(57)【要約】【課題】広範な波長範囲の赤外線を効率よく集光させることが可能な赤外線回折レンズを提供する。【解決手段】本発明によれば，入射赤外線の波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められた所定の深さの凹凸形状を有する赤外線回折レンズ１００であって，上記入射赤外線は，１．１〜１６μｍの波長帯域であり，上記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと上記基準波長λとハーモニクス次数ｍとに対して，式１で定義され，上記ハーモニクス次数ｍは，２以上１０以下の整数であることを特徴とする，赤外線回折レンズが提供される。かかる構成の赤外線回折レンズを用いることで，広範な波長領域の赤外線を，効率良く集光させることが可能となる。2007155882.tif 000013【選択図】図１Ａ
2007155882.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射赤外線の波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められた所定の深さの凹凸形状を有する赤外線回折レンズであって：
前記入射赤外線は，１．１〜１６μｍの波長帯域であり，
前記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと前記基準波長λとハーモニクス次数ｍとに対して，式１で定義され，
【数１】
2007155882.tif 000011
前記ハーモニクス次数ｍは，２以上１０以下の整数であることを特徴とする，赤外線回折レンズ。
【請求項２】
前記凹凸形状は，エッチングによって形成されることを特徴とする，請求項１に記載の赤外線回折レンズ。
【請求項３】
前記凹凸形状は，エッチングもしくは切削加工によって作製した母型を基に，転写成形により形成されることを特徴とする，請求項１に記載の赤外線回折レンズ。
【請求項４】
前記入射赤外線は，６〜１０μｍの波長帯域であることを特徴とする，請求項１〜３のいずれかに記載の赤外線回折レンズ。
【請求項５】
前記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，鋸歯形状を有することを特徴とする，請求項１〜４のいずれかに記載の赤外線回折レンズ。
【請求項６】
前記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，Ｎ段（Ｎは３以上の整数）の階段形状を有し，
前記凹凸形状の深さｈを，式２で定義される深さｈ’で近似させることを特徴とする，請求項１〜５のいずれかに記載の赤外線回折レンズ。
【数２】
2007155882.tif 000012
【請求項７】
前記レンズの材質は，屈折率が２以上のものを用いることを特徴とする，請求項１〜６のいずれかに記載の赤外線回折レンズ。
【請求項８】
前記レンズの材質は，Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，およびＧａＰからなる群より選択されるいずれかであることを特徴とする，請求項１〜７のいずれかに記載の赤外線回折レンズ。
【請求項９】
前記赤外線回折レンズの表面または裏面の少なくともいずれか一方に，無反射コーティングが施されることを特徴とする，請求項１〜８のいずれかに記載の赤外線回折レンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，赤外線回折レンズに関し，特に，広範な波長帯域の赤外線が入射した場合に焦点距離の変動を低減させることが可能な赤外線回折レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
離れた物体から発せられる赤外線を受光して物体面の温度を非接触で測定したり，生体から発せられる赤外線を受光して不審者を検知したりといった応用分野で，赤外線センサーの需要が増大している。
【０００３】
図１０は，従来の赤外線センサーを概略的に説明した概略図である。図１０に示したように，従来の赤外線センサー１０は，赤外線２０を集光するためのドームレンズ１２と，赤外線２０を受光するセンサー部から成り立っている。
【０００４】
センサー部は，カンパッケージ１４と，カンパッケージ内に設けられる赤外線受光器１６とを含む。カンパッケージ１４は，外乱等の影響に対する赤外線受光器１６の信頼性を担保するために設けられたもので，赤外線受光器１６は，このカンパッケージ１４内に気密封止されている。このカンパッケージ１４の一面には，カンパッケージ１４を気密封止するとともに，集光される赤外線２０を透過させるための気密封止窓１８が設けられている。
【０００５】
上記のようなセンサー部の外側に，発熱物体から発せられる赤外線２０を，上記赤外線受光器１６の面上に集光するためのレンズ１２が設けられている。
【０００６】
このようなレンズ１２は，広い入射角度を保証するために，図１０に示したようにドーム状に湾曲し，かつ，入射赤外線２０を赤外線受光器１６へ集光できるような，複数のレンズを組み合わせたものとなっている。
