(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に複数の微細柱を有し、使用波長をＬm 、基板に対する入射角をｑ、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔をＬdx、ｙ方向格子間隔をＬdyとするとき、
Ｌdx＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝，
Ｌdy＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝
・・・（１）
を満たし、前記微細柱のｘ方向断面幅をＤhx（＜Ｌdx）、前記微細柱のｙ方向断面幅をＤhy（＜Ｌdy）として、前記微細柱断面積が基板面上の位置に応じて変調されており、透過光に対して隣接する前記微細柱の断面積が同じ箇所では１次以上の回折光が生じないことを特微とする光学素子。
【請求項２】
基板上に複数の微細穴を有し、使用波長をＬm 、基板に対する入射角をｑ、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔をＬdx、ｙ方向格子間隔をＬdyとするとき、
Ｌdx＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝，
Ｌdy＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝
・・・（１）
を満たし、前記微細穴のｘ方向断面幅をＤhx（＜Ｌdx）、前記微細穴のｙ方向断面幅をＤhy（＜Ｌdy）として、前記微細穴断面積が基板面上の位置に応じて変調されており、透過光に対して隣接する前記微細穴の断面積が同じ箇所では１次以上の回折光が生じないことを特微とする光学素子。
【請求項３】
基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる光導波路において、上部クラッド層又は下部クラッド層に請求項１又は２記載の微細柱又は微細穴が形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項４】
基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる光導波路において、コア層に請求項１又は２記載の微細柱又は微細穴が形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
基板上に複数の微細柱を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細柱の断面の重心位置が無秩序に変位していることを特徴とする光学素子。
【請求項６】
基板上に複数の微細穴を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細穴の断面の重心位置が無秩序に変位していることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
重心位置の変位が疑似雑音系列によって決定され、擬似的に無秩序に変位していることを特徴とする請求項５又は６記載の光学素子。
【請求項８】
前記微細柱断面の面積が無秩序に変化していることを特徴とする請求項１又は６記載の光学素子。
【請求項９】
前記微細穴断面の面積が無秩序に変化していることを特徴とする請求項２又は７記載の光学素子。
【請求項１０】
面積の変位が疑似雑音系列によって決定され、擬似的に無秩序に変化していることを特徴とする請求項８又は９記載の光学素子。
【請求項１１】
基板上に複数の微細柱を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細柱が存在する場合と存在しない場合の２値を疑似雑音系列に従って変調したことを特徴とする光学素子。
【請求項１２】
基板上に複数の微細穴を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細穴が存在する場合と存在しない場合の２値を疑似雑音系列に従って変調したことを特徴とする光学素子。
【請求項１３】
請求項１１又は１２記載の光学素子であって同一のもの２個を２個の物体に取り付け、前記光学素子を縦列に光が透過ないし反射するように配置し、透過ないし反射した光を集光する集光光学系と、その集光光を検出する検出素子とからなることを特徴とする物体位置合わせ装置。
【請求項１４】
