JP5948948B2 - Diffractive optical element and measuring device - Google Patents

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本発明は、回折光学素子及び回折光学素子を用いた計測装置に関する。   The present invention relates to a diffractive optical element and a measuring apparatus using the diffractive optical element.

入射光の少なくとも一部を回折する回折光学素子は、様々な光学機器及び光学装置等に用いられている。光学機器としては、例えば、光学的な３次元計測装置は、所定の光の投影パターンを測定対象物に照射し、所定の光の投影パターンの照射されている測定対象物の画像を取得することにより、３次元計測を行う装置がある。このような３次元計測装置において、回折光学素子は、所定の光の投影パターンを生成するために用いられている。   A diffractive optical element that diffracts at least part of incident light is used in various optical devices and optical devices. As an optical apparatus, for example, an optical three-dimensional measurement apparatus irradiates a measurement object with a predetermined light projection pattern, and acquires an image of the measurement object irradiated with the predetermined light projection pattern. Thus, there is an apparatus that performs three-dimensional measurement. In such a three-dimensional measuring apparatus, the diffractive optical element is used to generate a predetermined light projection pattern.

特許文献１及び２には、３次元計測を行う際に、測定対象物に照射される光の投影パターンとして、回折光学素子により生成されたスペックルパターンを照射する方法が開示されている。   Patent Documents 1 and 2 disclose a method of irradiating a speckle pattern generated by a diffractive optical element as a projection pattern of light irradiated on a measurement object when performing three-dimensional measurement.

特表２００９−５３１６５５号公報Special table 2009-531655 gazette 特表２００９−５３０６０４号公報Special table 2009-530604 gazette

ところで、通常回折光学素子により発生する回折光は、グレーティング方程式に従い回折光学素子から所定の角度で出射される。このため、回折光学素子より出射される回折光は、回折光学素子を略中心とする球面に対しては回折光の光スポットの分布が均一であっても、平面に投影すると、回折光の回折角度が大きくなるに伴い、回折光の光スポットの間隔が広くなってしまう。このような回折光学素子を３次元計測装置等に用いた場合、回折光の回折角度が大きく、光スポットの間隔が広い領域、即ち、回折光の光スポットの密度が疎となる領域においては検出感度が低下し、正確な３次元計測を行うことができない。尚、本明細書において、略とは対象物を肉眼あるいは実体顕微鏡などの光学顕微鏡で観察した場合にそのように見えることをいう。   Incidentally, the diffracted light normally generated by the diffractive optical element is emitted from the diffractive optical element at a predetermined angle in accordance with the grating equation. For this reason, when the diffracted light emitted from the diffractive optical element is projected onto a plane even if the distribution of the light spot of the diffracted light is uniform with respect to a spherical surface having the diffractive optical element as the center, the diffracted light is diffracted. As the angle increases, the interval between the light spots of the diffracted light increases. When such a diffractive optical element is used in a three-dimensional measuring device or the like, it is detected in a region where the diffraction angle of the diffracted light is large and the interval between the light spots is wide, that is, a region where the density of the light spots of the diffracted light is sparse. Sensitivity is lowered and accurate three-dimensional measurement cannot be performed. In this specification, the term “substantially” means that an object looks like that when observed with the naked eye or an optical microscope such as a stereomicroscope.

本発明は、上記点に鑑みたものであり、回折光を平面に投影した場合において、回折光の回折角度が大きな領域においても、回折光の回折角度が小さな領域と略同じ密度の光スポットを形成できる回折光学素子の提供を目的とする。更には、この回折光学素子を用いることにより精密で正確な測定を行う計測装置の提供を目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and in the case where the diffracted light is projected onto a flat surface, even in a region where the diffraction angle of the diffracted light is large, a light spot having substantially the same density as the region where the diffraction angle of the diffracted light is small. An object is to provide a diffractive optical element that can be formed. It is another object of the present invention to provide a measuring apparatus that performs precise and accurate measurement by using this diffractive optical element.