【０００７】
一方で，このようなレンズをカンパッケージ１４の外部に設けるために，赤外線センサー１０自体が大きくなってしまうという問題点があった。さらに，低価格を目的として，レンズ１２をポリエチレン樹脂を材料として射出成形によって作製することが広く行われているが，ポリエチレンの赤外線に対する透過率が４０〜５０％程度しかなく，赤外線センサー１０の感度アップのために，より損失の少ない赤外線レンズが望まれていた。
【０００８】
上記のような課題を解決するために，シリコン等の基板をエッチングにより作製する赤外線用の回折レンズが提案されている（例えば，特許文献１参照。）。このようなレンズは，レンズ部分が波長と同程度と，極めて薄いものとなっているため，レンズの材料に起因する吸収損失を，極めて低レベルに抑えることができ，一般的な樹脂製のレンズに比べて，メリットが大きい。
【０００９】
また，上記のような回折型のレンズは，基板上に複数のレンズを同時に一括して作製することが可能であるため，複数の入射方向に対応するレンズを設けたシリコン等の基板自体を，図１０におけるカンパッケージ１４に設けられた気密封止窓１８と兼用する提案も，行われている（例えば，特許文献２参照。）。
【００１０】
【特許文献１】特許第２７１３５５０号公報
【特許文献２】特許第３１０６７９６号公報
【非特許文献１】Ｄ．Ｗ．Ｓｗｅｅｎｅｙ  ａｎｄ  Ｇ．Ｅ．Ｓｏｍｍａｒｇｒｅｎ，”Ｈａｒｍｏｎｉｃ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ  ｌｅｎｓｅｓ”，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．，３４，ｐｐ．２４６９−２４７５  （１９９５）．
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
しかしながら，上記のような回折レンズは，ポリエチレンに代表される樹脂を使った赤外線用レンズに比べて種々の特徴を有するが，その一方で，レンズの焦点距離が波長によって異なる，収差という問題があった。
【００１２】
図１１は，回折レンズの設計波長と，焦点との関係を概略的に説明した概略図である。図１１を用いて，上記の問題点を概略的に説明する。
【００１３】
上記のような回折レンズは，周期分布を，あらかじめ設計波長を決めたのちに，設計される。そのため，このような回折レンズは，設計波長と異なる波長の赤外線で使用された場合，回折レンズの焦点の位置は，設計上の位置と異なってしまう。これは，例えば波長λで設計された焦点距離ｆのレンズは，設計波長と異なるλ’の波長に対しては，焦点距離ｆ’が以下の式５で定義されるレンズとして振る舞うからである。
【００１４】
【数１】
2007155882.tif 000003
【００１５】
すなわち，図１１（ａ）に示したように，回折レンズ３０に設計波長の赤外線５０ａが入射すると，光軸６０上の焦点ｆの位置に置かれた受光器４０で，赤外線５０ａは焦点を結ぶが，図１１（ｂ）に示したように，設計波長よりも短い波長の赤外線５０ｂが入射すると，焦点ｆの位置が設計波長での焦点よりも遠方になるため，赤外線５０ｂは受光器４０よりも遠い光軸６０上の位置で焦点を結ぶこととなり，受光器４０における赤外線の受光効率が低下してしまう。また，設計波長よりも長い波長の赤外線５０ｃが入射すると，焦点ｆの位置が設計波長での焦点よりも近くなるため，赤外線５０ｃは受光器４０の手前で焦点を結ぶこととなり，この場合も受光器４０における受光効率が低下することとなる。
【００１６】
上記のような問題点は，防犯のために外部からの侵入者を検知したり，部屋に入ってきた人間を感知して照明のスイッチをオンにしたり，といった用途で用いられる赤外線センサーでは，大きな問題となる。なぜなら，一般に人間の体温に応じて放射される赤外線は，６〜１０μｍの波長に分布しており，センサーの感度を向上させるためには，このような広範な波長範囲の赤外線を漏れなく受光することが要求されるからである。
【００１７】
したがって，回折レンズの特徴はそのままに，広範な波長帯域内における任意の赤外線が入射しても焦点の位置が変わることを抑制することが可能な，赤外線に対して使用される回折レンズが希求されていた。
【００１８】
そこで，本発明は，このような問題に鑑みてなされたもので，その目的は，回折レンズの特徴はそのままに，広範な波長範囲の赤外線において，焦点距離の変動を低減させることが可能な，新規かつ改良された赤外線回折レンズを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
上記の課題を解決するために，本願発明者は鋭意研究を行った結果，レンズの焦点距離の波長依存性を緩和することが可能な赤外線回折レンズに想到した。
【００２０】
すなわち，上記課題を解決するために，本発明のある観点によれば，入射赤外線の波長帯域内における所定の基準波長に基づき定められた所定の深さの凹凸形状を有する赤外線回折レンズであって，上記入射赤外線は，１．１〜１６μｍの波長帯域であり，上記凹凸形状の深さｈは，レンズの材質の屈折率ｎと上記基準波長λとハーモニクス次数ｍとに対して，以下の式１で定義され，上記ハーモニクス次数ｍは，２以上１０以下の整数である赤外線回折レンズが提供される。
