０１は、ビームを通過させる開口部３１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部３１０１３とからなる。

　図９（ｂ）は、位相シフト部３１０３の構成を示す図である。位相シフト部３１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部３１０３は、厚さがｔの第１の領域３１０３１と、厚さがｔ－ｄの第２の領域及び厚さがｔ＋ｄの第３の領域を市松模様状に配置した領域３１０３３と、からなる。ここで、ｔ及びｄは、定数で、ｄは以下の式を満足するように定められる。

ただし、λは、使用される光の波長であり、ｎは、位相シフト部２１０３の材質（本例では、プラスチック）の屈折率である。式（５）が満足される場合に、第２の領域を通過した光の位相は、第１の領域３１０３１を通過した光の位相よりπ進み、第３の領域を通過した光の位相は、第１の領域３１０３１を通過した光の位相よりπ遅れる。

　図９（ｃ）は、アパーチャ３１０１及び位相シフト部３１０３を組み合わせた位相シフト素子３１００の構成を示す図である。図９（ｃ）は、位相シフト素子３１００をアパーチャ３１０１の側から観察した図である。

　位相シフト部３１０３の、開口部３１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心（対角線の交点）とする正方形である。第２の領域及び第３の領域は、市松模様状に隣接して配置され、全体としてｙ軸方向に伸びる帯を形成する。該帯は、ｙ軸に関して対称である。市松模様の単位の四角形の面積は、開口部の面積に比較して十分小さくするのが好ましい。具体的に、単位の四角形が正方形である場合に、正方形の一辺の長さが、開口部の径の１／５０以下であるのが好ましい。

　α及びβは、実施例１と同様に式（６）および式（７）によって定義される。

　図１０は、実施例３において、第１の領域３１０３１に対する、第２の領域の位相の進み及び第３の領域の位相の遅れがπからずれた場合の、光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係及びアパーチャ３１０１における光軸方向のデフォーカス量とスポット径との関係を示す図である。図１０の横軸は、図３の横軸と同様である。図１０の縦軸は、

で規格化したｘ軸方向又はｙ軸方向のスポット径（ＦＷＨＭ、半値全幅）を示す。ここで、
　α＝0.1
　β＝0.5
とした。

　図１０に示すように実施例３の位相シフト素子３１００によるｘ軸方向のスポット径は、アパーチャ３１０１によるスポット径よりも小さくなる。しかし、実施例３の位相シフト素子３１００によるｙ軸方向のスポット径は、アパーチャ３１０１によるスポット径と同じである。その理由は以下のとおりである。位相シフト素子３１００は、ｘ軸方向に位相変化を有する。しかし、位相の2πの周期性を考慮すれば、正負に関わらず位相シフト領域全体は等位相なので、位相シフト素子３１００は、ｙ軸方向には位相変化を有さない。したがって、ｙ軸方向スポット径に対する位相シフト素子３１００の効果は、アパーチャ３１０１の効果と変わらない。

　第２の領域及び第３の領域を、単位の四角形の面積が開口部の面積に比較して十分に小さい市松模様状に隣接して配置することの利点は以下のとおりである。第１に、第２の領域の面積と第３の領域の面積とが等しければ、どのような形状の開口部と組み合わせても常にほぼ
　β＝0.5
とすることができる。第２に、非対称成分がよりよく打ち消される。たとえば、第２の領域及び第３の領域を同心円状に配置した場合には、それぞれの領域は外側と内側に配置される。したがって、
　β＝0.5
であっても、第２の領域及び第３の領域の位置の差により、電場の非対称成分は完全に打ち消されることはない。これに対して、第２の領域及び第３の領域を、単位の四角形の面積が開口部の面積に比較して十分に小さい市松模様状に隣接して配置する場合には、第２の領域及び第３の領域の位置の差は無視しうるので、非対称成分がよりよく打ち消される。

　より一般的に、第２の領域及び第３の領域は、開口部の面積に比較して十分に小さい面積の領域（単位の領域）の集合から構成されていればよい。具体的に、単位の領域を代表する長さ（たとえば、単の領域が正方形である場合の一辺の長さ）が、開口部の径の１／５０以下であるのが好ましい。

　図１１は、本発明の他の実施形態による位相シフト素子を含む集光光学系の一例を示す図である。図１１のレンズ系２０１Ｂは、ｘ軸方向及びｙ軸方向に非対称なレンズ系であり、たとえば、レーザビームプリンタなどに使用される。位相シフト素子１００Ｂは、アパーチャ１０１Ｂ及び位相シフト部１０３Ｂからなる。一般的に、ｘ軸方向及びｙ軸方向に非対称な集光光学系はその像面特性もｘ軸方向及びｙ軸方向に非対称になる。したがって、ｘ軸方向及びｙ軸方向に非対称な位相シフト素子を使用するのが有効である。

　図１２は、本発明の実施例４による位相シフト素子の構成を示す図である。

　図１２（ａ）は、アパーチャ４１０１の構成を示す図である。アパーチャ４１０１は、ビームを通過させる開口部４１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部４１０１３とからなる。開口部４１０１１は、ｘ軸方向を長軸とする楕円形である。

