JP2005084485A - 回折光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 高精度で製作でき、透過位相を従来より連続に近い形でに制御可能な回折光学素子を提供する
【解決手段】 透明基板２は、図に示すようにその上面に凹凸を有し、一定ピッチｑの間に１個の凸部３と１個の凹部４とを有している。ｑの値は回折光学素子１が使用される光学系が取り扱う光の波長よりも短くされている。そして、図に示すように、最左端の周期内では凸部３の幅が最も大きく、次の周期内では、凸部３の幅がそれよりやや狭くされ、５周期目までは、凸部３の幅が徐々に狭くなるようにされている。異なる周期のパターン構造内における凸部３の幅ａを徐々に変化させることにより、異なる周期のパターン構造の平均屈折率を変化させることができる。これにより、鋸歯状波の形状を有する回折光学素子に近い特性を有するものができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光が透過する部分に応じて透過する光に位相差をつけることが可能な回折光学素子に関するものである。

回折光学素子、例えば、レンズ作用を有するように構成した回折光学素子（回折レンズ）は、以下に示すように、従来からある屈折レンズにはない特長を有することが知られている。
(1) 非球面波を容易に生成することができるので、収差を効果的に補正することができる。
(2) 実質的に厚みを持たないので、設計の自由度が高く、コンパクトな光学系を実現することができる。
(3) 屈折レンズでのアッベ数に相当する量が、回折レンズでは負の値となるので、屈折素子との組み合わせによって、色収差を効果的に補正することができる。

このような回折レンズの特長を利用し、光学系の性能を向上させることに関しては、例えば、Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, August 1989.（非特許文献１）に詳しく記述されている。

上述したように、回折光学素子には、従来の屈折素子にはない多くの有用な特長があるが、他方では、回折効率が波長に依存するために、以下のような原理的な問題がある。例えば、光学系に適用する回折光学素子は、レンズ素子として利用する場合が多いが、このような用途においては、複数の回折光（複数の焦点）が存在するのは、一般に好ましくない。そこで、従来の回折光学素子（具体的には回折レンズ）においては、一般に、使用する波長で透明な基材に、断面を鋸歯波状とした（ブレーズ化した）レリーフパターンを形成して、特定次数の回折光にエネルギーを集中させるようにしている。

このような回折光学素子の例を図５に示す。このタイプの素子は、基板媒質内と雰囲気の屈折率の差を利用して、素子の各部を透過する光に光路長差を与えるもので、素子を透過した光の光路長差が出射光の位相差となると同時に、ブレーズされた形状のために、入射した光が特定次数（例えば１次）の回折光に変換される率が非常に高くなる。

位相差として必要なのは２π以内であるため、凹凸の高さは、基板の屈折率をｎ、対象とする光の波長をλとした場合に、λ/(n-1)程度以内である。可視光近辺の波長で動作する素子の場合、この値は１μｍ程度であり、機械的な加工は難しく、凹凸構造はエッチングプロセスにより作製される。
特開２００１−３１８２１７号公報 Binary Optics Technology; The Theory and Design of Multi-Level Diffractive Optical Element, Gary J.Swanson, Technical Report 854,MIT Lincoln Laboratory, August 1989.

しかしながら、このような方法で位相型の回折素子を作製しようとする場合、表面の凹凸の高さを連続的に制御することは難しい。そこで、多くの場合は連続的な高さ制御が必要な場合でも、離散的に作製する方法を採用している。例えば、図５のような光学素子を作製する場合、複数のマスクを用いてパターニングを行うことにより、複数の深さを持つ段差を設け、図６に示すように、近似的に図５のような断面形状を得る。

すなわち、当初は平行な表裏面を有する透明基板１１（石英等）の表面にレジスト膜を塗布し、Ａのようなパターンを有するマスクでレジストを露光・現像し、残ったレジストを保護層として透明基板１１をエッチングする。続いて、再度透明基板の表面にレジスト膜を塗布し、Ｂのようなパターンを有するマスクでレジストを露光・現像し、残ったレジストを保護層として透明基板１１をエッチングする。これにより、図６に示すような断面形状を有する回折光学素子が得られる。このタイプの素子はバイナリタイプの素子と呼ばれている。

