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JPH07113906A - Diffraction optical element - Google Patents

Diffraction optical element

Info

Publication number
JPH07113906A
JPH07113906A JP25963993A JP25963993A JPH07113906A JP H07113906 A JPH07113906 A JP H07113906A JP 25963993 A JP25963993 A JP 25963993A JP 25963993 A JP25963993 A JP 25963993A JP H07113906 A JPH07113906 A JP H07113906A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
grating
steps
optical element
period
diffractive optical
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP25963993A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP3214964B2 (en
Inventor
Teruhiro Shiono
照弘 塩野
Kuni Ogawa
久仁 小川
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Holdings Corp
Original Assignee
Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Matsushita Electric Industrial Co Ltd filed Critical Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Priority to JP25963993A priority Critical patent/JP3214964B2/en
Priority to US08/323,927 priority patent/US5561558A/en
Priority to EP94116398A priority patent/EP0649037B1/en
Priority to CNB941128148A priority patent/CN1145048C/en
Priority to DE69410732T priority patent/DE69410732T2/en
Publication of JPH07113906A publication Critical patent/JPH07113906A/en
Priority to US08/627,442 priority patent/US5742433A/en
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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Abstract

PURPOSE:To easily produce even a region of a small grating period with high diffraction efficiency over the entire area of the diffraction optical element for diagonal incident light by constituting the element in such a manner that the numbers of steps of the staircase shape in grating parts vary according to the periods of this grating part. CONSTITUTION:The grating part 2 formed on a substrate 1 consists of the region of the grating part 2A of the small grating period and the region of the grating part 2B of the large grating period. The respective grating parts 2A and 2B have the staircase shapes in their respective sections. The number of steps of the staircase shape in the region of the grating part 2B of the large grating period is 3 and the number of steps of the staircase shape in the region of the grating part 2A of the small grating period is 2. The region where the grating period is smaller than 1.6 times the wavelength of, for example, the incident light is the grating part 2A of the number of steps of 2 and the region where the grating period is larger than this value is the grating part 2B of the number of steps of 3.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、回折光学素子、特に、
斜め入射光に対してグレーティング周期の小さい領域で
も回折効率が良い回折光学素子に関するものである。
This invention relates to diffractive optical elements, and in particular to
The present invention relates to a diffractive optical element having a high diffraction efficiency even in a region having a small grating period with respect to obliquely incident light.

【0002】[0002]

