JP3547665B2 - 光学素子 - Google Patents
光学素子 Download PDFInfo
- Publication number
- JP3547665B2 JP3547665B2 JP29087599A JP29087599A JP3547665B2 JP 3547665 B2 JP3547665 B2 JP 3547665B2 JP 29087599 A JP29087599 A JP 29087599A JP 29087599 A JP29087599 A JP 29087599A JP 3547665 B2 JP3547665 B2 JP 3547665B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- refractive index
- optical element
- period
- pattern
- binary
- 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.)
- Expired - Lifetime
Links
Images
Landscapes
- Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小光学素子の設計に係り、例えば、ＬＳＩのチップ間、チップを複数搭載したボード間、あるいはボードを装着した架間や装置間における光接続や光通信など、光信号を用いるあらゆる分野にわたる微小光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の光学素子を説明するための図である。
【０００３】
微小光学素子は、図７（ａ）に示すようなレンズ７１などの屈折型光学素子では、厚さが厚くなりすぎる等の理由から、使用する光の波長の整数倍の光路差に相当する厚さ分を取り除き、図７（ｂ）に示すような最大の厚みが光路差一波長分に相当する位相フレネルレンズ７２を用いるのが理想的である。
【０００４】
フレネルレンズの各帯の位置は、中心からの距離をｒとすると次式で表される。
【０００５】
ｒ＝（２ｎｆλ十ｎ２λ２）１／２ …（１）
ここで、λは光の波長、ｆはレンズの焦点距離、ｎは正の整数で、中心から何番目の帯であるかを示す。フレネルレンズは、内側の低周波数領域では屈折、外側の高周波数領域では回折の効果が大きく寄与して波面を変換する集光素子である。設計通りの形状が再現できれば、ほぼ１００％に近い効率が得られるが、図７（ｂ）のフレネルレンズ７２のような連続的な曲面や、傾斜の異なる斜面などを忠実に再現するのは困難で、素子の小型化、微細化が進むなか、焦点距離やレンズ径などの異なる素子の集積化を考えると、実用的にはほぼ不可能である。
【０００６】
これに対して、図７（ｃ）に示した位相型フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）７３は、回折効果のみで波面変換を行う素子で、（ｂ）のフレネルレンズ７２を０、πの２値の位相で近似したものと考えることができる。この素子では、（ｃ）に示すごとく、深さが一定の溝を形成すればよいので、微細化、集積化した場合にも、従来の半導体の大規模集積回路（ＬＳＩ）におけるプロセス技術、リソグラフィ技術を使えば比較的容易に製作できる。しかし、特に中心部で回折効果が少ないため、設計通りに形成できた場合でも、４０．５％と効率が低い。
【０００７】
そこで、ＬＳＩのリソグラフィ技術を用いて少しでも効率の高い素子を作るため、（ｂ）の理想形状を階段型形状で近似した図７（ｄ）に示すデジタルブレーズド素子７４が作られるようになった。
【０００８】
図７（ｄ）は、簡単のため４段階近似の場合を図示したものである。実際には、８段階、１６段階などが試作されている。これらの素子は、露光によるレジストパターン形成と、それをマスクとしたエッチング工程をｎ回繰り返すことにより、２ｎ段階の近似形状を形成する。４段階、８段階、１６段階と上がるにつれ、理論上の回折効率は、８１％、９５％、９９％と向上するが、その分、必要とするマスク数や工程数も２回、３回、４回と増えていき、それに伴い、マスク精度や、重ね合わせの精度も要求され、コストの上昇は避けられない。
【０００９】
ここまでは、光学素子として有効に機能するための位相差を、厚みを変えることで調整する素子について述べた。しかし、位相差は、素子の厚みと屈折率によって決まるため、厚みを一定とし、屈折率を変えることで位相差を調整する方法も考えられる。
【００１０】
図７（ｅ）、（ｆ）は、素子媒質の屈折率を変化させることで、光路差を変調しようという屈折率変化素子７５を示し、図７（ｅ）はその厚さを、図７（ｆ）はその屈折率を示す。
【００１１】
このような素子が設計通り実現できれば効率は１００％に達すると考えられる。例えば、素子媒質の屈折率を変化させるのは選択的に拡散するイオン交換法等により行われる。この方法では屈折率分布を中心部から周辺部に向かって一様に変化させ、基板表面に単純な円形のレンズ素子を形成することは可能である。しかし、屈折率分布の勾配を場所によって任意に制御することは困難なため、様々な要求に対応するレンズ素子を集積化して形成することや、図７（ｆ）に示すような局所的な屈折率分布を実現することは不可能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上、述べてきたように従来の位相型光学素子では、連続的に位相が変化するものは製作が困難である。また、段階的に位相が多値に変化するものは、位相のレベル数を減らせば、効率が低くなり、レベル数を増やせば製作工程数が増え、コストが上昇し、製作が困難になるという問題点があった。
【００１３】
本発明は上記の問題点に鑑みて創案されたもので、その目的は、製作工程数が少なく、製作が比較的容易で、集積化が可能な、回折効率の高い光学素子を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、使用する光の波長よりも短い周期を持つ２値構造により、透過または反射する光の位相を制御して光学素子を形成する。
【００１５】
すなわち、本発明の光学素子は、基板の表面に２値構造を有し、前記２値構造の分布状態を変化させて、前記基板の実効的な屈折率を前記表面内の位置によって変化させ、入射光の波面を変化させる光学素子であって、前記２値構造は、１組の２値構造の前記表面の一方向の寸法が前記入射光の波長以下の微細構造であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記表面には、光学素子としての機能を持たせるための前記実効的な屈折率の値が最大値から最小値まで緩やかに変化する領域が複数同一方向に並んで存在し、その各領域の中に前記実効的な屈折率の制御のための前記入射光の波長以下の微細構造の周期的な繰り返しが組み込まれ、前記微細構造の周期的な繰り返しの中で前記微細構造のパタン分布に変化があることを特徴とする。
【００１７】
また、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が１次元であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が平行であることを特徴とする。
【００１９】
また、前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が垂直であることを特徴とする。
【００２０】
また、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が２次元であることを特徴とする。
【００２１】
また、前記２値構造は前記表面のエッチングにより形成されることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記２値構造は前記表面上に設けた薄膜により形成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明では、上記の構造により、イオン交換や熱拡散などによる屈折率制御を行わず、また中間厚みも必要としないため、通常のリソグラフィの方法を用いて比較的容易に、回折効率の高い微細な光学素子を作製できる。また、集積化も可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２５】
図１は、本発明の基本的な考え方となる人工屈折率制御構造（ＡＲＩ構造）による光学素子形成の概念を示す図である。
【００２６】
一般に透過型の回折格子１０に光２が入射すると、入射方向からの開き角θの方向に回折光３が出射される。
【００２７】
このとき、回折角θは、光の波長λと格子の周期ｐを用いて
