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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2025170719
(43)【公開日】2025-11-19
(54)【発明の名称】光学素子、光学系、および撮像装置
(51)【国際特許分類】
G02B 3/00 20060101AFI20251112BHJP
G02B 3/08 20060101ALI20251112BHJP
G02B 1/00 20060101ALI20251112BHJP
【ＦＩ】
G02B3/00 Z
G02B3/08
G02B1/00
【審査請求】未請求
【請求項の数】17
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024075520
(22)【出願日】2024-05-07
(71)【出願人】
【識別番号】000001007
【氏名又は名称】キヤノン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100126240
【弁理士】
【氏名又は名称】阿部 琢磨
(74)【代理人】
【識別番号】100223941
【弁理士】
【氏名又は名称】高橋 佳子
(74)【代理人】
【識別番号】100159695
【弁理士】
【氏名又は名称】中辻 七朗
(74)【代理人】
【識別番号】100172476
【弁理士】
【氏名又は名称】冨田 一史
(74)【代理人】
【識別番号】100126974
【弁理士】
【氏名又は名称】大朋 靖尚
(72)【発明者】
【氏名】石橋 友彦
(57)【要約】
【課題】 堅牢性の高い構造体を有する光学素子を提供すること。
【解決手段】 同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子であって、前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする。
【選択図】 図１
【解決手段】 同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子であって、前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする。
【選択図】 図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子であって、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする光学素子。
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする光学素子。
【請求項2】
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体の夫々は、径方向における幅が互いに異なることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項3】
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２とするとき、
１．２≦Ｐ１／Ｐ２≦８．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
１．２≦Ｐ１／Ｐ２≦８．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項4】
前記第２の間隔をＰ２、設計波長をλ０とするとき、
０．１０≦Ｐ２／λ０≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．１０≦Ｐ２／λ０≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項5】
前記光学素子のｄ線に関する実効アッベ数をνｄｅｆとするとき、
０．０≦｜１／νｄｅｆ｜≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．０≦｜１／νｄｅｆ｜≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項6】
基板と、該基板の上に形成された下地層とを有し、
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体のうち少なくとも一つは、前記下地層の上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体のうち少なくとも一つは、前記下地層の上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項7】
前記第１の構造体群に含まれる構造体の高さの最小値をＨ１ｍｉｎ、前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨ２ｍａｘとするとき、
０．０５≦Ｈ２ｍａｘ／Ｈ１ｍｉｎ≦０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．０５≦Ｈ２ｍａｘ／Ｈ１ｍｉｎ≦０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項8】
前記第１の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、
０．１０≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ１＜１．００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．１０≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ１＜１．００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項9】
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２、前記第１の構造体群に含まれる構造体の最大幅と最小幅の差をΔＷ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅と最小幅の差をΔＷ２とするとき、
０．０５≦ΔＷ１／Ｐ１≦０．８０
０．０５≦ΔＷ２／Ｐ２≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．０５≦ΔＷ１／Ｐ１≦０．８０
０．０５≦ΔＷ２／Ｐ２≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項10】
前記第１の構造体群に含まれる構造体の充填率の最小値をＶ１ｍｉｎ、前記第２の構造体群に含まれる構造体の充填率の最大値をＶ２ｍａｘとするとき、
１．０＜Ｖ２ｍａｘ／Ｖ１ｍｉｎ≦４．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
１．０＜Ｖ２ｍａｘ／Ｖ１ｍｉｎ≦４．０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項11】
前記第１の輪帯は、前記第１の構造体群が配置された第１の領域と、前記第２の構造体群が配置された第２の領域とを含み、
設計回折次数をｎ、前記第１の領域と前記第２の領域との境界における規格化位相をＥとするとき、
０．０５≦Ｅ／ｎ≦０．９０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
設計回折次数をｎ、前記第１の領域と前記第２の領域との境界における規格化位相をＥとするとき、
０．０５≦Ｅ／ｎ≦０．９０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項12】
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘとするとき、
０．０５≦（Ｐ１－Ｐ２）／Ｈｍａｘ≦０．６０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
０．０５≦（Ｐ１－Ｐ２）／Ｈｍａｘ≦０．６０
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項13】
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群は基板の表面上に配置されており、
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘ、前記表面に垂直な方向における前記基板の厚さをｔとするとき、
０．０＜Ｈｍａｘ／ｔ≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘ、前記表面に垂直な方向における前記基板の厚さをｔとするとき、
０．０＜Ｈｍａｘ／ｔ≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
【請求項14】
前記第１の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ１、前記第１の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ２、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、
１．０５≦Ｗｍａｘ１／Ｗｍｉｎ１≦１０．００
１．０５≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ２≦１０．００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の光学素子。
１．０５≦Ｗｍａｘ１／Ｗｍｉｎ１≦１０．００
１．０５≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ２≦１０．００
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１乃至１３の何れか一項に記載の光学素子。
【請求項15】
請求項１４に記載の光学素子を含む複数の光学素子を有することを特徴とする光学系。
【請求項16】
請求項１５に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
【請求項17】
同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子の製造方法であって、
基板の表面に第１の材料を設ける工程と、
前記第１の材料の上に第２の材料を設ける工程と、
前記第２の材料に型を押し付けることで、前記第１の材料からなる第１および第２の構造体群を形成する工程とを有し、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記第１および第２の構造体群は、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯に含まれ、かつ径方向において順に配置され、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπではないことを特徴とする光学素子の製造方法。
基板の表面に第１の材料を設ける工程と、
前記第１の材料の上に第２の材料を設ける工程と、
前記第２の材料に型を押し付けることで、前記第１の材料からなる第１および第２の構造体群を形成する工程とを有し、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記第１および第２の構造体群は、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯に含まれ、かつ径方向において順に配置され、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπではないことを特徴とする光学素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、複数の構造体を有する光学素子に関し、例えばデジタルスチルカメラなどの撮像装置に好適なものである。
【背景技術】
【0002】
近年、メタレンズと呼ばれる、光の回折現象を利用して入射光を集光または発散する作用を持った光学素子が知られている。メタレンズのような光学素子は、基板の上に配置された複数の構造体からなる凹凸構造を有している。このような光学素子として、特許文献１には、周辺部において構造体のピッチを小さくすることで入射光の反射を抑制した光学素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開２０２２－１８０２７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、メタレンズにおいて構造体のピッチを小さくすると、構造体の幅に対する高さの比率（アスペクト比）が大きくなる。アスペクト比が大きくなると、構造体の堅牢性が損なわれ、外力や温度などの変化によって構造体が変形してしまうおそれがある。