請求項１１又は１２記載の光学素子であって同一のもの２個の一方を空間光通信用送信器の出射面に具備し、もう一方の前記光学素子を空間光通信用受信器の入射面に具備することを特徴とする光通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学素子及びその光学素子を用いた装置に関し、特に、基板表面に微細柱あるいは微細穴構造を形成してなる光学素子とそれを用いた装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
後記する本発明による光学素子は、光の波面を変調し、結像、コリメート、分光等の機能を有するものであり、広く光学システムに適用して有効なものである。
【０００３】
従来、基板上に多数の微細穴（柱）を規則的に格子配置するフォトニック結晶は公知の技術である。フォトニック結晶では、高分解能分光機能、鋭角光路変換機能等を有する多彩なデバイスを実現することができる。このフォトニック結晶は、使用波長において光と強い相互作用を持たせるために、１次の回折光が多重に反射されなければならない。
【０００４】
因みに、後記する本発明の第１の及び第２の光学素子では、回折次数１次以上の回折光が生じない領域で機能させるため、このような１次の回折光を利用するフォトニック結晶とは異なるものである。
【０００５】
さらに、フォトニック結晶には、微細穴（柱）の形状を局所的に変調して局所屈折率を制御する技術は存在していなかった。
【０００６】
また、後記する本発明の第５及び第１０の光学素子では、微細穴あるいは微細柱を意図的に格子位置から無秩序に変位させるか、形状を無秩序に変化させるため、従来のフォトニック結晶とは異なるものである。
【０００７】
また、本発明の第１１から第１５の光学素子、装置では、疑似雑音系列に従って多数の格子欠陥を設ける点で、従来のフォトニック結晶とは異なるものである。
【０００８】
本発明による光学素子の具体的応用は、後記の説明から明らかになるが、（１）回折光学素子、（２）光導波路素子、（３）光散乱素子である。
【０００９】
（１）に関する従来技術として、図１８に示すサブ波長構造を有する回折格子、図１９に示す低反射構造、図２０に示すレリーフ型ホログラムがある。図１８（ａ）に位相部ｐの平面図、（ｂ）にその断面図を示す。この回折格子では、動作波長Ｌm に対して、Ｄ1 ＜Ｌm ＜Ｄ2 となるように位相部ｐの周期が設定される。ブレーズド回折格子と同様に、この回折格子では、＋（−）１次の回折光の回折効率を高くすることが可能である。また、図１９（ａ）に位相部ｐの平面図、（ｂ）にその断面図を示すこの低反射構造は、位相部ｐの微細構造によって表面の実効屈折率を低下させ、かつ、面垂直方向（基板ｂに向かう方向）に位相部ｐに勾配を設けることによって、反射率を低下させることが可能である。これらの従来技術では、２次元的に微細柱や微細穴の形状を変調して、結像機能、コリメート機能等を持たせることは行われていない。
【００１０】
また、図２０（ａ）に平面図、（ｂ）に（ａ）の直線Ａ−Ｂに沿った断面図を示すレリーフ型ホログラムでは、ホログラム面の各セルｓ毎の高さを変調して位相ホログラムが構成される。図２０では、Ａ−Ｂ間で高さがセルｓ毎に変化していることが示されている。このようなレリーフ型ホログラムは、回折効率は高いが、位相ステップの多いホログラム作製には、多数回のエッチングプロセスが必要で、作製が困難である。また、セルｓの周期（空間周波数）に対応した高次の回折光が生じる問題がある。
【００１１】
また、従来の導波路中の回折格子は、導波路外クラッド層あるいはクラッド層−コア層界面の位置を変調すること、あるいは、紫外光誘起屈折率変化を利用することによって作製されているが、屈折率の制御範囲が小さい。
【００１２】
また、図２１（ａ）に平面図、（ｂ）に側面図、（ｃ）に右端面図を示すような、非導波構造を利用する導波路がある。ここで、２０１は下部基板、２０２は下部クラッド層、２０３はコア部（空洞）、２０４は上部クラッド層、２０５は上部基板、２０６は多層膜ミラーあるいは金属ミラーである。上下基板の張り合わせ箇所を点線で示してある。通常の導波路では、コア部の屈折率を周囲のクラッド部より高くして光を閉じ込めるが、図２１の非導波構造では、伝搬する導波路が空洞コア２０３と周囲のクラッド部２０２、２０４、２０６の間での全反射（多層膜、金属での反射を含む）によって光が伝搬される。すなわち、基板に垂直な方向に対しては、多層膜ミラー又は金属ミラー２０６での反射による非導波構造によって閉じ込めが行われる。また、基板に平行方向に対しては、空洞の上部及び下部の溝幅が異なるため、空洞コア２０３の両側の実効屈折率が下がり、光が閉じ込められる。この構成の課題は、横方向（基板に平行な向き）の損失が、エッチング端面（空洞界面）の乱雑さに起因して大きくなることである。