ｓｉｎθ＝ｍλ／ｐ …（２）
で表される。ｍは回折の次数で、ｍ＝１の場合の１次回折光が最も小さい角度方向に伝搬する。
【００２８】
しかし、式（２）からもわかるように、格子の周期ｐが短くなるほど１次回折光の角度θは大きくなる。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、入射光の波長λより周期ｐが短くなると、ｓｉｎθ＞１となり、１次回折光３が消滅する。１次回折光３がなくなると、この回折格子１を通過する光は０次光４だけとなる。
【００３０】
入射光の波長λに比べて格子の周期ｐが充分短いとき、この回折格子１は均質な媒質のように振る舞い、回折格子１を透過した０次光４は、回折格子１を形成する物質の屈折率よりも小さい（空気の屈折率に近い）屈折率の媒質を透過したのと同様の位相変調を受ける。
【００３１】
すなわち、図１（ｂ）の回折格子１は、物質の屈折率ｎｍと周囲の屈折率ｎ０との中間値を持つ均質な媒質のように振る舞う。ここで、回折格子の物質部分をパタン部と呼ぶことにすると、格子のパタン密度を変えることで、見かけ上の屈折率を制御することができる。この性質を利用して、場所によって実効的な屈折率を変えることで光学素子を作ることができる。
【００３２】
従来技術のところで説明したように、図７（ｆ）に示すような屈折率分布を、イオン交換など物質の組成を変えることで直接屈折率を変化させるのではなく、使用する光の波長より短い周期を持つ２値の位相格子により、実効的な屈折率を変化させて、例えば図７（ｆ）と同等な実効屈折率分布を与え、透過光（または反射光）の位相を変化させることで、その波面を特定の方向に向け、あるいは集光させることができる。図１（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）に示した人工屈折率制御構造を用いてパタン密度を変化させることにより、光学素子を形成する例を示す図である。
【００３３】
すなわち、本発明の光学素子は、基板の表面に２値構造を有し、２値構造の分布状態を変化させて、基板の実効的な屈折率を変化させ、入射光の波面を変化させる光学素子であって、２値構造は、１組の凸と凹の２値構造の表面方向の一方向の寸法が入射光の波長以下の微細構造である。
【００３４】
光学素子の種類としては、通常の回折格子に相当するものや、プリズムに相当するもの、フレネルレンズに相当するもの等、光の進行方向を変化させる素子、光を複数方向に分岐させる素子、集光する素子等、他の方法で作製可能な素子はほとんど全て本発明による実効屈折率制御構造（人工屈折率制御構造）で実現できる。
【００３５】
パタン部の形成は、ＬＳＩなどの集積化された大規模な電気回路を作製するときに利用されるリソグラフィとエッチングの技術によって実現できる。例えば、光通信に使われる波長１．５５μｍの光に対する光学素子を作ろうとするとき、上記式（２）において、１次回折光が消滅するのは、周期ｐが波長λと一致する１．５５μｍであるので、周期ｐをこれよりも小さくする。周期ｐの上限が１．５５μｍであるから、周期ｐは１．５４μｍでも構わないが、より安定した屈折率制御構造を得るためには、周期ｐは波長の１／２より小さいことが望ましい。したがって、周期ｐは０．７７５μｍ以下が望ましい。さらに具体的な数値を挙げると、波長λ＝１．５５μｍに対して、周期ｐ＝０．７μｍとして、位相制御のためのパタン部を場所により０．０５μｍ〜０．６５μｍの範囲で変化させる。ここで、現状のＬＳＩ製造のためのリソグラフィでは、Ｘ線露光や電子ビーム露光法などにより０．１μｍよりさらに微細なパタンを形成できるようになっているため、リソグラフィにより形成可能な微細パタンを０．０５μｍとして考えた。さらに微細なパタンが形成できれば、周期０．７μｍの人工屈折率制御のための周期構造のパタン部を、可能な限り幅広く例えば０．０１μｍ〜０．６９μｍなどの範囲で変化させてもよい。
【００３６】
なお、２値構造は、エッチング等により基板の表面に一体に形成するか、基板表面に設けた薄膜により形成する。以下に示す実施例や図において、基板およびパタン部を形成する部材は、例えば普通のガラス材料、石英（ＳｉＯ２）、ＧａＡｓ等が適用できる。ＨｅＮｅレーザー（波長６３２．８ｎｍ）等の可視光光源を用いる場合は、ガラス、石英、ＳｉＣ、ＧａＮ等の材料が、透過率の面から適している。また、面発光レーザー等、波長が８００〜１０００ｎｍの範囲の光に対しては、やはりこれらの光に対して透明な部材としてガラス、石英の他に、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等が適用できる。さらに長波長側の１μｍを超える波長帯（通信波長１．３μｍ、１．５５μｍなど）では、上述の材料に加えて、ＳｉやＩｎＰ等を用いることができる。以上具体的な材料の例を示したが、実際には基板となる部材は、透過光学系においては、入射させる波長の光を一部でも透過するものであれば何でもよく、反射光学系においては、後で、表面に反射膜をコートすることができるので材質を選ばない。また、人工屈折率制御構造のためのパタン部（格子部）は、上記基板を彫り込んで形成するために基板部と同じ材質でもよく、また、基板部に他の材質を貼り付けたり、塗布するなどの方法で形成するために基板部と異なる材質でも構わない。
【００３７】
さらに、パタン部の形成方法について説明を補充すると、エッチング、感光材の露光現像、モールド（型押し）等が挙げられる。さらに、貼り付け、塗布して形成する場合の材料としては、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン：感光性有り）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ（紫外線にも電子ビームにも感度有り、レジストとして使用可能）等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマーが挙げられ、また、塗布可能なガラス材としてＳＯＧ（スピン オン グラス）等が挙げられる。
【００３８】
【実施例】
以下具体的な例を挙げて、本人工屈折率制御構造による光学素子について説明する。
【００３９】
なお、以下で使用する２つの言葉「素子周期方向」、「構造周期方向」について説明する。
【００４０】
「素子周期方向」は、光学素子としての機能を持たせるために位相変調させる方向、すなわち、屈折率勾配の方向、実効的な屈折率の変化の繰り返し方向のことである。１次元回折格子（グレーティング）など位相変調が周期的である場合は、素子周期方向という言葉が当てはまるが、フレネルレンズなどのように位相変調が周期的でない場合についても便宜的にこの言葉を使うことにする。
【００４１】
「構造周期方向」は、屈折率制御のための微細構造の周期方向、すなわち、パタン分割方向、微細構造のパタン分布の変化の方向のことである。
【００４２】
実施例１（１次元回折格子：平行ＡＲＩ構造）
人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）に一致する例を図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、レンズ機能のない１次元等間隔回折格子（グレーティング）を人工屈折率制御構造で形成した２例であり、素子周期は一定である。５は１次元回折格子、６は基板である。（ａ）、（ｂ）は素子の一部分を上から見た図、（ｃ）は（ａ）の断面図である。
【００４３】
一素子周期内の屈折率勾配もしくは位相差勾配が線形の回折格子では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、一素子周期内を波長以下の人工屈折率制御構造周期に分割し、分割された各々の構造周期内に順次要求される位相差を与えるような線幅の線パタンを形成することで、図２（ｄ）にその断面図を示すような位相回折格子７と同等の機能を持つ光学素子ができる。
【００４４】
図２（ａ）と（ｂ）の違いは、次の通りである。（ａ）では一構造周期内での線パタンを必ず構造周期内の位相差の大きい方の端に接するという規則を設けて線パタンを配置しているため、付与すべき位相差が決まればそれ以外の自由度はなく一意的に線パタン配置が決まる。一方、（ｂ）では（ａ）のような規則を設けず、一構造周期内での線パタンの配置位置を自由度として残したため、例えば光学素子としての回折効率を最大にするような配置位置の最適化をすることができる。
【００４５】
（１次元レンズ：平行ＡＲＩ構造）
また、この他にも直角座標での１次元素子で１方向にのみ集光機能を持った１次元レンズ（またはシリンドリカルレンズ）に相当するような光学素子を、上述のような人工屈折率制御の構造周期方向が素子周期方向に一致する構造で形成する例も同様に考えられる。
