(57)【要約】  この光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備え、前記レリーフパターンの構成する面のうち、前記光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。
2011099550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備えた光学素子であって、
前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項２】
レリーフパターンが形成された格子界面を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第２の光学部材と、を備えた光学素子であって、
前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されていることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
前記導波路を構成する光学材料からなる高屈折率層が、前記格子界面を覆って形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記導波路の幅ＷｇがＷｇ≧Ｗであることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
ただし、前記Ｗは下記式（Ｅ１）により定義される値である。
ここで、ＷＴＥ及びＷＴＭは、前記格子界面を構成する媒質の屈折率をｎ１及びｎ２、導波路を構成する光学材料の屈折率をｎｇ、使用波長をλとしたときに、下記式（Ｅ２）〜（Ｅ５）により定義される値であり、式（Ｅ３）及び（Ｅ５）におけるｎeff,TE及びｎeff,TMは、前記導波路のＴＥ成分及びＴＭ成分に関する有効屈折率であり、α及びβは、それぞれ、前記波長λの光のＴＥ成分及びＴＭ成分の強度割合（ただしα＋β≦１）である。
【数１】
2011099550.tif 000013
【数２】
2011099550.tif 000014
【数３】
2011099550.tif 000015
【請求項５】
請求項１又は２に記載の光学素子を備えた光学系であって、
前記光学素子に入射する光の波長がλ、前記光のＴＥ成分とＴＭ成分の強度割合がそれぞれα及びβ（ただしα＋β≦１）であり、
前記光学素子の導波路の幅ＷｇがＷｇ≧Ｗであることを特徴とする光学系。
ただし、前記Ｗは下記式（Ｅ１）により定義される値である。
ここで、ＷＴＥ及びＷＴＭは、前記格子界面を構成する媒質の屈折率をｎ１及びｎ２、導波路を構成する光学材料の屈折率をｎｇとしたときに、下記式（Ｅ２）〜（Ｅ５）により定義される値であり、式（Ｅ３）及び（Ｅ５）におけるｎeff,TE及びｎeff,TMは前記導波路のＴＥ成分及びＴＭ成分に関する有効屈折率である。
【数４】
2011099550.tif 000016
【数５】
2011099550.tif 000017
【数６】
2011099550.tif 000018
【請求項６】
請求項１又は２に記載の光学素子であって、
前記導波路の幅をＷｇ、前記格子界面を構成する媒質の屈折率をｎ１及びｎ２、導波路を構成する光学材料の屈折率をｎｇ、使用波長をλとしたときに、下記式（Ｅ６）を満足することを特徴とする光学素子。
【数７】
2011099550.tif 000019
ここで、Ｈは前記崖面の高さ、ｎは前記屈折率ｎ１およびｎ２のうち大きい方の値、α及びβはそれぞれ前記波長λの光のＴＥ成分及びＴＭ成分の強度割合（ただしα＋β≦１）であり、ｎeff,TE及びｎeff,TMはそれぞれ下記式（Ｅ２）〜（Ｅ５）によって定義されるＴＥ成分及びＴＭ成分に関する有効屈折率であり、式（Ｅ２）〜（Ｅ５）においてＷＴＥ＝ＷＴＭ＝Ｗｇである。
【数８】
2011099550.tif 000020
【数９】
2011099550.tif 000021
【請求項７】
請求項１又は２に記載の光学素子を備えた光学系であって、
前記光学素子に入射する光の波長がλ、前記光のＴＥ成分とＴＭ成分の強度割合がそれぞれα及びβ（ただしα＋β≦１）、前記導波路の幅がＷｇであり、
下記式（Ｅ６）を満足することを特徴とする光学系。
【数１０】
2011099550.tif 000022
ここで、Ｈは前記崖面の高さ、ｎは前記屈折率ｎ１およびｎ２のうち大きい方の値、α及びβはそれぞれ前記波長λの光のＴＥ成分及びＴＭ成分の強度割合（ただしα＋β≦１）であり、ｎeff,TE及びｎeff,TMはそれぞれ下記式（Ｅ２）〜（Ｅ５）によって定義されるＴＥ成分及びＴＭ成分に関する有効屈折率であり、式（Ｅ２）〜（Ｅ５）においてＷＴＥ＝ＷＴＭ＝Ｗｇである。