【００２１】
【数２】
2007155882.tif 000004
【００２２】
かかる構成による赤外線回折レンズは，上記の広範な波長帯域に属する複数の異なる波長を有する赤外線が，同一の焦点で集光される。その結果，広範な波長帯域の赤外線において，焦点距離の変動を低減させることが可能となり，上記波長帯域全体にわたって，効率よく集光させることが可能となる。
【００２３】
上記の凹凸形状は，エッチングによって形成されることも可能である。かかる方法で上記の凹凸形状が形成されることで，本発明に係る赤外線回折レンズを，容易かつ安価に作製することが可能となる。
【００２４】
上記の凹凸形状は，エッチングもしくは切削加工によって作製した母型を基に，転写成形により形成されてもよい。かかる方法で作製されることで，本発明に係る赤外線回折レンズを，容易に，かつ安価に大量生産することが可能となる。
【００２５】
上記の入射赤外線は，６〜１０μｍの波長帯域であってもよい。かかる波長帯域は，生物が発する赤外線の波長帯域であるため，生物が発する赤外線を，効率よく集光させることが可能となる。
【００２６】
上記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，鋸歯形状を有するようにしてもよい。また，上記凹凸形状の少なくとも一部分は，光軸を含む平面で切断した断面が，Ｎ段（Ｎは３以上の整数。）の階段形状を有し，上記凹凸形状の深さｈを，以下の式２で定義される深さｈ’で近似させてもよい。上記凹凸形状の断面をかかる形状にすることにより，本発明に係る赤外線回折レンズのレンズの厚さを，薄くすることが可能となる。
【００２７】
【数３】
2007155882.tif 000005
【００２８】
上記レンズの材質は，屈折率が２以上のものを用いることも可能である。かかる材質を使用することにより，上記の凹凸形状の深さｈを小さくすることが可能となる。
【００２９】
上記レンズの材質は，Ｓｉ，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，およびＧａＰからなる群より選択されるいずれかであってもよい。かかる材質は，それぞれ赤外線を透過させる波長帯域が異なっているため，本発明に係る赤外線回折レンズが集光させる赤外線の波長帯域を，選択することが可能となる。
【００３０】
本発明に係る赤外線回折レンズの表面または裏面の少なくともいずれか一方に，無反射コーティングが施されてもよい。かかる無反射コーティングを施すことにより，入射した赤外線が本発明に係る赤外線回折レンズで反射されて，透過する赤外線の割合が減少するのを防ぐことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば，広範な波長範囲の赤外線を効率よく集光させることが可能な，赤外線回折レンズを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下に添付図面を参照しながら，本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお，本明細書及び図面において，実質的に同一の機能構成を有する構成要素については，同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
【００３３】
図１Ａは，本発明の第１の実施形態に係る赤外線回折レンズ１００を，光軸１７０を含む平面で切断した断面図である。なお，以下の説明にあたっては，図１Ａ中に記載した座標軸を用いることとする。
【００３４】
本実施形態に係る赤外線回折レンズ１００は，屈折率が２以上である材質から形成されている。赤外線回折レンズ１００を形成する材質の例としては，例えば，シリコン（Ｓｉ，屈折率３．４３），ゲルマニウム（Ｇｅ，屈折率４．０１），ガリウム−ヒ素（ＧａＡｓ，屈折率３．４２），インジウム−リン（ＩｎＰ，屈折率３．３７），ガリウム−リン（ＧａＰ，屈折率３．３５）を使用することが可能である。ただし，本発明に係る赤外線回折レンズの材質は，上記のものに限定されるわけではなく，屈折率が２以上の材質であれば，任意のものを使用することが可能である。
【００３５】
赤外線回折レンズ１００は，その材質を変更することにより，透過する赤外線の波長帯域を選択することができる。例えば，材質としてＳｉを用いた場合には，１．１〜１６μｍ程度の波長を有する赤外線を選択的に透過させることが可能である。また，Ｇｅを用いた場合には１．８〜２３μｍ程度の，ＧａＡｓを用いた場合には１．０〜１８μｍ程度の，ＩｎＰを用いた場合には１．０〜１４μｍ程度の，ＧａＰを用いた場合には０．５３〜１６μｍ程度の波長を有する赤外線を，選択的に透過させることが可能である。
【００３６】
図１Ａに示したように，赤外線回折レンズ１００は，例えば，表面に平面部１１０が形成され，裏面に凹凸部１３０が形成されている。赤外線は，赤外線回折レンズ１００に，表面からＹ軸正方向に向かって入射する。ここで，赤外線回折レンズ１００の表面とは赤外線が入射する面を意味し，赤外線回折レンズ１００の裏面とは赤外線が出射する面を意味する。
