(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成した、溝間隔である周期が徐々に変化するグレーティング部を具備し、
前記グレーティング部の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状であり、
前記グレーティング部は、
入射波長λに対して、３．５λ以下の範囲を満たす周期のグレーティング部を有する第１領域と、
前記第１領域における前記周期よりも大きな周期のグレーティング部を有する第２領域とを具備し、
前記第１領域のグレーティング部の溝深さは、周期が小さくなるにつれて、実質的に小さくなり、
前記第２領域のグレーティング部の溝深さは、実質的に一定であり、
前記第１領域は、前記第２領域よりも外側に形成されていることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記第１領域において、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例する請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第１領域において、周期Λの時のグレーティング部の溝深さＬは、
前記グレーティング部の屈折率ｎ、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、
鋸歯形状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を実質的に満たし、
階段形状の時は、レベル数をｍとすると、（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／[ｍ（ｎ−１）]＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／[ｍ（ｎ−１）]を実質的に満たす
請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記回折光学素子は、回折光学レンズであり、その開口数は、１／３．５以上である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記第１領域において、グレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が１．０未満である鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１領域において、周期がΛ１より大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８以下の鋸歯形状、または前記ブレーズ化係数が０．８以下の鋸歯形状を近似した階段形状であり、
周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８より大きい鋸歯形状、または前記ブレーズ化係数が０．８より大きい鋸歯形状を近似した階段形状であって、
前記Λ１は、入射波長λに対して、１．８λ≦Λ１≦２．５λを実質的に満たす請求項５記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記第１領域において、グレーティング部の断面は、スペース係数が０より大きい鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１領域において、周期がΛ１より大きい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が０．２未満の鋸歯形状、または前記スペース係数が０．２未満の鋸歯形状を近似した階段形状であり、
周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が０．２以上の鋸歯形状、または前記スペース係数が０．２以上の鋸歯形状を近似した階段形状であって、
前記Λ１は、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ１≦２．８λを実質的に満たす請求項７記載の回折光学素子。
【請求項９】
前記第１領域において、周期が入射波長λに対して、１．５λより大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が１未満でかつスペース係数が０より大きい鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である請求項１記載の回折光学素子。
【請求項１０】
基板側から光が入射し、その入射角はグレーティング部の法線に対して実質的に±１０°以内であり、前記グレーティング部は１次回折光を出射する請求項１記載の回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、断面が実質的に鋸歯形状もしくは階段形状のグレーティング部を有する回折光学素子に関し、特に、周期の小さい領域において高い回折効率の得られる素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