【数１１】
2011099550.tif 000023
【数１２】
2011099550.tif 000024
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子及び光学系に関する。
本願は、２０１０年２月１５日に、日本国に出願された特願２０１０−０３０４３５号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子として、断面鋸歯状のレリーフパターンが形成された回折素子が幅広く用いられている。この種の回折素子では、レリーフパターンのエッジ部で発生したフレア光による光学性能の悪化が生じるため、フレア光の発生やフレア光による悪影響を抑制するための種々の工夫がなされてきた（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】日本国特許第３７１７５５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載の発明では、レリーフパターンを界面とする２つの層の光学材料を適切に選定することにより回折効率を高めている。しかしながら、２種類の光学材料（低屈折率高分散材料、高屈折率低分散材料）で最適なものは未だ得られていない。一方、レリーフパターンを高く形成したり、格子界面を増やしたりすることで回折効率を高めることも可能であるが、レリーフパターンを高くするとフレアが発生しやすくなり、格子界面を増やすと製造が困難になるという課題があった。【０００５】
本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み成されたものであって、フレア光が低減された光学素子の提供を目的の一つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の第１の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備える。前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第２の光学部材と、を備える。そして、前記レリーフパターンの構成する面のうち、この光学素子の光学軸に略平行である崖面に、前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の第１及び第２の態様によれば、フレア光が低減された光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学素子を示す部分断面図である。
【図２】ＲＣＷＡ法により光学素子の回折効率計算を行った結果を示すグラフである。
【図３】本発明の第２の実施形態に係る光学素子を示す部分断面図である。
【図４】導波路幅と回折効率の関係を示すグラフである。
【図５】入射光の波長と回折効率との関係を示すグラフである。
【図６】屈折率差と回折効率との関係を示すグラフである。
【図７】位相ズレ量と回折効率との関係を示すグラフである。
【図８Ａ】第２実施形態の変形例を示す部分断面図である。
【図８Ｂ】第２実施形態の他の変形例を示す部分断面図である。
【図９】従来の光学素子を示す部分断面図である。
【図１０】ＲＣＷＡ法による回折効率の計算結果を示すグラフである。
【図１１】従来の光学素子を示す部分断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれらのみに限定されない。
【００１１】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の態様に係る実施の形態である光学素子１０を示す部分断面図である。
同光学素子１０は、単層型回折光学素子（単層型ＤＯＥ（Diffractive Optical Elements））である。光学素子１０は、透明な光学材料からなる光学部材１０Ａを有しており、光学部材１０Ａの一方の主面（図示上面）が断面鋸歯状のレリーフパターンが形成された格子界面１１とされている。
格子界面１１には、入射光Ｌの光軸方向に対して傾斜して形成された複数の傾斜面１１ａと、これら傾斜面１１ａとともに断面三角形状の凸条を複数形成し、入射光Ｌの光軸方向とほぼ平行な面として形成された複数の崖面１１ｂとが形成されている。これらの傾斜面１１ａと崖面１１ｂとが交互に配置されることで、上記レリーフパターンを形成している。