【0005】
本発明の目的は、堅牢性の高い構造体を有する光学素子を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一側面としての光学素子は、同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子であって、前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする。
【発明の効果】
【0007】
本発明によれば、堅牢性の高い構造体を有する光学素子を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施例１乃至９の光学素子の概略図
【図2】比較例の光学素子の概略図
【図3】実施例１乃至９の充填率の説明図
【図4】実施例１乃至９における光学素子の凹凸構造の形状と位相変調量との関係図
【図5】比較例における光学素子の凹凸構造の形状と位相変調量との関係図
【図6】実施例１乃至９の光学素子の製造方法の概略図
【図7】実施例１乃至９におけるオフセット層の概略図
【図8】実施例１乃至９における光学素子の径方向における規格化位相の変調量の説明図
【図9】実施例１乃至９および比較例における光学素子の径方向における構造体の幅の説明図
【図10】実施例６における光学素子の概略図
【図11】実施例７における光学素子の概略図
【図12】実施例８における光学素子の概略図
【図13】実施例９における構造体の形状を示す概略図
【図14】実施例１乃至９における光学素子を備えた光学系の概略図
【図15】実施例１乃至９における光学素子を備えた撮像装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、各図面は、便宜的に実際とは異なる縮尺で描かれている場合がある。各図面において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明を省略する。
【0010】
図１（ａ）～（ｃ）は、光学素子１００の概略図である。図１（ａ）はｘｚ断面における光学素子１００の要部拡大図を、図１（ｂ）はｘｙ断面における光学素子１００の上面図をそれぞれ示す。図１（ｃ）は、ｘｙ断面における光学素子１００の全体上面図を示す。各実施例において厚さ方向とは、光学素子１００の基板１のｚ方向と一致する。各実施例において径方向とは、光学素子１００の基板１の厚さ方向に垂直な方向（ｘ方向）と一致する。各実施例において周方向とは、光学素子１００の基板１の厚さ方向に垂直な方向（ｙ方向）と一致する。なお、光学素子１００の全体上面図において、周方向は厳密にはｙ方向とは異なるが、ｘｚ断面における要部拡大図、およびｘｙ断面における上面図においては、便宜的に周方向とｙ方向は一致するものとする。
【0011】
各実施例に係る光学素子１００は、基板１と、基板１の上に形成された凹凸構造２とを有する。凹凸構造２は、基板１の径方向において周期的に配置された複数の構造体２１からなる。複数の構造体２１は、それぞれ凹または凸のいずれかの形状を有する。光学素子１００は、光学素子１００の中心に対して周方向に延びるように、径方向に沿って同心円状に配置された第１の輪帯（第ｉの輪帯）および第２の輪帯（第（ｉ＋１）の輪帯）を含む複数の輪帯を有する。複数の輪帯のそれぞれは、光学素子１００の径方向に沿って配置された領域１（第１の領域）および領域２（第２の領域）を有する。
【0012】
基板１は、合成石英からなる透明な平板である。なお、基板１は入射する光を反射する平面鏡であってもよく、任意の曲率を有する曲面であっても構わない。また、基板１の材料は、合成石英に限定されるものではなく、無機ガラス、プラスチック等の有機材料、セラミックス、金属等であってもよい。凹凸構造２は、基板１の表面上に形成されており、凹凸構造２を通過する光に位相差を与えることで、集光または発散作用をもたらす。ここで、光学素子１００の回折面への入射光の波長である設計波長をλ０とし、回折面から出射して結像に使用される回折光の回折次数である設計回折次数をｎ（ｎは整数）とする。各実施例における光学素子１００では、設計波長において２ｎπの位相差を生じる輪帯を同心円状に周期的に配置することにより、所望の位相分布を形成している。このような構成を有することにより、光学素子１００は入射光に対して集光や発散といった光学的な作用を有する。
【0013】
凹凸構造２は、基板１の径方向において周期的に配置された凹形状または凸形状を有する複数の構造体２１からなる。各実施例に係る光学素子１００において、構造体２１は、誘電体材料Ｓｉ３Ｎ４またはＴｉＯ２からなり、凸円柱形状を有する。なお、構造体２１の形状は凸円柱形状に限定されるものではなく、多角形柱、多角形錐、円錐、任意の凹形状、またはこれらの組合せであっても構わない。また、構造体２１の材料は、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２などであっても構わない。
【0014】
複数の構造体２１は、領域１に配置された複数の構造体２１１（第１の構造体群）と、領域２に配置された複数の構造体２１２（第２の構造体群）とを含む。複数の構造体２１１および構造体２１２は、３以上の構造体２１からなる。複数の構造体２１１は、第１の間隔（ピッチ）Ｐ１で配置され、複数の構造体２１２は第２の間隔（ピッチ）Ｐ２で配置される。ここで、ピッチとは、領域１および領域２に配置されている構造体２１の配置周期であり、輪帯内の構造体２１のそれぞれの凹形状または凸形状の中心間の距離によって定義される。
【0015】
構造体２１１は、基板１の径方向に正方形状に区分けされたセグメント１１の中心に配置されている。同様に、構造体２１２は、基板１の径方向に正方形上に区分けされたセグメント１２の中心に配置されている。ここで、セグメントとは、図１（ａ）および図１（ｂ）中の破線で示すように構造体２１の夫々が含まれる領域のことである。各セグメントは、構造体２１のピッチを一辺とする矩形を底面とし、基板１の表面位置から構造体２１の高さＨの位置までの距離を高さとする直方体領域によって規定される。
【0016】
なお、セグメント１１およびセグメント１２の幅（ピッチ）を入射光の波長よりも小さくした場合、入射光は、セグメント内に占める構造体２１の充填率から求められる有効屈折率に応じて位相変調される。例えば、入射光が可視光域（４００～７００ｎｍ）の場合、ピッチ（周期）は４００ｎｍ未満であることが好ましく、ピッチをさらに小さくすると、不要回折光や反射光を抑制できるためより好ましい。
【0017】
ここで、構造体２１の充填率とは、構造体２１が含まれるセグメントの体積に対して、構造体２１が占める体積の割合である。図２（ａ）は領域１における構造体２１１の充填率を、図２（ｂ）は領域２における構造体２１２の充填率をそれぞれ示す。例えば、セグメント１１における充填率は、底面をＰ１×Ｐ１、高さを構造体２１１の高さＨとするセグメント１１の体積Ｖｓに占める、構造体２１１の体積Ｖｐの割合で表される。
【0018】
各実施例に係る光学素子１００では、構造体２１１および構造体２１２は同じ材料からなる。第ｉの輪帯（ｉ＝１，２，・・・）のそれぞれは、構造体２１のピッチが互いに異なる領域１および領域２を有する。構造体２１について、基板１の径方向における幅を適切に設定することで、輪帯内で２ｎπの位相分布を形成している。基板１のｚ方向に対して垂直な方向において、第ｉの輪帯の領域１および領域２の光軸からの距離を各々Ｒ１ｉ、Ｒ２ｉとする。図１（ｃ）から分かるように、基板１のｚ方向に対して垂直な方向において、領域１および領域２はＲ１ｉ＜Ｒ２ｉとなるように同心円状に交互に配置されている。なお、第ｉの輪帯における領域１および領域２の夫々が生じる位相差は２ｎπではない。
【0019】
図３は、光学素子１００に対する比較例として、光学素子全域において構造体２１のピッチが等しくなるように構成された光学素子１０１の概略図である。光学素子１０１では、輪帯内で２ｎπの位相分布を形成するために、構造体２１の幅Ｗ（直径）を変えることでセグメント内における構造体２１の充填率を変化させている。すなわち、輪帯内で素子の中心部に近い側から周辺部に近い側に向かって、構造体２１の直径を徐々に小さくすることで充填率を減少させ、所望の位相分布を形成している。
【0020】
比較例の光学素子１０１では、構造体２１の直径だけを変化させることで充填率を調整しているため、所望の位相変調量を与えるためには直径を大きく変化させる必要がある。このため、比較例の光学素子１０１では、輪帯内における構造体２１の最小直径が小さくなり、構造体２１の幅に対する高さの比率（高さ／幅）であるアスペクト比が大きくなってしまう。特に、構造体２１のピッチを小さくした場合にはアスペクト比が顕著に大きくなってしまう。構造体２１のアスペクト比が大きく相対的に細長い形状を有する場合には、接触や振動等により外力が加わった場合や、温度や圧力等が加わった場合に、構造体２１の形状が変形、傾斜、剥離してしまうおそれがある。そこで、各実施例に係る光学素子１００においては、輪帯内でピッチの異なる領域を設けることで、特に位相変調量の小さな領域において構造体２１の幅の変化量を低減し、アスペクト比を低減した堅牢性の高い凹凸構造２を構成している。
【0021】
図４は、各実施例に係る光学素子１００の構造体２１の形状と位相変調量との関係を示す図であり、具体的には構造体２１の充填率と位相変調量に関する。図４において、横軸は構造体２１の充填率を、縦軸は規格化位相をそれぞれ示す。ここで、規格化位相とは、位相変調量を２πで規格化したものを指す。規格化位相が０から、領域１と領域２との境界における規格化位相Ｅの範囲では、ピッチが小さい領域２における構造体２１２の充填率をＶ２ｍｉｎからＶ２ｍａｘまで変化させている。規格化位相がＥからｎ（回折次数）の範囲では、ピッチの大きい領域１における構造体２１１の充填率をＶ１ｍｉｎからＶ１ｍａｘまで変化させている。これにより、規格化位相０～ｎの位相変調量を得ながら、特に領域２における構造体２１２のアスペクト比を低減できる。ここで、領域１における構造体２１１のうち充填率がＶ１ｍｉｎである構造体２１の位相変調量をＤ１、領域２における構造体２１２のうち充填率がＶ２ｍｉｎである構造体２１の位相変調量をＤ２とする。光学素子１００の領域１と領域２の境界において、位相変調量がなめらかに変化することが望ましい。即ち、位相変調量Ｄ１およびＤ２について、０．９＜Ｄ１／Ｄ２＜１．１なる条件式を満足することが好ましい。
【0022】
図５は、比較例としての光学素子１０１の構造体２１の形状と位相変調量との関係を示す図であり、光学素子全域においてピッチが同じ光学素子１０１における凸円柱の充填率と位相変調量に関する。図５において、横軸および縦軸はそれぞれ図４と同様である。図５において、比較例１は光学素子１００の領域１におけるピッチＰ１で光学素子全域の構造体２１を構成したもの、比較例２は光学素子１００の領域２におけるピッチＰ２で光学素子全域の構造体２１を構成したものである。図５において、規格化位相０～ｎの位相変調量を得るには、図４よりも充填率を大きく変化させる必要があり、特に比較例２では顕著にアスペクト比が大きくなる。これにより、輪帯内でピッチを変更することで、構造体２１のアスペクト比を低減できていることが分かる。
【0023】
なお、各実施例に係る光学素子１００では、複数の輪帯のうち少なくとも一つの輪帯において、構造体２１のピッチを変更していればよい。ただし、複数の輪帯において構造体２１のピッチを変更することが好ましく、また、全ての輪帯において構造体２１のピッチを変更することがより好ましい。
【0024】
図６（ａ）～（ｃ）は、光学素子１００の製造方法の説明図であり、ナノインプリントリソグラフィで光学素子１００を製造する工程を示す。光学素子１００は、リソグラフィ技術により製造することができる。図６（ａ）は型３１を示し、電子線やレーザー等で形成した凹凸構造２の凹凸形状を反転させた形状を有する。図６（ｂ）に示すように、基板１の上に膜３３（第１の材料）を堆積する。次に、膜３３の表面にレジスト材料３２（第２の材料）を塗布して、型３１を押し付けて紫外線等を照射し、型３１の凹凸形状を反転した形状をレジスト材料３２に形成する。その後、図６（ｃ）に示されるように、型３１を離型させ、膜３３にレジスト材料３２の凹凸形状が転写するように現像することで、光学素子１００の基板１の上に凹凸構造２を形成する。なお各実施例において、凹凸構造２の製造方法は、ナノインプリントリソグラフィに限定されるものではなく、電子線やレーザー等で直接凹凸構造２を形成するなど、他の手法を用いても構わない。
【0025】