【従来の技術】回折光学素子は光の回折現象を利用する
光学素子であり、複数のグレーティングパターン(回折
格子)により構成されている。一般に、回折光学素子で
は回折効率がどのくらい達成できるかは非常に重要な要
素である。従来の回折光学素子として、図9に示すよう
な断面形状が階段状である垂直入射用の回折形のマイク
ロレンズが知られている。(J. Jahns and S. J. Walke
r : " Two-dimensional array of diffractive microle
nses fabricated by thin film deposition", Applied
Optics Vol. 29, No. 7, pp. 931-936 (1990).)。図9
において、(a)は平面図であり、(b)及び(c)は
その側部断面図である。図9から明らかなように、この
従来の回折光学素子は垂直入射光を集光あるいはコリメ
ートするものであり、基板上1に同心円のグレーティン
グパターン8,8’が設けられている。グレーティング
パターン8,8’は、外周に行くにつれてグレーティン
グ周期が小さくなるように構成されている。各グレーテ
ィングパターンの断面は階段形状であり、そのステップ
数(段数)は(b)に示すような2段階のものや、
(c)に示すような4段階のものから16段階程度のも
のが考えられている。このような従来の回折光学素子で
は、グレーティング周期が異なっていても、同一の素子
では素子全域でグレーティングの階段形状のステップ数
はすべて同じであり、また最大膜厚もすべて同じであ
る。(b)に示した2段階の回折光学素子では、入射光
を回折できる割合である回折効率は41%であるが、
(c)に示した4段階にすると回折効率は81%に向上
する。さらに、8段階にすると95%、16段階では9
9%というように、階段のステップ数が多いほど回折効
率が高くなる。
2. Description of the Related Art A diffractive optical element is an optical element that utilizes the diffraction phenomenon of light and is composed of a plurality of grating patterns (diffraction gratings). Generally, how much diffraction efficiency can be achieved by a diffractive optical element is a very important factor. As a conventional diffractive optical element, a diffractive microlens for vertical incidence having a stepwise cross section as shown in FIG. 9 is known. (J. Jahns and SJ Walke
r: "Two-dimensional array of diffractive microle
nses fabricated by thin film deposition ", Applied
Optics Vol. 29, No. 7, pp. 931-936 (1990).). Figure 9
In, (a) is a plan view and (b) and (c) are side sectional views thereof. As is apparent from FIG. 9, this conventional diffractive optical element collects or collimates vertically incident light, and concentric grating patterns 8 and 8 ′ are provided on the substrate 1. The grating patterns 8 and 8'are configured so that the grating period becomes smaller toward the outer circumference. The cross section of each grating pattern has a staircase shape, and the number of steps (number of steps) is two, as shown in (b),
As shown in (c), four stages to about 16 stages are considered. In such a conventional diffractive optical element, even if the grating period is different, the same element has the same number of steps in the staircase of the grating and the same maximum film thickness over the entire element. In the two-stage diffractive optical element shown in (b), the diffraction efficiency, which is the ratio of diffracting incident light, is 41%.
The diffraction efficiency is improved to 81% by using the four steps shown in (c). Furthermore, 95% in 8 steps, 9 in 16 steps
The higher the number of steps in the stairs, such as 9%, the higher the diffraction efficiency.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】上記回折効率及び階段
形状の断面を有するグレーティングパターンのステップ
数との関係を考慮すると、どのような種類の回折光学素
子であっても、階段形状のグレーティングパターンのス
テップ数が多ければ多いほど回折効率が高くなることは
容易に推定される。実際、入射光が垂直方向から傾いた
斜入射光になってきた場合、グレーティング周期が大き
い領域においては、ステップ数が多いほど回折効率はや
はり高かった。しかし、グレーティング周期が入射光の
波長に近い領域では、グレーティングパターンのステッ
プ数が多い素子では回折効率が急激に小さくなるという
問題点があることを本発明者らは見いだした。さらに、
グレーティング周期が入射光の波長に近い領域では、グ
レーティング周期が小さいため微細加工が難しく、グレ
ーティングパターンのステップ数が多い素子では設計通
りの階段形状が実現できず、その結果、光学特性が低下
するという問題点も有していた。本発明は、上記問題点
を解決するためになされたものであり、斜め入射光に対
して、回折光学素子全域にわたって回折効率が高く、グ
レーティング周期の小さい領域でも作製が容易な回折光
学素子を提供することを目的としている。
Considering the relationship between the diffraction efficiency and the number of steps of a grating pattern having a stepped cross section, no matter what kind of diffractive optical element the stepped grating pattern has It is easily estimated that the higher the number of steps, the higher the diffraction efficiency. In fact, when the incident light becomes obliquely incident light which is inclined from the vertical direction, the diffraction efficiency was higher as the number of steps was larger in the region where the grating period was large. However, the present inventors have found that in a region where the grating period is close to the wavelength of incident light, the diffraction efficiency rapidly decreases in an element having a large number of steps in the grating pattern. further,
In a region where the grating period is close to the wavelength of the incident light, it is difficult to perform microfabrication because the grating period is small, and an element with a large number of steps in the grating pattern cannot achieve the designed staircase shape, resulting in deterioration of optical characteristics. There were also problems. The present invention has been made to solve the above problems, and provides a diffractive optical element that has high diffraction efficiency over the entire area of the diffractive optical element with respect to obliquely incident light and is easy to manufacture even in a region with a small grating period. The purpose is to do.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】上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
成したグレーティング部を具備するものであって、前記
グレーティング部の断面は階段形状であり、前記グレー
ティング部の周期に応じて前記グレーティング部の階段
形状のステップ数が異なるように構成されている。上記
構成において、階段形状のステップ数は、グレーティン
グ部の周期が小さくなるにつれて徐々に小さくなること
が好ましい。また、グレーティング部の周期が入射波長
の第1の所定数倍より大きい領域ではステップ数は3以
上であり、グレーティング部の周期が入射波長の第1の
所定数倍より小さい領域ではステップ数は2であり、前
記第1の所定数は1.5〜3の間のいずれかの値である
ことが好ましい。また、ステップ数が2の領域では、グ
レーティング部のディーティ比(1つの周期における空
気層以外の領域の割合)は0.15〜0.5の間のいず
れかの値であることが好ましい。また、グレーティング
部の周期が入射波長の第2の所定数倍より大きい領域で
はステップ数は4以上であり、グレーティング部の周期
が入射波長の第2の所定数倍よりも小さく、かつ第1の
所定数倍より大きい領域ではステップ数は3であり、前
記第2の所定数は2〜5の間のいずれかの値(ただし、
前記第1の所定数は前記第2の所定数よりも小さい)で
あることが好ましい。また、グレーティング部の周期が
入射波長の第3の所定数倍より大きい領域ではステップ
数は5以上であり、前記第3の所定数倍より小さく前記
第2の所定数倍より大きい領域ではステップ数は4であ
り、前記第3の所定数は4〜7の間のいずれかの値(た
だし、前記第2の所定数は前記第3の所定数よりも小さ
い)であることが好ましい。また、グレーティング部の
最大膜厚は、ステップ数に応じて異なることが好まし
い。また、グレーティング部のパターンは中心対称で、
かつ一方向に凸の曲線であり、前記凸の方向に周期が徐
々に小さくなることが好ましい。また、グレーティング
部のパターンは直線であり、徐々に周期が変化すること
が好ましい。
In order to achieve the above object, the diffractive optical element of the present invention comprises a substrate and a grating portion formed on the substrate, and the cross section of the grating portion is a step. It has a shape, and the number of steps of the staircase shape of the grating portion is different depending on the period of the grating portion. In the above configuration, it is preferable that the number of steps of the staircase shape gradually decreases as the period of the grating portion decreases. Further, the number of steps is 3 or more in the region where the period of the grating part is larger than the first predetermined number times the incident wavelength, and the number of steps is 2 in the region where the period of the grating part is smaller than the first predetermined number times the incident wavelength. And the first predetermined number is preferably any value between 1.5 and 3. Further, in the region where the number of steps is 2, it is preferable that the duty ratio of the grating portion (ratio of regions other than the air layer in one cycle) is any value between 0.15 and 0.5. Further, in a region where the period of the grating portion is larger than the second predetermined number times the incident wavelength, the number of steps is 4 or more, and the period of the grating portion is smaller than the second predetermined number times the incident wavelength and the first In a region larger than a predetermined number of times, the number of steps is 3, and the second predetermined number is any value between 2 and 5 (however,
It is preferable that the first predetermined number is smaller than the second predetermined number. Further, the number of steps is 5 or more in a region where the period of the grating portion is larger than the third predetermined number times the incident wavelength, and is 5 or more in the region smaller than the third predetermined number times and larger than the second predetermined number times. Is 4, and the third predetermined number is preferably any value between 4 and 7 (wherein the second predetermined number is smaller than the third predetermined number). Further, it is preferable that the maximum film thickness of the grating portion varies depending on the number of steps. Also, the pattern of the grating part is centrosymmetric,
It is also preferable that the curve is convex in one direction, and the cycle is gradually reduced in the convex direction. Further, it is preferable that the pattern of the grating portion is a straight line, and the period gradually changes.

