JP2006030954A - 回折光学素子及びこれを利用した光学ローパスフィルター - Google Patents

Abstract

【課題】 ２次元的に多値化した微細な周期構造を持つ光ビーム分割素子や光学ローパスフィルター等として使用可能な回折光学素子。
【解決手段】 透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な長方形領域に分割されており、何れか１方向に行端を揃えて複数の行が並んでいるものとして、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して、奇数番目の行の中の奇数番目の長方形領域３１は位相２ｐπを与えるように構成され、偶数番目の長方形領域３３は位相｛（４ｑ＋１）π／２＋δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の行の中の奇数番目の長方形領域３４は位相｛（４ｒ＋３）π／２＋３δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の長方形領域３２は位相｛（４ｓ＋２）π／２＋δπ｝を与えるように構成されている（−０．２５≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ，ｒ，ｓ：整数）回折光学素子１０。
【選択図】 図５

Description

本発明は、回折光学素子に関し、特に、光ビーム分割素子等の光学素子として使用可能な回折光学素子及びこれを用いた光学ローパスフィルターに関するものである。

本出願人は、特願２００３−３１１０３６号にて、正方形領域群が碁盤の目状に配置され、隣り合う正方形領域の基準波長光に対する位相差が略πであり、略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する回折光学素子を開示している。

ところで、ＣＣＤアレイやＣＭＯＳアレイ等に代表される離散的画素構造を有する固体撮像素子を用いた結像系において、被写体に含まれる高周波成分に起因するモアレ縞や偽色の発生を抑制する目的で、回折光学素子型の光学ローパスフィルターを用いることは、特許文献１〜８等においてよく知られている。
特開昭５３−１１９０６３号公報 特開平５−２１５１号公報 特開平５−１８１０９３号公報 特開平５−６６３７０号公報 特開２０００−６６１４２号公報 特開２００２−１５６６０８号公報 特公昭５２−２２２４７号公報 特開平８−１５６４６号公報 特開平１０−５４９６０号公報 特開２００１−３５６６７３号公報

上記先行例の回折光学素子は、位相格子部分の断面が何れも矩形波形状、三角波形状、台形波形状あるいは正弦波形状のものであり、位相差部分を２次元的に多値化したバイナリー光学素子ではない。

本発明は従来技術のこのような状況の下になされたものであり、その目的は、２次元的に多値化した微細な周期構造を持つ光ビーム分割素子や光学ローパスフィルター等として使用可能な回折光学素子を提供することである。

上記目的を達成する本発明の回折光学素子は、透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な長方形領域に分割されており、何れか１方向に行端を揃えて複数の行が並んでいるものとして、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して、奇数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相２ｐπを与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｑ＋１）π／２＋δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相｛（４ｒ＋３）π／２＋３δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｓ＋２）π／２＋δπ｝を与えるように構成されている（だだし、−０．２５≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ，ｒ，ｓ：整数）ことを特徴とするものである。

この場合に、長方形領域は同一形状の正方形領域からなっていることが望ましい。

本発明のもう１つの回折光学素子は、透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な長方形領域に分割されており、何れか１方向に行端を揃えて複数の行が並んでいるものとして、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して、奇数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相２ｐπを与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｑ＋１）π／２＋δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相｛（４ｒ＋３）π／２＋３δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｓ＋２）π／２＋δπ｝を与えるように構成されている（だだし、−０．２５≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ，ｒ，ｓ：整数）回折光学素子において、
何れの長方形領域も、行方向及び列方向において隣接する長方形領域との間の辺を中心に頂点の位置を変えずにそれぞれの辺に直交する両方向に割り込んでなる中間領域が設定され、何れの長方形領域も最早長方形から中間領域の割り込み分変形され、各中間領域には、その両側の領域の位相を０〜２πの値に換算した値の略中間の値又はその値に２πの整数倍を加えた値の位相が与えられ、ただし、その両側の領域の位相を０〜２πの値に換算した値の差がπを越える場合は、その両側の領域の位相を０〜２πの値に換算した値の略中間の値又はその値に２πの整数倍を加えた値にさらにπを加えた値の位相が与えられてなることを特徴とするものである。

この場合に、中間領域の割り込み分変形される前の長方形領域が同一形状の正方形領域からなることが望ましい。

また、中間領域の境界線は滑らかな曲線からなることが望ましく、例えば、正弦波曲線からなる。

本発明の回折光学素子は、透明基板に略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する光束分割素子として使用可能であり、また、相互にずれた４枚又は５枚の同一画像を重畳して撮像面に入射させる光学ローパスフィルターとして使用可能である。

本発明は、以上のような回折光学素子の製造方法であって、フォトエッチングにより基板に２のｎ乗（ｎ：２以上の自然数）の段数の凹凸を形成して凹凸型を得た後、前記凹凸型を用いて樹脂層に型付けを行い、前記樹脂層の表面に回折光学素子の凹凸を形成することを特徴とする方法を含むものである。前記の２のｎ乗の段数は、通常各段差を等しく設定する。