図７は、各実施例に係る光学素子１００におけるオフセット層３４の説明図である。図７に示されるように、図６（ｃ）のように基板１の上に直接凹凸構造２を形成する構成に代えて、図７のように領域１および領域２のどちらか一方または両方にまたがるように配置されるオフセット層３４を設けても構わない。なお、オフセット層３４を含んで基板１として扱ってもよい。
【0026】
各実施例において、領域１および領域２の構造体２１は同じ材料で構成してもよい。図６（ｂ）に示されるように、膜３３のように均一な膜厚の材料を準備することは比較的容易である。このため、膜３３を基にして領域１および領域２の凹凸構造２を形成する場合、領域１および領域２の構造体２１と同じ材料であることが好ましい。
【0027】
以下に、各実施例に係る光学素子１００において満足することが好ましい条件式について述べる。
【0028】
領域１に配置された構造体２１１の最小幅をＷｍｉｎ１、領域２に配置された構造体２１２の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、各実施例に係る光学素子１００は以下の条件式（１）を満足することが好ましい。
０．１０≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ１＜１．００…（１）
０．１０≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ１＜１．００…（１）
【0029】
条件式（１）は構造体２１１および構造体２１２の形状に関する。領域１に配置された構造体２１１の最小幅Ｗｍｉｎ１を相対的に大きくして位相変調量を大きくとることで、領域２に配置された構造体２１２における位相変調量を大きくすることができる。これにより、特に領域２において構造体２１２のアスペクト比を低減することが可能となる。
【0030】
条件式（１）の下限を下回ると、相対的に構造体２１２の最大幅が小さくなる。このとき、領域２において所望の位相変調量を確保するためには、構造体２１２の幅をより小さくする必要があるため、領域２における構造体２１２のアスペクト比が大きくなってしまう。また、条件式（１）の上限を上回ると、相対的に構造体２１２の最大幅が大きくなる。このとき、隣り合う構造体２１２の夫々の間隔が狭くなり、凹凸構造２を形成することが難しくなる。
【0031】
本実施例において、条件式（１）の下限値は、０．１０に代えて、０．１５、０．２０、０．２５、０．３０、０．３２、０．３４、または０．３５に設定されることがより好ましい。また、条件式（１）の上限値は、１．００に代えて、０．９５、０．９０、０．８５、０．８０、０．７８、０．７６、０．７４、または０．７２に設定されることがより好ましい。
【0032】
また、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（２）を満足することが好ましい。
１．２≦Ｐ１／Ｐ２≦８．０…（２）
１．２≦Ｐ１／Ｐ２≦８．０…（２）
【0033】
条件式（２）は、構造体２１のピッチに関する。条件式（２）を満足することで、領域２における構造体２１２のピッチを小さく構成でき、光学素子の反射回折を抑制することができる。条件式（２）の下限を下回ると、構造体２１２のピッチが相対的に大きくなり、入射光の波長に対してピッチを十分に小さくすることができず、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。条件式（２）の上限を上回ると、構造体２１２のピッチが相対的に小さくなるため、構造体２１２のアスペクト比が大きくなってしまう。
【0034】
本実施例において、条件式（２）の下限値は１．２に代えて１．２２、１．２４、１．２６、１．２８、１．３０、１．３２、１．３４、１．３６、１．３８、１．４０、１．４２、１．４４、または１．４５に設定されることがより好ましい。また、条件式（２）の上限値は８．０に代えて７．０、６．０、５．０、４．８、４．６、４．４、４．２、または４．０に設定されることがより好ましい。
【0035】
１より大きい自然数をｊとするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（３）を満足することが好ましい。
０．９ｊ≦Ｐ１／Ｐ２≦１．１ｊ…（３）
０．９ｊ≦Ｐ１／Ｐ２≦１．１ｊ…（３）
【0036】
条件式（３）は、構造体２１の配置に関する。本発明に係る光学素子において、構造体２１２の配置間隔（ピッチ）Ｐ２は、構造体２１１のピッチＰ１よりも小さい。このため、構造体２１１および構造体２１２を基板の径方向に順に配置するにあたっては、構造体２１２を分割して配置することが好ましい。即ち、構造体２１１が一つ含まれるセグメント１１と同じ大きさのセグメント内に、構造体２１２が複数個含まれることが好ましい。例えば、分割数をｊ（ｊは１より大きい自然数）としたとき、図１に示すような光学素子１００においては、分割数ｊが２となるように構造体２１１および構造体２１２を配置している。条件式（３）を満足することで、構造体２１を基板１の上に正方形状に区分けして配置する場合に、隙間なく配置することができる。また、Ｐ１＝ｊ×Ｐ２なる条件式を満足することがより好ましい。条件式（３）の下限を下回ると、セグメント１１内において構造体２１２をピッチＰ２でｊの二乗本の構造体を構成した場合、隙間ができてしまい、光学素子内の領域２において構造体が無い空白領域が多く存在してしまう。条件式（３）の上限を上回ると、セグメント１１内において、ピッチＰ２でｊの二乗本の構造体２１２を構成した場合、セグメント１１をはみ出してしまい、光学素子内の領域１において構造体２１が無い空白領域が多く構成されてしまう。
【0037】
なお、構造体２１の配置に関して、Ｐ１＝ｊ×Ｐ２を満足することがより好ましい。
【0038】
本実施例において、条件式（３）の下限値は０．９に代えて０．９２、０．９４、０．９６、０．９８、または０．９９に設定されることがより好ましい。また、条件式（３）の上限値は１．１に代えて１．０８、１．０６、１．０４、１．０２，または１．０１に設定されることがより好ましい。
【0039】
構造体２１１の幅の最大値をＷｍａｘ１、構造体２１２の幅の最小値をＷｍｉｎ２とするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（４）および（５）を満足することが好ましい。
１．０５≦Ｗｍａｘ１／Ｗｍｉｎ１≦１０．００…（４）
１．０５≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ２≦１０．００…（５）
１．０５≦Ｗｍａｘ１／Ｗｍｉｎ１≦１０．００…（４）
１．０５≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ２≦１０．００…（５）
【0040】
条件式（４）および（５）は、構造体２１１および構造体２１２の形状に関する。条件式（４）の下限を下回る、または条件式（５）の上限を上回ると、相対的に領域２における位相変調量が大きくなる。このとき、構造体２１２の幅を大きく変化させる必要があるため、構造体２１２のアスペクト比が大きくなってしまう。条件式（４）の上限を上回る、または条件式（５）の下限を下回ると、相対的に領域１における位相変調量が大きくなる。このとき、光学素子全域に対して領域２の占める割合が小さくなるため、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。
【0041】
本実施例において、条件式（４）の下限値は１．０５に代えて１．０６、１．０７、１．０８、１．０９、または１．１に設定されることがより好ましい。また、条件式（５）の下限値は１．０５に代えて１．０６、１．０８、１．１０、１．１１、１．１２、１．１３、１．１４または１．１５に設定されることがより好ましい。条件式（４）および条件式（５）の上限値は１０に代えて５．０、４．５、４．０、３．５、３．０、２．６、２．４、２．２、または２．０に設定されることがより好ましい。
【0042】
構造体２１１の最大幅と最小幅の差をΔＷ１、構造体２１２の最大幅と最小幅の差をΔＷ２とするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（６）および（７）を満足することが好ましい。
０．０５≦ΔＷ１／Ｐ１≦０．８０…（６）
０．０５≦ΔＷ２／Ｐ２≦０．８０…（７）
０．０５≦ΔＷ１／Ｐ１≦０．８０…（６）
０．０５≦ΔＷ２／Ｐ２≦０．８０…（７）
【0043】
条件式（６）、（７）は、構造体２１１および構造体２１２の形状に関する。条件式（６）の下限を下回る、または条件式（７）の上限を上回ると、相対的に領域２における位相変調量が大きくなる。このとき、構造体２１２の幅を大きく変化させる必要があるため構造体２１２のアスペクト比が大きくなり、構造体２１２の堅牢性が損なわれる。条件式（６）の上限を上回る、または条件式（７）の下限を下回ると、相対的に領域１における位相変調量が大きくなり、光学素子全域に対して領域２の占める割合が小さくなり、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。
【0044】
本実施例において、条件式（６）の下限値は０．０５に代えて０．０６、０．０７、０．０８、０．０９、０．１０、０．１４、０．１８または０．２０に設定されることがより好ましい。また、条件式（６）の上限値は０．８０に代えて０．７０、０．６０、０．５０、０．４５または０．４０に設定されることがより好ましい。条件式（７）の下限値は０．０５に代えて０．０６、０．０８、０．１０、０．１４、０．１８、０．２０、０．２４、０．２８または０．３０に設定されることがより好ましい。また、条件式（７）の上限値は０．８０に代えて０．６０、０．５０、０．４６、０．４２、０．４１、または０．４０に設定されることがより好ましい。
【0045】
構造体２１１の充填率の最小値をＶ１ｍｉｎ、構造体２１２の充填率の最大値をＶ２ｍａｘとするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（８）を満足することが好ましい。
１．０＜Ｖ２ｍａｘ／Ｖ１ｍｉｎ≦４．０…（８）
１．０＜Ｖ２ｍａｘ／Ｖ１ｍｉｎ≦４．０…（８）
【0046】
条件式（８）は、構造体２１１および構造体２１２の形状に関する。条件式（８）の下限を下回ると、相対的に領域１における位相変調量が大きくなる。このとき、光学素子全域に対して領域２の占める割合が小さくなり、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。条件式（８）の上限を上回ると、相対的に領域２における位相変調量が大きくなる。このとき、構造体２１２の幅を大きく変化させる必要があるため構造体２１２のアスペクト比が大きくなり、構造体２１２の堅牢性が損なわれる。
【0047】
本実施例において、条件式（８）の下限値は１．０に代えて、１．０５、１．１０、１．１５、１．２０、１．２５、１．３０、１．３５または１．４０に設定されることがより好ましい。また、条件式（８）の上限値は４．０に代えて３．５、３．０、２．８、２．６、２．４、２．２または２．０に設定されることがより好ましい。
【0048】
第１の領域と第２の領域との境界での規格化位相をＥ、設計回折次数をｎとするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（９）を満足することが好ましい。
０．０５≦Ｅ／ｎ≦０．９０…（９）
０．０５≦Ｅ／ｎ≦０．９０…（９）
【0049】
条件式（９）は領域１および領域２における構造体２１の配置に関する。条件式（９）の下限を下回ると、相対的に領域１における位相変調量が大きくなる。このとき、光学素子全域に対して領域２の占める割合が小さくなり、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。条件式（９）の上限を上回ると、相対的に領域２における位相変調量が大きくなる。このとき、構造体２１２の幅を大きく変化させる必要があるため構造体２１２のアスペクト比が大きくなり、構造体２１２の堅牢性が損なわれる。
【0050】
本実施例において、条件式（９）の下限値は０．０５に代えて０．０６、０．０８、０．１０、０．１２、０．１３、または０．１４に設定されることがより好ましい。また、条件式（９）の上限値は０．９０に代えて０．８８、０．８６、０．８４、０．８２、０．８０、０．７８、０．７６、０．７４、０．７２、または０．７１に設定されることがより好ましい。
【0051】
規格化位相を算出する際に使用する基準波長（設計波長）をλ０とするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（１０）を満足することが好ましい。
０．１０≦Ｐ２／λ０≦０．８０…（１０）
０．１０≦Ｐ２／λ０≦０．８０…（１０）
【0052】