【００１３】
また、従来の光散乱素子は、例えば曇りガラスのように散乱するために、無秩序な傷を表面に設けたり、コロイドのように粒子を分散させたりして構成されている。これらの方法では、散乱光の散乱角度分布を自由に制御することができず、一般に、入射光と同じ方向の角度成分を持つ光が多くなる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上の従来技術の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、回折効率が高く、結像、コリメート等多彩な機能を持ち、作製が容易で、ゴースト像が発生し難い回折光学素子を提供することである。また、別の目的は、導波路に利用可能な屈折率制御範囲の広い回折格子構造を提供することである。また、さらに別の目的は、低損失な非導波構造を持つ光導波路素子を提供することである。また、もう１つの目的は、散乱光の散乱角度分布が制御可能で、等方的に光を散乱することも可能な光散乱素子を提供すると共に、これを利用する物体位置合わせ装置と光通信装置を提供することである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の光学素子は、基板上に複数の微細柱を有し、使用波長をＬm 、基板に対する入射角をｑ、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔をＬdx、ｙ方向格子間隔をＬdyとするとき、
Ｌdx＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝，
Ｌdy＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝
・・・（１）
を満たし、前記微細柱のｘ方向断面幅をＤhx（＜Ｌdx）、前記微細柱のｙ方向断面幅をＤhy（＜Ｌdy）として、前記微細柱断面積が基板面上の位置に応じて変調されており、透過光に対して隣接する前記微細柱の断面積が同じ箇所では１次以上の回折光が生じないことを特微とするものである。
【００１６】
本発明の第２の光学素子は、基板上に複数の微細穴を有し、使用波長をＬm 、基板に対する入射角をｑ、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔をＬdx、ｙ方向格子間隔をＬdyとするとき、
Ｌdx＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝，
Ｌdy＜Ｌm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝
・・・（１）
を満たし、前記微細穴のｘ方向断面幅をＤhx（＜Ｌdx）、前記微細穴のｙ方向断面幅をＤhy（＜Ｌdy）として、前記微細穴断面積が基板面上の位置に応じて変調されており、透過光に対して隣接する前記微細穴の断面積が同じ箇所では１次以上の回折光が生じないことを特微とするものである。
【００１７】
本発明の第３の光学素子は、基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる光導波路において、上部クラッド層又は下部クラッド層に第１又は第２の光学素子の微細柱又は微細穴が形成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
本発明の第４の光学素子は、基板上に形成された下部クラッド層、コア層及び上部クラッド層からなる光導波路において、コア層に第１又は第２の光学素子の微細柱又は微細穴が形成されていることを特徴とするものである。
【００１９】
本発明の第５の光学素子は、基板上に複数の微細柱を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細柱の断面の重心位置が無秩序に変位していることを特徴とするものである。
【００２０】
本発明の第６の光学素子は、基板上に複数の微細穴を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細穴の断面の重心位置が無秩序に変位していることを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の第７の光学素子は、第５又は第７の光学素子において、重心位置の変位が疑似雑音系列によって決定され、擬似的に無秩序に変位していることを特徴とするものである。