本発明により、回折光学素子の位相変調量を２次元的に４値又は８値とすることで、不要な高次回折光を減少させることができると共に、分割される光束あるいは像の形成に寄与する光束の回折効率を向上させることができる。また、このような位相変調量が４値又は８値の回折光学素子を例えばデジタルカメラ用の光学ローパスフィルターとして用いると、画像上に重畳されるノイズ光や偽像をより少なくすることができる。さらには、本発明により、従来の水晶製の光学ローパスフィルターに比べてより薄型の光学ローパスフィルターを構成することが可能となる。

以下に、まず、本発明の回折光学素子の基礎原理を説明する。

図１に、特願２００３−３１１０３６号で提案された本発明の回折光学素子の基礎になる２次元的に２値化した微細な周期構造を持つ回折光学素子１０の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）を示す。この回折光学素子１０は、透明基板１の表面に直交する２軸ｘ、ｙを設定すると、ｘ軸、ｙ軸両方向に整列して同一形状の微細な正方形領域２、３が碁盤の目状に分割配置されており、透明基板１に垂直に入射する基準波長λ₀ の光に対して位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３が、ｘ軸方向、ｙ軸方向それぞれに交互に配置されている。そして、ｘ軸とｙ軸の間の４５°、１３５°に設定される相互に直交する対角方向をＸ軸、Ｙ軸とすると、Ｘ軸、Ｙ軸両方向に、位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３が整列するように、これら正方形領域２と３が配置されている。すなわち、正方形領域２と３の配置はいわゆる市松模様を構成している。そして、ｘ軸方向、ｙ軸方向の正方形領域２又は３の繰り返しピッチをΛとすると、対角方向のＸ軸方向、Ｙ軸方向の正方形領域２又は３の繰り返しピッチはΛ／√２となる。例えばΛ＝４μｍの場合、対角方向（Ｘ軸、Ｙ軸方向）の繰り返しピッチはΛ／√２＝４／√２μｍ＝２√２μｍとなる。また、基準波長λ₀ ＝８００ｎｍとしている。

このような構成の回折光学素子１０に透明基板１に垂直に基準波長λ₀ の光２０を入射させると、図２に示すように、反対側に４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y が射出する。ただし、回折方向は直交する２軸のｘ軸、ｙ軸方向ではなく、直交する対角方向のＸ軸方向、Ｙ軸方向であり、それぞれの方向の＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y である。回折光学素子１０の透明基板１の法線に対する回折角θは、これらの４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y に対して、回折の式から、θ＝ａｒｃｓｉｎ｛λ₀ ／（Λ／√２）｝の関係にあり、上記の数値例の場合でλ₀ ＝０．８μｍの場合は、θ＝１６．４３°となる。ただし、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向何れも＋１次光と−１次光は当然ながらθの符号は反対である。

このように直交する対角方向Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に回折光が出る理由は、位相０を与える正方形領域２及び位相πを与える正方形領域３をそれぞれ連続的に繋いだ直線状領域（１次元位相回折格子）が対角方向であるＸ軸方向とＹ軸方向に繰り返しているからであると考えられる。また、０次回折光が出ないのは、回折光学素子１０全面で位相０を与える正方形領域２の面積と位相πを与える正方形領域３の面積が等しく、回折光学素子１０から離れた遠方位置では、正方形領域２を回折されずに透過した成分と正方形領域３を回折されずに透過した成分とが相互に相殺するためである。また、奇数次の高次光も若干回折するが（偶数次の回折光はない。）、次の表１に示すように、これらの回折光は＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y に対して相対的に弱いので、通常の使用状態では無視し得る。

以上に述べた位相変調量が２値の回折光学素子１０の各回折次数の強度を次の表１に示す。表１で、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向とし、それぞれの数字は次数を表すとする。基準波長λ₀ ＝５３２ｎｍとし、使用波長λも同じ５３２ｎｍとしている。上記の４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y は、それぞれ（＋１，０）次、（−１，０）次、（０，＋１）次、（０，−１）次に対応し、入射光２０の強度を１００％とすると、１６．４％となる（表中の“Ｅ−０ｎ”（ｎは０又は正の整数）は×１０^-nを意味する。以下、同じ。）。この表１から、＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y の回折効率は６５．６％、それ以外の次数の回折光（ノイズ光）の回折効率は３４．４％で、ＳＮ比は１．９４となる。

図１のような構成の回折光学素子１０は、入射光２０を４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y に均等に分割する光束分割素子として使用可能であり、また、正方形領域３が与える位相をπから若干ずらすことにより、０次回折光の強度が＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y と略同じにすることができ、入射光２０を５本の光束に略均等に分割する光束分割素子としても使用可能である。このような光束分割素子は、例えば、同心円又は渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッドのトラッキング制御のために、あるいは、同心円又は渦巻き状のトラックに沿って情報が記録されている光記録媒体の読み取りヘッドのトラッキング位置センサー信号発生のために用いることができる（詳細は、特願２００３−３１１０３６号参照）。

