JP2002169010A - 回折光学素子 - Google Patents
回折光学素子Info
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Abstract
れた回折光学素子であって、回折性能の安定したものを
提供する。 【解決手段】 薄膜の厚さを回折格子の凹凸の高低差よ
りも大きくして、凹凸の形成時にその高低差を厳密に設
定する。薄膜は真空蒸着やスパッタリングで作製し、そ
の厚さを大まかに設定する。凹凸を形成するための薄膜
の加工は、加工量の調節が容易なエッチングにより行
う。また、屈折率の高い材料で薄膜を作製することによ
り回折格子の凹凸の高低差を小さくし、回折効率を高め
る。
Description
し、特に、基板とその上に設けられた薄膜を備え、薄膜
に回折格子が形成されている回折光学素子に関する。
反射器、波長フィルタ、モード変換器、光ピックアップ
用レンズ等の種々の受動素子として、また、光波制御用
の機能素子として利用されており、きわめて重要な光学
素子の1つとなっている。近年では、特に回折効率の高
い回折格子が求められており、このため、光の波長程度
あるいはそれ以下のきわめて高度な加工精度が必要にな
っている。
ングが用いられる。従来は、ガラス製の基板の表面をエ
ッチングにより加工して、基板自体に回折格子を作製し
ていたが、最近では、凹凸の高低差が小さい回折格子を
作製するために、基板の表面に薄膜を設けて、薄膜を回
折格子とすることが行われている。
を薄膜の厚さで規定する。つまり、薄膜が選択的にエッ
チングされる条件で、基板の表面に達するまでエッチン
グを行って、凹凸の高低差を薄膜の厚さに等しくする。
例えば、回折格子の凹凸の高低差を0.5μmとする場
合、基板上に厚さ0.5μmの薄膜を設けておけばよい
ことになる。
技術で確立されている蒸着、スパッタリング等の手法が
用いられる。ところが、薄膜の厚さは、原料ガスの供給
速度をはじめとする成膜条件の変動の影響を受け易い。
このため、常時一定の厚さの薄膜を得ることは困難であ
り、回折格子の凹凸の高低差がロットごとに変動する。
その結果、回折格子の性能にばらつきが生じる。
れたもので、基板上に設けられた薄膜に回折格子が形成
された回折光学素子であって、回折性能の安定したもの
を提供することを目的とする。
に、本発明では、基板と、基板上に設けられた薄膜を備
え、薄膜に回折格子が形成されている回折光学素子にお
いて、薄膜の厚さが回折格子の最上部と最下部との高低
差よりも大きいものとする。
回折格子が基板に達する深さの凹部を有していない。す
なわち、回折格子の凹凸の高低差は、薄膜の厚さ自体で
規定されるのではなく、薄膜の加工量の制御、すなわ
ち、どれだけの深さまで加工するかで規定される。薄膜
の加工は、凹凸の高低差を精度よく設定することができ
る方法であれば、どのような方法で行ってもよいが、例
えば、従来より用いられているエッチングを採用するこ
とができる。エッチングによる加工の速度は一般に遅い
が、この特徴を逆に利用して、加工される薄膜の深さを
精度よく制御すること可能である。したがって、性能に
ばらつきのない回折光学素子となる。
も高くするとよい。回折次数等の回折条件を同じにする
場合、必要な凹凸の高低差は屈折率に反比例する。一
方、回折効率は凹凸の高低差が小さいほど高くなる。凹
凸間の壁面に入射して失われる光が少なくなるからであ
る。したがって、薄膜の屈折率を高くすることで、凹凸
の高低差を小さくすることができ、回折効率を高めるこ
とが可能になる。
も高くすると、基板側から斜めに光を入射させる場合、
薄膜に対する光の入射角が基板に対する光の入射角より
も小さくなる。すなわち、光は回折格子に対してより垂
直に近い方向から入射する。これにより、凹凸間の壁面
に入射する光の割合が低下して、回折効率はさらに高く
なる。
凹凸間の壁面が傾斜面となって、回折格子全体のうち回
折に寄与し得る部位が少なくなり、回折効率の低下を招
き易い。しかし、薄膜の屈折率を高くすることで、傾斜
面が生じることによる回折効率の低下を抑えることがで
きる。上記のように凹凸の高低差が小さくなり、傾斜面
となる範囲が狭くなるからである。したがって、凹凸の
高低差を精度よく設定するために薄膜の加工にエッチン