本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記所定の範囲の中心領域における領域の前記光スポットの数をＭｃとし、前記所定の範囲の４隅における領域の前記光スポットの数の平均をＭｏとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の奇数であって、
１５°≦θｄ
Ｍｏ／Ｍｃ＞−０．０２１７３×θｄ＋１．３１４であることを特徴とする。 The present invention, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the plane of the diffraction light By projecting upward, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane. When the predetermined range is a quadrangular shape, the predetermined range is substantially the same shape. N x × equally divided into N y or more regions, one of the divided regions, the number of the light spot area in the central region of the predetermined range and M c, 4 of the predetermined range of the average number of the light spot region of the corners and M o, the maximum diffraction angles are irradiated to the predetermined range when the [theta] d, N x and N y is a both an odd number greater than 3,
15 ° ≦ θd
M o / M c > −0.02173 × θd + 1.314

また、本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記所定の範囲の中心領域における領域の前記光スポットの数をＭｃとし、前記所定の範囲の４隅における領域の前記光スポットの数の平均をＭｏとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の奇数であって、
１５°≦θｄ
０．８≦Ｍｏ／Ｍｃ≦１．２であることを特徴とする。 Further, the present invention is, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the diffracted light Are projected on a plane to generate a plurality of light spots in a random distribution within a predetermined range on the plane. When the predetermined range is a quadrangle, the predetermined range is substantially the same. N x × N y or more regions that are shaped are divided equally, and among the divided regions, the number of the light spots in the central region of the predetermined range is M c , and the predetermined range N x and N y are both odd numbers of 3 or more, where M o is the average number of the light spots in the four corners of the region and θd is the maximum diffraction angle irradiated to the predetermined range. And
15 ° ≦ θd
0.8 ≦ M o / M c ≦ 1.2.

また、本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記領域内において最も光スポットの数の多い領域の光スポットの数をＭｍａｘとし、前記領域内において最も光スポットの数の少ない領域の光スポットの数をＭｍｉｎとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の整数であって、
１５°≦θｄ
Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ＞−０．０１７２９×θｄ＋１．１０８であることを特徴とする。 Further, the present invention is, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the diffracted light Are projected on a plane to generate a plurality of light spots in a random distribution within a predetermined range on the plane. When the predetermined range is a quadrangle, the predetermined range is substantially the same. N x × N y or more areas that are shaped are equally divided, and among the divided areas, the number of light spots in the area having the largest number of light spots in the area is M max , and the area N x and N y are both integers of 3 or more, where M min is the number of light spots in the region with the smallest number of light spots and θd is the maximum diffraction angle applied to the predetermined range. Because
15 ° ≦ θd
M min / M max > −0.01729 × θd + 1.108.

また、本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記領域内において最も光スポットの数の多い領域の光スポットの数をＭｍａｘとし、前記領域内において最も光スポットの数の少ない領域の光スポットの数をＭｍｉｎとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の整数であって、
３０°≦θｄ
０．６≦Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ≦１であることを特徴とする。 Further, the present invention is, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the diffracted light Are projected on a plane to generate a plurality of light spots in a random distribution within a predetermined range on the plane. When the predetermined range is a quadrangle, the predetermined range is substantially the same. N x × N y or more areas that are shaped are equally divided, and among the divided areas, the number of light spots in the area having the largest number of light spots in the area is M max , and the area N x and N y are both integers of 3 or more, where M min is the number of light spots in the region with the smallest number of light spots and θd is the maximum diffraction angle applied to the predetermined range. Because
30 ° ≦ θd
0.6 ≦ M min / M max ≦ 1.

また、本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記領域内において最も光スポットの数の多い領域の光スポットの数をＭｍａｘとし、前記領域内において最も光スポットの数の少ない領域の光スポットの数をＭｍｉｎとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の整数であって、
１５°≦θｄ
０．７≦Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ≦１であることを特徴とする。 Further, the present invention is, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the diffracted light Are projected on a plane to generate a plurality of light spots in a random distribution within a predetermined range on the plane. When the predetermined range is a quadrangle, the predetermined range is substantially the same. N x × N y or more areas that are shaped are equally divided, and among the divided areas, the number of light spots in the area having the largest number of light spots in the area is M max , and the area N x and N y are both integers of 3 or more, where M min is the number of light spots in the region with the smallest number of light spots and θd is the maximum diffraction angle applied to the predetermined range. Because
15 ° ≦ θd
0.7 ≦ M min / M max ≦ 1.