　図１２（ｂ）は、位相シフト部４１０３の構成を示す図である。位相シフト部４１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部４１０３は、厚さがｔの第１の領域４１０３１と、厚さがｔ－ｄの第２の領域及び厚さがｔ＋ｄの第３の領域を、原点を中心として同心円状に隣接して配置した領域４１０３３と、からなる。ここで、ｔ及びｄは、定数で、ｄは以下の式を満足するように定められる。

ただし、λは、使用される光の波長であり、ｎは、位相シフト部２１０３の材質（本例では、プラスチック）の屈折率である。式（５）が満足される場合に、第２の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりπ進み、第３の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりπ遅れる。

　図１２（ｃ）は、アパーチャ４１０１及び位相シフト部４１０３を組み合わせた位相シフト素子４１００の構成を示す図である。図１２（ｃ）は、位相シフト素子４１００をアパーチャ４１０１の側から観察した図である。

　位相シフト部４１０３の、開口部４１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心とし、ｘ軸方向を長軸とする楕円形である。第２の領域及び第３の領域は、原点を中心とする同心円を境界として隣接して配置される。第２の領域及び第３の領域の隣接した対は、複数対隣接して配置される。第２の領域及び第３の領域の隣接した対は、該楕円形の長軸（ｘ軸）方向の外周付近に配置される。

　位相シフト素子４１００は、ｘ軸方向、すなわち、楕円形の開口部の長軸方向の像面深度を大きくする。

　図１３は、本発明の実施例５による位相シフト素子の構成を示す図である。

　図１３（ａ）は、アパーチャ５１０１の構成を示す図である。アパーチャ５１０１は、ビームを通過させる開口部５１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部５１０１３とからなる。開口部５１０１１は、ｘ軸方向を長軸とする楕円形である。

　図１３（ｂ）は、位相シフト部５１０３の構成を示す図である。位相シフト部５１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部５１０３は、厚さがｔの第１の領域５１０３１と、厚さがｔ－ｄの第２の領域及び厚さがｔ＋ｄの第３の領域を、ｘ軸方向の帯状に隣接して配置した帯状領域５１０３３と、からなる。帯状領域５１０３３は２個あり、ｘ軸に関して対称に配置される。ここで、ｔ及びｄは、定数で、ｄは以下の式を満足するように定められる。

ただし、λは、使用される光の波長であり、ｎは、位相シフト部５１０３の材質（本例では、プラスチック）の屈折率である。式（５）が満足される場合に、第２の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりπ進み、第３の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりπ遅れる。

　図１３（ｃ）は、アパーチャ５１０１及び位相シフト部５１０３を組み合わせた位相シフト素子５１００の構成を示す図である。図１３（ｃ）は、位相シフト素子５１００をアパーチャ５１０１の側から観察した図である。

　位相シフト部５１０３の、開口部５１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心とし、ｘ軸方向を長軸とする楕円形である。第２の領域及び第３の領域は、ｘ軸方向の帯として隣接して配置される。本実施例では、第２の領域及び第３の領域の隣接した帯状の対が、該楕円形の短軸（ｙ軸）方向の外周付近に配置される。

　位相シフト素子５１００は、ｙ軸方向、すなわち、楕円形の開口部の短軸方向の像面深度を深くする。

　図１４は、本発明の実施例６による位相シフト素子の構成を示す図である。

　図１４（ａ）は、アパーチャ６１０１の構成を示す図である。アパーチャ６１０１は、ビームを通過させる開口部６１０１１とビームを遮蔽する遮蔽部６１０１３とからなる。開口部６１０１１は、ｘ軸方向を長軸とする楕円形である。

　図１４（ｂ）は、位相シフト部６１０３の構成を示す図である。位相シフト部６１０３は、一例として透明なプラスチックから形成される。位相シフト部６１０３は、厚さがｔの第１の領域６１０３１と、厚さがｔ－ｄの第２の領域６１０３３と、厚さがｔ＋ｄの第３の領域６１０３５と、からなる。第２の領域６１０３３及び第３の領域６１０３５は、光軸位置を中心とする同心楕円状に隣接して配置されている。ここで、ｔ及びｄは、定数で、ｄは以下の式を満足するように定められる。

ただし、λは、使用される光の波長であり、ｎは、位相シフト部６１０３の材質（本例では、プラスチック）の屈折率である。式（５）が満足される場合に、第２の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりπ進み、第３の領域を通過した光の位相は、第１の領域を通過した光の位相よりπ遅れる。

　図１４（ｃ）は、アパーチャ６１０１及び位相シフト部６１０３を組み合わせた位相シフト素子６１００の構成を示す図である。図１４（ｃ）は、位相シフト素子６１００をアパーチャ６１０１の側から観察した図である。

　位相シフト部６１０３の、開口部６１０１１を通過した光が透過する領域は、原点を中心とし、ｘ軸方向を長軸とする楕円形である。第２の領域６１０３３及び第３の領域６１０３５は、原点を中心とする同心楕円を境界として隣接して配置される。本実施例では、該楕円形の外周付近に外周から間隔を開けて第２の領域及び第３の領域の隣接した対が配置される。