回折光学素子は、波長程度の溝深さで機能するため、光学系が小型・薄型・軽量化が実現でき、注目されている。従来例の回折光学素子として、図１６に示すような回折型マイクロレンズがあった（塩野照弘：“高効率回折光学素子の作製技術”、応用物理  第68巻  第６号  pp.633-638（1999年））。即ち、基板１上に、図１６に示すような断面が鋸歯形状グレーティング部２０を形成したものである。同心円状グレーティング部２０が外周に行くほど周期が小さくなるように形成され、垂直入射した光３をグレーティング部２０により、１次回折光４を発生させて焦点に集光するように設計される。グレーティング部２０を鋸歯形状に加工することにより、１次回折効率（入射光を１次回折光に変える割合）を向上させている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示した従来の鋸歯形状の回折光学素子の１次回折効率及び規格化溝深さと規格化周期との関係を図１７（ａ）、（ｂ）に示す。規格化周期とは周期Λを波長λで割った値Λ／λであり、規格化溝深さとは、溝深さＬを基準の溝深さＬ０で割った値Ｌ／Ｌ０である。図１７（ｂ）から分かるように、従来例の回折光学素子において、鋸歯形状の溝深さは、周期に依存せず一定である。グレーティング部２０の周期が波長に比べて十分大きい時（例えば、Λ／λ＞１０）は、高い回折効率が得られるが、周期が入射波長λの１０倍程度より小さくなると１次回折効率が低下を始め、周期が入射波長λの約１．５倍から３．５倍程度の間で回折効率は、例えば７０％程度以下に低下するという課題がある。
【０００４】
本発明はかかる点に鑑みてなされたもので、特に、周期の小さい領域（例えば、周期が波長の３．５倍以下）において高い回折効率の得られる素子を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明の回折光学素子は、基板と、前記基板上に形成した、溝間隔である周期が徐々に変化するグレーティング部を具備し、前記グレーティング部の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状であり、前記グレーティング部は、入射波長λに対して、３．５λ以下の範囲を満たす周期のグレーティング部を有する第１領域と、前記第１領域における前記周期よりも大きな周期のグレーティング部を有する第２領域とを具備し、前記第１領域のグレーティング部の溝深さは、周期が小さくなるにつれて、実質的に小さくなり、
前記第２領域のグレーティング部の溝深さは、
実質的に一定であり、前記第１領域は、前記第２領域よりも外側に形成されていることを特徴とする。これにより、周期が３．５λ以下の領域で、回折効率を高くできる回折光学素子を実現することができる。
【０００６】
また、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例する構成としてもよい。
【０００７】
また、周期Λの時のグレーティング部の溝深さＬは、前記グレーティング部の屈折率ｎ、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、鋸歯形状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を実質的に満たし、階段形状の時は、レベル数をｍとすると、（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たす構成としてもよい。
【０００９】
また、グレーティング部はさらに、３．５λより大きい周期を具備し、前記周期を有するグレーティング部の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状であり、前記グレーティング部の溝深さは実質的に一定である構成としてもよい。
【００１０】
また、中央部が３．５λより大きい周期を具備し、周辺部が３．５λ以下の周期を具備する回折光学レンズである構成としてもよい。これにより、高い開口数を有しながら光利用効率の高い回折光学レンズを実現することができる。
【００１１】
また、回折光学レンズの開口数は、１／３．５以上である構成としてもよい。
【００１２】
また、グレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が１．０未満である鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である構成としてもよい。これにより、さらに回折効率を高くできる回折光学素子を実現することができる。
【００１３】
また、周期がΛ１より大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８以下の鋸歯形状、または前記ブレーズ化係数が０．８以下の前記鋸歯形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８より大きい鋸歯形状、または前記ブレーズ化係数が０．８より大きい鋸歯形状を近似した階段形状であって、Λ１は、入射波長λに対して、１．８λ≦Λ１≦２．５λを実質的に満たす構成としてもよい。
【００１４】
また、グレーティング部の断面は、スペース係数が０より大きい鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である構成としてもよい。これにより、さらに回折効率を高くできる回折光学素子を実現することができる。
【００１５】
また、周期がΛ１より大きい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が０．２未満の鋸歯形状、または前記スペース係数が０．２未満の鋸歯形状鋸歯形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が０．２以上の鋸歯形状、または前記スペース係数が０．２以上の鋸歯形状を近似した階段形状であって、Λ１は、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ１≦２．８λを実質的に満たす構成としてもよい。
