(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子を用いた光の回折方法であって、
前記回折格子が、
第１の方向に２以上が周期的に配列され、ａ）第２の方向に沿って２以上が配列された、またはｂ）前記第２の方向に伸長する、２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と、前記２以上の第１の光散乱体を、前記第１の方向および前記第２の方向を含む面以外の面内の所定の方向に沿って所定の距離だけ移動させた位置に配置された、前記２以上の第１の光散乱体にそれぞれ対応する２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含み、
前記ａ）の場合には、前記所定の方向への前記２以上の第１の光散乱体の移動により描かれる軌跡から選ばれる２以上の軌跡を含む面に沿って、かつ、
前記ａ）、ｂ）のいずれの場合においても、それぞれが前記２以上の第１の光散乱体から選ばれる１つと当該１つの第１の光散乱体に対応する１つの第２の光散乱体とから構成される２以上の光散乱ユニットにおいて鏡面共鳴が生じるように、
前記回折格子に光を入射させ、
前記２以上の光散乱ユニットにおける鏡面共鳴により、前記第１の層および前記第２の層により回折される回折光の一部を選択的に増強する、光の回折方法。
【請求項２】
前記第１の層と前記第２の層との相対的な位置関係、および前記回折格子への光の入射角度、から選ばれる少なくとも一方を変更することにより、選択的に増強される回折光を変更するステップをさらに含む請求項１に記載の光の回折方法。
【請求項３】
単一の次数の回折光を選択的に増強する請求項１に記載の光の回折方法。
【請求項４】
所定の波長域の回折光を選択的に増強する請求項１に記載の光の回折方法。
【請求項５】
回折格子を含む光の回折装置であって、
前記回折格子が、
第１の方向に２以上が周期的に配列され、ａ）第２の方向に沿って２以上が配列された、またはｂ）前記第２の方向に伸長する、２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と、前記２以上の第１の光散乱体を、前記第１の方向および前記第２の方向を含む面以外の面内の所定の方向に沿って所定の距離だけ移動させた位置に配置された、前記２以上の第１の光散乱体にそれぞれ対応する２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含み、
前記ａ）の場合には、前記所定の方向への前記２以上の第１の光散乱体の移動により描かれる軌跡から選ばれる２以上の軌跡を含む面に沿って、かつ、
前記ａ）、ｂ）のいずれの場合においても、それぞれが前記２以上の第１の光散乱体から選ばれる１つと当該１つの第１の光散乱体に対応する１つの第２の光散乱体とから構成される２以上の光散乱ユニットにおいて鏡面共鳴が生じるように、前記回折格子に光を入射させる、光入射デバイスをさらに含み、
前記２以上の光散乱ユニットにおける鏡面共鳴により、前記第１の層および前記第２の層により回折する回折光の一部を選択的に増強する、光の回折装置。
【請求項６】
前記第１の層と前記第２の層との相対的な位置関係、および前記回折格子への光の入射角度、から選ばれる少なくとも一方を変更するための駆動デバイスをさらに含む請求項５に記載の光の回折装置。
【請求項７】
選択的に増強された回折光を検出する少なくとも１つの光検出デバイスをさらに含む請求項５に記載の光の回折装置。
【請求項８】
請求項７に記載の光の回折装置と、第１の部材と、第２の部材とを含み、
前記第１の層に前記第１の部材が、前記第２の層に前記第２の部材がそれぞれ接続され、
前記第１の層と前記第２の層との相対的な位置に応じて変化する回折光の強度を前記少なくとも１つの光検出デバイスにより検出することにより、前記第１の部材と前記第２の部材との相対的な位置関係を検出する位置エンコーダ装置。
【請求項９】
第１の方向に２以上が周期的に配列され、第２の方向に沿って２以上が配列された、または前記第２の方向に伸長する、２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と、
前記２以上の第１の光散乱体を、前記第１の方向および前記第２の方向を含む面以外の面内の所定の方向に沿って所定の距離だけ移動させた位置に配置された、前記２以上の第１の光散乱体にそれぞれ対応する２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含み、
前記２以上の第１の光散乱体から選ばれる１つと当該１つの第１の光散乱体に対応する１つの第２の光散乱体とが、入射した光が鏡面共鳴しうるように近接して配置されて構成された２以上の光散乱ユニットを有し、
前記２以上の第１の光散乱体と前記２以上の第２の光散乱体とが前記第１の層と前記第２の層との間において互いに離間して配置された、回折格子。
【請求項１０】
前記２以上の第１の光散乱体を保持する第１の基板と、前記２以上の第２の光散乱体を保持する第２の基板と、前記第１の基板と前記第２の基板とを離間して保持する間隔保持部材とをさらに含む請求項９に記載の回折格子。
【請求項１１】
前記第１の層と前記第２の層との相対的な位置関係を変更するための駆動デバイスをさらに含む、請求項９に記載の回折格子。
【請求項１２】
第１の方向に２以上が周期的に配列され、第２の方向に沿って２以上が配列された、または前記第２の方向に伸長する、２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と、
前記２以上の第１の光散乱体を、前記第１の方向および前記第２の方向を含む面以外の面内の所定の方向に沿って所定の距離だけ移動させた位置に配置された、前記２以上の第１の光散乱体にそれぞれ対応する２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含み、
前記２以上の第１の光散乱体から選ばれる１つと当該１つの第１の光散乱体に対応する１つの第２の光散乱体とが、入射した光が鏡面共鳴しうるように近接して配置されて構成された２以上の光散乱ユニットを有し、