また、このように、入射光２０を４本又は５本の光束に略均等に分割する光束分割素子は、ＣＣＤアレイやＣＭＯＳアレイ等に代表される離散的画素構造を有する固体撮像素子を用いた撮像光学装置の光学ローパスフィルターとして使用できる。図３（ａ）に側面図、（ｂ）に撮像面で光束の分離の様子を示すように、図示しない結像光学系（対物光学系）によってＣＣＤ１１の撮像面１２に結像するように変換された光線２０は、結像光学系とＣＣＤ１１の撮像面１２の間に配置された光学ローパスフィルターを構成する回折光学素子１０を通り、ＣＣＤ１１の撮像面１２でｘ軸方向及びｙ軸方向の分離距離がδの４本の結像光線２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y に分離されて入射する。そして、各結像光線２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y は各々ＣＣＤ１１の撮像面１２に被写体の像を結像するので、結局撮像面１２には同じ画像であってｘ軸方向及びｙ軸方向に距離δだけ相互にずれた４枚の画像が重畳して結像することになる。そのため、撮像面１２に重畳して結像される画像はボケて空間周波数の高周波成分が取り除かれた画像となる（特許文献９）。

１つの具体例としては、ＣＣＤ１１のｘ軸方向及びｙ軸方向の画素ピッチが３．００μｍの場合に、上記ずれ距離δは典型的には同じ３．００μｍに選ばれる（もちろん、それより小さくてもよい。）。回折光学素子（光学ローパスフィルター）１０の裏面（撮像面１２側）に屈折率１．５０で厚さ０．５ｍｍのガラス板１３が配置され、そのガラス板１３の裏面から撮像面１２までの距離を１．０ｍｍ、波長λ＝５３２ｎｍとすると、このようなずれ距離δを得るには、前記回折角θは０．０９１１６°であり、回折光学素子（光学ローパスフィルター）１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向の正方形領域２又は３の繰り返しピッチΛ／√２は３３４．４μｍ、ｘ軸方向、ｙ軸方向の正方形領域２又は３の繰り返しピッチΛは４７２．９μｍとなる。

以上は、入射光２０を４本の光束に略均等に分割する回折光学素子１０を光学ローパスフィルターとして用いるものとしているが、５本の光束に略均等に分割する回折光学素子１０でも同様に光学ローパスフィルターとして用いることができる。

さて、図１に示したような位相変調量が０とπの２値からなる光束分割素子は、前記したように、有効な光束２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y 全体の回折効率は６５．６％程度で、不要なノイズ光の回折効率が３４．４％程度と比較的高い。

そこで、本発明においては、図１のような位相変調量が２値の回折光学素子１０を４値以上の位相変調量のものに変形してより高い回折効率のものにすることを考える。

図４（ａ）は、図１のような基準波長λ₀ の光に対して位相０を与える正方形領域２と位相πを与える正方形領域３とがいわゆる市松模様を構成している回折光学素子１０を、正方形領域２、３の対角方向が横方向（Ｘ軸方向）と縦方向（Ｙ軸方向）に向くように配置した場合の平面図であり、同図（ｂ）に示すような基本パターンを縦横に４×４配置して構成したものであり、その基本パターンは同図（ｃ）に示すような位相分布をしている。

このような構成において、位相０を与える正方形領域２及び位相πを与える正方形領域３をそれぞれ横方向（Ｘ軸方向）に連続的に繋いだ直線状領域４及び５は同じ幅（Ｌ／２）で縦方向に交互に並び、また、位相０を与える正方形領域２及び位相πを与える正方形領域３をそれぞれ縦方向（Ｙ軸方向）に連続的に繋いだ直線状領域４’及び５’は同じ幅（Ｌ／２）で横方向に交互に並ぶことになる。ここで、図１との関連で、Ｌ＝Λ／√２としている。直線状領域４及び５は格子が横に向く１次元位相回折格子を、直線状領域４’及び５’は格子が縦に向く１次元位相回折格子を構成していると考えられる。位相０を与える直線状領域４と直線状領域４’の交差する領域は、正方形領域２中の対角線が相互に４５°傾いたより小さな正方形領域３１を構成し、位相πを与える直線状領域５と直線状領域５’の交差する領域は、正方形領域３中の対角線が相互に４５°傾いたより小さな正方形領域３２を構成する。位相変調量が２値のものを４値のものに変更するとき、この正方形領域３１と３２はそれぞれ元の位相が０の領域２と位相がπの領域３に全て重なるので、それぞれ位相０と位相πとして残すものとする。

一方、例えば横に伸びる直線状領域４に沿って考えるとき、正方形領域３１と隣の正方形領域３１の間に同様の大きさの正方形領域３３が存在する。この領域は、元の位相が０の領域２と位相がπの領域３が均等に混在する領域であり、かつ、両側に位相が０の正方形領域３１に隣接するので、位相をπ／２（＝２π／４）を割り当てるのが素直である。横に伸びる直線状領域４の正方形領域３１の間の正方形領域３３に位相π／２（＝２π／４）を割り当てるとすると、縦に伸びる直線状領域４’の正方形領域３１の間の正方形領域３４にも位相π／２（＝２π／４）を割り当てるのが合理的なように考えられる。しかし、この領域にもπ／２（＝２π／４）を割り当てると、回折光学素子１０全面で位相π／２（＝２π／４）を与える領域の面積が全体の半分になり、回折光学素子１０から離れた遠方位置では、この位相π／２（＝２π／４）を与える領域を回折されずに透過した成分を打ち消す成分を透過させる領域がない。そこで、工夫を施す。縦に伸びる直線状領域４’の正方形領域３１の間の正方形領域３４にかかる位相０の正方形領域２の位相０は２πと等価である。したがって、正方形領域３４での位相の平均値は（π＋２π）／２＝３π／２となる。この３π／２を正方形領域３４に割り当てる。縦に伸びる直線状領域４’に沿って位相０の領域３１と位相３π／２の領域３４が交互に並ぶと、位相のギャップが大きすぎるように見えるが、位相３π／２は位相−π／２と等価であるので、領域３１と領域３４の間の位相差はπ／２であり、横に伸びる直線状領域４の領域３１と領域３３の間の位相差π／２に等しいと言えるので、格別不合理はない。

