(57)【要約】【課題】  入射光に対して所定の位相差を発生させる凹凸構造の高い光利用効率を備えた光学素子、それに加えて加工容易性を備えた光学素子を提供する。【解決手段】  本発明による光学素子は、透明基材と、前記透明基材上に設けられ、入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる凹凸部とを備え、前記凹凸部は、異なる２以上の材料により構成されており、前記凹凸部を構成する前記材料の一つが、前記入射光の波長帯における複素屈折率を、ｎ−ｉｋとしたとき、ｎ≧２．５およびｋ＜０．０１である第１の材料であり、前記透明基材の平面の法線方向から入射する前記入射光に対し、少なくとも有効領域における前方透過率が８０％以上であるまたは少なくとも有効領域における反射率が１０％以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基材と、
前記透明基材上に設けられ、入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる凹凸部とを備え、
前記凹凸部は、異なる２以上の材料により構成されており、
前記凹凸部を構成する前記材料の一つが、前記入射光の波長帯における複素屈折率を、ｎ−ｉｋとしたとき、ｎ≧２．５およびｋ＜０．０１である第１の材料であり、
前記透明基材の平面の法線方向から入射する前記入射光に対し、少なくとも有効領域における前方透過率が８０％以上であるまたは少なくとも有効領域における反射率が１０％以下である
ことを特徴とする光学素子。
【請求項２】
前記凹凸部は、
前記透明基材の前記表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行な、多層構造の凹凸構造を含み、
前記凹凸構造の材料の一つが、前記第１の材料であり、
前記凹凸構造を構成する部材の各層の厚さが、５ｎｍ以上である
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記凹凸構造は、入射側界面をなす媒質の屈折率をｎｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ０、当該凹凸構造の各層の屈折率をｎｒ、厚さをｄｒとしたとき、多層構造による理論反射率Ｒ≦４％を満たす
請求項２に記載の光学素子。
【請求項４】
前記凹凸部は、前記透明基材との界面に、反射防止層を含む
請求項１〜３いずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
前記凹凸部は、前記透明基材の対向側の当該凹凸部表面を覆う所定の媒質との界面に、反射防止層を含む
請求項１〜４いずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
前記凹凸部は、
前記透明基材と非平行で連続的な曲面を１つ以上有するまたは前記透明基材と非平行な傾斜面を１つ以上有する単層の凹凸構造と、
前記透明基材との界面および／または当該凹凸部の前記曲面または前記傾斜面が形成されている側の表面を覆う所定の媒質との界面に、反射防止層とを含む
請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記凹凸構造は、前記透明基材と非平行で連続的な曲面が、少なくとも前記入射光の有効領域において隙間なく配された構造である
請求項６に記載の光学素子。
【請求項８】
前記凹凸構造の各曲面のサグ量が２０μｍ以下である
請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
前記凹凸部は、前記透明基材と非平行で連続的な曲面を１つ以上有するまたは前記透明基材と非平行な傾斜面を１つ以上有する単層の凹凸構造を２つ含み、
前記２つの凹凸構造のうち第１の凹凸構造は、前記透明基材と一体化されまたは前記透明基材の面上に設けられ、
前記２つの凹凸構造のうち第２の凹凸構造は、前記第１の凹凸構造に積層され、
前記凹凸部は、前記第１の凹凸構造と前記第２の凹凸構造との間に設けられる反射防止層をさらに含む
請求項７または請求項８に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記反射防止層は、入射側界面をなす媒質の屈折率をｎｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ０、当該凹凸部１２の各層のｎｒ、厚さをｄｒとしたとき、当該反射防止層の両界面に対して、式（Ａ）を満たす単層の反射防止層または多層構造による理論反射率Ｒ≦４％を満たす１層以上の反射防止層である
請求項４〜９いずれかに記載の光学素子。
式（Ａ）：
（ｎ０×ｎｍ）０．５−α＜ｎｒ＜（ｎ０×ｎｍ）０．５＋α、かつ
（１−β）×λ／４＜ｎｒ×ｄｒ＜（１＋β）×λ／４
ただし、α＝０．２５、β＝０．６
【請求項１１】
少なくとも１つの前記凹凸部の前記透明基材側でない表面を覆って平坦化する充填部を備え、
前記充填部は、空気以外の媒質である
請求項１〜１０いずれかに記載の光学素子。
【請求項１２】
前記入射光が前記透明基材の法線方向から入射したときに出射される光の最大出射角が、７．５以上である
請求項１〜１１いずれかに記載の光学素子。
【請求項１３】
前記入射光は、波長６００ｎｍ〜１２００ｎｍのうちの少なくとも一部の波長帯の光である
請求項１〜１２いずれかに記載の光学素子。
【請求項１４】
前記第１の材料は、アモルファスシリコン化合物を母材とする材料である
請求項１〜１３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項１５】
前記アモルファスシリコン化合物を母材とする材料は、水素化アモルファスシリコン化合物である
請求項１３に記載の光学素子。
【請求項１６】
前記凹凸部により、前記入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して、回折作用、屈折作用または拡散作用を発現する所定の位相差を発生させる
請求項１〜１５いずれかに記載の光学素子。
【請求項１７】
前記凹凸部により、前記入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して、所定の波面変調を発現するための所定の位相差を発生させ、
前記所定の波面変調により補正される収差の量が、１λｒｍｓ以下である
請求項１〜１６いずれかに記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の位相差を発生させる光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光に対して所定パターンの光スポットを生成する回折光学素子、屈折作用を有するレンズ素子、所定の出射角に光を拡散する拡散素子等、入射光に所定の位相差を発生させる様々な光学素子が使用されている。
【０００３】
このような光学素子は、例えば、計測装置の照射光学系において、所定の光を発生させて計測対象に照射する回折光学素子、通信機器の通信情報伝搬用光学系において、通信情報を伝搬する光を所定の光路に導くレンズやマイクロレンズ等が挙げられる。
【０００４】
例えば、特許文献１には、入射ビームに対して制御可能な強度変化をもつ分散（拡散または散乱）を発現する微細構造分布を有する基板からなり、拡散素子や表示スクリーンとして機能する光学素子が例示されている。
【０００５】
上記のような光学素子を備える光学装置は、可視光に限らず近赤外光を取り扱うものもある。しかし、これらの光学装置の中には、入射光の進行方向に対して大きく異なる出射角で回折、拡散、屈折させる作用を求められるものもある。そのような光学素子は、近赤外光を扱う場合、波長の長さに起因して凹凸構造に物理的制約が生じる問題がある。とくに、波長６００ｎｍ以上（〜１２００ｎｍ以下）の可視域や近赤外域で入射する光に対して最大出射角が比較的大きい凹凸構造を有する光学素子を考えた場合、凹凸構造を形成する上で、高屈折率材料を使用したり、または凹凸部を深くしたりする必要がある。
【０００６】
とくに、凹凸部の深さが増すと、それにしたがってアスペクト比（例えば、「凸部の高さ／凸部の幅」）も大きくなり、加工精度が高められない問題が顕著になる。このため、光学素子として精度よく所望の位相差を発生させにくくなるおそれがある。例えば、入射光に対して広角で所定の光スポットを発生させる回折光学素子の場合、凹凸構造が微細化してアスペクト比が大きくなる。このため、エッチング等の加工処理において凹凸構造を設計どおりに加工するのが困難となり、回折効率分布の制御性が低下する問題がある。また、拡散素子やマイクロレンズアレイなどの屈折作用を発現させる光学素子の場合でも、大きい屈折角を得るためには、レンズ部（より具体的には曲面形状の凹凸部）がなす傾斜角を大きくする必要がある。
【０００７】
そのような形状の制約を低減するため、凹凸部に高屈折率材料を使用し、周辺媒質との屈折率差を大きくすることでアスペクト比を低減する構成が挙げられる。例えば、可視光に対して大きな吸収を持つ一方、近赤外光に対して高い屈折率を有するアモルファスシリコンなどの半導体材料の使用が挙げられる。例えば、特許文献２には、赤外線光に対して所望の位相差を発生できるように、複数のアモルファスシリコン位相シフト層を含む多層構造体を形成した回折光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第７０３３７３６号明細書