条件式（１０）は構造体２１２の構成に関する。条件式（１０）の下限を下回ると、構造体２１２のピッチが相対的に小さくなり、反射回折を抑制することはできるが、アスペクト比が大きくなってしまい製造が困難になる。条件式（１０）の上限を上回ると、構造体２１２のピッチが相対的に大きくなり、入射光の波長に対してピッチを十分に小さくすることができず、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。
【0053】
本実施例において、条件式（１０）の下限値は０．１０に代えて０．１２、０．１４、０．１６、０．１８、０．２０、０．２１、または０．２２に設定されることがより好ましい。また、条件式（１０）の上限値は０．８０に代えて０．７０、０．６０、０．５０、０．４５、０．４０、０．３９、０．３８、０．３７、または０．３６に設定されることがより好ましい。
【0054】
構造体２１１および構造体２１２に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘとするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（１１）を満足することが好ましい。
０．０５≦（Ｐ１－Ｐ２）／Ｈｍａｘ≦０．６０…（１１）
０．０５≦（Ｐ１－Ｐ２）／Ｈｍａｘ≦０．６０…（１１）
【0055】
条件式（１１）は構造体２１１および構造体２１２の形状に関する。条件式（１１）の下限を下回ると、構造体２１１と構造体２１２のピッチの差が相対的に小さくなる。このとき、構造体２１２のピッチが相対的に大きくなり、入射光の波長に対してピッチを十分に小さくすることができず、反射回折を十分に抑制することが難しくなる。条件式（１１）の上限を上回ると、構造体２１１に対して構造体２１２のピッチが相対的に小さくなるため、構造体２１２のアスペクト比が大きくなってしまう。なお、構造体２１１および構造体２１２の夫々の高さＨは一定であることが望ましいが、製造誤差などにより互いに異なる場合がある。この場合には、構造体２１１および構造体２１２のうち、最も高い構造体の高さがＨｍａｘとなる。
【0056】
本実施例において、条件式（１１）の下限値は０．０５に代えて、０．０６、０．０７、０．０８、０．０９、または０．１０に設定されることがより好ましい。また、条件式（１１）の上限値は０．６０に代えて、０．５０、０．４５、０．４０、０．３５、０．３０、０．２８、０．２６、０．２４、または０．２２に設定されることがより好ましい。
【0057】
基板１の厚さをｔとするとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（１２）を満足することが好ましい。
０．０＜Ｈｍａｘ／ｔ≦０．１…（１２）
０．０＜Ｈｍａｘ／ｔ≦０．１…（１２）
【0058】
条件式（１２）は、光学素子１００の形状に関する。領域２の構造体２１の高さＨおよび基板１の厚さｔはいずれも長さを示す数値であり、０よりも大きい数値になる。このため、条件式（１２）の下限を下回ることは無い。条件式（１２）の上限を上回ると、構造体２１に対して基板の厚さが薄くなるため、光学素子１００を保持する際に自重によって光学素子１００が変形してしまう。あるいは、光学素子１００を製造する際に基板が変形してしまう。
【0059】
本実施例において、条件式（１２）の下限値は、０．０に代えて、０．００００１、０．００００４、０．００００８、または０．０００１に設定されることが好ましい。また、条件式（１２）の上限値は、０．１に代えて、０．０５、０．０１、０．００８、０．００５、または０．００１に設定されることが好ましい。
【0060】
光学素子にｄ線（５８７．６ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）の光を入射した時の各波長における屈折力をそれぞれφｄ、φＦ、φＣとするとき、光学素子の集光および発散作用における実効アッベ数νｄｅｆは以下の式で表される。
【0061】
【数1】
【0062】
なお、実効アッベ数とは屈折作用を有する媒質のアッベ数νｄに相当するものであり、光学素子の集光および発散作用の波長分散を表す指標である。
【0063】
このとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（１３）を満足することが好ましい。
０．００≦｜１／νｄｅｆ｜≦０．２５…（１３）
０．００≦｜１／νｄｅｆ｜≦０．２５…（１３）
【0064】
条件式（１３）は光学素子１００の集光および発散特性の波長分散に関する。条件式（１３）の上限を上回るような高分散な集光及び発散作用を有する光学素子を実現する場合には、構造体２１２のようにピッチの異なる構造体を用いなくても所望の規格化位相の値を実現することができる。しかし、低分散または波長分散が実質的にゼロとなるような、集光および発散作用を有する光学素子を高い集光効率で実現するためには、構造体２１の位相変調量の波長分散が様々な値をとることが求められる。つまり、構造体２１２のようにピッチを変えて凹凸構造を形成することにより、構造体２１１とは異なる波長分散の凹凸構造を実現する必要がある。
【0065】
本実施例において、条件式（１３）の上限値は０．２５に代えて、０．２０、０．１０、０．０４、０．０２、０．０１、または０．００５に設定されることがより好ましい。
【0066】
構造体２１１の高さの最小値をＨ１ｍｉｎ、構造体２１２の高さの最大値をＨ２ｍａｘとしたとき、各実施例に係る光学素子１００は、以下の条件式（１４）を満足することが好ましい。
０．０５≦Ｈ２ｍａｘ／Ｈ１ｍｉｎ≦０．９５…（１４）
０．０５≦Ｈ２ｍａｘ／Ｈ１ｍｉｎ≦０．９５…（１４）
【0067】
条件式（１４）は、構造体２１１および構造体２１２の高さに関する。条件式（１４）を満足することで、位相変化量が相対的に小さい領域２に配置された構造体２１２の高さが構造体２１１の高さと比較して低くなる。このため、構造体２１２の直径を大きくすることが可能となり、構造体２１２のアスペクト比を低減することができる。
【0068】
条件式（１４）の下限を下回ると、構造体２１２の高さＨ２が低くなりすぎるため、構造体２１２の幅を変化させたときの位相変調量が小さくなる。このとき、所望の位相変調量を得るには、構造体２１２の幅を大きく変化させる必要があるため、構造体２１２のアスペクト比が大きくなってしまう。条件式（１４）の上限を上回ると、構造体２１２の高さＨ２が高くなりすぎる。このとき、所望の位相変調量を得るには、構造体２１２の幅を構造体２１１に対して小さくする必要があるため、構造体２１２のアスペクト比が大きくなってしまう。
【0069】
本実施例において、条件式（１４）の下限値は、０．０５に代えて、０．１０、０．１５、０．２０、０．２４、０．２８、０．３２、０．３４、または０．３６に設定されることがより好ましい。また、条件式（１４）の上限値は、０．９５に代えて、０．９０、０．８５、０．８０、０．７６、０．７２、０．７０、０．６８、０．６６、０．６４、０．６２、または０．６０に設定されることがより好ましい。
【0070】
なお、構造体２１１の夫々の高さＨ１と、構造体２１２の夫々の高さＨ２はそれぞれ一定であることが望ましいが、製造誤差などにより互いに高さが異なる場合がある。この場合には、構造体２１１のうち、最も高い構造体の高さがＨ１ｍｉｎとなる。同様に、構造体２１２のうち、最も低い構造体の高さがＨ２ｍａｘとなる。
【0071】
以下に、実施例１乃至９に係る光学素子１００の構成について詳細に述べる。
【0072】
実施例１の光学素子は、厚さ０．７７５ｍｍの合成石英の基板と、Ｓｉ３Ｎ４の凸形状の円柱からなる凹凸構造で構成される。領域１に配置された構造体２１１および領域２に配置された構造体２１２は、それぞれ一辺が３２０ｎｍおよび１６０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、高さは８８０ｎｍである。凹凸構造の有効径はφ４．０ｍｍで、波長５００ｎｍで２πの位相差が周期的に繰り返す輪帯を１０５輪帯有しており、凹凸構造による焦点距離は４０．０ｍｍである。実効アッベ数νｄｅｆは－３．４５２であり、従来の回折光学素子と等しい波長分散を有している。規格化位相が０．４０５となる位置を輪帯内の領域１および領域２の境界とし、領域１および領域２におけるアスペクト比の最大値は各々５．３２、１６．３１である。ここで、比較例として、光学素子全域において構造体２１がピッチＰ１で配置された比較例１１と、光学素子全域において構造体２１がピッチＰ２で配置された比較例１２とする。実施例１の光学素子は、比較例１１および比較例１２のアスペクト比の最大値１０．１、４６．１と比較してアスペクト比を低減できている。また、第１０３輪帯（ｉ＝１０３）における波長４５０ｎｍでの反射率について、実施例１では２６．８％であり、比較例の１２７．９％と比較して、構造による反射回折を抑制できている。
【0073】
実施例２の光学素子は、厚さ０．７７５ｍｍの合成石英の基板と、Ｓｉ３Ｎ４の凸形状の円柱からなる凹凸構造で構成される。構造体２１１および構造体２１２は一辺が３２０ｎｍおよび１６０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、高さは１０００ｎｍである。凹凸構造の有効径はφ２．５ｍｍで、波長５８７．６ｎｍで２πの位相差が周期的に繰り返す輪帯を６７輪帯有しており、凹凸構造による焦点距離は２０．０ｍｍであり、実効アッベ数νｄｅｆは－３．４５２で従来の回折光学素子と等しい波長分散を有している。規格化位相が０．３５６となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、領域１および２におけるアスペクト比の最大値は各々５．６３、１８．３２である。光学素子全域においてピッチが変化しない比較例２１および比較例２２のアスペクト比の最大値１６．１、６８．５と比較してアスペクト比を低減できている。
【0074】
実施例３の光学素子は、厚さ０．７７５ｍｍの合成石英の基板と、Ｓｉ３Ｎ４の凸形状の円柱からなる凹凸構造で構成される。領域１および領域２の構造体２１は一辺が３２０ｎｍおよび１６０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、高さは１６００ｎｍである。凹凸構造の有効径はφ２．５ｍｍで、波長５００ｎｍで４πの位相差が周期的に繰り返す輪帯を７９輪帯有しており、凹凸構造による焦点距離は１０．０ｍｍであり、実効アッベ数νｄｅｆは－３．４５２で従来の回折光学素子と等しい波長分散を有している。規格化位相が０．５２９となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、領域１および２におけるアスペクト比の最大値は各々１０．３１、２６．１５である。光学素子全域においてピッチが変化しない比較例３１および比較例３２のアスペクト比の最大値２１．３７、１１５と比較してアスペクト比を低減できている。
【0075】
実施例４の光学素子は、厚さ０．７７５ｍｍの合成石英の基板と、ＴｉＯ２の凸形状の円柱からなる凹凸構造で構成される。領域１および領域２の構造体２１は一辺が２４０ｎｍおよび１２０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、高さは６００ｎｍである。凹凸構造の有効径はφ１２．０ｍｍで、波長５００ｎｍで２πの位相差が周期的に繰り返す輪帯を３０７輪帯有しており、凹凸構造による焦点距離は１１７．５ｍｍであり、実効アッベ数νｄｅｆは－３．４５２で従来の回折光学素子と等しい波長分散を有している。規格化位相が０．２８８となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、領域１および２におけるアスペクト比の最大値は各々５．２６、１４．３５である。光学素子全域においてピッチが変化しない比較例４１および比較例４２のアスペクト比の最大値１０．２７、８０．０５と比較してアスペクト比を低減できている。
【0076】
実施例５の光学素子は、厚さ０．７７５ｍｍの合成石英の基板と、Ａｌ２Ｏ３の凸形状の円柱からなる凹凸構造で構成される。領域１および領域２の構造体２１は一辺が３００ｎｍおよび１５０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、高さは１４００ｎｍである。凹凸構造の有効径はφ７．５ｍｍで、波長５００ｎｍで２πの位相差が周期的に繰り返す輪帯を３３８輪帯有しており、凹凸構造による焦点距離は４１．７ｍｍであり、実効アッベ数νｄｅｆは－３．４５２で従来の回折光学素子と等しい波長分散を有している。規格化位相が０．２８０となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、領域１および２におけるアスペクト比の最大値は各々９．２３、１６．４３である。光学素子全域においてピッチが変化しない比較例５１および比較例５２のアスペクト比の最大値１１．４５、３１．６５と比較してアスペクト比を低減できている。
