(57)【要約】【課題】  規格化周期が５以下でも十分な回折効率が得られるブレーズ化回折光学素子。【解決手段】  回折光学素子を構成する材料の屈折率をｎ2 、周囲の媒質の屈折率をｎ1 （ｎ1 ＜ｎ2 ）とし、使用する波長λとしたときの回折光学素子を構成する回折格子の規格化高さＨをＨ＝λ／（ｎ2 −ｎ1 ）で定義し、その回折格子の周期をΛとしたときに回折格子のブレーズ角αをα＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Λ）と定義し、そのブレーズ角αを持つ各格子の斜面の平面をブレーズ面（ｂ）と定義するとき、回折格子が形成された面と反対側から回折格子に垂直に入射する場合の１次回折光の回折角が１１．５°以上の回折格子を備えたブレーズ化回折光学素子であり、その回折格子の各格子の格子面がブレーズ面から高さ方向（位相差方向）に何れかの位置で位相差に換算して７％以上ずれた曲面（ａ）となっている。【選択図】        図１７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ブレーズ化回折光学素子を構成する材料の屈折率をｎ2 、周囲の媒質の屈折率をｎ1 （ｎ1 ＜ｎ2 ）とし、使用する波長λとしたときのブレーズ化回折光学素子を構成するブレーズ化回折格子の規格化高さＨをＨ＝λ／（ｎ2 −ｎ1 ）で定義し、その回折格子の周期をΛとしたときに回折格子のブレーズ角αをα＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Λ）と定義し、そのブレーズ角αを持つ各格子の斜面の平面をブレーズ面と定義するとき、回折格子が形成された面と反対側から回折格子に垂直に入射する場合の１次回折光の回折角が１１．５°以上のブレーズ化回折格子を備えたブレーズ化回折光学素子において、
その回折格子の各格子の格子面が前記ブレーズ面から高さ方向（位相差方向）に何れかの位置で位相差に換算して７％以上ずれた曲面となっていることを特徴とするブレーズ化回折光学素子。
【請求項２】
前記曲面の格子面が３段以上のマルチレベル構造に構成されており、マルチレベル化された段の位相差及び幅が均一に分布していないで、各段のエッジを結んだ面が前記曲面を構成していることを特徴とする請求項１記載のブレーズ化回折光学素子。
【請求項３】
前記曲面の格子面が前記ブレーズ面から正負両側にまたがってずれていることを特徴とする請求項１又は２記載のブレーズ化回折光学素子。
【請求項４】
前記ブレーズ面を位相差及び幅を均一にマルチレベル化したブレーズ化回折格子に比べて、１次回折光の回折効率が５．５％以上高い同一の回折角のブレーズ化回折格子を備えていることを特徴とする請求項２記載のブレーズ化回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ブレーズ化回折光学素子に関し、特に、繰り返し周期が小さい場合にも回折効率を高くしたブレーズ化回折光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ブレーズ化回折光学素子は、フレネルゾーンプレート、計算機ホログラム、分光素子、光ピックアップ系ホログラム素子等に用いられている。
【０００３】
スカラー理論に基づいて構成された回折光学素子は、全て所望の方向（例えば１次回折光）に回折光を効率良く得るために、ブレーズ化形状あるいはそれに近似したマルチレベル形状を持っている。それぞれの効率は、ｐ段の回折光学素子の場合、表面のフレネル反射を除けば、ｓｉｎｃ2 （π／ｐ）で与えられる。すなわち、２段の回折光学素子で４０．５％、４段の回折光学素子で８１．１％、８段の回折光学素子で９５％、１６段の回折光学素子で９８．７％である（非特許文献１）。
【非特許文献１】「回折光学素子入門」（平成９年５月２０日、（株）オプトロニクス社発行）
【非特許文献２】“ＳＰＩＥ”，Ｖｏｌ．８８３（１９８８），ｐｐ．８〜１１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図１８は、スカラー理論に基づいて８段にマルチレベル化したブレーズ化回折格子の回折効率を、横軸に規格化周期（Λ／λ）を、縦軸に１次回折効率をとってグラフ化した図である。ここで、Λは回折格子の繰り返し周期、λは波長であり、ＴＭは電場の方向が格子に平行な光、ＴＥは電場の方向が格子に直交する光である。基板の屈折率は１．５２８としている。
【０００５】
この図１８から明らかなように、スカラー理論に基づいてブレーズ化した回折格子は、規格化周期が５（後記するブレーズ角α＝２３．９°）以下になると、１次光の回折効率が急激に低下してしまう。