ただし、高さの段階を十分に細かくすることは難しいため、図６に示すような近似的な断面形状を有する素子は、図５に示すような理想形状を有する素子と比較して、位相型の回折素子としての性能は低下することになる。さらに、表面に、波長より大きなスケールの凹凸のあるタイプの素子においては、表面の凹凸部による回折効果が生じるため、不要な回折光が生じるのは避けられない。例えば、波長500nmの光に対してパターンのピッチが2.4μmであり、１次回折光にブレーズするようなグレーティングを考える。この場合、光が空気から素子へ入射するとき、図５のような理想形状であれば１次回折光への回折効率は７８％程度であるが、高さを４段階として近似して製造した図６のような形状になると、回折効率は６４％程度にまで低下してしまう（ただし、入射光は無偏光であるとして計算を行った)。

特開２００１−３１８２１７号公報（特許文献１）では、作製の困難さに対する対策として、光学素子の有効屈折率を変化させることにより、光路長差をつける方法が提案されている。ここでは、対象とする光の波長以下のスケールの周期構造においては(０次以外の)回折光が発生しないという広く知られた性質を利用している。ただし、この場合も同ピッチの部分が連続する単位パターンを用いているため、面の構造を細かく制御するのは困難である。微細加工のサイズの制限を考えると、特に、波長程度のスケールで位相が変化するような回折素子に関してはこの方法で作製するのは事実上不可能である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、高精度で製作でき、少ない工程で、透過位相を従来より連続に近い形に制御可能な回折光学素子を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、１次元または２次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記１周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記１周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化していることを特徴とする回折光学素子（請求項１）である。

本手段においては、パターン構造の単位周期が、対象とする光の波長以下であるので、当該光に対して０次以外の回折光はほとんど発生しない。又、１周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化している。この１周期のパターン構造内における平均屈折率は、そのパターン構造領域内における屈折率を平均したものである。

すなわち、入射する光の進行方向をｚ軸にとったｘ−ｙ−ｚ直交座標系において、平均屈折率ｎ_ｅｆｆは以下の式で表される。

ここに、ｎ（x,y,z）は、座標(x,y,z)における屈折率であり、積分範囲は、ｘ−ｙ方向にパターン領域のｘ−ｙ方向区分範囲内、ｚ方向に回折光学素子の最大厚さ部分であり、Ｓはパターン領域のｘ−ｙ方向区分範囲の面積、Δｚは回折光学素子の最大厚さである。

本手段においては、１周期のパターン構造内においては、光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、これにより、１周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化するようにされている。これにより、従来技術のように、回折光学素子の厚さを徐々に変化させなくても、この素子を透過する光の位相が、その透過位置に応じて徐々に変化することになり、回折光学素子としての特性を持たせることができる。

これにより、後に実施の形態の欄で説明するように、必ずしも回折光学素子の厚さを場所により変化させなくても、これと同等の作用効果を得ることができ、リソグラフィ等を使用することにより、従来よりも、隣り合う周期パターン構造間での位相差を細かくすることが可能になり、滑らかな特性を有する回折光学素子を得ることができる。このような回折光学素子は、隣り合う周期パターン構造間での位相差を適当なものとすることにより、プリズム、回折格子やレンズ（フレネルレンズを含む）として使用することができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、１次元または２次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記１周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記１周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記１周期のパターン構造複数を単位とする周期で、周期的に変化していることを特徴とする回折光学素子（請求項２）である。

本手段は、基本的には前記第１の手段と同じ構造を有するものであるが、１周期のパターン構造内における平均屈折率が、１周期のパターン構造複数を単位とする周期で、周期的に変化していることに特徴を有している。本手段の一例として、図５に示すような、所定次の回折光のみを強めるようなブレーズを設けた回折光学素子と同様の作用を持たせることができる。この場合、本手段においては、図６に示すような従来のバイナリタイプの回折光学素子に比して、隣り合うパターン構造を透過する光の位相差を小さくすることができるので、より、図５に示すようなパターンに近い特性を得ることができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記パターン構造が、等間隔に整列した機械的な周期構造を有するパターン構造中で物質構成比を変化させることによって形成されていることを特徴とするもの（請求項３）である。