【００４６】
図には示さないが、図２（ａ）や（ｂ）において、各素子周期が一定でなく、集光機能を持つように、直角座標での１方向の端点の座標値が上述の式（１）で与えられるようなマクロ構造とし、その各帯内は、図２（ａ）、（ｂ）と同様のＡＲＩ構造とする例も考えられる。
【００４７】
実施例２（フレネルレンズ：平行ＡＲＩ構造）
人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）に一致する他の例を図３に示す。
【００４８】
図３（ａ）は、集光機能のあるフレネルレンズを人工屈折率制御構造で形成した例である。８はフレネルレンズである。
【００４９】
このような光学素子は、図２の場合（直角座標）とは、座標系の異なる極座標での１次元素子と考えることができる。
【００５０】
この光学素子における周期は一定ではなく、その輪帯の端点の位置は、上述の式（１）で決まる。
【００５１】
この実施例では、屈折率勾配の方向が動径方向なので、人工屈折率制御の構造周期の方向も動径方向となり、一素子周期内を動径方向に波長以下の周期に分割し、分割された各々の構造周期内に順次要求される位相差を与えるような線幅の円周パタンを形成することで、図３（ｂ）に上から見た図、（ｃ）にその断面図を示すような厚みにより位相を制御した通常のフレネルレンズ９と同等の機能を持つ光学素子ができる。なお、図３（ｂ）における濃淡は、フレネルレンズ９の厚みの大小を表す。
【００５２】
ここでは、図の複雑さと重複を避けるため、一構造周期内での円周パタンを、必ず一構造周期内の位相差の大きい方の端に接するという規則を設けて、円周パタンを配置した例のみを挙げたが、実施例１の場合と同様、一構造周期内のどの部分に円周パタンを配置するかをあらかじめ決めずに自由度として残す素子も考えられる。
【００５３】
また、図３（ａ）に示した構造の外側にも同様な円周パタンの繰り返しをさらに有する場合があることは言うまでもない。
【００５４】
実施例３（１次元回折格子：直交ＡＲＩ）
次に、人工屈折率制御の構造周期方向が光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）と直交するような素子の例を図４に示す。
【００５５】
図４（ａ）は図２と同様の等間隔回折格子を人工屈折率制御構造により実現した例を示す上面図である。１１は１次元回折格子である。
【００５６】
この場合は、屈折率勾配の方向に対し、垂直方向に人工屈折率制御構造の周期を設定しているので、各構造周期内の屈折率勾配は、全て等しく、図のように素子周期内の屈折率勾配をそのままパタン率に変換したような形になる。
【００５７】
図４（ｂ）は（ａ）の一周期内パタン１２の拡大図であり、どちらか決められた一端からパタンを配置するという配置規則を課したものである。
【００５８】
図４（Ｃ）は、同じく一周期分のパタン１２の拡大図であるが、こちらは、パタンを中心部に寄せるという規則で配置している。このように、屈折率勾配をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら２種類にこだわらず自由な配置が可能である。
【００５９】
（１次元レンズ：直交ＡＲＩ）
また、この他にも直角座標での１次元素子で１方向にのみ集光機能を持った１次元レンズ（またはシリンドリカルレンズ）に相当するような光学素子を、上述のような人工屈折率制御の構造周期方向が素子周期方向と直交する構造で形成する例も同様に考えられる。これを図４（ｄ）に示す（上面図）。１３は１次元レンズである。この例においても、内部のパタン１２の形状は、図４（ｂ）や（Ｃ）に示すような構造や、それ以外でも屈折率勾配をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら２種類にこだわらず自由な配置が可能である。
【００６０】
実施例４（フレネルレンズ：直交ＡＲＩ）
実施例３と同様に、人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）と直交するような素子の他の例を図５に示す。
【００６１】
この実施例は、実施例２の図３と同様の機能を持つフレネルレンズを、ＡＲＩ構造周期方向が素子周期方向と直交するような構造で形成した例である。１４はフレネルレンズ、１５は厚みにより位相を制御した通常のフレネルレンズである。図５（ｂ）に上から見た図、（ｃ）にその断面図を示すような位相フレネルレンズ１５と同等の機能を持つ光学素子ができる。なお、図５（ｂ）における濃淡は、フレネルレンズ１５の厚みの大小を表す。
【００６２】
内部構造の配置については、図４（ｂ）、（ｃ）のような構造や、他にも屈折率勾配をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら２種類にこだわらず自由な配置が可能である。
【００６３】
また、図３（ａ）では、パタン１２をフレネルレンズ１４の中心部にしか、図示しなかったが、その外側の円周部にも同様のパタンが形成されることは言うまでもない。さらに、図３（ａ）に示した構造の外側にも同様なパタンの繰り返しをさらに有する場合があることは言うまでもない。
【００６４】
実施例５
次にこれまでの例とは多少異なる、より複雑な実施例について記載する。これまでに挙げた実施例は人工屈折率制御の構造周期方向（Ａ）が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）（Ｂ）と、一致する（すなわち、平行である：Ａ‖Ｂ）かあるいは直交する（Ａ⊥Ｂ）かどちらかの例であったが、本実施例では、Ａ方向が、Ｂ方向に一致する方向と、それに直交する方向との２つの方向を持つ２次元的な構造を有する例である。
【００６５】
図６では、図の複雑さを避けるため、１次元回折格子の例のみを挙げる。１６、１７はそれぞれ１次元回折格子である。これまでに挙げた１次元レンズやフレネルレンズ（円形）に対しても同様の規則でＡＲＩ構造を実現できる。
【００６６】
図６（ａ）は、人工屈折率制御構造の一構造内での高屈折率材料パタンの配置自由度を平行方向と直角方向の２つの自由度とし、優先順位を付けた例であり、図６（ｂ）は、パタンの配置自由度を正方形の面積とすることで一自由度とした例である。
【００６７】
なお、上記「素子周期方向」および「構造周期方向」について説明を補充すると、図２（ａ）、図４（ａ）を対比すると分かりやすい。これら２つの図面は、どちらも同じ機能を有する１次元回折格子を実現するための構造である。両構造の素子周期方向は同一であるが、構造周期方向が異なる。すなわち、図２（ａ）の方は、素子周期方向と構造周期方向とが一致（平行）、図４（ａ）の方は、素子周期方向と構造周期方向とが垂直である。
【００６８】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、図４（ａ）、（ｄ）、図５（ａ）、図６（ａ）、（ｂ）はすべて光学素子の一部を例示したものであり、これらの繰り返しがその周囲に縦方向、横方向に続いていることは言うまでもない。また、これらのパターンは複数組み合わせて形成してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、イオン交換や熱拡散などによる屈折率制御を行わず、また中間厚みも必要としないため、通常のリソグラフィの方法を用いて比較的容易に、回折効率の高い微細な光学素子を作製できると共に、これを集積化することも可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な考え方となる人工屈折率制御構造による光学素子形成の概念を示す図である。
【図２】本発明による第１の実施例の光学素子（１次元回折格子）を示す図である。
【図３】本発明による第２の実施例の光学素子（フレネルレンズ）を示す図である。
【図４】本発明による第３の実施例の光学素子（１次元回折格子、１次元レンズ）を示す図である。
【図５】本発明による第４の実施例の光学素子（フレネルレンズ）を示す図である。
【図６】本発明による第５の実施例の光学素子（１次元回折格子）を示す図である。
【図７】従来の光学素子（フレネルレンズ）を説明するための図である。
【符号の説明】