【特許文献２】特開２００４−６２２００号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献２の回折光学素子は、凹凸形状を整えるために二酸化シリコンのエッチストップ層を有し、該層が周辺媒質である空気に晒された構成である。しかし、凹凸部として高屈折率材料を使用すると、当該凹凸部の入射側界面および出射側界面で発生する反射（以下、界面反射）が大きくなり、反射ロスが生じて光利用効率が低減するという別の問題が発生する。特許文献２に記載のエッチストップ層は、その機能を発揮する二酸化シリコンが５ｎｍ未満の厚さを有することが記載されているが、あくまでエッチストップに適した材料を備える構成であって、そこで発生する反射ロスについて考慮されていない。
【００１０】
そこで、本発明は、入射光に対して所定の位相差を発生させる凹凸構造の高い光利用効率を備えた光学素子、それに加えて加工容易性を備えた光学素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による光学素子は、透明基材と、前記透明基材上に設けられ、入射光または前記入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる凹凸部とを備え、前記凹凸部は、異なる２以上の材料により構成されており、前記凹凸部を構成する前記材料の一つが、前記入射光の波長帯における複素屈折率を、ｎ−ｉｋとしたとき、ｎ≧２．５およびｋ＜０．０１である第１の材料であり、前記透明基材の平面の法線方向から入射する前記入射光に対し、少なくとも有効領域における前方透過率が８０％以上であるまたは少なくとも有効領域における反射率が１０％以下であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、入射光に対して所定の位相差を発生させる凹凸構造の高い光利用効率を備えた光学素子、それに加えて加工容易性を備えた光学素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】第１の実施形態の光学素子１０の断面模式図。
【図２】光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図３】光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図４】光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図５】光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図６】光学素子１０により生成される光のパターンの例を示す説明図。
【図７】光学素子１０の凹凸部１２の例を模式的に示す図。
【図８】光学素子１０内における回折光の伝播の例を示す断面模式図。
【図９】第２の実施形態の光学素子４０の平面模式図および断面模式図。
【図１０】光学素子４０の他の例を示す断面模式図。
【図１１】光学素子４０の他の例を示す断面模式図。
【図１２】傾斜がαの傾斜面から出射される光の屈折作用の例を示す断面模式図。
【図１３】例１およびその比較例の波長８００〜１０００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図１４】例２の波長８００〜１２００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図１５】例３〜例６の光学素子１０の要部断面模式図。
【図１６】例３の波長８００〜９００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図１７】例４の波長８００〜９００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図１８】例５の波長８００〜９００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図１９】例６の波長８００〜９００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図２０】例７の光学素子４０の製造方法の説明図。
【図２１】例７の波長８００〜１０００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【図２２】例８の光学素子４０の要部断面模式図。
【図２３】例９の光学素子１０の製造方法の説明図。
【図２４】例９の波長８００〜１０００ｎｍの光における反射率の計算結果。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
実施形態１．
図１は、第１の実施形態の光学素子１０の断面模式図である。光学素子１０は、透明基材１１と、透明基材上に設けられる凹凸部１２とを備える。なお、図中の符号１３は、凹凸部１２を覆う媒質を示す。
【００１５】
凹凸部１２は、異なる２以上の材料により構成され、かつ２以上の層を有する多層構造である。また、凹凸部１２は、入射光または、入射光のうち所定の偏光成分に対して所定の位相差を発生させる部位を少なくとも含む。なお、図１は２層の凹凸部１２を例示するが、凹凸部１２は３層以上でもよい。
【００１６】
本実施形態では、多層構造の凹凸部１２に関し、凹凸部１２と媒質１３が接する面のうち最も低い部分より高い位置にあるものを、凹凸部１２の凸部１２１とも呼ぶ。また、凸部１２１に囲まれてなる凹み部分であって凸部１２１の最上面より低い部分を、凹凸部１２の凹部１２２とも呼ぶ。以下、凹凸部１２から見て透明基材１１に近づく方向を下方とし、透明基材１１から離れる方向を上方とする。したがって、透明基材１１と凹凸部１２の界面が凹凸部１２の最下面となり、凹凸部１２の各段の上面のうち透明基材１１と最も離れる面が最上面となる。さらに、凹凸部１２と媒質１３が接する面のうち最も高い部分と低い部分の間に位置する層を、位相差層１２３とも呼ぶ。
【００１７】
透明基材１１には、ガラス、樹脂等、使用する光の波長に対して透明である部材を使用できる。
【００１８】
また、凹凸部１２は、少なくとも１以上の層において、該層の使用波長における複素屈折率をｎ−ｉｋとしたとき、式（１）を満たす材料を使用する。以下、式（１）を満たす材料を第１の材料とも表現する。なお、ここでいう「複素屈折率」は、使用波長のうち最も光強度が高い波長における屈折率に相当し、例えば、当該波長に対して±２０ｎｍの範囲や、±１０ｎｍの範囲で設定してもよい。以下、「屈折率」についても同様である。
【００１９】
ｎ≧２．５、ｋ＜０．０１  ・・・（１）
【００２０】
なお、使用波長は、光学素子１０への入射光の波長帯である。以下、光学素子１０に、波長７００〜１２００ｎｍの近赤外光が入射する、として説明する。なお、後述するように５２０ｎｍの入射光も対象にできるので波長帯は特に限定されない。例えば、近赤外光のように、可視光より長波長の光を取り扱う場合、光路長差を大きくするために凹凸が高くなる傾向にあるため、本実施形態の光学素子の構成が効果的である。
【００２１】
第１の材料は、アモルファスシリコンまたはアモルファスシリコン化合物を母材とする材料が例示できる。該材料を用いると、波長７００〜１２００ｎｍにおいてｋを十分小さくできる。とくに、化学的安定性の観点から、水素化アモルファスシリコンまたは水素化アモルファスシリコン化合物のように、水素化したものが好ましい。アモルファスシリコンまたはアモルファスシリコン化合物を母材とする材料の成膜には、真空蒸着、スパッタリング、プラズマＣＶＤなどを使用できる。以下、アモルファスシリコンは、「ａ−Ｓｉ」とも記載する。
【００２２】
ａ−Ｓｉまたはａ−Ｓｉ化合物を母材とする材料としては、ａ−Ｓｉを水素化したもの、ａ−Ｓｉと炭素やゲルマニウムとの化合物（それぞれ、ａ−ＳｉＣ、ａ−ＳｉＧｅと記述する）並びにこれら材料を水素化したものでもよい。例えば、ａ−Ｓｉやａ−Ｓｉに対して炭素やゲルマニウムとの化合物を水素化したものは、それぞれａ−Ｓｉ：Ｈ、ａ−ＳｉＣ：Ｈ、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈなどのように記述される。また、これらは、それぞれ一部に酸素や窒素がドープされてもよい。
【００２３】
ａ−Ｓｉの化合物を用いる利点としては、近赤外光に対して吸収が少ない点である。結晶化シリコンのバンドギャップは約１．１ｅＶであり、波長に換算すると約１１３０ｎｍである。したがって、結晶化シリコンの場合、波長１１３０ｎｍ以下の光は透過できない。一方、ａ−Ｓｉの化合物としては、ａ−ＳｉＣ：Ｈで１．８〜２．４ｅＶ（波長で約５２０〜６９０ｎｍ）、ａ−Ｓｉ：Ｈで１．７〜１．９ｅＶ（波長で約６５０〜７３０ｎｍ）、ａ−ＳｉＧｅ：Ｈで１．０〜１．７ｅＶ（波長で約７３０〜１２４０ｎｍ）のハンドギャップを有する。これらによれば、波長５２０ｎｍ以上の光に対して、吸収が小さい状態で透過できる。
【００２４】
また、これらのａ−Ｓｉ化合物の中には、屈折率が２．３〜４の範囲のものがある。とくに２．５以上の屈折率のものを使用すると、可視域で用いられるＴｉＯ２などの光学材料よりも屈折率が大きくなり好ましい。また、屈折率は、２．８以上がより好ましく、３以上がさらに好ましい。また、屈折率が高すぎると吸収が出やすいため、屈折率の上限は５以下が好ましく、４以下がより好ましい。