【００２２】
本発明の第８の光学素子は、第１又は第６の光学素子において、前記微細柱断面の面積が無秩序に変化していることを特徴とするものである。
【００２３】
本発明の第９の光学素子は、第２又は第７の光学素子において、前記微細穴断面の面積が無秩序に変化していることを特徴とするものである。
【００２４】
本発明の第１０の光学素子は、第８又は第９の光学素子において、面積の変位が疑似雑音系列によって決定され、擬似的に無秩序に変化していることを特徴とするものである。
【００２５】
本発明の第１１の光学素子は、基板上に複数の微細柱を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細柱が存在する場合と存在しない場合の２値を疑似雑音系列に従って変調したことを特徴とするものである。
【００２６】
本発明の第１２の光学素子は、基板上に複数の微細穴を有し、基板上で直交する軸（ｘ，ｙ）上のｘ方向格子間隔Ｌdx及びｙ方向格子間隔Ｌdyの格子点に対して、前記微細穴が存在する場合と存在しない場合の２値を疑似雑音系列に従って変調したことを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の第１３の物体位置合わせ装置は、第１１又は第１２の光学素子であって同一のもの２個を２個の物体に取り付け、前記光学素子を縦列に光が透過ないし反射するように配置し、透過ないし反射した光を集光する集光光学系と、その集光光を検出する検出素子とからなることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第１４の光通信装置は、第１１又は第１２の光学素子であって同一のもの２個の一方を空間光通信用送信器の出射面に具備し、もう一方の前記光学素子を空間光通信用受信器の入射面に具備することを特徴とするものである。
【００２９】
以上の本発明の光学素子及びその光学素子を用いた装置おいては、微細柱又は微細穴の断面形状を制御することによって、局所的な屈折率を制御することが可能になり、多彩な光学素子を作製することができる。この場合に、微細柱の高さ、微細穴の深さは一定であるため、１回のエッチングプロセスで作製することができる。また、１次以上の回折光を生じないので、ゴースト像も発生しない。さらに、疑似雑音系列を利用して微細柱又は微細穴の重心位置、断面積、有無をランダムに変化させることによって、等方的にあるいは任意の角度分布で光を散乱させる光散乱素子を作製することが可能になる。さらには、このような光学素子を用いて２つの物体の位置合わせを高精度で行う装置や、Ｓ／Ｎの高い空間光通信装置等を構成することができる。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明の光学素子及びその光学素子を用いた装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の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。
【００３１】
（第１の実施形態）
図１に、本発明による光学素子の第１の実施形態の斜視図を示す。ここで、１０１は基板、１０２は基板１０１上に作製された微細柱である。例えば、基板１０１及びその上の微細柱としては、石英等のガラス材料、シリコン等の半導体材料、アルミナ等のセラミックス材料、ポリイミド及びＰＭＭＡ等の有機材料、ニッケル等の金属材料を利用することができる。この光学素子を反射型として利用する場合は、表面に金、クロム等の金属が蒸着される場合もある。図２に、微細柱１０２部分の基板１０１に平行な断面図を示す。ここで、Ｌdxはｘ方向の格子間隔（微細柱１０２の繰り返し周期）、Ｌdyはｙ方向の格子間隔、Ｄhxはｘ方向の微細柱１０２の断面幅、Ｄhyはｙ方向の微細柱１０２の断面幅である。
【００３２】
この実施形態では、使用波長をＬm 、基板１０１側からの入射角をｑとすると、
0003702445.tif 000002
の関係が満たされるように構成されている。
【００３３】
この条件（１）の下では、微細柱１０２を含む構造が波長に比較して十分に微細であり、透過光に対して１次以上の回折光が生じない。すなわち、鋭角曲げ構造やスーパープリズム等に利用される周期的微細構造、所謂フォトニック結晶に比較して、一層微細な構造である。しかしながら、電子ビーム描画装置の一般的な性能として、５０ｎｍ程度のレジストパターンが形成可能であるため、可視光から赤外光に至る領域の光に対して上記の条件（１）を満たす構造を作製することは可能である。例えば、電子ビーム描画装置によって形成された微細パターンマスクを利用して、反応性イオンエッチング等で所要パターンに即した微細柱１０２を作製できる。