グを採用しながら、高い回折効率を維持することができ
る。
iO2、Al2O3およびTa2O5のいずれかとするとよ
い。これらの薄膜材料の屈折率はいずれも1.6以上で
あり、ガラスの一般的な屈折率1.5よりも大きいか
ら、回折効率を確実に高めることが可能になる。また、
成膜も容易であり、エッチングで加工することもでき
る。
止層を備えるとよい。また、薄膜と基板の間に反射防止
層を備えてもよい。空気と基板の界面での反射や、基板
と薄膜の界面での反射が抑えられて、回折効率が一層高
くなる。
施形態について図面を参照しながら説明する。第1の実
施形態の回折光学素子1の構成を図1に模式的に示す。
回折光学素子1は基板11、薄膜12、および2つの反
射防止層14、15を備えており、薄膜12には回折格
子13が形成されている。回折光学素子1は、入射する
光を透過させて透過光に回折を生じさせる透過型であ
り、基板11側から垂直に入射する光Lを回折させるよ
うに設定されている。
ある。薄膜12は基板11上に設けられており、その材
料は、酸化チタン(TiO2)、酸化アルミニウム(A
l2O 3)および酸化タンタル(Ta2O5)のいずれかで
ある。TiO2の屈折率は約2.3、Al2O3の屈折率
は約1.62、Ta2O5の屈折率は約2.1であり、い
ずれもガラスの屈折率よりも高い。
ており、傾斜面を有するブレーズ型である。薄膜2の厚
さdは回折格子13の凹凸の高低差hよりも大きく、回
折格子13の最下部は薄膜12の下面に達していない。
凹凸の高低差hは回折対象の光Lの波長程度またはそれ
以下であり、薄膜12の厚さdは1μm程度である。
層して作製されている。反射防止層14は、薄膜12に
対して反対側の基板11の表面に設けられており、空気
と基板11の界面で生じる反射を防止する。反射防止層
15は基板11と薄膜12の間に設けられており、基板
11と薄膜12の界面で生じる反射を防止する。
3の凹凸の高低差hは小さい。したがって、凹凸間の壁
面に入射して失われる回折後の光LTは僅かである。し
かも、反射防止層14、15により入射光Lの反射が抑
えられるため、回折光学素子1の回折効率は高い。な
お、反射防止層14、15は省略することも可能である
が、これらを備えて、できるだけ多くの光を回折格子1
3に導くのが望ましい。
空蒸着、スパッタリング等の種々の成膜方法で形成する
ことができる。その際、後に作製する回折格子13の凹
凸の高低差hを超えるだけの厚さdを確保すればよく、
薄膜12の形成の制御は容易である。
工は、加工量の制御が容易な方法によって行い、凹凸の
高低差hを精度よく設定する。エッチングは、一般に、
加工速度は遅いが、逆に処理時間によって加工量を調節
することが容易であり、この目的に適する。本実施形態
ではRIE(リアクティブイオンエッチング)によって
薄膜12を加工している。
どめるため、反射防止層15の材質を考慮することなく
エッチング条件を定めることができる。したがって、加
工量の調節が容易なエッチング条件を選択し易く、凹凸
の高低差hを精度よく設定することが可能である。
図2に模式的に示す。回折光学素子2は回折光学素子1
と同様に構成されており、基板11、回折格子13が形
成されている薄膜12、および反射防止層14、15を
備えている。回折光学素子2は、入射する光を反射して
反射光に回折を生じさせる反射型であり、基板11側か
ら斜めに入射する光Lを回折させるように設定されてい
る。回折格子13が反射型に設定されていることを除
き、基板11、薄膜12、回折格子13、反射防止層1
4、15の材料や作製方法等は回折光学素子1と同じで
あるので、重複する説明は省略する。
学素子2では、回折格子13の凹凸間の壁面に光Lの一
部が入射する。また、回折後の光LRの一部も凹凸間の
壁面に入射する。しかしながら、薄膜12の屈折率が高
く、凹凸の高低差が小さいため、壁面で失われる光は少
ない。しかも、薄膜12の屈折率が基板11の屈折率よ
りも高いから、薄膜12に対する光Lの入射角は基板1
1に対する入射角よりも小さくなる。このため、薄膜1
2への光Lの入射方向は垂直に近づき、凹凸間の壁面に
入射する光はさらに少なくなる。したがって、回折光学
素子2の回折効率は高い。
子13を図3に模式的に示す。回折光学素子3では、回
折格子13は水平面を有するバイナリ型とされている。