前記２以上の第１の光散乱体および前記２以上の第２の光散乱体が互いに接して配置され、
前記２以上の第１の光散乱体および前記２以上の第２の光散乱体から選ばれる少なくとも一方が球以外の形状を有するか、または前記２以上の第１の光散乱体および前記２以上の第２の光散乱体がともに球であって最密充填構造以外の構造となるように配置されている、回折格子。
【請求項１３】
前記２以上の第１の光散乱体および前記２以上の第２の光散乱体が、前記第２の方向に伸長する柱状体である請求項１２に記載の回折格子。
【請求項１４】
請求項９または１２に記載の回折格子と、前記回折格子と一体化した光学部品とを含む光の回折装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、光の回折方法および回折装置、これらに用いる回折格子、ならびに位置エンコーダ装置に関する。本発明は、光波長帯を中心とする電磁波のスペクトル測定、所定の波長を選別して行われる信号計測および画像計測、電磁波の進行方向の変更や分岐、の技術分野で特に有用である。
【背景技術】
【０００２】  回折格子は、一般に、三角形や矩形の断面を有する突起の１次元周期配列体である。目的によっては、ピラミッド型や直方体型の突起もしくは窪みの２次元周期配列体も回折格子として用いられる。回折格子は、反射型と透過型とに大別される。【０００３】  図１７は従来の回折格子１０１の一例を示す模式的な断面図である。格子の周期が入射光１０３の波長の半分よりも大きい場合、一般に、反射側および透過側に複数の回折光１０４，１０７が生じる。これらの回折光の生じる角度は、光の入射方向・波長・格子の周期によって定まり、同じ方向から入射した光でも波長によって回折光の生じる方向は異なる。この原理を利用して、白色光をスペクトルに分解したり、所定の方向に設置した光検出器により所定の波長の光の強度のみを検出したりすることが行われている。反射型回折格子では表面に金属膜が塗布されるため、透過側に光が進むことはできない。透過型回折格子では光を反射するための表面層１０２を省略するか、あるいは反射防止コーティングが施される。【０００４】  従来の回折格子では、高い回折効率を得るために、断面を適切なノコギリ歯状に加工する技術が用いられてきた。図１７に示したように、入射光１０３は一つの三角形の斜面にて、反射光１０５と屈折光１０６とに分かれる。反射型回折格子の場合には、効率よく回折させたい波長の反射回折光が反射光と同じ方向に進むように、斜面の傾斜角や周期が定められる。透過型回折格子の場合には、目的の透過回折光と屈折光の方向が同じになるように設計する。このように、高い回折効率を得るために断面形状を最適化することを、ブレージングもしくはブレーズ、そのような最適化をされた回折格子をブレーズ化回折格子またはブレーズド回折格子と呼ぶ。【０００５】  しかしながら、ここに述べたブレージングの原理は反射や屈折という幾何光学的な現象を利用しているので、波長に比べて非常に大きな周期を有する回折格子にしか適用できない。このような回折格子をスカラー領域の回折格子と呼ぶ。非常に高い回折次数を用いる場合や、わずかな回折角しか必要としない場合には、スカラー領域の回折格子でもよいが、低い次数で大きな回折角を得たい場合には、周期と波長をせいぜい数倍しか違わない程度に近い値にせざるを得ない。このような回折格子を共鳴領域の回折格子と呼ぶ。共鳴領域（ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｄｏｍａｉｎ）とは、波長λに対する格子周期ｐの比が１を超え１０未満となる領域（１＜ｐ／λ＜１０）をいう。スカラー領域（ｐ／λ＞１０）と異なり、共鳴領域では明確なブレージングの設計論がない。従って、共鳴領域の回折格子は、マックスウェルの方程式をできる限り厳密に計算して、適切な断面形状を探索しつつ設計されている。【０００６】  設計通りにブレージングされた回折格子を製作することは、スカラー領域の大きな周期のものであっても、今なおそう簡単なことではない。回折格子の製作には各時代最高の精密加工技術が投入され、従って、回折格子は、常に限られた者にしか製造できない高価な素子であり続けた。古くはルーリングエンジンと呼ばれる専用の精密加工機が用いられ、高品質の回折格子を実現できる装置は世界でも限られていた。最近では多くが光干渉露光法に置き換わっているが、正確なブレーズ形状を実現するには特殊なイオンエッチングや精密転写などの高度な技術が必要で、そのような技術を有する製造者は今なお限られている。【０００７】  特開２００１−９１７１７号公報には、微小な球を最密充填構造となるように積層した回折格子が開示されている。この回折格子には、個々の球におけるミー共鳴条件と球の周期構造によるブラッグ条件とが同時に満足されるように光が入射される。同公報には、層に垂直な方向（ｚ軸方向）から、微小な球の面内の最密配列方向（後述する図１に示した配置では例えばｙ軸方向）へと−４８°傾斜させた方向から光を入射させる例が記載されている。この回折格子は、微小な球を自己組織的に積層したものであって比較的簡単に作製できる。しかし、ミー共鳴を利用する光の回折では、高い回折効率が得られない。【０００８】  従来の回折格子を利用する際に特に不便だったのはブレージング条件の融通のなさである。入射方向、回折方向、周期、使用波長、使用回折次数が決まれば、適切なブレージング形状は容易に決まる。ところが、特に分光素子として回折格子を利用する場合には、回折格子を入射光に対して回転させたりして、ブレージング条件を外れた条件でも使用しなくてはならない。そのために、分光機器においては、特定の波長を典型的な使用波長として限定して設計せざるを得ず、それを中心とするある程度の動作範囲でしか高い効率を保証することができなかった。
【発明の開示】
【０００９】  本発明は、上記状況に鑑みて、共鳴領域でも有効でかつ簡単な新しいブレージングの原理を与え、これを用いた新たな光の回折方法を提供し、さらに、比較的簡単に高効率な回折格子および光の回折装置を実現する道を開くことを目的とする。