【００２５】
上記材料を用いる場合、光学素子の使用波長範囲を５２０ｎｍ以上とできる。ただし、吸収率よりも透過率が高くなる吸収端近傍では吸収が残る場合があるため、使用する光の波長としては、６００ｎｍ以上が好ましく、７００ｎｍ以上がより好ましい。なお、結晶化シリコンでも、波長が１１３０ｎｍ以上、とくに１２００ｎｍ以上では吸収が少ないことから、該波長範囲を使用する場合は結晶化シリコンを使用できる。しかし、使用する光の波長が１２００ｎｍ以下の場合、材料選択性の観点からも、ａ−Ｓｉ化合物を使用するとよい。
【００２６】
また、基材は使用波長の光に対する透明性が要求されるため、１２００ｎｍ以下の光を使用する場合、基材としては、結晶化シリコンのような材料を使用できない。したがって、ガラス、樹脂、セラミックスなどの透明材料を用いる必要がある。また、光学ガラスの一般的な屈折率は１．５程度、高いものでも２．１程度であるため、基材とａ−Ｓｉとの界面で大きな屈折率差を生じ、大きな反射光が発生する。このような観点で後述する屈折率調整層や反射防止層により界面での反射防止が必要になる。
【００２７】
また、基材上に０．５μｍ以上のａ−Ｓｉまたはａ−Ｓｉ化合物を備える場合、これら部材と基材間の応力によって剥離が生じるおそれがあるため、これら部材と基材の線膨張係数の差が小さいとよい。基材とａ−Ｓｉまたはａ−Ｓｉ化合物の線膨張係数の差の絶対値は、４×１０−６／Ｋ以下が好ましく、２×１０−６／Ｋ以下がより好ましい。なお、ａ−Ｓｉの線膨張係数は１．５〜４．０×１０−６／Ｋである。したがって、基材の線膨張係数の例として、８×１０−６／Ｋ以下が好ましく、６×１０−６／Ｋ以下がより好ましい。ここで、基材としてガラスを用いる場合、線膨張係数は２０℃から３００℃の平均線膨張係数を比較できる。線膨張係数は、−２×１０−６／Ｋ以上が好ましく、０×１０−６／Ｋ以上がより好ましい。
【００２８】
このような材料の使用により、凹凸部１２の高さを低減でき、例えばエッチングによって加工をする場合にテーパーなどの意図しない構造が発生する前に加工を終了でき、より設計に近い形状が得られる。これにより光学素子１０の光学機能の制御が容易になる。
【００２９】
図１は２段の凹凸部１２を例示しているが、凹凸部１２は３段以上の、階段状の疑似ブレーズ構造でもよい。ここで、凹凸部１２の段数は、一般的な回折格子と同様、入射光に対して位相差を生じさせる段差を構成する各面を１段として数える。
【００３０】
例えば、光学素子１０は、図２（ａ）に示すように３段以上の凹凸部１２を備えてもよく、図２（ｂ）に示すように、少なくとも光路上の凹凸部１２の全てが透明基材１１に接し、第３の媒質１３が透明基材１１と接しない構成でもよい。以下、このような構成において、凹凸部１２の１段目を構成する層すなわち少なくとも入射光の有効領域内において透明基材１１の表面を覆っている層を、下地層１２４とも呼ぶ。なお、図２（ｂ）の構成では、下地層１２４の上面が凹凸部１２の１段目である。下地層１２４は、単層でも多層でもよい。ここで、入射光の有効領域とは、入射光の光強度が１／ｅ２以上の領域、すなわち入射光のうち最も高い（位置の）光強度を１００％とした場合に、１３％以上の光強度を示す光が照射される領域とする。
【００３１】
なお、光学素子１０が回折光学素子であって凹凸部１２がＮ段の階段状の疑似ブレーズ形状の場合、式（２）を満たすと、凸部１２１と凹部１２２（媒質１３）によって発生する光路長差が１波長分の波面に近似でき、高い回折効率が得られ好ましい。ここでＮは３以上の整数である。
【００３２】
｛（Ｎ−１）／Ｎ｝×λ＝Δｎｄ  ・・・（２）
【００３３】
ここで、Δｎは凹凸部１２と媒質１３の屈折率差、ｄは凹凸部１２と媒質１３が接する面のうち最も高い部分と低い部分の差、すなわち位相差層１２３の高さである。
【００３４】
例えば、近赤外光において屈折率＝１．４５５の石英ガラス周辺が空気雰囲気の場合を例にとると、｛（Ｎ−１）／Ｎ｝×λ＝０．４５５ｄとなる。これより、位相差層１２３の高さｄが、ｄ＜｛（Ｎ−１）／Ｎ｝×λ／０．４５５を満たすとよい。また、使用する光の波長が７００〜１２００ｎｍの場合、位相差層１２３の高さｄは、特に２段の凹凸部１２であれば７５０ｎｍ以下が好ましい。なお、高さｄは、４段以上であれば１１５０ｎｍ以下が好ましく、８段以上であれば１３５０ｎｍ以下が好ましい。
【００３５】
また、凹凸部１２は、反射防止機能を有してもよい。例えば、凹凸部１２自体が、所定の位相差を発生させる凹凸構造であるとともに反射防止構造を有する多層構造の凹凸構造でもよい。
【００３６】
ここで、屈折率ｎ０の媒質Ｍ１から入射角θ０で光が入射し、各層の屈折率がｎｒで厚さがｄｒであるｑ層からなる多層膜Ｍ２を透過し、屈折率ｎｍの媒質Ｍ３へ光が入射する場合を考える。このときの反射率は、式（３）で計算できる。なお、η０、ηｍ、ηｒはそれぞれ、斜入射を考慮した媒質Ｍ１、多層膜Ｍ２、媒質Ｍ３の実効屈折率である。以下、式（３）に示す反射率Ｒを、多層構造による理論反射率とも呼ぶ。また、特に断らない場合、θ０＝０とするが、入射面が傾斜するような場合には、傾斜の平均的な傾斜によって入射角を定義してもよい。
【００３７】
【数１】
2019028083.tif 000003
【００３８】
したがって、凹凸部１２の多層構造の設計により、Ｙをη０に近づけられると、他の媒質との界面反射を低減できる。とくに垂直入射の時は、η０やηｍやηｒは屈折率と等価である。このとき、凹凸部１２を、各層の屈折率をｎｒ、厚さをｄｒとしたｑ層からなる多層膜とする。また、凹凸部１２から見て入射側界面を構成する部材（透明基材１１または媒質１３）の屈折率をｎ０、凹凸部１２から見て出射側界面を構成する部材（媒質１３または透明基材１１）の屈折率をｎｍとすればよい。
【００３９】
例えば、凹凸部１２は、多層構造による理論反射率Ｒ≦４％を満たすと好ましく、Ｒ≦２％を満たすとより好ましく、Ｒ≦１％を満たすとさらに好ましい。
【００４０】
一例として、凹凸部１２は、図３（ａ）に示すように、最下位層すなわち透明基材１１との界面に屈折率調整層１４ａを有し、かつ最上位層すなわち媒質１３との界面に屈折率調整層１４ｂを有する構成でもよい。ここで、屈折率調整層１４ａおよび１４ｂは、当該屈折率調整層１４ａを含む多層構造の凹凸部１２において、入射側界面をなす媒質（例えば、透明基材１１）の屈折率をｎｍ、出射側界面をなす媒質（例えば、空気または媒質１３）の屈折率をｎ０、当該凹凸部１２の各層のｎｒ、厚さをｄｒとしたとき、当該凹凸部１２の両界面に対して、式（４）を満たす単層または多層構造によって、理論反射率Ｒが上記条件を満たせばよい。
【００４１】
（ｎ０×ｎｍ）０．５−α＜ｎｒ＜（ｎ０×ｎｍ）０．５＋α、かつ
（１−β）×λ／４＜ｎｒ×ｄｒ＜（１＋β）×λ／４
ただし、α＝０．２５、β＝０．６
・・・（４）
【００４２】
ここで、αは０．２５が好ましく、０．２がより好ましく、０．１がさらに好ましい。また、βは０．６が好ましく、０．４がより好ましい。また、図３（ａ）に示す中間層１４ｃは、１層でもよく、２層以上でもよい。また、屈折率調整層１４ａは最下位層でなくてもよく、また屈折率調整層１４ｂも最上位層でなくてもよい。また、凹凸部１２は、屈折率調整層１４ａ、１４ｂのいずれか一方のみを含む構成でもよい。すなわち、説明の便宜のため凹凸部１２を構成する層に屈折率調整層１４ａ、１４ｂ、中間層１４ｃ等の名称を付したが、いずれの構成でも、少なくとも第１の材料を含む多層構造の凹凸部１２が、式（４）または理論反射率Ｒが上記条件を満たす構成であればよい。
【００４３】
また、凹凸部１２が３段以上の場合、凹凸部１２の各段（ただし、高さを有する段に限る）は、２層以上の薄膜構造を基本ブロックとする多層構造でもよい。すなわち、凹凸部の各段のうち高さを有する段が、所定の屈折率及び厚さを有する２層以上の多層膜である基本ブロックを１つ以上積み上げられた構成でもよい。なお、基本ブロックは１種類に限らず、複数種類でもよい。その場合、基本ブロックの多層構造による理論反射率Ｒが上記条件を満たすように構成される。
【００４４】
また、凹凸部１２は、図３（ｂ）や図３（ｃ）に示すように、位相差層１２３や下地層１２４に加えて、少なくとも入射光の有効領域内の透明基材１１と接する界面および媒質１３と接する界面に、反射防止層１５ａ，１５ｂを有する構成でもよい。この場合、位相差層１２３，反射防止層１５ａ，１５ｂを含めて、凹凸部１２と呼ぶ。なお、凹凸部１２は、少なくとも反射防止層１５ａを含んでいればよい。また、図３（ｂ）は、凹部１２２において反射防止層１５ａ，１５ｂが積層されるが、反射防止層１５ａは、少なくとも入射光の有効領域内において、第１の材料により形成される層を少なくとも含む位相差層１２３（下地層１２４が存在すれば、下地層１２４）と透明基材１１との間に備わっていればよい。また、反射防止層１５ｂは、少なくとも入射光の有効領域内において、該位相差層１２３と媒質１３との間に備わっていればよい。
【００４５】
反射防止層１５ａ、１５ｂは、単層でもよいし、２層以上の多層膜でもよい。反射防止層を形成する材料として、各種金属、半導体の酸化物、窒化物、酸窒化物、フッ化物を使用できるが、シリコンを含有するシリコン化合物による単層膜または多層膜であると、例えばエッチング加工する場合に加工条件を大きく変える必要がないため好ましい。
【００４６】