基板11、回折格子13が形成されている薄膜12、反
射防止層14、15の構成や作製方法は第1の実施形態
の回折光学素子1と同様であり、重複する説明は省略す
る。
回折格子13を作製するが、一般に、エッチングでは、
加工した部位と保存した部位の間の壁面が傾斜面とな
る。図3の(a)は、バイナリ型の回折格子13の理想
的な断面を表しており、(b)は実際に得られる回折格
子13の断面を表している。バイナリ型の回折格子にこ
のような傾斜面が生じると、回折に寄与する水平面の割
合が減少して回折効率は低下する。しかしながら、回折
光学素子3の薄膜12の屈折率は高いから、傾斜面とな
る範囲は少なく、回折効率の低下を僅かにすることがで
きる。
の回折格子13に相当する回折格子13’を図4に示
す。図4の(a)は理想的な断面を、(b)は実際に得
られる断面を表す。屈折率が小さいと、同じ回折条件に
設定するためには、回折格子13’の凹凸の高低差を大
きくする必要が生じる。一方、エッチングにより生じる
傾斜面の角度は、加工の進行の程度にあまり依存せず、
略一定である。このため、図3の(b)と図4の(b)
の比較より明らかなように、傾斜面となる範囲Sが広く
なって、水平面の割合が低下する。これに対し、薄膜1
2の屈折率が高い回折光学素子3では、水平面を大きく
確保することができ、回折効率の低下は僅かになる。
2の実施形態の回折光学素子1、2においても、回折格
子13の凹凸間の壁面は傾斜し、回折を生じさせるため
の本来の傾斜面の割合は減少する。しかしながら、回折
光学素子1、2でも、薄膜12の屈折率が高いため、回
折効率の低下は僅かに抑えられる。
回折格子の最上部と最下部との高低差よりも大きい本発
明の回折光学素子では、回折格子の凹凸の高低差は、薄
膜の厚さにより規定されるのではなく、薄膜の加工時の
制御で規定されるから、凹凸の高低差を精度よく設定す
ることができる。したがって、性能にばらつきのない回
折光学素子となる。
高くすると、回折格子の高低差を小さくすることができ
ること、回折格子に対する光の入射方向が垂直に近づく
こと、薄膜の加工の際に傾斜面が生じるときでもその範
囲が小さくなることの3つの理由により、確実に回折効
率を高めることができる。しかも、回折格子の形成に必
要な薄膜の厚さを抑えることができ、薄膜形成の効率が
向上する。
的に示す断面図。
的に示す断面図。
構成を模式的に示す断面図。
ける回折格子の構成を模式的に示す断面図。
Claims (5)
- 【請求項1】 基板と、基板上に設けられた薄膜を備
え、薄膜に回折格子が形成されている回折光学素子にお
いて、 薄膜の厚さが回折格子の最上部と最下部との高低差より
も大きいことを特徴とする回折光学素子。 - 【請求項2】 薄膜の屈折率が基板の屈折率よりも高い
ことを特徴とする請求項1に記載の回折光学素子。 - 【請求項3】 基板の材料がガラスであり、薄膜の材料
がTiO2、Al2O 3およびTa2O5のいずれかである
ことを特徴とする請求項2に記載の回折光学素子。 - 【請求項4】 薄膜に対して反対側の基板の表面に反射
防止層を備えることを特徴とする請求項1ないし請求項
3のいずれか1項に記載の回折光学素子。 - 【請求項5】 薄膜と基板の間に反射防止層を備えるこ
とを特徴とする請求項1ないし請求項4のいずれか1項
に記載の回折光学素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2000368614A JP2002169010A (ja) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | 回折光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
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JP2000368614A JP2002169010A (ja) | 2000-12-04 | 2000-12-04 | 回折光学素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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