【００１０】  本発明の別の目的は、上記新しいブレージングの原理を応用し、様々な使用条件において最適なブレージング条件を外部からの制御信号により実現できるチューナビリティを回折格子および光の回折装置に付与し、動的なチューニングを可能とする光の回折方法を提供することにある。
【００１１】  上記目的を達成するべく、本発明では、光散乱ユニットにおける鏡面共鳴増強回折現象を利用することとした。
【００１２】  すなわち、本発明の光の回折方法は、回折格子を用いた光の回折方法であって、この回折格子が、第１の方向に２以上が周期的に配列され、ａ）第２の方向に沿って２以上が、好ましくは周期的に、配列された、またはｂ）第２の方向に伸長する、２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と、２以上の第１の光散乱体を、第１の方向および第２の方向を含む面以外の面内の所定の方向に沿って所定の距離だけ移動させた位置に配置された、２以上の第１の光散乱体にそれぞれ対応する２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含む。そして、上記ａ）の場合には、上記所定の方向への上記２以上の第１の光散乱体の移動により描かれる軌跡から選ばれる２以上の軌跡を含む面に沿って、かつ、上記ａ）、ｂ）のいずれの場合においても、それぞれが２以上の第１の光散乱体から選ばれる１つと当該１つの第１の光散乱体に対応する１つの第２の光散乱体とから構成される２以上の光散乱ユニットにおいて鏡面共鳴が生じるように、回折格子に光を入射させ、２以上の光散乱ユニットにおける鏡面共鳴により、第１の層および第２の層により回折される回折光の一部を選択的に増強することを特徴とする。
【００１３】  本発明の光の回折装置は、回折格子を含む光の回折装置であり、この回折格子は、上記で説明した第１の層および第２の層を含み、同じく上記で説明した２以上の光散乱ユニットにおいて鏡面共鳴が生じるように回折格子に光を入射させる、光入射デバイスをさらに含む。この回折装置においても、２以上の光散乱ユニットにおける鏡面共鳴により、第１の層および第２の層により回折される回折光の一部が選択的に増強される。光入射デバイスは、光源となる発光デバイスに限らず、光を導入するために用いうる各種部材を含む。
【００１４】  本発明は、鏡面共鳴現象をブレージングの原理とする新たな光の回折方法および回折装置、さらにはこれに用いる新たな回折格子を提供する。鏡面共鳴による回折光の増強現象（鏡面共鳴増強回折現象）を利用すれば、高い回折効率を比較的容易に達成できる。また、外部からの制御信号によるチューナビリティを与えることも可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１Ａは、本発明による光の回折方法および回折装置に用いうる回折格子の一形態を示す平面図であり、図１Ｂは同形態の断面図である。
【図２】図２は、鏡面共鳴により単一の次数の回折光だけが増強される条件を説明するための図である。
【図３】図３は、実験に用いた直径２．１μｍ、屈折率１．５８の高分子微小球の配列を示す平面図である。
【図４】図４は、鏡面共鳴を構造因子として考慮した回折理論によるｘｚ面内での輝度プロファイルを示す図であり、（ａ）は実験に用いた格子の有限性を考慮した回折関数であり、（ｂ）は鏡面共鳴を表す構造因子であり、（ｃ）は様々な入射角αでの輝度プロファイルである。
【図５】図５は、実験により求めたｘｚ面内での輝度プロファイルを示す図である。
【図６】図６Ａは、本発明による光の回折方法および回折装置に用いうる回折格子の別の一形態を示す平面図であり、図６Ｂは同形態の断面図である。図６Ａ、図６Ｂに示された回折格子は、本発明による回折格子の一例でもある。
【図７】図７Ａは、光散乱体としてファイバ（柱状体）を用いた回折格子の一形態を示す平面図であり、図７Ｂは同形態の断面図である。図７Ａ、図７Ｂに示された回折格子は、本発明による回折格子の別の一例でもある。
【図８】図８は、本発明による回折格子のまた別の一例として、光散乱体が層間で離間するように配置された回折格子を示す断面図である。
【図９】図９は、本発明による回折格子のさらに別の一例として、駆動デバイスを備えた回折格子を示す断面図である。
【図１０】図１０は、本発明の光の回折方法の一例として、任意の入射条件でブレージング条件を満足させることが可能であることを示す断面図である。
【図１１】図１１は、互いに対向した２枚のマイクロレンズアレイと、駆動デバイスとを用いた本発明の回折格子の一例を示す断面図である。
【図１２】図１２Ａ，図１２Ｂは、本発明の回折格子を用いたブレーズ波長可変回折格子の一例とその動作を示す断面図である。
【図１３】図１３Ａ，図１３Ｂ，図１３Ｃは、本発明の回折格子を用いた光スイッチの一例とその動作を示す断面図である。
【図１４】図１４は、本発明による回折格子をグリズムに応用した例を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明による回折格子を光導波路のグレーティングカプラーとして応用した例を示す断面図である。
【図１６】図１６は、本発明による位置エンコーダ装置の一形態を示す断面図である。