一例として、反射防止層１５ａ、１５ｂはそれぞれ、入射側界面をなす媒質の屈折率をｎｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ０、当該反射防止層もしくはその各層の屈折率をｎｒ、厚さをｄｒとしたとき、当該反射防止層の両界面に対して、式（４）を満たす単層の反射防止層または多層構造による理論反射率Ｒが上記条件を満たせばよい。例えば、図３（ｂ）において透明基材１１側から光が入射する場合、反射防止層１５ａに対して、入射側界面をなす媒質は透明基材１１、出射側界面をなす媒質は位相差層１２３の部材である。また、反射防止層１５ｂに対して、入射側界面をなす媒質は位相差層１２３の部材、出射側界面をなす媒質は媒質１３である。
【００４７】
また、位相差層１２３も、単層でもよいし、多層でもよい。所望の位相差を発生させ、かつ反射率を低減するための光学層として寄与させる観点より、凹凸部１２の各層の厚さは、５ｎｍ以上が好ましい。その理由は、例えば、凹凸部１２が、従来の構成のように、厚さ５ｎｍ程度のエッチングストップ層などを有すると、該層がない構成と比べて、光学的に制御されていない多層構造によって生じる干渉状態の大きなばらつきが生じるためである。なお、各層の厚さが５ｎｍ程度であっても凹凸部１２全体として反射率が上記条件を満たしていればよく、その場合、当該各層の厚さの下限条件は無視してもよい。
【００４８】
また、媒質１３は、空気でも、空気以外でもよい。すなわち、光学素子１０は、図４に示すように、凹凸部１２の透明基材１１と対向する側の表面を覆って平坦化する充填部１６を備えてもよい。この場合、充填部１６の材料が媒質１３となる。
【００４９】
空気以外の媒質１３の例としては、樹脂や無機物が挙げられる。この場合、所望の位相差を発生させるべく凹凸部１２（より具体的には凸部１２１）と充填部１６との、所定の波長（範囲）の光に対する屈折率差Δｎは、０．４５以上が好ましく、０．６以上がより好ましい。なお、光学素子１０は、充填部１６が露出する例（図４）に限らず、図５（ａ）のように、透明基材１１−１および１１−２によって凹凸部１２および充填部１６の主面を覆った構成でもよく、また、複数の凹凸部１２を有してもよい。この場合、１つの凹凸部１２を有する光学素子１０を２つ重ねた構成でもよいし、図５（ｂ）のように、媒質１３を介して２つの凹凸部１２（１２−１および１２−２）を貼り合わせた構成でもよい。
【００５０】
また、光学素子１０全体としての反射率は、１０％以下であればよく、６％以下が好ましく、４％以下がより好ましく、３％以下がさらに好ましい。このとき、透明基材１１、凹凸部１２及び媒質１３の積層構造による反射率は、８％以下であればよく、４％以下が好ましく、２％以下がより好ましく、１％以下がさらに好ましい。ここで、透明基材１１、凹凸部１２及び媒質１３の積層構造による反射率は、式（３）で示した多層構造による理論反射率でも評価できる。
【００５１】
次に、光学素子１０が回折光学素子であるとしてより詳細に説明する。この場合、凹凸部１２は、回折作用を発現できる構造であればよい。凹凸部１２は、例えば、図１等に示すように、透明基材１１の一方の表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行でもよい。
【００５２】
次に、光学素子１０が発現する回折作用について、図６の光学素子１０により生成される光のパターンの例示に基づき説明する。光学素子１０は、光軸方向をＺ軸として入射する光束２１に対して出射される回折光群２２が２次元に分布するように形成される。光学素子１０は、Ｚ軸と交点を持ちＺ軸に垂直な軸をＸ軸及びＹ軸とした場合、Ｘ軸上における最小角度θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘ及びＹ軸上における最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘ（いずれも不図示）の角度範囲内に光束群が分布する。
【００５３】
ここでＸ軸は光スポットパターンの長辺に略平行でＹ軸は光スポットパターンの短辺に略平行となる。なお、Ｘ軸方向における最小角度θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘ、Ｙ軸方向における最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘにより形成される回折光群２２の照射される範囲は、光学素子１０と一緒に用いられる光検出素子における光検出範囲と略一致した範囲となる。本例では、光スポットパターンにおいて、Ｚ軸に対しＸ方向の角度がθｘｍａｘである光スポットを通るＹ軸に平行な直線が上記短辺となり、Ｚ軸に対しＹ方向の角度がθｙｍａｘである光スポットを通るＸ軸と平行な直線が上記長辺となる。以下、上記短辺と上記長辺の交点と回折光学素子を結ぶ直線とＺ軸とがなす角度をθｄとし、この角度を対角方向の角度と称する。なお、対角方向の角度θｄは、光学素子１０の最大出射角に相当する。
【００５４】
光学素子１０は、発生させる光スポットの数としては、１０点以上が好ましく、１００点以上がより好ましく、１０００点以上がさらに好ましい。なお、光スポットの数の上限は、特に限定されないが、例えば、１０００万点でもよい。
【００５５】
また、通常、回折光学素子の凹凸構造は、断面がバイナリ形状やブレーズ形状等であるが、該凹凸構造の断面が連続的なブレーズ形状以外で形成される場合や、断面がブレーズ形状でも製造上のバラツキがある場合、所望の回折光の他に迷光が発生するおそれがある。しかし、このような迷光は、設計段階において意図するものではないため、上記角度範囲内に分布する光スポットには含まないものとする。
【００５６】
また、図６において、Ｒｉｊは投影面の分割領域を示す。例えば、光学素子１０は、透明面を複数の領域Ｒｉｊに分割した場合、各領域Ｒｉｊに照射される回折光群２２による光スポット２３の分布密度が全領域の平均値に対して±５０％以内となるように構成してもよい。なお、上記分布密度は、全領域の平均値に対して±２５％以内でもよい。このように構成すると、投影面内で光スポット２３の分布を均一にできるので、計測用途等において好適である。ここで投影面は、平面だけでなく曲面でもよい。また、平面の場合も、光学系の光軸に対して垂直な面以外に傾斜した面でもよい。
【００５７】
図６に示す回折光群２２に含まれる各回折光は、式（５）に示すグレーティング方程式において、Ｚ軸方向を基準として、Ｘ方向における角度θｘｏ、Ｙ方向における角度θｙｏに回折される光となる。式（５）において、ｍｘはＸ方向の回折次数であり、ｍｙはＹ方向の回折次数であり、λは光束２１の波長であり、Ｐｘ、Ｐｙは後述する光学素子の基本ユニットのＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチであり、θｘｉはＸ方向における光学素子への入射角、θｙｉはＹ方向における光学素子への入射角である。この回折光群２２をスクリーンまたは測定対象物等の投影面に照射させることにより、照射された領域に複数の光スポット２３が生成される。
【００５８】
ｓｉｎθｘｏ＝ｓｉｎθｘｉ＋ｍｘλ／Ｐｘ
ｓｉｎθｙｏ＝ｓｉｎθｙｉ＋ｍｙλ／Ｐｙ
・・・（５）
【００５９】
このような所定の条件を満たす回折光群２２を出射する光学素子１０として、反復フーリエ変換法等により設計された光学素子を使用できる。より具体的に、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、２次元的に配列させた光学素子を使用できる。このような光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニットにおけるフーリエ変換により得られる。
【００６０】
光学素子１０は、図７（ａ）に示すように、透明基材１１上に、凹凸部１２を構成する基本ユニット３１が、Ｘ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙで２次元的に周期的に配列されてもよい。基本ユニット３１は、例えば、図７（ｂ）に示すような位相分布を有する。図７（ｂ）に示す例では、黒塗りの領域が凸部１２１、白抜きの領域が凹部１２２となるように凹凸パターンを形成する。凹凸部１２は、位相分布を発生できればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材（透明基材１１）の表面に凹凸パターンを形成した構造も含まれる。なお、光学素子１０としては、この他にも、凹凸パターンが形成された透明な部材（透明基材１１）の上に、この部材とは屈折率の異なる部材（充填部１６）を貼り合わせ、表面を平坦化した構造や、透明な部材において屈折率を変化させた構造でもよい。つまり、凹凸パターンは、表面形状が凹凸である場合のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えられる構造も含む。
【００６１】
また、光学素子１０に基本ユニット３１を２次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、凹凸パターン内に１つ以上の基本ユニットが含まれれば凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と必ずしも一致しなくてもよい。また、基本ユニット３１は一種類に限らず複数種でもよい。
【００６２】