【００３４】
本発明では、微細柱１０２の断面積を制御して、材料の局所的実効屈折率を制御する。図２の領域Ａでは、微細柱１０２の断面積が大きく、実効屈折率が高くなり、領域Ｂでは、実効屈折率が小さくなる。透過型で利用する場合、０次近似では、実効比誘電率は、微細柱のない部分（通常は、空気乃至真空で、比誘電率約１）と微細柱１０２部分の比誘電率の体積加重平均となる。例えば、円形の微細柱１０２に対して、Ｌm を１．５５μｍ、ｎp （微細柱１０２部分の屈折率）を１．５、Ｌdx及びＬdyを０．２５μｍ、Ｄhx及びＤhyを０．１〜０．２５μｍ、微細柱１０２の高さを５μｍとする。このとき、実効屈折率は１．０７６〜１．４０８まで変化させることが可能であり、最大位相差として２．１４πが得られる。
【００３５】
このようにして、局所的な実効屈折率を制御することにより、各種の回折光学素子を実現することが可能になる。図３に、具体的な回折光学素子の一例であるフレネルレンズ１０３を示す。図３（ａ）はそのフレネルレンズ１０３の平面図、（ｂ）はその光軸から片側の実効屈折率分布を示す図、（ｃ）、（ｄ）はその異なる２つの部分における微細柱１０２の形状を示す図である。この例は、本発明による屈折率制御によってフレネルレンズ１０３を実現したものである。実効屈折率の小さい部分には断面積の小さい微細柱１０２を（図３（ｄ））、大きい部分には断面積の大きい微細柱１０２を（図３（ｃ））並べて実現される。従来のレリーフ型ホログラムのように高さ方向の制御は行わないので、１回の描画・エッチングプロセスでフレネルレンズ等の回折光学素子を容易に作製することが可能である。また、格子間隔Ｌdx、Ｌdyが狭いため、本質的にゴースト像が発生しない利点がある。
【００３６】
以上の実施形態の説明では、断面が円の微細柱１０２を前提にして説明したが、他の形状でもよい。図４に示す光学素子では、微細柱ではなく微細穴１０４を形成する場合である。この場合は、基板側からの入射角をｑとして前記の式（１）を満たされなくてはならない。ただし、この場合は、Ｌdxはｘ方向の微細穴１０４の繰り返し周期、Ｌdyはｙ方向の微細穴１０４の繰り返し周期である。図４中の領域Ｃは、微細穴１０４の断面積が大きく実効屈折率が小さい。領域Ｄでは、逆に実効屈折率が大きい。
【００３７】
図５（ａ）に示すのは、微細柱１０２（微細穴１０４）の断面形状を円形ではなく矩形としたものである。矩形の方が占有率（格子内の微細柱（微細穴）の占める割合）を増やすことができるので、回折光学素子を構成する場合に、高さを低くすることができる。図５（ｂ）に示すのは、断面形状を円形ではなく楕円としたものである。このように異方性を持たせると、実効屈折率にも異方性を持たせることが可能であり、偏光素子への適用が可能になる。図５（ｃ）に示すのは、正方格子でなく六方格子を利用するものである。また、図５（ｄ）に示すのは、正方格子でなく、一般の矩形格子を利用するものである。また、図６に示すのは、左回りに徐々に小さい断面積の微細柱１０２とする構成である。その他、上記の組み合わせが考えられるが、微細構造の断面形状と配置を制御することによって、実効屈折率を制御する点では同一であり、本発明に含まれるものである。また、各格子に配置される微細柱１０２（微細穴１０４）の断面形状は、互いに相似形でなくともよいのは言うまでもない。
【００３８】
（第２の実施形態）
図７に、本発明による光学素子の第２の実施形態を示す。図７（ａ）はこの光学素子である導波路の平面図、（ｂ）はその側面図、（ｃ）は（ｂ）の上部クラッド層部の拡大図である。ここで、４０１は基板、４０２は下部クラッド層、４０３はコア層、４０４は上部クラッド層である。導波路は、ガラス、半導体、誘電体等で構成されている。本実施形態では、上部クラッド層４０４に周期的構造４０５が形成されている。周期的構造４０５中のクラッド材質の占める部分が多い領域は、実効屈折率が高くなり（図の“Ｈ”）、クラッド材質の占める部分が少ない領域は実効屈折率が低く（図の“Ｌ”）なる。このような構造４０５を導波光の電界が存在する部分に配置すると、通常の回折格子と同様に特定の波長近傍の波長に対して高い反射率を持たせることができる。このときの中心波長をＬm 、高屈折領域の屈折率と伝搬方向の長さをｎH 、ＬH 、低屈折率領域の屈折率と伝搬方向の長さをｎL 、ＬL とすれば、次式が満たされる。