本手段においては、等間隔に整列した機械的な周期構造を有するパターン構造中で物質構成比を変化させることによって、１周期のパターン構造内においては、光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記１周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化しているようなパターン構造を形成している。物質として屈折率の異なる２つ以上の物質（空気も含む）を使用すれば、１周期のパターン構造内においては、光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化している構造を作り出すことができ、その場合に、物質の構成割合を徐々に変えれば、パターン構造間において平均屈折率を徐々に変えることができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第３の手段であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とするもの（請求項４）である。

光を透過する基板の表面に凹凸を設け、光が通過する方向と垂直な方向の単位面積当たりの凹部と凸部の割合を調節することにより、平均屈折率を変化させることができる。よって、例えば１次元の場合、一定間隔ごとに凹部と凸部を一つづつ設け、隣り合う一定間隔の領域ごとに凸部の幅を徐々に大きく又は小さくしていくこと、又は、前記一定間隔の所定数倍の幅を周期として、凸部の幅を周期的に変えることにより、前記第３の手段を実現することができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第３の手段であって、前記パターン構造が、光を透過し、屈折率の異なる基板間の界面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とするもの（請求項５）である。

本手段の技術的思想は、前記第４の手段と同じであるが、本手段においては、光を透過し、屈折率の異なる基板間の界面に凹凸構造を設けることによりパターン構造を形成している。このようなものは、前記第４の手段と同じ作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第３の手段であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設け、その凹部に前記基板とは屈折率の異なる物質を配置することにより形成されていることを特徴とするもの（請求項６）である。

本手段の技術的思想は、前記第５の手段と同じであるが、本手段においては、光を透過する基板表面に凹凸構造を設け、その凹部に前記基板とは屈折率の異なる物質を配置する（例えば埋め込む）ことにより、パターン構造を形成している。このようなものは、前記第５の手段と同じ作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかであって、前記パターン構造は、隣接するパターン構造間における、当該光学素子を透過する光の有効位相差Δφ_１２がπ／２以下となるような構造とされていることを特徴とするもの（請求項７）である。
ここで、有効位相差Δφ_１２とは、隣接する２つパターン構造の平均屈折率をそれぞれ、ｎ_１ｅｆｆ、ｎ_２ｅｆｆとした場合に、

で表される量である。

ここで、ｎ_２ｅｆｆ、ｎ_１ｅｆｆは、それぞれのパターン構造における前記平均屈折率ｎ_ｅｆｆに相当する量である。よって、有効位相差Δφ_１２は、２つの相隣るパターン構造を透過した光の位相差に相当する。

前記第１の手段から第６の手段においては、隣接するパターン構造間における有効位相差長を大きくすることにより、近似的に連続でない波面を構成することも可能であるが、このような場合、変化が滑らかでなくなるので、不要な回折波が増加することになる。

例えば、図５のような１次回折光にブレーズするグレーティングを屈折率1.5の材質で構成する場合、素子の形状が完全であれば、ピッチを大きくした極限において回折効率は４％の反射成分を除いた９６％に漸近する。しかし、図６のような段階的な構造にした場合には、８段(位相差π／４)で９１％、４段（位相差π／２）では７８％にしか達せず、残りの強度は不要な回折光となる。本発明の素子においても事情は同じであり、隣接するパターン構造間における透過波の位相の差を大きくすることは、余分な回折光を発生することにつながって、回折素子としての性能の低下をもたらす。

不要な回折光の発生を抑制し、十分に性能を保って素子を構成するためには、単位周期構造あたりの変調量は透過光の位相に換算してπ／２程度以下にすることが重要である。よって、本手段においては、（１）式で示される隣接するパターン構造間における有効位相差長をπ／２以下に限定する。

以上説明したように、本発明によれば、高精度で製作でき、少ない工程で、透過位相を従来より連続に近い形に制御可能な回折光学素子を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１（ａ）は、本発明の実施の形態の第１の例である回折光学素子の断面形状を示す図である。この回折光学素子１は、紙面に垂直な方向に所定の幅を有し、紙面に平行な面で切断した断面が、全て図１に示すような形状を有するような形状をしている。光は、紙面の上方（又は下方）から入射し、紙面の下方（又は上方）に透過する。以下、図１において、紙面の上下方向をｚ軸方向、左右方向をｘ軸方向、紙面に垂直な方向をｙ軸方向とする。