【００３７】
赤外線回折レンズ１００は，例えば光軸１７０に対して対称な形状をしている。赤外線回折レンズ１００の凹凸部１３０は，例えば，半円形状部１３０ａと，鋸歯形状部１３０ｂとからなる。半円形状部１３０ａは所定の径を有し，その中心は，例えば光軸１７０上に存在する。また，半円形状部１３０ａの外周に，鋸歯形状部１３０ｂが形成されている。それぞれの鋸歯形状部１３０ｂは，図１Ａに示したように，光軸１７０に近い側の側面が，垂直に形成されている。また，光軸１７０から遠い側の側面は，図１Ａに示したような，なだらかな湾曲面となっている。また，Ｙ軸上から見た赤外線回折レンズ１００の全体形状は，例えば円形状であり，半円形状部１３０ａと鋸歯形状部１３０ｂとが，同心円状に配置されている。
【００３８】
上記の垂直な側面の高さｈは，用いたレンズ材質の屈折率ｎ，設定した基準波長λ，および，ハーモニクス次数ｍとを用いて，以下の式１で定義される値である。ここで，上記のハーモニクス次数ｍは，２以上１０以下の整数である。
【００３９】
【数４】
2007155882.tif 000006
【００４０】
また，それぞれの鋸歯形状部１３０ｂの横幅，すなわち，Ｘ軸方向の横幅は，例えば，光軸１７０から離れるに従って小さくなるように設けられる。
【００４１】
図１Ｂは，本発明の第２の実施形態に係る赤外線回折レンズ２００を，光軸１７０を含む平面で切断した断面図である。なお，以下の説明にあたっては，図１Ｂ中に記載した座標軸を用いることとする。
【００４２】
赤外線回折レンズ２００は，本発明の第１の実施形態に係る赤外線回折レンズ１００の凹凸部１３０と同様の構造を，階段形状で近似的に形成したものであり，赤外線回折レンズ１００と同様の材質を用いて作製することが可能である。図１Ｂに示したように，赤外線回折レンズ２００は，例えば，表面に平面部１１０が形成され，裏面に凹凸部１３０が形成されている。赤外線は，赤外線回折レンズ２００に，表面からＹ軸正方向に向かって入射する。ここで，赤外線回折レンズ２００の表面とは赤外線が入射する面を意味し，赤外線回折レンズ２００の裏面とは赤外線が出射する面を意味する。
【００４３】
赤外線回折レンズ２００は，例えば光軸１７０に対して対称な形状をしている。赤外線回折レンズ２００の凹凸部１３０は，例えば，回転対称な階段形状部１３０ｃと，階段形状部１３０ｄとからなる。回転対称な階段形状部１３０ｃは所定の径を有し，その中心は，例えば光軸１７０上に存在する。また，回転対称な階段形状部１３０ｃの外周に，階段形状部１３０ｄが形成されている。それぞれの階段形状部１３０ｃ，１３０ｄは，少なくとも３段以上の階段形状となっていることが好ましい。図１Ｂでは，それぞれの階段形状部１３０ｃ，１３０ｄは，３段の階段形状となっているが，本発明に係る赤外線回折レンズの階段の段数は上記の例に限定されるわけではなく，例えば４段以上であってもよい。また，Ｙ軸上から見た赤外線回折レンズ２００の全体形状は，例えば円形状であり，回転対称な階段形状部１３０ｃと階段形状部１３０ｄとが，同心円状に配置されている。
【００４４】
また，それぞれの階段形状部１３０ｃ，１３０ｄの高さ，すなわち，階段形状の一番下から一番上の階段までの高さ（図１Ｂにおけるｈ’）の値は，第１の実施形態で用いた式１によって定まる高さｈを，以下の式２で定義される値で近似したものである。なお，式２のＮ（Ｎは３以上の整数。）は，階段形状の段数を表し，図１ＢはＮ＝３の場合に該当する。
【００４５】
【数５】
2007155882.tif 000007
【００４６】
また，それぞれの階段形状部１３０ｄの横幅，すなわち，Ｘ軸方向の横幅は，例えば，光軸１７０から離れるにしたがって小さくなるように形成される。
【００４７】
続いて，本発明の特徴の一つである，凹凸部１３０の深さｈの定義方法と，その効果について，図２を用いて説明する。図２は，凹凸部の深さとその効果について，概略的に説明するための概略図である。
【００４８】
図２（ａ）は，入射光を曲げる機能を有する一般的なプリズム３００の側面図である。プリズム３００は，Ｙ軸負領域から入射した光を，その波長λに応じて方向を変化させて出射させる役割を果たす。
【００４９】
特許文献１および特許文献２で開示されている回折レンズ３２０は，図２（ａ）に示したプリズム３００と同様な機能を実現するために，図２（ｂ）に示したように，プリズムの構造を，所定の深さｈ２で折り返した周期構造を有している。ｈ２は，用いたレンズの材質の屈折率ｎと，レンズの設計波長λに対して，以下の式３で定義される値である。
【００５０】
【数６】
2007155882.tif 000008
【００５１】
上記の周期構造は，上記の式３から明らかなように，単位周期構造において，溝の一番深い部分と溝の頭頂部とを，すなわち，図２（ｂ）のｈ２の下端部と上端部とを通過する入射光同士の位相差が，ちょうど１波長（λ）であることを示している。つまり，この周期構造は，プリズムの断面構造を，設計波長１波長を単位として，折り返した構造である。このような周期構造を有する回折型光学素子では，入射光は１次の回折光に入射光が１００％回折されて伝搬し，その伝搬方向は，図２（ａ）に示すプリズム３００によって曲げられた出射光の伝搬方向と一致する。しかしながら，設計波長λと異なる波長の光は，図２（ａ）に示すプリズム３００による出射光の伝搬方向とは異なる方向に伝搬される。