１…回折格子、２…光、３…１次回折光、４…０次光、５…１次元回折格子、６…基板、７…回折格子、８…フレネルレンズ、９…フレネルレンズ、１０…回折格子、１１…１次元回折格子、１２…パタン、１３…１次元レンズ、１４…フレネルレンズ、１５…フレネルレンズ、１６、１７…１次元回折格子、７１…レンズ、７２…フレネルレンズ、７３…位相型フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）、７４…デジタルブレーズド素子、７５…屈折率変化素子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、微小光学素子の設計に係り、例えば、ＬＳＩのチップ間、チップを複数搭載したボード間、あるいはボードを装着した架間や装置間における光接続や光通信など、光信号を用いるあらゆる分野にわたる微小光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７は従来の光学素子を説明するための図である。
【０００３】
微小光学素子は、図７（ａ）に示すようなレンズ７１などの屈折型光学素子では、厚さが厚くなりすぎる等の理由から、使用する光の波長の整数倍の光路差に相当する厚さ分を取り除き、図７（ｂ）に示すような最大の厚みが光路差一波長分に相当する位相フレネルレンズ７２を用いるのが理想的である。
【０００４】
フレネルレンズの各帯の位置は、中心からの距離をｒとすると次式で表される。
【０００５】
ｒ＝（２ｎｆλ十ｎ２λ２）１／２ …（１）
ここで、λは光の波長、ｆはレンズの焦点距離、ｎは正の整数で、中心から何番目の帯であるかを示す。フレネルレンズは、内側の低周波数領域では屈折、外側の高周波数領域では回折の効果が大きく寄与して波面を変換する集光素子である。設計通りの形状が再現できれば、ほぼ１００％に近い効率が得られるが、図７（ｂ）のフレネルレンズ７２のような連続的な曲面や、傾斜の異なる斜面などを忠実に再現するのは困難で、素子の小型化、微細化が進むなか、焦点距離やレンズ径などの異なる素子の集積化を考えると、実用的にはほぼ不可能である。
【０００６】
これに対して、図７（ｃ）に示した位相型フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）７３は、回折効果のみで波面変換を行う素子で、（ｂ）のフレネルレンズ７２を０、πの２値の位相で近似したものと考えることができる。この素子では、（ｃ）に示すごとく、深さが一定の溝を形成すればよいので、微細化、集積化した場合にも、従来の半導体の大規模集積回路（ＬＳＩ）におけるプロセス技術、リソグラフィ技術を使えば比較的容易に製作できる。しかし、特に中心部で回折効果が少ないため、設計通りに形成できた場合でも、４０．５％と効率が低い。
【０００７】
そこで、ＬＳＩのリソグラフィ技術を用いて少しでも効率の高い素子を作るため、（ｂ）の理想形状を階段型形状で近似した図７（ｄ）に示すデジタルブレーズド素子７４が作られるようになった。
【０００８】
図７（ｄ）は、簡単のため４段階近似の場合を図示したものである。実際には、８段階、１６段階などが試作されている。これらの素子は、露光によるレジストパターン形成と、それをマスクとしたエッチング工程をｎ回繰り返すことにより、２ｎ段階の近似形状を形成する。４段階、８段階、１６段階と上がるにつれ、理論上の回折効率は、８１％、９５％、９９％と向上するが、その分、必要とするマスク数や工程数も２回、３回、４回と増えていき、それに伴い、マスク精度や、重ね合わせの精度も要求され、コストの上昇は避けられない。
【０００９】
ここまでは、光学素子として有効に機能するための位相差を、厚みを変えることで調整する素子について述べた。しかし、位相差は、素子の厚みと屈折率によって決まるため、厚みを一定とし、屈折率を変えることで位相差を調整する方法も考えられる。
【００１０】
図７（ｅ）、（ｆ）は、素子媒質の屈折率を変化させることで、光路差を変調しようという屈折率変化素子７５を示し、図７（ｅ）はその厚さを、図７（ｆ）はその屈折率を示す。
【００１１】
このような素子が設計通り実現できれば効率は１００％に達すると考えられる。例えば、素子媒質の屈折率を変化させるのは選択的に拡散するイオン交換法等により行われる。この方法では屈折率分布を中心部から周辺部に向かって一様に変化させ、基板表面に単純な円形のレンズ素子を形成することは可能である。しかし、屈折率分布の勾配を場所によって任意に制御することは困難なため、様々な要求に対応するレンズ素子を集積化して形成することや、図７（ｆ）に示すような局所的な屈折率分布を実現することは不可能である。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上、述べてきたように従来の位相型光学素子では、連続的に位相が変化するものは製作が困難である。また、段階的に位相が多値に変化するものは、位相のレベル数を減らせば、効率が低くなり、レベル数を増やせば製作工程数が増え、コストが上昇し、製作が困難になるという問題点があった。
【００１３】
本発明は上記の問題点に鑑みて創案されたもので、その目的は、製作工程数が少なく、製作が比較的容易で、集積化が可能な、回折効率の高い光学素子を得ることにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために、本発明では、使用する光の波長よりも短い周期を持つ２値構造により、透過または反射する光の位相を制御して光学素子を形成する。
【００１５】
すなわち、本発明の光学素子は、基板の表面に２値構造を有し、前記２値構造の分布状態を変化させて、前記基板の実効的な屈折率を前記表面内の位置によって変化させ、入射光の波面を変化させる光学素子であって、前記２値構造は、１組の２値構造の前記表面の一方向の寸法が前記入射光の波長以下の微細構造であることを特徴とする。
【００１６】
また、前記表面には、光学素子としての機能を持たせるための前記実効的な屈折率の値が最大値から最小値まで緩やかに変化する領域が複数同一方向に並んで存在し、その各領域の中に前記実効的な屈折率の制御のための前記入射光の波長以下の微細構造の周期的な繰り返しが組み込まれ、前記微細構造の周期的な繰り返しの中で前記微細構造のパタン分布に変化があることを特徴とする。
【００１７】
また、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が１次元であることを特徴とする。
【００１８】
また、前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が平行であることを特徴とする。
【００１９】
また、前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が垂直であることを特徴とする。
【００２０】
また、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が２次元であることを特徴とする。
【００２１】
また、前記２値構造は前記表面のエッチングにより形成されることを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記２値構造は前記表面上に設けた薄膜により形成されることを特徴とする。
【００２３】
本発明では、上記の構造により、イオン交換や熱拡散などによる屈折率制御を行わず、また中間厚みも必要としないため、通常のリソグラフィの方法を用いて比較的容易に、回折効率の高い微細な光学素子を作製できる。また、集積化も可能である。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態について詳細に説明する。なお、以下で説明する図面で、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
【００２５】
図１は、本発明の基本的な考え方となる人工屈折率制御構造（ＡＲＩ構造）による光学素子形成の概念を示す図である。
【００２６】
一般に透過型の回折格子１０に光２が入射すると、入射方向からの開き角θの方向に回折光３が出射される。
【００２７】
このとき、回折角θは、光の波長λと格子の周期ｐを用いて
ｓｉｎθ＝ｍλ／ｐ …（２）
で表される。ｍは回折の次数で、ｍ＝１の場合の１次回折光が最も小さい角度方向に伝搬する。
【００２８】
しかし、式（２）からもわかるように、格子の周期ｐが短くなるほど１次回折光の角度θは大きくなる。
【００２９】
図１（ｂ）に示すように、入射光の波長λより周期ｐが短くなると、ｓｉｎθ＞１となり、１次回折光３が消滅する。１次回折光３がなくなると、この回折格子１を通過する光は０次光４だけとなる。
【００３０】
入射光の波長λに比べて格子の周期ｐが充分短いとき、この回折格子１は均質な媒質のように振る舞い、回折格子１を透過した０次光４は、回折格子１を形成する物質の屈折率よりも小さい（空気の屈折率に近い）屈折率の媒質を透過したのと同様の位相変調を受ける。
【００３１】