【０００６】
従来、反射型ブレーズ化回折格子において、規格化周期が小さくなったときに格子の溝の深さあるいは高さをスカラー理論に基づく場合より大きくすることにより回折効率の低下を補おうとするものは、非特許文献１の第７１〜７２頁において知られているが、必ずしも満足が得られる回折効率のものではなく、また、透過型については何も示されていない。
【０００７】
本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、規格化周期が５以下でも十分な１次光回折効率が得られるブレーズ化回折光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成する本発明のブレーズ化回折光学素子は、ブレーズ化回折光学素子を構成する材料の屈折率をｎ2 、周囲の媒質の屈折率をｎ1 （ｎ1 ＜ｎ2 ）とし、使用する波長λとしたときのブレーズ化回折光学素子を構成するブレーズ化回折格子の規格化高さＨをＨ＝λ／（ｎ2 −ｎ1 ）で定義し、その回折格子の周期をΛとしたときに回折格子のブレーズ角αをα＝ａｒｃｔａｎ（Ｈ／Λ）と定義し、そのブレーズ角αを持つ各格子の斜面の平面をブレーズ面と定義するとき、回折格子が形成された面と反対側から回折格子に垂直に入射する場合の１次回折光の回折角が１１．５°以上のブレーズ化回折格子を備えたブレーズ化回折光学素子において、
その回折格子の各格子の格子面が前記ブレーズ面から高さ方向（位相差方向）に何れかの位置で位相差に換算して７％以上ずれた曲面となっていることを特徴とするものである。
【０００９】
この場合、その曲面の格子面が３段以上のマルチレベル構造に構成されており、マルチレベル化された段の位相差及び幅が均一に分布していないで、各段のエッジを結んだ面がその曲面を構成しているものとして構成することができる。
【００１０】
また、その曲面の格子面がブレーズ面から正負両側にまたがってずれているものとして構成することができる。
【００１１】
また、ブレーズ面を位相差及び幅を均一にマルチレベル化したブレーズ化回折格子に比べて、１次回折光の回折効率が５．５％以上高い同一の回折角のブレーズ化回折格子を備えたブレーズ化回折光学素子として構成することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明においては、１次回折光の回折角が１１．５°以上の周期が小さい回折格子を備えた回折光学素子において、その回折格子の各格子の格子面がブレーズ面から高さ方向（位相差方向）に何れかの位置で位相差に換算して７％以上ずれた曲面となっているので、概ね８０％以上の極めて高い１次光回折効率のブレーズ化回折光学素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
回折におけるスカラー理論は、回折光学素子の周期が使用する波長に対して十分大きい場合であり、それ以外では、電磁場の波動方程式をより厳密に解析する必要がある。他の高次回折光とのカップリング、出射方向と入射方向とのカップリング、入射角の偏光方向、格子形状の内部反射等を考慮する必要があるからである。
【００１４】
近年、半導体製造技術の発展に伴い、回折光学素子はより小さい周期で精度良く作製することができるようになり、厳密な解析が必要になってきており、ベクトル回折理論（非特許文献２）により、任意の断面形状の回折光学素子の回折効率を厳密に求めることができる。
【００１５】
まず、従来のスカラー理論に基づくブレーズ化回折格子のブレーズ面（斜面）２の高さＨとブレーズ角αについて説明する。図１９に示すように、屈折率ｎ1 の媒質中に屈折率ｎ2 （ｎ1 ＜ｎ2 ）で繰り返し周期Λのブレーズ化回折格子１が存在する場合、ブレーズ面２の高さＨは、ブレーズ化波長をλとして、
Ｈ＝λ／（ｎ2 −ｎ1 ）                                        ・・・（１）
で定義される。これは、位相２πを与える高さである。これから、格子のブレーズ面２の回折格子面に対する角度であるブレーズ角αは、
ｔａｎα＝Ｈ／Λ                                              ・・・（２）
で定義される。
【００１６】
このブレーズ角αは、規格化周期（Λ／λ）に応じて次に例示するようになる。また、その規格化周期（Λ／λ）に対応して、ブレーズ化回折格子１のブレーズ面２と反対側から垂直入射する場合の１次回折光の回折角及びブレーズ面２での屈折角も共に示す。