【００３９】
４ｎL ＬL ＝４ｎH ＬH ＝Ｌm                           ・・・（２）
図８（ａ）に示すように、同様の周期的構造４０５の法線方向を光の伝搬方向に対して傾けると、この図に示すように、ＴＥモードとＴＭモードを分離するモード分離回路を構成することができる。なお、図８（ｂ）は（ａ）の周期的構造４０５の拡大図である。
【００４０】
（第３の実施形態）
図９に、本発明による光学素子の第３の実施形態を示す。図９（ａ）にこの光学素子である導波路の平面図、（ｂ）に側面図、（ｃ）に右端面図である。ここで、５０１は下部基板、５０２は誘電体多層膜ミラー、５０３はコア層、５０４は誘電体多層膜ミラー、５０５は上部基板である。また、コア層５０３は、高屈折率微細領域５０６、低屈折率微細領域５０７、微細構造のない部分５０８に分けられる。この構成において、下部基板５０１上に、誘電体多層膜ミラー５０２、高屈折率微細領域５０６、低屈折率微細領域５０７、微細構造のない部分５０８を作製し、別途上部基板５０５上に誘電体多層膜ミラー５０４を作製して、両者を貼り合わせて作製される。また、高屈折率微細領域５０６の実効屈折率をｎH 、低屈折率微細領域５０７の実効屈折率をｎL とすると、次式が成立する。
【００４１】
ｎH ＞ｎL                                             ・・・（３）
このとき、基板５０１、５０５に垂直な方向に対しては、非導波構造であるが、上下誘電体多層膜ミラー５０２、５０４との界面で光は全反射して閉じ込められる。また、基板５０１、５０５の面内方向に対しては、高屈折率微細領域５０６が低屈折率微細領域５０７に対して高い屈折率を持つため、光が閉じ込められる。
【００４２】
従来のコア空洞型導波路では、コア層側面のエッチングの際に平滑なエッチングが難しく、低損失な導波路を作製することができなかったが、上記の方法によって低損失な導波路を構成することができる。
【００４３】
また、図９に示す本実施形態においても、高屈折率微細領域５０６を空洞としたコア空洞型導波路にすることも可能である。この場合、低屈折率微細領域５０７は波長程度の大きい周期を持たせ、高い反射率を持つようにする。この導波路では、光伝搬領域における物質密度が低いため、温度依存性の小さい導波回路を構成することが可能となる。
【００４４】
また、図１０に図９と同様の図を示すように、誘電体多層膜ミラー５０２及び５０４の代わりに、クラッド層５０９及び５１０を利用することができる。この場合は、上下方向にも通常の導波構造となり、クラッド層５０９及び５１０の屈折率をｎcl1 及びｎcl2 とすると、次式が満たされる。
【００４５】
ｎH ＞ｎcl1 ，ｎcl2                                   ・・・（４）
（第４の実施形態）
図１１に、本発明による光学素子の第４の実施形態の図２と同様の図を示す。
本実施形態では、微細柱１０２や微細穴１０４の重心位置を格子点から意図的に変位させる。本実施形態では、第１の実施形態と異なり、（平均）格子間隔がＬm ／｛２（１＋ｓｉｎｑ）｝よりも大きい場合もある。微細柱１０２や微細穴１０４の重心位置を変位させないで格子点上に配置した場合は、コヒーレントな垂直入射光は図１２（ａ）に散乱角を示すような角度に回折される。重心位置を図１１に示すように格子点からランダムに変位させると、図１２（ｂ）に示すように回折角度が分布する。すなわち、入射光を効果的に散乱させることが可能になり、物体の照明に有効な光学素子となる。また、同様の効果は、微細柱あるいは微細穴の断面積をランダムに変化させることによっても実現可能である。これらのランダムな変位は、計算機の疑似雑音発生関数等を利用して容易に設定することが可能である。その変位の平均値、分布関数を選択することによって、散乱角度分布を制御することも可能である。例えば正規分布に従う雑音を利用すれば、正規分布型の散乱角度分布を実現することが可能である。また、変位の平均値に比例して角度分布が広がることになる。
【００４６】
（第５の実施形態）
図１３に、本発明による光学素子の第５の実施形態を示す。図１３（ａ）は図２と同様の図であり、（ｂ）はその微細柱１０２又は微細穴１０４の存在を数列で表現した図である。本実施形態では、微細柱１０２又は微細穴１０４が格子上に存在するか、あるいは、存在しないかをＭ系列等の２値の疑似雑音系列によって決定する。例えば、図１３では、第１行はＭ系列に属する１５ビットの系列（１，１，０，０，０，１，０，０，１，１，０，１，０，１，１）に従って微細柱１０２（微細穴１０４）の有無を決定している。第２行以下は、同じ系列を１ビット分サイクリックにシフトして微細柱１０２（微細穴１０４）の有無を決定している。Ｍ系列では、サイクリックにシフトした系列も同じＭ系列に属する。