すなわち、図１（ｂ）の回折格子１は、物質の屈折率ｎｍと周囲の屈折率ｎ０との中間値を持つ均質な媒質のように振る舞う。ここで、回折格子の物質部分をパタン部と呼ぶことにすると、格子のパタン密度を変えることで、見かけ上の屈折率を制御することができる。この性質を利用して、場所によって実効的な屈折率を変えることで光学素子を作ることができる。
【００３２】
従来技術のところで説明したように、図７（ｆ）に示すような屈折率分布を、イオン交換など物質の組成を変えることで直接屈折率を変化させるのではなく、使用する光の波長より短い周期を持つ２値の位相格子により、実効的な屈折率を変化させて、例えば図７（ｆ）と同等な実効屈折率分布を与え、透過光（または反射光）の位相を変化させることで、その波面を特定の方向に向け、あるいは集光させることができる。図１（ｃ）は、図１（ａ）、（ｂ）に示した人工屈折率制御構造を用いてパタン密度を変化させることにより、光学素子を形成する例を示す図である。
【００３３】
すなわち、本発明の光学素子は、基板の表面に２値構造を有し、２値構造の分布状態を変化させて、基板の実効的な屈折率を変化させ、入射光の波面を変化させる光学素子であって、２値構造は、１組の凸と凹の２値構造の表面方向の一方向の寸法が入射光の波長以下の微細構造である。
【００３４】
光学素子の種類としては、通常の回折格子に相当するものや、プリズムに相当するもの、フレネルレンズに相当するもの等、光の進行方向を変化させる素子、光を複数方向に分岐させる素子、集光する素子等、他の方法で作製可能な素子はほとんど全て本発明による実効屈折率制御構造（人工屈折率制御構造）で実現できる。
【００３５】
パタン部の形成は、ＬＳＩなどの集積化された大規模な電気回路を作製するときに利用されるリソグラフィとエッチングの技術によって実現できる。例えば、光通信に使われる波長１．５５μｍの光に対する光学素子を作ろうとするとき、上記式（２）において、１次回折光が消滅するのは、周期ｐが波長λと一致する１．５５μｍであるので、周期ｐをこれよりも小さくする。周期ｐの上限が１．５５μｍであるから、周期ｐは１．５４μｍでも構わないが、より安定した屈折率制御構造を得るためには、周期ｐは波長の１／２より小さいことが望ましい。したがって、周期ｐは０．７７５μｍ以下が望ましい。さらに具体的な数値を挙げると、波長λ＝１．５５μｍに対して、周期ｐ＝０．７μｍとして、位相制御のためのパタン部を場所により０．０５μｍ〜０．６５μｍの範囲で変化させる。ここで、現状のＬＳＩ製造のためのリソグラフィでは、Ｘ線露光や電子ビーム露光法などにより０．１μｍよりさらに微細なパタンを形成できるようになっているため、リソグラフィにより形成可能な微細パタンを０．０５μｍとして考えた。さらに微細なパタンが形成できれば、周期０．７μｍの人工屈折率制御のための周期構造のパタン部を、可能な限り幅広く例えば０．０１μｍ〜０．６９μｍなどの範囲で変化させてもよい。
【００３６】
なお、２値構造は、エッチング等により基板の表面に一体に形成するか、基板表面に設けた薄膜により形成する。以下に示す実施例や図において、基板およびパタン部を形成する部材は、例えば普通のガラス材料、石英（ＳｉＯ２）、ＧａＡｓ等が適用できる。ＨｅＮｅレーザー（波長６３２．８ｎｍ）等の可視光光源を用いる場合は、ガラス、石英、ＳｉＣ、ＧａＮ等の材料が、透過率の面から適している。また、面発光レーザー等、波長が８００〜１０００ｎｍの範囲の光に対しては、やはりこれらの光に対して透明な部材としてガラス、石英の他に、ＳｉＣ、ＳｉＮ、ＧａＡｓ、ＧａＮ等が適用できる。さらに長波長側の１μｍを超える波長帯（通信波長１．３μｍ、１．５５μｍなど）では、上述の材料に加えて、ＳｉやＩｎＰ等を用いることができる。以上具体的な材料の例を示したが、実際には基板となる部材は、透過光学系においては、入射させる波長の光を一部でも透過するものであれば何でもよく、反射光学系においては、後で、表面に反射膜をコートすることができるので材質を選ばない。また、人工屈折率制御構造のためのパタン部（格子部）は、上記基板を彫り込んで形成するために基板部と同じ材質でもよく、また、基板部に他の材質を貼り付けたり、塗布するなどの方法で形成するために基板部と異なる材質でも構わない。
【００３７】
さらに、パタン部の形成方法について説明を補充すると、エッチング、感光材の露光現像、モールド（型押し）等が挙げられる。さらに、貼り付け、塗布して形成する場合の材料としては、フッ素化ポリイミド等のポリイミド、ＢＣＢ（ベンゾシクロブテン：感光性有り）、光硬化性樹脂、ＵＶエポキシ樹脂、ＰＭＭＡ（紫外線にも電子ビームにも感度有り、レジストとして使用可能）等のアクリル樹脂、レジスト全般などのポリマーが挙げられ、また、塗布可能なガラス材としてＳＯＧ（スピン オン グラス）等が挙げられる。
【００３８】
【実施例】
以下具体的な例を挙げて、本人工屈折率制御構造による光学素子について説明する。
【００３９】
なお、以下で使用する２つの言葉「素子周期方向」、「構造周期方向」について説明する。
【００４０】
「素子周期方向」は、光学素子としての機能を持たせるために位相変調させる方向、すなわち、屈折率勾配の方向、実効的な屈折率の変化の繰り返し方向のことである。１次元回折格子（グレーティング）など位相変調が周期的である場合は、素子周期方向という言葉が当てはまるが、フレネルレンズなどのように位相変調が周期的でない場合についても便宜的にこの言葉を使うことにする。
【００４１】
「構造周期方向」は、屈折率制御のための微細構造の周期方向、すなわち、パタン分割方向、微細構造のパタン分布の変化の方向のことである。
【００４２】
実施例１（１次元回折格子：平行ＡＲＩ構造）
人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）に一致する例を図２に示す。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ、レンズ機能のない１次元等間隔回折格子（グレーティング）を人工屈折率制御構造で形成した２例であり、素子周期は一定である。５は１次元回折格子、６は基板である。（ａ）、（ｂ）は素子の一部分を上から見た図、（ｃ）は（ａ）の断面図である。
【００４３】
一素子周期内の屈折率勾配もしくは位相差勾配が線形の回折格子では、図２（ａ）〜（ｃ）に示すように、一素子周期内を波長以下の人工屈折率制御構造周期に分割し、分割された各々の構造周期内に順次要求される位相差を与えるような線幅の線パタンを形成することで、図２（ｄ）にその断面図を示すような位相回折格子７と同等の機能を持つ光学素子ができる。
【００４４】
図２（ａ）と（ｂ）の違いは、次の通りである。（ａ）では一構造周期内での線パタンを必ず構造周期内の位相差の大きい方の端に接するという規則を設けて線パタンを配置しているため、付与すべき位相差が決まればそれ以外の自由度はなく一意的に線パタン配置が決まる。一方、（ｂ）では（ａ）のような規則を設けず、一構造周期内での線パタンの配置位置を自由度として残したため、例えば光学素子としての回折効率を最大にするような配置位置の最適化をすることができる。
【００４５】
（１次元レンズ：平行ＡＲＩ構造）
また、この他にも直角座標での１次元素子で１方向にのみ集光機能を持った１次元レンズ（またはシリンドリカルレンズ）に相当するような光学素子を、上述のような人工屈折率制御の構造周期方向が素子周期方向に一致する構造で形成する例も同様に考えられる。
【００４６】
図には示さないが、図２（ａ）や（ｂ）において、各素子周期が一定でなく、集光機能を持つように、直角座標での１方向の端点の座標値が上述の式（１）で与えられるようなマクロ構造とし、その各帯内は、図２（ａ）、（ｂ）と同様のＡＲＩ構造とする例も考えられる。
【００４７】
実施例２（フレネルレンズ：平行ＡＲＩ構造）
人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）に一致する他の例を図３に示す。
【００４８】
図３（ａ）は、集光機能のあるフレネルレンズを人工屈折率制御構造で形成した例である。８はフレネルレンズである。
【００４９】
このような光学素子は、図２の場合（直角座標）とは、座標系の異なる極座標での１次元素子と考えることができる。
【００５０】
この光学素子における周期は一定ではなく、その輪帯の端点の位置は、上述の式（１）で決まる。
【００５１】
この実施例では、屈折率勾配の方向が動径方向なので、人工屈折率制御の構造周期の方向も動径方向となり、一素子周期内を動径方向に波長以下の周期に分割し、分割された各々の構造周期内に順次要求される位相差を与えるような線幅の円周パタンを形成することで、図３（ｂ）に上から見た図、（ｃ）にその断面図を示すような厚みにより位相を制御した通常のフレネルレンズ９と同等の機能を持つ光学素子ができる。なお、図３（ｂ）における濃淡は、フレネルレンズ９の厚みの大小を表す。