透明基板２は、図に示すようにその上面に凹凸を有し、一定ピッチｑの間に１個の凸部３と１個の凹部４とを有している。すなわち、この実施の形態においては、ｑなる周期で、凹凸構造のパターンが形成されている。ｑの値は回折光学素子１が使用される光学系が取り扱う光の波長よりも短くされている。そして、図に示すように、最左端の周期内では凸部３の幅が最も大きく、次の周期内では、凸部３の幅がそれよりやや狭くされ、５周期目までは、凸部３の幅が徐々に狭くなるようにされている。

今、凸部３における透明基板の厚さをｄ_１、凹部４における透明基板の厚さをｄ_２、１周期内の凸部３の幅をａ、透明基板の屈折率をｎとすると、１周期内での平均屈折率ｎ_ｅｆｆは、
ｎ_ｅｆｆ＝ｎ｛ｄ_１＊ａ＋ｄ_２＊（ｑ−ａ）｝／（ｑ＊ｄ_１）
で表される。よって、異なるパターン構造内における凸部３の幅ａを徐々に変化させることにより、異なるパターン構造の平均屈折率を変化させることができる。

図１（ａ）に示す回折光学素子においては、５周期に渡って凸部３の幅が図の右に行くに従って狭くなり、６周期目に１周期目の幅と同じになっていて、あとはこの繰り返しパターンとなっている。即ち、図１（ａ）においては、ピッチｐ（＝５ｑ）で、パターンが繰り返している。このような構造が、図６に示すような構造と光学的に等価であることは明らかであろう。

すなわち、図１（ａ）に示すような回折光学素子においては、回折光学素子（この場合は回折格子）として作用するための構造周期ｐの１／ｍ（ｍは２以上の整数）が、実際の構造のピッチｑとなっており、１つのピッチｑ内には少なくとも１つの凸部３と少なくとも１つの凹部４が形成されている。そして、実際の構造のピッチｑに着目した場合、隣り合う構造同士では平均屈折率が徐々に変化するようになっており、これが、ピッチｐで繰り返している。

例として、ｐ＝ｍｑとした場合、凹部４の幅を０〜(m-1)p/mまでp/mずつ変化させ、(m-1)p/mの次に、再び又０とするようにして繰り返せば、図５に示すような鋸歯状波の形状を有する回折光学素子に近い特性を有するものができる。この場合、凹部４の深さを、位相差2πに相当するλ/(n-1)とすれば、1次回折光に強度が集中するブレーズ型のグレーティングとして動作することになる。見方を変えればピッチｐで構造が周期的に変化しており、それがピッチｑで変調されていると見ることもできる。このようなことは、図６に示す従来例でも同じであるが、本実施の形態においては、基板の厚さの変化でなく、凹凸の幅の変化でこれを実現しているところが異なる。

図１（ａ）に示す実施の形態と、図６に示す従来例とを比較してみた場合、従来例においては、透明基板の厚さを制御することにより、バイナリタイプの回折光学素子を実現していたのに対し、図１（ａ）に示す実施の形態においては、透明基板の厚さ、凹部の深さを一定にして、凹部と凸部の幅を徐々に変えることにより、バイナリタイプの回折光学素子と同等の作用をする回折光学素子を形成している。

先に説明したように、透明基板の厚さを制御することは困難であるが、回折基板の凹部と凸部の幅を制御することは、リソグラフィ技術（電子ビーム描画等）を使用すれば容易であり、100nm程度の精度で幅を制御することは容易にできる。よって、従来のバイナリタイプの回折光学素子に比して、位相差のピッチを細かくできると共に、位相差の精度を良くすることができる。