そして、本実施形態の光学素子１０では、崖面１１ｂに、入射光Ｌの光軸に沿った方向のどの位置でも一様な幅（厚さ）を有する導波路１２が形成されている。
【００１２】
本実施形態の光学素子１０では、崖面１１ｂに導波路１２を形成したことで、回折効率を高め、設計次数以外の回折光（フレア光）を低減することができる。以下、本実施形態の光学素子１０について、従来の光学素子と比較しつつ説明する。
【００１３】
図２は、ＲＣＷＡ（Rigorous Coupled Wave Analysis：厳密結合波解析）法により、図１に示した光学素子１０の回折効率計算を行った結果を示すグラフである。
計算モデルは、格子ピッチＰ１＝１０μｍ、格子高さＨ１＝１．１μｍ、光学部材１０Ａの屈折率ｎａ＝１．５、導波路１２を構成する光学材料の屈折率ｎｇ＝１．５＋Δｎとし、Δｎを０．０２〜０．２、導波路１２の幅Ｗ１を０〜０．３μｍの範囲で変化させた。また、入射光Ｌは、波長０．５５μｍのＴＥ（Transverse Electric）平面波とした。
【００１４】
なお、本実施形態では、入射光Ｌが光学部材１０Ａの内部から格子界面１１を通過して外部へ射出されるものと仮定して計算した。実際の回折効率の計算には、空気中から光学部材１０Ａに入射する光線を考慮する必要があるが、導波路１２の屈折率ｎｇ及び幅Ｗ１を変化させたときの回折効率の比較には全く影響しないため、計算を簡単化するために割愛した。
【００１５】
図２に示すグラフの横軸は導波路１２の幅Ｗ１、縦軸は１次回折効率に対応する。図２には、Δｎを、０．０２〜０．２の範囲において０．０２刻みで変化させたときの、導波路１２の幅Ｗ１に対する回折効率の変化を示す１０本の曲線が併記されている。導波路１２の幅Ｗ１が０（ゼロ）であるときの１次回折効率は、導波路１２を備えない従来構成の光学素子の１次回折効率に相当する。
【００１６】
ここで、図９は従来の光学素子を示す部分断面図である。図９に示す従来の光学素子１０００は、一方の面に格子界面１１が形成された光学部材１０００Ａからなる単層型ＤＯＥである。
光学素子１０００は、通常、単一波長でのみ、回折効率が最適化されて使用される。例えば、波長０．５５μｍにおいて１次光Ｌ１の回折効率が最も高くなるように、格子高さＨが設定される。具体的には、導波路１２を備えない光学素子１０００の場合に、波長λ（μｍ）で最適な１次回折効率を得るための格子高さＨ（μｍ）は、光学部材１０００Ａの屈折率がｎｂであるとしたとき、Ｈ＝λ／（ｎｂ−１）となるように設定される。
【００１７】
上記式のスカラー計算による１次回折効率は１００％であるが、これは格子周期（図９に示す格子ピッチＰ）が十分に大きい場合にのみ成立する。可視光領域での使用を想定した場合、格子ピッチＰが１００μｍ以下、あるいは５０μｍ以下の範囲から、スカラー計算に対する厳密な計算とのずれが目立ち始める。特に、格子ピッチＰが１０μｍ程度にまで小さくなると、最大回折効率は９０％程度にまで低下する。
【００１８】
図１０は、入射光Ｌが波長０．５５μｍ、格子ピッチＰが１０μｍ、屈折率ｎｂが１．５であるとしたときのＲＣＷＡ法による回折効率の計算結果を示すグラフである。図１０に示すグラフの横軸は格子高さＨ、縦軸は１次回折効率に対応する。
図１０に示すように、上記条件において最適な１次回折効率が得られる格子高さＨは１．１μｍであり、その時の最大回折効率は約９１．３％である。すなわち、１次回折効率が最大となる格子高さＨは、先に示した式から導出される格子高さ（０．５５／（１．５−１）＝１．１（μｍ））と一致するが、１次回折効率は１００％とはならない。また、格子高さＨが最適値１．１μｍからずれると１次回折効率は大きく低下する。
【００１９】
これに対して、本実施形態の光学素子１０では、図２に示すように、導波路１２の幅Ｗ１を適切に選択することで、導波路１２の屈折率を変化させたすべての条件において従来の光学素子１０００の最大回折効率（９１．３％）よりも高い１次回折効率を得ることができる。例えば、屈折率差Δｎ（＝ｎｇ−ｎａ）が０．１である場合、導波路１２の幅Ｗ１が約０．２μｍのときに回折効率が約９３．５％となる。
【００２０】
このように、本実施形態の光学素子１０によれば、導波路１２と光学部材１０Ａとの屈折率差Δｎ（すなわち屈折率ｎｇ、ｎａ）と、導波路１２の幅Ｗ１とを適宜に選択して構成することで、導波路１２を備えない従来の光学素子１０００を超える回折効率を得ることができる。
【００２１】
本実施形態の光学素子１０が、従来の光学素子１０００と比べて高い回折効率を得られるのは、以下の理由によると考えられる。