なお、以上の検討から、正方形領域３３に位相３π／２を割り当て、正方形領域３４に位相π／２を割り当てるようにしても同じである。

以上のような正方形領域３１〜３４の区分とそれら正方形領域３１〜３４への位相割り当てを行った位相変調量が４値の回折光学素子１０の平面図（ａ）と、その基本パターン（ｂ）と、その基本パターンの位相分布（ｃ）を図５に示す。図５（ａ）の回折光学素子１０は、同図（ｂ）に示す基本パターンを縦横に４×４配置して構成したものである。この位相変調量が４値の回折光学素子１０の各回折次数の強度を次の表２に示す。表２で、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向とし、それぞれの数字は次数を表すとする。基準波長λ₀ ＝５３２ｎｍとし、使用波長も同じλ＝５３２ｎｍとしており、また、回折光学素子１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向の正方形領域３１〜３４の繰り返しピッチＬ＝３３４．４μｍとしている。図１の４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y は、それぞれ（＋１，０）次、（−１，０）次、（０，＋１）次、（０，−１）次に対応し、入射光２０の強度を１００％とすると、２０．３％となる。この表２から、＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y の回折効率は８１．２％、それ以外の次数の回折光（ノイズ光）の回折効率は１８．８％で、ＳＮ比は４．３２となる。

この結果から、図１のような位相変調量が２値の回折光学素子１０を、本発明に基づいて図５のように位相変調量が４値の回折光学素子１０とすることにより、分割する有効な４本の光束２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y の回折効率をより上げ、不要なノイズ光を減らせることが分かる。したがって、このような位相変調量が４値の回折光学素子１０を図３に示したような撮像光学装置の光学ローパスフィルターとして使用することにより、高周波成分をより効果的にカットして画質を低下させずに不要なノイズを取り除けるようになる。また、２値の場合と同様に、また、正方形領域３２〜３４の位相をそれぞれπ、π／２（又は３π／２）、３π／２（又はπ／２）から若干ずらすことにより、０次回折光の強度が＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y と略同じにすることができ、入射光２０を５本の光束に略均等に分割する光束分割素子としても使用可能となる。

さて、次に、以上のようにして位相変調量を４値化した図５のようなの回折光学素子１０を８値化してさらに高い回折効率のものにすることを考える。図６（ａ）に、図５の４値化した回折光学素子１０の基本パターンを示す。この基本パターンを用いて８値化する方法を説明する。例えば４値化した回折光学素子１０において、正方形領域３１〜３４の間には、相互に位相差がπ／２又は３π／２だけ異なる４種類の辺がある。具体的には、正方形領域３１の左右（Ｘ軸方向）で接する正方形領域３３との間の辺と、正方形領域３１の上下（Ｙ軸方向）で接する正方形領域３４との間の辺と、正方形領域３２の左右（Ｘ軸方向）で接する正方形領域３４との間の辺と、正方形領域３２の上下（Ｙ軸方向）で接する正方形領域３３との間の辺の４種類である。図６（ｂ）に示すように、それらの辺を中心に、辺が横向きの場合上下の領域それぞれ均等に高さａ／Ｌの三角形の形で割り込んで、また、辺が縦向きの場合左右の領域それぞれ均等に高さａ／Ｌの三角形の形で割り込んで、隣接する位相差の間の位相を持つ領域４１〜４４を設定する。すなわち、領域３１と領域３３の間に、位相が領域３１と３３の中間のπ／４の領域４１を、領域３３と領域３２の間に、位相が領域３３と３２の中間の３π／４の領域４２を、領域３２と領域３４の間に、位相が領域３２と３４の中間の５π／４の領域４３を設定する。領域３４と領域３１の間に、図４で領域３４に位相３π／２を割り当てたのと同様の理由で、領域３１の位相を２πと等価とし、この位相と領域３４の位相との中間の７π／４の領域４４を設定する。なお、このような領域４１〜４４を領域３１〜３４の間に設定すると、領域３１〜３４は最早正方形の形状はしていない。

このような中間領域４１〜４４を設定して４値化した場合の正方形領域３１〜３４への割り込み高さをａ／Ｌ（Ｌは基本パターンのＸ軸方向、Ｙ軸方向への繰り返しピッチ）とし、そのａを変数として４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y それぞれの回折効率を調べると、図７のような結果が得られた。この結果から、ａが１／３２≦ａ≦５／３２（０．０３１２５≦ａ≦０．１５６２５）の間にある場合に、位相変調量が４値の図５の回折光学素子１０より回折効率が高いものを得られることが分かる。より望ましくは、１／１６≦ａ≦１／８（０．０６２５≦ａ≦０．１２５）の間にあることが好ましい。

