(57)【要約】【課題】サブ波長凹凸構造の構成を適切に設定することにより、第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造の有効屈折率差を十分に広くとることができる偏光選択型回折素子（光学素子）を提供する。【解決手段】回折素子１では、入射光の波長λ以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造Ａと第２のサブ波長凹凸構造Ｂとが基板１０上に形成されている。第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（Ｐ偏光）とし、第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（Ｐ偏光）としたとき、ｐ１＞ｐ２、ｆ１＜ｆ２、ｎ１（Ｐ偏光）＝ｎ２（Ｐ偏光）を満足する。【選択図】図１
2012159802.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、
第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造には、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、
第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（Ｐ偏光）とし、
第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２
ｆ１＜ｆ２
ｎ１（Ｐ偏光）＝ｎ２（Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、
前記光学素子のストライプ方向と同一の偏光方向の光が入射したときには、１次回折光が発生せず、
前記光学素子のストライプ方向と直交する偏光方向の光が入射したときには、０次回折光が発生しないように第１のサブ波長凹凸構造の溝深さと第２のサブ波長凹凸構造の溝深さとが同一の値に設定されていることを特徴とする光学素子。
【請求項３】
入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、
第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造には、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、
第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ１、Ｐ偏光）とし、
第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ１、Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２
ｆ１＜ｆ２
ｎ１（λ１、Ｐ偏光）＝ｎ２（λ１、Ｐ偏光）
第１のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２（＞λ１）の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ２、Ｐ偏光）とし、
第２のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２（＞λ１）の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ２、Ｐ偏光）としたとき、
ｎ１（λ２、Ｐ偏光）＞ｎ２（λ２、Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項４】
請求項３記載の光学素子において、
波長λ２の光が入射したときには、０次回折光が発生しないように第１のサブ波長凹凸構造の溝深さと第２のサブ波長凹凸構造の溝深さとが同一の値に設定されていることを特徴とする光学素子。
【請求項５】
入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造、第２のサブ波長凹凸構造、・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、
第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第Ｎのサブ波長凹凸構造には、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造から第（Ｎ−１）のサブ波長凹凸構造は、第１と第Ｎのサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは異なる角度を有し、
第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向が入射したときの有効屈折率をｎ１（Ｐ偏光）、第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（Ｐ偏光）、第Ｎのサブ波長凹凸構造の周期をｐＮ、フィリングファクタをｆＮ、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎＮ（Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２＞・・・＞ｐＮ
ｆ１＜ｆ２＜・・・＜ｆＮ
ｎ１（Ｐ偏光）＝ｎ２（Ｐ偏光）＝・・・＝ｎＮ（Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項６】
請求項５記載の光学素子において、
所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることを特徴とする光学素子。
【請求項７】
入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、
その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造、第２のサブ波長凹凸構造、・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、
第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第Ｎのサブ波長凹凸構造には、前記第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造から第（Ｎ−１）のサブ波長凹凸構造は、第１と第Ｎのサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは異なる角度を有し、
第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ１、Ｐ偏光）、
第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ１、Ｐ偏光）、
・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造の周期をｐＮ、フィリングファクタをｆＮ、前記回折素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎＮ（λ１、Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２＞・・・＞ｐＮ
ｆ１＜ｆ２＜・・・＜ｆＮ
ｎ１（λ１、Ｐ偏光）＝ｎ２（λ１、Ｐ偏光）＝・・・＝ｎＮ（λ１、Ｐ偏光）
第１のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ２、Ｐ偏光）、
第２のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ２、Ｐ偏光）、
・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２の光が入射したときの有効屈折率をｎＮ（λ２、Ｐ偏光）としたとき、
ｎ１（λ２、Ｐ偏光）＞ｎ２（λ２、Ｐ偏光）・・・＞ｎＮ（λ２、Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする光学素子。
【請求項８】
請求項７記載の光学素子において、
波長λ２の光に対して所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることを特徴とする光学素子。
【請求項９】
請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子を有し、記録媒体に情報を記録し及び／又は記録媒体に記録されている情報を読み取る光ピックアップ。
【請求項１０】
請求項９記載の光ピックアップを有し、この光ピックアップによって記録媒体の情報の処理を行う光情報処理装置。
【請求項１１】
請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子と、この光学素子を経た光を減衰させる減衰手段とを有する光減衰器。
【請求項１２】
請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子と、この光学素子を経た光の偏光方向を変換する変換素子とを有する偏光変換素子。
【請求項１３】
請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子、または、請求項１２記載の偏光変換素子を有し、前記光学素子を経た光を投射するプロジェクタ光学系。
【請求項１４】
請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子を有し、光を一方向にのみ透過させて逆方向には遮断する機能を有する光アイソレータ。
【請求項１５】
請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子、または、請求項９記載の光ピックアップ、または、請求項１０記載の光情報処理装置、または、請求項１１記載の光減衰器、または、請求項１２記載の偏光変換素子、または、請求項１３記載のプロジェクタ光学系を有する光学機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、サブ波長凹凸構造を用いた偏光選択性回折素子としての光学素子、該光学素子を用いた光ピックアップ、光情報処理装置、光減衰器、偏光変換素子、プロジェクタ光学系、アイソレータ、及び該光学素子、光ピックアップ、光情報処理装置、光減衰器、偏光変換素子又はプロジェクタ光学系を有する光学機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光ピックアップ光学系、プロジェクタ光学系、アイソレータ、光減衰器、反射型位相変調素子、等の各種の光学機器において、入射光の偏光方向に応じて光路分離を行う偏光選択性又は波長選択性の回折素子が必要とされている。
これに対して、最近では格子周期が使用波長よりも小さな微細周期構造を有するサブ波長凹凸構造を有する光学素子が非特許文献１、非特許文献２などに開示され、注目されてきている。
サブ波長凹凸構造によって複屈折波長板、反射防止構造、偏光分離素子など様々な機能を有することが知られている。そして、それらの機能において入射光の入射角の変化による光学性能変動が少なく、光学的に優れているという報告もなされている。
【０００３】
特許文献１には、高価な複屈折性結晶を用いることなく、複屈折性を得るために、稠密な周期構造を利用した偏光選択性回折素子が開示されている。
図４１は特許文献１の実施例の基本構成を示す部分斜視図である。特許文献１の実施例１によれば、使用する光源の光波長は１．３μｍ、基板の材料としては、上記波長では透明でかつ屈折率がｎ＝３．５と大きいシリコン（Ｓｉ）結晶を用い、第１の領域のサブ波長凹凸構造と第２の領域のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタはそれぞれ０．５（ここで、フィリングファクタはサブ波長凹凸構造のピッチに対する凸部の溝幅比を意味する）、第１の領域のサブ波長凹凸構造と第２の領域のサブ波長凹凸構造のピッチはそれぞれ０．６μｍ、第１の領域のサブ波長凹凸構造の溝深さはｔ１＝０．１６２μｍ、第２の領域のサブ波長凹凸構造の溝深さはｔ２＝０．３７４μｍ、となっている。
図４１において、符号２０３は光の進行方向を示す矢印である。
【０００４】
特許文献１によれば、上記のような屈折率、フィリングファクタを有する構造においては、サブ波長凹凸構造の有効屈折率はｎ//＝2.5739、ｎ⊥＝1.3598となるものと記載されている。ここで、ｎ／／はサブ波長凹凸構造の溝方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときに感じる有効屈折率、ｎ⊥はサブ波長凹凸構造の溝方向と直交する方向の偏光方向の光が入射したときに感じる有効屈折率を意味する。
上記の有効屈折率の算出式は
ｎ／／＝√（ｔ・ｎ２＋（1-ｔ））・・・式１
ｎ⊥＝√（１／（（ｔ/ｎ２）+（1-ｔ））・・・式２
で定義される、サブ波長凹凸構造の近似式を用いて算出されてなる。
ここでｎはサブ波長凹凸構造を形成する材料の屈折率、ｔはフィリングファクタである。
【０００５】
また、本発明者らが、特許文献２に開示しているような回折格子の溝深さを適宜設定することにより、特定波長λ１は不感帯透過、他の特定波長λ２は±１次光のみ発生するような回折素子を作り出すことが可能である。
とくに回折格子の構造を階段状の構造とすることにより、波長λ２の光に対して所定の次数に偏りをもって回折するようにすることができる。すなわち＋１次回折光を−１次回折光に比して強く発生させることができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１のような構成は、作製が難しい構造である。一般にサブ波長凹凸構造の溝作製にはエッチング法を用いる場合が多い。エッチング法は均一な溝深さを形成することを特徴としている方法であるため、特許文献１のようにサブ波長凹凸構造の溝深さが領域ごとに変化した構造においては作製上の課題が予想される。
また、式１、式２は近似式であり、サブ波長凹凸構造のピッチが十分に小さい場合は有効であるが、ピッチが広くなってくると式１、式２で算出される値から大きくずれる。
また、特許文献１では、その用途から材料として高屈折率材料を選択できているが、コンシューマ製品に搭載されている光学機器で使用される可視域の波長帯で透明な材料では屈折率２．５を超えるようなものはなく、第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造の有効屈折率差を十分に取れない。
この有効屈折率差が十分に取れないと、第１、第２それぞれのサブ波長凹凸構造の溝深さを深くとる必要があり、作製難度がさらに上がる。
【０００７】
また、特許文献２のような階段状の構造を２段の構造で作れるとさらに生産性が向上する。一般に階段状構造の溝作製にはエッチング法を用いる場合が多い。エッチング法は均一な溝深さを形成することを特徴としている方法であるため、階段構造に比べ２値構造のほうが得意である。
【０００８】