また、光学素子１０は、上記の回折光学素子以外に、複数の基本ユニットを持たせることで拡散機能を発現させる回折光学素子や、レンズ作用など入射波面に対して位相を付与するフレネルレンズ素子、構造複屈折により偏光ごとに位相差を与える位相子や特定の偏光のみを透過する偏光子等でもよい。
【００６３】
例えば、凹凸部１２は、２次元な光拡散機能を発現する非周期的な凹凸構造でもよい。さらに、凹凸部１２は、１次元方向に光を回折させる凹凸構造、レンズ作用など入射波面に対して位相を付与するフレネルレンズ構造を有する凹凸構造、入射光のうち所定の偏光成分に対して位相差を与える構造複屈折作用を発現する凹凸構造でもよい。
【００６４】
式（５）に基づき、回折角が大きくなると格子のピッチが短くなる。また、一般的には出射させる光スポットの数を増やそうとすると基本ユニットの凹凸形状が複雑になる。すると、凹凸形状幅が細かくなり理想形状通りの加工が難しくなるため、回折光の制御が難しくなる傾向がある。したがって、本実施形態の光学素子１０は、比較的広角の回折角を得る場合に、とくに効果的である。
【００６５】
一般的に２次元に光を出射させる回折光学素子の凹凸形状の平面パターンは、複雑な２次元模様となる。そのため、単純なアスペクト比などの形状の指標を得るのは困難であるが、形状の加工性を議論するために空間的な周期Ｐｐと凹凸の高さｄを用いて、形式的なアスペクト比ＲＡを、式（６）によって定義する。
【００６６】
ＲＡ＝ｄ／（Ｐｐ／２）  ・・・（６）
【００６７】
式（５）の次数ｍｘ、ｍｙは凹凸部１２の２次元形状をフーリエ変換して得られるが、このフーリエ変換によって２次元形状が有する空間周波数成分を求めているとも解釈できる。このとき、ｘ、ｙ方向の最大次数をｍｘｍａｘ、ｍｙｍａｘとした場合、それに相当する空間的な周期Ｐｐｘ、ＰｐｙはＰｐｘ＝Ｐｘ／ｍｘｍａｘ、Ｐｐｙ＝Ｐｙ／ｍｙｍａｘとなる。これらの値を上記の空間的な周期Ｐｐとして用いる。形式的なアスペクト比ＲＡの好ましい範囲は、ｘ，ｙ方向ともに、３以下がよく、２以下が好ましく、１以下がより好ましい。
【００６８】
上記構成は、例えば、回折角、具体的には、入射光が透明基材１１の一方の表面の法線方向から入射したときに発生する複数の回折光の各々（光スポット）がなす対角方向の角度θｄが７．５°以上である場合に適用するとよく、１５°以上の場合が好ましく、２５°以上の場合がより好ましい。これは、２次元的な光のスポットを発現する回折光学素子に限らず１次元的な回折光を発現する回折格子やフレネルレンズ素子や拡散板や偏光子等にも適用できる。この場合、対角方向の角度θｄを、レンズの広がり角、拡散板の拡散角、偏光子の最大出射角等と読み替えればよい。なお、これらを包含する表現として、単に「光学素子１０の最大出射角」という場合がある。
【００６９】
また、上記では、凹凸部１２と他媒質の界面の反射率に基づいた構成を説明したが、実際の光学素子は、反射光も凹凸構造の作用によって複数の反射光に分岐されるため反射光の光量の測定が難しい場合がある。この場合、反射光の光量の評価を透過光の光量で評価してもよい。なお、透過光の光量は、光学素子の入射面と対向する出射面から出射される光を、素子に対して隣接させた積分球等の受光素子に受光させ、その光量を測定し評価できる。例えば、透過光の光量を、入射光の光量に対する受光量の割合である前方透過率により評価してもよい。このとき、透過光の光量は、入射光の光量から、透明基材１１、凹凸部１２、媒質１３の界面で生じる反射だけでなく、素子の吸収、入射側素子界面で生じる反射、出射側素子界面で生じる反射を除いたものになる。
【００７０】
また、光学素子１０が回折光学素子の場合、例えば、透過光の光量を、各回折光に関するグレーティング方程式（式（５））を用いた理論値を用いて評価してもよい。この場合も、光学素子において、透明基材１１、凹凸部１２、媒質１３の界面による反射以外に、素子内の吸収や素子界面の反射が発生しないものとする。
【００７１】
ここで、光学素子１０が、図５（ａ）に示すような、２つの透明基材１１で充填部１６を封止した構造の回折光学素子の場合、前方透過率は入射光から、（Ａ）基材、凹凸部、充填部の界面による反射、（Ｂ）基材、凹凸部、充填部を構成する部材の吸収、の２つの要因以外にも、（Ｃ）回折光が素子界面から出射されず素子内を伝播する成分を考慮する必要がある。この成分は、例えば、図８中の実線矢印のように、素子内のいずれかの界面で全反射される光線であり、例えば式（５）を用いて計算できる。式（５）において、光線のＺ方向のベクトル成分は（１−ｓｉｎ２θｘｏ−ｓｉｎ２θｙｏ）０．５となるが、カッコ内が負の値になる場合、Ｚ成分の伝播ベクトル成分が虚数になり空気中には出射されない成分と判断してもよい。なお、厳密には、素子内を伝播する回折光は素子界面で全反射され、凹凸部に再入射して、素子内で再度回折される場合があるが、以下、簡単のためにそのような擾乱がないとする。
【００７２】
前方透過率は、積分球等の受光素子で評価できるが、上記のような出射側素子界面での全反射による素子内を伝播する成分も、素子側面から出射する光を受光装置で計測して評価できる。光学素子に吸収がないとした場合、光学素子としての反射率を、入射光量から前方透過率と光学素子側面から出射する光量を差分した値で評価してもよい。
【００７３】
以上のように、光学素子は、最大出射角の設計によって前方透過率が変化する場合があり、とくに広角の光を出射させる場合、該変化が顕著になりやすい。また、凹凸部と他媒質との界面による反射率が低い場合、相対的に前方透過率を大きくできる。したがって、反射光量の評価の指標である前方透過率は、８０％以上であればよく、８５％以上が好ましく、９０％以上がより好ましく、９５％以上がさらに好ましい。また、光学素子が他の機能層を含む場合もあるが、上記の前方透過率は１つの凹凸部のみを含む単純な構造を想定した。一方、他の機能層を有する光学素子の場合、他の機能層による吸収や反射によるロスを計算して除去し、前方透過率を評価してもよい。また、凹凸部と他媒質との界面以外で生じる反射、吸収によるロスを計算して評価し、それを除去してもよい。
【００７４】
実施形態２．
図９（ａ）、図９（ｂ）は、それぞれ、第２の実施形態の光学素子４０の平面模式図、断面模式図である。本実施形態の光学素子４０は、透明基材４１の一方の面上に、透明基材４１の主面と非平行で連続的な１つ以上の曲面を有する凹凸部４２を備える。なお、図中の符号４３は、凹凸部４２の透明基材４１と対向する側の表面を覆う媒質を示す。
【００７５】
光学素子４０は、図９（ｂ）に示すように、透明基材４１の主面上に、透明基材４１の主面と非平行で連続的な１つ以上の曲面を形成する凹凸構造４４と、凹凸構造４４と透明基材４１との間に設けられる反射防止層４５ａと、凹凸構造４４と媒質４３との間に設けられる反射防止層４５ｂとを含む凹凸部４２を備える。このように、凹凸部４２は、反射防止層４５ａ、凹凸構造４４、反射防止層４５ｂの多層構造である。なお、凹凸部４２は、反射防止層４５ａおよび反射防止層４５ｂのいずれか一方のみを含む構成でもよい。
【００７６】
以下、凹凸構造４４において各曲面を構成する部位を、曲面部４２１とも呼ぶ。
【００７７】
凹凸構造４４は、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、透明基材４１と非平行で連続的な曲面を構成する曲面部４２１が、少なくとも入射光の有効領域において隙間なく配された構造が挙げられる。このとき、曲面部４２１のうち、隣接する２つの曲面の境界が非連続な（尾根に相当する）部分が形成されてもよい。このように、曲面部４２１は、複数の曲面により隙間の無い（フラットな部分が無い）形状で構成することで、入射光の直進抜け成分が低減し、光利用効率を高める効果を奏する。
【００７８】
なお、図９（ａ）および図９（ｂ）における光学素子４０は、拡散板を例示するがこれに限らない。光学素子４０は、一次元方向や二次元方向に回折作用を有するブレーズ型回折光学素子、レンズ作用などを生じさせるレンズ素子やマイクロレンズアレイ、入射波面に対して位相を付与するブレーズ型フレネルレンズ素子、入射光のうち所定の偏光成分に対して位相差を与えて構造複屈折作用を発現するブレーズ型の位相子等でもよい。このとき、凹凸構造４４は、透明基材４１と非平行で連続的な曲面に代わる、もしくは該曲面に加えて、透明基材と非平行な傾斜面を１つ以上有する構造でもよい。
【００７９】
以下、本実施形態でも、光学素子４０に波長７００〜１２００ｎｍの近赤外光が入射するものとして説明する。
【００８０】
透明基材４１には、透明基材１１と同様、ガラス、樹脂等、使用する光の波長に対して透明である部材を使用できる。
【００８１】
本実施形態でも、凹凸部４２は、異なる２以上の材料により構成され、かつ２以上の層を有する多層構造である。凹凸部４２は、少なくとも１以上の層において、該層の使用波長における複素屈折率をｎ−ｉｋとしたとき、式（１）を満たす材料（第１の材料）を使用する。
【００８２】
反射防止層４５ａ、４５ｂは、基本的に反射防止層１５ａ、１５ｂと同様であり、実施形態１．で説明した反射防止層１５ａ、１５ｂのように単層や多層の構成であったり、同様の材料の使用であったり、踏襲できる。
【００８３】
また、実施形態１．における反射防止層１５ａ、１５ｂと同様、反射防止層４５ａ、４５ｂもそれぞれ、入射側界面をなす媒質の屈折率をｎｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ０、当該反射防止層もしくはその各層の屈折率をｎｒ、厚さをｄｒとしたとき、当該反射防止層の両界面に対して、式（４）を満たす単層の反射防止層または多層構造による理論反射率Ｒが上記条件を満たす１層以上の反射防止層でもよい。