【0077】
実施例６乃至８の光学素子は、実施例１の光学素子と比較して、構造体２１１および構造体２１２のピッチと、領域１および領域２の配置が異なる。
【0078】
実施例６の光学素子は、図１０に示すように、領域２を互いにピッチの異なる領域２１と領域２２で構成する。実施例６の光学素子の領域１の構造体２１は一辺が３６０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、領域２１および領域２２の構造体２１は一辺が１８０ｎｍおよび１２０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置される。規格化位相が０．４５０となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、更には、規格化位相が０．１５０となる位置を領域２１および２２の境界としている。領域１および２１、２２におけるアスペクト比の最大値は各々４．７１、８．６２、１５．４１である。光学素子全域においてピッチが変化しない比較例６１、６２、６３のアスペクト比の最大値７．７５、３７．１３、７３．１４と比較してアスペクト比を低減できている。
【0079】
実施例７の光学素子は、図１１に示すように、領域２においてセグメント１１における構造体２１２の本数が整数ではない。実施例７の光学素子の領域１の構造体２１は一辺が３６０ｎｍおよび２４０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置されている。規格化位相が０．６０となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、領域１および２におけるアスペクト比の最大値は各々４．３１、８．５５である。
【0080】
実施例８の光学素子は、図１２に示すように、凸形状の四角柱からなる凹凸構造で構成される。領域１の構造体２１の高さは８８０ｎｍである。規格化位相が０．７０となる位置を輪帯内の領域１および２の境界とし、領域１および２におけるアスペクト比の最大値は各々４．７８、１４．０９である。
【0081】
実施例９の光学素子は、図１３（ａ）から（ｆ）に示すように、複数の異なる種類の形状を有するＳｉ３Ｎ４の構造体２１で構成される。図１３（ａ）は凸形状の円柱（ｔｙｐｅ１）を示し、円柱の直径をＷとする。図１３（ｂ）は凸形状の中空円柱（ｔｙｐｅ２）を示し、円柱の外径をＷ、円柱の外径と内径の差をＷ’とする。図１３（ｃ）は凹形状の円柱（ｔｙｐｅ３）を示し、円柱の直径をＷとする。図１３（ｄ）は凸形状の四角柱（ｔｙｐｅ４）を示し、四角柱の辺の長さをＷとする。図１３（ｅ）は凸形状の十字柱（ｔｙｐｅ５）を示し、十字形状の短辺をＷ、長辺をＷ’とする。図１３（ｆ）は凸形状の円柱（ｔｙｐｅ６）を示し、図１３（ａ）とはピッチが異なっており、円柱の直径をＷとする。領域１および領域２の構造体２１はそれぞれ一辺が２４０ｎｍおよび１２０ｎｍの正方形状のセグメント毎に配置され、高さは８００ｎｍである。凹凸構造の有効径はφ２０μｍで、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍの各々で２πの位相差が周期的に繰り返す輪帯を有しており、凹凸構造による焦点距離は２０μｍである。実効アッベ数νｄｅｆは無限大であり前記の３つの設計波長において略等しい焦点距離を有している。実施例９の光学素子は、中心部に近い側から径方向に向けて４２のセグメントで分割されている。一部のセグメントのピッチを小さくすることで、素子に入射した光の反射を低減しつつ、円柱構造だけで構成した光学素子と比較して所望の位相差に近づけることができるため、結像性能が向上する。
【0082】
以下に、実施例の光学素子の夫々に対応する数値実施例１乃至９を示す。
【0083】
凹凸構造による集光および発散作用を示す位相φは、ｈを光軸と垂直な方向（径方向）の光軸からの高さ、ｎを回折光の回折次数、λ０を設計波長、Ｃｋ（ｋ＝１，２，３…）を各次数の位相係数とするとき、以下の式で表される。
【0084】
【数2】
【0085】
ｄ線（５８７．６ｎｍ）、ｇ線（４３５．８ｎｍ）、Ｆ線（４８６．１ｎｍ）、Ｃ線（６５６．３ｎｍ）、波長５００ｎｍにおける屈折率をｎｄ，ｎｇ，ｎＣ，ｎＦ、ｎ５００とする。領域１および２における構造体２１の幅を各々Ｗ１［ｎｍ］、Ｗ２［ｎｍ］、Ｗ’［ｎｍ］、比較例１および２の構造体２１の幅をＷｒｅｆ１［ｎｍ］、Ｗｒｅｆ２［ｎｍ］とする。
【0086】
数値実施例９について、それぞれの構造体２１の形状を、図１３におけるｔｙｐｅ１乃至６のように表記する。すなわち、構造体２１の形状について、凸形状の円柱をｔｙｐｅ１と、凸形状の中空円柱をｔｙｐｅ２と、凹形状の円柱をｔｙｐｅ３と、凸形状の四角柱をｔｙｐｅ４と、凸形状の十字柱をｔｙｐｅ５と、凸形状の円柱をｔｙｐｅ６と表記する。
【0087】
［数値実施例１］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 53.9 87.0 19.1
0.050 63.9 103.6 41.0
0.100 72.1 116.2 54.2
0.150 79.2 126.3 63.8
0.200 85.5 135.0 71.9
0.250 91.2 142.7 79.1
0.300 96.4 149.7 85.7
0.350 101.2 156.1 91.4
0.405 165.5 106.1 162.8 97.0
0.450 170.6 168.1 101.1
0.500 176.1 173.7 105.4
0.550 181.6 179.1 109.7
0.600 187.0 184.6 113.8
0.650 192.4 190.0 117.8
0.700 197.9 195.4 121.6
0.750 203.5 201.0 125.0
0.800 209.2 206.6 128.2
0.850 215.3 212.5 131.4
0.900 221.7 218.7 135.0
0.950 228.8 225.6 138.7
1.000 236.8 233.0 140.9
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 53.9 87.0 19.1
0.050 63.9 103.6 41.0
0.100 72.1 116.2 54.2
0.150 79.2 126.3 63.8
0.200 85.5 135.0 71.9
0.250 91.2 142.7 79.1
0.300 96.4 149.7 85.7
0.350 101.2 156.1 91.4
0.405 165.5 106.1 162.8 97.0
0.450 170.6 168.1 101.1
0.500 176.1 173.7 105.4
0.550 181.6 179.1 109.7
0.600 187.0 184.6 113.8
0.650 192.4 190.0 117.8
0.700 197.9 195.4 121.6
0.750 203.5 201.0 125.0
0.800 209.2 206.6 128.2
0.850 215.3 212.5 131.4
0.900 221.7 218.7 135.0
0.950 228.8 225.6 138.7
1.000 236.8 233.0 140.9
【0088】
［数値実施例２］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 54.6 62.3 14.6
0.050 64.8 90.7 40.7
0.100 73.6 110.2 54.9
0.150 81.4 124.9 64.8
0.200 88.3 137.0 73.4
0.250 94.4 147.6 81.3
0.300 99.8 157.0 88.5
0.356 177.6 105.4 166.6 95.4
0.400 184.0 173.6 100.1
0.450 190.9 181.0 104.9
0.500 197.7 188.2 109.4
0.550 204.5 195.1 113.9
0.600 211.3 201.9 118.3
0.650 218.2 208.7 122.5
0.700 224.9 215.4 126.3
0.750 231.6 222.1 129.6
0.800 238.4 228.8 132.7
0.850 245.5 235.6 135.9
0.900 253.1 242.8 139.8
0.950 261.1 250.3 144.0
1.000 268.8 257.7 145.4
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 54.6 62.3 14.6
0.050 64.8 90.7 40.7
0.100 73.6 110.2 54.9
0.150 81.4 124.9 64.8
0.200 88.3 137.0 73.4
0.250 94.4 147.6 81.3
0.300 99.8 157.0 88.5
0.356 177.6 105.4 166.6 95.4
0.400 184.0 173.6 100.1
0.450 190.9 181.0 104.9
0.500 197.7 188.2 109.4
0.550 204.5 195.1 113.9
0.600 211.3 201.9 118.3
0.650 218.2 208.7 122.5
0.700 224.9 215.4 126.3
0.750 231.6 222.1 129.6
0.800 238.4 228.8 132.7
0.850 245.5 235.6 135.9
0.900 253.1 242.8 139.8
0.950 261.1 250.3 144.0
1.000 268.8 257.7 145.4
【0089】
［数値実施例３］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 61.2 74.9 13.9
0.100 70.5 97.7 40.9
0.200 78.5 112.7 55.5
0.300 85.6 123.8 65.4
0.400 91.8 133.1 73.9
0.529 155.2 98.8 143.7 83.7
0.600 160.1 149.1 88.6
0.700 166.5 156.1 94.6
0.800 172.6 162.8 99.9
0.900 178.6 169.1 104.6
1.000 184.6 175.2 109.1
1.100 190.8 181.3 113.6
1.200 197.2 187.5 118.1
1.300 203.7 193.7 122.4
1.400 210.4 200.0 126.3
1.500 217.2 206.5 129.7
1.600 224.4 213.1 132.9
1.700 232.2 220.2 136.2
1.800 241.0 227.8 140.2
1.900 250.8 236.2 144.5
2.000 260.7 245.1 146.1
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 61.2 74.9 13.9
0.100 70.5 97.7 40.9
0.200 78.5 112.7 55.5
0.300 85.6 123.8 65.4
0.400 91.8 133.1 73.9
0.529 155.2 98.8 143.7 83.7
0.600 160.1 149.1 88.6
0.700 166.5 156.1 94.6
0.800 172.6 162.8 99.9
0.900 178.6 169.1 104.6
1.000 184.6 175.2 109.1
1.100 190.8 181.3 113.6
1.200 197.2 187.5 118.1
1.300 203.7 193.7 122.4
1.400 210.4 200.0 126.3
1.500 217.2 206.5 129.7
1.600 224.4 213.1 132.9
1.700 232.2 220.2 136.2
1.800 241.0 227.8 140.2
1.900 250.8 236.2 144.5
2.000 260.7 245.1 146.1
【0090】
［数値実施例４］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 41.8 58.4 7.5
0.050 51.1 79.7 30.5
0.100 58.7 90.4 42.9
0.150 65.0 96.7 51.5
0.200 70.4 101.9 58.8
0.250 75.0 106.7 65.3
0.288 114.1 78.2 110.4 69.7
0.350 118.9 115.9 75.6
0.400 122.4 119.8 79.6
0.450 125.8 123.3 83.1