図２及び図１０に示した上記の結果は、電磁場をベクトル計算（本実施形態ではＲＣＷＡ法）で行った場合にのみ得られる知見であるため、幾何学的な差異に基づく説明は困難である。だが、おそらく回折効率がスカラー値よりも低下してしまう原因であるレリーフパターンの崖部分での電磁場の乱れに関係があるものと考えられる。
【００２２】
スカラー計算での回折効率計算では、格子高さがパラメータに含まれない。位相が各格子のつなぎ目でスムーズに切り替わることを前提としているからである。しかし、実際にはこの部分に位相乱れが存在する。そのため、波長に対して格子ピッチが十分に大きい場合にのみ、回折効率のスカラー計算が成り立つ。そして、格子ピッチが小さくなると、単位面積当たりのレリーフパターンの崖部分の数が増えるため、この崖部分による電磁場の乱れの比率が大きくなる。この電磁場の乱れが無視できない大きさになると、回折効率が１００％を下回ることとなる。格子ピッチが１０μｍ程度と小さい場合に回折効率の最大値が９０％程度になってしまうのは、レリーフパターンの崖部分の位相乱れが大きく影響していると考えられる。
【００２３】
一方、本実施形態では、電磁場の乱れの発生箇所であるレリーフパターンの崖部分に、導波路１２を設けることで、崖面１１ｂのすぐ外側を通過する光を導波路１２内に閉じこめる。そうすると、導波路１２内に閉じこめられた光は、レリーフパターンの凸条部内を傾斜面１１ａに向かって進行する光とともにほぼ同じ位相で進行し、導波路１２の先端からほぼ球面波として出力される。これにより、レリーフパターンのエッジ部において、このエッジ部の左右の位相を滑らかに接続することができる。その結果、回折効率を向上させることができるものと考えられる。
【００２４】
また、図２のグラフから、屈折率差Δｎが大きいほど高い回折効率が得られる一方で、１次回折効率のピーク幅が狭くなっており、導波路１２の幅Ｗ１が少しずれただけで１次回折効率が大きく変化する。そして、実際の加工を考えた場合には、導波路１２の幅Ｗ１を精密にコントロールするのが難しい場合もある。このような場合には、屈折率差Δｎを小さめにとることで、導波路１２の幅Ｗ１に誤差が生じても１次回折効率が急激に変化（低下）しないようにすることができる。例えば図２に示すように屈折率差Δｎを０．１とすれば、屈折率差Δｎが０．２である場合と比べ、回折効率の変化がピーク値から−０．５％以内の範囲での幅Ｗ１の許容範囲が２倍程度となる。一方、導波路１２の幅Ｗ１を十分な精度で制御できる場合には、屈折率差Δｎを大きくすることで非常に高い回折効率を得ることができる。
【００２５】
（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の態様に係る光学素子の実施の形態について、図３から図７を参照しつつ説明する。
図３は、本実施形態の光学素子を示す断面図である。
図３に示す光学素子２０は、密着複層型ＤＯＥである。光学素子２０は、一方の主面（図示上面）が断面鋸歯状のレリーフパターンを有する格子界面１１である光学部材２０Ａと、光学部材２０Ａの格子界面１１に密着して形成された第２の光学部材２０Ｂと、を有する。格子界面１１には、入射光Ｌの光軸方向に対して傾斜して形成された複数の傾斜面１１ａと、これら傾斜面１１ａとともに断面三角形状の凸条を複数形成し入射光Ｌの光軸方向とほぼ平行な面として形成された複数の崖面１１ｂとが形成されている。これらの傾斜面１１ａと崖面１１ｂとが交互に配置されることで、上記レリーフパターンを形成している。そして、崖面１１ｂに、入射光Ｌの光軸に沿った方向のどの位置でも一様な幅（厚さ）を有する導波路１２が形成されている。
【００２６】
密着複層型ＤＯＥにおいても、ＲＣＷＡ法を用いたベクトル計算を行うと、レリーフパターンの崖部分において電磁場の乱れが観測される。そのため、第１の光学部材２０Ａの屈折率ｎ１と、第２の光学部材２０Ｂの屈折率ｎ２とを最適化しても、例えば格子ピッチ２０μｍ、格子高さ２５μｍのときに、１次回折効率は９０％に達しない程度が最大となる。
なお、スカラー計算では波長を最適化したときの回折効率は１００％となる。これは、スカラー計算では格子高さがパラメータに含まれないためである。しかし、格子高さを小さくすることで電磁場の乱れを小さくしようとすると、第１の光学部材２０Ａを構成する光学材料と第２の光学部材２０Ｂを構成する光学材料とを、屈折率分散の極めて良好な組み合わせとする必要がある。また、格子高さが小さくなると高さばらつきの影響が大きくなり、製造誤差により回折効率が大きく変動してしまうことも懸念される。これに対して、本実施形態の光学素子２０は、導波路１２の作用により、格子高さＨ２を過度に小さくすることなく従来の光学素子よりも高い回折効率を得られるようにしている。