【００８４】
また、媒質４３は、空気でも、樹脂や無機物等の空気以外でもよい。すなわち、光学素子４０は、図１０（ａ）に示すように、凹凸部４２の透明基材４１と対向する側の表面を覆って平坦化する充填部４６を備えてもよい。この場合、充填部４６の材料が媒質４３となる。また、光学素子４０は、充填部４６を封止する第２の透明基材４１−２を備えてもよい。すなわち、光学素子４０は、第１の透明基材４１−１と第２の透明基材４１−２とによって凹凸部４２および充填部４６を封止した構成でもよい。
【００８５】
本実施形態でも、所定の波長（範囲）の光における、凹凸部４２（特に、凹凸構造４４の凸部相当）と充填部４６との屈折率差Δｎは、０．４５以上が好ましく、０．６以上がより好ましい。
【００８６】
また、図１１に示すように、光学素子１０は、屈折作用等を発生させる面を有する凹凸構造４４を２以上備えてもよい。この場合、１つの凹凸構造４４を有する凹凸部４２を含む光学素子４０を２つ重ねた構成でもよいし、図１１（ａ）および図１１（ｂ）のように、１つの透明基材４１上に、２つの凹凸構造４４が積層されてもよい。このとき、図１１（ａ）に示すように、２つの凹凸構造４４のうち第１の凹凸構造４４−１は、透明基材４１と一体化されてもよい。その場合、２つの凹凸構造４４のうち第２の凹凸構造４４−２は第１の凹凸構造４４−１に積層され、反射防止層４５ａが、第１の凹凸構造４４−１（透明基材４１の材料により形成される凹凸構造）と第２の凹凸構造４４−２（第１の材料により形成される凹凸構造）との間に備えられる。また、反射防止層４５ｂが、第２の凹凸構造４４−２（第１の材料により形成される凹凸構造）と媒質４３との間に備えられる。この場合、凹凸部４２は４つの機能層（第１の凹凸構造４４−１、反射防止層４５ａ、第２の凹凸構造４４−２、反射防止層４５ｂ）を含む。
【００８７】
また、図１１（ｂ）に示すように、第１の凹凸構造４４−１は、透明基材４１の面上に、別の部材により設けられてもよい。その場合、反射防止層４５ａは、透明基材４１と第１の凹凸構造４４−１（特に、第１の材料により形成される凹凸構造の場合）との間に備えられてもよい。また、反射防止層４５ｂは、第２の凹凸構造４４−２（特に、第１の材料により形成される凹凸構造の場合）と媒質４３との間に備えられてもよい。さらに、第１の凹凸構造４４−１と第２の凹凸構造４４−２との間に反射防止層４５ｃが設けられてもよい。この場合、凹凸部４２は５つの機能層（反射防止層４５ａ、第１の凹凸構造４４−１、反射防止層４５ｃ、第２の凹凸構造４４−２、反射防止層４５ｂ）を含む。このように、凹凸構造を形成している媒質と他の媒質との界面全てに反射防止層が設けられているのが好ましい。
【００８８】
反射防止層４５ｃは、反射防止層４５ａ、４５ｂと同様、当該反射防止層の両界面に対して、式（４）を満たす単層または多層構造により、理論反射率Ｒが上記条件を満たす設計であればよい。例えば、図１１（ｂ）において透明基材４１側から近赤外光が入射する場合、反射防止層４５ｃに対して、入射側界面をなす媒質は第１の凹凸構造４４−１、出射側界面をなす媒質は第２の凹凸構造４４−２である。
【００８９】
また、図１１（ａ）のように透明基材４１の表面を切削して凹凸構造４４を得た場合は、当該凹凸構造４４の表面のうち最も低い位置にある面を、透明基材との境界（すなわち、当該凹凸構造４４の最下面であり透明基材４１の表面である）とすればよい。
【００９０】
また、図１１（ｃ）のように、光学素子４０は、第１の凹凸構造４４−１と第２の凹凸構造４４−２が隣り合う構成でもよい。図１１（ｃ）の場合、反射防止層４５ａは、第１の凹凸構造４４−１（透明基材４１の材料により形成される凹凸構造）と第２の凹凸構造４４−２（第１の材料により形成される凹凸構造）との間に備えられる。また、反射防止層４５ｂは、第２の凹凸構造４４−２（第１の材料により形成される凹凸構造）と媒質４３との間に備えられる。この場合、凹凸部４２は４つの機能層（第１の凹凸構造４４−１、反射防止層４５ａ、第２の凹凸構造４４−２、反射防止層４５ｂ）を含む。
【００９１】
ここで、図１２を用いて、屈折率ｎを有する凹凸構造４４に透明基材４１の法線方向から入射し、角度α傾斜した面から空気（屈折率＝１）に出射する光の屈折作用を説明する。まず、スネルの法則により、ｎｓｉｎα＝ｓｉｎβが成立するが、例えばα＝１０°のときに石英ガラス（屈折率１．４５５）を材質とする場合、出射角（β−α）＝４．６°となる。一方、凹凸構造４４に屈折率２．８の材料を用いる場合、出射角＝１９°となる。したがって、凹凸構造４４にこのような大きな屈折率の材料を用いることで小さな傾斜角でも大きな出射角が得られる。ここで、該傾斜面は、凹凸構造４４が有する曲面の一部の近似として捉えてもよい。したがって、比較的大きな屈折率の材料を使用すれば、凹凸構造の傾斜面または曲面の傾斜角を小さくでき、これより、凹凸構造４４の傾斜面または曲面を構成している部分の高さを低減できるので、凹凸構造（とくに、傾斜面や曲面が隣接する境界領域）の加工が容易になる。したがって、本実施形態においても、光学素子４０の上記構成は、最大出射角が７．５°以上の場合に適用してもよい。なお、上記の最大出射角は、１５°以上でもよく、２５°以上でもよい。
【００９２】
また、同じ観点より、凹凸構造４４が１つ以上の曲面を有する場合において、凹凸構造４４の各曲面のサグ量は、２０μｍ以下が好ましく、５μｍ以下がより好ましい。
【００９３】
また、各実施形態の光学素子は、３次元計測装置や、認証装置のように、光を照射して対象物によって散乱された（検査）光を所定の投影範囲に照射する投影装置にも使用できる。また、各実施形態の光学素子は、通信機器に含まれる、通信情報伝搬用光学系におけるレンズやマイクロレンズとしても使用できる。
【００９４】
これら各装置においては、光学素子の反射率が低減される効果により、光源から出射される光の光量に対する当該光学素子から出射される光の光量の割合が５０％以上であると好ましい。
【００９５】
また、各実施形態の光学素子は、入射光または入射光のうち所定の偏光成分に対して、所定の波面変調を発現する所定の位相差を発生させるものでもよい。例えば、所定の波面変調により補正される収差の量として１λｒｍｓ以下を得る場合に、上記各実施形態の光学素子を適用すると、より効果的である。ここで、１λｒｍｓ以上の収差量の補正も可能であるが、一般的には光学系によって収差は１λｒｍｓ以下に抑えられており、大きな波面を近似するために回折作用による迷光が生じることがあるため、１λｒｍｓ以下が好適である。
【実施例】
【００９６】
（例１）
本例は、図１に示す第１の実施形態の光学素子１０の例である。本例では、透明基材１１の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部１２の材料に、ａ−Ｓｉ：ＨとＳｉＯ２を用いる。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈが第１の材料に相当する。
【００９７】
本例で用いるａ−Ｓｉ：Ｈの波長９５０ｎｍにおける複素屈折率は、３．８２−ｉｋ（ｋ＝０．００１以下）である。また、ガラス基板、ＳｉＯ２の波長９５０ｎｍにおける屈折率は、それぞれ１．５１３、１．４５７である。また、媒質１３は空気とする。
【００９８】
まず、ガラス基板上にａ−Ｓｉ：Ｈを１３０ｎｍの厚さで成膜後、ＳｉＯ２を２２８ｎｍの厚さで成膜する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングによってａ−Ｓｉ：Ｈ膜およびＳｉＯ２膜を２段の凹凸構造へ加工し、ガラス基板上に２層構造の凹凸部１２を得る。ここで、基本ユニットのピッチＰｘ，Ｐｙは１０５６μｍ（Ｘ方向），１００３μｍ（Ｙ方向）であり、最大次数ｍｘｍａｘ，ｍｙｍａｘは６４０（Ｘ方向），４８０（Ｙ方向）である。したがって、Ｘ方向の空間的な周期Ｐｐｘ＝１．６５μｍ、Ｙ方向の空間的な周期Ｐｐｙ＝２．０９μｍである。ここから、Ｘ方向のアスペクト比ＲＡＸ＝０．４３４、Ｙ方向のアスペクト比ＲＡＹ＝０．３４３となる。なお、波長９５０ｎｍの光に出射される回折光の最大出射角は、Ｘ方向で３４．７°、Ｙ方向で２６．７°である。
【００９９】
図１３に、波長８００〜１０００ｎｍの光における本例の凸部１２１を通る光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。なお、反射率は式（３）を用いて計算した。ここで、図中の本例の凸部１２１を通る光路は、具体的に、ガラス基板、ａ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯ２および媒質１３としての空気を通る光路である。図１３に示すように９５０ｎｍの光における、本例の反射率は０．１％であり、十分に小さい。なお、９５０±１０ｎｍでは０．１％以下であり、９５０±２０ｎｍでは１．１％以下である。またこのとき、凹凸部１２と媒質１３によって生じる位相差Δｎｄ／λは０．５であり、２段の回折光学素子として好適である。
【０１００】