0.500 129.3 126.5 86.5
0.550 133.0 129.8 89.9
0.600 136.9 133.3 93.4
0.650 140.9 137.2 96.5
0.700 144.8 141.3 99.2
0.750 148.6 145.5 101.4
0.800 152.7 149.6 103.5
0.850 158.0 153.9 106.1
0.900 166.2 159.2 109.6
0.950 179.9 167.4 113.3
1.000 202.8 181.6 112.5
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 41.8 58.4 7.5
0.050 51.1 79.7 30.5
0.100 58.7 90.4 42.9
0.150 65.0 96.7 51.5
0.200 70.4 101.9 58.8
0.250 75.0 106.7 65.3
0.288 114.1 78.2 110.4 69.7
0.350 118.9 115.9 75.6
0.400 122.4 119.8 79.6
0.450 125.8 123.3 83.1
0.500 129.3 126.5 86.5
0.550 133.0 129.8 89.9
0.600 136.9 133.3 93.4
0.650 140.9 137.2 96.5
0.700 144.8 141.3 99.2
0.750 148.6 145.5 101.4
0.800 152.7 149.6 103.5
0.850 158.0 153.9 106.1
0.900 166.2 159.2 109.6
0.950 179.9 167.4 113.3
1.000 202.8 181.6 112.5
【0091】
［数値実施例５］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 85.2 122.3 44.2
0.050 88.0 126.6 51.2
0.100 90.6 130.5 57.0
0.150 93.1 134.1 62.0
0.200 95.5 137.5 66.6
0.250 97.8 140.6 70.8
0.280 151.8 99.2 142.4 73.1
0.350 155.3 146.4 78.2
0.400 157.7 149.1 81.5
0.450 160.1 151.7 84.5
0.500 162.4 154.2 87.4
0.550 164.7 156.7 90.1
0.600 166.9 159.1 92.7
0.650 169.2 161.4 95.1
0.700 171.4 163.7 97.4
0.750 173.6 166.0 99.6
0.800 175.7 168.2 101.7
0.850 177.9 170.4 103.8
0.900 180.1 172.6 105.7
0.950 182.3 174.8 107.7
1.000 184.5 177.0 109.5
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 85.2 122.3 44.2
0.050 88.0 126.6 51.2
0.100 90.6 130.5 57.0
0.150 93.1 134.1 62.0
0.200 95.5 137.5 66.6
0.250 97.8 140.6 70.8
0.280 151.8 99.2 142.4 73.1
0.350 155.3 146.4 78.2
0.400 157.7 149.1 81.5
0.450 160.1 151.7 84.5
0.500 162.4 154.2 87.4
0.550 164.7 156.7 90.1
0.600 166.9 159.1 92.7
0.650 169.2 161.4 95.1
0.700 171.4 163.7 97.4
0.750 173.6 166.0 99.6
0.800 175.7 168.2 101.7
0.850 177.9 170.4 103.8
0.900 180.1 172.6 105.7
0.950 182.3 174.8 107.7
1.000 184.5 177.0 109.5
【0092】
［数値実施例６］
規格化位相 W1 W21 W22 Wref1 Wref2 Wref3
0.000 57.1 113.5 23.7 12.0
0.050 62.6 124.0 46.6 30.3
0.100 67.4 132.6 60.9 40.9
0.150 102.1 71.8 140.1 71.3 48.4
0.200 107.6 146.9 80.1 54.9
0.250 112.7 153.2 87.9 60.7
0.300 117.5 159.3 94.9 66.0
0.350 122.1 165.2 101.1 70.6
0.400 126.4 170.9 106.6 74.6
0.450 187.0 130.7 176.6 111.7 78.2
0.500 192.6 182.2 116.4 81.6
0.550 198.4 187.8 121.0 84.9
0.600 204.4 193.5 125.6 88.1
0.650 210.5 199.3 130.0 91.2
0.700 216.8 205.2 134.1 94.0
0.750 223.4 211.3 138.0 96.5
0.800 230.2 217.6 141.7 98.8
0.850 237.5 224.2 145.3 101.2
0.900 245.4 231.2 149.3 104.0
0.950 253.8 238.6 153.4 106.9
1.000 262.8 246.5 156.3 108.0
規格化位相 W1 W21 W22 Wref1 Wref2 Wref3
0.000 57.1 113.5 23.7 12.0
0.050 62.6 124.0 46.6 30.3
0.100 67.4 132.6 60.9 40.9
0.150 102.1 71.8 140.1 71.3 48.4
0.200 107.6 146.9 80.1 54.9
0.250 112.7 153.2 87.9 60.7
0.300 117.5 159.3 94.9 66.0
0.350 122.1 165.2 101.1 70.6
0.400 126.4 170.9 106.6 74.6
0.450 187.0 130.7 176.6 111.7 78.2
0.500 192.6 182.2 116.4 81.6
0.550 198.4 187.8 121.0 84.9
0.600 204.4 193.5 125.6 88.1
0.650 210.5 199.3 130.0 91.2
0.700 216.8 205.2 134.1 94.0
0.750 223.4 211.3 138.0 96.5
0.800 230.2 217.6 141.7 98.8
0.850 237.5 224.2 145.3 101.2
0.900 245.4 231.2 149.3 104.0
0.950 253.8 238.6 153.4 106.9
1.000 262.8 246.5 156.3 108.0
【0093】
［数値実施例７］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 102.9 113.5 43.5
0.050 111.6 124.0 66.5
0.100 119.3 132.6 82.2
0.150 126.2 140.1 94.2
0.200 132.6 146.9 104.0
0.250 138.6 153.2 112.6
0.300 144.3 159.3 120.2
0.350 149.8 165.2 127.1
0.400 155.1 170.9 133.4
0.450 160.3 176.6 139.3
0.500 165.4 182.2 145.0
0.550 170.5 187.8 150.4
0.600 204.4 175.6 193.5 155.8
0.650 210.5 199.3 161.0
0.700 216.8 205.2 166.2
0.750 223.4 211.3 171.2
0.800 230.2 217.6 176.2
0.850 237.5 224.2 181.2
0.900 245.4 231.2 186.3
0.950 253.8 238.6 191.6
1.000 262.8 246.5 196.5
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 102.9 113.5 43.5
0.050 111.6 124.0 66.5
0.100 119.3 132.6 82.2
0.150 126.2 140.1 94.2
0.200 132.6 146.9 104.0
0.250 138.6 153.2 112.6
0.300 144.3 159.3 120.2
0.350 149.8 165.2 127.1
0.400 155.1 170.9 133.4
0.450 160.3 176.6 139.3
0.500 165.4 182.2 145.0
0.550 170.5 187.8 150.4
0.600 204.4 175.6 193.5 155.8
0.650 210.5 199.3 161.0
0.700 216.8 205.2 166.2
0.750 223.4 211.3 171.2
0.800 230.2 217.6 176.2
0.850 237.5 224.2 181.2
0.900 245.4 231.2 186.3
0.950 253.8 238.6 191.6
1.000 262.8 246.5 196.5
【0094】
［数値実施例８］
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 62.5 101.0 32.4
0.050 68.7 109.5 45.0
0.100 74.4 116.6 54.2
0.150 79.5 122.8 61.5
0.200 84.2 128.6 67.9
0.250 88.6 134.0 73.6
0.300 92.7 139.1 78.8
0.350 96.6 144.1 83.6
0.400 100.2 149.0 88.0
0.450 103.8 153.9 92.2
0.500 107.1 158.7 96.0
0.550 110.3 163.6 99.7
0.600 113.5 168.6 103.3
0.650 116.5 173.7 106.7
0.700 184.1 119.5 179.0 109.9
0.750 189.9 184.5 113.1
0.800 196.1 190.4 116.1
0.850 202.8 196.7 119.0
0.900 210.2 203.4 122.0
0.950 218.3 210.9 124.9
1.000 227.2 219.0 127.6
規格化位相 W1 W2 Wref1 Wref2
0.000 62.5 101.0 32.4
0.050 68.7 109.5 45.0
0.100 74.4 116.6 54.2
0.150 79.5 122.8 61.5
0.200 84.2 128.6 67.9
0.250 88.6 134.0 73.6
0.300 92.7 139.1 78.8
0.350 96.6 144.1 83.6
0.400 100.2 149.0 88.0
0.450 103.8 153.9 92.2
0.500 107.1 158.7 96.0
0.550 110.3 163.6 99.7
0.600 113.5 168.6 103.3
0.650 116.5 173.7 106.7
0.700 184.1 119.5 179.0 109.9
0.750 189.9 184.5 113.1
0.800 196.1 190.4 116.1
0.850 202.8 196.7 119.0
0.900 210.2 203.4 122.0
0.950 218.3 210.9 124.9
1.000 227.2 219.0 127.6
【0095】
［数値実施例９］
セグメント 構造体の形状 ピッチ W W' アスペクト比
1 type1 240 175.2 － 10.1
2 type1 240 175.2 － 10.1
3 type1 240 172.8 － 10.4
4 type1 240 172.8 － 4.6
5 type1 240 170.4 － 4.7
6 type1 240 168.0 － 4.8
7 type1 240 165.6 － 4.8
8 type1 240 163.2 － 4.9
9 type1 240 160.8 － 5.0
10 type4 240 216.0 － 3.7
11 type4 240 216.0 － 3.7
12 type4 240 213.6 － 3.7