【００２７】
以下では、光学素子２０について、ガラス素材を用いて構成した場合における導波路１２の構成（幅Ｗ２、屈折率ｎｇ）と回折効率の関係について検証した。
【００２８】
光学素子２０について、下記の表１に示す材料により構成した。
【００２９】
【表１】
2011099550.tif 000003
【００３０】
表１に示すＮ−ＳＦ２（商品名）は低屈折率高分散材であり、Ｎ−ＢＡＦ１０（商品名）は高屈折率低分散材である。回折効率を計算するための各波長の屈折率は、Schott社から開示されている分散式の定数を用い、下記のセルマイヤーの分散式を用いて算出した。表１に記載した波長０．６２μｍにおける屈折率は下式により算出した。
n2(λ)-1={B1λ2/(λ2-C1)}+{B2λ2/(λ2-C2)}+{B3λ2/(λ2-C3)}
【００３１】
また光学素子２０の格子ピッチＰ２は２０μｍとした。
格子高さＨ２は波長０．６２μｍで最適化した値とした。すなわち、第１の光学部材２０Ａを構成する光学材料（Ｎ−ＳＦ２）と、第２の光学部材２０Ｂを構成する光学材料（Ｎ−ＢＡＦ１０）との波長０．６２μｍにおける屈折率差Δｎ６２０から、波長０．６２μｍでのブレーズ条件に一致する高さを算出して用いた。以下に計算式を示す。
Δｎ６２０＝１．６６７８５−１．６４４８１＝０．０２３０４
Ｈ２＝λ／Δｎ６２０＝２６．９０９５（μｍ）
なお、導波路１２を構成する光学材料（Ｎ−ＬＡＫ１２）と第２の光学部材２０Ｂを構成する光学材料（Ｎ−ＢＡＦ１０）との屈折率差Δｎは、１．６７６００−１．６６７８５＝０．００８１５である。
【００３２】
ここで図１１は、第１の光学部材２０００Ａの格子界面１１に第２の光学部材２０００Ｂが密着形成された密着複層型ＤＯＥを示す図である。
比較のために、図１１に示す従来の光学素子２０００について、導波路１２を設けない以外は同様とした条件を設定した。具体的に、格子ピッチ２０μｍ、格子高さ２６．９０９５μｍ、第１の光学部材２０Ａを構成する光学材料をＮ−ＳＦ２（屈折率１．６４４８１）、第２の光学部材２０Ｂを構成する光学材料をＮ−ＢＡＦ１０（屈折率１．６６７８５）とした。
【００３３】
以上の条件のもと、入射光をＴＥ平面波（波長０．６２μｍ）、入射光の波長域を可視光域（０．４２〜０．７５μｍ）としてＲＣＷＡ法による計算を行った。
なお、本実施形態においても、簡単のために、入射光Ｌが第１の光学部材２０Ａ（２０００Ａ）から格子界面１１を通過して第１の光学部材２０Ｂ（２０００Ｂ）に入射するときの第２の光学部材２０Ｂ（２０００Ｂ）内部での回折効率を計算した。実際の回折効率の計算には、第１の光学部材２０Ａ（２０００Ａ）の外側から第１の光学部材２０Ａ（２０００Ａ）内へ入射する光線、及び第２の光学部材２０Ｂ（２０００Ｂ）から外部へ射出される光線を考慮する必要があるが、導波路１２の構成を変化させたときの回折効率の比較には全く影響しないため、ここでは割愛した。
【００３４】
図４は、計算により得られた導波路１２の幅Ｗ２と１次回折効率との関係を示すグラフである。
図４に示すように、導波路幅Ｗ２が１．１７５μｍ（図示の交点Ｑ）未満の範囲において、本実施形態の光学素子２０は、従来の光学素子２０００の１次回折効率（導波路幅Ｗ２＝０μｍの位置）よりも高い回折効率を得ることができる。また、導波路幅Ｗ２＝０．０７μｍのときに最大の回折効率（約９５．５％）が得られている。
【００３５】
次に、図５は、入射光Ｌの波長と１次回折効率との関係を示すグラフである。
図５に示すように、導波路幅Ｗ２が０．２μｍ〜０．８μｍの範囲において、計算した全ての波長域で従来の光学素子２０００の回折効率（図中点線で示すＷ２＝０μｍの条件）を上回る回折効率が得られている。特に、導波路幅Ｗ２が０．６μｍ〜０．８μｍの範囲では、全ての波長域で安定して従来の光学素子２０００の回折効率を上回っている。
【００３６】
次に、図６は、導波路幅Ｗ２を０．８μｍに固定し、導波路１２と第２の光学部材２０Ｂとの屈折率差Δｎを０〜０．１の範囲で変化させたときの１次回折効率の変化を、ＴＥ平面波についてＲＣＷＡ法により計算した結果を示すグラフである。