【0005】[0005]

【作用】階段状断面を有するグレーティングに対して入
射光が垂直方向から傾斜して入射する場合、すべての領
域で階段状のステップ数が多いほど回折効率が高くなる
のではなく、グレーティング周期に応じて回折効率が高
くなるステップ数が存在する。そのため、各グレーティ
ング部の周期に応じてそのグレーティング部の階段状断
面のステップ数を最適な値に設定することにより、回折
光学素子全域にわたって回折効率が高くなる。また、グ
レーティング周期が小さくなるほど最適なステップ数が
小さくなる傾向があるので、グレーティング周期の小さ
い領域でも作製が容易になる。
When the incident light is obliquely incident on the grating having the stepwise cross section from the vertical direction, the diffraction efficiency does not increase as the number of stepwise steps increases in all regions, but it depends on the grating period. There is a number of steps that increases the diffraction efficiency. Therefore, by setting the number of steps of the stepped cross section of each grating section to an optimum value according to the period of each grating section, the diffraction efficiency is increased over the entire diffractive optical element. Further, the smaller the grating period, the smaller the optimal number of steps tends to be, so that the fabrication becomes easy even in the region where the grating period is small.

【0006】[0006]

【実施例】本発明の回折光学素子の第1の実施例を図1
から図4までを用いて詳細に説明する。図1において、
(a)は本発明の回折光学素子の第1の実施例の基本構
成を示す断面図であり、(b)はその平面図である。図
2は第1の実施例におけるグレーティング周期と1次回
折光の回折効率との関係を示す図である。図3は第1の
実施例において、グレーティング部2Aのデューティ比
をパラメータとしたグレーティング周期と1次回折光の
回折効率との関係を示す図である。図4は第1の実施例
におけるの集光の様子を示す図である。図1に示すよう
に、第1の実施例に係る回折光学素子は、基板1及び基
板1上に形成されたグレーティング部2を具備する。こ
のグレーティング部2は、グレーティング周期が小さい
グレーティング部2Aの領域と、グレーティング周期が
大きいグレーティング部2Bの領域とからなる。各グレ
ーティング部2A及び2Bはそれぞれ断面が階段形状で
ある。グレーティング周期が大きいグレーティング部2
Bの領域では、階段形状のステップ数は3である。ま
た、グレーティング周期が小さいグレーティング部2A
の領域では、階段形状のステップ数は2である。図2に
示すように、グレーティング周期が、例えば入射光の波
長の1.6倍より小さい領域はステップ数2のグレーテ
ィング部2Aであり、それより大きい領域はステップ数
3のグレーティング部2Bである。
FIG. 1 shows a first embodiment of the diffractive optical element of the present invention.
4 to 4 will be described in detail. In FIG.
(A) is a sectional view showing a basic configuration of a first embodiment of the diffractive optical element of the present invention, and (b) is a plan view thereof. FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the first embodiment. FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with the duty ratio of the grating portion 2A as a parameter in the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing how light is condensed in the first embodiment. As shown in FIG. 1, the diffractive optical element according to the first example includes a substrate 1 and a grating portion 2 formed on the substrate 1. The grating portion 2 is composed of a region of the grating portion 2A having a short grating period and a region of the grating portion 2B having a long grating period. Each of the grating portions 2A and 2B has a stepped cross section. Grating unit 2 with a long grating period
In the area B, the number of steps in the staircase shape is three. Further, the grating portion 2A having a small grating period
In the area of, the number of steps of the staircase shape is two. As shown in FIG. 2, a region where the grating period is smaller than 1.6 times the wavelength of the incident light is the grating unit 2A having two steps, and a region larger than that is the grating unit 2B having three steps.

【0007】入射光が垂直方向から傾いた斜入射光であ
る場合、グレーティング周期が大きいグレーティング部
2Bの領域においては、階段形状のステップ数が多い回
折光学素子ほど回折効率は高く、階段形状のステップ数
が少ない回折光学素子では回折効率は低かった。しか
し、グレーティング周期が入射光の波長に近いグレーテ
ィング部2Aの領域では、ステップ数が多い素子は回折
効率が急激に小さくなり、一方、階段形状のステップ数
が少ない回折光学素子では、グレーティング周期が入射
光の波長に近づく領域でも回折効率の低下の割合が小さ
いか、むしろ回折効率は向上する傾向にあることを本発
明者らは発見した。その詳細を以下に述べる。入射光の
入射角がθ=20°、グレーティング部2A及び2Bの
屈折率がn=1.5の場合について、回折効率とグレー
ティング周期との関係を図2に示す。図2において実線
で示したように、グレーティング周期が大きい領域2B
では、ステップ数が3の素子は回折効率は50数%示
す。しかし、グレーティング周期が小さくなり、グレー
ティング周期が入射光の波長の2倍程度の領域2Aにな
ると急激に低下する。一方、点線で示したように、グレ
ーティング周期が大きい領域2Bでは、ステップ数が2
の素子は回折効率が30〜40%である。しかし、グレ
ーティング周期が小さくなり、グレーティング周期が入
射光の波長の2〜3倍程度の領域から回折効率は上昇す
る。例えば、グレーティング周期が入射光の波長の1.
6倍のところでステップ数が2の素子の回折効率とステ
ップ数3の素子の回折効率が同じになることがわかる。
従って、例えばグレーティング周期が入射光の波長の
1.6倍より大きい領域ではグレーティング部2の階段
形状のステップ数を3とし、これよりグレーティング周
期が小さい領域では階段形状のステップ数を2とするこ
とにより、回折光学素子全域にわたって回折効率を高く
することができる。
When the incident light is obliquely incident light inclined from the vertical direction, in the region of the grating portion 2B having a large grating period, the diffractive optical element having a larger number of step-shaped steps has a higher diffraction efficiency and the stepped-shaped steps. The diffractive optical element having a small number had a low diffraction efficiency. However, in the region of the grating portion 2A where the grating period is close to the wavelength of the incident light, the diffraction efficiency becomes sharply small in the element having a large number of steps, whereas the diffraction period is small in the diffractive optical element having a small number of steps in the step shape. The present inventors have found that the rate of decrease in diffraction efficiency is small even in the region close to the wavelength of light, or rather the diffraction efficiency tends to improve. The details will be described below. FIG. 2 shows the relationship between the diffraction efficiency and the grating period when the incident angle of incident light is θ = 20 ° and the refractive index of the grating portions 2A and 2B is n = 1.5. As shown by the solid line in FIG. 2, a region 2B having a large grating period
Then, the diffraction efficiency of the element having the number of steps of 3 is 50% or more. However, when the grating period becomes small and the grating period becomes the region 2A which is about twice the wavelength of the incident light, it sharply decreases. On the other hand, as shown by the dotted line, in the region 2B where the grating period is large, the number of steps is 2
The element has a diffraction efficiency of 30 to 40%. However, the grating period becomes small, and the diffraction efficiency increases from the region where the grating period is about 2 to 3 times the wavelength of the incident light. For example, if the grating period is 1.
It can be seen that the diffraction efficiency of the element having the step number of 2 and the diffraction efficiency of the element having the step number of 3 become the same at 6 times.
Therefore, for example, in the region where the grating period is larger than 1.6 times the wavelength of the incident light, the number of steps of the staircase shape of the grating section 2 is set to 3, and in the region where the grating period is smaller than this, the number of steps of the staircase form is set to 2. Thereby, the diffraction efficiency can be increased over the entire area of the diffractive optical element.