本発明は、このような状況に鑑みてなされたもので、サブ波長凹凸構造の構成を適切に設定することにより、第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造の有効屈折率差を十分に広くとることができる偏光選択型回折素子（光学素子）又は波長選択型回折素子の提供を、その主な目的とする。
また、本発明は、光をその偏光方向又は波長方向に応じて特定の次数に回折することができるとともに製造が容易な光学素子、さらには、このような偏光選択型回折素子又は波長選択型回折素子を利用した各種光学機器の提供をその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明は、入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造には、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（Ｐ偏光）とし、第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２
ｆ１＜ｆ２
ｎ１（Ｐ偏光）＝ｎ２（Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、前記光学素子のストライプ方向と同一の偏光方向の光が入射したときには、１次回折光が発生せず、前記光学素子のストライプ方向と直交する偏光方向の光が入射したときには、０次回折光が発生しないように第１のサブ波長凹凸構造の溝深さと第２のサブ波長凹凸構造の溝深さとが同一の値に設定されていることを特徴とする。
請求項３記載の発明は、入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造と第２のサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造には、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ１、Ｐ偏光）とし、
第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ１、Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２
ｆ１＜ｆ２
ｎ１（λ１、Ｐ偏光）＝ｎ２（λ１、Ｐ偏光）
第１のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２（＞λ１）の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ２、Ｐ偏光）とし、
第２のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２（＞λ１）の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ２、Ｐ偏光）としたとき、
ｎ１（λ２、Ｐ偏光）＞ｎ２（λ２、Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の光学素子において、波長λ２の光が入射したときには、０次回折光が発生しないように第１のサブ波長凹凸構造の溝深さと第２のサブ波長凹凸構造の溝深さとが同一の値に設定されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の発明は、入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造、第２のサブ波長凹凸構造、・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第Ｎのサブ波長凹凸構造には、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造から第（Ｎ−１）のサブ波長凹凸構造は、第１と第Ｎのサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは異なる角度を有し、第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向が入射したときの有効屈折率をｎ１（Ｐ偏光）、第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（Ｐ偏光）、第Ｎのサブ波長凹凸構造の周期をｐＮ、フィリングファクタをｆＮ、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の光が入射したときの有効屈折率をｎＮ（Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２＞・・・＞ｐＮ
ｆ１＜ｆ２＜・・・＜ｆＮ
ｎ１（Ｐ偏光）＝ｎ２（Ｐ偏光）＝・・・＝ｎＮ（Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする。
【００１２】
請求項６記載の発明は、請求項５記載の光学素子において、所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることを特徴とする。
請求項７記載の発明は、入射光の波長以上の周期をもつ光学素子であり、その１周期は、入射光の波長以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造、第２のサブ波長凹凸構造、・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造とで形成されてなり、第１のサブ波長凹凸構造には、前記光学素子のストライプ方向と同一方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第Ｎのサブ波長凹凸構造には、前記第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは直交する方向のサブ波長凹凸構造が形成されてなり、第２のサブ波長凹凸構造から第（Ｎ−１）のサブ波長凹凸構造は、第１と第Ｎのサブ波長凹凸構造のストライプ方向とは異なる角度を有し、第１のサブ波長凹凸構造の周期をｐ１、フィリングファクタをｆ１、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ１、Ｐ偏光）、
第２のサブ波長凹凸構造の周期をｐ２、フィリングファクタをｆ２、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ１、Ｐ偏光）、
・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造の周期をｐＮ、フィリングファクタをｆＮ、前記回折素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ１の光が入射したときの有効屈折率をｎＮ（λ１、Ｐ偏光）としたとき、
ｐ１＞ｐ２＞・・・＞ｐＮ
ｆ１＜ｆ２＜・・・＜ｆＮ
ｎ１（λ１、Ｐ偏光）＝ｎ２（λ１、Ｐ偏光）＝・・・＝ｎＮ（λ１、Ｐ偏光）
第１のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２の光が入射したときの有効屈折率をｎ１（λ２、Ｐ偏光）、
第２のサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２の光が入射したときの有効屈折率をｎ２（λ２、Ｐ偏光）、
・・・第Ｎのサブ波長凹凸構造に、前記光学素子のストライプ方向と同一方向の偏光方向の波長λ２の光が入射したときの有効屈折率をｎＮ（λ２、Ｐ偏光）としたとき、
ｎ１（λ２、Ｐ偏光）＞ｎ２（λ２、Ｐ偏光）・・・＞ｎＮ（λ２、Ｐ偏光）
を満足することを特徴とする。
【００１３】
請求項８記載の発明は、請求項７記載の光学素子において、波長λ２の光に対して所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることを特徴とする。
請求項９記載の発明は、請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子を有し、記録媒体に情報を記録し及び／又は記録媒体に記録されている情報を読み取る光ピックアップである。
請求項１０記載の発明は、請求項９記載の光ピックアップを有し、この光ピックアップによって記録媒体の情報の処理を行う光情報処理装置である。
請求項１１記載の発明は、請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子と、この光学素子を経た光を減衰させる減衰手段とを有する光減衰器である。
請求項１２記載の発明は、請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子と、この光学素子を経た光の偏光方向を変換する変換素子とを有する偏光変換素子である。
請求項１３記載の発明は、請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子、または、請求項１２記載の偏光変換素子を有し、前記光学素子を経た光を投射するプロジェクタ光学系である。
請求項１４記載の発明は、請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子を有し、光を一方向にのみ透過させて逆方向には遮断する機能を有する光アイソレータである。
請求項１５記載の発明は、請求項１〜８のうちの何れか１つに記載の光学素子、または、請求項９記載の光ピックアップ、または、請求項１０記載の光情報処理装置、または、請求項１１記載の光減衰器、または、請求項１２記載の偏光変換素子、または、請求項１３記載のプロジェクタ光学系を有する光学機器である。
【発明の効果】
【００１４】
請求項１記載の発明によれば、サブ波長凹凸構造の構成を適切に設定することにより、偏光選択型の回折素子が実現できる。
また、該サブ波長凹凸構造の溝深さは素子内で均一であるため、製造が容易である。そしてフォトリソグラフィとエッチングからなる手法により簡単に多数個同時に製作できる。
また、サブ波長凹凸構造の構成を適切に設定することにより、偏光分離型の回折機能が得られるため、ガラスやプラスチックなど材料選択自由度が広い。すなわち使用条件に応じて材料選択してやればよい。例えば、入射光として短波長の光（エネルギー密度の高い光）を用いる場合はガラスや無機系の材料にサブ波長凹凸構造を形成すればよいし、使用波長の透過率が高い材料を選択するなどといったことも可能である。
そして、本発明においては、サブ波長凹凸構造のピッチとフィリングファクタの特徴的な選択により、第１のサブ波長凹凸構造と、第２のサブ波長凹凸構造の有効屈折率差を最大限に大きくとれる方法を適用しており、溝深さを深くせず生産性の高い偏光選択型回折素子が提供できる。
また、該サブ波長凹凸構造の溝深さは素子内で均一、かつ浅い構造であるため、構造の頑強化される方向である。
また、該サブ波長凹凸構造の溝深さにより、所望の回折効率を容易に得られる。
請求項２記載の発明によれば、サブ波長凹凸構造の溝深さを適切に設定することにより、第１のサブ波長凹凸構造のストライプ方向、ここではＰ方向とよぶとした場合、Ｐ方向の偏光成分の光が入射したときは不感帯で、これとは直交する偏光成分の光（Ｓ方向の偏光成分の光とよぶ）が入射したときは、回折する。
【００１５】
請求項３記載の発明によれば、サブ波長凹凸構造の構成を適切に設定することにより、波長選択型の回折素子が実現できる。
また、該サブ波長凹凸構造の溝深さは素子内で均一であるため、製造が容易である。そしてフォトリソグラフィとエッチングからなる手法により簡単に多数個同時に製作できる。
また、サブ波長凹凸構造の構成を適切に設定することにより、偏光分離型の回折機能が得られるため、ガラスやプラスチックなど材料選択自由度が広い。すなわち使用条件に応じて材料選択してやればよい。例えば、入射光として短波長の光（エネルギー密度の高い光）を用いる場合はガラスや無機系の材料にサブ波長凹凸構造を形成すればよいし、使用波長の透過率が高い材料を選択するなどといったことも可能である。
そして、サブ波長凹凸構造のピッチとフィリングファクタの特徴的な選択により、第１のサブ波長凹凸構造と、第２のサブ波長凹凸構造の有効屈折率差を特定波長λ１については同一、特定波長λ２については異なるような方法を適用しているため、サブ波長凹凸構造を利用した波長選択型の回折素子を提供可能となる。
また、該サブ波長凹凸構造の溝深さは素子内で均一であるため、構造の頑強化される方向である。
また、該サブ波長凹凸構造の溝深さにより、所望の回折効率を容易に得られる。
請求項４記載の発明によれば、サブ波長凹凸構造の溝深さを適切に設定することにより、波長λ２の０次光は不感帯で、１次回折光のみ発生するような、回折素子を提供することができる。
【００１６】
請求項５記載の発明によれば、Ｎ種のサブ波長凹凸構造を構成する各サブ波長凹凸構造の屈折率が所定の偏光方向と異なる偏光方向について互いに同一となるように、同各サブ波長凹凸構造の形成方向を互いに異ならせるとともに同各サブ波長凹凸構造のフィリングファクタが設定されていることとすれば、各サブ波長凹凸構造の形成方向及びフィリングファクタを適宜設定することで所定の偏光方向と異なる偏光方向については回折することなく、所定の偏光方向を特定の次数に回折し得る。たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を提供することができる。
請求項６記載の発明によれば、前記所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることとすれば、溝深さの設定により光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る。たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を提供することができる。
【００１７】
請求項７記載の発明のによれば、Ｎ種のサブ波長凹凸構造を構成する各サブ波長凹凸構造の屈折率が所定の波長の光について互いに同一となるように、同各サブ波長凹凸構造の形成方向を互いに異ならせるとともに同各サブ波長凹凸構造のピッチ、フィリングファクタが設定されていることとすれば、各サブ波長凹凸構造の形成方向、ピッチ、及びフィリングファクタを適宜設定することで所定の波長λ１の光については回折することなく不感帯透過し、所定の波長λ２の光については特定の次数に回折し得る。たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を提供することができる。
請求項８記載の発明によれば、前記所定の波長の光を所定の次数に偏りをもって回折するように前記溝深さが設定されていることとすれば、溝深さの設定により光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を提供することができる。
【００１８】
請求項９、１０記載の発明によれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を有する、低廉化、小型化可能な光ピックアップを用い、低廉化、小型化可能な光情報処理装置を提供することができる。