ただし、図６の場合は、隣接する例えば領域３１と領域４２の境界線が滑らかな曲線でないので高次の回折が起こる可能性があるため、図８（ａ）に示すように、境界線を元の正方形領域３１〜３４各々の頂点（格子点）を通り振幅がａ／Ｌの滑らかな正弦波で近似する。その場合の基本パターは図８（ｂ）に示すようなる。ここで、ａ＝９／１２８≒０．０７に選ぶと、４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y それぞれの回折効率は２２．１％と略最適化された。

以上のような２次元的に隣接する領域３１、４１、３３、４２、３２、４３、３４、４４間で相互に位相差π／４を持つように位相変調量を８値化した場合の回折光学素子１０の平面図（ａ）と、その基本パターン（ｂ）と、その基本パターンの位相分布（ｃ）を図９に示す。図９（ａ）の回折光学素子１０は、同図（ｂ）に示す基本パターンを縦横に４×４配置して構成したものである。ただし、図８のように境界線を正弦波で近似し、ａ＝９／１２８≒０．０７としている。この位相変調量が８値の回折光学素子１０の各回折次数の強度を次の表３に示す。表３で、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向とし、それぞれの数字は次数を表すとする。基準波長λ₀ ＝５３２ｎｍとし、使用波長も同じλ＝５３２ｎｍとしており、また、回折光学素子１０のＸ軸方向、Ｙ軸方向の領域３１〜３４、４１〜４４の繰り返しピッチＬ＝３３４．４μｍとしている。図１の４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y は、それぞれ（＋１，０）次、（−１，０）次、（０，＋１）次、（０，−１）次に対応し、入射光２０の強度を１００％とすると、２２．１％となる。この表３から、＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y の回折効率は８８．４％、それ以外の次数の回折光（ノイズ光）の回折効率は１１．６％で、ＳＮ比は７．６２となる。

この結果から、本発明に基づいて、図１のような回折光学素子１０を図９に示すように位相変調量が８値のものとすることにより、分割する有効な４本の光束２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y の回折効率をさらに上げ、不要なノイズ光をさらに減らせることが分かる。したがって、このような位相変調量が８値の回折光学素子１０を図３に示したような撮像光学装置の光学ローパスフィルターとして使用することにより、高周波成分をより効果的にカットして画質を低下させずに不要なノイズを確実に取り除けるようになる。また、２値、４値の場合と同様に、また、領域３２〜３４、４１〜４４の位相をそれぞれ４π／４、２π／４、６π／４、π／４、３π／４、５π／４、７π／４から若干ずらすことにより、０次回折光の強度が＋１次光２１_+1X 、２１_+1Y 、−１次光２１_-1X 、２１_-1Y と略同じにすることができ、入射光２０を５本の光束に略均等に分割する光束分割素子としても使用可能となる。

ところで、図５や図９の回折光学素子１０において、Ｘ軸方向とＹ軸方向の繰り返しピッチは等しいものとしていたが、Ｘ軸方向とＹ軸方向の繰り返しピッチを異なるものとしても、入射光２０を４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y あるいはそれに０次回折光を加えた５本の光束に略均等に分割することができる。その例を図５の構成を例にとり説明する。図１０に示すように、位相変調量が４値の回折光学素子１０の基本パターンのＸ軸方向の長さ（繰り返しピッチ）を３３４．４μｍとし、Ｙ軸方向の長さ（繰り返しピッチ）をその２倍の６６８．８μｍとした場合の各回折次数の強度を次の表４に示す。表４で、横軸をＸ軸方向、縦軸をＹ軸方向とし、それぞれの数字は次数を表すとする。基準波長λ₀ ＝５３２ｎｍとし、使用波長も同じλ＝５３２ｎｍとしている。図１の４本の回折光２１_+1X 、２１_-1X 、２１_+1Y 、２１_-1Y は、それぞれ（＋１，０）次、（−１，０）次、（０，＋１）次、（０，−１）次に対応する。この表４から、回折効率、ＳＮ比共表２の場合と略同様になることが分かる。

以上において、回折光学素子１０を表面に形成する透明基板１の屈折率をｎとすると、位相０を与える領域３１に対して位相πを与える領域３２は厚さｄ_4/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_4/4 ／λ₀ ＝（２ｓ＋１）（ｓ：整数）の関係を満足すればよく、ｓは必ずしも０である必要はない。また、同様に、位相π／２を与える領域３３は厚さｄ_2/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_2/4 ／λ₀ ＝（２ｑ＋１／２）（ｑ：整数）の関係を満足すればよく、位相３π／２を与える領域３４は厚さｄ_6/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_6/4 ／λ₀ ＝（２ｒ＋３／２）（ｒ：整数）の関係を満足すればよく、位相π／４を与える領域４１は厚さｄ_1/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_1/4 ／λ₀ ＝（２ｅ＋１／４）（ｅ：整数）の関係を満足すればよく、位相３π／４を与える領域４２は厚さｄ_3/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_3/4 ／λ₀ ＝（２ｆ＋３／４）（ｆ：整数）の関係を満足すればよく、位相５π／４を与える領域４３は厚さｄ_5/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_5/4 ／λ₀ ＝（２ｇ＋５／４）（ｇ：整数）の関係を満足すればよく、位相７π／４を与える領域４４は厚さｄ_7/4 だけ厚く、２（ｎ−１）ｄ_7/4 ／λ₀ ＝（２ｈ＋７／４）（ｈ：整数）の関係を満足すればよい。ｑ、ｒ、ｓ、ｅ、ｆ、ｇ、ｈは必ずしも０である必要はない。また、位相０を与える領域３１に関しては、位相２ｐπを与えるように構成してもよい（ｐ：整数）。