また、図１３に、比較例として、上記構成においてａ−Ｓｉ：Ｈのみで凹凸部を構成した場合の凸部を通る光路の垂直入射に対する反射率の計算結果も併せ示す。比較例のａ−Ｓｉ：Ｈ膜の厚さは１６７ｎｍであり、Δｎｄ／λ＝０．５である。ここで、図中の比較例の光路は、具体的に、ガラス基板、ａ−Ｓｉ：Ｈおよび空気を通る光路である。図１３に示すように９５０ｎｍの光における、比較例の反射率は６０．２％であり、本例の反射率と比べると大きく、反射による損失が大きい。
【０１０１】
（例２）
本例は、図３（ｃ）に示す第１の実施形態の光学素子１０の例である。本例では、透明基材１１の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部１２の反射防止層１５ａの材料として、ａ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯ２およびＳｉＮを用いる。また、下地層１２４および位相差層１２３の材料としてａ−Ｓｉ：Ｈを用いる。また、反射防止層１５ｂの材料として、ＳｉＮを用いる。
【０１０２】
本例で用いるａ−Ｓｉ：Ｈの波長９５０ｎｍの光における複素屈折率は３．８２−ｉｋ（ｋ＝０．００１以下）である。また、ガラス基板、ＳｉＯ２、ＳｉＮの波長９５０ｎｍにおける屈折率は、それぞれ１．５１３、１．４５７、１．９である。また、媒質１３は空気（屈折率＝１）とする。
【０１０３】
まず、ガラス基板上にａ−Ｓｉ：Ｈ、ＳｉＯ２、ＳｉＮからなる３層構造の反射防止層１５ａを成膜する。各層の膜厚はそれぞれ１３０ｎｍ、２３０ｎｍ、１２０ｎｍである。その後、下地層１２４および位相差層１２３となるａ−Ｓｉ：Ｈ膜を４００ｎｍの厚さで成膜する。成膜後、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を４段の凹凸構造へ加工する。当該凹凸構造において位相差層１２３の１段の高さは８５ｎｍである。凹凸構造に加工後、反射防止層１５ｂとしてのＳｉＮを１２５ｎｍの厚さで成膜する。これにより、透明基材１１上に５層構造の凹凸部１２を得る。ここで、基本ユニットのｘ，ｙ方向のピッチおよび最大次数は、Ｐｘ＝１０５６μｍ，Ｐｙ＝１００３μｍ，ｍｘｍａｘ＝６４０，ｍｙｍａｘ＝４８０である。したがって、ｘ，ｙ方向の空間的な周期Ｐｐｘ＝１．６５μｍ，Ｐｐｙ＝２．０９μｍである。ここから、ｘ，ｙ方向のアスペクト比ＲＡＸ＝０．３０９、ＲＡＹ＝０．２４４となる。
【０１０４】
表１に、本例の構成における凹凸部１２の各層の部材および高さをまとめて示す。
【０１０５】
【表１】
2019028083.tif 000004
【０１０６】
図１４に、波長８００〜１２００ｎｍの光における本例の各光路（より具体的には、凹凸部の各段に相当する領域）の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図１４に示すように９５０ｎｍの光における本例の最大反射率は０．９％であり、各光路の平均反射率は０．６％であり、十分に小さい。またこのとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δｎｄ／λは０．７５（４段分）であり４段の回折光学素子として好適である。
【０１０７】
（例３）
本例は、図３（ｂ）に示す第１の実施形態の光学素子１０と比較して、反射防止層１５ａを備えない例（比較例）である。なお、本例の光学素子は、透明基材１１と、位相差層１２３と、位相差層１２３と媒質１３との間に設けられる反射防止層１５ｂを含む。本例では、透明基材１１の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部１２の位相差層１２３の材料としてａ−Ｓｉ：Ｈを用いる。また、反射防止層１５ｂの材料としてＳｉＮを用いる。本例で用いるａ−Ｓｉ：Ｈの波長８５０ｎｍの光における複素屈折率は３．５−ｉｋ（ｋ＝０．００１以下）である。また、ガラス基板、ＳｉＮの波長８５０ｎｍにおける屈折率は、それぞれ１．５１４、１．８７である。なお、ＳｉＮは計算上、波長によらず屈折率が１．８７として計算している。
【０１０８】
まず、ガラス基板上にａ−Ｓｉ：Ｈを２９７．５ｎｍの厚さで成膜後、ＳｉＯ２を２２８ｎｍの厚さで成膜する。その後、フォトリソグラフィおよびエッチングによってａ−Ｓｉ：Ｈ膜を８段の凹凸構造へ加工する。当該凹凸構造において位相差層１２３の１段の高さは４２．５ｎｍである。凹凸構造に加工後、反射防止層１５ｂとしてのＳｉＮｘを１１４ｎｍの厚さで成膜する。これにより、透明基材１１上に２層構造の凹凸部１２を得る。ここで、基本ユニットのｘ，ｙ方向のピッチおよび最大次数は、Ｐｘ＝１０５６μｍ，Ｐｙ＝１００３μｍ，ｍｘｍａｘ＝６４０，ｍｙｍａｘ＝４８０である。したがって、ｘ，ｙ方向の空間的な周期Ｐｐｘ＝１．６５μｍ，Ｐｐｙ＝２．０９μｍである。ここから、ｘ，ｙ方向のアスペクト比ＲＡＸ＝０．３６１、ＲＡＹ＝０．２８５となる。
【０１０９】
図１５（ａ）は、本例の光学素子の要部断面模式図である。また、表２に、本例の構成における凹凸部１２の各層の部材および高さをまとめて示す。
【０１１０】
【表２】
2019028083.tif 000005
【０１１１】
図１６に、波長８００〜９００ｎｍの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図１６に示すように８５０ｎｍの光における本例の最大反射率は１７．０％であり、各光路の平均反射率は１７．０％である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δｎｄ／λは０．８７５（８段分）である。
【０１１２】
（例４）
本例は、例３の構成に、さらに、位相差層１２３の各段の間にＳｉＯ２からなるストップエッチ層１７を設けた例（比較例）である。図１５（ｂ）は、本例の光学素子の要部断面模式図である。本例のストップエッチ層１７の厚さは各々５ｎｍとした。他の構成は例３と同様である。表３に、本例の構成における凹凸部１２の各層の部材および高さをまとめて示す。
【０１１３】
【表３】
2019028083.tif 000006
【０１１４】
図１７に、波長８００〜９００ｎｍの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図１７に示すように８５０ｎｍの光における本例の最大反射率は１８．０％であり、各光路の平均反射率は１５．９％である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δｎｄ／λは０．８８３（８段分）である。
【０１１５】
（例５）
本例は、例４に示した構成の他の例（比較例）として、ストップエッチ層１７の厚さが２ｎｍの例を示す。表４に、本例の構成における凹凸部１２の各層の部材および高さをまとめて示す。
【０１１６】
【表４】
2019028083.tif 000007
【０１１７】
図１８に、波長８００〜９００ｎｍの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図１８に示すように８５０ｎｍの光における本例の最大反射率は１７．４％であり、各光路の平均反射率は１６．６％である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δｎｄ／λは０．８９４（８段分）である。
【０１１８】
（例６）
本例は、例４の構成に対して、さらに反射防止層１５ａを備えた例であって、ストップエッチ層１７で発生する反射を抑制する構成である。なお、本例は、図３（ｂ）に示す第１の実施形態の光学素子１０の例である。図１５（ｃ）は、本例の光学素子の要部断面模式図である。本例のストップエッチ層１７の厚さは各々５ｎｍとした。また、反射防止層１５ａの材料として、波長８５０ｎｍにおける屈折率が２．３のＴｉＯ２を用いた。他の構成は例４と同様である。
【０１１９】
表５に、本例の構成における凹凸部１２の各層の部材および高さをまとめて示す。
【０１２０】
【表５】
2019028083.tif 000008
【０１２１】
図１９に、波長８００〜９００ｎｍの光における本例の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。図１９に示すように８５０ｎｍの光における本例の最大反射率は０．５％であり、各光路の平均反射率は０．２％である。このとき、凹凸部と媒質によって生じる位相差Δｎｄ／λは０．８８３（８段分）である。
【０１２２】
（例７）
本例は、図１１（ｃ）に示す第２の実施形態の光学素子４０の例である。本例では、透明基材４１および第１の凹凸構造４４−１の材料としてガラス基板を用い、第２の凹凸構造４４−２の材料としてａ−Ｓｉ：Ｈを用いる。また、反射防止層４５ａとしてＴａ２Ｏ５、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる３層の多層膜を用いる。また、反射防止層４５ｂとしてＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる２層の多層膜を用いる。本例で用いるａ−Ｓｉ：Ｈの波長９５０ｎｍの光における複素屈折率は３．６８−ｉｋ（ｋ＝０．００１以下）である。また、ガラス基板、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５の波長９５０ｎｍにおける屈折率は、それぞれ１．５１３、１．４７、２．１５８である。また、媒質４３は空気とする。
【０１２３】