【００１７】
ブレーズ角α    １次回折角      屈折角
Λ／λ＝１０      １２．５°      ５．７°      ５．８°
Λ／λ＝６        ２０．２°      ９．６°      ９．９°
Λ／λ＝５        ２３．９°    １１．５°    １２．１°
Λ／λ＝４        ２９．０°    １４．５°    １５．７°
Λ／λ＝３        ３６．４°    １９．５°    ２３．１°
Λ／λ＝２        ４７．９°    ３０．０°    （全反射）
Λ／λ＝１．５    ５５．９°    ４１．８°    （全反射）
このような従来のスカラー理論に基づくブレーズ化回折格子１において、上記のように、Λ≫λの場合は、回折の法則により進む回折１次光の方向（１次回折角）とスネルの法則によりブレーズ面２で屈折された光の進む方向（屈折角）とは略一致するが、Λ≒λの場合は、それら方向の間に乖離が生じる。
【００１８】
図２０は、その様子を示す図であり、例えば、Λ／λ＝２近傍では最も効率が小さい部分として知られているが（図１８）、各ブレーズ面２からの屈折光の方向は臨界角付近であり、それより角度が小さい回折１次光の方向にも係わらず、回折格子１からの光はその外へ出ることができない。そのため、１次光の回折効率は図示したように急激に落ちる。
【００１９】
また、２次以上の高次回折光へのカップリングの影響は避けられない。
【００２０】
また、偏光特性も大きくなる。ＴＥとＴＭでは感じる屈折率が形状で異なる現象が起こるため、回折効率に差が出てくる。
【００２１】
したがって、回折効率を上げるために補正する形状は、規格化周期によって様々であり、屈折の法則で進む光方向への斜面確保、高次回折光のカップリングを抑える、偏光特性によって感じる真の屈折率を考慮する等複雑である。
【００２２】
そこで、本発明においては、ベクトル回折理論（非特許文献２）を用いて、マルチレベルのブレーズ化回折光学素子のブレーズ形状（各格子の片側端は回折格子面に対して９０°とする。）を、１次光の回折効率が最大になるように最適化を行う。
【００２３】
計算は、波長λが８３０ｎｍ、回折光学素子の周期Λ（規格化周期１＜Λ／λ≦１０の範囲で実施）、屈折率は石英で１．５２８、８段のマルチレベル型ブレーズド格子、偏光は電場が回折格子方向に垂直なＴＥモード（偏光方向（電場の方向）は９０°）、平行なＴＭモード（偏光方向は０°）、石英基板の裏面平面側から光が垂直に入射し、表面の回折格子面から空気側に射出する場合について計算した。最適化は、ベクトル回折理論（ＲＣＷＡ）を用いて計算し、山登り法によって最適化を行った。幅方向（規格化長さ方向）の計算のグリッドは、周期Λの１／３２で、また、深さ方向（位相方向）はスカラー最適深さであるλ／（ｎ−１）の１８３６ｎｍの１／３２０のグリッドで計算した。
【００２４】
計算手順は、以下の（１）〜（６）に従った。
（１）スカラー高さ（スカラー理論に基づいて構成された８段のブレーズド格子）の回折効率の算出。
（２）ＲＣＷＡにて各段の最適化された高さの算出。
（３）（２）で算出された高さにて８段の７層について各グリッドで山登り法を用いて各段の幅の最適化を実施（各層は密接に関係しており、孤立しては求められない。）。
（４）（３）の各段の最適化幅方向の形状にて再び高さ方向の最適化。
（５）（４）の最適化された高さにて再び山登り方法で幅方向の最適化。
（６）（４）、（５）が不動になる（収束する）まで繰り返し実行する。
【００２５】
以下に、規格化周期Λ／λが、１．５、２．０、３．０、４．０、５．０、６．０、１０．０において、ＴＭモード、ＴＥモードそれぞれについて、このような最適化を行った結果を示す。
【００２６】
図１は、ＴＭモードでΛ／λ＝１．５の場合の１つの格子のブレーズ面（図１９参照。この図１（ａ）では、ブレーズ形状と表記）と、８段に最適化した最適化形状とを重ねて示した図（ａ）と、その最適化形状のブレーズ面からのズレ量を位相差で示した図（ｂ）である。なお、図１（ｂ）のズレ量は、図２に図１の対応図を示すように、各段のエッジのブレーズ面からの高さ方向のズレ量を位相差で示したものである。図２では最上段のエッジのブレーズ面からの高さ方向のズレ量をＡで、上から２段の同様のズレ量をＢで、下から２段（上から７段）の同様のズレ量をＣで示してある。
【００２７】
この図１の最適化形状の場合、回折効率はスカラー理論に基づいて８段にマルチレベル型の場合の７４．７１％から９１．６６％に向上している。
【００２８】