また、以上の領域３２〜３４、４１〜４４に関しては、位相をそれぞれ４π／４、２π／４、６π／４、π／４、３π／４、５π／４、７π／４から２５％以下だけずらすようにしても、入射光２０を４本又は５本の光束に略均等に分割することができるようになり、以上のような光束分割素子としても使用できるものである。

さて、以上のような本発明の回折光学素子及びそれを利用した光学ローパスフィルターの製造方法としては、例えば計算機ホログラムの製造方法に用いられるフォトリソグラフィーを利用する方法や凹凸型を使用して複製する方法等を利用すればよい（特許文献１０）。以下に、本発明の位相変調量が４値又は８値の回折光学素子の製造方法の実施例を説明する。

図１１（ａ）〜（ｄ）は、本発明の回折光学素子１０を複製するのに好ましい凹凸型を基板に形成する方法の一例を示す図であり、半導体回路製造用のフォトマスクを製造する工程を利用することができ、フォトマスクブランク、描画装置であるレーザー描画装置、電子線描画装置を利用することができる。これらの描画装置を使用する場合において、本発明の回折光学素子１０は、同じ基本パターン（図５（ｂ）、図９（ｂ））を２次元的に繰り返し配列したものであるので、描画装置にその基本パターンのデータと配列に必要な縦横等のピッチを与えることにより、描画装置のデータ処理の負担を大幅に軽減でき、また、基本パターンのデータを得る演算についても、回折光学素子１０全体についての演算に比べ、負担の大幅な軽減が図れる。回折光学素子１０が５ｃｍ×５ｃｍの大きさであり、基本パターンの大きさ（Ｌ×Ｌ）が２５０μｍ×２５０μｍである場合には、基本パターンに関するデータは回折光学素子１０全体のデータに比べて、面積比で言うと１／４０，０００になるからである。

図１１（ａ）に示すように、例えば、１５ｃｍ×１５ｃｍ、厚み６．４ｍｍの合成石英等の基板５１上に表面低反射クロム薄膜５２を積層したフォトマスクブランク板５０のクロム薄膜５２上に、ドライエッチング耐性のあるレジスト（図示の例ではポジ型）層５３を、例えば４００ｎｍ程度の厚みの薄膜状に形成する。ドライエッチング用レジストとしては、一例として、日本ゼオン（株）製、ＺＥＰ７０００等が使用でき、レジストの積層は、スピンナー等による回転塗付によって行うことができる。このレジスト層５３に対し、パターン露光を行うが、パターン露光はパターン５４を用いる以外に、レーザー描画装置若しくは電子線描画装置を用いることにより、レーザービーム若しくは電子ビームを走査することによっても行うこともできる。例えば、ＥＴＥＣ社製の電子線描画装置「ＭＥＢＥＳ４５００」を使用することができる。

露光によりレジスト樹脂が硬化した易溶化部分５３ｂと未露光部分５３ａとが区画形成されるので、図１１（ｂ）に示すように、現像液を噴霧して行うスプレー現像等によって、溶剤現像して易溶化部分５３ｂを除去し、レジストパターン５３ａを形成する。なお、レジストとしては、ネガ型を使用することもでき、現像は現像液への浸漬によっても行える。また、以降の工程では、ドライエッチング以外に、浸漬によるウェットのエッチングも行えるので、使用するレジストとしては、ドライエッチング耐性のあるレジストには限らない。

形成されたレジストパターン５３ａを利用して、図１１（ｃ）に示すように、ドライエッチングにより、レジストで被覆されていない部分のクロム薄膜５２をエッチングして除去し、除去した部分において、下層の石英基板５１を露出させる。次いで、露出した石英基板５１に対して、図１１（ｄ）に示すように、同様にドライエッチングを施して、石英基板５１をエッチングし、エッチングの進行により生じた凹部５５と、クロム薄膜５２及びレジスト薄膜５３ａとが下から順に被覆している石英基板５１の元の部分からなる凸部とを形成する。この後、レジスト薄膜を溶解等により除去し、石英基板５１がエッチングされて生じた凹部５５と、頂部にクロム薄膜５２が積層した部分からなる凸部５６とを有する石英基板を得る。

以上の方法のみでは、凸部と凹部の２値（高低の２段、深さとしては、元の石英基板の表面に加えてもう１つのレベルの面が生じる。）のものしか得られないが、上記で得られたものに対し、レジストの形成→パターン露光→レジストの現像→クロム薄膜のドライエッチング→石英基板のドライエッチング→レジスト除去からなるフォトエッチングの工程を繰り返すことにより、１回目のフォトエッチングにより生じた凹部及び凸部に対してフォトエッチングを施すことができ、エッチングの深さを制御することにより、元の石英基板の表面に加えて、さらに３つのレベルの面が生じ、元の石英基板の表面も加えて数えれば４段の段数（４値）が生じる。このとき、レジストとしては、ドライエッチング耐性を有するノボラック樹脂系のｉ線レジストを使用し、４６５ｎｍ程度の薄膜とし、露光は、例えば描画装置としてＡＬＴＡ３５００を使用して行う。