請求項１１記載の発明によれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を用いた、低廉化、小型化可能な光減衰器を提供することができる。
請求項１２記載の発明によれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を用いた、低廉化、小型化可能な偏光変換素子を提供することができる。
【００１９】
請求項１３記載の発明によれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を有する、低廉化、小型化可能なプロジェクタ光学系を提供することができる。
請求項１４記載の発明によれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な光学素子を用いた、低廉化、小型化可能なアイソレータを提供することができる。
請求項１５記載の発明によれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばフォトリソグラフィ及びエッチングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を有する、低廉化、小型化可能な光学機器を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光学素子の斜視図である。
【図２】同光学素子の回折の様子を説明するための図である。
【図３】有効屈折率のフィリングファクタのピッチ依存性を示すグラフである。
【図４】図１で示した光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図５】比較例の回折効率を示すグラフである。
【図６】第２の実施形態に係る光学素子の斜視図である。
【図７】同光学素子のサブ波長凹凸部の拡大図である。
【図８】同光学素子の回折特性の説明図である。
【図９】同光学素子の有効屈折率の説明図である。
【図１０】同光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１１】第３の実施形態に係る光学素子の斜視図である。
【図１２】同光学素子の回折の様子を説明するための図である。
【図１３】有効屈折率のフィリングファクタのピッチ依存性を示すグラフである。
【図１４】異なる波長についての有効屈折率のフィリングファクタのピッチ依存性を示すグラフである。
【図１５】同光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図１６】第４の実施形態に係る光学素子の斜視図である。
【図１７】同光学素子のサブ波長凹凸部の拡大図である。
【図１８】同光学素子の回折特性の説明図である。
【図１９】同光学素子の有効屈折率の説明図である。
【図２０】異なる波長についての同光学素子の有効屈折率の説明図である。
【図２１】異なる波長についての同光学素子の有効屈折率の説明図である。
【図２２】同光学素子の回折効率を示すグラフである。
【図２３】石英を基材とした型の作成方法を説明するための図である。
【図２４】シリコンを基材とした型の作成方法を説明するための図である。
【図２５】シリコン膜とモールド型を利用してガラス基板に回折素子を形成する手順を示す図である。
【図２６】ガラス基板にＴｉ２Ｏ５を成膜し、Ｔｉ２Ｏ５に回折素子を形成する手順を示す図である。
【図２７】金型を使用しない回折素子の製法を説明するための図である。
【図２８】反射型回折素子の実施例を説明するための図である。
【図２９】両面に回折面を設けた実施例を説明するための図である。
【図３０】光ピックアップの実施例を説明するための図である。
【図３１】光ピックアップの他の実施例を説明するための図である。
【図３２】光減衰器の実施例を説明するための図である。
【図３３】偏光変換素子の実施例を説明するための図である。
【図３４】プロジェクタ光学系の実施例を説明するための図である。
【図３５】プロジェクタ光学系の他の実施例を説明するための図である。
【図３６】光アイソレータの実施例を説明するための図である。
【図３７】光アイソレータを用いた光学機器の構成図である。
【図３８】図３６で示した光アイソレータの変形例を示す図である。
【図３９】光アイソレータの他の実施例を説明するための図である。
【図４０】光アイソレータの別の実施例を説明するための図である。
【図４１】従来の偏光選択性回折素子の構造を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図を参照して説明する。
図１はこの発明の回折素子（光学素子と同義；以下同じ）の実施例１を示している。回折素子１では、入射光の波長λ以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造Ａと第２のサブ波長凹凸構造Ｂとが基板１０上に形成されている。サブ波長凹凸構造はＡ、Ｂを一組として回折素子上に波長以上の周期（回折格子周期とよぶこととする）で連続的に形成されている。
サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂはそれぞれ溝方向、ピッチ、フィリングファクタが異なっている。一方、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの溝深さは等しく設定されている。
そして、回折素子１に入射した光束は偏光方向により透過、もしくは±１次回折するように設定されている。
【００２２】
図１の斜視図部分は、図１の左上に平面的に表示された回折素子１に形成されているサブ波長凹凸構造の拡大図であり、回折素子１に形成されている回折格子周期の２．５周期分を示している。
図１に示すように、波長以上の周期構造に、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂが重畳された構造となっている。サブ波長凹凸構造ＡはＰ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。またサブ波長凹凸構造ＢはＳ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。
図１の符号を用いて説明すると、Ｋは、回折素子１に形成されている波長以上の周期構造の周期（回折格子周期）を表す。
Ｌ１は、後述するサブ波長凹凸構造Ａが形成されている領域の幅である。Ｌ２は、後述するサブ波長凹凸構造Ｂが形成されている領域の幅である。
ｑ１は、サブ波長凹凸構造Ａの周期を表す。
ｍ１は、サブ波長凹凸構造Ａの凸部の幅である。
ｍ１／ｑ１は、サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタである。
なおｑ１とｍ１の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｑ２は、サブ波長凹凸構造Ｂの周期を表す。
ｍ２は、サブ波長凹凸構造Ｂの凸部の幅である。
ｍ２／ｑ２は、サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタである。なおｑ２とｍ２の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｄ１、ｄ２は、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂかつ回折構造の溝深さを表し、本発明においてはサブ波長凹凸構造Ａ、Ｂのいずれにおいても等しいことを特徴としている。
【００２３】
（機能について）
回折素子１は、図１に示すように、波長以上の周期Ｋを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２有するサブ波長凹凸構造が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、サブ波長凹凸構造によってＰ、Ｓいずれの偏光成分で回折するかの偏光選択性を出している。
これにより、図２に示すように、回折素子１はＳ偏光成分の光が入射したときは回折し、Ｐ偏光成分の光に対しては不感帯透過する。
【００２４】
（サブ波長凹凸構造が呈する構造複屈折特性について）
各回折素子面に形成されているサブ波長凹凸構造は、一般に知られている構造性複屈折を呈する（発現する）。
構造性複屈折とは、屈折率の異なる２種類の媒質を光の波長よりも短い周期でストライプ状に配置したとき、ストライプに平行な偏光成分（ＴＥ波）とストライプに垂直な偏光成分（ＴＭ波）とで屈折率が異なり、複屈折作用が生じることをいう。
ここで、屈折率の異なる２種類の媒質として、空気と屈折率ｎの媒質を想定して、サブ波長凹凸構造の周期以上の波長をもつ光が垂直入射したと仮定する。このときの入射光の偏光方向がサブ波長凹凸構造の溝に平行（ＴＥ方向）であるか垂直（ＴＭ方向）であるかによってサブ波長凹凸構造の有効屈折率は異なる。入射光の偏光方向がサブ波長凹凸構造の溝に平行である場合をｎ（ＴＥ）、垂直である場合をｎ（ＴＭ）と表す。
【００２５】
従来技術においては式１、式２を用いて有効屈折率を算出しているが、本発明においてはＦＤＴＤ法を用いて算出された有効屈折率を用いてなる。ＦＤＴＤ法とは、電磁場の物理法則であるＭａｘｗｅｌｌの方程式を厳密に計算する方法であり、時間領域差分法（Finite Difference Time Domain method）のことである。計算負荷が高いため、従来は適用困難であり、従来技術で提示されるような近似式で有効屈折率を求められていたが、近年マシンパワーの向上に伴いＰＣにＦＤＴＤを用いた有効屈折率算出が可能となった。
【００２６】
（偏光選択型の回折素子）
周期が入射光の波長λ以下のサブ波長凹凸構造は入射光を回折することはなく（入射光はそのまま透過する）、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。
図３は、横軸：フィリングファクタに対する偏光方向別の屈折率を示す図である。また、凡例の欄に記載されてなるとおり、同図ではサブ波長凹凸構造のピッチも併せて変化している。
従来技術の式１、式２の近似式では現れないピッチサイズに伴う変化がＦＤＴＤ法を用いることで確認できる。なお計算にはｎ＝２．３１３、波長４０５ｎｍを用いた。また、凡例に記載した数値は、ピッチの波長比の値を示している。
例えば0.10は、0.10λのことであり、波長405nmのときは実ピッチとしては４１ｎｍである。このようにサブ波長凹凸構造の屈折率は図３に示すようにフィリングファクタ、ピッチ、ＴＥかＴＭかに応じて変化する。
【００２７】
ｎ＝２．３１３の媒質に、
サブ波長凹凸構造Ａのピッチ：ｑ１＝0.54λ  ここで波長λ＝４０５ｎｍ
サブ波長凹凸構造Ｂのピッチ：ｑ２＝0
サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタ：ｔ１＝0.26
サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタ：ｔ２＝0.80
とし、
偏光方向に対してサブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの溝方向をＰ偏光方向に対して０度、９０度とした場合、
サブ波長凹凸構造ＡのP方向の有効屈折率：ｎ１（P偏光）＝1.70
サブ波長凹凸構造ＡのS方向の有効屈折率：ｎ１（S偏光）＝1.136
サブ波長凹凸構造ＢのP方向の有効屈折率：ｎ２（P偏光）＝1.70
サブ波長凹凸構造ＢのS方向の有効屈折率：ｎ２（S偏光）＝2.194
となり、有効屈折率ｎ１（P偏光）、ｎ２（P偏光）は等しい値を有する。
このような構造とすることにより、図２（ａ）に示すように、回折構造の周期方向に平行なＰ偏光をもつ入射光に対しては、この回折素子１は一様な屈折率をもつ板状体となるから、この入射光は回折素子１を通過し、回折現象は生じない。
【００２８】
一方、回折構造の周期に垂直なＳ偏光をもつ入射光に対しては、回折素子１は回折格子周期で屈折率が変化した回折素子となる。したがって、図２（ｂ）に示すように、このような入射光は回折される。
このようにして、回折素子１は偏光分離素子の機能をもつことになる。
【００２９】
（溝深さと回折効率）
回折素子１の回折効率はサブ波長凹凸構造の溝深さ（回折構造の溝深さとも表現できる）により調整可能である。図４は入射光の偏光方向に対する±１次回折光の回折効率（実線で示す）および０次光の透過効率（破線で示す）を示している。
すなわち、図４は、
ｎ＝２．３１３の媒質に、
サブ波長凹凸構造Ａのピッチ：ｑ１＝0.54λ  ここで波長λ＝４０５ｎｍ
サブ波長凹凸構造Ｂのピッチ：ｑ２＝0.10λ
サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタ：ｔ１＝0.26
サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタ：ｔ２＝0.80
とし、
サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの溝方向をＰ偏光方向に対して０度、９０度とし、
回折格子周期Ｋ＝５μｍ
サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの幅をそれぞれ２．５μｍとした場合の溝深さｄに対する回折効率の変化を示した図である。
図４から明らかなように、特に溝深さとして０．１９６μｍを選択した場合は、Ｐ偏光による回折光は発生せず不感帯透過し、Ｓ偏光に対しては±１次回折する回折素子が実現可能である。
【００３０】
（回折角について）
なお図２において符号αは第１の回折格子面によるレーザ光の回折角を示す。回折角度αは、回折格子周期Ｋとし、使用波長λ１とした場合、下式を満足する値として求められる。
ｓｉｎ（α）＝λ１／Ｋ
使用用途に応じてＫを選択すればよい。
【００３１】
（従来技術との比較）
なお従来技術で示されているようにサブ波長凹凸構造Ａ、Ｂが同一のピッチを有する場合を計算してみる。
ｎ＝２．３１３の媒質に、
サブ波長凹凸構造Ａのピッチ：ｑ１＝0.10λ
サブ波長凹凸構造Ｂのピッチ：ｑ２＝0.10λ
とし、
有効屈折率ｎ１（P偏光）、ｎ２（P偏光）は等しい値を有するためには、
サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタ：ｔ１＝0.35
サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタ：ｔ２＝0.73
で、
サブ波長凹凸構造ＡのＴＥ方向の有効屈折率：ｎ１（P偏光）＝1.584
サブ波長凹凸構造ＡのＴＭ方向の有効屈折率：ｎ１（S偏光）＝1.196
サブ波長凹凸構造ＢのＴＭ方向の有効屈折率：ｎ２（P偏光）＝1.584
サブ波長凹凸構造ＢのＴＥ方向の有効屈折率：ｎ２（S偏光）＝2.056
となり、有効屈折率ｎ１（Ｓ偏光）、ｎ２（Ｓ偏光）の差はΔｎ＝0.86となり、本発明の実施例の差：Δｎ＝１．０５８に比べ狭くなる。
さらに、この有効屈折率において、図４と同様に回折効率の溝深さ依存性を算出したグラフを図５に示す。効率のカーブが図４に比べ、深溝の方向にシフトしていることが確認できる。
【００３２】
図６乃至図１０に基づいて回折素子の実施例２を示す。図６は素子全体構成図、図７はSWS部の拡大図である。