【００５２】
一方，図２（ｃ）に示したように，プリズムの構造を設計波長λのｍ倍（ｍは整数）を単位として折り返した周期構造をもつ光学素子も存在し，ｍ次のハーモニック回折光学素子と呼ばれている（例えば，非特許文献１参照。）。すなわち，図２（ｃ）のｈ１の値は，以下の式１に示した値となっている。このｍ次のハーモニック回折光学素子３４０においては，入射光はｍ次の回折次数に１００％回折され，この回折方向は，図２（ａ）のプリズム３００による回折方向に一致する。
【００５３】
【数７】
2007155882.tif 000009
【００５４】
さらに，上述したように，回折光学素子において，周期構造の折り返し深さは，単位周期構造での入射光λに対する位相差に相当しているため，ｍ次のハーモニック回折光学素子では，ｈ１が入射光λとは異なる波長λ’のｋ倍の位相差となっている場合が存在しうる。ここで，ｋはｍ以外の整数である。言い換えると，以下の式４の関係を満たすｋとλ’の組み合わせが，複数存在しうる。
【００５５】
【数８】
2007155882.tif 000010
【００５６】
上記の式４から明らかなように，ｍ次のハーモニック回折光学素子３４０では，設計波長λ以外に，設計波長λと全く同じ方向に入射光が回折する別の波長λ’に対する回折次数ｋが，複数存在することが可能である。このｍ次のハーモニック回折光学素子を用いることで，広範な波長帯域の光が回折型レンズに入射した場合に，レンズの焦点距離が異なってしまうという問題点を解決することが可能となる。
【００５７】
上記の非特許文献１では，ｍを２０前後に設定することで，本発明で着目している赤外線よりも短い波長帯域である，波長４００〜６８０ｎｍに渡る可視光領域で，同一の焦点距離を実現した例が報告されている。
【００５８】
本実施形態に係る赤外線回折レンズでは，上記のｍ次のハーモニック回折光学素子を，広範な赤外線の波長帯域に適用したものである。つまり，上記の周期構造が，本実施形態に係る鋸歯形状部分１３０ｂまたは階段形状部分１３０ｃ，１３０ｄに相当する。本実施形態で着目している波長帯域は，例えば，１．１〜１６μｍという波長帯域であり，本実施形態に係る赤外線回折レンズは，上記の非特許文献１で着目している波長帯域の約５０倍という非常に広範な波長帯域の光を，効率良く集光させることが可能である。
【００５９】
上述したように，ハーモニクス次数ｍを大きくすることで，広範な波長帯域の光を入射させた場合に，レンズの焦点距離が変わってしまう問題を解決することはできるが，このような高次のハーモニック回折光学素子を，安価に量産することは，実際には極めて難しい。回折型レンズを，安価に大量生産する手段としては，特許文献１，特許文献２に開示されているような，フォトリソグラフィーとエッチング技術によるものが一般的である。しかしながら，これらの技術では，周期構造の深さは，エッチング時間により制御されるため，出来る限り精密に加工を行ったとしても，一般には約５％程度の深さのばらつきが生じてしまう。
【００６０】
以下に，図３を参照しながら，エッチングを用いて回折型レンズを作製した場合の，回折効率と，ハーモニクス次数ｍとの関係について説明する。図３は，回折効率とハーモニクス次数ｍとの関係を示したグラフ図である。図３は，凹凸形状の深さが設計値ｈの９５％の深さであったハーモニック回折型レンズの回折効率が，ハーモニクス次数ｍを増加させた場合に，どのような変化を示すかを計算した結果である。
【００６１】
図３から明らかなように，ハーモニクス次数ｍが増加して，凹凸形状の深さが増加するに従い，設計値よりも深さが５％浅くなるだけでも，レンズの回折効率が急激に低下することがわかる。このような実際にレンズを作製する際の困難性のために，非特許文献１では，ｍ＝２０であるハーモニック回折型レンズを，凹凸形状の深さを正確にコントロールすることが可能な機械切削技術を用いて，試作している。しかしながら，機械切削技術では，レンズを一つ一つ別個に製造する必要があるために，この方法を用いた場合には，量産性に問題が残ってしまう。
【００６２】
さらに，本願発明に係る赤外線回折レンズは，着目している波長帯域が赤外線の帯域であるため，波長の単位がμｍのオーダーであり，ハーモニクス次数がｍ＝２０前後のレンズは，凹凸形状の深さがより大きくなるため，その制御が，より困難なものとなる。
【００６３】
以下では，図４を参照しながら，同じ方向に回折する波長と回折次数との関係について説明する。図４は，設計波長を８μｍ，ハーモニクス次数ｍを３とした場合の赤外線回折レンズにおける，同じ方向に回折する波長と回折次数との関係を示したグラフ図である。
【００６４】