図１２は、上記のフォトエッチングの工程の繰り返し回数と生じる段差の数を示す図で、図１２（ａ）は１回の工程で段数２が生じている様子を示す。図１２（ａ）における上下各々の段に再度上記工程が繰り替えし適用されることにより、図２（ｂ）に示すように、段数４が生じており、本発明の位相変調量が４値の回折光学素子を作製することができる。さらに、工程を繰り返し、合計３回の工程の繰り返しにより、段数８が生じ、本発明の位相変調量が８値の回折光学素子を作製することができる。したがって、フォトエッチングの回数ｎ（自然数）に対し、最大で２のｎ乗の段数が生じる。このようにして、所定の段数を得た後、クロム薄膜５２をウェットエッチングにより除去し、石英基板５１表面に所定の段数の深さの凹凸が形成された回折光学素子１０の凹凸型を得ることができる。

本発明の回折光学素子１０は、位相分布のデータを再現するには再度の演算を行えばよいとは言え、演算の手間もあり、また、凹凸型に使用の際に突然に汚染したり、破損する等の事故もあり得る。そこで、この種の凹凸型を用いる生産においては、最初に得られる型から１個乃至ごく少ない数の複製型を作り、この複製型から、生産用の型を必要数作製して、生産に使用するのがよい。なお、凹凸型の耐久性を増すにには、凹凸型の型面にめっきを行って剥がして作る金属めっき型を使用することが好ましい。なお、凹凸型の製造は、適当な基板に対し、ダイヤモンド針等で機械彫刻することによっても行うことができる。

凹凸型（好ましくは、上記の生産用の型）を使用して回折光学素子１０を複製する方法としては、図１３（ａ）に示すような凹凸型６０を加熱により軟化した樹脂層に押し付けて複製する方法、インジェクション法、若しくは、キャスティング法が利用でき、これら方法に使用する樹脂としては、熱可塑性、熱硬化性の何れも使用できる。工業的には、好ましくは紫外線硬化性樹脂を含む未硬化樹脂組成物を凹凸型６０の型面（図１３（ａ）の下面）に接触させ、樹脂組成物の反対側に基材となるプラスチックフィルムをラミネートして、樹脂組成物を凹凸型とプラスチックフィルムとの間にサンドイッチした状態で、紫外線を照射する等して硬化させ、凹凸型の型面の凹凸が付与され硬化した樹脂層からなる位相変調層６２をプラスチックフィルム６３ごと積層体６１として剥がす方法によるのがより効率的である（図１３（ｂ））。このプラスチックフィルム６３は、樹脂組成物の硬化後、都合により剥がしてもよい（図１３（ｃ））。

紫外線硬化性樹脂としては、一例として、不飽和ポリエステル、メラミン、エポキシ、ポリエステル（メタ）アクリレート、ウレタン（メタ）アクリレート、エポキシ（メタ）アクリレート、ポリエーテル（メタ）アクリレート、ポリオール（メタ）アクリレート、メラミン（メタ）アクリレート、若しくは、トリアジン系アクリレート等の熱硬化性樹脂、若しくは、これらにラジカル重合性不飽和単量体を加え電離放射線硬化性としたものなどを使用することができる。

また、基材となるプラスチックフィルム６３としては、透明性及び平滑性が高いものが好ましく、厚さ１μｍ〜１ｍｍ、好ましくは１０μｍ〜１００μｍのポリエチレンテレフタレートフィルム、ポリエチレンフィルム、ポリプロピレンフィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、アクリルフィルム、トリアセチルセルロースフィルム、セルロースアセテートブチレートフィルム等が例示できる。

基材はプラスチックフィルムに限らず、ガラス板としてもよい。

以上のように、本発明に基づいて、回折光学素子の位相変調量を４値又は８値とすることにより、光学ローパスフィルターの厚さを水晶製のものよりも薄型化が可能となる。例えば、水晶製の光学ローパスフィルター（設計によるが２ｍｍ程度）の半分（１ｍｍ）以下にすることが可能である。プラスチックフィルムを基材として紫外線硬化樹脂を用いて位相回折格子（回折光学素子）を賦型すれば、１００μｍ以下にできる。基材としてプラスチックフィルムを用いず、直接カバーガラス若しくはレンズを基材として４値又は８値の位相回折格子として賦型するようにすれば、３０μｍ以下１μｍまで薄型化が可能となる。

以上、本発明の回折光学素子とそれを利用した光学ローパスフィルターをその原理と実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。例えば、図９の構成において、各中間領域４１〜４４をさらに２値以上の多値化することにより、位相変調量を１６値以上にした回折光学素子を得ることができる。なお、本発明の回折光学素子１０の射出側に体積ホログラム感光材料を密着あるいは近接して配置し、複製照明光を回折光学素子１０側から入射させてホログラム複製することにより、回折光学素子１０と同様の特性（特に、５本の光に分割する回折光学素子）の体積ホログラムを作製することができる。