【００１６】
また、周期が、入射波長λに対して、１．５λより大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が１未満でかつスペース係数が０より大きい鋸歯形状、または前記鋸歯形状を近似した階段形状である構成としてもよい。これにより、さらに回折効率を高くできる回折光学素子を実現することができる。
【００１７】
また、基板側から光が入射し、その入射角はグレーティング部の法線に対して実質的に±１０°以内であり、前記グレーティング部は１次回折光を出射する構成としてもよい。
【００１８】
【発明の実施の形態】
（実施の形態１）
まず、本発明の実施の形態１の回折光学素子について、図１から図３を用いて詳細に説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、本発明の実施の形態１における回折光学素子の断面図、平面図、図２（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学素子において、基板側から波長λの光が垂直入射した場合の、１次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、規格化溝深さと規格化周期の関係を示すグラフ、図３は、同実施の形態の回折光学素子の１次回折効率と入射角の関係を示すグラフである。
【００１９】
なお、規格化周期は周期Λを波長λで割った値Λ／λとし、規格化溝深さは、溝深さＬを、基準の溝深さＬ０で割った値Ｌ／Ｌ０と定義している。ここで、Ｌ０は使用波長λ、グレーティング部２の屈折率ｎに対して、Ｌ０＝λ／（ｎ−１）と表され、この値はスカラー回折理論から求まる最適な溝深さである。
【００２０】
図１において、回折光学素子は、回折光学レンズであって、例えば、ガラスや合成樹脂等の透明基板１上に、グレーティング部２を、例えばＰＭＭＡ（ポリメチルメタアクリレート）やゼオネックス等の透明樹脂や２Ｐ樹脂（フォトポリマー）で形成するか、または基板１をエッチングして形成している。グレーティング部２は、レンズ作用をするように同心円状又は同心楕円状に外周になるほど周期が小さくなるようにしてある。
【００２１】
図１に示すように、１次の回折光４が焦点に集光するように、中央部２ａ（領域２ａ部）の断面は実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状２’であり、周辺部２ｂ（領域２ｂ部）の断面は、実質的に鋸歯形状、または鋸歯形状を近似した階段形状２’である。この時のグレーティング部中央部２ａの溝の深さＬは、周期に依らずＬ０＝λ／（ｎ−１）のほぼ一定値（規格化溝深さＬ／Ｌ０＝１）とし、周辺部２ｂの溝の深さは、周期が小さくなるにつれて（外周になるにつれて）、実質的に溝深さが小さくなる構造をしている。このような構造により、周辺部２ｂにおいて回折効率を高くすることができる。この理由として、Λ／λが小さい領域において、溝深さを最適化して垂直入射においてブラッグ回折の条件に近づけているためと考えている。
【００２２】
本実施の形態においては、例えば、波長λ＝０．４０５μｍ、屈折率ｎ＝１．５１、Ｌ０＝０．７９μｍである。グレーティング部２の周期Λは、外周になるに従い小さくなるが、中央部２ａでの最外周周期は、例えば、波長λ＝０．４０５μｍに対して、図２にも示すように、Λ＝２．６λ＝１．１μｍとし、周辺部２ｂの最内周周期は、例えば、Λ＝２．５λ＝１．０μｍで、周辺部２ｂの最外周周期は、例えば、Λ＝１．１λ＝０．４５μｍ（但し、図２（ｂ）では、Λ／λ≦１．１の場合も図示）とした。
【００２３】
図２（ａ）に示すように、周期Λが２．６λより大きい中央部２ａの１次回折効率は最内周では９０％以上得られるが、周期が小さくなるにつれて（外周に行くにつれて）低下し、周辺部２ｂとの境界で５０％程度になる。しかしながら、周辺部２ｂでは、図２（ｂ）に示すように、規格化溝深さを、境界部でＬ／Ｌ０＝２．７（例えば、Ｌ＝２．１μｍ）と大きくしており、周期が小さくなるにつれて、溝深さも徐々に小さくした。溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例するようにしている。図２に示した場合では、Ｌ／Ｌ０＝１．３（Λ／λ）−０．６３のような一次関数で近似でき、この時、回折効率を最も向上させることが可能であることが分かった。
【００２４】
また、屈折率ｎ＝１．７の時は、Ｌ／Ｌ０＝１．３７（Λ／λ）−０．３２のような一次関数で近似でき、屈折率ｎ＝２．０の時は、Ｌ／Ｌ０＝１．７６（Λ／λ）−０．３９のような一次関数で近似でき、この時回折効率を最も向上させることが可能であることが分かった。従って、色々の屈折率や入射条件を変化させた場合は、関数の係数が異なってくるが、溝深さＬは、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を満たすことが分かった。なお、垂直入射の場合、Λ／λ≦１の時、１次回折効率は０となる。
【００２５】
断面形状が、鋸歯形状を近似した階段形状２’の場合、階段の数であるレベル数をｍとすると、この時も、例えばＬ／Ｌ０＝［１．３（Λ／λ）−０．６３］（ｍ−１）／ｍのような一次関数で近似でき、その時に回折効率を最も向上させることが可能であることも分かった。また、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射条件を変化させた場合は、同様に、溝深さＬは、レベル数をｍとすると、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たすことも分かった。