図６に示すように、導波路幅Ｗ２を０．８μｍで固定し、導波路１２の屈折率を第２の光学部材２０Ｂの屈折率よりも少しずつ大きくすると、まず、屈折率差Δｎが０．００８付近の位置Ｍ１で１次回折効率が極大値をとっている。さらに導波路１２の屈折率を大きくすると、１次回折効率が急激に低下する。これは、導波路１２内を進む光の位相が導波路１２の外側を進む光の位相とずれてしまうために、導波路１２の先端（レリーフパターンのエッジ部）において電磁場の乱れが生じるからであると考えられる。しかし、屈折率差Δｎをさらに大きくすると、屈折率差Δｎが０．０２５を超える辺りで１次回折効率は上昇に転じ、Δｎが０．０４付近である位置Ｍ２において再度極大値をとっている。位置Ｍ２における１次回折効率も従来の光学素子２０００の回折効率を上回っている。これは、１つめの極大値の位置Ｍ１から位相がちょうど２πずれたために、導波路１２内を進行する光の位相と導波路１２の外側を進行する光の位相が揃ったためである。
【００３７】
ここで、図７は、図６に示した計算結果を、横軸を位相ズレ量に変換してプロットしたグラフである。位相ズレ量とは、導波路１２中を進行する光と第２の光学部材２０Ｂを進行する光との間に生じる位相差を意味する。位相ズレ量が０の位置は、導波路１２の有効屈折率が第２の光学部材２０Ｂの屈折率に一致し、スラブ型導波路の基本モードが成立する場合であって、図６におけるＭ１の点に相当する。そして、図７に示す１次回折効率のピークは、２πずつずれていることから、位相が２π×Ｎ（Ｎ：自然数）ずつずれていても導波路１２の条件としては許容されることが分かる。また、回折効率が極大値をとる位置からの位相ズレ量についても、±０．２５π〜±０．４π程度は許容される。
【００３８】
以上の第２実施形態の光学素子においても、従来の密着複層型ＤＯＥに対して高い回折効率が得られるのは、先の第１実施形態と同様の理由によると考えられる。すなわち、レリーフパターンの崖部分に形成された導波路１２によって崖部分近傍の光を閉じこめ、導波路１２の先端からほぼ球面波として射出させることで、レリーフパターンのエッジ部において位相を滑らかに接続させることができる。その結果、回折効率を向上させることができると考えられる。
【００３９】
［変形例］
図８Ａ及び８Ｂは、本実施形態の光学素子２０の変形例を示す図である。図８Ａは第１変形例、図８Ｂは第２変形例に対応する。
図８Ａ及び８Ｂに示す光学素子２０１及び光学素子２０２は、いずれも、第１の光学部材２０Ａの格子界面１１を覆って形成された高屈折率層１２１を有している。高屈折率層１２１は、上記実施形態の光学素子２０における導波路１２と同様、第１の光学部材２０Ａ及び第２の光学部材２０Ｂのいずれよりも高い屈折率を有する光学材料を用いて形成されている。
【００４０】
光学素子２０１と光学素子２０２との違いは、格子界面１１の構成のみであり、光学素子２０１がこの光学素子２０１に垂直に入射する光Ｌに対して用いられるものであるのに対して、光学素子２０２は、この光学素子２０２に対して斜め方向から入射する光Ｌに対して用いられる。そのため、光学素子２０２では、格子界面１１の崖面１１ｂが、光学素子２０２における水平面２０２ａの法線方向（図示上下方向）に対して交差する傾斜面として形成されている。ただし、光学素子２０２における入射光Ｌと崖面１１ｂとの関係は、光学素子２０１と同様であり、崖面１１ｂは入射光Ｌの光軸に対してほぼ平行に形成されている。
【００４１】
変形例に係る光学素子２０１、２０２においても、高屈折率層１２１が崖面１１ｂ上に形成されていることで、先の実施形態と同様に、回折効率を高め、フレア光を低減する効果を得ることができる。なお、変形例に係る光学素子２０１、２０２では、崖面１１ｂのみならず、格子界面１１の全体が高屈折率層１２１に覆われているが、高屈折率層１２１のうち、傾斜面１１ａ上に形成された部分は、光学素子２０１、２０２の光学特性に影響しない。これは、この部分が高屈折率層１２１を透過する光に対して一様な位相差を与えるだけであるから、光学素子全体で見たときには、変化がないのと同じになるためである。
【００４２】
なお、光学素子２０１及び２０２において光学部材２０Ｂを空気層とした素子も構成可能であるが、この場合、高屈折率層１２１と空気層の間の屈折率差は光学部材２０Ａと空気層の間の屈折率差よりも大きいため、傾斜面１１ａ上に高屈折率層１２１が形成されることによる反射損失の増大を生じうる。かかる反射損失を低減するためには、傾斜面１１ａ上の高屈折率層１２１の屈折率及び膜厚を考慮して、適切な反射防止膜を設ければ良い。また、反射防止膜を設ける代わりに、傾斜面１１ａ上の高屈折率層１２１の膜厚ｔを、反射防止条件、すなわち、ｔ＝Ｍλ／２ｎｇ  （Ｍ＝１，２，...）を満たすように形成しても良い。
【００４３】