また、このようにすれば、列方向にも同じ１５ビットのＭ系列になっていることは言うまでもない。本実施形態では、説明の都合で短い１５ビット×１５ビットのセルを構成しているが、長いＭ系列を利用すれば、大きいセルが構成できることは言うまでもない。このような疑似雑音系列を利用すると、図１４（ａ）に示すように、多数の（図では全部示していない）回折ピークが生じる。これに、第４の実施形態に示したような変位を加えると、図１４（ｂ）に示すように、各回折ピークが広がり、広い角度範囲にわたって均一に光を散乱する光学素子を実現することが可能になる。また、図１５（ａ）及び（ｂ）の矢印に示すように、疑似雑音系列の微細柱１０２又は微細穴１０４の有無のマッピングの順序は、各種の方法を利用することができるのは言うまでもない。図１５（ａ）の場合は、中心から外周へ螺旋状に疑似雑音系列を適用する。疑似雑音系列が途中で切れた場合は、その次から同じ疑似雑音系列を繰り返す。図１５（ｂ）の場合は、疑似雑音系列の適用を行が替わる毎に反転させている。
【００４７】
（第６の実施形態）
図１６（ａ）に、本発明による光学素子を用いた装置の第６の実施形態を示す。ここで、８０１及び８０２は位置合わせを行う物体、８０３ａ及び８０３ｂは正レンズ、８０４ａ及び８０４ｂは第５の実施形態の２値の疑似雑音系列に従って作製された微細柱（穴）アレイの同一のものであって、それぞれ位置合わせを行う物体８０１、８０２に取り付けられている。８０５は受光素子である。この系では４ｆ光学系を構成しており、２つの微細柱（穴）アレイ８０４ａと８０４ｂが互いに等倍結像の関係になるように、すなわち、正レンズ８０３ａの焦点距離の２倍の距離の物体面に微細柱（穴）アレイ８０４ａが配置され、正レンズ８０３ａの焦点距離の２倍の距離の像面に微細柱（穴）アレイ８０４ｂが配置されている。
【００４８】
本実施形態に利用する微細柱（穴）アレイ８０４ａ及び８０４ｂでは、微細柱（穴）の高さ（深さ）を微細柱（穴）のない部分に比較して位相差がπになるように設定されている。このため、微細柱（穴）アレイ８０４ａと８０４ｂが完全に互いに１：１で結像する位置にあるとき、平面波を入射して微細柱（穴）アレイ８０４ａ及び８０４ｂの両者を透過させると、微細柱（穴）による位相変化がキャンセルされて（２πになって）再び平面波になり、正レンズ８０３ｂで点状に集光され、受光素子８０５に入射する。ところが、微細柱（穴）アレイ８０４ａと８０４ｂの位置が相対的にずれていると、微細柱（穴）アレイ８０４ａと８０４ｂの両者を透過した光は、疑似雑音系列に基づく位相変化をシフトして２回受けている。ここで、Ｍ系列の場合は、これに対応するシフト演算を行うと、再びＭ系列が生じることが数学的に示されている。すなわち、微細柱（穴）アレイ８０４ｂを透過した透過光は、結局疑似雑音系列に従って位相変化を受けていることになるため、正レンズ８０３ｂで集光すると、微細柱（穴）アレイ８０４ｂが正レンズ８０３ｂの前側焦点面に配置され、受光素子８０５が後側焦点面に配置されているので、微細柱（穴）アレイ８０４ｂでの回折角度が集光位置に変換され、多数の点に結像する。受光素子８０５の受光面を十分に小さくしておけば、微細柱（穴）アレイ８０４ａと８０４ｂの位置が一致する場合と不一致な場合での受光光強度が変化するので、この情報を利用して物体８０１及び８０２の位置合わせを高精度で行うことが可能になる。
【００４９】
図１６（ｂ）は、位置合わせを行う物体８０１と８０２が極めて近接している場合であり、図１６（ａ）の正レンズ８０３ａを除いて、入射光が続けて微細柱（穴）アレイ８０４ａと８０４ｂを透過するように配置したものであり、図１６（ａ）の場合と同様に、物体８０１及び８０２の位置合わせを高精度で行うことが可能である。
【００５０】
（第７の実施形態）
図１７に、本発明による光学素子を用いた装置の第７の実施形態を示す。ここで、９０１は光信号を入力する光ファイバ、９０２ａ及び９０２ｂは正レンズ、９０３ａ及び９０３ｂは第５の実施形態の２値の疑似雑音系列に従って作製された微細柱（穴）アレイの同一のもの、９０４は受光素子である。
【００５１】