一例として、ｎ＝1.5の透明基板を使用し、λ=500nmの光に対して使用される回折格子について、従来例のものと、図１（ａ）に示す方式のものについて、非偏光の入射光が空気から基板へ垂直入射した場合の１次回折光への回折効率を実測により求めた結果を表１に示す。ピッチｐとして1.2μm、2.4μmの２つをとり、ピッチｑは0.3μmとした。よって、ピッチｐに対応するｍは、それぞれ４と８である。表１において、凹凸タイプ（理想）とは、図５に示すような形状をしたものであり、凹凸タイプ（４段ＢＯＥ：Binary Optical Element）とは、図６に示すような形状をしたものである。
（表１）

表１を見ると分かるように、ピッチｐが1.2μmと小さい場合は、本発明の回折光学素子の方が、通常のタイプの素子（理想）よりも効率が高い。これは、従来タイプの素子の場合には、突起など高さ方向の構造に起因する不要な回折光の発生が大きいため、性能がかなり低くなっているためであると考えられる。ピッチｐが1.2μmと小さい場合には、位相差の変化が４段階しかとれないため、連続的な理想変化からの乖離が大きくなっており、このため、回折効率の絶対値は大きくないが、相対的には、通常のタイプの素子（理想）よりも本発明による素子の方が効率は良い。ただし、実用上は隣接する擬周期構造ｑでの位相差がこの例での値であるπ/2を超えると素子としての機能を維持するのが困難であると考えられる。

ピッチｐが2.4μmの場合は、理想的に形状を作製すれば凹凸タイプの方が効率は高いが、段数の低いＢＯＥと比べると本発明による素子の方が、効率が高い。ＢＯＥタイプの場合、段数を上げれば効率を上げることができるはずであるが、プロセス時の工程数の増加につながるうえ、位置合わせ誤差などの問題が生じることになり、実際の性能の向上には限界がある。それに対して、本発明の素子においては、たとえｍを増加させてもプロセス工程の増加にはつながらない。以上説明したように、表１の結果から、この素子がブレーズ型のグレーティングとして動作し、しかもパラメータによっては、通常のものよりも高性能であることがわかる。

図１（ｂ）に、本発明の第２の実施の形態である回折光学素子の断面形状を示す。この実施の形態においては、回折光学素子は、屈折率の異なる透明基板５と６とを組み合わせて構成されている。図に示す例においては、透明基板５の形状が図１（ａ）に示す透明基板２と同じ形状をしており、透明基板６は、透明基板５に密着している。このような構造の回折光学素子１が、図１（ａ）に示す回折光学素子と等価であることは説明を要しないであろう。ただし、透明基板５と透明基板６の屈折率の大小を逆転させることによって特性が逆転する。

図２に、本発明の第３の実施の形態である回折光学素子の斜視図を示す。回折光学素子７においては、透明基板８に、ｘ方向に周期ｑで孔９が開けられており、孔９の直径は図の左側に行くに従って小さくなっている。孔９は図のｙ方向にも所定のピッチで配列されているが、ｘ方向の同じ位置では孔９の直径は同じとされている。光は図のｚ方向から入射する。

このような構成とすることにより、ピッチｑ毎に回折光学素子７の有効屈折率を、図の右に行くほど小さくすることができる。よって、この第３の実施の形態の回折光学素子７は、擬似的にプリズムとしての作用を奏することになる。

図３に、本発明の第４の実施の形態である回折光学素子の斜視図を示す。回折光学素子７においては、透明基板８に、ｘ方向に周期ｑで孔９が開けられており、孔９の直径は図の左側に行くに従って３段階に小さくなっており、これが３ｑの周期で繰り返している。孔９は図のｙ方向にも所定のピッチで配列されているが、ｘ方向の同じ位置では孔９の直径は同じとされている。光は図のｚ方向から入射する。

このような構成にすることにより、ピッチｑごとに回折光学素子７の有効屈折率を３段階に亘って図の左に行くほど大きくし、これをピッチ３ｑで繰り返すことができる。これは、ブレーズ構想を有する回折格子として作用する。図では説明のために３段階にわたって孔９の直径を変化させているが、ｑは光の波長以下であるので、実際には、段階の数を大きくすることができる。

図２、図３に示す実施の形態においては、孔９を空洞にしているが、この中に透明基板８と屈折率が異なる物質を充填しても同じ効果が得られる。この場合、透明基板の屈折率と充填物質の屈折率の大小関係により特性が逆転することは言うまでもない。