【００２６】
図２と図１７を比較すれば分かるように、本実施の形態の回折光学素子によれば、周期が、例えば２．５λ以下で回折効率を向上させることが可能で、その結果、高い開口数を有しながら光利用効率の高い回折光学レンズが実現できる。なお、レンズの開口数ＮＡは、最外周規格化周期の逆数で与えられ、本実施の形態ではＮＡ＝１／１．１＝０．９１である。
【００２７】
また、図３に示すように、周辺部（ｂ）において、Λ／λ＝２．５、２．０、１．５の場合の１次回折効率と入射角の関係から、垂直入射（入射角＝０°）近傍で回折効率が概ね高く、入射角が±１０°程度になると、特に、Λ／λ＝２．５では効率が１０数％程度に低下する傾向があり、入射角が±１０°以内で、本実施形態の回折光学素子を使用するのが好ましいと言える。
【００２８】
グレーティング部２の加工方法としては、例えば、公知の電子ビーム描画法を用いた。即ち、基板１上に、電子ビームレジストをコーティングし、電子ビーム描画装置を用いて、図１に示したような回折光学レンズの膜厚分布に対応するように露光量分布を与え、現像処理をしてレジストの膜厚を変化させて作製した。さらに、このレジスト形状をエッチングにより、基板１に転写しても良い。また、階段形状２’の場合は、フォトリソグラフィとエッチングを組み合わせる、いわゆる公知のバイナリオプティクス作製技術を用いて作製できる。
【００２９】
さらに、集束イオンビームやＣＮＣ旋盤等（computerized numerical control）の機械加工を用いて作製してもよい。又、これらによって作製したグレーティング部２を原盤にして金型を形成し、例えば透明エポキシや紫外線硬化樹脂、ＰＭＭＡ等の合成樹脂を用いて複製法により形成することも可能であり、安価な大量生産を実現することもできる。
【００３０】
次に、実施の形態１の別の例における回折光学素子について、図４を用いて上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態１の別の例における回折光学素子の断面図、平面図である。図４の回折光学素子の構造は、図１の素子と全く同じであり、光の入射の形態のみが異なる。
【００３１】
本実施の形態の回折光学素子では、レーザやＬＥＤのような点光源５から出射した発散光３’をグレーティング部２側から入射させて、基板１側に平行な回折光４’として出射する。即ち、図１に示した回折光学素子とは光の進行方向が逆である。上述したように、本発明の回折光学素子によれば、基板側から入射する場合、入射角が±１０°以内で、回折光学素子を使用するのが好ましいと言えたので、図４に示すような、発散光３’を平行光４’に回折して変換する場合でも、高い回折効率を得るには、平行光４’がグレーティング部２の法線から±１０°以内になるように構成するのが望ましいと言える。
【００３２】
実施の形態１のさらに別の例における回折光学素子について、図５を用いて上記説明したものと異なる点を中心に説明する。図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態１のさらに別の例における回折光学素子の断面図、平面図である。図５の回折光学素子は、図５（ｂ）から分かるように、１次元構造のレンズで、いわゆるシリンドリカル回折型レンズであり、基板１側からの平行な入射光３を、直線状に集光するように回折光４として出射する。
【００３３】
図５（ａ）に示すように、本実施形態の回折光学素子の一方向の断面形状は、図１（ａ）の場合と同じであり、中央部２”ａは溝深さは実質的に一定で、周辺部２”ｂは、周期が小さくなるにつれて、実質的に溝深さも小さくなる構造である。本実施の形態の回折光学素子によれば、シリンドリカルレンズにおいても、周期が、例えば２．５λ以下で回折効率を向上させることが可能で、その結果、高い開口数を有しながら光利用効率の高いシリンドリカルの回折光学レンズが実現できる。
【００３４】
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２の回折光学素子について、図６から図７を用いて、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図６は、本発明の実施の形態２における回折光学素子の断面図（なお、平面図は図１（ｂ）と同じ）、図７（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学素子において、基板側から波長λの光が垂直入射した場合の、１次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、規格化溝深さと規格化周期の関係を示すグラフである。
【００３５】
本実施の形態の回折光学素子は、図６から分かるように、グレーティング部２の断面は、中央部２ａにおいては実施の形態１の素子と同じであるが、周辺部２ｃとさらなる周辺部２ｄにおいて、実施の形態１の素子と異なる。まず、図６の拡大図に示すように、周期Λ１の鋸歯形状において最も溝の深い位置から頂点の位置までのグレーティング部２の水平方向の距離をａ１Λ１とした時、そのａ１をブレーズ化係数と呼ぶことにする。ちなみに実施の形態１では、ブレーズ化係数は１であった。
【００３６】
本発明者らは、規格化周期Λ／λ≦３．５において、ブレーズ化係数が１．０未満の鋸歯形状、または上記ブレーズ化係数が１．０未満の鋸歯形状を近似した階段形状２’にとり、周期が小さくなるにつれて、実質的に溝深さも小さくすることにより、さらに回折効率を向上させられることを発見した。ブレーズ化係数を１未満にとるということは、素子の製作がし易くなるという効果があり、かなり有用である。本実施の形態では、周辺部２ｃでは、例えば、ａ１＝０．７、さらなる周辺部２ｄにおいては、例えば、ａ２＝０．９とし、境界のΛ／λ＝２．２においてブレーズ化係数を変化させた。なお、中央部２ａではブレーズ化係数は１である。