まず、ガラス基板の表面を、フォトリソグラフィおよびエッチング加工によってＸ方向の平均ピッチが３０μｍ、Ｙ方向の平均ピッチが２４μｍとなる不規則な凹型の曲面部４２１群を有する第１の凹凸構造４４−１へと加工する（図２０（ａ））。なお、Ｘ方向とＹ方向は素子面内においてそれぞれ直交する２方向である。ここで、曲面部４２１の平均曲率半径は７０μｍであり、曲面部４２１端部の平均的な傾斜はＸ方向で１２．４°、Ｙ方向で９．９°である。凹凸構造４４−１において一番高い面と一番低い面の高低差は３μｍである。なお、素子の大きさを３ｍｍ角とし、凹凸構造の加工領域は素子の全面にわたっている。また、入射光の有効領域を２ｍｍφとする。
【０１２４】
次いで、第１の凹凸構造４４−１上に、厚さ１１２ｎｍのＴａ２Ｏ５、厚さ１７１ｎｍのＳｉＯ２および厚さ２２４ｎｍのＴａ２Ｏ５からなる３層の反射防止層４５ａをスパッタリングによって製膜する（図２０（ｂ））。その後、プラズマＣＶＤにより、反射防止層４５ａ上に、第２の凹凸構造４４−２となるａ−Ｓｉ：Ｈを、第１の凹凸構造４４−１の曲面部４２１を覆うことができる厚さ３μｍ以上で成膜する（図２０（ｃ））。その後、ａ−Ｓｉ：Ｈ膜の表面を研磨して平坦化し、第２の凹凸構造４４−２を得る。さらに、第２の凹凸構造４４−２の平坦な面に厚さ５５ｎｍのＳｉＯ２および厚さ５５ｎｍのＴａ２Ｏからなる２層の反射防止膜４５ｂを製膜し、本例の光学素子４０を得る（図２０（ｄ））。
【０１２５】
図２１は、本例の凹凸構造４４−２の入射側および出射側の界面それぞれでの垂直入射する、波長８００〜１０００ｎｍの光に対する反射率の計算結果である。なお、凹凸構造４４−２の入射側界面の反射率は、具体的に、透明基材４１（第１の凹凸構造４４−１）側から反射防止層４５ａを介して第２の凹凸構造４４−２へ、光が垂直に入射した場合の反射率である。また、凹凸構造４４−２の出射側界面の反射率は、具体的に、第２の凹凸構造４４−２から反射防止層４５ｂを介して空気（媒質４３）へ、光が垂直に入射した場合の反射率である。図２１に示すように、本例の凹凸構造４４−２の入射側および出射側の界面での反射率は、それぞれ９５０ｎｍ±５０ｎｍの波長帯において、１％以下であり、９５０ｎｍ±２０ｎｍの波長帯で０．５％以下となっている。
【０１２６】
本例の光学素子４０に対して、波長９５０ｎｍの光を、加工前のガラス基板の主面に垂直に入射した場合、第１の凹凸構造４４−１と第２の凹凸構造４４−２と、の貼り合わせ後の凹凸部４２の各曲面部４２１の端部において屈折される光の平均的な出射角はＸ方向で２８°、Ｙ方向で２２°、対角方向で３９°となる。したがって、最大出射角は３９°である。比較として、このような出射角を屈折率１．５１のガラス基板の表面加工により得られる凹凸構造のみで実現すると、曲面部４２１端部の傾斜角としてＸ方向で５２．５°、Ｙ方向で４２°必要になる。したがって、ａ−Ｓｉ：Ｈにより形成される第２の凹凸構造４４−２を設けることで、傾斜角が低減し、凹凸部４２の曲面部４２１が、加工が容易な形状となる。ここで、上記の各曲面部４２１端部の平均的な出射角を、本例の光学素子４０の最大出射角とみなしてもよい。
【０１２７】
（例８）
本例は、第２の実施形態の光学素子４０の他の例である。図２２は、本例の光学素子４０の要部断面模式図であり、凸型の曲面部４２１を含む凹凸部４２を備える。本例では、透明基材４１の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸構造４４の材料としてａ−Ｓｉ：Ｈを用いる。また、反射防止層４５ａとしてＴａ２Ｏ５、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる３層の多層膜、反射防止層４５ｂとしてＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる２層の多層膜を用いる。本例で用いるａ−Ｓｉ：Ｈの波長９５０ｎｍの光における複素屈折率は３．６８−ｉｋ（ｋ＝０．００１以下）である。また、ガラス基板、ＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５の波長９５０ｎｍにおける屈折率は、例７と同じである。
【０１２８】
まず、ガラス基板上に、厚さ１１２ｎｍのＴａ２Ｏ５、厚さ１７１ｎｍのＳｉＯ２および厚さ２２４ｎｍのＴａ２Ｏ５からなる３層の反射防止層４５ａをスパッタリングによって製膜する。なお、反射防止層４５ａは、後に凹凸構造４４（より具体的には、凸型の曲面部４２１）が形成される位置に少なくとも設けられていればよい。その後、プラズマＣＶＤにより、反射防止層４５ａが設けられたガラス基板上に、凹凸構造４４となるａ−Ｓｉ：Ｈを厚さ４．５μｍで成膜する。その後、フォトリソグラフィとエッチングによって、該ａ−Ｓｉ：Ｈ膜を、外形φ１２０μｍ、曲率半径４００μｍ、ピッチ２４０μｍのレンズアレイに加工し、反射防止層４５ａに積層される凸型の曲面部４２１を有する凹凸構造４４を得る。その後、凹凸構造４４が設けられたガラス基板上に、厚さ５５ｎｍのＳｉＯ２および厚さ５５ｎｍのＴａ２Ｏ５からなる２層の反射防止膜４５ｂを製膜し、本例の光学素子４０を得る。
【０１２９】
本例の光学素子４０に対して、波長９５０ｎｍの光をガラス基板の主面に垂直に入射した場合、レンズアレイをなす各曲面部４２１の端部において屈折される光の出射角は２３．７°となる。なお、各曲面部４２１の中心厚みは、４．５μｍである。比較として、このような出射角を屈折率１．５１のガラス基板の表面加工により得られる凹凸構造のみで実現しようとすると、曲面部４２１端部の傾斜角として４１．４°必要になり、かつ曲面部４２１の中心厚みが２３μｍ必要となる。したがって、レンズアレイの材料にａ−Ｓｉ：Ｈを用いることで、凹凸部４２の曲面部４２１（レンズアレイをなす各レンズ）は、加工が容易な形状となる。
【０１３０】
（例９）
本例は、図４に示す第１の実施形態の光学素子１０の例であり、透明基材１１の部材としてガラス基板を用いる。また、凹凸部１２の材料に、ａ−Ｓｉ：ＨとＳｉＯ２を用いる。ここで、ａ−Ｓｉ：Ｈが第１の材料に相当する。また、本例の媒質１３となる充填部１６の材料に、ＳｉＯ２を用いる。
【０１３１】
本例で用いるａ−Ｓｉ：Ｈの波長９５０ｎｍにおける複素屈折率は、３．８２−ｉｋ（ｋ＝０．００１以下）である。また、ガラス基板、ＳｉＯ２の波長９５０ｎｍにおける屈折率は、それぞれ１．５１３、１．４７である。なお、ＳｉＯ２の屈折率が他の例と異なるが、成膜条件等による違いである。
【０１３２】
まず、ガラス基板上に、最終的に位相差層１２３となる、厚さ１０７ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈ、厚さ２３９ｎｍのＳｉＯ２および厚さ１０７ｎｍのａ−Ｓｉ：Ｈからなる３層の多層膜を成膜する（図２３（ａ））。その後、該多層膜を、フォトリソグラフィとエッチングによって矩形の凸部１２１が所定のピッチで並ぶ凹凸形状に加工し、ガラス基板上に３層構造の位相差層１２３を含む２段の凹凸部１２を得る（図２３（ｂ））。その後、該凹凸部１２が形成されたガラス基板上に、充填部１６となるＳｉＯ２を、該凹凸部１２の凹部１２２を覆うことができる厚さ４５３ｎｍ以上で成膜する（図２３（ｃ））。その後、ＳｉＯ２膜の表面を研磨して平坦化し、充填部１６を有する本例の光学素子１０を得る。
【０１３３】
図２４は、本例の凸部１２１を通る光路の垂直入射する、波長８００〜１０００ｎｍの光に対する反射率の計算結果である。該反射率は、具体的には、透明基材１１、３層構造の凸部１２１、充填部１６によって生じる反射率として計算した。図２４に示すように、９５０ｎｍ±１０ｎｍの波長帯の反射率は、１％以下となっている。また、３層構造の凸部１２１と、充填部材による凹部１２２とによって生じる位相差は波長９５０ｎｍに対して半波長になっており、本例の光学素子１０はバイナリ格子として好適である。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
入射光に対して異なる出射角で回折、拡散、屈折させる作用等の所定の位相差を発生させる凹凸構造を有する光学素子や装置であれば、好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１３５】
１０、４０  光学素子
１１、４１  透明基材
１１−１、４１−１  第１の透明基材
１１−２、４１−２  第２の透明基材
１２、４２  凹凸部
１２１  凸部
１２２  凹部
１２３  位相差層
１２４  下地層
１３、４３  媒質
１４ａ、１４ｂ  屈折率調整層
１４ｃ  中間層
１５ａ、１５ｂ  反射防止層
１６、４６  充填部
１７  ストップエッチ層
２１  光束
２２  回折光群
２３  光スポット
３１  基本ユニット
４２１  曲面部
４４  凹凸構造
４４−１  第１の凹凸構造
４４−２  第２の凹凸構造
４５ａ、４５ｂ、４５ｃ  反射防止層
【図１】
2019028083.tif 000009
【図２】
2019028083.tif 000010
【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】
2019028083.tif 000023
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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