回折素子１0では、入射光の波長λ以下の周期をもつ５種類のサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５が基板１１上に形成されている。サブ波長凹凸構造は２１、２２、２３、２４、２５を一組として回折素子上に波長以上の周期（回折格子周期とよぶこととする）で連続的に形成されている。サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５はそれぞれ溝方向、溝の凹と凸の幅の比（フィリングファクタとよぶ）が異なっている。一方、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の溝深さは等しく設定されている。
そして、この回折素子１0に入射した光束は偏光方向により回折方向が異なり、且つ各偏光方向の光束の回折する方向が特定の次数のみに回折されるように設定されている。
【００３３】
図７は回折素子１0に形成されているサブ波長凹凸構造（SWS部）の拡大図であり、回折素子１0に形成されている回折格子周期の１周期分を示している。
図６、図７に記載されている符号について説明する。波長以上の周期構造に、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５が重畳された構造となっている。サブ波長凹凸構造２１はＰ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。またサブ波長凹凸構造２５はＳ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。またサブ波長凹凸構造２２、２３、２４は、サブ波長凹凸構造２１、２５の間の溝方向をもつ波長以下の周期を有する。
符号Ｐｎは、回折素子に形成されている波長以上の周期構造の周期（回折格子周期）を表す。
Ｌ１は、後述するサブ波長凹凸構造２１が形成されている領域の幅である。Ｌ２は、後述するサブ波長凹凸構造２２が形成されている領域の幅である。Ｌ３は、後述するサブ波長凹凸構造２３が形成されている領域の幅である。Ｌ４は、後述するサブ波長凹凸構造２４が形成されている領域の幅である。Ｌ５は、後述するサブ波長凹凸構造２５が形成されている領域の幅である。
ｐ１は、サブ波長凹凸構造２１の周期を表す。
ｑ１は、サブ波長凹凸構造２１の凸部の幅である。
ｑ１／ｐ１は、サブ波長凹凸構造２１のフィリングファクタである。なおｐ１とｑ１の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ２は、サブ波長凹凸構造２２の周期を表す。
ｑ２は、サブ波長凹凸構造２２の凸部の幅である。
ｑ２／ｐ２は、サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタである。なおｐ２とｑ２の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ３は、サブ波長凹凸構造２３の周期を表す。
ｑ３は、サブ波長凹凸構造２３の凸部の幅である。
ｑ３／ｐ３は、サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタである。
なおｐ３とｑ３の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ４は、サブ波長凹凸構造２４の周期を表す。
ｑ４は、サブ波長凹凸構造２４の凸部の幅である。
ｑ４／ｐ４は、サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタである。なおｐ４とｑ４の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ５は、サブ波長凹凸構造２５の周期を表す。
ｑ５は、サブ波長凹凸構造２５の凸部の幅である。
ｑ５／ｐ５は、サブ波長凹凸構造２５のフィリングファクタである。なおｐ５とｑ５の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｄは、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５かつ回折構造の溝深さを表し、本発明においてはサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のいずれにおいても等しいことを特徴としている。
【００３４】
（機能について）
回折素子１0は、図７に示すように、波長以上の周期Ｐｎを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４、ｑ５を有するサブ波長凹凸構造が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、サブ波長凹凸構造によってＰ．Ｓいずれの偏光成分で回折するかの偏光選択性を出している。
これにより、図８に示すように回折素子１0はS偏光成分の光が入射したときは回折し、P偏光成分の光に対しては不感帯透過する。
【００３５】
（サブ波長凹凸構造が呈する構造複屈折特性について）
以上、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のうちの回折構造のストライプ方向と平行なサブ波長凹凸構造２１、直交するサブ波長凹凸構造２５の有効屈折率については実施例１の回折素子で説明したとおりであるが、本実施例においては、サブ波長凹凸構造２１と２５の間には入射光の回折構造のストライプ方向には平行でも直交もしないサブ波長凹凸構造２２、２３、２４が形成されてなる。
サブ波長凹凸構造２２、２３、２４の溝方向、フィリングファクタ、ピッチの実施例について説明する。
【００３６】
まずサブ波長凹凸構造２３は、Ｐ偏光方向に対して４５度の方向にある。或いはサブ波長凹凸構造２１と２５の中間の溝方向を有するとも表現できる。このような溝方向で、かつサブ波長凹凸構造のピッチがサブ波長凹凸構造２１と２５の略中間値（詳細にはＦＤＴＤ法で算出する）、サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタとしてサブ波長凹凸構造２１、２５と同じフィリングファクタを選択した（ｔ１＝ｔ５＝ｔ３となる）場合においては、その有効屈折率はサブ波長凹凸構造２１と２５の中間値とすることができる。
同様に、サブ波長凹凸構造２２は、Ｐ偏光方向に対して２２．５度の方向にある。或いはサブ波長凹凸構造２１と２３の中間の溝方向を有するとも表現できる。このような溝方向で、かつサブ波長凹凸構造のピッチがサブ波長凹凸構造２１と２３の略中間値（詳細にはＦＤＴＤ法で算出する）、サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタとしてサブ波長凹凸構造２１、２３と同じフィリングファクタを選択した（ｔ１＝ｔ３＝ｔ２となる）場合においては、その有効屈折率はサブ波長凹凸構造２１と２３の中間値とすることができる。
同様に、サブ波長凹凸構造２４は、Ｐ偏光方向に対して６７．５度の方向にある。或いはサブ波長凹凸構造２３と２５の中間の溝方向を有するとも表現できる。このような溝方向で、かつサブ波長凹凸構造のピッチがサブ波長凹凸構造２３と２５の略中間値（詳細にはＦＤＴＤ法で算出する）、サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタとしてサブ波長凹凸構造２３、２５と同じフィリングファクタを選択した（ｔ３＝ｔ５＝ｔ４となる）場合においては、その有効屈折率はサブ波長凹凸構造２３と２５の中間値とすることができる。
【００３７】
（偏光選択型の回折素子）
周期が入射光の波長λ以下のサブ波長凹凸構造は入射光を回折することはなく（入射光はそのまま透過する）、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。
図９は、横軸：フィリングファクタに対する偏光方向別の屈折率を示す図である。また、凡例の欄に記載されてなるとおり、同図ではサブ波長凹凸構造の溝方向とピッチも併せて変化させている。
従来技術の式１、式２の近似式では現れないピッチサイズに伴う変化がＦＤＴＤ法を用いることで確認できる。なお計算にはｎ＝２．３１３、波長４０５ｎｍを用いた。また、凡例に記載したピッチは、波長比の値を示している。例えば0.10λは、波長405nmにおいての実ピッチとしては４１ｎｍである。このようにサブ波長凹凸構造の屈折率は図９に示すようにフィリングファクタ、ピッチ、溝方向の角度に応じて変化する。
【００３８】
ｎ＝２．３１３の媒質に、
サブ波長凹凸構造２１のピッチ：ｑ１＝0.54λ  ここで波長λ＝４０５ｎｍ
サブ波長凹凸構造２２のピッチ：ｑ２＝0.43λ
サブ波長凹凸構造２３のピッチ：ｑ３＝0.32λ
サブ波長凹凸構造２４のピッチ：ｑ４＝0.21λ
サブ波長凹凸構造２５のピッチ：ｑ５＝0.10λ
サブ波長凹凸構造２１のフィリングファクタ：ｔ１＝0.26
サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタ：ｔ２＝0.36
サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタ：ｔ３＝0.55
サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタ：ｔ４＝0.71
サブ波長凹凸構造２５のフィリングファクタ：ｔ５＝0.80
とし、
サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の溝方向をＰ偏光方向に対して０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度とした場合、
サブ波長凹凸構造２１のＰ方向の有効屈折率：ｎ１（P偏光）＝1.705
サブ波長凹凸構造２１のＳ方向の有効屈折率：ｎ１（S偏光）＝1.128
サブ波長凹凸構造２２のＰ方向の有効屈折率：ｎ２（P偏光）＝1.705
サブ波長凹凸構造２２のＳ方向の有効屈折率：ｎ２（S偏光）＝1.363
サブ波長凹凸構造２３のＰ方向の有効屈折率：ｎ３（P偏光）＝1.705
サブ波長凹凸構造２３のＳ方向の有効屈折率：ｎ３（S偏光）＝1.705
サブ波長凹凸構造２４のＰ方向の有効屈折率：ｎ４（P偏光）＝1.705
サブ波長凹凸構造２４のＳ方向の有効屈折率：ｎ４（S偏光）＝2.003
サブ波長凹凸構造２５のＰ方向の有効屈折率：ｎ５（P偏光）＝1.705
サブ波長凹凸構造２５のＳ方向の有効屈折率：ｎ５（S偏光）＝2.194
となり、有効屈折率ｎ１（P偏光）、ｎ２（P偏光）、ｎ３（P偏光）、ｎ４（P偏光）、ｎ５（P偏光）は等しい値を有する。
【００３９】
このような構造とすることにより、図８（ａ）に示すように、回折構造の周期方向に平行なＰ偏光をもつ入射光に対しては、この回折素子１０は一様な屈折率をもつ板状体となるから、この入射光は回折素子１を通過し、回折現象は生じない。
一方、回折構造の周期に垂直なＳ偏光をもつ入射光に対しては、回折素子１０は回折格子周期で屈折率が変化した回折素子となる。したがって、図８（ｂ）に示すように、このような入射光は回折される。
このようにして、回折素子１０は偏光分離素子の機能をもつことになる。
【００４０】
（溝深さと回折効率）
回折素子１の回折効率はサブ波長凹凸構造の溝深さ（回折構造の溝深さとも表現できる）により調整可能である。図１０は入射光の偏光方向に対する±１次回折光の回折効率（実線で示す）および０次光の透過効率（破線で示す）を示している。 
すなわち、図１０は、
ｎ＝２．３１３の媒質に、
サブ波長凹凸構造２１のピッチ：ｑ１＝0.54λ  ここで波長λ＝４０５ｎｍ
サブ波長凹凸構造２２のピッチ：ｑ２＝0.43λ
サブ波長凹凸構造２３のピッチ：ｑ３＝0.32λ
サブ波長凹凸構造２４のピッチ：ｑ４＝0.21λ
サブ波長凹凸構造２５のピッチ：ｑ５＝0.10λ
サブ波長凹凸構造２１のフィリングファクタ：ｔ１＝0.26
サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタ：ｔ２＝0.36
サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタ：ｔ３＝0.55
サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタ：ｔ４＝0.71
サブ波長凹凸構造２５のフィリングファクタ：ｔ５＝0.80
とし、
偏光方向に対してサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の溝方向をＰ偏光方向に対して０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度とし、
回折格子周期Ｐ＝５μｍ
サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の幅をそれぞれ１μｍとした場合の溝深さｄに対する回折効率の変化を示した図である。
【００４１】
同図から明らかなように、かかる光学素子１０では＋１次回折光と−１次回折光の回折効率は異なり、たとえば溝深さｄが０．２μm＜ｄ≦０．４μmの範囲では＋１次回折光にその大半を集中している。このことから、領域分割されたサブ波長凹凸構造の溝深さｄを適宜設定することにより特定の次数の光のみに偏りをもって回折させることが可能であることがわかる。このことは、他の次数の回折光についても同様に可能である。すなわち、所定の偏光成分を所定の次数に偏りを持って回折するように溝深さｄが設定される。
このように、光学素子１０に入射した光束は偏光方向により回折方向が異なり、且つ各偏光方向の光束の回折する方向が特定の次数のみに回折されるように設定される。 
【００４２】
（回折角について）
なお図８において符号αは第１の回折格子面によるレーザ光の回折角を示す。回折角度αは、回折格子周期Ｐｎとし、使用波長λ１とした場合、下式を満足する値として求められる。
ｓｉｎ（α）＝λ１／Ｐｎ
使用用途に応じてＰｎを選択すればよい。
【００４３】
図１１乃至図１５に基づいて回折素子の実施例３を示す。
図１１は本実施例の回折素子を示している。図１の構成と同様である。回折素子１では、入射光の波長λ以下の周期をもつ第１のサブ波長凹凸構造Ａと、第２のサブ波長凹凸構造Ｂとが基板１０上に形成されている。
サブ波長凹凸構造はＡ、Ｂを一組として回折素子上に波長以上の周期（回折格子周期とよぶこととする）で連続的に形成されている。サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂはそれぞれ溝方向、ピッチ、フィリングファクタが異なっている。一方、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの溝深さは等しく設定されている。
回折素子１に入射した光束は波長により透過、もしくは±１次回折するように設定されている。
【００４４】
図１１の斜視図部分は、図１１の左上に平面的に表示された回折素子１に形成されているサブ波長凹凸構造の拡大図であり、回折素子１に形成されている回折格子周期の２．５周期分を示している。