図３に、ＴＥモードでΛ／λ＝１．５の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は８０．０７％から９４．８５％に向上している。
【００２９】
図４に、ＴＭモードでΛ／λ＝２．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は２９．４４％から９３．５０％に向上している。
【００３０】
図５に、ＴＥモードでΛ／λ＝２．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は２０．８５％から５２．９９％に向上している。
【００３１】
図６に、ＴＭモードでΛ／λ＝３．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は６３．４１％から７７．４１％に向上している。
【００３２】
図７に、ＴＥモードでΛ／λ＝３．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は５８．５８％から７５．６１％に向上している。
【００３３】
図８に、ＴＭモードでΛ／λ＝４．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は７２．７５％から７８．４５％に向上している。
【００３４】
図９に、ＴＥモードでΛ／λ＝４．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は６５．６２％から７７．４５％に向上している。
【００３５】
図１０に、ＴＭモードでΛ／λ＝５．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は７７．１５％から８３．０１％に向上している。
【００３６】
図１１に、ＴＥモードでΛ／λ＝５．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は７４．７８％から８３．２４％に向上している。
【００３７】
図１２に、ＴＭモードでΛ／λ＝６．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は８１．０２％から８１．３７％に向上している。
【００３８】
図１３に、ＴＥモードでΛ／λ＝６．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は８０．４８％から８２．６０％に向上している。
【００３９】
図１４に、ＴＭモードでΛ／λ＝１０．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は８０．９６％から８５．９７％に向上している。
【００４０】
図１５に、ＴＥモードでΛ／λ＝１０．０の場合の図１と同様の図を示す。回折効率は８３．７５％から８５．２３％に向上している。
【００４１】
このような最適化前の回折効率に対して最適化後の回折効率をプロットした図１８と同様の図を図１６に示す。図１６から、規格化周期Λ／λが５以下のとき、最適化形状による回折効率が略５．５％以上向上することが分かる。
【００４２】
そこで、図１、図３〜図１１の特に各々の図（ｂ）を参照にしてその最適化形状の特徴を見ると、Λ／λ≦５において、マルチレベル化した各段のエッジを結んだ面（各図の（ｂ）の実線）を最適化格子面と定義すると、最適化格子面は平面のブレーズ面から高さ方向（位相差方向）に何れかの位置で位相差に換算して７％以上ずれた曲面となっているのが、第１の特徴である。
【００４３】
そして、マルチレベル化した段の位相差及び幅が均一に分布していない点が、第２の特徴である。
【００４４】
また、Λ／λ≦４においては、最適化格子面のブレーズ面からのずれが正負両側にまたがっていることが、第３の特徴である。
【００４５】
図１７に、典型例として、ＴＭモードでΛ／λ＝２．０の場合に、本発明に基づいて８段に最適化した回折光学素子（回折格子）の断面形状（ａ）と、従来のスカラー理論にづいて８段にマルチレベル化した回折光学素子（回折格子）の断面形状及びブレーズ面（この図では、ブレーズ形状と表記）（ｂ）とを示す。図４に関連して説明したように、この例の場合、石英基板の裏面平面側（図の下側）から光が垂直に入射し、表面の回折格子面から空気側に回折する場合の１次回折光の回折効率は、図（ｂ）の従来のスカラー理論にづいて８段にマルチレベル化したものの場合、２９．４４％であるが、図（ａ）の本発明に基づいて８段に最適化したものの場合、９３．５０％であり、本発明に基づく最適化がいかに有効であるかが明確に分かる。
【００４６】
以上のように、本発明に基づいて、規格化周期が小さい１次光回折角が１１．５°以上場合でも、概ね８０％以上の極めて高い１次光回折効率のブレーズ化回折光学素子を得ることができた。
【００４７】
このような本発明のブレーズ化回折光学素子の用途としては、高効率高ＮＡ（開口数）のバイナリー回折光学素子に適用できる。また、偏光特性があり、例えばΛ／λ＝２．０のものを偏光素子として機能させることも可能である。したがって、各種フレネルゾーンプレート、偏光素子、計算機ホログラム、分光素子、光ピックアップ系ホログラム素子等に本発明を適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明に基づいてＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝１．５の場合の１つの格子のブレーズ面と、８段に最適化した最適化形状とを重ねて示した図（ａ）と、その最適化形状のブレーズ面からのズレ量を位相差で示した図（ｂ）である。
【図２】図１（ｂ）のズレ量の取り方を説明するための図１に対応する図である。
【図３】本発明に基づいてＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝１．５の場合の図１と同様の図である。
【図４】本発明に基づいてＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝２．０の場合の図１と同様の図である。
【図５】本発明に基づいてＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝２．０の場合の図１と同様の図である。
【図６】本発明に基づいてＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝３．０の場合の図１と同様の図である。
【図７】本発明に基づいてＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝３．０の場合の図１と同様の図である。
【図８】本発明に基づいてＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝４．０の場合の図１と同様の図である。
【図９】本発明に基づいてＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝４．０の場合の図１と同様の図である。
【図１０】本発明に基づいてＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝５．０の場合の図１と同様の図である。
【図１１】本発明に基づいてＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝５．０の場合の図１と同様の図である。
【図１２】ＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝６．０の場合の図１と同様の図である。
【図１３】ＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝６．０の場合の図１と同様の図である。
【図１４】ＴＭモードで規格化周期Λ／λ＝１０．０の場合の図１と同様の図である。
【図１５】ＴＥモードで規格化周期Λ／λ＝１０．０の場合の図１と同様の図である。
【図１６】最適化前の回折効率に対して最適化後の回折効率をプロットした図である。
【図１７】ＴＭモードでΛ／λ＝２．０の場合に本発明に基づいて８段に最適化した回折光学素子（回折格子）の断面形状（ａ）と、従来のスカラー理論にづいて８段にマルチレベル化した回折光学素子（回折格子）の断面形状及びブレーズ面（ｂ）とを示す図である。
【図１８】スカラー理論に基づいて８段にマルチレベル化したブレーズ化回折格子の回折効率をグラフ化した図である。
【図１９】ブレーズ化回折格子のブレーズ面の高さＨとブレーズ角αについて説明するための図である。
【図２０】回折格子の繰り返し周期が使用波長に近づくときに回折の法則により進む回折１次光の方向とスネルの法則によりブレーズ面で屈折された光の進む方向の間に乖離が生じることを示す図である。
【符号の説明】
【００４９】
１…ブレーズ化回折格子
２…ブレーズ面（斜面）
【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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