図４より，設計波長を８μｍ，ハーモニクス次数ｍを３とした場合には，設計波長とこの設計波長に対応する回折次数以外に，２４μｍ，１２μｍ，６μｍ，４．８μｍ，４μｍの波長の赤外線が，各々回折次数ｋが１，２，４，５，６で，同じ方向に１００％回折されることがわかる。この結果より，本願発明者は，通常のｍ＝１の構造を持つ赤外線用回折レンズ（例えば，特許文献１および２に記載のレンズ）で問題となるレンズの焦点距離の波長依存性が，ハーモニック構造を有する回折レンズを用いることで，複数の波長において同一の回折方向に入射光が１００％回折させることができることを見いだした。
【００６５】
また，図３を参照すると，現在一般に使われている樹脂製レンズの回折効率とほぼ同等な４０％の回折効率にまで９５％の作製誤差を有する回折型レンズの回折効率が低下するのは，ｍ＝１０程度の場合であることに着目した。この結果より，ハーモニック次数ｍが１０程度でも，従来の赤外線回折レンズに比べて優れた回折効率を示すことに，本願発明者は想到した。
【００６６】
上記で説明したように，本願発明者は，赤外線波長帯域においては，ハーモニクス次数ｍが１０程度の比較的小さな値のハーモニック回折光学素子を用いることで，レンズの焦点距離の波長依存性を緩和でき，かつ，従来のレンズよりも格段に優れた回折効率を示すことを明らかにした。
【００６７】
また，ウェハースケールの安価な量産技術を適用し，以下に示す製造工程を経ることで，ハーモニック回折光学素子の問題点であった量産性の低さを解決し，量産性を高めることが可能であることを明らかにした。
【００６８】
以下に，本発明の各実施形態に係る赤外線回折レンズの製造方法について，説明する。
【００６９】
まず，所定の凹凸形状を作製するためのマスクを作製する。次いで，フォトリソグラフィーを用いて，母型を作製する。さらに，この母型を用いて，エッチングによりレンズを形成する所定の材質の基板に，凹凸形状を転写する。このようにして作製された赤外線回折レンズの表面か裏面のすくなくとも一方に，無反射コーティングを施す。このような製造方法を用いることで，本発明の各実施形態に係る赤外線回折レンズを作製することが可能となる。
【００７０】
また，所定の基板上に，上記の方法で複数の赤外線回折レンズを同時に作製し，上記の工程が終了した後に，基板のダイシングを行い個々の赤外線回折レンズに切り分けることで，複数の赤外線回折レンズを，ウェハースケールで安価かつ大量に生産することが可能となる。
【００７１】
上記のエッチングは，任意のエッチング手法を用いることが可能であるが，反応性イオンエッチング（Ｒｅａｃｔｉｖｅ  Ｉｏｎ  Ｅｔｃｈｉｎｇ：ＲＩＥ）を用いることが好ましい。
【００７２】
また，上記の製造方法では，エッチングを用いて母型を作製し，これをエッチングにより転写する方法を示したが，母型を作製せずに，エッチングで本実施形態に係る赤外線回折レンズを作製することも可能である。また，エッチングではなく切削加工によって母型を作製することも可能である。
【００７３】
以下，本発明の具体的な実施例を順次説明するが，以下の各実施例は，あくまでも本発明の実施形態を具体的に説明するためのものであり，本発明が以下の各実施例によって限定されるわけではないことは言うまでもない。
【００７４】
（シミュレーションにおけるパラメータ設定）
図５は，シミュレーションに用いた光学系の概略図である。赤外線回折レンズ１００は，Ｓｉから形成され，図１Ａに示した鋸歯形状の凹凸部を有するとした。赤外線回折レンズの直径ｄは５ｍｍとし，赤外線回折レンズ１００の光軸６００上に，赤外線受光器４００があると仮定した。赤外線回折レンズ１００と赤外線受光器４００との間の間隔ｌは５ｍｍ，赤外線受光器４００の有効開口は，直径５００μｍとした。
【００７５】
また，各実施例および比較例において，入射赤外線５００の波長帯域を，６〜１０μｍと仮定した。この波長帯域は，生物が多く放出する赤外線の波長帯域である。従って，かかる波長帯域の赤外線に対する赤外線回折レンズの性能は，生物体センサーに本実施形態に係る赤外線回折レンズを用いた場合に，重要となる。また，赤外線回折レンズの設計波長は，８μｍとした。この８μｍという波長は，生物が最も多く放出する赤外線の代表的な波長である。
【００７６】
以下に示す比較例および実施例では，上記のパラメータは固定したままで，赤外線回折レンズのハーモニクス次数ｍを変化させることで，本実施形態に係る赤外線回折レンズと，従来の赤外線回折レンズの比較を行った。なお，ハーモニクス次数ｍを変化させているために，赤外線回折レンズの凹凸形状の深さｈも，各実施例および比較例で異なった値となることは，言うまでもない。
【００７７】
上記のようなパラメータ設定をした上で，一般的に入手可能な光学ＣＡＤプログラムを用いて，赤外線の集光の度合いと位相分布とをシミュレーションした。
【００７８】
（比較例）
従来の赤外線回折レンズに相当する，ｍ＝１の赤外線回折レンズを用いた場合のシミュレーション結果を，図６Ａおよび図６Ｂに示す。設計波長は，８μｍである。図６Ａは赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。図６Ｂは，赤外線回折レンズを透過した赤外線が，上記の有効開口を有する赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【００７９】