図１１に示すように、波長以上の周期構造に、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂが重畳された構造となっている。サブ波長凹凸構造ＡはＰ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。またサブ波長凹凸構造ＢはＳ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。
図１１の符号を用いて説明すると、Ｋは、回折素子に形成されている波長以上の周期構造の周期（回折格子周期）を表す。
Ｌ１は、後述するサブ波長凹凸構造Ａが形成されている領域の幅である。
Ｌ２は、後述するサブ波長凹凸構造Ｂが形成されている領域の幅である。
ｑ１は、サブ波長凹凸構造Ａの周期を表す。
ｍ１は、サブ波長凹凸構造Ａの凸部の幅である。
ｍ１／ｑ１は、サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタである。なおｑ１とｍ１の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｑ２は、サブ波長凹凸構造Ｂの周期を表す。
ｍ２は、サブ波長凹凸構造Ｂの凸部の幅である。
ｍ２／ｑ２は、サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタである。なおｑ２とｍ２の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｄ１、ｄ２は、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂかつ回折構造の溝深さを表し、本発明においてはサブ波長凹凸構造Ａ、Ｂのいずれにおいても等しいことを特徴としている。
【００４５】
（機能について）
回折素子１は、図１１に示すように、波長以上の周期Ｋを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２有するサブ波長凹凸構造が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、どの波長で回折するかの波長選択性を出している。これにより、図１２に示すように回折素子１は波長λ２の光が入射したときは回折し、波長λ１の光に対しては不感帯透過する。
サブ波長凹凸構造が呈する構造複屈折特性については上記の通りである。
【００４６】
（波長選択型の回折素子）
周期が入射光の波長λ以下のサブ波長凹凸構造は入射光を回折することはなく（入射光はそのまま透過する）、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。
図１３、図１４は、横軸：フィリングファクタに対する偏光方向別の屈折率を示す図である。また、凡例の欄に記載されてなるとおり、同図ではサブ波長凹凸構造のピッチも併せて変化している。
従来技術の式１、式２の近似式では現れないピッチサイズに伴う変化がＦＤＴＤ法を用いることで確認できる。
図１３は波長λ１＝４０５ｎｍのグラフであり、図１４は波長λ２＝６５０ｎｍの場合である。なお図１３の計算にはｎ＝２．３１３、波長４０５ｎｍを用いた。図１４の計算にはｎ＝２．１４９、波長６５０ｎｍを用いた。また、それぞれの図で凡例に記載した数値は、ピッチの値である。
【００４７】
このようにサブ波長凹凸構造の屈折率は図１５に示すようにフィリングファクタ、ピッチ、ＴＥかＴＭかに応じて変化する。
波長λ１＝４０５ｎｍで  ｎ＝２．３１３
波長λ２＝６５０ｎｍで  ｎ＝２．１４９の媒質に、
サブ波長凹凸構造Ａのピッチ：ｑ１＝40nm
サブ波長凹凸構造Ｂのピッチ：ｑ２＝220nm
サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタ：ｔ１＝0.62
サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタ：ｔ２＝0.62
とし、
偏光方向に対してサブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの溝方向をＰ偏光方向に対して０度、９０度とした場合、波長λ１の光に対しては、
サブ波長凹凸構造ＡのP方向の有効屈折率：ｎ１（λ１、P偏光）＝1.92
サブ波長凹凸構造ＡのS方向の有効屈折率：ｎ１（λ１、S偏光）＝1.96
サブ波長凹凸構造ＢのP方向の有効屈折率：ｎ２（λ１、P偏光）＝1.92
サブ波長凹凸構造ＢのS方向の有効屈折率：ｎ２（λ１、S偏光）＝2.11
となり、有効屈折率ｎ１（λ１、P偏光）とｎ２（λ１、P偏光）は等しい値を有する。
【００４８】
波長λ２の光に対しては、
サブ波長凹凸構造ＡのP方向の有効屈折率：ｎ１（λ２、P偏光）＝1.80
サブ波長凹凸構造ＡのS方向の有効屈折率：ｎ１（λ２、S偏光）＝1.40
サブ波長凹凸構造ＢのP方向の有効屈折率：ｎ２（λ２、P偏光）＝1.53
サブ波長凹凸構造ＢのS方向の有効屈折率：ｎ２（λ２、S偏光）＝1.87
となり、有効屈折率ｎ１（λ２、P偏光）、ｎ２（λ２、S偏光）は異なる値を有する。
このような構造とすることにより、図１２（ａ）に示すように、回折構造の周期方向に平行なＰ偏光をもつ波長λ１の入射光に対しては、この回折素子１は一様な屈折率をもつ板状体となるから、この入射光は回折素子１を通過し、回折現象は生じない。
【００４９】
一方、波長λ２の入射光に対しては回折する。回折構造のストライプ方向と同一なP偏光を入射させるか、垂直なＳ偏光を入射させても回折するが、有効屈折率差は異なる。すなわち、
P偏光方向の光が入射したときは、有効屈折率差：Δｎ＝1.80-1.53
S偏光方向の光入射したときは、有効屈折率差：Δｎ＝1.87-1.40
となる。有効屈折率差が大きいほど、同一の回折効率の光を得るためにはサブ波長凹凸構造の溝深さとしては浅溝ですみ、生産性は高くなる。
このようにして、回折素子１は波長選択性、さらには偏光選択性を有する回折素子の機能をもつことになる。
【００５０】
（溝深さと回折効率）
回折素子１の回折効率はサブ波長凹凸構造の溝深さ（回折構造の溝深さとも表現できる）により調整可能である。図１５は入射光の偏光方向に対する±１次回折光の回折効率（実線で示す）および０次光の透過効率（破線で示す）を示している。
すなわち、図１５は、
波長λ１＝４０５ｎｍで  ｎ＝２．３１３
波長λ２＝６５０ｎｍで  ｎ＝２．１４９の媒質に、
サブ波長凹凸構造Ａのピッチ：ｑ１＝40nm
サブ波長凹凸構造Ｂのピッチ：ｑ２＝220nm
サブ波長凹凸構造Ａのフィリングファクタ：ｔ１＝0.62
サブ波長凹凸構造Ｂのフィリングファクタ：ｔ２＝0.62
とし、
入射光として、波長λ１のP偏光方向の光、波長λ２のP偏光方向の光を入射させた場合、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの溝方向をＰ偏光方向に対して０度、９０度とし、回折格子周期Ｋ＝５μｕｍ、サブ波長凹凸構造Ａ、Ｂの幅をそれぞれ２．５μｍとした場合の溝深さｄに対する回折効率の変化を示した図である。
特に、溝深さとして０．１９６μｍを選択した場合は、Ｐ偏光による回折光は発生せず不感帯透過し、Ｓ偏光に対しては±１次回折する回折素子が実現可能である。
【００５１】
（回折角について）
なお、図１２において符号αは第１の回折格子面によるレーザ光の回折角を示す。回折角度αは、回折格子周期Ｋとし、使用波長λ１とした場合、下式を満足する値として求められる。
ｓｉｎ（α）＝λ２／Ｋ
使用用途に応じてＫを選択すればよい。
【００５２】
図１６乃至図２２に基づいて回折素子の実施例４を示す。図１６は素子全体構成図で図６と同じ図、図１７はSWS部の拡大図で図７と同じ図である。
回折素子１0では、入射光の波長λ以下の周期をもつ５種類のサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５が基板１１上に形成されている。サブ波長凹凸構造は２１、２２、２３、２４、２５を一組として回折素子上に波長以上の周期（回折格子周期とよぶこととする）で連続的に形成されている。サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５はそれぞれ溝方向、溝の凹と凸の幅の比（フィリングファクタとよぶ）が異なっている。一方、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の溝深さは等しく設定されている。
回折素子１0に入射した光束は波長および偏光方向により回折方向が異なり、且つ特定の次数のみに回折されるように設定されている。
【００５３】
図１７は回折素子１0に形成されているサブ波長凹凸構造の拡大図であり、回折素子１0に形成されている回折格子周期の１周期分を示している。
図１６、図１７に記載されている符号について説明する。波長以上の周期構造に、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５が重畳された構造となっている。サブ波長凹凸構造２１はＰ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。またサブ波長凹凸構造２５はＳ偏光方向に溝方向をもつ波長以下の周期を有する。またサブ波長凹凸構造２２、２３、２４は、サブ波長凹凸構造２１、２５の間の溝方向をもつ波長以下の周期を有する。
Ｐｎは、回折素子に形成されている波長以上の周期構造の周期（回折格子周期）を表す。
Ｌ１は、後述するサブ波長凹凸構造２１が形成されている領域の幅である。
Ｌ２は、後述するサブ波長凹凸構造２２が形成されている領域の幅である。
Ｌ３は、後述するサブ波長凹凸構造２３が形成されている領域の幅である。
Ｌ４は、後述するサブ波長凹凸構造２４が形成されている領域の幅である。
Ｌ５は、後述するサブ波長凹凸構造２５が形成されている領域の幅である。
ｐ１は、サブ波長凹凸構造２１の周期を表す。
ｑ１は、サブ波長凹凸構造２１の凸部の幅である。
ｑ１／ｐ１は、サブ波長凹凸構造２１のフィリングファクタである。なおｐ１とｑ１の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ２は、サブ波長凹凸構造２２の周期を表す。
ｑ２は、サブ波長凹凸構造２２の凸部の幅である。
ｑ２／ｐ２は、サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタである。なおｐ２とｑ２の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ３は、サブ波長凹凸構造２３の周期を表す。
ｑ３は、サブ波長凹凸構造２３の凸部の幅である。
ｑ３／ｐ３は、サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタである。なおｐ３とｑ３の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ４は、サブ波長凹凸構造２４の周期を表す。
ｑ４は、サブ波長凹凸構造２４の凸部の幅である。
ｑ４／ｐ４は、サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタである。なおｐ４とｑ４の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｐ５は、サブ波長凹凸構造２５の周期を表す。
ｑ５は、サブ波長凹凸構造２５の凸部の幅である。
ｑ５／ｐ５は、サブ波長凹凸構造２５のフィリングファクタである。なおｐ５とｑ５の値は、溝方向に垂直に切り出した断面での値である。
ｄは、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５かつ回折構造の溝深さを表し、本発明においてはサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のいずれにおいても等しいことを特徴としている。
【００５４】
（機能について）
回折素子１0は、図１７に示すように、波長以上の周期Ｐｎを有する周期構造に、さらに波長よりも短い周期ｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４、ｑ５を有するサブ波長凹凸構造が形成されてなる。波長以上の周期構造に応じて入射光は回折し、サブ波長凹凸構造によっていずれの波長で回折するかの波長選択性を出している。
これにより、図１８に示すように回折素子１0は波長λ２の光が入射したときは回折し、波長λ１のP偏光成分の光に対しては不感帯透過する。
【００５５】
（サブ波長凹凸構造が呈する構造複屈折特性について）
以上、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のうちの回折構造のストライプ方向と平行なサブ波長凹凸構造２１、直交するサブ波長凹凸構造２５の有効屈折率については実施例３の回折素子で説明したとおりであるが、本実施例においては、サブ波長凹凸構造２１と２５の間には入射光の回折構造のストライプ方向には平行でも直交もしないサブ波長凹凸構造２２、２３、２４が形成されてなる。
サブ波長凹凸構造２２、２３、２４の溝方向、フィリングファクタ、ピッチの実施例について説明する。
まずサブ波長凹凸構造２３は、Ｐ偏光方向に対して４５度の方向にある。或いはサブ波長凹凸構造２１と２５の中間の溝方向を有するとも表現できる。このような溝方向で、かつサブ波長凹凸構造のピッチがサブ波長凹凸構造２１と２５の略中間値（詳細にはＦＤＴＤ法で算出する）、サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタとしてサブ波長凹凸構造２１、２５と同じフィリングファクタを選択した（ｔ１＝ｔ５＝ｔ３となる）場合においては、その有効屈折率はサブ波長凹凸構造２１と２５の中間値とすることができる。
【００５６】
同様に、サブ波長凹凸構造２２は、Ｐ偏光方向に対して２２．５度の方向にある。或いはサブ波長凹凸構造２１と２３の中間の溝方向を有するとも表現できる。このような溝方向で、かつサブ波長凹凸構造のピッチがサブ波長凹凸構造２１と２３の略中間値（詳細にはＦＤＴＤ法で算出する）、サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタとしてサブ波長凹凸構造２１、２３と同じフィリングファクタを選択した（ｔ１＝ｔ３＝ｔ２となる）場合においては、その有効屈折率はサブ波長凹凸構造２１と２３の中間値とすることができる。
同様に、サブ波長凹凸構造２４は、Ｐ偏光方向に対して６７．５度の方向にある。或いはサブ波長凹凸構造２３と２５の中間の溝方向を有するとも表現できる。このような溝方向で、かつサブ波長凹凸構造のピッチがサブ波長凹凸構造２３と２５の略中間値（詳細にはＦＤＴＤ法で算出する）、サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタとしてサブ波長凹凸構造２３、２５と同じフィリングファクタを選択した（ｔ３＝ｔ５＝ｔ４となる）場合においては、その有効屈折率はサブ波長凹凸構造２３と２５の中間値とすることができる。
【００５７】
（波長選択型の回折素子）
周期が入射光の波長λ以下のサブ波長凹凸構造は入射光を回折することはなく（入射光はそのまま透過する）、入射光に対して複屈折特性を示す。すなわち、入射光の偏光方向に応じて異なる屈折率を示す。
図１９、２０、２１は、横軸：フィリングファクタに対する偏光方向別の屈折率を示す図である。また、凡例の欄に記載されてなるとおり、同図ではサブ波長凹凸構造の溝方向とピッチも併せて変化させている。