また、本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記基本ユニットは、設計のための所定の回折光のパターンをフーリエ変換または逆フーリエ変換した位相分布の情報を有し、所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合、１５°≦θｄであり、前記設計のための所定の回折光のパターンは、前記設計のための所定の回折光のパターンにおける中心領域の光強度に対し、周辺領域における光強度が高いことを特徴とする。 Further, the present invention is, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the diffracted light Are projected onto a plane to generate a plurality of light spots in a random distribution within a predetermined range on the plane, and the basic unit performs a Fourier transform on a pattern of a predetermined diffracted light for design. Alternatively, when the phase distribution information obtained by inverse Fourier transform is used and θd is the maximum diffraction angle irradiated to a predetermined range, 15 ° ≦ θd, and the predetermined diffracted light pattern for the design is The light intensity in the peripheral region is higher than the light intensity in the central region in the predetermined diffracted light pattern for the design.

また、本発明は、基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域は、回折角が１５°以上の回折光からなる周辺領域を含むものであって、前記分割された領域のうち、前記所定の範囲の中心領域における光強度に対し、前記周辺領域における光強度が０．４以上であることを特徴とする。


Further, the present invention is, based on the units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light, the diffracted light Are projected on a plane to generate a plurality of light spots in a random distribution within a predetermined range on the plane. When the predetermined range is a quadrangle, the predetermined range is substantially the same. N x × N y or more regions having a shape are equally divided, and the divided regions include a peripheral region made of diffracted light having a diffraction angle of 15 ° or more, and the divided regions Among these, the light intensity in the peripheral region is 0.4 or more with respect to the light intensity in the central region of the predetermined range.


また、本発明は、前記２次元的な回折光により生じる光スポットの数が１００以上であることを特徴とする。また、本発明は、前記２次元的な回折光は、Ｘ方向に−１２１次〜１２０次以上の高次数の範囲、Ｙ方向に−９１次〜９０次以上の高次数の範囲で光スポットの分布を有することを特徴とする。また、本発明は、光を発する光源と、前記光が入射し回折光が出射される前記記載の回折光学素子と、前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。
 Further, the present invention is characterized in that the number of light spots generated by the two-dimensional diffracted light is 100 or more. In the present invention, the two-dimensional diffracted light is a light spot in a high order range of −121st order to 120th order in the X direction and in a high order range of −91st order to 90th order in the Y direction. It has a distribution. In addition, the present invention provides a light source that emits light, the diffractive optical element described above in which the light is incident and diffracted light is emitted, an imaging unit that captures an image of the measurement object irradiated with the diffracted light, It is characterized by having.

本発明における回折光学素子では、回折光を平面に投影した場合において、回折光の回折角度に依存することなく、略均一に分布する光スポットを発生できる。また、本発明における計測装置では、精密で正確な計測を行うことができる。   In the diffractive optical element according to the present invention, when diffracted light is projected onto a plane, it is possible to generate light spots that are distributed substantially uniformly without depending on the diffraction angle of the diffracted light. In addition, the measuring device according to the present invention can perform precise and accurate measurement.

本実施の形態における計測装置の構造図Structure diagram of measuring device in this embodiment 本実施の形態における回折光学素子により生じる光スポットの説明図Explanatory drawing of the light spot produced by the diffractive optical element in this Embodiment 本実施の形態における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in the present embodiment 本実施の形態における回折光学素子の構造図Structure diagram of diffractive optical element in this embodiment 実施例１における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Example 1 実施例２における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Example 2 実施例３における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Example 3 実施例４における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Example 4 実施例５における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Example 5 比較例１〜４における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Comparative Examples 1-4 比較例５における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Comparative Example 5 比較例６〜９における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Comparative Examples 6-9 比較例１０における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Comparative Example 10 比較例１１における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in Comparative Example 11 対角方向の角度θｄとＭｏ／Ｍｃの値との相関図Correlation diagram between diagonal angle θd and M o / M c values 対角方向の角度θｄとＭｍｉｎ／Ｍｍａｘの値との相関図Correlation diagram between diagonal angle θd and value of M min / M max

発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。   Modes for carrying out the invention will be described below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