【００５２】
ここでは、図の複雑さと重複を避けるため、一構造周期内での円周パタンを、必ず一構造周期内の位相差の大きい方の端に接するという規則を設けて、円周パタンを配置した例のみを挙げたが、実施例１の場合と同様、一構造周期内のどの部分に円周パタンを配置するかをあらかじめ決めずに自由度として残す素子も考えられる。
【００５３】
また、図３（ａ）に示した構造の外側にも同様な円周パタンの繰り返しをさらに有する場合があることは言うまでもない。
【００５４】
実施例３（１次元回折格子：直交ＡＲＩ）
次に、人工屈折率制御の構造周期方向が光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）と直交するような素子の例を図４に示す。
【００５５】
図４（ａ）は図２と同様の等間隔回折格子を人工屈折率制御構造により実現した例を示す上面図である。１１は１次元回折格子である。
【００５６】
この場合は、屈折率勾配の方向に対し、垂直方向に人工屈折率制御構造の周期を設定しているので、各構造周期内の屈折率勾配は、全て等しく、図のように素子周期内の屈折率勾配をそのままパタン率に変換したような形になる。
【００５７】
図４（ｂ）は（ａ）の一周期内パタン１２の拡大図であり、どちらか決められた一端からパタンを配置するという配置規則を課したものである。
【００５８】
図４（Ｃ）は、同じく一周期分のパタン１２の拡大図であるが、こちらは、パタンを中心部に寄せるという規則で配置している。このように、屈折率勾配をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら２種類にこだわらず自由な配置が可能である。
【００５９】
（１次元レンズ：直交ＡＲＩ）
また、この他にも直角座標での１次元素子で１方向にのみ集光機能を持った１次元レンズ（またはシリンドリカルレンズ）に相当するような光学素子を、上述のような人工屈折率制御の構造周期方向が素子周期方向と直交する構造で形成する例も同様に考えられる。これを図４（ｄ）に示す（上面図）。１３は１次元レンズである。この例においても、内部のパタン１２の形状は、図４（ｂ）や（Ｃ）に示すような構造や、それ以外でも屈折率勾配をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら２種類にこだわらず自由な配置が可能である。
【００６０】
実施例４（フレネルレンズ：直交ＡＲＩ）
実施例３と同様に、人工屈折率制御の構造周期方向が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）と直交するような素子の他の例を図５に示す。
【００６１】
この実施例は、実施例２の図３と同様の機能を持つフレネルレンズを、ＡＲＩ構造周期方向が素子周期方向と直交するような構造で形成した例である。１４はフレネルレンズ、１５は厚みにより位相を制御した通常のフレネルレンズである。図５（ｂ）に上から見た図、（ｃ）にその断面図を示すような位相フレネルレンズ１５と同等の機能を持つ光学素子ができる。なお、図５（ｂ）における濃淡は、フレネルレンズ１５の厚みの大小を表す。
【００６２】
内部構造の配置については、図４（ｂ）、（ｃ）のような構造や、他にも屈折率勾配をパタン面積率に置き換えた配置であれば、これら２種類にこだわらず自由な配置が可能である。
【００６３】
また、図３（ａ）では、パタン１２をフレネルレンズ１４の中心部にしか、図示しなかったが、その外側の円周部にも同様のパタンが形成されることは言うまでもない。さらに、図３（ａ）に示した構造の外側にも同様なパタンの繰り返しをさらに有する場合があることは言うまでもない。
【００６４】
実施例５
次にこれまでの例とは多少異なる、より複雑な実施例について記載する。これまでに挙げた実施例は人工屈折率制御の構造周期方向（Ａ）が、光学素子形成のための素子周期方向（屈折率勾配の方向）（Ｂ）と、一致する（すなわち、平行である：Ａ‖Ｂ）かあるいは直交する（Ａ⊥Ｂ）かどちらかの例であったが、本実施例では、Ａ方向が、Ｂ方向に一致する方向と、それに直交する方向との２つの方向を持つ２次元的な構造を有する例である。
【００６５】
図６では、図の複雑さを避けるため、１次元回折格子の例のみを挙げる。１６、１７はそれぞれ１次元回折格子である。これまでに挙げた１次元レンズやフレネルレンズ（円形）に対しても同様の規則でＡＲＩ構造を実現できる。
【００６６】
図６（ａ）は、人工屈折率制御構造の一構造内での高屈折率材料パタンの配置自由度を平行方向と直角方向の２つの自由度とし、優先順位を付けた例であり、図６（ｂ）は、パタンの配置自由度を正方形の面積とすることで一自由度とした例である。
【００６７】
なお、上記「素子周期方向」および「構造周期方向」について説明を補充すると、図２（ａ）、図４（ａ）を対比すると分かりやすい。これら２つの図面は、どちらも同じ機能を有する１次元回折格子を実現するための構造である。両構造の素子周期方向は同一であるが、構造周期方向が異なる。すなわち、図２（ａ）の方は、素子周期方向と構造周期方向とが一致（平行）、図４（ａ）の方は、素子周期方向と構造周期方向とが垂直である。
【００６８】
以上本発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。例えば、図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、図４（ａ）、（ｄ）、図５（ａ）、図６（ａ）、（ｂ）はすべて光学素子の一部を例示したものであり、これらの繰り返しがその周囲に縦方向、横方向に続いていることは言うまでもない。また、これらのパターンは複数組み合わせて形成してもよい。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、イオン交換や熱拡散などによる屈折率制御を行わず、また中間厚みも必要としないため、通常のリソグラフィの方法を用いて比較的容易に、回折効率の高い微細な光学素子を作製できると共に、これを集積化することも可能であるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本的な考え方となる人工屈折率制御構造による光学素子形成の概念を示す図である。
【図２】本発明による第１の実施例の光学素子（１次元回折格子）を示す図である。
【図３】本発明による第２の実施例の光学素子（フレネルレンズ）を示す図である。
【図４】本発明による第３の実施例の光学素子（１次元回折格子、１次元レンズ）を示す図である。
【図５】本発明による第４の実施例の光学素子（フレネルレンズ）を示す図である。
【図６】本発明による第５の実施例の光学素子（１次元回折格子）を示す図である。
【図７】従来の光学素子（フレネルレンズ）を説明するための図である。
【符号の説明】
１…回折格子、２…光、３…１次回折光、４…０次光、５…１次元回折格子、６…基板、７…回折格子、８…フレネルレンズ、９…フレネルレンズ、１０…回折格子、１１…１次元回折格子、１２…パタン、１３…１次元レンズ、１４…フレネルレンズ、１５…フレネルレンズ、１６、１７…１次元回折格子、７１…レンズ、７２…フレネルレンズ、７３…位相型フレネルゾーンプレート（ＦＺＰ）、７４…デジタルブレーズド素子、７５…屈折率変化素子。
Claims (8)
- 基板の表面に２値構造を有し、前記２値構造の分布状態を変化させて、前記基板の実効的な屈折率を前記表面内の位置によって変化させ、入射光の波面を変化させる光学素子であって、前記２値構造は、１組の２値構造の前記表面の一方向の寸法が前記入射光の波長以下の微細構造であることを特徴とする光学素子。
- 前記表面には、光学素子としての機能を持たせるための前記実効的な屈折率の値が最大値から最小値まで緩やかに変化する領域が複数同一方向に並んで存在し、その各領域の中に前記実効的な屈折率の制御のための前記入射光の波長以下の微細構造の周期的な繰り返しが組み込まれ、前記微細構造の周期的な繰り返しの中で前記微細構造のパタン分布に変化があることを特徴とする請求項１記載の光学素子。
- 前記微細構造のパタン分布の変化の方向が１次元であることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
- 前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が平行であることを特徴とする請求項３記載の光学素子。