【図１７】図１７は、従来のブレーズ化回折格子を示す断面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】  鏡面共鳴とは、典型的には、周囲の媒質に対して１．２から２．２という相対屈折率を有する２個の透明球が密着もしくは近接している場合に、２個の球の中心を結ぶ軸に対して斜めに入射した光線が、あたかも軸の部分に鏡が置かれているかのように強く鏡面反射される散乱現象である。鏡面反射されるのは２個の球の直径が等しい場合であるが、２個の球の直径が異なる場合にはその直径の比および入射方向で決まる特定の方向に出射する（この場合には正確には反射方向は鏡面反射方向ではないが、本質的には同じ原理に基づいた現象であるので、同様に鏡面共鳴と呼ぶ）。【００１７】  鏡面共鳴を示す球の直径の範囲は非常に広く、例えば波長４００ｎｍから７００ｎｍ程度の可視光に対しては、直径１μｍ程度の微小な球から、無限に大きな球までで鏡面共鳴は観察される。また、この現象は２個の円形の界面での光の屈折現象として近似的に捉えられる現象なので、球に限らず、例えば円筒が軸を平行とするように密着あるいは近接している場合にも同様に観察される。【００１８】  ここで、２個の球、円筒等の光散乱体は、入射側がフォーカシングレンズとして入射した平行光を集光し、出射側がコリメーティングレンズとしてそれを再び平行光に復元する働きを有する。従って、鏡面共鳴とは、より広義には、２個の適切に配置されたレンズが、２個のレンズの中心を結ぶ軸に対して斜めに入射した光線を、あたかも軸の部分に鏡が置かれているかのように強く鏡面反射する現象、と定義できる。ミー共鳴とは異なり、鏡面共鳴は、２つの光散乱体に特有の現象であり、１つまたは３つの光散乱体の相互作用によっては実現できない。【００１９】  次に、鏡面共鳴増強回折現象とは、鏡面共鳴を示す光散乱ユニット、例えば２個の球や２個のレンズからなる光散乱ユニット、を周期的に配列した構造体において、この構造体における周期構造に起因する回折光と、個々の散乱ユニットで生じる鏡面共鳴光とが重複する場合、好ましくは回折光の方向と鏡面共鳴光の方向とが一致する場合に、その方向については強い回折光が得られる、という現象である。【００２０】  鏡面共鳴増強回折現象が得られる構造体は、例えば、光散乱体が球や球面レンズのようにおおむね軸対称形である場合には、これらを２次元的に（所定の２方向に）周期的に配列することにより形成できる。光散乱体が円筒や円筒レンズのようにおおむね面対称形である場合には、これらを１次元的に（所定の１方向に）周期的に配列することにより形成できる。【００２１】  鏡面共鳴増強回折現象においては、鏡面共鳴という散乱現象が回折格子におけるブレージングの原理として作用する。鏡面共鳴現象は、波長よりやや大きな球、円筒、レンズ等で生じるため（具体的には、直径が波長の１．６倍以上というのが一般的な目安である）、それがほぼ最密に配列した共鳴領域の回折格子でも有効である。【００２２】  鏡面共鳴増強現象を起こす最も単純な系は、球または円筒の２層最密充填構造である。このような構造は、コロイド粒子やファイバの自己組織的な集積体として高度な加工技術を要することなく実現できる。さらに、鏡面共鳴増強現象では、従来のブレーズ化回折格子のような固定された形状ではなく、２��の物体の相対的な配置によってブレージング条件が定まるため、この相対的な配置を外部から制御することにより、ブレージング条件にチューナビリティを導入できる。【００２３】  以下、本発明の回折方法および回折装置の好ましい形態について説明する。【００２４】  本発明による光の回折方法は、第１の層と第２の層との相対的な位置関係、および回折格子への光の入射角度、から選ばれる少なくとも一方を変更することにより、選択的に増強される回折光を変更するステップをさらに含む方法としてもよい。このステップにより、動的なチューナビリティを導入できる。このステップの後、上記回折方法に従って光を回折すれば、先に増強した回折光とは異なる回折光を増強することができる。【００２５】  本発明の光の回折方法では、複数の次数の回折光を同時に増強してもよいが、単一の次数の回折光を選択的に増強することが好ましい。この好ましい増強を実現するための条件は後述する。【００２６】  本発明の光の回折方法では、所定の波長域の回折光を選択的に増強してもよい。選択的に増強される回折光を変更するステップを実施し、選択的に増強する波長域を変更してもよい。【００２７】  本発明の光の回折装置は、ブレージング条件にチューナビリティを導入するために、第１の層と第２の層との相対的な位置関係、および回折格子への光の入射角度、から選ばれる少なくとも一方を変更するための駆動デバイスをさらに含むことが好ましい。【００２８】  本発明の光の回折装置は、選択的に増強された回折光を検出する少なくとも１つの光検出デバイスをさらに含んでいてもよい。この回折装置は、例えば位置エンコーダ装置として使用できる。この位置エンコーダ装置は、少なくとも１つの光検出デバイスを備えた上記回折装置と、第１の部材と、第２の部材とを含み、第１の層に第１の部材を、第２の層に第２の部材をそれぞれ接続し、第１の層と第２の層との相対的な位置に応じて変化する回折光の強度を上記少なくとも１つの光検出デバイスにより検出することにより、第１の部材と第２の部材との相対的な位置関係を検出することを特徴とする。【００２９】  以下、本発明により提供される新たな回折格子について説明する。【００３０】  本発明による回折格子は、例えば、上記記載のとおりに配置された２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と、同じく上記記載のとおりに配置された２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含み、２以上の第１の光散乱体から選ばれる１つと当該１つの第１の光散乱体に対応する１つの第２の光散乱体とが、入射した光が鏡面共鳴しうるように近接して配置されて構成された２以上の光散乱ユニットを有し、さらに、２以上の第１の光散乱体と２以上の第２の光散乱体とが第１の層と第２の層との間において互いに離間して配置されたことを特徴とする。【００３１】  光散乱体の離間配置を利用すれば、光散乱ユニットを構成する一対の光散乱体の中心を結ぶ軸が入射光となす角度の調整が容易になり、ブレージング条件の選択の幅が広がる。光散乱体の離間配置は、第１の層と第２の層とを相対的に移動させる使用形態にも適している。【００３２】  この回折格子では、２以上の第１の光散乱体を保持する第１の基板と、２以上の第２の光散乱体を保持する第２の基板と、第１の基板と第２の基板とを離間して保持するための間隔保持部材とをさらに含んでいてもよい。また、第１の層と第２の層との相対的な位置関係を変更するための駆動デバイスをさらに含む回折格子として用いてもよい。