（計測装置）
図１に基づき、本実施の形態における計測装置について説明する。図１は、本実施の形態における計測装置の構成を示す一例である。本実施の形態における計測装置１０は、光源２０、回折光学素子３０及び撮像素子５０を有している。回折光学素子３０は、光源２０から出射された光束（入射光）１１を入射させることにより、回折光１２を発生させる。また、撮像素子５０は、回折光１２により生じた光スポットの投影パターンが照射されている測定対象物４０ａ及び４０ｂを撮像する。 (Measurement device)
Based on FIG. 1, the measuring apparatus in this Embodiment is demonstrated. FIG. 1 is an example showing a configuration of a measuring apparatus according to the present embodiment. The measurement apparatus 10 in the present embodiment includes a light source 20, a diffractive optical element 30, and an image sensor 50. The diffractive optical element 30 generates diffracted light 12 by causing a light beam (incident light) 11 emitted from the light source 20 to enter. Further, the imaging element 50 images the measurement objects 40 a and 40 b irradiated with the projection pattern of the light spot generated by the diffracted light 12.

回折光学素子３０は、複数の回折光１２を発生させ、この回折光１２により生じた光スポットにより、所望の投影パターンが形成される。この投影パターンを測定対象物４０ａ及び４０ｂに照射し、投影パターンが照射された状態の画像を撮像素子５０により撮像することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの３次元形状等の情報を取得できる。尚、３次元計測を行うためには、光スポットの数は１００以上であることが好ましい。また、図１に示される計測装置１０において、回折光学素子３０に代えて、液晶表示パネル等のパターン発生源と投影レンズとを組み合わせたものを設置することにより、所定の光スポットのパターンを発生させてもよい。   The diffractive optical element 30 generates a plurality of diffracted lights 12, and a desired projection pattern is formed by the light spots generated by the diffracted lights 12. Information such as the three-dimensional shapes of the measurement objects 40a and 40b can be acquired by irradiating the measurement objects 40a and 40b with the projection pattern and capturing an image of the state irradiated with the projection pattern with the imaging device 50. In order to perform three-dimensional measurement, the number of light spots is preferably 100 or more. In addition, in the measuring apparatus 10 shown in FIG. 1, instead of the diffractive optical element 30, a combination of a pattern generation source such as a liquid crystal display panel and a projection lens is installed to generate a predetermined light spot pattern. You may let them.

（回折光学素子）
上述したように、通常の回折光学素子では、回折光を平面からなる投影面に投影した場合には、回折角度の小さい領域においては、光スポットの分布は密となり、回折角度の大きい領域においては、光スポットの分布は疎となる。また、回折角度の大きい回折光と回折角度の小さな回折光との光量を比較したところ、回折角度の小さな光に対し回折角度の大きな光は、光量が低いことが確認された。このため、回折角度が小さく略０となる中心領域は光スポットの分布は密であり、各々の光スポットの光量も設計どおりの所定の光量となるのに対し、回折角度の大きい周辺部分の領域は、光スポットの分布は疎であり、各々の光スポットの光量も所定の光量よりも低くなる。従って、中心領域は明るく、周辺部分は一層暗くなる。 (Diffraction optical element)
As described above, in a normal diffractive optical element, when diffracted light is projected onto a flat projection surface, the light spot distribution is dense in a region where the diffraction angle is small, and in a region where the diffraction angle is large. The light spot distribution is sparse. Further, when the light amounts of the diffracted light having a large diffraction angle and the diffracted light having a small diffraction angle were compared, it was confirmed that the light having a large diffraction angle was lower than the light having a small diffraction angle. For this reason, in the central region where the diffraction angle is small and substantially zero, the distribution of the light spot is dense, and the light amount of each light spot is a predetermined light amount as designed, whereas the region of the peripheral portion where the diffraction angle is large The light spot distribution is sparse, and the light amount of each light spot is also lower than the predetermined light amount. Therefore, the central region is bright and the peripheral part is darker.