また、上記実施の形態では、基材がガラス材料である場合について説明したが、上記実施形態及び変形例の構成は、国際公開第ＷＯ２００６／０６８１３７号公報に開示されているような、２種類の樹脂からなる密着複層型ＤＯＥにも適用することができる。
【００４４】
また、上記導波路を形成することによる作用効果及び導波路の条件は、以下に詳細を示すように、理論的にも説明することができる。
【００４５】
図３に示した光学素子２０において、波長λ、ブレーズ格子の入射側媒質（媒質１；第１の光学部材２０Ａ）の屈折率ｎ１、射出側媒質（媒質２；第２の光学部材２０Ｂ）の屈折率ｎ２、格子深さＨ（崖面１１ｂの高さ）とする。格子側面に付加した高屈折率部材（導波路１２）の屈折率ｎｇ、幅をＷｇとする。理想的なブレーズ格子は格子透過後に格子で分断された波面がうまく接合され、そのため特定の方向にエネルギーが集中して回折される。この条件は良く知られるように、下記式（１）で示される。
【００４６】
【数１】
2011099550.tif 000004
【００４７】
ところで、実際のブレーズ格子では、波面伝播時に、格子側面の左右で屈折率が異なるために波面が乱れる。これは格子側面で散乱され、波面が拡がってしまうため、とも解釈できる。その結果、格子透過後に波面がうまくつながらず、理想的なブレーズ格子から予測される値よりも回折効率が低下してしまう。ブレーズ格子の側面に高屈折率部材を付加し、この導波路構造により光を閉じ込める事で散乱による波面乱れを抑え、回折効率の低下を抑制する事が可能となる。このために必要な光の閉じ込め条件を考える。一般的な非対称スラブ型導波路について、光を導波路内に閉じ込めるための条件は、ＴＥモードについて下記条件式（２）及び（３）で、ＴＭモードについて下記条件式（４）及び（５）で示されている（下記文献参照）。
（文献） A.Yariv  Quantum Electronics, 2nd ed. P512
【００４８】
【数２】
2011099550.tif 000005
【００４９】
【数３】
2011099550.tif 000006
【００５０】
ここに、ｎeffは格子側面の高屈折率部材（導波路）の有効屈折率に相当する。この式のＷよりも導波路幅Ｗｇを広くしてやれば、光を閉じ込めることが可能である。すなわち、本発明の態様の導波路幅Ｗｇは、ＴＥ波とＴＭ波のそれぞれについて式（６）及び式（７）によって表される。
【００５１】
【数４】
2011099550.tif 000007
【００５２】
また、部分偏光の光を含む一般の光に関しては、偏光成分のうちＴＥ成分の強度割合をα、ＴＭ成分の強度割合をβ、非偏光成分の強度割合を１−α−β（ただしα＋β≦１）とし、下記式（８）及び式（９）により導波路厚Ｗｇを求めればよい。式（８）は、Ｗｇに対するＴＥ成分の寄与がαＷＴＥ、ＴＭ成分の寄与がβＷＴＭ、非偏光成分の寄与が｛（ＷＴＥ+ＷＴＭ）／２｝×（１−α−β）であることから導かれる。
【数５】
2011099550.tif 000008
【００５３】
【数６】
2011099550.tif 000009
【００５４】
なお、高屈折率部材はブレーズの効果を持たないので、導波路幅Ｗｇは大きければ大きいほど効率の損失をもたらす。したがって効率の観点からは閉じ込め条件を満足する範囲でＷｇはなるべく小さいほうが良く、式（６）、（７）、（９）においてＷｇが最も小さい条件、すなわち各式で等号が成立する条件において効率が最も高くなる。
【００５５】
次に、導波路の波面と媒質１、媒質２を透過する波面の位相がほぼ揃う条件、いわゆる位相整合条件を検討する。
ＴＥ波に関して位相が揃う条件は、式（２）及び（３）を連立させて解いて得られる有効屈折率ｎeff,TEを用い、Ｈを格子高さ、ｎをｎ１，ｎ２の大きい方であるとして、下記式（１０）で表すことができる。また、ＴＭ波に関する位相整合条件は同様に式（１１）で表される。
【００５６】
【数７】
2011099550.tif 000010
【００５７】
実際には位相差が２πＮ±０．２πの範囲内で位相整合すれば効率向上の効果が認められるので、ＴＥ波及びＴＭ波に関する本発明の態様の位相整合条件は、それぞれ下記式（１２）〜（１３）で表される。
【数８】
2011099550.tif 000011
【００５８】
一方、部分偏光を含む一般の光に関する本発明の態様の位相整合条件は、上記の議論に基づいて、式（８）と同様に式（１４）により表される。
【００５９】
【数９】
2011099550.tif 000012
【００６０】