- 前記実効的な屈折率の変化の繰り返しの方向と、前記微細構造のパタン分布の変化の方向が垂直であることを特徴とする請求項３記載の光学素子。
- 前記微細構造のパタン分布の変化の方向が２次元であることを特徴とする請求項２記載の光学素子。
- 前記２値構造は前記表面のエッチングにより形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の光学素子。
- 前記２値構造は前記表面上に設けた薄膜により形成されることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６記載の光学素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29087599A JP3547665B2 (ja) | 1999-10-13 | 1999-10-13 | 光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP29087599A JP3547665B2 (ja) | 1999-10-13 | 1999-10-13 | 光学素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2001108812A JP2001108812A (ja) | 2001-04-20 |
| JP3547665B2 true JP3547665B2 (ja) | 2004-07-28 |
Family
ID=17761645
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP29087599A Expired - Lifetime JP3547665B2 (ja) | 1999-10-13 | 1999-10-13 | 光学素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3547665B2 (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016168093A1 (en) * | 2015-04-15 | 2016-10-20 | Finisar Corporation | Partially etched phase-transforming optical element |
| US10539723B2 (en) | 2016-10-19 | 2020-01-21 | Finisar Corporation | Phase-transforming optical reflector formed by partial etching or by partial etching with reflow |
Families Citing this family (23)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE10313548B4 (de) * | 2002-08-24 | 2012-09-06 | Carl Zeiss Smt Gmbh | Binär geblazetes diffraktives optisches Element sowie ein solches Element enthaltendes Objektiv |
| DE10322238B4 (de) | 2003-05-17 | 2007-10-31 | Carl Zeiss Smt Ag | Diffraktives optisches Element sowie Projektionsobjektiv mit einem solchen Element |
| WO2005059607A1 (ja) * | 2003-12-18 | 2005-06-30 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | 集光素子および固体撮像装置 |
| JP2005202356A (ja) * | 2003-12-19 | 2005-07-28 | Sumitomo Electric Ind Ltd | 平板型マイクロレンズとその製造方法 |
| US8018508B2 (en) | 2004-04-13 | 2011-09-13 | Panasonic Corporation | Light-collecting device and solid-state imaging apparatus |
| DE102004040535A1 (de) * | 2004-08-20 | 2006-02-23 | Carl Zeiss Ag | Polarisationsselektiv geblazetes diffraktives optisches Element |
| EP1785750A1 (en) * | 2004-09-01 | 2007-05-16 | Matsushita Electric Industrial Co., Ltd. | Condensing element, solid-state imaging device and method for fabricating the same |
| JP4091948B2 (ja) | 2005-06-17 | 2008-05-28 | 松下電器産業株式会社 | 集光装置およびそれを用いた密着型固体撮像装置 |
| JP4456040B2 (ja) | 2005-06-17 | 2010-04-28 | パナソニック株式会社 | 固体撮像素子 |
| JP2007078979A (ja) * | 2005-09-13 | 2007-03-29 | Ricoh Co Ltd | 光学素子および光学素子製造方法 |
| JP2008010773A (ja) * | 2006-06-30 | 2008-01-17 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 固体撮像素子およびその製造方法 |
| TW200913238A (en) | 2007-06-04 | 2009-03-16 | Sony Corp | Optical member, solid state imaging apparatus, and manufacturing method |
| JP5338280B2 (ja) | 2008-11-27 | 2013-11-13 | ソニー株式会社 | ２次元固体撮像装置 |
| JP6057272B2 (ja) * | 2010-11-05 | 2017-01-11 | 国立大学法人三重大学 | 光学部材およびこれを使用した照明装置 |
| JP5632760B2 (ja) * | 2011-01-20 | 2014-11-26 | 日本板硝子株式会社 | 無機偏光ブレーズド回折格子 |
| WO2013002808A1 (en) * | 2011-06-30 | 2013-01-03 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Glasses-free 3d display for multiple viewers with a resonant subwavelength lens layer |
| DE102016222000A1 (de) * | 2016-11-09 | 2018-05-09 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Gitterstruktur für eine optische Positionsmesseinrichtung |
| US10996451B2 (en) | 2017-10-17 | 2021-05-04 | Lumileds Llc | Nanostructured meta-materials and meta-surfaces to collimate light emissions from LEDs |
| JP6969361B2 (ja) * | 2017-12-21 | 2021-11-24 | 日本電信電話株式会社 | 光学素子 |
| JP7226915B2 (ja) | 2017-12-26 | 2023-02-21 | デクセリアルズ株式会社 | 凹凸構造体、光学部材及び電子機器 |
| US11204153B1 (en) | 2021-02-22 | 2021-12-21 | Lumileds Llc | Light-emitting device assembly with emitter array, micro- or nano-structured lens, and angular filter |