次に、本実施の形態における回折光学素子３０について説明する。回折光学素子３０は、入射する光束１１に対して出射される回折光１２は、２次元的な分布を有するように形成されている。回折光学素子３０に入射する光束１１の光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸と交点を持ちＺ軸に垂直な軸をＸ軸及びＹ軸とした場合に、Ｘ軸上における最小角度θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘ及びＹ軸上における不図示の最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘの角度範囲内に光束群が分布している。ここでＸ軸は光スポットパターンの長辺に略平行でＹ軸は光スポットパターンの短辺に略平行となる。尚、Ｘ軸方向における最小角度θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘ、Ｙ軸方向における最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘにより形成される回折光１２の照射される範囲は、撮像素子５０における撮像範囲と略一致した範囲となっている。以下、図２に示すように、光スポットパターンにおいて、Ｚ軸に対しＸ方向の角度がθｘｍａｘである光スポットを通るＹ軸に平行な直線が上記短辺となり、Ｚ軸に対しＹ方向の角度がθｙｍａｘである光スポットを通るＸ軸と平行な直線が上記長辺となる。上記短辺と上記長辺の交点と回折光学素子を結ぶ直線とＺ軸とがなす角度をθdとし、この角度を対角方向の角度と称する。 Next, the diffractive optical element 30 in the present embodiment will be described. The diffractive optical element 30 is formed so that the diffracted light 12 emitted from the incident light beam 11 has a two-dimensional distribution. When the optical axis direction of the light beam 11 incident on the diffractive optical element 30 is the Z axis, and the X axis and the Y axis are the axes intersecting with the Z axis and perpendicular to the Z axis, the minimum angle θx min on the X axis The luminous flux group is distributed within an angle range from the maximum angle θx max and the minimum angle θy min (not shown) on the Y axis to the maximum angle θy max . Here, the X axis is substantially parallel to the long side of the light spot pattern, and the Y axis is substantially parallel to the short side of the light spot pattern. Note that the range irradiated with the diffracted light 12 formed from the minimum angle θx min to the maximum angle θx max in the X-axis direction and from the minimum angle θy min to the maximum angle θy max in the Y-axis direction is the imaging range in the image sensor 50. The range is approximately the same. Hereinafter, as shown in FIG. 2, in the light spot pattern, a straight line parallel to the Y axis passing through the light spot whose angle in the X direction is θx max with respect to the Z axis is the short side, and the Y direction with respect to the Z axis is A straight line parallel to the X axis passing through a light spot having an angle θy max is the long side. An angle formed by a straight line connecting the intersection of the short side and the long side and the diffractive optical element and the Z axis is θ d, and this angle is called a diagonal angle.

また、通常、回折光学素子３０の断面は凹凸形状やブレーズ形状等により形成されているが、回折光学素子３０の断面が連続的なブレーズ形状以外の形状で形成されている場合や、断面がブレーズ形状であっても製造上のバラツキを有している場合には、所望の回折光の他に迷光が発生する場合がある。しかしながら、このような迷光は、設計段階において意図しているものではなく、所望の回折光ではないため、上記角度範囲内に分布している光には含まないものとする。本実施の形態における回折光学素子３０は、迷光の光強度が、所望の回折光における光強度の平均に対し、７０％以下となるように形成されていることが好ましい。また、回折光学素子３０は、入射する光量に対し出射される所望の回折光の光量の和が５０％以上となるように形成されていることが好ましい。これにより、高い光利用効率で光スポット等からなる投影パターンを形成できる。   In general, the cross section of the diffractive optical element 30 is formed in a concavo-convex shape or a blazed shape, but the cross section of the diffractive optical element 30 is formed in a shape other than a continuous blazed shape, or the cross section is blazed. If there is variation in manufacturing even in the shape, stray light may be generated in addition to the desired diffracted light. However, such stray light is not intended in the design stage and is not desired diffracted light, and therefore is not included in the light distributed within the above angle range. The diffractive optical element 30 in the present embodiment is preferably formed such that the light intensity of stray light is 70% or less with respect to the average light intensity of desired diffracted light. In addition, the diffractive optical element 30 is preferably formed so that the sum of the light amounts of desired diffracted light emitted with respect to the incident light amount is 50% or more. Thereby, the projection pattern which consists of a light spot etc. can be formed with high light utilization efficiency.