　位相シフト素子６１００は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の像面深度を大きくする。

　図１５は、位相シフト部１０３Ｃをレンズ２０１Ｃの面上に設けた、本発明の他の実施形態の一例を示す図である。このように、位相シフト部は、レンズの面上に設けても同様に機能する。したがって、上記の実施例１乃至６において、位相シフト部をレンズの面上に設けてもよい。本実施形態の移送シフト素子１００Ｃは、アパーチャ１０１Ｃと、レンズ２０１Ｃの面上に設けられた位相シフト部１０３Ｃと、からなる。

　図１６は、実施例１と同様の構造の位相シフト素子において、αとスポット径及びサイドローブ強度との関係を示す図である。図１６の横軸は、式（６）によって定義されるαを示す。図１６の縦軸は、スポット径（右側の目盛）並びにピーク強度及びサイドローブ強度（左側の目盛）を示す。スポット径については図３の縦軸と同様である。縦軸の強度は、ピーク強度及びサイドローブ強度を位相変化無しのピーク強度で規格化したものである。

　図４に関して説明したように、デフォーカス量０の場合のスポット径を抑えながら焦点深度を大きくするには、
　0＜α＜0.15
であるのが好ましい。図１６に示すように、上記の範囲ではサイドローブの強度も押さえられる。

　ここで、第２の領域及び第３の領域は、第１の領域に対して位相をπ変化させる領域である。図１６において、たとえば、
　α＝0.9
である位相シフト素子は、開口部を通過した光が透過する位相シフト部の領域の内、光軸を中心とする同心円の外側の９０％の面積を占める領域が、位相をπ変化させる領域であり、光軸を中心とする同心円の内側の１０％の面積を占める領域が第１の領域である。これに対して、図６に示した実施例２による位相シフト素子においては、
　α＝0.1
であるので、光軸を中心とする同心円の外側の９０％の面積を占める領域が第１の領域であり、光軸を中心とする同心円の内側の１０％の面積を占める領域が位相をπ変化させる領域である。位相の変化は相対的なものであるので、実施例１と同様の構造を有し、
　α＝0.9
である位相シフト素子は、実施例２による位相シフト素子と同様に機能する。図１６において、αが１から０．８に減少するにしたがって、スポット径が小さくなることは、図８において、αが０から増加するにしたがって、スポット径が小さくなることに対応する。

このように、スポット径を小さくするには、
　0.8＜α＜1.0
であるのが好ましい。図１６に示すように、サイドローブ強度は、最大で約０．１である。

　なお、スポット径が
　α＝0.75
付近でステップ状に変化している理由は、上記の値付近でサイドローブ強度がピーク強度の５０％に達し、ピーク強度の半値全幅で評価したスポット径が、サイドローブを含む範囲まで拡大するためである。

Claims (9)

1. 　集光光学系の光軸上の点を中心位置として配置されたアパーチャと、前記アパーチャの開口を通過した波長λの光を透過させる屈折率ｎの材質からなる位相シフト部と、を備えた、位相シフト素子であって、ｔ及びｄを定数として、前記位相シフト部は、ｔの厚さの第１の領域と、ｔ－ｄの厚さの第２の領域と、ｔ＋ｄの厚さの第３の領域からなり、第２の領域と第３の領域とは隣接して配置されており、前記開口を通過した光が透過する前記位相シフト部の面積をＳａ、前記開口を通過した光が透過する第２の領域の面積をＳｐ、前記開口を通過した光が透過する第３の領域の面積をＳｍ、
   

   

   として、
   

   

   を満足し、
   　0＜α＜1
   の範囲で
   　α＝0　　　または　　α＝1
   の場合よりも、前記集光光学系の集光面におけるスポット径を小さくすること及び焦点深度を大きくすることの少なくとも一方を実現するように
   　α
   を定めた位相シフト素子。
2. 　β＝0.5
   である請求項１に記載の位相シフト素子。
3. 　第２及び第３の領域が前記光軸の周辺に配置された請求項１又は２に記載の位相シフト素子。
4. 　第２及び第３の領域が、前記開口を通過した光が透過する前記位相シフト部の領域の周縁部に配置された請求項１又は２に記載の位相シフト素子。
5. 　第２及び第３の領域が、前記位相シフト部と前記光軸との交点を中心とする同心円状に配置された請求項１又は２に記載の位相シフト素子。
6. 　第２及び第３の領域が、帯状に配置された請求項１又は２に記載の位相シフト素子。
7. 　第２及び第３の領域が、市松模様状に配置された請求項１又は２に記載の位相シフト素子。
8. 　第２の領域及び第３の領域が、前記開口の面積に比較して十分に小さい面積の領域の集合から構成されている請求項１又は２に記載の位相シフト素子。
9. 　請求項１から８のいずれか1項に記載の位相シフト素子を含む集光光学系。
   　

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