【００３７】
さらに、図７から、例えば、２．３≦Λ／λ≦３．５では、ブレーズ化係数０．７が最も効率が良く、１．７≦Λ／λ＜２．３では、ブレーズ化係数０．８が最も効率が良く、１．３≦Λ／λ＜２．３では、ブレーズ化係数０．９が最も効率が良く、１．０＜Λ／λ＜１．３では、ブレーズ化係数１．０が最も効率が良いことが分かった。従って、Λ／λに応じて、さらに細かくブレーズ化係数を変化させることにより効率の一層の向上が可能である。その時、図７（ｂ）から分かるように、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例するようにしている。ブレーズ化係数が１の場合では、溝深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．３（Λ／λ）−０．６３のような一次関数で近似でき、ブレーズ化係数が０．６の場合では、溝深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．０（Λ／λ）−０．５６のような一次関数で近似できる。ブレーズ化係数が小さい程、溝深さを小さくできるという効果があり、その結果、素子の作製も容易になる。
【００３８】
また、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射条件を変化させた場合は、関数の係数が異なってくるが、溝深さＬは、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を満たすことが分かった。
【００３９】
ブレーズ化係数に関しては、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射条件を変化させた場合を考慮すると、Λ１を、入射波長λに対して、１．８λ≦Λ１≦２．５λを実質的に満たす周期とすると、Λ１より大きい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８以下の鋸歯形状、またはその鋸歯形状を近似した階段形状で、周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断面は、ブレーズ化係数が０．８より大きい鋸歯形状、またはその鋸歯形状を近似した階段形状にすることにより、回折効率を向上できるという効果がある。
【００４０】
なお、本実施の形態２の回折光学素子は、規格化周期Λ／λ≦３．５において回折効率が高くなることから、開口数ＮＡ≧１／３．５＝０．２９の回折型レンズに対して有効である。
【００４１】
（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３の回折光学素子について、図８から図９を用いて、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図８は、本発明の実施の形態３における回折光学素子の断面図（なお、平面図は図１（ｂ）と同じ）、図９（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学素子において、基板側から波長λの光が垂直入射した場合の、１次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、規格化溝深さと規格化周期の関係を示すグラフである。
【００４２】
本実施の形態の回折光学素子は、図８から分かるように、グレーティング部２の断面は、中央部２ａにおいては実施の形態１の素子と同じであるが、周辺部２ｅとさらなる周辺部２ｆにおいて、実施の形態１の素子と異なる。まず、図８の拡大図に示すように、周期Λ１の鋸歯形状において最も溝の深い位置の幅をｓ１Λ１とした時、そのｓ１をスペース係数と呼ぶことにする。ちなみに実施の形態１では、スペース係数は０であった。
【００４３】
本発明者らは、規格化周期Λ／λ≦３．５において、スペース係数が０より大きい鋸歯形状、またはスペース係数が０より大きい鋸歯形状を近似した階段形状にとり、周期が小さくなるにつれて、実質的に溝深さも小さくすることにより、回折効率を向上させられることを発見した。本実施の形態では、周辺部２ｅでは、例えば、ｓ１＝０．１、さらなる周辺部２ｆにおいては、例えば、ｓ２＝０．２とし、境界のΛ／λ＝２においてスペース係数を変化させた。なお、中央部２ａではスペース係数は０である。
【００４４】
また、Λ／λに応じてスペース係数をさらに細かく変化させることにより効率の一層の向上が可能である。その時、図９（ｂ）から分かるように、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例するようにしている。スペース係数が０の場合では、溝深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．３（Λ／λ）−０．６３のような一次関数で近似でき、スペース係数が０．３の場合では、溝深さは、例えば、Ｌ／Ｌ０＝１．１（Λ／λ）−０．５０のような一次関数で近似できる。スペース係数が小さい程、溝深さを小さくできるという効果があり、その結果、素子の作製も容易になる。
【００４５】
また、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射条件を変化させた場合は、関数の係数が異なってくるが、溝深さＬは、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を満たすことが分かった。