図２は、回折光学素子３０において回折される回折光１２と、これにより生成される光スポット１３との関係を示す模式図である。入射光となる光束１１を回折光学素子３０に入射させることにより、回折光１２が発生する。この回折光１２は、数１に示すグレーティング方程式において、Ｚ軸方向を基準として、Ｘ方向における角度θｘ、Ｙ方向における角度θｙに回折される光となる。数１に示す式において、ｍｘはＸ方向の回折次数であり、ｍｙはＹ方向の回折次数であり、λは光束１１の波長であり、Ｐｘ、Ｐｙは後述する回折光学素子の基本ユニットのＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチである。この回折光１２をスクリーンまたは測定対象物等の投影面に照射させることにより、照射された領域に複数の光スポット１３が生成される。このような投影面に生成される光スポットの数をＭとする。 FIG. 2 is a schematic diagram showing the relationship between the diffracted light 12 diffracted by the diffractive optical element 30 and the light spot 13 generated thereby. The incident light beam 11 is incident on the diffractive optical element 30 to generate diffracted light 12. The diffracted light 12 is diffracted into an angle θ x in the X direction and an angle θ y in the Y direction with reference to the Z-axis direction in the grating equation shown in Equation 1. In the formula shown in Formula 1, m x is the diffraction order in the X direction, m y is the diffraction order of the Y-direction, lambda is the wavelength of the light beam 11, P x, P y is the diffractive optical element to be described later It is the pitch in the X-axis direction and Y-axis direction of the basic unit. By irradiating the diffracted light 12 onto a projection surface such as a screen or a measurement object, a plurality of light spots 13 are generated in the irradiated region. Let M be the number of light spots generated on such a projection surface.

Figure 0005948948
ここで、数１に示す式は、入射光が回折光学素子に対し垂直に入射する場合における式である。図１において、入射光１１が回折光学素子３０に対して垂直に入射している状態を示しているが、光源がレーザ光源等の場合には、回折光学素子３０からの反射光が戻り光となりレーザ光源等に入射することを防ぐため、回折光学素子３０に垂直な方向より傾けた方向より入射光１１を入射させてもよい。レーザ光源等に戻り光が入射すると干渉の影響によりレーザの発振が不安定となる場合があるからである。
Figure 0005948948
 Here, the equation shown in Equation 1 is an equation in the case where incident light is incident on the diffractive optical element perpendicularly. In FIG. 1, the incident light 11 is perpendicularly incident on the diffractive optical element 30, but when the light source is a laser light source or the like, the reflected light from the diffractive optical element 30 becomes return light. In order to prevent the light from entering a laser light source or the like, the incident light 11 may be incident from a direction inclined from the direction perpendicular to the diffractive optical element 30. This is because if the return light enters the laser light source or the like, the laser oscillation may become unstable due to the influence of interference.

（光スポットの分布）
投影面において、Ｘ軸上付近における最小角度θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘまでの範囲を等間隔にＮｘ分割し、Ｙ軸上付近における最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘまでの範囲を等間隔にＮｙ分割した領域を考え、この各々の領域をＲ（ｉ，ｊ）とする。尚、Ｎｘ、Ｎｙは３以上、Ｍ０．５以下の奇数であり、ｉは１からＮｘまでのいずれかの整数、ｊは１からＮｙまでのいずれかの整数である。ｉはθｘｍｉｎに近い位置の領域をｉ＝１とし、θｘｍａｘに近づくに従ってｉの値は増加していくものとする。また、ｊはθｙｍｉｎに近い位置の領域をｊ＝１とし、θｙｍａｘに近づくに従ってｊの値は増加していくものとする。尚、Ｎｘ、Ｎｙの値が大きいと統計的なばらつきも大きくなるため、Ｎｘ、Ｎｙの値は１５以下であることが好ましい。 (Light spot distribution)
On the projection plane, the range from the minimum angle θx min to the maximum angle θx max near the X axis is divided into N x at equal intervals, and the range from the minimum angle θy min to the maximum angle θy max near the Y axis is equally spaced. Ny divided regions are considered, and each region is defined as R (i, j). N x and N y are odd numbers of 3 or more and M 0.5 or less, i is any integer from 1 to N x , and j is any integer from 1 to N y . It is assumed that i is a region close to θx min , i = 1, and the value of i increases as it approaches θx max . Further, j is assumed to be j = 1 in a region close to θy min , and the value of j increases as it approaches θy max . Incidentally, N x, and since the large statistical variation value of N y is large, N x, the value of the N y is preferably 15 or less.