13 type3 240 96.0 － 5.6
14 type3 240 110.4 － 6.2
15 type3 240 124.8 － 6.9
16 type3 240 141.6 － 8.1
17 type3 240 156.0 － 9.5
18 type4 240 175.2 － 4.6
19 type4 240 168.0 － 4.8
20 type4 240 158.4 － 5.1
21 type2 240 180.0 72.0 7.4
22 type5 240 128.2 144.0 5.9
23 type3 240 40.8 － 4.0
24 type3 240 216.0 － 33.3
25 type4 240 199.2 － 4.0
26 type5 240 170.9 192.0 4.4
27 type5 240 128.6 192.0 5.0
28 type2 240 208.8 72.0 5.8
29 type6 120 108.0 － 7.4
30 type6 120 103.2 － 7.8
31 type5 240 108.0 144.0 6.3
32 type6 120 91.2 － 8.8
33 type5 240 38.4 192.0 6.9
34 type2 240 120.0 48.0 11.1
35 type1 240 103.2 － 7.8
36 type1 240 86.4 － 9.3
37 type6 120 97.2 － 8.2
38 type6 120 90.0 － 8.9
39 type6 120 81.6 － 9.8
40 type6 120 72.0 － 11.1
41 type6 120 56.4 － 14.2
42 type1 240 48.0 － 16.7
セグメント 構造体の形状 ピッチ W W' アスペクト比
1 type1 240 175.2 － 10.1
2 type1 240 175.2 － 10.1
3 type1 240 172.8 － 10.4
4 type1 240 172.8 － 4.6
5 type1 240 170.4 － 4.7
6 type1 240 168.0 － 4.8
7 type1 240 165.6 － 4.8
8 type1 240 163.2 － 4.9
9 type1 240 160.8 － 5.0
10 type4 240 216.0 － 3.7
11 type4 240 216.0 － 3.7
12 type4 240 213.6 － 3.7
13 type3 240 96.0 － 5.6
14 type3 240 110.4 － 6.2
15 type3 240 124.8 － 6.9
16 type3 240 141.6 － 8.1
17 type3 240 156.0 － 9.5
18 type4 240 175.2 － 4.6
19 type4 240 168.0 － 4.8
20 type4 240 158.4 － 5.1
21 type2 240 180.0 72.0 7.4
22 type5 240 128.2 144.0 5.9
23 type3 240 40.8 － 4.0
24 type3 240 216.0 － 33.3
25 type4 240 199.2 － 4.0
26 type5 240 170.9 192.0 4.4
27 type5 240 128.6 192.0 5.0
28 type2 240 208.8 72.0 5.8
29 type6 120 108.0 － 7.4
30 type6 120 103.2 － 7.8
31 type5 240 108.0 144.0 6.3
32 type6 120 91.2 － 8.8
33 type5 240 38.4 192.0 6.9
34 type2 240 120.0 48.0 11.1
35 type1 240 103.2 － 7.8
36 type1 240 86.4 － 9.3
37 type6 120 97.2 － 8.2
38 type6 120 90.0 － 8.9
39 type6 120 81.6 － 9.8
40 type6 120 72.0 － 11.1
41 type6 120 56.4 － 14.2
42 type1 240 48.0 － 16.7
【0096】
各実施例における種々の数値を、以下の表１乃至表３にまとめて示す。
【0097】
【表1】
【0098】
【表2】
【0099】
【表3】
【0100】
［光学系］
次に、各実施例の光学素子を含む光学系の実施例について、図１４を用いて説明する。図１４において、１００は各実施例の光学素子、１０２は光学素子、ＯＡは光軸、ＩＰは像面、３は各実施例の光学素子を含む光学系である。光学素子１０２は屈折レンズ、回折光学素子、ミラー、プリズム等で構成され、１つでもよいし複数枚からなっていてもよい。光軸ＯＡに沿って光学素子１００および光学素子１０２が配置され、入射光を撮像面ＩＰへ結像する。光学素子１００の像側の面に構造体２１を配置することで、集光や発散、偏光といった光学作用を得ている。
次に、各実施例の光学素子を含む光学系の実施例について、図１４を用いて説明する。図１４において、１００は各実施例の光学素子、１０２は光学素子、ＯＡは光軸、ＩＰは像面、３は各実施例の光学素子を含む光学系である。光学素子１０２は屈折レンズ、回折光学素子、ミラー、プリズム等で構成され、１つでもよいし複数枚からなっていてもよい。光軸ＯＡに沿って光学素子１００および光学素子１０２が配置され、入射光を撮像面ＩＰへ結像する。光学素子１００の像側の面に構造体２１を配置することで、集光や発散、偏光といった光学作用を得ている。
【0101】
［撮像装置］
次に、図１５を参照して、各実施例の光学素子を含む光学系を撮像光学系として用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）について説明する。図１５は、各実施例の光学素子を含む光学系を備えた撮像装置６の説明図である。図１５において、４はカメラ本体、３は各実施例に係る光学素子１００を含む光学系である。５はカメラ本体４に内蔵され、光学系３によって形成された光学像を受光して光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）である。カメラ本体４はクイックリターンミラーを有する所謂一眼レフカメラでもよいし、クイックリターンミラーを有さないいわゆるミラーレスカメラでもよい。このように、各実施例に係る光学素子１００を含む光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、レンズが小型である撮像装置を得ることができる。
次に、図１５を参照して、各実施例の光学素子を含む光学系を撮像光学系として用いたデジタルスチルカメラ（撮像装置）について説明する。図１５は、各実施例の光学素子を含む光学系を備えた撮像装置６の説明図である。図１５において、４はカメラ本体、３は各実施例に係る光学素子１００を含む光学系である。５はカメラ本体４に内蔵され、光学系３によって形成された光学像を受光して光電変換するＣＣＤセンサやＣＭＯＳセンサ等の撮像素子（光電変換素子）である。カメラ本体４はクイックリターンミラーを有する所謂一眼レフカメラでもよいし、クイックリターンミラーを有さないいわゆるミラーレスカメラでもよい。このように、各実施例に係る光学素子１００を含む光学系をデジタルスチルカメラ等の撮像装置に適用することにより、レンズが小型である撮像装置を得ることができる。
【0102】
なお、本実施形態に係る撮像装置は、カメラ本体４と各実施例の光学素子１００を含む光学系３とが一体化されたレンズ一体型カメラを想定しているが、これに留まらずレンズ交換式カメラであってもよい。例えば、光学系３を保持する保持部材が撮像装置としてのカメラ本体４に着脱可能である光学装置（レンズ装置）を採用してもよい。また、各実施例の光学系は、上述した撮像装置に用に限らず、銀塩フィルム用カメラやデジタルビデオカメラ、望遠鏡や双眼鏡、プロジェクタ（投射装置）等の種々の光学機器に適用することができる。
【0103】
以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の組合せ、変形および変更が可能である。
【0104】
各実施例に係る光学素子１００は、輪帯内において、基板１の中心部から周辺部に向かって構造体２１の直径を徐々に小さくすることで、入射光を集光する作用を有している。本発明はこれに留まらず、輪帯内において、基板１の中心部から周辺部に向かって構造体２１の直径を徐々に大きくすることで、入射光を発散する作用を有してもよい。また、各実施例において、集光または発散作用を示す光学素子について記載したが、本発明に係る光学素子が示す作用はこれに留まらず、偏光など他の光学的作用を有していてもよい。
【0105】
光学素子１００において、構造体２１は凹形状を有してもよい。構造体２１が凹形状を有することで、光学素子１００の表面に反射防止などの表面加工を施すことが容易となる。なお、構造体２１が凹形状を有する場合には、構造体２１の夫々は、凹部の空間を形成する側面および底面を含む構造体を指す。このとき、構造体の高さは凹部の高さであり、構造体の幅は凹部の幅である。
【0106】
光学素子１００において、基板１の上に下地層が形成されていてもよい、構造体２１２を下地層の上に形成することにより、構造体２１２の直径を大きくすることが可能となり、構造体２１２のアスペクト比を低減することができる。なお、構造体２１２の全てが下地層の上に形成されていてもよく、一部の構造体２１２のみが下地層の上に形成されていてもよい。
【0107】
光学素子１００において、構造体２１２の高さを、構造体２１１の高さに対して低くすることが好ましい。輪帯内において、位相変化量が相対的に小さい領域２に配置された、構造体２１２の高さを低くすることで、構造体２１２の直径を大きくすることが可能となり、構造体２１２のアスペクト比を低減することができる。なお、構造体２１２の全ての高さが低くてもよく、一部の構造体２１２のみ高さが低くてもよい。
【0108】
各実施例の開示は、以下の構成を含む。
【0109】
（構成１）
同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子であって、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする光学素子。
同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子であって、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯は、径方向において配置された第１および第２の構造体群を含み、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπでないことを特徴とする光学素子。
【0110】
（構成２）
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体の夫々は、径方向における幅が互いに異なることを特徴とする構成１に記載の光学素子。
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体の夫々は、径方向における幅が互いに異なることを特徴とする構成１に記載の光学素子。
【0111】
（構成３）
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２とするとき、
１．２≦Ｐ１／Ｐ２≦８．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１または２に記載の光学素子。
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２とするとき、
１．２≦Ｐ１／Ｐ２≦８．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１または２に記載の光学素子。
【0112】
（構成４）
前記第２の間隔をＰ２、設計波長をλ０とするとき、
０．１０≦Ｐ２／λ０≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至３の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第２の間隔をＰ２、設計波長をλ０とするとき、
０．１０≦Ｐ２／λ０≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至３の何れか一構成に記載の光学素子。
【0113】
（構成５）
前記光学素子のｄ線に関する実効アッベ数をνｄｅｆとするとき、
０．０≦｜１／νｄｅｆ｜≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至４の何れか一構成に記載の光学素子。
前記光学素子のｄ線に関する実効アッベ数をνｄｅｆとするとき、