図６Ａを参照すると，設計波長である８μｍと同じ方向に回折される波長は，６〜１０μｍの波長帯域では存在しないことがわかる。これは，上記の式４において，左辺のｍλの値が８であるのに対し，ｋが２以上の整数の場合に，６〜１０μｍの範囲に含まれるλ’が存在しないことでも明らかである。図６Ａには，ｋ＝２の場合も併せて図示してあるが，この場合は，受光効率が非常に低いことがわかる。また，設計波長である８μｍの場合でも，赤外線回折レンズの回折効率は，８μｍから離れるにつれて徐々に低下することがわかる。また，実際に赤外線回折レンズを透過する赤外線全体の回折効率は，図６Ａにおける各回折次数ｋでの回折効率の重ね合わせとなるが，本比較例の場合は，赤外線全体の回折効率は，ｋ＝１の回折効率の寄与が大きく，ｋ＝２の場合の回折効率の寄与は，ほとんどないことがわかる。
【００８０】
図６Ｂを参照すると，設計波長である８μｍの赤外線は，受光効率が１００％であるものの，設計波長から離れるにつれて，受光効率が著しく低下していることがわかる。図６Ａにおける赤外線回折レンズの回折効率の値以上に，設計波長以外の赤外線の受光効率が低下する理由は，図１１で示したように，波長が変化することでレンズの焦点距離が変化し，その結果赤外受光器で捕捉されない赤外線の光束が増加するためである。
【００８１】
（実施例１）
赤外線回折レンズ１００のハーモニクス次数ｍの設計値を３とした以外は，比較例と同様にシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を，図７Ａおよび図７Ｂに示す。図７Ａは赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。図７Ｂは，赤外線回折レンズを透過した赤外線が赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【００８２】
図７Ａを参照すると，設計波長の８μｍ（回折次数ｋ＝３）以外に，６μｍ（回折次数ｋ＝４）における回折効率も１００％となり，８μｍの波長を有する赤外線と同じ回折方向に回折されることがわかる。また，実際に赤外線回折レンズを透過する赤外線全体の回折効率において，ｋ＝３での赤外線の他に，ｋ＝４での赤外線も大きく寄与することがわかる。
【００８３】
図７Ｂを参照すると，設計波長の８μｍ以外に，６μｍの受光効率も１００％となることがわかる。また，比較例（ｍ＝１）に比べて，６〜１０μｍの波長帯域全域にわたって受光効率が向上していることがわかる。
【００８４】
（実施例２）
赤外線回折レンズ１００のハーモニクス次数ｍの設計値を５とした以外は，比較例と同様にシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を，図８Ａおよび図８Ｂに示す。図８Ａは赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。図８Ｂは，赤外線回折レンズを透過した赤外線が赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【００８５】
図８Ａを参照すると，設計波長の８μｍ（回折次数ｋ＝５）以外に，６．６μｍ（回折次数ｋ＝６），１０μｍ（回折次数ｋ＝４）における回折効率も１００％となることがわかる。よって，８μｍの波長を有する赤外線が回折される方向に，６．６μｍと１０μｍの波長を有する赤外線も回折されることがわかった。
【００８６】
図８Ｂを参照すると，ｍ＝３とした実施例１に比べて，６〜１０μｍの波長帯域全域にわたって，著しく受光効率が向上していることがわかる。
【００８７】
（実施例３）
赤外線回折レンズ１００のハーモニクス次数ｍの設計値を７とした以外は，比較例と同様にシミュレーションを行った。シミュレーションの結果を，図９Ａおよび図９Ｂに示す。図９Ａは赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。図９Ｂは，赤外線回折レンズを透過した赤外線が赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【００８８】
図９Ａを参照すると，設計波長の８μｍ（回折次数ｋ＝７）以外に，６．２μｍ（回折次数ｋ＝９），７μｍ（回折次数ｋ＝８），９．４μｍ（回折次数ｋ＝６）と，少なくとも４つの波長において，回折効率が１００％となることがわかった。このことから，上記の４つの波長を有する赤外線が，同一の方向に回折されることが明らかとなった。
【００８９】
図９Ｂを参照すると，６〜９μｍの波長帯域では，受光効率が８０％以上となっており，９〜１０μｍの波長帯域でも７５％の受光効率が得られることがわかった。このことより，本実施例の赤外線回折レンズを用いることで，６〜１０μｍの波長帯域全域にわたって，非常に良好な受光効率が得られることがわかった。
【００９０】
上記の各実施例では，Ｓｉを透過する赤外線の波長領域のうち，６〜１０μｍの波長帯域に着目して説明したが，上記以外の波長帯域である，１．１〜６μｍおよび１０〜１６μｍでも，ハーモニクス次数ｍを適宜変更することで，上記のように良好な回折効率，受光効率が得られる。
【００９１】