上記各式は、図６、図７のグラフにより検証される。図６に示すピークＭ１，Ｍ２，Ｍ３らは、（９）式に示されるように位相がＮ周期ずれている。Ｎ＝０、即ちｎeff−ｎ＝０は、導波路基本モードのみが成立する状態であるが、このとき導波路を進む光と屈折率ｎの部材内を進む光が最も位相乱れの少ない状態となる。そのため、ピークＭ１は最も高い１次回折効率を示している。
【００６１】
また、各ピークはピンポイントではなく幅をもっている。図６では、横軸０，２（Ｎ＝０、１）の時を中心に、およそ±１／８周期分の幅でディフォルト効率値（高屈折部材を設けない場合の効率値）を越えている。したがって、Ｎ＝０及び１の場合には、それぞれ２π（Ｎ±０．１２５）の範囲内で位相整合させることがより好ましい。
【００６２】
以上説明の各実施の形態によれば、エッジ部における透過光の位相乱れを抑制でき、フレア光が低減された光学素子を提供することができる。
なお、各実施の形態で説明した光学素子は、投影装置（ステッパー、液晶プロジェクタ等）の光学系、撮影装置（カメラ等）の光学系、及び観察装置（顕微鏡、双眼鏡等）の光学系に用いることができ、いずれの光学系においてもフレア光を低減する効果を得ることができる。
【産業上の利用可能性】
【００６３】
本発明によれば、フレア光が低減された光学素子を提供することができる。
【符号の説明】
【００６４】
１０，２０  光学素子
１０Ａ  光学部材
１１  格子界面
１１ａ  傾斜面
１１ｂ  崖面
１２  導波路
２０Ａ  第１の光学部材
２０Ｂ  第２の光学部材
【図１】
2011099550.tif 000025
【図２】
2011099550.tif 000026
【図３】
2011099550.tif 000027
【図４】
2011099550.tif 000028
【図５】
2011099550.tif 000029
【図６】
2011099550.tif 000030
【図７】
2011099550.tif 000031
【図８Ａ】
2011099550.tif 000032
【図８Ｂ】
2011099550.tif 000033
【図９】
2011099550.tif 000034
【図１０】
2011099550.tif 000035
【図１１】
2011099550.tif 000036
【手続補正書】
【提出日】平成25年3月14日(2013.3.14)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項１】
レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備えた光学素子であって、
前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されていることを特徴とする光学素子。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項２】
レリーフパターンが形成された格子界面を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第２の光学部材と、を備えた光学素子であって、
前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光軸に略平行である崖面に、前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されていることを特徴とする光学素子。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００６】
本発明の第１の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する光学部材を備える。前記レリーフパターンを構成する面のうち、この光学素子の光軸に略平行である崖面に、前記光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００７】
また、本発明の第２の態様に係る光学素子は、レリーフパターンが形成された格子界面を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材の前記格子界面に密着又は近接して積層された第２の光学部材と、を備える。そして、前記レリーフパターンの構成する面のうち、この光学素子の光軸に略平行である崖面に、前記第１の光学部材及び前記第２の光学部材よりも高屈折率の光学材料からなる導波路が形成されている。
【国際調査報告】
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