【００４６】
スペース係数に関しては、屈折率ｎが１．５１以外の時や入射条件を変化させた場合を考慮すると、Λ１は、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ１≦２．８λを実質的に満たす周期とすると、周期がΛ１より大きい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が０．２未満の鋸歯形状、または上記スペース係数が０．２未満の鋸歯形状鋸歯形状を近似した階段形状であり、周期がΛ１より小さい領域のグレーティング部の断面は、スペース係数が０．２以上の鋸歯形状、または上記スペース係数が０．２以上の鋸歯形状を近似した階段形状にすることにより、回折効率を向上できるということが言える。
【００４７】
（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４の回折光学素子について、図１０から図１１を用いて、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図１０は、本発明の実施の形態４における回折光学素子の断面図（なお、平面図は図１（ｂ）と同じ）、図１１（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、同実施の形態の回折光学素子において、基板側から波長λの光が垂直入射した場合の、１次回折効率と規格化周期の関係を示すグラフ、規格化溝深さと規格化周期の関係を示すグラフである。
【００４８】
本実施の形態の回折光学素子は、図１０から分かるように、グレーティング部２の断面は、中央部２ａにおいては実施の形態１の素子と同じであるが、周辺部２ｇとさらなる周辺部２ｈにおいて、実施の形態１の素子と異なる。まず、図１０の拡大図に示すように、周辺部２ｇの鋸歯形状において、ブレーズ化係数ａを１未満に、かつスペース係数ｓを０より大きくとっている。
【００４９】
本発明者らは、入射波長λに対して、１．５λ≦Λ≦３．５λとなる周期において、グレーティング部の断面が、ブレーズ化係数が１未満でかつスペース係数が０より大きい鋸歯形状、または上記鋸歯形状を近似した階段形状にとり、周期が小さくなるにつれて、実質的に溝深さも小さくすることにより、回折効率を向上させられることを発見した。
【００５０】
本実施の形態では、周辺部２ｇでは、例えば、ａ＝０．８、ｓ＝０．１、さらなる周辺部２ｈにおいては、例えば、ａ＝０．８、ｓ＝０とし、境界のΛ／λ＝２．１においてスペース係数を変化させた。なお、中央部２ａでは、ａ＝１、ｓ＝０である。
【００５１】
また、Λ／λに応じてブレーズ化係数とスペース係数をさらに細かく変化させることにより効率の一層の向上が可能である。その時、図１１（ｂ）から分かるように、溝深さの小さくなる割合は、実質的に周期に比例するようにしている。ブレーズ化係数が１未満でかつスペース係数が０より大きい鋸歯形状にすることにより、溝深さを小さくできるという効果があり、その結果、素子の作製も容易になる。
【００５２】
（実施の形態５）
次に、本発明の実施の形態５の回折光学素子について、図１２から図１５までを用いて、上記実施の形態１と異なる点を中心に説明する。図１２（ａ）、（ｂ）から図１５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ本発明の実施の形態５における回折光学素子の断面図、平面図である。
【００５３】
図１２の回折光学素子の鋸歯形状２Ａ、または鋸歯形状を近似した階段形状２Ａ’は、ブレーズ化係数ａ＝１、スペース係数ｓ＝０の場合、図１３の回折光学素子の鋸歯形状２Ｂ、または鋸歯形状を近似した階段形状２Ｂ’は、ブレーズ化係数ａ＜１、スペース係数ｓ＝０の場合、図１４の回折光学素子の鋸歯形状２Ｃ、または鋸歯形状を近似した階段形状２Ｃ’は、ブレーズ化係数ａ＝１、スペース係数ｓ＞０の場合、図１５の回折光学素子の鋸歯形状２Ｄ、または鋸歯形状を近似した階段形状２Ｄ’は、ブレーズ化係数ａ＜１、スペース係数ｓ＞０の場合の例である。
【００５４】
本実施の形態の回折光学素子は、基板１と、上記基板１上に形成したグレーティング部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’を具備し、上記グレーティング部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’は、それぞれ入射波長λに対して、それぞれ、３．５λ以下となる実質的に均一の周期Λを具備し、上記グレーティング部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’の断面は、それぞれ実質的に鋸歯形状２、または鋸歯形状を近似した階段形状２’であり、入射光３を１次の回折光６に変換するグレーティング（回折格子）である。
【００５５】
上記グレーティング部２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、または２Ａ’、２Ｂ’、２Ｃ’、２Ｄ’の溝深さＬは、いずれも、上記周期Λ、上記グレーティング部２の屈折率ｎ、ｐ１＝０．９、ｐ２＝１．８、ｑ１＝−０．６、ｑ２＝−０．３に対して、上記鋸歯形状の時は（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／（ｎ−１）＜Ｌ＜（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／（ｎ−１）を実質的に満たし、上記階段形状の時は、レベル数をｍとすると、（ｍ−１）（ｐ１Λ＋ｑ１λ）／［ｍ（ｎ−１）］＜Ｌ＜（ｍ−１）（ｐ２Λ＋ｑ２λ）／［ｍ（ｎ−１）］を実質的に満たすように構成しており、このような構成により、垂直入射付近において、周期が３．５λ以下の領域で回折効率の高いグレーティングを実現するという効果がある。