【００３３】本発明による回折格子の別の形態は、上記と同様、２以上の第１の光散乱体を含む第１の層と２以上の第２の光散乱体を含む第２の層と、を含み、さらに、鏡面共鳴しうるように一対の光散乱体が近接して配置されて構成された２以上の光散乱ユニットを有する。そして、２以上の第１の光散乱体および２以上の第２の光散乱体が互いに接して配置され、２以上の第１の光散乱体および２以上の第２の光散乱体から選ばれる少なくとも一方が球以外の形状を有するか、または２以上の第１の光散乱体および２以上の第２の光散乱体がともに球であって最密充填構造以外の構造となるように配置されていることを特徴とする。【００３４】球以外の形状に特に制限はなく、例えば非球面レンズであってもよい。２以上の第１の光散乱体および２以上の第２の光散乱体は、第２の方向に伸長する柱状体、例えば円柱（円筒）、であっても構わない。最密充填構造以外の構造の一例としては、後述する正方格子による構造（図６Ａ，図６Ｂ）が挙げられるが、これに限るわけではない。光散乱体の好ましい例には、直径および屈折率が等しい球または円筒、焦点距離が等しいレンズが含まれる。【００３５】  本発明は、さらに本発明による回折格子と、この回折格子と一体化した光学部品とを含む光の回折装置を提供する。光学部品としては、プリズム、光導波路などを例示できる。【００３６】  以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。【００３７】  図１Ａ，図１Ｂに示した回折格子の構造は、例えば透明基板の上に直径１μｍ程度の透明微小球（光散乱体）の２層最密充填結晶として実現できる。透明微小球は、ポリスチレンやシリカ製の直径の揃ったものが液晶ディスプレイ用のスペーサ粒子や理化学研究用の試薬として製造されており容易に入手できる。この２層最密充填結晶は特殊な製造装置を用いることなく簡単に製作できる。それは大きさや形状の揃った粒子は、本来、自己組織的に周期配列して結晶化しようとする性質を有するためである。なお、本発明では、鏡面共鳴による回折光の増強現象を実現できる限り、光散乱体の形状、材料に制限はない。基板の材料も同様である。【００３８】  基板１０の表面（ｘｙ平面）上に形成された第１層１および第２層２では、光散乱体となる球が、ｘｙ面に平行で、かつ１辺がｙ軸に平行な三角格子を形成している。第２層２の配列は第１層１の配列をｘ軸方向に所定の距離だけシフトしたものとみなすことができる。【００３９】  第１層１では、ｘ軸方向について球１１ａ，１３ａが配列され、ｙ軸方向についてはこの方向に沿って球１１ａ，１１ｂ，１１ｃが連続して配列されている。ｙ軸方向は層内の最密配列方向である。球が最密に配列された別の方向は、ｘ軸方向からｙ軸方向に３０°傾いた方向である。【００４０】  図１Ａ，図１Ｂに開示された構造は、第１の方向（例えばｘ軸方向からｙ軸方向に３０°傾いた方向；３７）と第２の方向（例えばｙ軸方向；３８）とにそれぞれ２以上の球が周期的かつ連続して配列された第１層１の球（第１の光散乱体）１１ａ〜１１ｂ，１２ａを、第１の方向および第２の方向を含む面以外の面内の所定方向（例えば、ｘｚ面内に含まれる方向）にそれぞれ移動させた位置に、第２層２の球（第２の光散乱体）２１ａ〜２１ｂ，２２ａが配置されている、とみなすことができる。【００４１】  このように考えると、第１の光散乱体と第２の光散乱体との間には一対一の対応関係が存在することになる。例えば、球１１ａには球２１ａが、球１２ａには球２２ａが、球１１ｂには球２１ｂが、それぞれ対応する。ただし、第１層１のすべての球に対応する球が第２層２に存在する必要はない。【００４２】  対応関係にあり、互いに接する２つの球は、上記所定方向を含む面（ｘｚ面）に平行に２連球を形成する。この２連球はｚ軸から角度δだけ傾斜した軸（散乱体の中心を結ぶ軸）３１〜３３を有し、ｘ軸方向に周期ｐで周期的に配列している。この回折格子では、これら２連球が鏡面共鳴により光を散乱させる光散乱ユニットとして機能する。ｘｚ面において、２連球の軸３１〜３３は、鏡面共鳴による光の散乱を反射とみなしたときの鏡面とみなすことができる。この仮想的な鏡面は、ｘ軸方向については互いに面が平行となるように周期的に配列し、ｙ軸方向については同一の面を形成するように配列している。【００４３】  この形態ではδ＝３５．３°である。また、球の直径をＤとすると、ｐ＝０．８６６Ｄの関係が成立する。後述するように、δやｐとＤの関係は結晶の形態や配置によって異なる。【００４４】  基板法線方向（ｚ軸方向）から入射角αで波長λの光ｋｉ５１がｘｚ面に沿って入射すると、ｘｚ面内に回折光ｋｏ５２の生じる方向θは、いわゆるグレーティング方程式ｓｉｎθ＝ｓｉｎα＋ｍλ／ｐで与えられる。ここで、ｍは整数で、回折の次数である。【００４５】  このとき、各２連球での鏡面共鳴が生じる条件は、θ＝２δ−αである。従って、鏡面共鳴光と回折光との方向が一致する条件は、２ｃｏｓδｓｉｎ（δ−α）＝ｍλ／ｐ、と表すことができる。図１Ａ，図１Ｂに示した形態では、ｍ＝＋１の場合に上記関係式が満たされるため、この次数の回折光５２が鏡面共鳴により増強されている。【００４６】  鏡面共鳴により回折光が増強される光の入射方向は上記に限るわけではない。しかし、鏡面共鳴増強回折現象により回折光を増強して高い回折効率を得るためには、第１層の光散乱体を第２層の光散乱体へと移動させたとみなしたときの、光散乱体の２以上の軌跡を含む面に沿って、入射光５１を回折格子に導入することが望ましい。図示した形態における上記「面」は、２連球の軸を２以上含む面、例えば軸（３１，３２；３２，３３；または３１，３３）を含む面、好ましくは光散乱体の移動方向を規定する面（ｘｚ面；軸３１，３３を含む面）である。特開２００１−９１７１７号公報が開示するようなｚ軸方向からｙ軸方向へと傾斜させた方向からの光の入射は、上記「面」に沿った入射ではない。【００４７】  上記関係式を満たす条件は無数にあるが、実際にはいくつかの制限を考えねばならない。まず、２連球の軸に対して鏡面共鳴の起こる入射角範囲には限度があり、一般に、０°≦｜δ−α｜≦３０°が成立することが望ましい。【００４８】  また、高効率な回折のためには、単一の次数の回折光だけを増強することが好ましい。複数の回折光が増強されると、一つの回折光に分配されるエネルギーは低下することになる。簡単のため、α＝０，ｍ＝１を仮定すると、透過光（ｍ＝０）とこの回折光の角度間隔ΘはΘ＝ｓｉｎ−１（λ／ｐ）である。２連球からの鏡面共鳴光の角度拡がり（半値全幅）をΔθとすると、Δθ＞Θでは同時にいくつかの回折光が増強されてしまう。【００４９】  一つの回折光だけを増強する基準をΔθ≦Θ／２と考えてみよう。図２はこの条件を満足する範囲を図示している。この図のΔθは、様々な球径Ｄ（ただしサイズパラメータＳ＝πＤ／λで無次元化して表している）、屈折率ｎの２連球について、様々なαでの鏡面共鳴光の角度幅を平均して求めたものである。図２にはｎ＝１．５８に対するΔθ（両偏光で平均）のフィッティング曲線を示した。いくつかのＳでの様々なｎ（１．３〜２．１）でのΔθのばらつく範囲もバーで示したが、だいたいこのフィッティング曲線の周囲に分布している。図２にはΘ／２も示した。実線は今議論している２層最密充填結晶の場合で、破線は後述する。Ｓ＝４付近の垂直線（実線）は回折限界を示し、これより小さなＳではΘが存在しない。つまり、回折がもはや起こらない。また、鏡面共鳴が起こる範囲の下限はおよそＳ＝５である。【００５０】  以上のことを考えると、Δθ≦Θ／２の基準を満たし、かつ、鏡面共鳴が起こるのは、Ｓ＝５付近の極めて狭い範囲であるとわかる。このΔθ≦Θ／２という基準は絶対的なものではなく，求める回折特性に応じて任意に置けるものである。一般にはＳ＝５〜１０程度の範囲が、一つの回折光が選択的に増強される特に有用な回折格子の存在する領域と言える。これは、λ＝０．５μｍの可視光に対してはＤ＝０．８〜１．６μｍ、λ＝１．５５μｍの光通信波長に対してはＤ＝２．５〜５μｍに相当する。【００５１】  実際に鏡面共鳴増強回折現象が起こることと、従来の回折格子に匹敵する高い回折効率が得られることを実験により確認した。Ｄ＝２．１μｍ、ｎ＝１．５８の高分子微小球をマイクロマニピュレーション法により、図３のように積層して第１層１と第２層２とを構成した。【００５２】  この回折格子に、波長λ＝０．６３３μｍ（Ｓ＝１０．４に相当）の光をｘｚ面内で様々な角度αで入射させた時のｘｚ面内での輝度プロファイルを考える。まず、図４には理論的な予想結果を示す。図４（ａ）は周期ｐで有限個の散乱体が配列している場合の回折を考慮した輝度プロファイルである。ここで横軸は散乱ベクトルΔｋ＝ｋｏ−ｋｉのｘ成分としている。この表記法では、入射角によらず回折光の生じる方向は一定で、ｍ＝０の回折光（透過光）が常に中心に位置する。ここに２連球の鏡面共鳴の効果を加える。鏡面共鳴は個々の散乱体の散乱強度分布であるから、回折理論における構造因子として扱えばよい。図２から、このＳとｎではΔθ＝１５°であるので、この半値幅を持ったガウス分布として、構造因子を近似できる。それを図４（ｂ）に示す。このピークはαに応じて左右に移動する。【００５３】  図４（ａ）と図４（ｂ）を掛け合わせたものが図４（ｃ）の最終的な輝度プロファイルである。入射角αを変えると、各次数の回折光が順々に選択的に増強される様子がわかる。もともと図４（ａ）のように多数の次数の回折光が同時に生じる回折格子であるにもかかわらず、図４（ｂ）に示すブレージングの効果があるために、図４（ｃ）のような特性が得られると説明できる。【００５４】  図５は、これを実測により求めたものである。実験では、結晶の面内サイズが有限で、周囲の余白部分の透過光が重畳するためにｍ＝０のピークについては図４（ｃ）とは比較できない。しかし、その他の部分は非常に良く一致しており、鏡面共鳴回折現象が予想通りに起こっていることがわかる。なお、一部のαでは同時に２個のピークが同程度に現れることがあるが、これはＳが１０をやや超える大きめの値をとっているからである。【００５５】  この時、図５に○で示した条件で回折効率が最大で、ｐ偏光（図１；４２）に対して５５％、ｓ偏光（図１；４１）に対して５２％であった。従来の透過型ブレーズ化回折格子の典型的な回折効率が５０〜８０％であったことを考えると、既に同程度の効率が得られている。また、偏向による回折効率の差が小さい点でも回折格子として既に優秀な性質を備えている。しかし、実験で用いた配列体は何の最適化も行っていない。計算や系統的な実験結果に基づいて使用波長λに応じてＤやｎを適切に選べば、より高い回折効率が得られると考えられる。【００５６】  以上、自己組織化技術により作製しやすい最密充填結晶（構造）を題材として説明したが、他の構造でも同様に鏡面共鳴回折現象は起こる。図６Ａ，図６Ｂは、三角格子に代えて正方格子を用いた場合の例である。なお、以下の図面における符号については、既に説明したものは文中での説明を略すことがある。【００５７】  この場合も、２連球がｘｚ面内に位置するような方位にて、換言すればｘｚ面内に軸３１，３３を有するように、光散乱体である球が配置される。この形態では、δ＝４５°、ｐ＝０．７０７Ｄである。図２の破線はこの場合のΘ／２と回折限界を示す。正方格子では、三角格子よりも、単一の回折光だけが増強される条件を満たす範囲がやや広い。正方格子は面内に最密でないので、平滑な基板上に自己組織的に作るのは困難であるが、例えば、基板の表面に球の下端が納まる窪みを予め加工しておけば自己組織的に製造できる。【００５８】  図７Ａ，図７Ｂには、光散乱体として、球ではなく円筒形のファイバを最密充填して得た回折格子を示す。この形態では、δ＝３０°、ｐ＝Ｄである。この形態では、ｙ軸方向（第２の方向）については、複数の光散乱体が配列しているのではなく、第１の光散乱体であるファイバ６１，６２，６３および第２の光散乱体であるファイバ７１，７２，７３がそれぞれ伸長している。これらファイバは、ｘ軸方向（第１の方向）については周期的に配列している。【００５９】  光散乱体として円筒などの柱状体を用いる場合、回折格子への光の入射方向は、第１層１の光散乱体６１，６２，６３を第２層２の光散乱体７１，７２，７３へと移動させた方向（傾きを示す軸３４，３５と同一方向）以外の方向とするとよい。この場合の好ましい光の入射方向も、所定の方向への２以上の第１の光散乱体の移動により描かれる軌跡から選ばれる２��上の軌跡を含む面に沿った方向、好ましくはｘｚ面内の方向である。【００６０】  以上に示した形態は、いずれも、透明基板上に球や円筒などの光散乱体が密着した状態で積層されたものであったが、基板を除去し、球の配列体で自立的に構造を保持してもよい。すなわち、本発明の回折格子に基板は必須ではない。回折条件や鏡面共鳴条件は、ｘｙ面内での波数ベクトル成分によって定まり、基板の有無に依らず波数ベクトルのｘｙ成分は保存されるので、基板がなくても動作条件に違いはない。【００６１】  また、以上で示した形態では、第１層と第２層との光散乱体を同じ形状としたがこれに限るわけではない。本明細書では、「軌跡」を、光散乱体の形状の同一性を意味する用語ではなく、単に位置の移動（例えばレンズの中心の移動）の方向を示す用語として用いている。また、「周期的」は、互いに密着して配置された状態に限らず、互いに接することなく所定の間隔を保つように配置された状態を含む用語である。【００６２】  ２枚の基板を用いて回折格子を構成してもよい。図８に示した形態では、２枚の透明基板１０ａ，１０ｂの上に、それぞれ、球の単層最密充填結晶の層１，２が形成されている。これらの基板１０ａ，１０ｂは、層１，２が向き合うように対向させた状態で、間隔保持部材３により適切な間隔を保ちつつ、接着剤４により固定されている。この回折格子では、第１の基板１０ａと第２の基板１０ｂとを離間して保持する間隔保持部材３により、層１，２を構成する光散乱体１１ａ，１２ａ；２１ａ，２２ａが互いに離間して配置されている。【００６３】  第１層と第２層とが密着した回折格子は、作製は容易であるが、ｘｚ面内での２連球ユニットの傾斜角δを任意に選ぶことができない。これに対し、図８に示した回折格子では、面内の位置合わせにより任意のδを実現できる。この回折格子では、２枚の基板１０ａ，１０ｂの間隔を精密に制御することが要求されるが、μｍ単位の薄い隙間を保って２枚の平面を固定する技術は、液晶ディスプレイやカメラレンズ用の積層型回折光学素子において既に商業的に用いられている。具体的には、粒径の揃ったシリカ球やガラスのマイクロロッドを周辺の接着部にスペーサとして混合したり、周辺部に型加工などによりスペーサとなる突起を設けておいたりするとよい。図８では、間隔保持部材３としてシリカ球のスペーサを用いた例を示した。【００６４】  光散乱体が第１層と第２層との間において互いに離間して配置されている回折格子の別の例を図９に示す。ここでは、簡単のため、円筒の１次元配列の場合を示すが、球などの光散乱体の２次元配列でも同様である。図９の回折格子は、駆動デバイス５をさらに含み、この駆動デバイス５によって層が相対的に移動できるように構成されている。駆動デバイス５としては、具体的には、圧電素子、ＭＥＭＳ（ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏ−ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍｓ）と呼ばれる半導体加工技術により作製した静電アクチュエータなどを用いればよい。【００６５】  以下、各層の相対移動によりどのような機能が実現できるかを説明する。【００６６】  第１の機能は、回折光の次数についての動的なスイッチングである。簡単のためα＝０とすると、次数ｍの回折光��２の生じる方向は、θｍ＝ｓｉｎ−１（ｍλ／ｐ）と表せる。第２層２を第１層１に対してΔｘだけシフトすると、２連球が入射光５１に対して成す角はδ＝ｔａｎ−１（Δｘ／（Ｄ＋Ｇ））となる。ただし、Ｇは各層の円筒表面間の距離である。また、Δｘがｐを越えると同じ状況が繰り返されるので、｜Δｘ｜≦ｐ／２である。θｍ＝２δとなるようにΔｘを選べば、特定の次数ｍの回折光を増強できる。ここで、Ｄ≫Ｇ、θｍ≒ｓｉｎθｍ、δ≒ｔａｎδ、Ｄ≒ｐとすると、次数ｍを増強できるΔｘはΔｘ≒ｍλ／２と書ける。λ＝５００ｎｍ、ｍ＝±１と考えると、Δｘの範囲は±２５０ｎｍとなる。｜Δｘ｜≦ｐ／２の条件からも同じ程度の範囲となる。つまり、駆動デバイス５により、第１層１と第２層２とをわずか±２５０ｎｍの範囲でシフトするだけで、ｍ＝−１，０，＋１次の３つの方向に進む回折光５２の一つだけを選択的に増強できることになる。この程度のストロークでの移動は、圧電素子にしてもＭＥＭＳのアクチュエータにしても容易に実現できる。【００６７】  第２の機能は、様々な波長λに対して常にブレージング条件を満足させ、高効率な回折を保証する機能である。白色の入射光をこの回折格子でスペクトル分解し、波長λの光をスリットを通して取り出し、その輝度を計測する例を考える。λを選択するには、例えば回折格子を入射光５１に対して回転させればよい（αを変化させる）。図１０に示したとおり、スリット６が入射方向からβの方向に固定されているとすると、θ−α＝βとなる。グレーティング方程式より、このとき、ｓｉｎ（α＋β）−ｓｉｎα＝ｍλ／ｐとなるようにαを選べばよい。鏡面共鳴条件も同時に満たすには、δ＝α＋β／２である。つまり、αが決まればδも決まり、そうなるようにΔｘを調節すれば、常に測定したい波長λに対してブレージングがされていることになる。従来の回折格子ではこのようにブレージング条件を動的に変えることはできなかったので、ある典型的な使用波長においてのみブレージング条件が満足され、その他の波長では常にそれより低い効率で妥協せざるを得なかった。【００６８】  以上の駆動を、ＭＥＭＳアクチュエータで行うことを考えると、回折格子に球や円筒の自己組織的な配列を使うのはあまり現実的でない。鏡面共鳴において、入射側の球や円筒はフォーカシングレンズとして入射した平行光を集光し、出射側の球や円筒はコリメーティングレンズとしてそれを再び平行光に復元する作用をそれぞれ奏する。従って、球や円筒の単層配列は、球型や円筒型、あるいはそれと等価な屈折率傾斜型のマイクロレンズアレイで置き換えることも可能である。上記の回折格子で最高の効率が得られる要素散乱体の形状や屈折率分布は、本来、マックスウェルの方程式の厳密計算により求めるべきである。それは、厳密には非球面または非円筒面のレンズ、あるいはそれと等価な屈折率傾斜型レンズとなるであろう。球や円筒の配列は、むしろ、多少の性能を犠牲にすることにより製作を容易にした例と考えるべきである。マイクロレンズアレイは、それ自体が典型的なＭＥＭＳであり、これをリソグラフィやエッチングの技術を駆使して実現する方法が盛んに研究されている。マイクロレンズアレイとその駆動機構の集積化により、本発明による回��格子を最適な形で高い再現性で大量生産できるようになると期待される。【００６９】  なお、図９では、駆動方向をｘ軸方向に限って説明したが、駆動方向は１軸方向に限定されない。球やレンズの２次元配列の場合には、ｙ軸方向への移動により、別の方向への回折光も増強できる。また、ｚ軸方向に駆動できれば、２つの層の距離の最適化により、常に最高の回折効率を得ることができる。【００７０】  図１１に、図９の構成をマイクロレンズアレイによって実現した例を示す。この形態では、光散乱体として、マイクロレンズ８１，８２，８２；９１，９２，９３が配列したマイクロレンズアレイ１０ｃ，１０ｄが使用されている。【００７１】  図１２Ａ，図１２Ｂに、図１１に示した回折格子を用いたブレーズ波長可変回折格子の例を示す。マイクロレンズアレイ１０ｃ，１０ｄの相対的な位置を調整することにより、白色光５７からの回折光５８ａ，５８ｂ，５８ｃから、所望の波長の回折光（図１２Ａでは回折光５８ａ，図１２Ｂでは回折光５８ａより長波長の回折光５８ｃ）を選択的に増強できる。【００７２】  図１３Ａ，図１３Ｂ，図１３Ｃに、増強次数切り替えにより動作する光スイッチの例を示す。マイクロレンズアレイ１０ｃ，１０ｄの相対的な位置を調整することにより、単色光５５からの次数−１，０，１の回折光５６ａ，５６ｂ，５６ｃから、所望の次数の回折光（図１３Ａでは−１次光５６ａ，図１３Ｂでは０次光５６ｂ、図１３Ｃでは１次光５６ｃ）を選択的に増強できる。所定の次数の回折光について見ると、この回折格子は光スイッチとして機能する。【００７３】  これまでの回折格子の応用形態を考えると、本発明による回折格子にはさらに応用の方法があると期待される。図１４に、その一例として、いわゆるグリズムを示す。グリズムとは、回折格子（グレーティング）とプリズム８とを一体化した装置で、使用したい回折光５２がプリズム８の偏向作用により、入射光５１と同軸になるように調整される。グリズムを用いれば、光学系に挿入するだけで所定の波長だけを取り出し、例えばそのまま画像観察することが可能となる。【００７４】  図１５には、回折格子の別の応用例として、光導波路９のグレーティングカプラーを示す。図１５のようにカプラーを形成したい部分に光散乱体の位置を定める窪み５０を加工しておけば、自己組織的に回折格子を所定の場所に作り込むことも可能である。本発明による回折格子は、ブレージングされたものに相当するので、カプラーからは両側に光が伝搬するのではなく、特定の方向にのみ光を導波することができる。この装置では、入射光５３ａ，５４ａが光導波路９に導入され（回折光５３ｂ）、または光導波路９から導出される（回折光５４ｂ）。【００７５】  図１６に、位置エンコーダ装置の一例を示す。図９を参照して説明したように、２層の回折格子がわずか数１００ｎｍという微小な距離だけ相対移動しただけで、どの次数の回折光が増強されるかが変化する。このことを位置検出に利用する。２枚のマイクロ円筒レンズアレイ状のスケール１０ｃ，１０ｄを向かい合わせ、相対運動する２つの部材（図示省略）にそれぞれ取り付ける。平行光５１を入射すると、複数の次数の回折光５２が生じる。それぞれの回折光５２の生じる方向に光検出器７ａ〜７ｅを設けておき、それぞれの次数の信号強度を検出する（図１６は±２次までの５つの回折光の強度を検出する例を示す）。２つの部材が相対運動すると、増強される回折次数は順次変わり、信号の強い検出器は順次入れ替わる。相対運動量Δｘがちょうど回折格子のピッチｐと等しくなると、最初の状況に戻る。こうして、数１００ｎｍ程度の分解能で、位置の変化を計測できる。従来のエンコーダと同様に、信号を補間すると、より細かい分解能で位置を計測することも可能である。【００７６】  以上、本発明の実施形態について説明してきたが、本発明はその精神から逸脱することなく、他の様々な形で実施することができる。例えば、ここではもっぱら光の回折現象を題材として説明したが、ここで扱っているのはマックスウェルの方程式で記述される現象であるので、マイクロ波やミリ波など、電磁波一般について同じことが成り立つ。また、以上ではすべて透過型回折格子の例で説明したが、特に透過型と限定する理由はなく、ミラーと組み合わせるなどして反射型にした回折格子、これを用いた装置も本発明に含まれる。また、これまでの光学素子で一般になされているように、本発明からなる回折格子の表面に反射防止コーティングを施すようなことは、本発明の一つの実施例に過ぎない。実施例で示した基板は、簡単のために平面であると仮定して記述したが、湾曲した２つの基板上に単層最密充填結晶を形成した場合でも得られる効果は同じである。
【産業上の利用可能性】
【００７７】  以上詳細に説明したように、本発明によれば、これまでとはまったく異なった原理に基づいて、いわゆる共鳴領域と呼ばれる波長領域でも高効率なブレーズ化回折格子を実現できる。これまでの回折格子は、高度な精密加工技術を不可欠とし、高価であったが、本発明による回折格子は、微小球やファイバの自己組織的手法によっても実現できるため安価に製作できる。また、これまでの回折格子では設計時に設定したブレージング条件は固定化されたものであったが、本発明によれば、外部からの制御信号により様々な使用条件において最適な特性が得られるようにブレージング条件をチューニングすることも可能になる。さらに、本発明を利用すれば、安価なあるいはチューナブルな分光機器や光集積回路、位置検出機器が実現できる。
【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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