【0008】従来、グレーティング周期が入射光の波長
に近い領域では、グレーティング周期が小さいため微細
加工が難しく、ステップ数が多い素子では設計通りの階
段形状が実現できず、光学特性が悪くなるという問題点
を有していたが、本発明者らはグレーティング周期が小
さくなればなるほど最適ステップ数が小さくなる傾向が
あることを発見したので、それを応用すればグレーティ
ング周期の小さい領域でも回折光学素子の作製が容易に
なる。すなわち、従来、素子全域でステップ数3の階段
形状の回折光学素子を作製しようとした場合、グレーテ
ィング周期が大きい領域ではステップ数が3の階段形状
の加工は良好にできたが、グレーティング周期が小さな
領域では階段形状のエッジ部がだれ、うまく加工できな
かった。しかし、本実施例の回折光学素子では、グレー
ティング周期が入射光の波長の1.6倍より小さい領域
では、ステップ数が2の矩形形状でよいため、微細加工
が容易になり、設計通りに加工することが可能となる。
なお、本実施例では、ステップ数を2と3に切り換える
規格化グレーティング周期Λ/λ(Λ:グレーティング
周期)が1.6の場合について述べたが、ステップ数を
切り換える条件は入射光の入射角等によりその最適値は
変化するが、Λ/λ=1.5〜3の範囲内であれば実質
的に同様の効果を奏することを確認した。
Conventionally, in a region where the grating period is close to the wavelength of incident light, it is difficult to perform microfabrication because the grating period is small, and an element having a large number of steps cannot realize a staircase shape as designed, resulting in poor optical characteristics. However, the inventors found that the smaller the grating period, the smaller the optimum number of steps. Easy to make. That is, conventionally, when an attempt was made to form a staircase-shaped diffractive optical element with three steps over the entire element, processing of a staircase with three steps was successfully performed in a region where the grating period was large, but the grating period was small. In the region, the edge of the staircase shape was sagging and could not be processed well. However, in the diffractive optical element of the present example, in the region where the grating period is smaller than 1.6 times the wavelength of the incident light, the rectangular shape with the number of steps of 2 is sufficient, so that fine processing is facilitated and processing is performed as designed. It becomes possible to do.
In this embodiment, the case where the normalized grating period Λ / λ (Λ: grating period) for switching the number of steps to 2 and 3 is 1.6 has been described. However, the condition for switching the number of steps is the incident angle of incident light. Although the optimum value changes due to the above, it was confirmed that substantially the same effect can be obtained within the range of Λ / λ = 1.5 to 3.

【0009】第1の実施例の回折光学素子は、例えば口
径1mm(円形開口)、入射光の波長がλ=0.632
8μm、入射角θ=20°、焦点距離は2.5mmであ
る。ステップ数3のグレーティング部2Bは、グレーテ
ィング周期が、例えば1.0μmから2.0μmの範囲
内にあり、その最大膜厚は、例えばhB=0.84μm
である。また、ステップ数2のグレーティング部2A
は、グレーティング周期が、例えば0.89μmから
1.0μmの範囲内にあり、その最大膜厚は、例えばhA
=0.63μmである。このように、グレーティング部
2A,2Bの最大膜厚は、それらのステップ数に応じて
変えてある。ステップ数に応じて最大膜厚を変化させる
ことにより、回折効率を最適化することができる。グレ
ーティング部2Aでは、例えばデューティ比を0.3と
した。ここで、デューティ比とは、図1における(a)
に示すように、d1/ΛA、すなわち、1つのグレーティ
ング周期において空気層以外の物質が占める割合のこと
である。図3には、本実施例におけるグレーティング部
2Aのデューティ比をパラメータとした場合における、
グレーティング周期と1次回折光の回折効率との関係を
示す。図3から明らかなように、特に斜め入射のときに
は、ステップ数2のグレーティング部2Aのディーティ
比を0.15〜0.5の範囲内のいずれかの値にすれ
ば、グレーティング周期が入射光の波長の2倍以下の領
域において、回折効率が向上することがわかる。
The diffractive optical element of the first embodiment has, for example, an aperture diameter of 1 mm (circular aperture) and an incident light wavelength of λ = 0.632.
8 μm, incident angle θ = 20 °, and focal length is 2.5 mm. The grating portion 2B having the number of steps 3 has a grating period within a range of, for example, 1.0 μm to 2.0 μm, and the maximum film thickness thereof is, for example, h B = 0.84 μm.
Is. In addition, the grating portion 2A having two steps
Has a grating period in the range of 0.89 μm to 1.0 μm, and the maximum film thickness is, for example, h A
= 0.63 μm. As described above, the maximum film thickness of the grating portions 2A and 2B is changed according to the number of steps thereof. The diffraction efficiency can be optimized by changing the maximum film thickness according to the number of steps. In the grating portion 2A, the duty ratio is 0.3, for example. Here, the duty ratio means (a) in FIG.
As shown in, d 1 / Λ A , that is, the ratio occupied by substances other than the air layer in one grating period. FIG. 3 shows the case where the duty ratio of the grating portion 2A in this embodiment is used as a parameter,
The relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light is shown. As is apparent from FIG. 3, particularly at oblique incidence, if the duty ratio of the grating portion 2A having the number of steps of 2 is set to any value within the range of 0.15 to 0.5, the grating period is It can be seen that the diffraction efficiency is improved in the region of twice the wavelength or less.