| US11508888B2 (en) | 2021-02-22 | 2022-11-22 | Lumileds Llc | Light-emitting device assembly with emitter array, micro- or nano-structured lens, and angular filter |
| JP2023105933A (ja) * | 2022-01-20 | 2023-08-01 | 大日本印刷株式会社 | 回折格子、および回折格子形成用モールド |
-
1999
- 1999-10-13 JP JP29087599A patent/JP3547665B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016168093A1 (en) * | 2015-04-15 | 2016-10-20 | Finisar Corporation | Partially etched phase-transforming optical element |
| US9618664B2 (en) | 2015-04-15 | 2017-04-11 | Finisar Corporation | Partially etched phase-transforming optical element |
| US10386553B2 (en) | 2015-04-15 | 2019-08-20 | Finisar Corporation | Partially etched phase-transforming optical element |
| US10823889B2 (en) | 2015-04-15 | 2020-11-03 | Ii-Vi Delaware Inc. | Partially etched phase-transforming optical element |
| US10539723B2 (en) | 2016-10-19 | 2020-01-21 | Finisar Corporation | Phase-transforming optical reflector formed by partial etching or by partial etching with reflow |
| US10830929B2 (en) | 2016-10-19 | 2020-11-10 | Ii-Vi Delaware Inc. | Phase-transforming optical element formed by partial etching or by partial etching with reflow |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP2001108812A (ja) | 2001-04-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP3547665B2 (ja) | 光学素子 | |
| KR100486997B1 (ko) | 빔 균질화기 | |
| KR20180105151A (ko) | 비 텔레센트릭 방사형 마이크로 픽셀 배열 광 변조기 및 그의 제조 방법 | |
| US8175430B2 (en) | Optical multiplexer/demultiplexer systems configured with non-periodic gratings | |
| JP2007328096A (ja) | 回折光学素子とその作製方法および光学モジュール | |
| JP2007057622A (ja) | 光学素子及びその製造方法、光学素子用形状転写型の製造方法及び光学素子用転写型 | |
| US20220146710A1 (en) | Optical metasurfaces, and associated manufacturing methods and systems | |
| JP2005148427A (ja) | 焦点板原盤及びその製造方法 | |
| JP5391670B2 (ja) | 微細構造体の製造方法 | |
| CN113330338A (zh) | 扩散板 | |
| KR100471380B1 (ko) | 레이저 직접 묘화법을 이용한 광 도파로 제작방법 및 이를이용한 광 도파로 | |
| JP2004085831A (ja) | 微細格子およびその製造方法 | |
| CA2549533A1 (en) | Flat sheet type micro-lens and production method therefor | |
| JP3189922B2 (ja) | 回折光学素子 | |
| KR100668611B1 (ko) | 파장필터 하부 클래딩층의 패턴 제작을 위한 몰드 및도파로형 파장필터의 제작방법 | |
| CN100427972C (zh) | 平板型微透镜及其制造方法 | |
| JP3214964B2 (ja) | 回折光学素子 | |
| JPH0749403A (ja) | マイクロ光学素子の製造方法 | |
| JP2001356470A (ja) | 濃度分布マスクを用いた３次元構造体製造方法 | |
| CN111239879A (zh) | 一种利用单次光刻和热回流实现多台阶衍射微光学元件的方法 | |
| US20020075533A1 (en) | Method and device to fabricate holographic gratings with large area uniformity | |
| JP2001312044A (ja) | 濃度分布マスクとそれを用いた３次元構造体製造方法 | |
| JP2009151257A (ja) | 傾斜露光リソグラフシステム | |
| CN103091991A (zh) | 一种用于极紫外光刻的衍射光学装置 | |
| JP4022355B2 (ja) | レーザ加工装置およびレーザ加工方法およびこの加工方法による光導波路の製造方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
| A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20040413 |
|
| A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20040414 |
|
| R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 3547665 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090423 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090423 Year of fee payment: 5 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100423 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100423 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110423 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120423 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130423 Year of fee payment: 9 |
|
| FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20140423 Year of fee payment: 10 |
|
| S531 | Written request for registration of change of domicile |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R313531 |
|
| R350 | Written notification of registration of transfer |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R350 |
|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |