(57)【要約】【課題】  多段型回折光学素子において、入射光を均一に調整する。【解決手段】光透過性を有する光学基板ＯＢＰ上に複数の位相領域ＲＺが中心部から外側に向かってピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各位相領域ＲＺ内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための階段状回折格子部１２ａが多段に形成された第１の回折格子１１と、入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った位相変調領域部１２ａが第１の回折格子１１を二次元的にｍ×ｎ個に分割した複数のブロック内にそれぞれ重畳され、且つ、位相変調領域部１２ａの第１の回折格子１１に対する占有面積割合が必要な光透過率に応じてブロックごとに可変されてなる第２の回折格子１２と、を備えたことを特徴とする多段型回折光学素子１０Ａを提供する。【選択図】図１
2006317806.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光透過性を有する光学基板上に複数の位相領域が中心部から外側に向かってピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各位相領域内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための階段状回折格子部が多段に形成された第１の回折格子と、
前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に前記入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った位相変調領域部が前記第１の回折格子を二次元的にｍ×ｎ個に分割した複数のブロック内にそれぞれ重畳され、且つ、前記位相変調領域部の前記第１の回折格子に対する占有面積割合が必要な前記光透過率に応じてブロックごとに可変されてなる第２の回折格子と、
を備えたことを特徴とする多段型回折光学素子。
【請求項２】
前記第２の回折格子の位相変調領域部は、各ブロック内に矩形状に形成されるか、または、各ブロック内の一つの方向に向かってライン状に形成されてなることを特徴とする請求項１記載の多段型回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光透過性を有する光学基板上で入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための第１の回折格子を二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割し、且つ、各ブロック内に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するための第２の回折格子を重畳させて、第１の回折格子に対する第２の回折格子の占有面積割合を必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させてなる多段型回折光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、回折光学素子の一種であるフレネルレンズ，多段型フレネルレンズ，多段型シリンドリカルレンズ，多段型焦点回折レンズなどは、非球面レンズと組み合わせることにより、光学的な収差を小さな値に設定できる等の理由から、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に多用されている。
【０００３】
図１７（ａ），（ｂ）は一般的なフレネルレンズを示した平面図，縦断面図、
図１８は従来の多段型フレネルレンズを示した縦断面図、
図１９（ａ）〜（ｊ）は従来の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図、
図２０は従来の多段型フレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。
【０００４】
図１７（ａ），（ｂ）に示したように、一般的なフレネルレンズ１００は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂａｓｅ  Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域（Ｒｉｎｇ  Ｚｏｎｅ）ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、且つ、中心０から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されていると共に、各輪帯領域ＲＺ内には回折格子１０１が折り返した曲面状にそれぞれ形成されており、各輪帯領域ＲＺ内の各回折格子１０１の回折効果を利用してレンズ機能を持たせている。
【０００５】
ところで、下記の非特許文献１にも記載されているが、上記したフレネルレンズ１００を例えば光ディスク装置のピックアップの回折光学素子として用いるような場合には、素子としての小型化と、フレネルレンズ１００に入射させるレーザー光のビームパワーを有効利用するために高い回折効率との双方が要求されており、これらを実現するためにフレネルレンズは、半導体製造工程の微細加工技術を使用して、図１８に示したような多段型フレネルレンズ２００が採用されている。
【０００６】
即ち、図１８に示した従来の多段型フレネルレンズ２００では、上記と同様に、光透過性を有する円盤状の光学基板ＯＢＰ上に、複数の輪帯領域ＲＺが中心０から外周側に向かって輪帯ピッチを除々に狭めて設定されているものの、上記とは異なって、各輪帯領域ＲＺ内に階段状回折格子部２０１が階段の段数を外周側に向かって除々に減少させて例えば８段で多段に形成されている。
【０００７】
この多段型フレネルレンズ２００の構造は、特定次数の回折光として例えば１次回折光を所定の集光位置に集中的に回折するために作られており、８段１次回折構造の例を示したものであり、階段一段あたりの深さは使用するレーザー光の波長λの１／８λの光学的長さに対応している。
【０００８】
この際、多段型フレネルレンズ２００を作製する場合には、後述するように、光学基板ＯＢＰの上面を基準面としてエッチング処理を施して階段を形成することから、階段の最深部は上面から７段分の深さで形成されており、この深さは使用波長の７／８λの光学的長さに対応している。そして、複数の輪帯領域ＲＺ内に形成した階段状回折格子部２０１で回折される回折光強度は９５．３％が１次回折光に集中する。これを言い換えると、複数の輪帯領域ＲＺ内に形成した階段状回折格子部２０１で回折された１次回折光が所定の集光位置に集光され、この階段状回折格子部２０１によって入射光の位相を段階的に変化させることにより、高い回折効率が得られるようになっている。
【０００９】
尚、下記の非特許文献１によれば、多段型フレネルレンズにおいて、階段状の回折格子の多段構成を２段，４段，８段，１６段とした場合に、回折効率はそれぞれ３９．４％，  ８１．０％，  ９５．３％，  ９８．９％と、階段の段数を多くするにつれて回折効率が増加することが明らかにされている。
【非特許文献１】応用物理学会日本光学会主催第２９回冬季講習会  回折光学素子の設計・作製技術。
【００１０】
この際、多段型フレネルレンズを作製する方法は、ガラス基板や石英基板などの光学基板に対して半導体プロセスを適用することによって作製されている。
【００１１】
より具体的には、図１９（ａ）〜（ｊ）に示したように、階段状の回折格子が４段構造である場合に、図１９（ａ）に示したような２段用のマスクパターンＭ１を用いて、図１９（ｂ）〜（ｅ）に示したようにレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、２段段構造の回折格子をまず作製する。
【００１２】
この際、図１９中で（ａ）は上記したように２段用のマスクパターンＭ１であり、（ｂ）は光学基板ＯＢＰに対するレジスト塗布、（ｃ）はマスクパターンマスクＭ１による露光及び現像後のレジストパターン、（ｄ）はレジストによる基板エッチング後の基板形状、（ｅ）はレジスト除去後の基板形状を示している。
【００１３】
この後、図１９（ｆ）に示したような４段用のマスクパターンＭ２を用いて、上記と略同じ工程で図１９（ｇ）〜（ｊ）に示したように、再度、レジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、４段構造の回折格子を作製する。
【００１４】
尚、一般的にはＮ枚のマスクと前記手順でＮの２乗段の多段構造を形成できる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
ところで、光ピックアップ等の光源に使用されている半導体レーザーは光強度分布を持っており、図２０に示した如く、従来の多段型フレネルレンズ２００に、半導体レーザーから出射したレーザー光Ｌを不図示のコリメータレンズで平行光に変換して入射させた時に、一般的に、適宜な位置で断面した時の断面積が略円形であるレーザー光Ｌの光束の中央部は光強度が強く（光量が大きく）、且つ、外周部の光束は光強度が弱い（光量が小さい）傾向がある。このように不均一な光強度分布（光量分布）を持ったレーザー光Ｌの光束を従来の多段型フレネルレンズ２００に入射させて集光した場合、レンズ外周部の光強度が、中央部と比較して弱くなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となる。このため、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生し、問題となっている。
【００１６】
そこで、本発明では、レーザー光を集光する多段型回折光学素子に、集光機能の他に、レーザー光源の光強度分布（光量分布）を調整する機能を備え、多段型回折光学素子への入射光を均一に調整することで、多段型回折光学素子の中央部と外周部での光量分布を均一とし、前述のＮＡ低下を抑制し、集光スポットの劣化を防止することができる構造形態の多段型回折光学素子が望まれている。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、請求項１記載の発明は、光透過性を有する光学基板上に複数の位相領域が中心部から外側に向かってピッチを除々に狭めて設定され、且つ、各位相領域内に入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための階段状回折格子部が多段に形成された第１の回折格子と、
前記入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に前記入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った位相変調領域部が前記第１の回折格子を二次元的にｍ×ｎ個に分割した複数のブロック内にそれぞれ重畳され、且つ、前記位相変調領域部の前記第１の回折格子に対する占有面積割合が必要な前記光透過率に応じてブロックごとに可変されてなる第２の回折格子と、
を備えたことを特徴とする多段型回折光学素子である。
【００１８】
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の多段型回折光学素子において、
前記第２の回折格子の位相変調領域部は、各ブロック内に矩形状に形成されるか、または、各ブロック内の一つの方向に向かってライン状に形成されてなることを特徴とする多段型回折光学素子である。
【発明の効果】
【００１９】
本発明に係る多段型回折光学素子によると、光透過性を有する光学基板上で入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための第１の回折格子を二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割し、且つ、各ブロック内に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するための第２の回折格子を重畳させて、第１の回折格子に対する第２の回折格子の占有面積割合を必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させているために、多段型回折光学素子を例えば光ピックアップなどに適用した場合に、多段型回折光学素子に入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。
【００２０】
勿論、多段型回折光学素子に対して組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過率分布を得ることもできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下に本発明に係る多段型回折光学素子の一実施例について図１〜図１６を参照して、実施例１〜実施例３の順に詳細に詳細に説明する。
【００２２】
本発明に係る多段型回折光学素子は、多段型フレネルレンズ，多段型シリンドリカルレンズ，多段型焦点回折レンズなどのレンズ形状に形成されており、例えば、光ディスク装置の光ピックアップや、光通信装置の光学系に適用されている。
【００２３】
この際、本発明に係る多段型回折光学素子を、例えば、光ディスク装置の光ピックアップに適用した場合に、非球面レンズと組み合わせて用いられており、光ピックアップ内でレーザー光源から出射した不均一な光強度分布（光量分布）を有する光束を多段型回折光学素子に入射させた時に、多段型回折光学素子で均一な光強度分布（光量分布）を有する光束に補正して、出射できるように構成されている。
【００２４】
即ち、本発明に係る多段型回折光学素子は、光透過性を有する光学基板上で入射光に対して特定の次数の回折光を回折して所定の集光位置に集光させるための第１の回折格子を二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割し、且つ、各ブロック内に入射光に対して特定の次数以外の回折光を回折すると共に入射光に対して光透過率を調整するための第２の回折格子を重畳させて、第１の回折格子に対する第２の回折格子の占有面積割合を必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させたことを特徴とするものである。
【００２５】
尚、以下の実施例１〜３において、第１の回折格子は特定の次数の回折光として１次回折光を所定の集光位置に集光させる１次構造として形成し、一方、第２の回折格子は１次回折光以外の回折光を回折する場合について説明するが、多段型回折光学素子の設計仕様により第１の回折格子への特定の次数の回折構造として２次構造、３次構造、……でも可能である。
【実施例１】
【００２６】
図１は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ全体の１／４を示した上面図である。
【００２７】
図１に示した如く、本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子１０Ａは、多段型フレネルレンズに適用されており、以下、多段型フレネルレンズ１０Ａと呼称して説明する。
【００２８】
上記した多段型フレネルレンズ１０Ａは、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板上に、中心部から外周側に向かって徐々にピッチを狭めて輪帯状の位相領域（以下、輪帯領域と記す）ＲＺが複数設定されており、複数の輪帯領域ＲＺ内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して所定の集光位置（焦点位置）に集光させるために多段の階段状回折格子部１１ａを有する第１の回折格子１１が形成されていると共に、この第１の回折格子１１が形成された光学基板内を後述の図７で示すように二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第１の回折格子１１と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った正方形（矩形状）の位相変調領域部１２ａを有する第２の回折格子１２が重畳されていると共に、第２の回折格子１２の位相変調領域部１２ａは第１の回折格子１１に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。
【００２９】
この際、円盤状の光学基板上では複数の輪帯領域ＲＺが中心部から外周側に向かって徐々にピッチを狭めて設定されているために、各輪帯領域ＲＺ内に平行に入射される入射光は各ピッチ幅に形成された階段状回折格子部１１ａに応じて入射角が変化するのでこれに応じて屈折角も異なることにより所定の集光位置（焦点位置）に集光させることができる。
【００３０】
更に、上記した多段型フレネルレンズ１０Ａは、半径が７７５μｍに形成されており、図示では多段型フレネルレンズ全体の１／４領域を表示している。また、多段型フレネルレンズ１０Ａの焦点距離は２０ｍｍに設定され、光源波長λが０．４μｍのレーザー光を用いた時に、位相分布は１波長分に相当する２πをグレーレベルで８段階に表示している。
【００３１】
ここで、上記した多段型フレネルレンズ１０Ａを詳述する前に、この多段型フレネルレンズ１０Ａを適用した場合の光学系について図２〜図５を用いて説明する。
【００３２】
図２は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光路を説明するための光路図、
図３は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図、
図４（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズへの入射光量分布を立体的に示した斜視図、
図５（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ上で光量分布を補正する場合を立体的に示した斜視図である。
【００３３】
図２に示した如く、実施例１の多段型フレネルレンズ１０Ａを使用するにあたって、位置Ｘ１を入射光と対応した位置とし、また、位置Ｘ２を多段型フレネルレンズ１０Ａと対応した位置とし、また、位置Ｘ３を出射光と対応した位置とし、更に、位置Ｘ４を出射光の集光位置とした場合に、レーザー光源（図示せず）から出射したレーザー光Ｌをコリメータレンズ（図示せず）で平行光に変換して、適宜な位置で断面した時の断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光を多段型フレネルレンズ１０Ａの一方の面から入射させ、他方の面上で第１，第２の回折格子１１，１２により回折させてから出射させた時に、とくに、第１の回折格子１１で回折された１次回折光が光軸Ｋ上で焦点距離ｆ１に対応した所定の集光位置にスポット状に集光され、且つ、第２の回折格子１２で回折された１次回折光以外の回折光が第１の回折格子１１とは異なる回折位置に回折されるようになっている。
【００３４】
ここで、図３中で点線を用いて示した如く、断面形状が略円形であるレーザー光Ｌの平行光を多段型フレネルレンズ１０Ａに入射した時に、図２に示した位置Ｘ１における入射光束の光強度分布は光軸Ｋを中心にして対称であると仮定した場合、半導体レーザーの特性により、中央部の光強度を１００％とすると、レンズ半径が５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍでは光強度がそれぞれ、９７．５％，９０．０％，７７．５％に低下しており、中央部が凸状に突出した凸型の光強度分布特性となっている。
【００３５】
このように中央部が凸型の光強度分布を持った入射光束を、先に図１８を用いて説明したような従来の多段型フレネルレンズ２００で集光すると、レンズ外周部の光量が、中央部と比較して小さくなるために、レンズの口径が小さくなった状態と等価な現象となり、レンズの開口数（ＮＡ）が低下し、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が起き、光学特性の劣化が発生する。
【００３６】
この問題を解決する為に、図２中の位置Ｘ２における多段型フレネルレンズ１０Ａ上での光束の光透過率分布において、図３中で実線を用いて示したように、レンズ半径が０μｍ，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍで光透過率が、それぞれ７７．５％，  ７９．５％，  ８６．１％，  １００％になるように、第１の回折格子１１に対する第２の回折格子１２の占有面積割合を変化させ、即ち、位置Ｘ１における凸型の光強度分布特性に対して反転させて、位置Ｘ２で中央部が凹状にへこんだ凹型の光透過率分布特性になるように逆補正している。
【００３７】
この設定により、入射光が多段型フレネルレンズ１０Ａを透過して出射した時に、図２に示した位置Ｘ３における出射光の光強度分布は、図３中で一点鎖線を用いて示したように、入射光量と多段型フレネルレンズ光透過率との積となり、その結果フラットなものとなる。
【００３８】
これにより、多段型フレネルレンズ１０Ａの外周部の光量が、中央部と略等しくなるので、レンズの口径は変化しない状態と等価になり、レンズの開口数（ＮＡ）は変化せず、集光スポットが本来のレンズ設計と比較して、大きくなるといった現象が発生しなくなる。
【００３９】
但し、出射光の光強度分布がフラットになった際、全体の光量は低下するが、高輝度レーザー等の、より光量の大きい光源を使用すれば、光量の低下は防止できる。
【００４０】
ここで、多段型フレネルレンズ１０Ａへの入射光束の光量分布を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて３次元的に図示した時に、図４中のＸ軸，Ｙ軸は光軸Ｋ（図２）からの距離を示し、Ｚ軸は光量強度を示している。
【００４１】
この際、図４（ａ）に示した状態は、多段型フレネルレンズ１０Ａへの入射光束の光量分布が、光軸Ｋ（図２）を対称と仮定した場合の例であり、即ち、Ｚ軸回転対称であるが、実際の光学系において、ビーム・コリメーション、ビーム成形条件、あるいは組み合わせる光学部品の特性によっては、光量分布がＺ軸回転対称でなく、図４（ｂ），（ｃ）に示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布の場合がある。尚、図４（ｃ）は図４（ｂ）の強度分布を９０度回転して表示したものである。
【００４２】
そして、図４（ｂ）に図示したように入射光束の光量分布がＺ軸回転非対称の場合、多段型フレネルレンズ１０Ａ上での光透過率分布を、図５（ａ）に示したように図４（ｂ）に対して反転させたものに補正する。この設定により、入射光の光量分布が、多段型フレネルレンズ１０Ａ上では、入射光量分布と多段型フレネルレンズ光透過率分布との積となり、この結果、図５（ｂ）に示したように多段型フレネルレンズ１０Ａからの出射光量分布はフラットなものとなる。
【００４３】
次に、多段型フレネルレンズ１０Ａにおいて、第１の回折格子１１と、この第１の回折格子１１内に重畳される第２の回折格子１２とについて図６〜図１２を用いて詳述する。
【００４４】
図６（ａ），（ｂ）は多段型フレネルレンズ中の第１の回折格子を示した平面図，断面図、
図７は図６に示した第１の回折格子をｍ×ｎ個のブロックに分割した状態を示した平面図、
図８（ａ），（ｂ）は第１の回折格子を分割したブロック内に形成した第２の回折格子を説明するための図、
図９は第１の回折格子のブロック内に第２の回折格子を重畳する際の占有面積割合と、第２の回折格子による０次光の光透過率との関係を示した図、
図１０は第１の回折格子を拡大して示した断面図、
図１１は第２の回折格子を拡大して示した断面図、
図１２は第１の回折格子に対して第２の回折格子を光学的に重畳させた状態を拡大して示した断面図である。
【００４５】
図６（ａ），（ｂ）に示した如く、多段型フレネルレンズ１０Ａ（図１）中の第１の回折格子１１は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板（Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂａｓｅ  Ｐｌａｔｅ）ＯＢＰ上に、輪帯領域ＲＺが中心０を中心にしてリング状の同心円を描き、中心０から外周側に向かって輪帯ピッチＲｐｎ（但し、ｎ：０以上の正の整数）を除々に狭めて複数設定されている。
【００４６】
また、第１の回折格子１１に形成した複数の輪帯領域ＲＺ内には、入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して、光学基板ＯＢＰの中心０を通る光軸Ｋ上で所定の集光位置（焦点位置）に集光させるための階段状回折格子部１１ａが外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成されている。
【００４７】
この際、第１の回折格子１１に形成した階段状回折格子部１１ａは、階段の段数を例えば８段に設定して、１次回折構造８段の回折格子としている。
【００４８】
また、第１の回折格子１１において、複数の輪帯領域ＲＺを、光学基板ＯＢＰの中心０から外周側に向かって順にＲＺ０，ＲＺ１，ＲＺ２，……，ＲＺｎと設定した場合に、まず、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてｎ（但し、ｎ：０以上の正の整数）番目の輪帯領域ＲＺｎに対応するレンズ半径（輪帯半径）Ｒｎを下記の数１より求めることができる。
【数１】
2006317806.tif 000003
【００４９】
この数１中で、Ｒｎはｎ番目のレンズ半径であり、λは入射光の波長であり、入射光として波長λが０．４μｍのレーザー光を用いている。また、ｆ１は第１の回折格子１１による１次回折光の焦点距離であり、この実施例１ではｆ１＝２０ｍｍに設定されている。また、ｄは回折次数であり、この実施例１では第１の回折格子１１による１次回折光を対象にしているのでｄ＝１である。
【００５０】
従って、光学基板ＯＢＰの中心０を中心としてＲＺ０，ＲＺ１，ＲＺ２，……，ＲＺｎに対応してレンズ半径Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，……，Ｒｎが求められる。
【００５１】
次に、上記したｎ＝０の場合で、光学基板ＯＢＰの中心０を含む輪帯領域ＲＺ０の輪帯ピッチＲｐ０は、下記の数２より求めることができる。
【数２】
2006317806.tif 000004
【００５２】
次に、上記したｎ＝０の場合を除外して、ｎ番目の輪帯ピッチＲｐｎは、下記の数３より求めることができる。
【数３】
2006317806.tif 000005
【００５３】
従って、数２及び数３から中央の輪帯領域ＲＺ０のみが輪帯ピッチＲｐ０を半径にして円形に設定されるものの、輪帯領域ＲＺ１，ＲＺ２，……，ＲＺｎは、輪帯ピッチＲｐ１，Ｒｐ２，……，Ｒｐｎの各ピッチ幅でリング状に設定されている。
【００５４】
そして、第１の回折格子１１において、レンズ半径の最大値に対応するｎの最大値を例えば１４０に設定した場合に、ｎを０〜１４０の範囲で順次可変しながらλ＝０．４μｍ，ｆ１＝２０ｍｍ，ｄ＝１を数１に代入してレンズ半径Ｒｎを計算し、この後、数２及び数３により、例えば、レンズ半径Ｒｎが光学基板ＯＢＰの中心を含んだ０μｍ近傍，５００μｍ，１０００μｍ，１５００μｍにおける輪帯ピッチＲｐｎをそれぞれ求めると、１２６．５μｍ（Ｒｐ０），１６．１μｍ（Ｒｐ１５），８．０μｍ（Ｒｐ６２），５．４μｍ（Ｒｐ１４０）が得られる。
【００５５】
尚、第１の回折格子１１を設計する場合には、全ての輪帯領域ＲＺｎ（ｎ＝０〜１４０）に対応したレンズ半径Ｒｎ及び輪帯ピッチＲｐｎを求めれば良い。
【００５６】
次に、第１の回折格子１１において、多段に形成した階段状回折格子部１１ａの一段あたりの深さｓは、一般的に下記の数４より求めることができる。
【数４】
2006317806.tif 000006
【００５７】
この数４中で、ｓは階段状回折格子部１１ａ中における階段の一段あたりの深さ、λは光源の波長、ｄは回折次数で１以上の整数、ｋは光学基板ＯＢＰの屈折率、ｖは段数である。
【００５８】
この実施例１では第１の回折格子１１に形成した多段の階段状回折格子部１１ａは、１次回折構造８段の回折格子を使用しているので、λを０．４０μｍ、ｄを１、ｋを１．４６、ｖを８とすると、一段あたりの深さｓは０．１０９μｍとなる。
【００５９】
尚、８段の階段状回折格子部１１ａを形成する方法は、前述のように、半導体プロセスを使用し、ガラス基板や石英基板などの光学基板ＯＢＰに対して、少なくとも３枚のマスクパターンを用いてレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを繰り返し行うことで実現可能である。
【００６０】
そして、図７に示した如く、上記のように形成した第１の回折格子１１の輪帯領域ＲＺを二次元的にｍ×ｎ個のブロックＢＬに分割する。この実施例１において、第１の回折格子１１は８値の１次回折構造を採用しているので、位相分布は１波長に相当する２πをグレーレベルで８段階に表示していると共に、第１の回折格子１１の外形は円形に形成されているので、実質的にはｍ×ｎ個のブロックに分割する際にｍ＝ｎとすれば、各ブロックＢＬが正方形状に分割されることになる。
【００６１】
そして、第１の回折格子１１をｍ×ｎ個に分割した各ブロックＢＬ内には、図８（ａ），（ｂ）に示したように第２の回折格子１２が使用波長λに対して例えばλ／４（０．５π）の所定の位相差を持った正方形の位相変調領域部１２ａの形状で重畳されるか、又は、図８（ｃ），（ｄ）に示したように第２の回折格子１２が使用波長λに対して例えばλ／４（０．５π）の所定の位相差を持ったライン状の位相変調領域部１２ｂの形状で重畳されているが、これに限定されるものでもなく、第２の回折格子１２の位相変調領域部は任意の形状でも良く、また、任意の位相差に設定しても良い。
【００６２】
ここで、第１の回折格子１１の各ブロックＢＬ内に重畳する第２の回折格子１２を設計するに当たって、分割されたブロックＢＬごとに入射光分布を実測するか、あるいは、シミュレーションにより求めており、全体の入射光分布中の最大値を１と設定した時に、ｍ行ｎ列目のブロックＢＬに対して入射光分布Ｉ（ｍ，ｎ）の行列データを生成する。この際、ｍ，ｎは自然数であり、ｍ，ｎの数が大きいほど分布均一性が向上する。
【００６３】
そして、ｍ行ｎ列の入射光分布Ｉ（ｍ，ｎ）に対する全体の入射光分布中の最小値Ｉ（ｍｉｎ）からブロックＢＬごとの必要光透過率Ｔ（ｍ，ｎ）を下記の数５より求めている。
【数５】
2006317806.tif 000007
【００６４】
この際、第２の回折格子１２の各ブロックＢＬ中における必要光透過率Ｔ（ｍ，ｎ）は、第１の回折格子１１に対する各位相変調領域部１２ａ（又は１２ｂ）の占める面積割合によって決まり、各位相変調領域部１２ａ（又は１２ｂ）の形状には依存しない。
【００６５】
そして、第２の回折格子１２の位相分布をフーリエ変換することにより、入射光の回折次数における強度、及び回折効率を算出できることが一般に知られている。
【００６６】
具体的には、図９に示した如く、第１の回折格子のブロック内に第２の回折格子１２を重畳する際に、光透過率をフーリエ変換によって算出した例として、横軸に第１の回折格子に対する第２の回折格子の占有面積割合を示し、縦軸に第２の回折格子による０次光の光透過率を示している。
【００６７】
この図９より、第１の回折格子１１に対して第２の回折格子１２の占有面積割合が増加すると、第２の回折格子１２による０次光の光透過率が低下する関係にある。従って、図９に示した数値テーブルを使用することで、第２の回折格子１２への必要光透過率と位相変調領域部１２ａ（又は１２ｂ）の占有面積割合とを算出することができる。
【００６８】
この際、この実施例１における第２の回折格子１２は、図１に示したように、第１の回折格子１１のブロック内に正方形の位相変調領域部１２ａを光学的に重畳している。
【００６９】
また、多段型フレネルレンズ１０Ａへの入射光束の光量分布がＺ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定したものと仮定した場合に、第２の回折格子１２に対して正方形の位相変調領域部１２ａの必要光透過率を求めてこの位相変調領域部１２ａの占有面積割合をブロックごとに可変することで、多段型フレネルレンズ１０Ａ上での光透過率分布を先に示した図５（ａ）の様に光量分布を反転させたものに補正している。この補正により、入射光の光量分布が、多段型フレネルレンズ１０Ａ上では、入射光量分布と多段型シリンドリカルレンズ光透過率分布との積となり、その結果先に示した図５（ｂ）の様に多段型フレネルレンズ１０Ａからの出射光量分布はフラットなものとなる。
【００７０】
より具体的に説明すると、図１０〜図１２には、第１の回折格子１１と、第２の回折格子１２と、第１の回折格子１２内に重畳した第２の回折格子１２とをそれぞれ拡大して図示しており、これらの図中に置いて横軸は多段型フレネルレンズのレンズ半径方向を示し、縦軸は位相差（λ）を光学基板の上面側を０として下面側に向かって１．０となるように示している。
【００７１】
ここで、実施例１の多段型フレネルレンズ１０Ａ（図１）において、図１０に示したように、輪帯領域ＲＺ（図１）内の全域に亘って配置される第１の回折格子１１は、入射光に対して１次回折光のみを回折して、この１次回折光を光軸Ｋ（図１）上で所定の集光位置に集光する機能を備えているものであり、外周側に向かって階段の段数を除々に減少させて多段に形成された階段状回折格子部１１ａの階段の段数が８段に設定されており、階段状回折格子部１１ａの全体の高さが入射光の１波長λ分の高さ（λ＝０．４μｍ）に設定されているので、一段当たりの階段の高さは１／８λの光学的長さに対応している。
【００７２】
一方、図１１に示したように、第１回折格子１１をｍ×ｎ個に分割した各ブロックＢＬ（図７，図８）内に重畳される第２の回折格子１２は、入射光に対して１次回折光以外の回折光を回折する機能を備え、且つ、入射光に対して光透過率を調整する機能を備えているものであり、光学基板ＯＢＰ（図６）の上面を基準面としてエッチングした時に、平坦にエッチングした正方形の位相変調領域部１２ａの深さは位相差が１／４半波長（λ／４）になるように設定されて２値構造になっており、この正方形の位相変調領域部１２ａは、第１の回折格子１１に対して位相変調を行うようになっている。
【００７３】
そして、図１２に示した如く、第１回折格子１１の各ブロックＢＬ（図７，図８）内で図１０に示した第１の回折格子１１の階段状回折格子１１ａによる位相分布に対して、図１２に示した第２の回折格子１２に形成した正方形の位相変調領域部１２ａによる位相分布を光学的に重畳させることで最終的な構造形態を得ている。即ち、位相分布の重畳とは、具体的には図１０の位相分布と図１１の位相分布と重ね合わせた和となる。
【００７４】
この際、第１の回折格子１１の階段状回折格子部１１ａ中に光学的に重畳される第２の回折格子１２は、光学基板ＯＢＰ（図６）が厚みを持っているので、第１の回折格子１１の階段状回折格子部１１ａ中でレンズ半径方向の適宜な位置に配置可能であり、この第２の回折格子１２を前記のような適宜な位置に配置しても作用効果は変らない。
【００７５】
更に、後述する多段型フレネルレンズ１０Ａの作製において、第２の回折格子１２に形成した正方形の位相変調領域部１２ａは、第１の回折格子１１を作製した上からλ／４の深さでエッチング処理される関係上、図１２中の位相変調領域部１２ａは図１１に示した単独の場合と異なって完全な平坦形状ではなくなる。
【００７６】
この際、実施例１では、図１０に示したように第１の回折格子１１に１次回折構造８段の回折格子を、また、図１１に示したように第２の回折格子１２に２値構造例を示しているが、第１，第２の回折格子１１，１２はこの回折構造に限定されるものでない。また、第１，第２の回折格子１１，１２は、２次、３次等、より高次な回折構造でも同様な機能を備えることができる。
【００７７】
また、実施例１では、多段型フレネルレンズ１０Ａを凸レンズとして機能させるために、第１の回折格子１１の中心部から外周側に向かってピッチを除々に狭めて設定した複数の輪帯領域ＲＺ（図１）内に階段状回折格子１１ａを外周側に向かって階段を下降させ、位相差を増加させているが、これに限ることなく、多段型フレネルレンズ１０Ａを凹レンズとして機能させるために、第１の回折格子１１の中心部から外周側に向かってピッチを除々に狭めて設定した複数の輪帯領域ＲＺ（図１）内に階段状回折格子１１ａを内周側に向かって階段を下降させ、位相差を増加させる場合もある。
【００７８】
更に、多段型フレネルレンズ１０Ａの用途は、光ピックアップに適用した場合のように先の図３中のＸ３位置で出射光の光強度分布をフラットに補正するのみでなく、多段型フレネルレンズ１０Ａに対して組み合わせられる光学系の特性に合わせて、任意な光透過率を設定し、任意な光透過率分布を得ることもできる。
【００７９】
上記から、先に示した図１において、多段型フレネルレンズ１０Ａ中の第１の回折格子１１が前述したように半径が７７５μｍに設定されているので、第１の回折格子１１全体を例えば３１×３１個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを５０μｍ角の面積に分割した上で、各ブロック内の中央部位に第２の回折格子１２を正方形の位相変調領域部１２ａの形状で重畳させ、且つ、この位相変調領域部１２ａを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。
【００８０】
また、前述したように、多段型フレネルレンズ１０Ａへの入射光束の光量分布がＺ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、図１に示した如く、光透過率を小さく設計したフレネルレンズ中央部及びＸ軸周辺外周領域に関しては、第２の回折格子１２の占有面積割合が大きく、一方、光透過率を大きく設計したフレネルレンズ外周部Ｙ軸周辺領域では、第２の回折格子１２の占有面積割合が小さくなっている。
【００８１】
この結果、実施例１の多段型フレネルレンズ１０Ａを例えば光ピックアップに適用した場合に、多段型フレネルレンズ１０Ａに入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。
【００８２】
次に、本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズ１０Ａを作製する方法について、図１３を用いて説明する。
【００８３】
図１３（ａ）〜（ｊ）は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。
【００８４】
この実施例１の多段型フレネルレンズ１０Ａは第１の回折格子が８段構造であるために、先に図１９（ａ）〜（ｈ）を用いて説明した４段構造の多段型フレネルレンズに対して、図１３（ａ）に示したような８段用のマスクパターンＭ３を用いて、図１３（ｂ）〜（ｅ）に示したようにレジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、８段段構造の第１の回折格子をまず作製する。
【００８５】
この際、図１３中で（ａ）は上記したように８段用のマスクパターンＭ３であり、（ｂ）は光学基板ＯＢＰに対するレジスト塗布、（ｃ）はマスクパターンマスクＭ３による露光及び現像後のレジストパターン、（ｄ）はレジストによる基板エッチング後の基板形状、（ｅ）はレジスト除去後の基板形状を示している。
【００８６】
この後、図１３（ｆ）に示したように、第２の回折格子の位相変調領域部と対応するマスクパターンＭ４を用いて、図１３（ｇ）〜（ｊ）に示したように、再度、レジストの塗布・マスクアライメント・露光・現像・エッチング・レジスト除去のプロセスを行って、第１の回折格子に第２の回折格子を光学的に重畳させた多段型フレネルレンズを作製する。
【００８７】
より具体的に説明すると、図１３（ｆ）は第２の回折格子の位相変調領域部に対応したマスクパターンＭ４である。また、図１３（ｇ）は前述の工程において作製した第１の回折格子にレジスト塗布したものであり、レジスト塗布基板に対してマスクパターンＭ４による第２の回折格子の位相変調領域部の露光を行い、レジストを現像する。また、図１３（ｈ）は図１３（ｇ）に対して現像後に残ったレジスト形状を示す。このレジストをマスクとして、エッチングを行い、図１３（ｉ）に示したようにエッチング後の形状を得る。更に、図１３（ｊ）に示したように、レジストを剥離して、第１の回折格子に対して第２の回折格子の位相を光学的に重畳した多段型フレネルレンズを得る。
【００８８】
ここで、第１の回折格子は１次回折構造８段回折格子を使用しているので、一段あたりの階段深さは、１／８λの光学的長さに対応している。また、第２の回折格子は、位相変調領域部の位相変調量をλ／４とし、回折格子を２値構造としている。
【００８９】
以上のように、レンズとして集光作用を有する第１の回折格子を予め製作しておいて、次に第２の回折格子を作製することであり、例えば、光源を変更し、異なる照明光の強度分布を持った際、その強度分布に対応して第２の回折格子を設計し、この位相変調領域部のみのマスクパターンを作製し、前記した（ｆ）〜（ｊ）の作製工程で、多段型フレネルレンズを得ることができる。
【００９０】
尚、この実施例１では、８段の段差をエッチングする際、３枚のマスクパターンを使用して、３回の露光、エッチング工程を行っているが、これに限定されるものでなく、例えばマスクを７枚用意して、７回エッチングを行って、８段の段差を得ることもできる。
【００９１】
次に、本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズについて図１４を用いて簡略に説明する。
【００９２】
図１４は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ全体の１／４を示した上面図である。
【００９３】
図１４に示した如く、本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ１０Ａ’は、先に説明した実施例１の多段型フレネルレンズ１０Ａに対して第２の回折格子１２の形状が異なるだけであり、実施例１に対して異なる点を中心にして説明する。
【００９４】
上記した変形例の多段型フレネルレンズ１０Ａ’は、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた円盤状の光学基板上に、中心部から外周側に向かって徐々にピッチを狭めて輪帯状の位相領域が複数設定されており、複数の輪帯領域内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して所定の集光位置（焦点位置）に集光させるために多段の階段状回折格子部１１ａを有する第１の回折格子１１が形成されていると共に、この第１の回折格子１１が形成された光学基板内を先に図７で示したように二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第１の回折格子１１と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持ったライン状の位相変調領域部１２ｂを有する第２の回折格子１２が重畳されていると共に、第２の回折格子１２の位相変調領域部１２ｂは第１の回折格子１１に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。
【００９５】
即ち、この変形例の多段型フレネルレンズ１０Ａ’も、実施例１と同様に半径が７７５μｍに設定され、且つ、焦点距離は２０ｍｍに設定され、光源波長λが０．４μｍのレーザー光を用いた時に、位相分布は１波長分に相当する２πをグレーレベルで８段階に表示している。
【００９６】
そして、多段型フレネルレンズ１０Ａ’中で第１の回折格子１１全体を例えば３１×３１個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを５０μｍ角の面積に分割した上で、第２の回折格子１２は各ブロックの中央部位に一つの方向（Ｙ軸方向）に向かってライン状の位相変調領域部１２ｂが各ブロック連接して重畳され、且つ、この位相変調領域部１２ｂを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。
【００９７】
そして、この変形例でも、多段型フレネルレンズ１０Ａ’への入射光束の光量分布が、Ｚ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、図１４に示した如く、光透過率を小さく設計したフレネルレンズ中央部及びＸ軸周辺外周領域に関しては、第２の回折格子１２の占有面積割合が大きいためにライン幅が大きくなる一方、光透過率を大きく設計したフレネルレンズ外周部Ｙ軸周辺領域では、第２の回折格子１２の占有面積割合が小さいためにライン幅が小さくなっている。
【００９８】
この結果、変形例の多段型フレネルレンズ１０Ａ’を例えば光ピックアップに適用した場合に、実施例と同様に、多段型フレネルレンズ１０Ａ’に入射する入射光に光量分布があっても、入射光に対して光量分布を均一に補正して、この入射光を所定の集光位置に集光さることができるので、これにより劣化のない集光スポットを得ることができる。
【実施例２】
【００９９】
図１５は本発明に係る実施例２の多段型回折光学素子を多段型シリンドリカルレンズに適用した時に、多段型シリンドリカルレンズ全体を示した上面図である。
【０１００】
図１５に示した如く、本発明に係る実施例２の多段型回折光学素子１０Ｂは、多段型シリンドリカルレンズに適用されており、以下、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂと呼称して説明する。
【０１０１】
この多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂは、光束入射面のＸ軸方向のみに集光機能を持ち、Ｘ軸に対して直交するＹ軸方向に関しては集光機能を持たない、いわゆるかまぼこ型レンズである。
【０１０２】
上記に伴って、実施例２の多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂは、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた矩形状の光学基板上に、Ｘ軸方向において中心部から外側に向かって徐々にピッチを狭めてライン状の位相領域（以下、ライン状領域と記す）ＬＺが複数設定されており、複数のライン状領域ＬＺ内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して所定の集光位置（焦点位置）に集光させるために多段の階段状回折格子部１１ａを有する第１の回折格子１１が形成されていると共に、この第１の回折格子１１が形成された光学基板内を先に図７で示したように二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第１の回折格子１１と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持った正方形の位相変調領域部１２ａを有する第２の回折格子１２が重畳されていると共に、第２の回折格子１２の位相変調領域部１２ａは第１の回折格子１１に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。
【０１０３】
更に、上記した多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂは、縦横寸法が１５５０μｍにそれぞれ形成されており、図示では多段型シリンドリカルレンズ全体を表示している。
【０１０４】
また、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂは、Ｘ方向の焦点距離が２０ｍｍであり、Ｙ方向の焦点距離は無限大であり、光源波長λが０．４μｍのレーザー光を用いた時に、位相分布は１波長分に相当する２πをグレーレベルで８段階に表示している。
【０１０５】
ここで、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂにおいて、集光機能を持つＸ軸方向に関しては、先に実施例１で説明した多段型シリンドリカルレンズ１０Ａの数式である数１〜数３、及び、多段構造の深さの数式である数４を使用することで、集光機能を持つ第1の回折格子１１の位相分布を算出できる。
【０１０６】
一方、集光機能を持たないＹ軸方向の位相分布に関しては、前記のＸ軸方向と同相の位相分布とする。
【０１０７】
この実施例２においても、第１の回折格子１１をｍ×ｎ個に分割した各ブロックごとに入射光分布を実測するか、あるいは、シミュレーションにより求めており、全体の入射光分布中の最大値を１と設定した時に、ｍ行ｎ列目のブロックＢＬに対して入射光分布Ｉ（ｍ，ｎ）の行列データを生成する。この際、ｍ，ｎは自然数であり、ｍ，ｎの数が大きいほど分布均一性が向上する。
【０１０８】
そして、ｍ行ｎ列の入射光分布Ｉ（ｍ，ｎ）に対する全体の入射光分布中の最小値Ｉ（ｍｉｎ）からブロックＢＬごとの必要光透過率Ｔ（ｍ，ｎ）を先に説明した数５より求めて、先の図９に示した数値テーブルを使用することで、第２の回折格子１２への必要光透過率と位相変調領域部１２ａの占有面積割合とを算出することができる。この際、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂの光透過率は、一つのブロック中での位相変調領域部１２ａの占める面積割合で決まり、図９に示したように位相変調領域部１２ａの占有面積割合が増加すると光透過率が低下する傾向があり、且つ、位相変調領域部１２ａの形状に依存していない。
【０１０９】
具体的には、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂ中で第１の回折格子１１全体を例えば３１×３１個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを５０μｍ角の面積に分割した上で、各ブロック内の中央部位に第２の回折格子１２を正方形の位相変調領域部１２ａの形状で重畳させ、且つ、この位相変調領域部１２ａを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。
【０１１０】
この実施例２でも、第２の回折格子１２に形成した正方形の位相変調領域部１２ａは、位相差が使用波長λのλ／４（０．５π）に設定されているが、これに限定されるものでもなく、第２の回折格子１２の位相変調領域部は任意の形状でも良く、また、任意の位相差に設定しても良い。
【０１１１】
上記から、実施例２においても、実施例１と同様に、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂへの入射光束の光量分布がＺ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定したものと仮定した場合に、第２の回折格子１２に対して正方形の位相変調領域部１２ａの必要光透過率を求めて、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂ上での光透過率分布を先に示した図５（ａ）の様に光量分布を反転させたものに補正している。この補正により、入射光の光量分布が、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂ上では、入射光量分布と多段型シリンドリカルレンズ光透過率分布との積となり、この結果、先に示した図５（ｂ）の様に多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂからの出射光量分布はフラットなものとなる。
【０１１２】
また、上記したように、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂへの入射光束の光量分布がＺ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、光透過率を小さく設計したシリンドリカルレンズ中央部及びＸ軸周辺外周領域に関しては、第２の回折格子１２の占有割合が大きくなる一方、光透過率を大きく設計したシリンドリカルレンズ外周部Y軸周辺領域では、第２の回折格子１２の占有割合が小さくなっている。
【０１１３】
そして、多段型シリンドリカルレンズ１０Ｂを作製する場合には、実施例１と同様に、第１の回折格子１１を前述のような半導体プロセスを使用してガラス基板や石英基板に対して作製した後、第１の回折格子１１上に、同様に第２の回折格子１２を半導体プロセスにより重ねて作製すれば良い。
【実施例３】
【０１１４】
図１６は本発明に係る実施例３の多段型回折光学素子を多段型多焦点回折レンズに適用した時に、多段型多焦点回折レンズ全体を示した上面図である。
【０１１５】
図１６に示した如く、本発明に係る実施例３の多段型回折光学素子１０Ｃは、多段型多焦点回折レンズに適用されており、以下、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃと呼称して説明する。
【０１１６】
この多段型多焦点回折レンズ１０Ｃは、入射光を複数の異なる焦点へ集光する機能を持つものであり、一般的にｎ点の焦点があるが、この実施例３における図１６では２点の焦点がある場合を示している。
【０１１７】
上記に伴って、実施例３の多段型多焦点回折レンズ１０Ｃは、光透過性を有するガラス基板や石英基板などを用いた矩形状の光学基板上に、中心部から外側に向かって徐々にピッチを狭めて輪帯状の第１，第２の位相領域（以下、第１，第２の輪帯領域と記す）ＲＺ１，ＲＺ２が中心部で重なりあいながら設定されており、第１，第２の輪帯領域ＲＺ１，ＲＺ２内にそれぞれ入射した入射光に対して特定の次数の回折光として例えば１次回折光を回折して所定の集光位置（焦点位置）に集光させるために多段の階段状回折格子部１１ａを有する第１の回折格子１１が形成されていると共に、この第１の回折格子１１が形成された光学基板内を先に図７で示したように二次元的にｍ×ｎ個のブロックに分割した時に、各ブロック内に第１の回折格子１１と異なる回折次数に入射光を回折し、且つ、入射光に対して光透過率を調整するために所定の位相差を持ったライン状の位相変調領域部１２ｂを有する第２の回折格子１２が重畳されていると共に、第２の回折格子１２の位相変調領域部１２ｂは第１の回折格子１１に対する占有面積割合を必要な透過率に応じてブロックごとに可変されている。
【０１１８】
更に、上記した多段型多焦点回折レンズ１０Ｃは、縦横寸法が１５５０μｍにそれぞれ形成されており、図示では多段型多焦点回折レンズ全体を表示している。
【０１１９】
また、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃは、第１の輪帯領域ＲＺ１側の焦点距離が２０ｍｍに設定され、且つ、第２の輪帯領域ＲＺ２側の焦点距離が４０ｍｍに設定されて、２つの焦点は多焦点回折レンズ面中心を垂直に通る光軸に対して互いに２００μｍ離れた位置に集光するようになっていると共に、光源波長λが０．４μｍのレーザー光を用いた時に、位相分布は１波長分に相当する２πをグレーレベルで８段階に表示している。
【０１２０】
ここで、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃにおいて、第１の輪帯領域ＲＺ１内の焦点に対応する位相分布に関しては、先に実施例１で説明した多段型シリンドリカルレンズ１０Ａの数式である数１〜数３、及び、多段構造の深さの数式である数４を使用することで、集光機能を持つ第1の回折格子１１の位相分布を算出できる。
【０１２１】
また、第２の輪帯領域ＲＺ２内の焦点に対応する位相分布に関しても、上記と同様に、数１〜数３、及び、多段構造の深さの数式である数４を使用することで、集光機能を持つ第1の回折格子１１の位相分布を算出でき、この後、第１，第２の輪帯領域ＲＺ１，ＲＺ２同士の位相分布を加算して多段型多焦点回折レンズ１０Ｃにおける第1の回折格子１１の位相分布とする。
【０１２２】
勿論、ｎ個の焦点がある場合には、ｎ回、同様に位相分布を計算しｎ個の位相分布を得た後、これらの位相分布を加算して第1の回折格子１１の位相分布とすれば良い。
【０１２３】
この実施例３においても、第１の回折格子１１をｍ×ｎ個に分割した各ブロックごとに入射光分布を実測するか、あるいは、シミュレーションにより求めており、全体の入射光分布中の最大値を１と設定した時に、ｍ行ｎ列目のブロックＢＬに対して入射光分布Ｉ（ｍ，ｎ）の行列データを生成する。この際、ｍ，ｎは自然数であり、ｍ，ｎの数が大きいほど分布均一性が向上する。
【０１２４】
そして、ｍ行ｎ列の入射光分布Ｉ（ｍ，ｎ）に対する全体の入射光分布中の最小値Ｉ（ｍｉｎ）からブロックＢＬごとの必要光透過率Ｔ（ｍ，ｎ）を先に説明した数５より求めて、先の図９に示した数値テーブルを使用することで、第２の回折格子１２への必要光透過率と位相変調領域部１２ａの占有面積割合とを算出することができる。この際、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃの光透過率は、一つのブロック中での位相変調領域部１２ｂの占める面積割合で決まり、図９に示したように位相変調領域部１２ｂの占有面積割合が増加すると光透過率が低下する傾向があり、且つ、位相変調領域部１２ｂの形状に依存していない。
【０１２５】
具体的には、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃ中で第１の回折格子１１全体を例えば３１×３１個の正方形状のブロックに分割し、言い換えると、一つのブロックを５０μｍ角の面積に分割した上で、第２の回折格子１２は各ブロックの中央部位に一つの方向（Ｙ軸方向）に向かってライン状の位相変調領域部１２ｂが各ブロック連接して重畳され、且つ、この位相変調領域部１２ｂを必要な光透過率に応じてブロックごとに可変させている。
【０１２６】
この実施例３でも、第２の回折格子１２に形成した正方形の位相変調領域部１２ａは、位相差が使用波長λのλ／４（０．５π）に設定されているが、これに限定されるものでもなく、第２の回折格子１２の位相変調領域部は任意の形状でも良く、また、任意の位相差に設定しても良い。
【０１２７】
上記から、実施例３においても、実施例１，２と同様に、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃへの入射光束の光量分布がＺ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定したものと仮定した場合に、第２の回折格子１２に対してライン状の位相変調領域部１２ｂの必要光透過率を求めて、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃ上での光透過率分布を先に示した図５（ａ）の様に光量分布を反転させたものに補正している。この補正により、入射光の光量分布が、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃ上では、入射光量分布と多段型多焦点回折レンズ光透過率分布との積となり、この結果、先に示した図５（ｂ）の様に多段型多焦点回折レンズ１０Ｃからの出射光量分布はフラットなものとなる。
【０１２８】
また、上記したように、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃへの入射光束の光量分布がＺ軸回転対称でなく、先に図４（ｂ）を用いて示したようにＸ軸方向，Ｙ軸方向において非対称な分布となるように設定した場合に、光透過率を小さく設計した多段型多焦点回折レンズ中央部及びＸ軸周辺外周領域に関しては、第２の回折格子１２の占有割合が大きくなる一方、光透過率を大きく設計した多段型多焦点回折レンズ外周部Y軸周辺領域では、第２の回折格子１２の占有割合が小さくなっている。
【０１２９】
そして、多段型多焦点回折レンズ１０Ｃを作製する場合には、実施例１，２と同様に、第１の回折格子１１を前述のような半導体プロセスを使用してガラス基板や石英基板に対して作製した後、第１の回折格子１１上に、同様に第２の回折格子１２を半導体プロセスにより重ねて作製すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ全体の１／４を示した上面図である。
【図２】本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光路を説明するための光路図である。
【図３】本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、光学系の光強度分布及び光透過率を図２中の位置Ｘ１〜Ｘ３に対応して示した図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズへの入射光量分布を立体的に示した斜視図である。
【図５】（ａ），（ｂ）は本発明に係る実施例１の多段型回折光学素子を多段型フレネルレンズに適用した時に、多段型フレネルレンズ上で光量分布を補正する場合を立体的に示した斜視図である。
【図６】（ａ），（ｂ）は多段型フレネルレンズ中の第１の回折格子を示した平面図，断面図である。
【図７】図６に示した第１の回折格子をｍ×ｎ個のブロックに分割した状態を示した平面図である。
【図８】（ａ），（ｂ）は第１の回折格子を分割したブロック内に形成した第２の回折格子を説明するための図である。
【図９】第１の回折格子のブロック内に第２の回折格子を重畳する際の占有面積割合と、第２の回折格子による０次光の光透過率との関係を示した図である。
【図１０】第１の回折格子を拡大して示した断面図である。
【図１１】第２の回折格子を拡大して示した断面図である。
【図１２】第１の回折格子に対して第２の回折格子を光学的に重畳させた状態を拡大して示した断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｊ）は本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。
【図１４】本発明に係る実施例１の多段型フレネルレンズを一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ全体の１／４を示した上面図である。
【図１５】本発明に係る実施例２の多段型回折光学素子を多段型シリンドリカルレンズに適用した時に、多段型シリンドリカルレンズ全体を示した上面図である。
【図１６】本発明に係る実施例３の多段型回折光学素子を多段型多焦点回折レンズに適用した時に、多段型多焦点回折レンズ全体を示した上面図である。
【図１７】（ａ），（ｂ）は一般的なフレネルレンズを示した平面図，縦断面図である。
【図１８】従来の多段型フレネルレンズを示した縦断面図である。
【図１９】（ａ）〜（ｊ）は従来の多段型フレネルレンズを作製する工程を示した工程図である。
【図２０】従来の多段型フレネルレンズに、中央部の光束は光強度が強く、且つ、外周部の光束は光強度が弱いレーザー光を入射させた状態を模式的に示した図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１０Ａ…実施例１の多段型フレネルレンズ、
１０Ａ’…実施例１を一部変形させた変形例の多段型フレネルレンズ、
１０Ｂ…実施例２の多段型シリンドリカルレンズ、
１０Ｃ…実施例３の多段型多焦点回折レンズ、
１１…第１の回折格子、１１ａ…階段状回折格子部、
１２…第２の回折格子、
１２ａ…正方形の位相変調領域部、１２ｂ…ライン状の位相変調領域部、
ＯＢＰ…光学基板、０…光学基板の中心、
Ｋ…光軸、
ＲＺ（ＲＺ０，ＲＺ１，ＲＺ２，……，ＲＺｎ）…輪帯状の位相領域（輪帯領域）、
Ｒｎ（Ｒ０，Ｒ１，Ｒ２，……，Ｒｎ）…レンズ半径、
Ｒｐｎ（Ｒｐ０，Ｒｐ１，Ｒｐ２，……，Ｒｐｎ）…輪帯ピッチ、
ＬＺ…ライン状の位相領域（ライン領域）。
【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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