【００５６】
本実施の形態の回折光学素子の具体的な回折効率や溝の深さは、これまでに述べた実施の形態１から４の値を当てはめることができる。例えば図１２の回折光学素子では、ブレーズ化係数ａ＝１、スペース係数ｓ＝０の場合であるから、実施の形態１で述べた値（図２参照）を、素子のΛ／λから求めることができる。
【００５７】
同様に、図１３の回折光学素子では、ブレーズ化係数ａ＜１、スペース係数ｓ＝０の場合であるから、実施の形態２で述べた値（図７参照）を、素子のΛ／λから求めることができる。また、図１４の回折光学素子では、ブレーズ化係数ａ＝１、スペース係数ｓ＞０の場合であるから、実施の形態３で述べた値（図９参照）を、素子のΛ／λから求めることができる。さらに、図１５の回折光学素子では、ブレーズ化係数ａ＜１、スペース係数ｓ＞０の場合であるから、実施の形態４で述べた値（図１１参照）を、素子のΛ／λから求めることができる。
【００５８】
なお、それらの入射角はグレーティング部の法線に対して実質的に±１０°以内であることが好ましいのは、同様の理由による。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、断面が実質的に鋸歯形状もしくは階段形状のグレーティング部を有する回折光学素子に関し、特に、周期が小さい領域（例えば、周期が波長の３．５倍以下の領域）で高い回折効率の得られる素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１における回折光学素子の平面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１における、回折光学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラフ
（ｂ）本発明の実施の形態１における、回折光学素子の規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ
【図３】本発明の実施の形態１における、回折光学素子の１次回折効率と入射角との関係を示すグラフ
【図４】（ａ）本発明の実施の形態１の別の例における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１の別の例における回折光学素子の平面図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態１の別の例における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態１の別の例における回折光学素子の平面図
【図６】本発明の実施の形態２における回折光学素子の断面図
【図７】（ａ）本発明の実施の形態２における、回折光学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラフ
（ｂ）本発明の実施の形態２における、回折光学素子の規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ
【図８】本発明の実施の形態３における回折光学素子の断面図
【図９】（ａ）本発明の実施の形態３における、回折光学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラフ
（ｂ）本発明の実施の形態３における、回折光学素子の規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ
【図１０】本発明の実施の形態４における回折光学素子の断面図
【図１１】（ａ）本発明の実施の形態４における、回折光学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラフ
（ｂ）本発明の実施の形態４における、回折光学素子の規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ
【図１２】（ａ）本発明の実施の形態５における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態５における回折光学素子の平面図
【図１３】（ａ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学素子の平面図
【図１４】（ａ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学素子の平面図
【図１５】（ａ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学素子の断面図
（ｂ）本発明の実施の形態５の別の例における回折光学素子の平面図
【図１６】（ａ）従来の回折光学素子の断面図
（ｂ）従来の回折光学素子の平面図
【図１７】（ａ）従来の回折光学素子における、回折光学素子の１次回折効率と規格化周期との関係を示すグラフ
（ｂ）従来の回折光学素子における、回折光学素子の規格化溝深さと規格化周期との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１  基板
２  グレーティング部
３  入射光
４  回折光
５  光源
６  回折光
【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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