０．０≦｜１／νｄｅｆ｜≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至４の何れか一構成に記載の光学素子。
【0114】
（構成６）
基板と、該基板の上に形成された下地層とを有し、
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体のうち少なくとも一つは、前記下地層の上に配置されていることを特徴とする構成１乃至５の何れか一構成に記載の光学素子。
基板と、該基板の上に形成された下地層とを有し、
前記第１および第２の構造体群に含まれる構造体のうち少なくとも一つは、前記下地層の上に配置されていることを特徴とする構成１乃至５の何れか一構成に記載の光学素子。
【0115】
（構成７）
前記第１の構造体群に含まれる構造体の高さの最小値をＨ１ｍｉｎ、前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨ２ｍａｘとするとき、
０．０５≦Ｈ２ｍａｘ／Ｈ１ｍｉｎ≦０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至６の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群に含まれる構造体の高さの最小値をＨ１ｍｉｎ、前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨ２ｍａｘとするとき、
０．０５≦Ｈ２ｍａｘ／Ｈ１ｍｉｎ≦０．９５
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至６の何れか一構成に記載の光学素子。
【0116】
（構成８）
前記第１の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、
０．１０≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ１＜１．００
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至７の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、
０．１０≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ１＜１．００
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至７の何れか一構成に記載の光学素子。
【0117】
（構成９）
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２、前記第１の構造体群に含まれる構造体の最大幅と最小幅の差をΔＷ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅と最小幅の差をΔＷ２とするとき、
０．０５≦ΔＷ１／Ｐ１≦０．８０
０．０５≦ΔＷ２／Ｐ２≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至８の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２、前記第１の構造体群に含まれる構造体の最大幅と最小幅の差をΔＷ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅と最小幅の差をΔＷ２とするとき、
０．０５≦ΔＷ１／Ｐ１≦０．８０
０．０５≦ΔＷ２／Ｐ２≦０．８０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至８の何れか一構成に記載の光学素子。
【0118】
（構成１０）
前記第１の構造体群に含まれる構造体の充填率の最小値をＶ１ｍｉｎ、前記第２の構造体群に含まれる構造体の充填率の最大値をＶ２ｍａｘとするとき、
１．０＜Ｖ２ｍａｘ／Ｖ１ｍｉｎ≦４．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至９の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群に含まれる構造体の充填率の最小値をＶ１ｍｉｎ、前記第２の構造体群に含まれる構造体の充填率の最大値をＶ２ｍａｘとするとき、
１．０＜Ｖ２ｍａｘ／Ｖ１ｍｉｎ≦４．０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至９の何れか一構成に記載の光学素子。
【0119】
（構成１１）
前記第１の輪帯は、前記第１の構造体群が配置された第１の領域と、前記第２の構造体群が配置された第２の領域とを含み、
設計回折次数をｎ、前記第１の領域と前記第２の領域との境界における規格化位相をＥとするとき、
０．０５≦Ｅ／ｎ≦０．９０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１０の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の輪帯は、前記第１の構造体群が配置された第１の領域と、前記第２の構造体群が配置された第２の領域とを含み、
設計回折次数をｎ、前記第１の領域と前記第２の領域との境界における規格化位相をＥとするとき、
０．０５≦Ｅ／ｎ≦０．９０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１０の何れか一構成に記載の光学素子。
【0120】
（構成１２）
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘとするとき、
０．０５≦（Ｐ１－Ｐ２）／Ｈｍａｘ≦０．６０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１１の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘとするとき、
０．０５≦（Ｐ１－Ｐ２）／Ｈｍａｘ≦０．６０
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１１の何れか一構成に記載の光学素子。
【0121】
（構成１３）
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群は基板の表面上に配置されており、
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘ、前記表面に垂直な方向における前記基板の厚さをｔとするとき、
０．０＜Ｈｍａｘ／ｔ≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１２の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群は基板の表面上に配置されており、
前記第１の構造体群および前記第２の構造体群に含まれる構造体の高さの最大値をＨｍａｘ、前記表面に垂直な方向における前記基板の厚さをｔとするとき、
０．０＜Ｈｍａｘ／ｔ≦０．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１２の何れか一構成に記載の光学素子。
【0122】
（構成１４）
前記第１の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ１、前記第１の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ２、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、
１．０５≦Ｗｍａｘ１／Ｗｍｉｎ１≦１０．００
１．０５≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ２≦１０．００
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１３の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ１、前記第１の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最小幅をＷｍｉｎ２、前記第２の構造体群に含まれる構造体の最大幅をＷｍａｘ２とするとき、
１．０５≦Ｗｍａｘ１／Ｗｍｉｎ１≦１０．００
１．０５≦Ｗｍａｘ２／Ｗｍｉｎ２≦１０．００
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１３の何れか一構成に記載の光学素子。
【0123】
（構成１５）
前記第１の構造体群に含まれる構造体のうち最小幅を有する構造体の位相変調量をＤ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体のうち最大幅を有する構造体の位相変調量をＤ２とするとき、
０．９＜Ｄ１／Ｄ２＜１．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１４の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の構造体群に含まれる構造体のうち最小幅を有する構造体の位相変調量をＤ１、前記第２の構造体群に含まれる構造体のうち最大幅を有する構造体の位相変調量をＤ２とするとき、
０．９＜Ｄ１／Ｄ２＜１．１
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１４の何れか一構成に記載の光学素子。
【0124】
（構成１６）
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２、１より大きい自然数をｊとするとき、
Ｐ１＝ｊ×Ｐ２
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１５の何れか一構成に記載の光学素子。
前記第１の間隔をＰ１、前記第２の間隔をＰ２、１より大きい自然数をｊとするとき、
Ｐ１＝ｊ×Ｐ２
なる条件式を満足することを特徴とする構成１乃至１５の何れか一構成に記載の光学素子。
【0125】
（構成１７）
構成１乃至１６の何れか一構成に記載の光学素子を含む複数の光学素子を有することを特徴とする光学系。
構成１乃至１６の何れか一構成に記載の光学素子を含む複数の光学素子を有することを特徴とする光学系。
【0126】
（構成１８）
構成１７に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
構成１７に記載の光学系と、該光学系によって形成される像を受光する撮像素子とを有することを特徴とする撮像装置。
【0127】
（方法１）
同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子の製造方法であって、
基板の表面に第１の材料を設ける工程と、
前記第１の材料の上に第２の材料を設ける工程と、
前記第２の材料に型を押し付けることで、前記第１の材料からなる第１および第２の構造体群を形成する工程とを有し、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記第１および第２の構造体群は、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯に含まれ、かつ径方向において順に配置され、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπではないことを特徴とする光学素子の製造方法。
同心円状に配置された複数の輪帯を有する光学素子の製造方法であって、
基板の表面に第１の材料を設ける工程と、
前記第１の材料の上に第２の材料を設ける工程と、
前記第２の材料に型を押し付けることで、前記第１の材料からなる第１および第２の構造体群を形成する工程とを有し、
前記複数の輪帯の夫々が生ずる位相差は２ｎπ（ｎは整数）であり、
前記第１および第２の構造体群は、前記複数の輪帯のうちの第１の輪帯に含まれ、かつ径方向において順に配置され、
前記第１の構造体群は、径方向において第１の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の構造体群は、径方向において第２の間隔で配置された３以上の構造体からなり、
前記第２の間隔は前記第１の間隔よりも小さく、
前記第１および第２の構造体群の夫々が生ずる位相差は２ｎπではないことを特徴とする光学素子の製造方法。
【符号の説明】
【0128】
１００ 光学素子
２１１ 第１の構造体群
２１２ 第２の構造体群
Ｐ１ 第１の間隔
Ｐ２ 第２の間隔
２１１ 第１の構造体群
２１２ 第２の構造体群
Ｐ１ 第１の間隔
Ｐ２ 第２の間隔
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】