波長λ１＝４０５ｎｍで  ｎ＝２．３１３
波長λ２＝６５０ｎｍで  ｎ＝２．１４９の媒質に、
サブ波長凹凸構造２１のピッチ：ｑ１＝40nm
サブ波長凹凸構造２２のピッチ：ｑ２＝85nm
サブ波長凹凸構造２３のピッチ：ｑ３＝130nm
サブ波長凹凸構造２４のピッチ：ｑ４＝175nm
サブ波長凹凸構造２５のピッチ：ｑ５＝220nm
サブ波長凹凸構造２１のフィリングファクタ：ｔ１＝0.62
サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタ：ｔ２＝0.62
サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタ：ｔ３＝0.62
サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタ：ｔ４＝0.62
サブ波長凹凸構造２５のフィリングファクタ：ｔ５＝0.62
とし、
サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の溝方向をＰ偏光方向に対して０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度とした場合、
波長λ=405nmのP偏光方向の光が入射した場合は、図１９から、
サブ波長凹凸構造２１のＰ方向の有効屈折率：ｎ１（λ１、P偏光）＝1.92
サブ波長凹凸構造２２のＰ方向の有効屈折率：ｎ２（λ１、P偏光）＝1.92
サブ波長凹凸構造２３のＰ方向の有効屈折率：ｎ３（λ１、P偏光）＝1.92
サブ波長凹凸構造２４のＰ方向の有効屈折率：ｎ４（λ１、P偏光）＝1.92
サブ波長凹凸構造２５のＰ方向の有効屈折率：ｎ５（λ１、P偏光）＝1.92
が得られる。
【００５８】
また、λ=660nmのP偏光方向の光が入射した場合は、図２０から、
サブ波長凹凸構造２１のS方向の有効屈折率：ｎ１（λ２、P偏光）＝1.80
サブ波長凹凸構造２２のS方向の有効屈折率：ｎ２（λ２、P偏光）＝1.74
サブ波長凹凸構造２３のS方向の有効屈折率：ｎ３（λ２、P偏光）＝1.67
サブ波長凹凸構造２４のS方向の有効屈折率：ｎ４（λ２、P偏光）＝1.60
サブ波長凹凸構造２５のS方向の有効屈折率：ｎ５（λ２、P偏光）＝1.53
となる。
【００５９】
また、λ=660nmのS偏光方向の光が入射した場合は、図２１から、
サブ波長凹凸構造２１のS方向の有効屈折率：ｎ１（λ２、S偏光）＝1.40
サブ波長凹凸構造２２のS方向の有効屈折率：ｎ２（λ２、S偏光）＝1.52
サブ波長凹凸構造２３のS方向の有効屈折率：ｎ３（λ２、S偏光）＝1.63
サブ波長凹凸構造２４のS方向の有効屈折率：ｎ４（λ２、S偏光）＝1.75
サブ波長凹凸構造２５のS方向の有効屈折率：ｎ５（λ２、S偏光）＝1.87
となる。
【００６０】
このような構造とすることにより、図１８（ａ）に示すように、波長λ１：λ＝４０５ｎｍのＰ偏光をもつ入射光に対しては、この回折素子１０は一様な屈折率をもつ板状体となるから、この入射光は回折素子１を通過し、回折現象は生じない。
一方、波長λ２：λ＝６５０ｎｍのＰ偏光をもつ入射光に対しては、回折素子１０は回折格子周期で屈折率が変化した回折素子となる。したがって、図１８（ｂ）に示すように、このような入射光は回折される。
波長λ２：λ＝６５０ｎｍのＳ偏光をもつ入射光に対しては、回折素子１０は回折格子周期で屈折率が変化した回折素子となり、回折光が発生するが、その回折光は図１８（ｂ）とは反対の次数の回折光が強く発生する。
このように、波長λ２の入射光に対しては回折する。回折構造のストライプ方向と同一なP偏光を入射させるか、垂直なＳ偏光を入射させても回折するが、有効屈折率差は異なる。すなわち、サブ波長凹凸構造２１と２５に着目すると、
P偏光方向の光が入射したときは、有効屈折率差：Δｎ＝1.80-1.53
S偏光方向の光入射したときは、有効屈折率差：Δｎ＝1.87-1.40
となる。有効屈折率差が大きいほど、同一の回折効率の光を得るためにはサブ波長凹凸構造の溝深さとしては浅溝ですみ、生産性は高くなる。
【００６１】
（溝深さと回折効率）
回折素子１の回折効率はサブ波長凹凸構造の溝深さ（回折構造の溝深さとも表現できる）により調整可能である。図２２は入射光の偏光方向に対する±１次回折光の回折効率（実線で示す）および０次光の透過効率（破線で示す）を示している。
すなわち、図２２は、
波長λ２：λ＝６５０ｎｍ、屈折率ｎ＝２．１４９で、
サブ波長凹凸構造２１のピッチ：ｑ１＝40nm
サブ波長凹凸構造２２のピッチ：ｑ２＝85nm
サブ波長凹凸構造２３のピッチ：ｑ３＝130nm
サブ波長凹凸構造２４のピッチ：ｑ４＝175nm
サブ波長凹凸構造２５のピッチ：ｑ５＝220nm
サブ波長凹凸構造２１のフィリングファクタ：ｔ１＝0.62
サブ波長凹凸構造２２のフィリングファクタ：ｔ２＝0.62
サブ波長凹凸構造２３のフィリングファクタ：ｔ３＝0.62
サブ波長凹凸構造２４のフィリングファクタ：ｔ４＝0.62
サブ波長凹凸構造２５のフィリングファクタ：ｔ５＝0.62
とし、
偏光方向に対してサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の溝方向をＰ偏光方向に対して０度、２２．５度、４５度、６７．５度、９０度とし、
回折格子周期Ｐ＝５μｍ
サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の幅をそれぞれ１μｍとした場合の溝深さｄに対する回折効率の変化を示した図である。
【００６２】
同図から明らかなように、かかる光学素子１０では＋１次回折光と−１次回折光の回折効率は異なり、たとえば溝深さｄが1.5um＜ｄ≦2.5umの範囲では＋１次回折光にその大半を集中している。このことから、領域分割されたサブ波長凹凸構造の溝深さｄを適宜設定することにより特定の次数の光のみに偏りをもって回折させることが可能であることがわかる。
このことは、他の次数の回折光についても同様に可能である。すなわち、所定の偏光成分を所定の次数に偏りを持って回折するように溝深さｄが設定される。
このように、光学素子１０に入射した光束は波長、偏光方向により回折方向が異なり、且つ各偏光方向の光束の回折する方向が特定の次数のみに回折されるように設定される。
【００６３】
（回折角について）
なお図１８において符号αは第１の回折格子面によるレーザ光の回折角を示す。回折角度αは、回折格子周期Ｐｎとし、使用波長λ１とした場合、下式を満足する値として求められる。
ｓｉｎ（α）＝λ２／Ｐｎ
使用用途に応じてＰｎを選択すればよい。
【００６４】
＜回折素子の作製方法＞
（石英を基材とした型）
上記各実施例で示した回折素子の作製手順を説明する。
素子の作製の説明に先立って型の作成方法を説明する。
図２３は石英を基材とした型の作成方法を説明するための図である。同図（ａ）において、石英材料を基板とし、その表面に電子線描画用のレジストを所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、回折格子の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
同図（ｂ）において、レジストに対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造が形成される。溝の底は石英基材が露出している。
同図（ｃ）において、サブ波長凹凸構造のレジストパターンをマスクとして石英のドライエッチングを行う。エッチングには、ＲＩＥＮＬＤ、ＴＣＰ等のエッチング装置にて、ＣＦ４、ＣＦ３ガスを用いる。基板にバイアスをかけることで、面に垂直にエッチングを進行させる。
同図（ｄ）において、レジストを剥離する。剥離の方法はドライエッチング装置内で、酸素ガスを導入し、酸素ガスプラズマ中でレジスト除去を行う方法と、基板を装置から取り出してＣＡＲＯＳ洗浄で除去する方法とがある。
完成したものを石英型として用いる。
【００６５】
（シリコンを基材とした型）
図２４はシリコンを基材とした型の作成方法を説明するための図である。
同図（ａ）において、シリコン（１１０）を基板とし、その表面に電子線描画用のレジストを所定の厚さに塗布し、プリベークする。予め設計されたプログラムにより、回折格子の諸元に対応したピッチ・線幅に描画する。
同図（ｂ）において、レジストに対し、現像およびリンスを行うことにより、レジスト上にサブ波長凹凸構造が形成される。溝の底はシリコン基材が露出している。
同図（ｃ）において、サブ波長凹凸構造のレジストパターンをマスクとしてシリコンのアルカリウェットエッチング（ＫＯＨ溶液使用）を行う。シリコン基板は｛１１１｝面の壁として、ピッチを維持したまま深さ方向にエッチングされる。
なお、ボッシュプロセス用いたドライエッチングでも同様の構造を制作できる。
同図（ｄ）において、レジストを剥離する。
完成したものをシリコン型として用いる。
このようにして作られた石英型、あるいはシリコン型を便宜上、金型と呼ぶことがある。
【００６６】
（モールド型を利用して回折格子作製）
図２５はシリコン膜とモールド型を利用してガラス基板に回折素子を形成する手順を示す図である。
同図（ａ）において、ガラス基板表面にシリコン膜（Ｓｉ膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次のような条件で用いる。
１．基板温度  ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：７〜８×１０―４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度  ：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ
同図（ｂ）において、Ｓｉ膜上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、上からモールドで押圧する。モールド型としてはシリコン型、石英型ともに使用しうるが、微細構造を形成するナノインプリントにおいては、石英金型の方が光透過性なので適している。ＵＶ硬化樹脂はグランディックＲＣ８７９０（大日本インキ製）を用いる。
同図（ｃ）において、モールド背面からＵＶ（紫外線）を照射し、樹脂を固める。モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板側から与える。
同図（ｄ）において、モールド型を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
同図（ｅ）において、ドライエッチングで、Ｓｉが露出するまで樹脂を除去する。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：酸素ガス（Ｏ２）
２．ガス流入量        ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．４Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：６０Ｗ
同図（ｆ）において、ガラスが露出するまでＳｉと樹脂をドライエッチングする。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：ＳＦ６、ＣＨＦ３
２．ガス流入量
ＳＦ６  ：２０ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：  ５ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．３Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：  ５ｎｍ／ｓｅｃ
Ｓｉエッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：５０Ｗ
同図（ｇ）において、ガラス溝が所望の深さになるまでドライエッチングする。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ    ：  ５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：２０ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．３Ｐａ
４．Ｓｉエッチング速度：  ４ｎｍ／ｓｅｃ
ガラスエッチング速度：１２ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：４００Ｗ
同図（ｈ）において、最上部に残ったＳｉ膜を剥離処理により除去する。シリコンマスクはアルカリ（ＫＯＨ）液でウェット剥離する。
同図（ｉ）の状態になって回折素子完成。ガラス基板自身の片面が回折素子になっている。
【００６７】
（モールド型を利用して回折格子作製）
図２６はガラス基板にＴｉ２Ｏ５を成膜し、Ｔｉ２Ｏ５に回折素子を形成する手順を示す図である。
同図（ａ）において、ガラス基板表面にＴｉ２Ｏ５膜（５酸化タンタル膜）を形成する。
形成方法としては、スパッタリング法を次のような条件で用いる。
１．基板温度  ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：５〜８×１０―４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度  ：０．７〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：３００〜５００Ｗ
同図（ｂ）において、Ｔｉ２Ｏ５膜上にＵＶ硬化樹脂を塗布し、上からモールド型で押圧する。モールド型としてはシリコン型、石英型ともに使用しうるが、微細構造を形成するナノインプリントにおいては、石英金型の方が光透過性なので適している。ＵＶ硬化樹脂はグランディックＲＣ８７９０（大日本インキ製）を用いる。
同図（ｃ）において、モールド背面からＵＶ（紫外線）を照射し、樹脂を固める。モールド型としてシリコン金型を用いる場合は、ＵＶをガラス基板側から与える。
同図（ｄ）において、モールド型を離型する。ＵＶ硬化樹脂に凸状の微細構造が形成されている。
同図（ｅ）において、Ｔｉ２Ｏ５が露出するまで樹脂をドライエッチングする。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：酸素ガス（Ｏ２）
２．ガス流入量        ：２０ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．４Ｐａ
４．樹脂エッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：６０Ｗ
同図（ｆ）において、Ｔｉ２Ｏ５溝が所望の深さになるまでドライエッチングする。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ    ：  ５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：２０ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．３Ｐａ
４．Ｔｉ２Ｏ５エッチング速度：  ８ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：４００Ｗ
最後に、最上部に残った樹脂マスクを酸素ガス（プラズマ）中でドライエッチングによる剥離処理により除去する。
同図（ｇ）の状態になって回折素子完成。ガラス基板上の５酸化タンタルが回折素子を形成している。
【００６８】
（モールド型を利用せずに回折格子作製）
図２７は金型を使用しない回折素子の製法を説明するための図である。
同図（ａ）において、ガラス基板表面にシリコン膜（Ｓｉ膜）を形成する。形成方法としては、スパッタリング法を次のような条件で用いる。
１．基板温度  ：７０〜１００℃
２．製膜時圧力：７〜８×１０―４Ｔｏｒｒ
３．成膜速度  ：０．５〜１．０Å／ｓｅｃ
４．ＲＦパワー：１００〜２００Ｗ
同図（ｂ）において、Ｓｉ膜上に電子線用レジストを塗布する。
同図（ｃ）において、「高精度微細幅露光装置」によって、Ｉ線ステッパを使用する。露光後、現像工程を経て部分的にレジストを除去し、Ｓｉを露出させる。残っているレジストは、以後のエッチング用マスクパターンとなる。
同図（ｄ）において、ガラスが露出するまでＳｉをドライエッチングする。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：ＳＦ６、ＣＨＦ３
２．ガス流入量
ＳＦ６  ：２０ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：  ５ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．４Ｐａ
４．Ｓｉエッチング速度：３０ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：５０Ｗ
同図（ｅ）において、ガラス溝が所望の深さになるまでドライエッチングする。
ドライエッチングは以下の条件で行う。
１．ガス種            ：ＣＨＦ３、Ａｒ
２．ガス流入量
Ａｒ    ：  ５ｓｃｃｍ
ＣＨＦ３：２０ｓｃｃｍ
３．圧力              ：０．３Ｐａ
４．ガラスエッチング速度：１２ｎｍ／ｓｅｃ
５．上部バイアス電力  ：１ＫＷ
６．下部バイアス電力  ：４００Ｗ
同図（ｆ）において、最上部に残ったＳｉ膜を剥離処理により除去する。シリコンマスクはアルカリ（ＫＯＨ）液でウェット剥離する。
同図（ｇ）の状態になって回折素子完成。ガラス基板自身の片面が回折素子になっている。
【００６９】
上記実施例では回折格子周期が一定の構造の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、不等間隔の周期構造であってもよい。この場合、その最小間隔（周期）が入射光の波長λ以上であればよい。不等間隔の周期構造とすることにより、レンズ機能をもった回折素子が実現できる。
上記実施例では回折構造のパタンが直線の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、曲線状のパタンであってもよい。このような曲線状のパタンとすることによりレンズ機能や収差補正などの用途に適用可能となる。
上記実施例では、５種類のサブ波長凹凸構造を有する回折素子について説明したが、５種類に限定されるものでなく、３種類以上であればよい。この種類の数に応じて特定の次数の回折光の最大回折効率（すなわち特定の溝深さを設定することにより発生する回折光の強度）が決まる。領域の数を多いほど回折効率は大きくなる。
上記実施例では透過型の回折素子について説明したが、反射型の回折素子であってもよい。すなわち図２８に示すように、ガラス基板の片側の面に回折構造を設け、回折構造の下地に反射層をつけてやることにより反射型回折素子３０としてもよい。
サブ波長凹凸構造として回折素子の実施例２を適用すると、図２８のように入射ランダム偏光のうち、Ｐ偏光成分は回折面を不感帯透過しそのまま反射面を正反射し、Ｓ偏光成分は回折して往路と同一方向に反射回折する構成を示している。目的に応じて各偏光成分の光量比、反射回折光の方向を任意に設定することが可能である。
【００７０】
上記実施例では基板の一表面上にサブ波長凹凸構造を形成した例について説明したが、これに限られるものではなく、基板のもう一方の面に同一或いは異なるサブ波長凹凸構造を形成してやってもよい。
例えば、図２９に示すように、基板両面に回折構造を形成し、一方の面はＰ偏光のみに回折する構造とし、もう一方の面はＳ偏光のみに回折する構造を形成し、各々異なる回折方向となるようにサブ波長凹凸構造の溝方向およびフィリングファクタを設定することにより、Ｐ偏光Ｓ偏光ともに回折する回折素子２０を作ることが可能である。分離角が大きくできる効果を有する。
上記実施例では、サブ波長凹凸構造が平板上に形成された場合について説明したが、これに限られるものではなく、レンズのような曲面上に形成してやってもよい。
【００７１】
次に、上記各実施例で示した回折素子を用いた光学機器に関する実施例を示す。なお、本発明の回折素子の適用は、これらの図に示した構成に限定されるものではない。また、上述の光学素子もその機能に応じて適宜採用され得る。
【００７２】
（回折素子を用いた光学機器の実施例１：光ピックアップ）
図３０は、光ディスク等の光学的記録媒体としての光記録媒体である記録媒体に情報を記録し、また記録媒体４１に記録されている情報を読み取って、かかる情報の処理を行う光情報処理装置の一部を示している。この光情報処理装置５０は、かかる記録や読み取りを行うための光ピックアップ４０を備えている。
光ピックアップ４０は、光源としての半導体レーザ４２と、半導体レーザ４２から出射された出射光であるレーザ光を記録媒体４１に導く光ピックアップ光学系４３と、光ピックアップ４３によって記録媒体４１に導かれ記録媒体４１を経て再度光ピックアップ４３を経たレーザ光を受光する受光素子４４とを有している。
【００７３】
光ピックアップ光学系４３は、半導体レーザ４２から出射されたレーザ光を直線偏光とする偏光分離素子として機能する光学素子１０と、光学素子１０を経たレーザ光をコリメートするコリメータレンズ４５と、コリメータレンズ４５でコリメートされたレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板４６と、１／４波長板４６を経たレーザ光を記録媒体４１上に集光する対物レンズ４７とを有し、対物レンズ４７によって記録媒体４１上に集光することで記録媒体４１に対する情報の記録・再生を行う。
記録媒体４１で反射した光は対物レンズ４７を再度透過し、続く１／４波長板４６によって往路とは直交する円偏光に変換され、コリメータレンズ４５を経てから再度光学素子１０に入射し、往路とは異なる方向に偏光回折されて受光素子４４に導かれる。なお光学素子１０と受光素子４４との間には集光レンズ等の受光光学系を設けてもよい。
受光素子４４により記録媒体４１からの情報信号や、対物レンズ４７を支持する不図示のアクチュエータを動作させるためのサーボ信号が形成される。サーボ信号は、例えば非点収差法によるフォーカシング・エラー信号およびプッシュプル法によるトラッキング・エラー信号などが生成されることが一般に知られている。
【００７４】
このように、光学素子１０は、光ピックアップ光学系４３において、半導体レーザ４２から出射された光と、記録媒体４１から反射された光を受光素子４４に導くための光とについての光路分岐素子として機能し、半導体レーザ４２への戻り光を防止する光アイソレータとして使用可能である。
光学素子１０としては、実施例２の回折素子を適用すればよい。
このように光ピックアップ用の偏光分離素子として、光学素子１０を用いた場合、三角プリズムをはり合わせたキューブ型の偏光分離素子に比べ光学系がコンパクト化される。とくに光ピックアップ光学系の場合、近年のノートＰＣなどへの適用を考えると小型化は光学素子に求められる重要事項である。光学素子１０は特定次数の光のみを回折可能な偏光分離素子であるため、かかる光ピックアップに関して高効率な偏向光学系を実現可能としている。
【００７５】
その他、光学素子１０は、近年大容量光媒体として注目されてなるホログラフィを利用して光記録媒体に情報を記録する光ピックアップに用いられても良い。光学素子１０は、このようなホログラフィ用光ピックアップにおいて、入射光を入射光の光軸と異なる２つの直交する直線偏光の光に光路を分離する偏光分離素子として用いられ得る。
【００７６】
（回折素子を用いた光学機器の実施例２：光ピックアップ）
図３１に示すように、光ピックアップ４０は、光源としての半導体レーザ４２ａ、４２ｂと、半導体レーザ４２ａ、４２ｂから出射された出射光であるレーザ光を記録媒体４１に導く光ピックアップ光学系４３と、光ピックアップ４３によって記録媒体４１に導かれ記録媒体４１を経て再度光ピックアップ４３を経たレーザ光を受光する受光素子４４ａ、４４ｂとを有している。
ここで半導体レーザ４２ａは波長４０５ｎｍの光を出射する半導体レーザであり、半導体レーザ４２ｂは波長６５０ｎｍの光を出射する半導体レーザである。また受光素子４４ａは波長４０５ｎｍのレーザ光を受光するために設置されたものであり、受光素子４４ｂは波長６５０ｎｍのレーザ光を受光するために備えられている。
また記録媒体４１は、本実施例では波長４０５ｎｍのレーザ光で読み書きされる所謂Ｂｌｕ−ｒａｙディスクもしくは波長６５０ｎｍのレーザ光で読み書きされるＤＶＤディスクのいずれかである。
【００７７】
まずＢｌｕ−ｒａｙディスクに読み書きする場合について説明する。光ピックアップ光学系４３は、半導体レーザ４２ａから出射されたレーザ光は光学素子１０ａを不感帯透過し、光学素子１０ａを経たレーザ光をコリメートするコリメータレンズ４５と、コリメータレンズ４５でコリメートされたレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板４６と、１／４波長板４６を経たレーザ光を記録媒体４１上に集光する対物レンズ４７とを有し、対物レンズ４７によって記録媒体４１上に集光することで記録媒体４１に対する情報の記録・再生を行う。なおコリメータレンズ４５と１／４波長板４６の間には光路を切り替える偏光ビームスプリッタが配置されている。記録媒体４１で反射した光は対物レンズ４７を再度透過し、続く１／４波長板４６によって往路とは直交する円偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１１を反射せずに透過して光学素子１０ｂを不感帯透過して受光素子４４ａに導かれる。
なお光学素子１０ｂと受光素子４４ａとの間には集光レンズ等の受光光学系を設けてもよい。受光素子４４ａにより記録媒体４１からの情報信号や、対物レンズ４７を支持する不図示のアクチュエータを動作させるためのサーボ信号が形成される。サーボ信号は、例えば非点収差法によるフォーカシング・エラー信号およびプッシュプル法によるトラッキング・エラー信号などが生成されることが一般に知られている。
【００７８】
次にＤＶＤディスクに読み書きする場合について説明する。光ピックアップ光学系４３は、半導体レーザ４２ｂから出射されたレーザ光は光学素子１０ａを回折し、光学素子１０ａを経たレーザ光をコリメートするコリメータレンズ４５と、コリメータレンズ４５でコリメートされたレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板４６と、１／４波長板４６を経たレーザ光を記録媒体４１上に集光する対物レンズ４７とを有し、対物レンズ４７によって記録媒体４１上に集光することで記録媒体４１に対する情報の記録・再生を行う。
なおコリメータレンズ４５と１／４波長板４６の間には光路を切り替える偏光ビームスプリッタ１１が配置されている。記録媒体４１で反射した光は対物レンズ４７を再度透過し、続く１／４波長板４６によって往路とは直交する円偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１１を反射せずに透過して光学素子１０ｂを回折して受光素子４４ｂに導かれる。なお光学素子１０ｂと受光素子４４ａとの間には集光レンズ等の受光光学系を設けてもよい。受光素子４４ｂにより記録媒体４１からの情報信号や、対物レンズ４７を支持する不図示のアクチュエータを動作させるためのサーボ信号が形成される。サーボ信号は、例えば非点収差法によるフォーカシング・エラー信号およびプッシュプル法によるトラッキング・エラー信号などが生成されることが一般に知られている。
このように、光学素子１０ａ、１０ｂは、光ピックアップ光学系４３において、半導体レーザ４２ａから出射された光と、半導体レーザ４２ｂから出射された光を合成したり、分岐したりするように機能する。
光学素子１０ａ、ｂとしては、実施例４の回折素子を適用すればよい。
【００７９】
このように光ピックアップ用の偏光分離素子として、光学素子１０ａ、ｂを用いた場合、三角プリズムをはり合わせたキューブ型のダイクロイックプリズムに比べ光学系がコンパクト化される。とくに光ピックアップ光学系の場合、近年のノートＰＣなどへの適用を考えると小型化は光学素子に求められる重要事項である。光学素子１０ａ、ｂは特定次数の光のみを回折可能な波長選択性分離素子であるため、かかる光ピックアップに関して高効率な偏向光学系を実現可能としている。
【００８０】
（回折素子を用いた光学機器の実施例３：光減衰器）
図３２は、直線透過光の効率が変化する液晶素子及びこれを用いた電圧可変の光減衰器を示している。
液晶素子６０は、一対の電極付き基板６１と、これら基板６１間に位置する液晶セルとしての液晶層６２と、液晶層６２を構成する液晶をかかる基板６１間に封入して液晶層６２を形成するシール６３とを有している。
光減衰器７０は、液晶素子６０と、基板６１間に電圧を印加して液晶層６２を形成する液晶の配向を制御する電圧印加部７１と、液晶素子６０の両側に設けられた光学素子１０とを有している。
このような光減衰器７０において、液晶素子６０へ入射する、直交した偏光方向を有する２つの直線偏光は、第１の偏光性ビームスプリッタとして機能する偏光性回折構造である一方の光学素子１０により偏光方向に応じて進行経路が互いに異なって液晶層６２を透過し、液晶層６２が特定のリタデーション値を有するとき第２の偏光性ビームスプリッタとして機能する偏光性回折構造である他方の光学素子１０を透過する２つの直線偏光は液晶素子６０の入射光と同じ進行方向に互いに揃って出射するようになっている。
【００８１】
したがって、光減衰器７０において、互いに揃って出射するように電圧印加部７１により液晶素子６０に電圧を印加した場合が直線透過光は最大となり、回折によって直進方向から光がずれると直線透過光は減衰される。液晶素子６０は光学素子１０を経た光を減衰させる減衰手段として機能する。
光学素子１０としては、実施例２の回折素子を適用すればよい。
このように光学素子１０を光減衰器７０に適用する場合、液晶層６２を挟持するガラス基板１１の表面に偏光分岐を行う回折構造１２を形成するだけで同機能が実現され、部品点数を最小限に抑えることが可能である。
【００８２】
（回折素子を用いた光学機器の実施例４：偏光変換素子）
図３３は、ランダム偏光を一偏光方向に揃える偏光変換素子を示している。
偏光変換素子８０は、光学素子１０と、光学素子１０に対して入射光を入射させる開口部８１を形成する遮光部材８２と、光学素子１０の出射側の、開口部８１に対する対向位置において基板１１上に形成された１／２波長板８３と、光学素子１０の出射側に１／２波長板８３を挟むようにして基板１１上に形成されたプリズム８４とを有している。
偏光変換素子８０において、開口部８１から入射されるランダムな偏光方向を有する光束は、偏光分離を行う回折構造１２に入射し、Ｐ偏光成分は０次回折光として回折せずに直進し、Ｓ偏光成分は１次回折光として回折分離される。回折構造１２を直進したＰ偏光成分は、光学素子１０を透過した後、１/２波長板８３で偏光方向をＳ偏光に変換され射出する。よって１/２波長板８３は光学素子１０を経た光の偏光成分を変換する変換素子として機能している。
【００８３】
一方、回折構造１２に入射したＳ偏光成分は回折構造１２で回折した後、プリズム８４で偏向され、１/２波長板８３を通過した光束と射出方向が揃えられＳ偏光のまま射出する。よってプリズム８４は偏光変換素子８０への光束の入射方向と射出方向をほぼ平行とする偏向部材たる光学部材として機能している。
このようにして、偏光変換素子８０により、ランダムな偏光方向を有する光束は、射出時にはＳ偏光成分に揃った光束として射出することになる。
光学素子１０としては、実施例２の回折素子を適用すればよい。
【００８４】
（偏光変換素子の変形例）
偏光変換素子８０は、１/２波長板８３、プリズム８４に代えて、これらと同機能の回折構造１２を備えた構成としてもよく、この場合、一枚のガラス基板１１の各面に回折構造１２を形成するだけで偏光変換素子８０が実現される。
このように光学素子１０を偏光変換素子に適用することにより、簡易な構成で高精度な偏光変換素子が実現される。
【００８５】
（回折素子を用いた光学機器の実施例５：プロジェクタ）
図３４は、被投影体としてのスクリーンに所定の画像を投影して画像を形成する画像形成装置としての投影装置たる光学機器であるプロジェクタの一部を示している。このプロジェクタ９０は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを含む光束を出射する光源部９２と、光源部９２から出射された光束を用いて画像をスクリーン９１に投影するためのプロジェクタ光学系９３と、プロジェクタ光学系９３によってスクリーン９１に投影する画像を処理するパーソナルコンピュータ等によって構成される画像処理部９４とを有している。
プロジェクタ光学系９３は、光源部９２とスクリーン９１との間に位置する光学素子１０と、光源部９２からの光束のうち光学素子１０と反対側に射出した光束を光学素子１０側に反射させる反射鏡９５と、光学素子１０からの出射光を与えられた画像信号に基づいて変調する、液晶素子等から成る光変調手段としての液晶パネル９６と、液晶パネル９６を経た光をスクリーン９１上に結像させる等の機能を有する投射光学系９７とを有し、光学素子１０により変調された光束をスクリーン９１に投写し、スクリーン９１上に、液晶パネル９６によって調整された画像を形成する。光学素子１０はプロジェクタ光学系９３におけるキーパーツとなっている。
【００８６】
プロジェクタ光学系９３は、上述した種々の光学素子、光減衰器７０、偏光変換素子８０等を適宜組み込むことが可能であり、プロジェクタ９０は、上述した種々の光学素子、光ピックアップ４０、光情報処理装置５０、光減衰器７０、偏光変換素子８０等を適宜組み込むことが可能である。
【００８７】
図３５は、被投影体としてのスクリーンに所定の画像を投影して画像を形成する画像形成装置としての投影装置たる光学機器であるプロジェクタの一部を示している。
このプロジェクタ９０は、青色領域（波長４０５ｎｍ〜波長５００ｎｍのいずれかを中心波長とする）の半導体レーザ９２ａ、緑色領域（波長５００ｎｍ〜波長６００ｎｍのいずれかを中心波長とする）の半導体レーザ９２ｂ、赤色領域（波長６００ｎｍ〜波長７００ｎｍのいずれかを中心波長とする）の半導体レーザ９２ｃを具備し、その後段に光学素子１０ｃ、コリメートレンズ４５、光走査素子９７を具備している。
光学素子１０ｃは回折素子の実施例２で説明した回折素子の変形例である。また光走査素子９７は電気的に駆動するＭＥＭＳ素子である。
光学素子１０ｃに形成された回折構造のストライプ方向をＰ方向とした場合、半導体レーザ９２ａのＰ偏光成分の光が光学素子１０ｃに入射するように配置され、半導体レーザ９２ｂのＰ偏光成分の光が光学素子１０ｂに入射するように配置され、半導体レーザ９２ｃのＳ偏光成分の光が光学素子１０ｃに入射するように配置されてなる。
【００８８】
実施例４の回折素子を使うと、特定波長λ１のＰ偏光成分は不感帯透過、特定波長λ２のＰ偏光成分を＋１次回折、特定波長λ２のＳ偏光成分を−１次回折する素子を実現できる。
ここで波長λ２の代わりに波長λ３（＞λ２）の波長のＳ偏光成分の光を入射させた場合も−１次回折させることができる。本実施例はこのような配置例を用いたものである。
半導体レーザ９２ａ、９２ｂ、９２ｃの各レーザから出射された光束を用いて画像をスクリーン９１に投影するためのプロジェクタ光学系９３と、プロジェクタ光学系９３によってスクリーン９１に投影する画像を処理するパーソナルコンピュータ等によって構成される画像処理部９４とを有している。そして各半導体レーザの出力および光走査素子９７を出力したい画像信号に基づいて変調することで画像を形成する。
このようにプロジェクタ光学系の光路合成素子として、光学素子１０ｃ用いた場合、三角プリズムをはり合わせたキューブ型のダイクロイックプリズムに比べ光学系がコンパクト化される。とくにプロジェクタ光学系の場合、近年のモバイル型、すなわち携帯電話への搭載などへの適用を考えると小型化は光学素子に求められる重要事項である。光学素子１０ｃは特定次数の光のみを回折可能な波長選択性分離素子であるため、かかるプロジェクタ光学系に関して高効率な偏向光学系を実現可能としている。
【００８９】
（回折素子を用いた光学機器の実施例６：光アイソレータ）
図３６は、本発明の光アイソレータの実施例を示す概略構成図である。なお便宜上、紙面垂直方向の偏光方向をＰ偏光、紙面内での偏光方向をＳ偏光と呼ぶこととする。
この光アイソレータは、透過回折型の偏光フィルタ５１、４５度ファラデー回転子５３、透過回折型の第２の偏光フィルタ５２をこの順で平行に並べて接着剤等により互いに固定配備して成ると共に、全体が入射光の光軸に対して略垂直入射するように設置されている。
このうち、第１の偏光フィルタ５１及び第２の偏光フィルタ５２は、それぞれの透過偏光方向が互いに４５度の角度を成すように設定されており、その構造は、入射光の波長以上の周期をもつ回折素子であり、その回折構造の一周期は、入射光の波長以下の周期をもつ２種類のサブ波長凹凸構造が隣り合わせに直交するようなパタンが重畳されてなり、２種類のサブ波長凹凸構造の有効屈折率が、Ｓ偏光方向の入射光に対しては、同一で不感帯透過となり、Ｐ偏光方向の入射光に対しては位相差がπとなり、回折するように２種類のサブ波長凹凸構造のフィリングファクタおよび溝深さが決定されている。
【００９０】
半導体プロセスにより大面積一括生産することが可能であり、光学研磨を必要としない。４５度ファラデー回転子５３は、ＧｄＢｉＦｅガーネット厚膜から成り、光の進行方向に沿った磁場Ｈが印加される。
それぞれの偏光フィルタとして、実施例１の回折素子を適用すればよい。
【００９１】
（回折素子を用いた光学機器の実施例７）
図３７は、このような光アイソレータを使用した光学系装置（光学機器）の構成を例示した側面図である。この光学系装置は、レーザダイオード５４からのレーザ光をレンズ５５を通して略平行光とされ、光アイソレータ５６に入射させ、光アイソレータ５６を通過した透過光をその後、レンズ５７により集光され光ファイバ端５８に結合させるように各部がレーザ光の光軸に合わせられて配備されている。
（光アイソレータの光路）
図３６、３７において、入射光は、第１の偏光フィルタ５１に入射した後、第１の偏光フィルタ５１の第１面（回折構造が形成された面）においてＰ偏光成分は回折される、Ｓ偏光成分についてはその殆どが０次透過（不感帯透過）する。この０次透過したＳ偏光成分の光が４５度ファラデー回転子５３に垂直入射し、ファラデー回転子５３によってその偏光方向を+45゜回転されて、出射側に配置された第２の偏光フィルタ５２の方向へ減衰することなく出射される。
そして第一の偏光フィルタ同様に使用しない一方の偏光方向の光は回折され、後続の光ファイバ端５８に入射させる偏光方向の光は回折されずに不感帯透過する。
【００９２】
また逆方向の光については、出射側の偏光フィルタ５２を０次透過した偏光成分が、ファラデー回転子の非可逆的作用によってその偏光方向を-45゜回転されて入射側の偏光フィルタ５１の光源からの０次透過する入射時の偏光方向と直交するため回折される。
偏光フィルタ５１、５２で回折される回折光は０次透過光に対して十分な角度、すなわち順方向の光については光ファイバ端５８、逆方向の光についてはレーザダイオード５４へ入射しないような角度に設定されてなる。
例えば±１次の回折光の角度が１０度以上となるように回折構造のピッチが設定されてなる。
【００９３】
（偏光フィルタについての他の実施例：両面化）
なお、一般に光アイソレータに用いられる反射型偏光子の仕様として消光比が使用される。使用する偏光方向であるＳ偏光の透過率、使用しない偏光方向であるＰ偏光方向の透過率の比で表される。
本発明においてはＳ偏光方向の０次光の回折効率と、Ｐ偏光方向の０次光の回折効率の比で表現される。
一般に偏光フィルタの消光比は高いことが望まれる。本発明の偏光フィルタとしては図３６のような片面にのみ回折構造が形成されたものに限定されるものではなく、図３８のような両面に回折構造が形成されたものであってもよい。
このような構造とすることにより、消光比は２乗倍大きくできる。特許文献１のような複屈折材料を用いた構造では消光比を上げるには偏光子を２枚にする必要があり、アイソレータとしての厚みが増してしまうが、本発明においては回折構造を形成するだけで消光比を上げることが可能である。
それぞれの偏光フィルタとして、実施例１の回折素子を適用すればよい。
【００９４】
以上のように回折を利用した表面構造のみでアイソレータを実現することが可能である。従来の光アイソレータに対して光学的な特性を損うこと無く低価格で製造上において量産可能な偏光フィルタを備えた光アイソレータを提供できる。
具体的には、従来の複屈折単結晶のプリズム、金属粒子を含むガラスなどを用いずに実現できる。またフォトニック結晶方式に比べ、高屈折率媒質及び低屈折率媒質から成る多層膜を形成する必要もなく、さらに安価に作製できる。
表面のみで偏光フィルタ機能が得られるため、複数の材料を用いる必要もない。
サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、使用する波長に応じて高透過率な基板材料に回折構造を形成してやってもよいし、基板の表面に別の材料を塗布してその表面に回折構造を形成してやってもよい。ハイパワーのレーザなどに対しては耐光性のある材料表面に構造を形成すればよい。
製造方法は大面積で光学研磨を必要としないものであるため、光学的な特性を損うこと無く製造上において低価格で量産可能である。
不要な偏光方向の光は回折させる方式であるため、アイソレータを斜めに配置する必要がなく、略垂直入射するようなレイアウトで実現する。
【００９５】
（回折素子を用いた光学機器の実施例８：光アイソレータの他実施例）
さらに本発明では回折構造のみで偏光フィルタ機能を実現できるため、図３９のようなアイソレータ構造であってもよい。
すなわち、ファラデー回転子５３の入射側の表面に偏光フィルタ５１の機能を有する回折構造５３ａが形成されたものや、出射側の表面に偏光フィルタ５２の機能を有する回折構造５３ｂが形成されたものであってもよい。
回折構造はファラデー回転子５３の表面に直接加工されたものでもよいし、ファラデー回転子５３の表面に別材料を塗布した後にその表面に回折構造が形成されたものであってもよい。
それぞれの偏光フィルタとして、実施例１の回折素子を適用すればよい。
【００９６】
偏光子、ファラデー回転子、偏光子のような構成に比べ、一体化された構成であるため、ハンドリングがしやすく、また光学系としてコンパクト化できる。
サブ波長凹凸構造が重畳された回折構造のみで偏光回折機能が発現するため、材料は任意に選択可能である。そのため、ファラデー回転子に直接回折構造を形成（加工）してやってもよいし、ファラデー回転子の表面に別材料を塗布してその表面に回折構造を形成（加工）してやってもよい。
【００９７】
さらに図４０のように、図３６の構成と組み合わせた構成であってもよい。ファラデー回転子の両面に別材料を塗布してその表面にサブ波長凹凸構造を重畳した回折構造を形成するとともに、各々の回折構造に対向するようにサブ波長凹凸構造が形成された偏光フィルタを配置してもよい。対向する構造の隙間にはギャップを保持する保持材を設ければよい。
なお、外側の偏光フィルタの回折構造を対向させずに配置してもよいが、対向させるとアイソレータとしては回折構造が外に露出しない構成となるため、緩衝による破損や、ゴミなどの影響を受けないという効果がある。さらに外側の表面を研磨することにより任意の薄型化や任意の光路長調整が可能である。
それぞれの偏光フィルタとして、実施例１の回折素子を適用すればよい。
【００９８】
なお、図３６、図３９に示した光アイソレータのファラデー回転子の代わりに波長板のような偏光回転素子を用いてもよい。磁場印加などが不要なため構造をシンプルにできる。
なお波長板としては、水晶などの複屈折材料を用いてもよいし、本実施例の偏光フィルタで用いているサブ波長凹凸構造によっても実現することが可能である。
また、偏光フィルタとしてはファラデー回転子の手前側だけに設けたものであってもよい。消光比は落ちるが薄型化、低コスト化といった目的には有効である。
【符号の説明】
【００９９】
１、１０、２０、３０  光学素子
４０  光ピックアップ
５６  光アイソレータ
７０  光減衰器
８０  偏光変換素子
９０  プロジェクタ光学系
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１００】
【特許文献１】特開平２−０９６１０３号公報
【特許文献２】特開２００５−３３９７１８号公報
【非特許文献】
【０１０１】
【非特許文献１】「光学」２７巻１号（１９９８）ｐ．ｐ１２−１７
【非特許文献２】「O plus E」No.136（１９９１年3月）ｐ．ｐ８６−９０
【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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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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【図３９】
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【図４０】
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【図４１】
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