【0010】図4に示すように、上記第1の実施例の回
折光学素子は、斜め入射光5を垂直に出射させる(出射
光6)透過形のオフアキシスレンズである。オフアキシ
スレンズとは、入射光の光軸と出射光の光軸が異なるレ
ンズのことである。図4において、光5が伝播する領域
の基板1の表面と裏面に反射層4A及び4Bが堆積され
ており、基板1内を光が繰返し反射されてジグザグに伝
播し、グレーティング部2から垂直出射される。斜入射
光5を垂直集光光にするために、グレーティング部2の
パターン形状は、図1の(b)に示すように中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、上記凸の方向にグレ
ーティング周期が徐々に小さくなり、同時にパターンの
曲率も大きくなるような形状に構成されている。さらに
詳述すると、図1及び図4に示す座標系において、入射
光の波長をλ、基板1の屈折率をn、入射角をθとする
と、第1の実施例の回折光学素子の位相シフト関数は、
Φ(x,y)=k((x2+y2+f21/2+nysin
θ−f)−2mπで表される。ただし、k=λ/2π、
mは0≦Φ≦2πを満たす整数であり、グレーティング
パターンの次数を表わしている。この位相シフト関数か
ら、次数mのグレーティング部2の曲線形状は、中心が
(0、−nsinθ(mλ+f)/(1−n2sin
2θ))であり、短軸(x軸)の長さdx=2(m2λ2
2mλf+n22sin2θ)1/2/(1−n2sin
2θ)1/2、長軸(y軸)の長さdy=dx/(1−n2
in2θ)1/2である楕円曲線の上部である。
As shown in FIG. 4, the diffractive optical element of the first embodiment is a transmissive off-axis lens that vertically emits obliquely incident light 5 (emitted light 6). An off-axis lens is a lens in which the optical axis of incident light and the optical axis of emitted light are different. In FIG. 4, reflective layers 4A and 4B are deposited on the front surface and the back surface of the substrate 1 in the region where the light 5 propagates. The light is repeatedly reflected in the substrate 1 and propagates in a zigzag manner, and is vertically emitted from the grating portion 2. To be done. In order to convert the obliquely incident light 5 into the vertically condensed light, the pattern shape of the grating portion 2 is a center-symmetrical curve which is convex in one direction as shown in FIG. In addition, the grating period is gradually reduced, and at the same time, the curvature of the pattern is increased. More specifically, in the coordinate system shown in FIGS. 1 and 4, assuming that the wavelength of the incident light is λ, the refractive index of the substrate 1 is n, and the incident angle is θ, the phase shift of the diffractive optical element of the first embodiment. the function is,
Φ (x, y) = k ((x 2 + y 2 + f 2 ) 1/2 + nysin
It is represented by θ−f) −2mπ. However, k = λ / 2π,
m is an integer that satisfies 0 ≦ Φ ≦ 2π, and represents the order of the grating pattern. From this phase shift function, the curve shape of the grating part 2 of order m is (0, −nsin θ (mλ + f) / (1-n 2 sin
2 θ)), and the length of the short axis (x axis) d x = 2 (m 2 λ 2 +
2mλf + n 2 f 2 sin 2 θ) 1/2 / (1-n 2 sin
2 θ) 1/2 , length of major axis (y axis) d y = d x / (1-n 2 s
in 2 θ) 1/2 is the upper part of the elliptic curve.

【0011】基板1及びグレーティング部2は使用波長
に対して透明であればよく、例えばガラスや合成樹脂等
の材料で形成されている。使用光が赤外光の場合、基板
1及びグレーティング部2の材料として、SiやGaA
s等の半導体も使うことができる。上記第1の実施例の
回折光学素子の製造方法として、電子ビーム描画法を用
いた。すなわち、例えばPMMAやCMS等の電子ビー
ムレジスト等の電子ビームに感光する合成樹脂を基板1
上にコーティングし、合成樹脂コーティング層に電子ビ
ームを照射する。そのとき、製造する回折光学素子の断
面形状に応じて、電子ビームの照射量を制御して照射し
(ポジ形のレジストでは素子の膜厚が大きいところは電
子ビーム照射量を少なくし、現像後の残膜率を大きくす
る)、現像処理をすることによって、回折光学素子を形
成した。なお、回折光学素子の仕様として、上記以外に
も目的に応じて任意のものが作製可能である。
The substrate 1 and the grating portion 2 need only be transparent with respect to the wavelength used, and are made of a material such as glass or synthetic resin. When the used light is infrared light, the material of the substrate 1 and the grating portion 2 is Si or GaA.
Semiconductors such as s can also be used. An electron beam drawing method was used as a method of manufacturing the diffractive optical element of the first embodiment. That is, for example, a synthetic resin that is sensitive to an electron beam such as an electron beam resist such as PMMA or CMS is used as the substrate 1.
The above is coated, and the synthetic resin coating layer is irradiated with an electron beam. At that time, the irradiation amount of the electron beam is controlled and irradiated according to the sectional shape of the diffractive optical element to be manufactured. The residual film rate is increased) and a development process is performed to form a diffractive optical element. As for the specifications of the diffractive optical element, other than the above, any one can be manufactured according to the purpose.