本発明の回折光学素子の基礎になる２次元的に２値化した微細な周期構造を持つ回折光学素子の平面図（ａ）と斜視図（ｂ）である。 本発明の回折光学素子の基礎になる回折光学素子が入射光を４本の回折光に分割する様子を示す斜視図である。 本発明の基礎になる回折光学素子が固体撮像素子を用いた撮像光学装置の光学ローパスフィルターとして使用できることを説明するための側面図（ａ）と撮像面での光束の分離の様子を示す図（ｂ）である。 図１のような回折光学素子を正方形領域の対角方向が横方向と縦方向に向くように配置した場合の平面図（ａ）とその基本パターン（ｂ）とその基本パターンの位相分布（ｃ）を示す図である。 本発明に基づいて位相変調量が４値の回折光学素子の平面図（ａ）とその基本パターン（ｂ）とその基本パターンの位相分布（ｃ）を示す図である。 図５の回折光学素子を８値化する場合の基本的考え方を説明するための図である。 図５の回折光学素子の正方形領域中へ中間領域を割り込ませる高さを変数として各回折光の回折効率を示す図である。 図５の回折光学素子を８値化する場合に境界線を正弦波で近似する方法を説明するための図である。 本発明に基づいて位相変調量が８値の回折光学素子の平面図（ａ）とその基本パターン（ｂ）とその基本パターンの位相分布（ｃ）を示す図である。 Ｘ軸方向とＹ軸方向の繰り返しピッチが異なるものとした例の図５（ｂ）に対応する基本パターンを示す図である。 本発明の回折光学素子を複製するのに好ましい凹凸型を基板に形成する方法の一例を示す図である。 フォトエッチングの回数と凹凸の段数を説明する図である。 凹凸型と複製された回折光学素子を示す図である。

符号の説明

１…透明基板
２、３…正方形領域
４、５、４’、５’…直線状領域
１０…回折光学素子
１１…ＣＣＤ
１２…撮像面
１３…ガラス板
２０…入射光
２１_+1x'、２１_-1x'、２１_+1y'、２１_-1y'…回折光
３１〜３４…正方形領域（領域）
４１〜４４…中間領域
５０…フォトマスクブランク板
５１…基板
５２…クロム薄膜
５３…レジスト層
５３ａ…未露光部分（レジストパターン）
５３ｂ…易溶化部分
５４…パターン
５５…凹部
５６…凸部
６０…凹凸型
６１…積層体
６２…位相変調層
６３…プラスチックフィルム

Claims (9)

1. 透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な長方形領域に分割されており、何れか１方向に行端を揃えて複数の行が並んでいるものとして、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して、奇数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相２ｐπを与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｑ＋１）π／２＋δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相｛（４ｒ＋３）π／２＋３δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｓ＋２）π／２＋δπ｝を与えるように構成されている（だだし、−０．２５≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ，ｒ，ｓ：整数）ことを特徴とする回折光学素子。
2. 長方形領域が同一形状の正方形領域からなることを特徴とする請求項１記載の回折光学素子。
3. 透明基板表面が直交する２方向に整列して同一形状の微細な長方形領域に分割されており、何れか１方向に行端を揃えて複数の行が並んでいるものとして、透明基板表面に垂直に入射する基準波長光に対して、奇数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相２ｐπを与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｑ＋１）π／２＋δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の行の中の奇数番目の長方形領域は位相｛（４ｒ＋３）π／２＋３δπ／２｝を与えるように構成され、偶数番目の長方形領域は位相｛（４ｓ＋２）π／２＋δπ｝を与えるように構成されている（だだし、−０．２５≦δ≦０．２５，ｐ，ｑ，ｒ，ｓ：整数）回折光学素子において、
   何れの長方形領域も、行方向及び列方向において隣接する長方形領域との間の辺を中心に頂点の位置を変えずにそれぞれの辺に直交する両方向に割り込んでなる中間領域が設定され、何れの長方形領域も最早長方形から中間領域の割り込み分変形され、各中間領域には、その両側の領域の位相を０〜２πの値に換算した値の略中間の値又はその値に２πの整数倍を加えた値の位相が与えられ、ただし、その両側の領域の位相を０〜２πの値に換算した値の差がπを越える場合は、その両側の領域の位相を０〜２πの値に換算した値の略中間の値又はその値に２πの整数倍を加えた値にさらにπを加えた値の位相が与えられてなることを特徴とする回折光学素子。
4. 中間領域の割り込み分変形される前の長方形領域が同一形状の正方形領域からなることを特徴とする請求項３記載の回折光学素子。
5. 中間領域の境界線が滑らかな曲線からなることを特徴とする請求項３又は４記載の回折光学素子。
6. 滑らかな曲線が正弦波曲線からなることを特徴とする請求項５記載の回折光学素子。
7. 透明基板に略垂直に入射する光束を４本又は５本の光束に分割する光束分割素子として使用されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の回折光学素子。
8. 相互にずれた４枚又は５枚の同一画像を重畳して撮像面に入射させる光学ローパスフィルターとして使用されることを特徴とする請求項１から６の何れか１項記載の回折光学素子。
9. 請求項１から８の何れか１項記載の回折光学素子の製造方法であって、フォトエッチングにより基板に２のｎ乗（ｎ：２以上の自然数）の段数の凹凸を形成して凹凸型を得た後、前記凹凸型を用いて樹脂層に型付けを行い、前記樹脂層の表面に回折光学素子の凹凸を形成することを特徴とする回折光学素子の製造方法。