本実施形態は、空間光通信装置に疑似雑音系列による位相フィルタを適用したものである。空間光通信装置では、望遠レンズを利用して送信器からの光を受光器に結像するが、周囲からの迷光が避けられず、Ｓ／Ｎ比が悪くなりがちである。本実施形態では、第６の実施形態と同様に、送信側で疑似雑音系列による位相フィルタ、すなわち、微細柱（穴）アレイ９０３ａを透過した信号は、受信側の位相フィルタ、すなわち、微細柱（穴）アレイ９０３ｂでキャンセルされるので、受光素子９０４上に結像するが、迷光は受信側でのみ位相フィルタ９０３ｂを透過するので、拡散されて受光素子９０４上にはほとんど結像しない。この効果を利用して、Ｓ／Ｎの高い空間光通信装置を構成できる。また、疑似雑音系列を秘密とすれば、通信の秘匿性も高めることができる。
【００５２】
以上、本発明の光学素子及びその光学素子を用いた装置をいくつかの実施形態に基づいて説明してきたが、本発明はこれらの実施形態に限定されず種々の変形が可能である。
【００５３】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明によれば、微細柱又は微細穴の断面形状を制御することによって、局所的な屈折率を制御することが可能になり、多彩な光学素子を作製することができる。この場合に、微細柱の高さ、微細穴の深さは一定であるため、１回のエッチングプロセスで作製することができる。また、１次以上の回折光を生じないので、ゴースト像も発生しない。さらに、疑似雑音系列を利用して微細柱又は微細穴の重心位置、断面積、有無をランダムに変化させることによって、等方的にあるいは任意の角度分布で光を散乱させる光散乱素子を作製することが可能になる。さらには、このような光学素子を用いて２つの物体の位置合わせを高精度で行う装置や、Ｓ／Ｎの高い空間光通信装置等を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光学素子の第１の実施形態の斜視図である。
【図２】図１の光学素子の微細柱部分の基板に平行な断面図である。
【図３】具体的な回折光学素子の一例であるフレネルレンズを示す図である。
【図４】微細柱の変わりに微細穴を形成する場合の図２と同様の図である。
【図５】微細柱（微細穴）の断面形状の変形例を示す図である。
【図６】微細柱（微細穴）の断面形状の他の変形例を示す図である。
【図７】本発明による光学素子の第２の実施形態を示す図である。
【図８】第２の実施形態の光学素子の変形例を示す図である。
【図９】本発明による光学素子の第３の実施形態を示す図である。
【図１０】第３の実施形態の光学素子の変形例を示す図である。
【図１１】本発明による光学素子の第４の実施形態の図２と同様の図である。
【図１２】図１１の構成で重心位置を変位させない場合と変位させた場合の回折角分布を示す図である。
【図１３】本発明による光学素子の第５の実施形態を示す図である。
【図１４】第５の実施形態の光学素子の回折角分布を示す図である。
【図１５】疑似雑音系列の微細柱又は微細穴の有無のマッピングの順序の例を示す図である。
【図１６】本発明による光学素子を用いた装置の第６の実施形態を示す図である。
【図１７】本発明による光学素子を用いた装置の第７の実施形態を示す図である。
【図１８】従来技術のサブ波長構造を有する回折格子を説明するための図である。
【図１９】従来技術の低反射構造を説明するための図である。
【図２０】従来技術のレリーフ型ホログラムを説明するための図である。
【図２１】従来技術の非導波構造を利用する導波路を説明するための図である。
【符号の説明】
１０１…基板
１０２…微細柱
１０３…フレネルレンズ
１０４…微細穴
２０１…下部基板
２０２…下部クラッド層
２０３…コア部（空洞）
２０４…上部クラッド層
２０５…上部基板
２０６…多層膜ミラー又は金属ミラー
４０１…基板
４０２…下部クラッド層
４０３…コア層
４０４…上部クラッド層
４０５…周期的構造
５０１…下部基板
５０２…誘電体多層膜ミラー
５０３…コア層
５０４…誘電体多層膜ミラー
５０５…上部基板
５０６…高屈折率微細領域
５０７…低屈折率微細領域
５０８…微細構造のない部分
５０９、５１０…クラッド層
８０１、８０２…位置合わせを行う物体
８０３ａ、８０３ｂ…正レンズ
８０４ａ、８０４ｂ…微細柱（穴）アレイ
８０５…受光素子
９０１…光信号を入力する光ファイバ
９０２ａ、９０２ｂ…正レンズ
９０３ａ、９０３ｂ…微細柱（穴）アレイ
９０４…受光素子
ｐ…位相部
ｂ…基板
ｓ…セル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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