【0012】大量生産を行う場合、例えば、ニッケル電
鋳法で金型を作製し、例えば紫外線(UV)硬化樹脂を
用いて金型から複製することにより、原盤と同一のレン
ズ素子を低価格で作製することが可能である。特に、回
折光学素子がアレイ状に配列されている場合、この方法
を用いることにより、同一特性の回折光学素子を同時に
精度よく形成できる。また、例えばイオンビームエッチ
ングにより、合成樹脂(電子ビームレジスト)で形成し
たグレーティング部2の形状を、例えばガラス基板1に
転写することにより、温度的にも非常に安定する。
In the case of mass production, for example, a mold is produced by nickel electroforming, and the mold is duplicated by using, for example, an ultraviolet (UV) curing resin, so that the same lens element as the master can be manufactured at low cost. It is possible to make. In particular, when the diffractive optical elements are arranged in an array, by using this method, diffractive optical elements having the same characteristics can be simultaneously formed with high accuracy. Further, by transferring the shape of the grating portion 2 formed of synthetic resin (electron beam resist) to the glass substrate 1, for example, by ion beam etching, the temperature is very stable.

【0013】次に、本発明の回折光学素子の第2の実施
例の基本構成を図5に示す。図5は第2の実施例の基本
構成を示す平面図である。なお、上記第1の実施例と同
一の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につ
いて説明する。図5に示すように、グレーティング部
2’のパターンは直線であり、徐々にグレーティング周
期が変化しているシリンドリカルオフアキシスレンズで
ある。すなわち、第2の実施例の回折光学素子は、斜め
入射光を一軸方向(y方向)のみ集光する。なお、断面
は図1の(a)に示した構成と実質的に同じである。従
って、このような一軸方向のシリンドリカルレンズで
も、グレーティング周期が大きい領域ではステップ数を
3とし、グレーティング周期が小さい領域ではステップ
数を2とすることにより、第1の実施例の回折光学素子
と同様の効果を奏する。
Next, the basic construction of the second embodiment of the diffractive optical element of the present invention is shown in FIG. FIG. 5 is a plan view showing the basic configuration of the second embodiment. The description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and different parts will be described. As shown in FIG. 5, the pattern of the grating portion 2'is a straight line, and is a cylindrical off-axis lens in which the grating period is gradually changed. That is, the diffractive optical element of the second example condenses the obliquely incident light only in the uniaxial direction (y direction). The cross section is substantially the same as the configuration shown in FIG. Therefore, even in such a uniaxial cylindrical lens, the number of steps is set to 3 in the region where the grating period is large and the number of steps is 2 in the region where the grating period is small, so that it is similar to the diffractive optical element of the first embodiment. Produce the effect of.

【0014】次に、本発明の回折光学素子の第3の実施
例を図6、図7及び図8を用いて説明する。図6は第3
の実施例の回折光学素子の基本構成を示す断面図であ
る。図7は第3の実施例の回折光学素子における入射光
の入射角が20°の場合のグレーティング周期と1次回
折光の回折効率との関係を示す図である。図8は第3の
実施例の回折光学素子における入射光の入射角が30°
の場合のグレーティング周期と1次回折光の回折効率と
の関係を示す図である。なお、上記第1の実施例と同一
の部分についてはその説明を省略し、異なる部分につい
て説明する。図6に示すように、第3の実施例に係る回
折光学素子は、最もグレーティング周期が大きい領域
(グレーティング部2D”)において、階段形状のステ
ップ数は5であり、グレーティング周期が小さくなるに
つれて、ステップ数を順に、4(グレーティング部2
C”)、3(グレーティング部2B”)、2(グレーテ
ィング部2A”)と小さくするように構成されたオフア
キシスレンズである。図7から明らかなように、それぞ
れのグレーティング部の規格化周期Λ/λは、例えば
1.2から1.6までの範囲はグレーティング部2A”
の領域に相当し、1.6から3.1までの範囲はグレー
ティング部2B”の領域に相当し、3.1から4.7ま
での範囲はグレーティング部2C”の領域に相当し、
4.7から5.5までの範囲はグレーティング部2D”
の領域に相当する。各領域におけるグレーティング部の
最大膜厚はそれぞれ、例えば、0.633μm(グレー
ティング部2A”)、0.84μm(グレーティング部
2B”)、0.95μm(グレーティング部2C”)、
1.01μm(グレーティング部2D”)である。本実
施例の回折光学素子は、例えば口径1mm(円形開
口)、入射光の波長がλ=0.6328μm、入射角θ
=20°、焦点距離は1.4mmである。第1の実施例
のオフアキシス形レンズと比較して、焦点距離が短いオ
フアキシスレンズである。このような焦点距離の短いオ
フアキシスレンズでは、グレーティング周期の変化の割
合が大きくなる。図7に示したように、ステップ数5の
回折光学素子の回折効率は、規格化周期が4.7のとこ
ろでステップ数4の素子の回折効率よりも小さくなる。
また、このステップ数4の素子の回折効率は、規格化周
期が3.1のところでステップ数3の素子の回折効率よ
りも小さくなる。同様に、ステップ数3の素子の回折効
率は、規格化周期が1.6のところでステップ数2の素
子の回折効率よりも小さくなる。従って、各グレーティ
ング部2A”、2B”、2C”、2D”の領域において
最適なステップ数を設定することにより、回折光学素子
全域にわたって回折効率を大きくすることができる。
Next, a third embodiment of the diffractive optical element of the present invention will be described with reference to FIGS. 6, 7 and 8. FIG. 6 is the third
FIG. 3 is a cross-sectional view showing the basic configuration of the diffractive optical element of the example of FIG. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light when the incident angle of the incident light is 20 ° in the diffractive optical element of the third embodiment. FIG. 8 shows that the incident angle of the incident light in the diffractive optical element of the third embodiment is 30 °.
FIG. 6 is a diagram showing a relationship between the grating period and the diffraction efficiency of first-order diffracted light in the case of. The description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and different parts will be described. As shown in FIG. 6, in the diffractive optical element according to the third example, the number of steps of the staircase shape is 5 in the region having the largest grating period (grating portion 2D ″), and as the grating period becomes smaller, The number of steps is 4 (grating unit 2
C ″), 3 (grating portion 2B ″), and 2 (grating portion 2A ″), which are small off-axis lenses. As is apparent from FIG. / Λ is, for example, in the range of 1.2 to 1.6, the grating portion 2A ″
, The range from 1.6 to 3.1 corresponds to the area of the grating portion 2B ″, the range from 3.1 to 4.7 corresponds to the area of the grating portion 2C ″,
The range from 4.7 to 5.5 is the grating part 2D "
Corresponding to the area. The maximum film thickness of the grating portion in each region is, for example, 0.633 μm (grating portion 2A ″), 0.84 μm (grating portion 2B ″), 0.95 μm (grating portion 2C ″),
The diffractive optical element of this embodiment has, for example, a diameter of 1 mm (circular aperture), a wavelength of incident light of λ = 0.6328 μm, and an incident angle of θ.
= 20 °, and the focal length is 1.4 mm. The off-axis lens has a shorter focal length than the off-axis lens of the first embodiment. In such an off-axis lens having a short focal length, the rate of change in the grating period is large. As shown in FIG. 7, the diffraction efficiency of the diffractive optical element having the step number 5 is smaller than that of the element having the step number 4 when the standardization period is 4.7.
Further, the diffraction efficiency of the element having the step number 4 becomes smaller than that of the element having the step number 3 when the standardization period is 3.1. Similarly, the diffraction efficiency of the element having the step number 3 becomes smaller than that of the element having the step number 2 when the normalized period is 1.6. Therefore, the diffraction efficiency can be increased over the entire diffractive optical element by setting the optimum number of steps in the regions of the grating portions 2A ″, 2B ″, 2C ″, and 2D ″.