図４に、本発明の第５の実施の形態である回折光学素子の概要を示す。（ａ）は平面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＡ−Ａ断面図である。この実施の形態においては、半径方向にピッチｑで一つの凸部と一つの凹部が設けられており、それがｐ＝ｍｑのピッチで繰り返している（図ではｍ＝３である）。一つのピッチｐ内では、ピッチｑ内での凸部の幅が外周に行くに従って徐々に小さくされている。よって、第５の実施の形態においては、回折光学素子は円形のブレーズされた回折格子として働く。

図では簡単のために、ｐ＝ｍｑでｍを一定としたが、例えば、ｍを可変とし、かつ、ピッチｑで隣り合う構造での凸部の変化量を場所によって変えることにより、フレネルレンズとしての光学特性を持たせることができる。

このように、本発明においては、隣り合うピッチの構造間における凹部と凸部の幅の変化量や、これらのピッチが集まって繰り返される周期の幅を変化させることにより、プリズム、回折格子、レンズ等、一般の回折光学素子が有する特性を持たせることができる。そして、従来のように、回折光学素子の部分毎の厚さを制御するのでなく、凸部と凹部の幅を制御することにより、所定の光学特性を持たせているので、例えばリソグラフィプロセスにより精密加工を行うことができ、１回のリソグラフィプロセスにより精度の良い回折光学素子が得られる。

なお、以上の説明においては、回折光学素子の凸部の高さ及び凹部の深さは一定のものとして扱ってきたが、これらを段階的に変化させる手段を併用してもよい。この場合、凸部の高さ及び凹部の深さをきめ細かく制御する必要がない。例えば、２段階に変化させる等で十分な効果が得られる。

本発明の実施の形態の第１の例、第２の実施の例である回折光学素子の断面形状を示す図である。 本発明の第３の実施の形態である回折光学素子の斜視図である。 本発明の第４の実施の形態である回折光学素子の斜視図である。 本発明の第５の実施の形態である回折光学素子の概要を示す図である。 断面を鋸歯波状とした（ブレーズ化した）レリーフパターンを形成して、特定次数の回折光にエネルギーを集中させるようにした回折光学素子の例を示す図である。 バイナリタイプの回折光学素子とその製造方法を説明するための図である。

符号の説明

１…回折光学素子、２…透明基板、３…凸部、４…凹部、５…透明基板、６…透明基板、７…回折光学素子、８…透明基板、９…孔

Claims (7)

1. 透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、１次元または２次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記１周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記１周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記パターン構造間において徐々に変化していることを特徴とする回折光学素子。
2. 透過する光の波面を変調する機能を有する回折光学素子であって、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、１次元または２次元の周期を有するパターン構造を有し、前記パターン構造の周期は前記光の波長以下であり、前記１周期のパターン構造内においては、前記光が通過する方向に対して垂直な方向に、屈折率が変化しており、かつ、前記１周期のパターン構造内における平均屈折率が、前記１周期のパターン構造複数を単位とする周期で、周期的に変化していることを特徴とする回折光学素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、等間隔に整列した機械的な周期構造を有するパターン構造中で物質構成比を変化させることによって形成されていることを特徴とする回折光学素子。
4. 請求項３に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とする回折光学素子。
5. 請求項３に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、光を透過し、屈折率の異なる基板間の界面に凹凸構造を設けることにより形成されていることを特徴とする回折光学素子。
6. 請求項３に記載の光学素子であって、前記パターン構造が、光を透過する基板表面に凹凸構造を設け、その凹部に前記基板とは屈折率の異なる物質を配置することにより形成されていることを特徴とする回折光学素子。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光学素子であって、前記パターン構造は、隣接するパターン構造間における、当該光学素子を透過する光の有効位相差Δφ_１２がπ／２以下となるような構造とされていることを特徴とする回折光学素子。
   ここで、有効位相差Δφ_１２とは、隣接する２つパターン構造の平均屈折率をそれぞれ、ｎ_１ｅｆｆ、ｎ_２ｅｆｆとした場合に、
   

   

   で表される量である。

Images