なお，上記では，赤外線回折レンズがＳｉで形成されているとしてシミュレーションを行ったが，Ｇｅ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＰで赤外線回折レンズが形成された場合でも，上記の各実施例と同様な良好な結果が得られることは，言うまでもない。また，赤外線回折レンズの凹凸部の形状が鋸歯形状である場合についてシミュレーションを行ったが，凹凸部が階段形状であっても良いことは，言うまでもない。
【００９２】
以上のように，赤外線に分類される波長帯域においては，比較的低次のハーモニック次数ｍを有する回折光学素子が，広範囲な波長帯域において複数の波長に対して同一の焦点距離を有し，非常に有用であることが明らかとなった。
【００９３】
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された範疇内において，各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００９４】
例えば，上述した実施形態においては，赤外線回折レンズがＹ軸に対して対称な断面形状を有する場合を説明したが，入射する赤外線の方向にあわせ，Ｙ軸に対して非対称な形状を有していてもかまわない。
【００９５】
また，上述した各実施形態においては，レンズの材質の屈折率が２以上の場合について説明したが，レンズの材質の屈折率が２未満のものを用いることも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００９６】
本発明は，広範な波長帯域の赤外線が入射した場合に焦点距離の変動を低減させる赤外線回折レンズに適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１Ａ】本発明の第１の実施形態に係る赤外線回折レンズを概略的に示した断面図である。
【図１Ｂ】本発明の第２の実施形態に係る赤外線回折レンズを概略的に示した断面図である。
【図２】凹凸部の深さとその効果について，概略的に説明した概略図である。
【図３】回折レンズの回折効率とハーモニック次数との関係を示したグラフ図である。
【図４】入射赤外線の波長と回折次数との関係を示したグラフ図である。
【図５】本発明に係る赤外線回折レンズのシミュレーションの設定を概略的に示した概略図である。
【図６Ａ】従来の赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。
【図６Ｂ】従来の赤外線回折レンズを透過した赤外線が，上記の有効開口を有する赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【図７Ａ】本発明の実施例１に係る赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。
【図７Ｂ】本発明の実施例１に係る赤外線回折レンズを透過した赤外線が，上記の有効開口を有する赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【図８Ａ】本発明の実施例２に係る赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。
【図８Ｂ】本発明の実施例２に係る赤外線回折レンズを透過した赤外線が，上記の有効開口を有する赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【図９Ａ】本発明の実施例３に係る赤外線回折レンズの回折効率と，赤外線波長との関係を示したグラフ図である。
【図９Ｂ】本発明の実施例３に係る赤外線回折レンズを透過した赤外線が，上記の有効開口を有する赤外線受光器に受光される効率を示したグラフ図である。
【図１０】従来の赤外線センサーを概略的に説明した概略図である。
【図１１】回折レンズの設計波長と，焦点との関係を概略的に説明した概略図である。
【符号の説明】
【００９８】
１０      赤外線センサー
１２      ドームレンズ
１４      カンパッケージ
１６      赤外線受光器
１８      気密封止窓
２０      赤外線
３０      回折レンズ
４０      赤外線受光器
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ      赤外線
６０      光軸
１００      赤外線回折レンズ
１１０      平面部
１３０      凹凸部
１３０ａ      半円形状部
１３０ｂ      鋸歯形状部
１３０ｃ，１３０ｄ      階段形状部
１７０      光軸
２００      赤外線回折レンズ
３００      プリズム
３２０      回折レンズ
３４０      ハーモニック回折レンズ
４００      赤外線受光器
５００      赤外線
６００      光軸
ｆ      焦点
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１】
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