【0015】図8に入射光の入射角が30°の場合の第
3の実施例の回折光学素子におけるグレーティング周期
と1次回折光の回折効率との関係を示す。図8に示すよ
うに、入射光の入射角等に基づいてステップ数を変化さ
せる場合、ステップ数を切り換えるべきグレーティング
周期の境界値は変化する。しかし、ステップ数を5から
4に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波長
の4〜7倍程度の範囲内にあり、またステップ数を4か
ら3に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波
長の2〜5倍程度の範囲内にあり、ステップ数を3から
2に変化させるべきグレーティング周期が入射光の波長
の1.5〜3倍程度の範囲内にあれば、同様の効果を奏
することを確認した。
FIG. 8 shows the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light in the diffractive optical element of the third embodiment when the incident angle of the incident light is 30 °. As shown in FIG. 8, when the number of steps is changed based on the incident angle of incident light or the like, the boundary value of the grating period in which the number of steps should be changed changes. However, the grating period for changing the number of steps from 5 to 4 is in the range of 4 to 7 times the wavelength of the incident light, and the grating period for changing the number of steps from 4 to 3 is the wavelength of the incident light. If the grating period is within the range of about 2 to 5 times and the number of steps for changing the number of steps from 3 to 2 is within the range of about 1.5 to 3 times the wavelength of the incident light, the same effect can be obtained. confirmed.

【0016】なお、上記各実施例では、本発明を斜入射
光を垂直に集光するオフアキシスレンズに適用した場合
について説明したが、オフアキシス形レンズだけでなく
他の形式の回折光学素子に適用した場合であっても、入
射光が斜め方向の場合に同様の効果を奏する。
In each of the above embodiments, the present invention is applied to the off-axis lens that vertically collects obliquely incident light. However, the present invention is applied not only to the off-axis lens but also to other types of diffractive optical elements. Even in such a case, the same effect can be obtained when the incident light is in the oblique direction.

【0017】[0017]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、回折光学
素子の各グレーティング部の周期に応じてグレーティン
グ部の階段形状のステップ数が異なるように構成したの
で、特に斜め入射光に対して光学素子全域にわたって回
折効率を高くすることが可能となる。また、グレーティ
ング周期が小さくなるほど最適なステップ数を小さくす
ることにより、グレーティング周期の小さい領域でも作
製が容易である回折光学素子を実現することが可能とな
る。
As described above, according to the present invention, since the number of steps of the staircase shape of the grating portion is different depending on the period of each grating portion of the diffractive optical element, particularly for obliquely incident light. It is possible to increase the diffraction efficiency over the entire area of the optical element. Further, by reducing the optimum number of steps as the grating period becomes shorter, it becomes possible to realize a diffractive optical element that can be easily manufactured even in a region where the grating period is small.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】(a)は本発明の回折光学素子の第1の実施例
の基本構成を示す断面図、(b)はその平面図
FIG. 1A is a sectional view showing a basic configuration of a first embodiment of a diffractive optical element of the present invention, and FIG. 1B is a plan view thereof.

【図2】第1の実施例におけるグレーティング周期と1
次回折光の回折効率との関係を示す図
FIG. 2 is a grating period and 1 in the first embodiment.
Diagram showing the relationship with the diffraction efficiency of the second-order diffracted light

【図3】第1の実施例において、グレーティング部2A
のデューティ比をパラメータとしたグレーティング周期
と1次回折光の回折効率との関係を示す図
FIG. 3 is a diagram showing a grating portion 2A in the first embodiment.
Showing the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the first-order diffracted light with the duty ratio of

【図4】第1の実施例における集光の様子を示す図FIG. 4 is a diagram showing how light is condensed in the first embodiment.

【図5】本発明の回折光学素子の第2の実施例の基本構
成を示す平面図
FIG. 5 is a plan view showing the basic configuration of a second embodiment of the diffractive optical element of the present invention.

【図6】本発明の回折光学素子の第3の実施例の基本構
成を示す断面図
FIG. 6 is a sectional view showing the basic structure of a third embodiment of the diffractive optical element of the present invention.

【図7】第3の実施例における入射光の入射角が20°
の場合グレーティング周期と1次回折光の回折効率との
関係を示す図
FIG. 7 is an incident angle of incident light of 20 ° in the third embodiment.
In case of, the figure which shows the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the 1st order diffracted light

【図8】第3の実施例における入射光の入射角が30°
の場合グレーティング周期と1次回折光の回折効率との
関係を示す図
FIG. 8 is an incident angle of incident light of 30 ° in the third embodiment.
In case of, the figure which shows the relationship between the grating period and the diffraction efficiency of the 1st order diffracted light

【図9】(a)は従来の回折光学素子の構成を示す平面
図、(b)及び(c)はその断面図
9A is a plan view showing the configuration of a conventional diffractive optical element, and FIGS. 9B and 9C are cross-sectional views thereof.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1: 基板 2: グレーティング部 1: Substrate 2: Grating part

Claims (9)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 基板と、前記基板上に形成したグレーテ
ィング部を具備する回折光学素子であって、前記グレー
ティング部の断面は階段形状であり、前記グレーティン
グ部の周期に応じて前記グレーティング部の階段形状の
ステップ数が異なることを特徴とする回折光学素子。
1. A diffractive optical element comprising a substrate and a grating portion formed on the substrate, wherein the cross section of the grating portion has a step shape, and the stairs of the grating portion are formed in accordance with the period of the grating portion. A diffractive optical element having a different number of steps in shape.
【請求項2】 階段形状のステップ数は、グレーティン
グ部の周期が小さくなるにつれて徐々に小さくなること
を特徴とする請求項1記載の回折光学素子。
2. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the number of steps of the staircase shape gradually decreases as the period of the grating portion decreases.
【請求項3】 グレーティング部の周期が入射波長の第
1の所定数倍より大きい領域ではステップ数は3以上で
あり、グレーティング部の周期が入射波長の第1の所定
数倍より小さい領域ではステップ数は2であり、前記第
1の所定数は1.5〜3の間のいずれかの値であること
を特徴とする請求項2記載の回折光学素子。
3. The number of steps is 3 or more in a region where the period of the grating part is larger than a first predetermined number times the incident wavelength, and in the region where the period of the grating part is smaller than the first predetermined number times the incident wavelength. 3. The diffractive optical element according to claim 2, wherein the number is 2, and the first predetermined number is any value between 1.5 and 3.
【請求項4】 ステップ数が2の領域では、グレーティ
ング部のディーティ比(1つの周期における空気層以外
の領域の割合)は0.15〜0.5の間のいずれかの値
であることを特徴とする請求項3記載の回折光学素子。
4. The duty ratio of the grating portion (ratio of regions other than the air layer in one cycle) in the region where the number of steps is 2 is any value between 0.15 and 0.5. The diffractive optical element according to claim 3, which is characterized in that.
【請求項5】 グレーティング部の周期が入射波長の第
2の所定数倍より大きい領域ではステップ数は4以上で
あり、グレーティング部の周期が入射波長の第2の所定
数倍よりも小さく、かつ第1の所定数倍より大きい領域
ではステップ数は3であり、前記第2の所定数は2〜5
の間のいずれかの値(ただし、前記第1の所定数は前記
第2の所定数よりも小さい)であることを特徴とする請
求項3記載の回折光学素子。
5. The number of steps is 4 or more in a region where the period of the grating part is larger than the second predetermined number times the incident wavelength, and the period of the grating part is smaller than the second predetermined number times the incident wavelength, and In the area larger than the first predetermined number times, the number of steps is 3, and the second predetermined number is 2 to 5
4. The diffractive optical element according to claim 3, wherein the diffractive optical element is any value between the two (wherein the first predetermined number is smaller than the second predetermined number).
【請求項6】 グレーティング部の周期が入射波長の第
3の所定数倍より大きい領域ではステップ数は5以上で
あり、前記第3の所定数倍より小さく前記第2の所定数
倍より大きい領域ではステップ数は4であり、前記第3
の所定数は4〜7の間のいずれかの値(ただし、前記第
2の所定数は前記第3の所定数よりも小さい)であるこ
とを特徴とする請求項4記載の回折光学素子。
6. An area in which the number of steps is 5 or more in a region where the period of the grating portion is larger than a third predetermined multiple of the incident wavelength and is smaller than the third predetermined multiple and larger than the second predetermined multiple. Then, the number of steps is 4, and the third
5. The diffractive optical element according to claim 4, wherein the predetermined number is a value between 4 and 7 (wherein the second predetermined number is smaller than the third predetermined number).
【請求項7】 グレーティング部の最大膜厚は、ステッ
プ数に応じて異なることを特徴とする請求項1記載の回
折光学素子。
7. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the maximum film thickness of the grating portion varies depending on the number of steps.
【請求項8】 グレーティング部のパターンは中心対称
で、かつ一方向に凸の曲線であり、前記凸の方向に周期
が徐々に小さくなることを特徴とする請求項1記載の回
折光学素子。
8. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the pattern of the grating portion is a center-symmetrical curve and is a curved line which is convex in one direction, and the period is gradually reduced in the convex direction.
【請求項9】 グレーティング部のパターンは直線であ
り、徐々に周期が変化することを特徴とする請求項1記
載の回折光学素子。
9. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the pattern of the grating portion is a straight line and the period thereof gradually changes.
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