ここで、中心領域Ｒ（（ｉ＋１）／２，（ｊ＋１）／２）に含まれる回折光の光スポットの数Ｍｃと周辺領域Ｒ（１，１），Ｒ（１，Ｎｙ），Ｒ（Ｎｘ，１），Ｒ（Ｎｘ，Ｎｙ）に含まれる回折光の光スポットの数の平均値Ｍｏが、下記の数２に示す式を満たすように回折光学素子を形成する。これにより周辺領域の回折光の光スポットの数と中心領域の回折光の光スポットの数の差を小さくでき、略均一に分布する光スポットを得ることができる。これにより、周辺領域における全体の光量の低下を抑えることができる。また、数３に示す式を満たすように回折光学素子の形成によっても、周辺領域の回折光の光スポットの数と中心領域の回折光の光スポットの数の差を小さくでき、略均一に分布する光スポットを得ることができる。尚、Ｍｏ／Ｍｃの値は１であることが最も好ましく、１を中心とした範囲とすることにより、略均一光スポットを分布させることができる。 Here, the number M c of diffracted light spots included in the central region R ((i + 1) / 2, (j + 1) / 2) and the peripheral regions R (1, 1), R (1, N y ), R The diffractive optical element is formed so that the average value M o of the number of light spots of the diffracted light contained in (N x , 1) and R (N x , N y ) satisfies the following equation (2). As a result, the difference between the number of light spots of diffracted light in the peripheral region and the number of light spots of diffracted light in the central region can be reduced, and light spots distributed substantially uniformly can be obtained. Thereby, the fall of the whole light quantity in a peripheral region can be suppressed. In addition, even when the diffractive optical element is formed so as to satisfy the expression shown in Equation 3, the difference between the number of light spots of the diffracted light in the peripheral region and the number of light spots of the diffracted light in the central region can be reduced and distributed almost uniformly. A light spot can be obtained. The value of M o / M c is most preferably 1, and by setting the range around 1 as a center, a substantially uniform light spot can be distributed.

Figure 0005948948
Figure 0005948948

Figure 0005948948
また、各々の領域Ｒ（ｉ，ｊ）に含まれる回折光の光スポットの最大の個数Ｍｍａｘと回折光の光スポットの最小の個数Ｍｍｉｎが下記の数４に示す式を満たすように形成してもよい。これにより各々の領域Ｒ（ｉ，ｊ）における回折光の光スポットの差を小さくでき、略均一に分布する光スポットを得ることができる。これにより、光量が低下しやすい周辺領域における全体の光量の低下を抑えることができる。また、数５に示す式を満たすように回折光学素子の形成によっても、光量が低下しやすい周辺領域の回折光の光スポットの数と中心領域の回折光の光スポットの数の差を小さくでき、略均一に分布する光スポットを得ることができる。また、数６に示す式を満たすように回折光学素子を形成するにより、光量が低下しやすい周辺領域の回折光の光スポットの数と中心領域の回折光の光スポットの数の差をより小さくでき、略均一に分布する光スポットを得ることができる。尚、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は１であることが最も好ましく、１を中心とした範囲とすることにより略均一にできる。
Figure 0005948948
 Further, the maximum number M max of the light spots of the diffracted light and the minimum number M min of the light spots of the diffracted light included in each region R (i, j) are formed so as to satisfy the following equation (4). May be. Thereby, the difference of the light spot of the diffracted light in each area | region R (i, j) can be made small, and the light spot distributed substantially uniformly can be obtained. Thereby, the fall of the whole light quantity in the peripheral region where a light quantity tends to fall can be suppressed. In addition, the difference between the number of diffracted light spots in the peripheral area and the number of diffracted light spots in the central area can be reduced by forming the diffractive optical element so as to satisfy the equation shown in Equation 5. Thus, a light spot distributed substantially uniformly can be obtained. Further, by forming the diffractive optical element so as to satisfy the expression shown in Equation 6, the difference between the number of the light spots of the diffracted light in the peripheral region and the number of the light spots of the diffracted light in the central region, where the amount of light is likely to decrease, is further reduced And a light spot distributed substantially uniformly can be obtained. The value of M min / M max is most preferably 1, and can be made substantially uniform by setting a range centered on 1.

Figure 0005948948
Figure 0005948948

Figure 0005948948
Figure 0005948948

Figure 0005948948
ここで、光スポットの個数を計測する投影面はＺ軸に対して垂直な平面に限らず、傾斜した平面であってもよい。また、光スポットの分布が投影面において楕円形などの四角形以外の形状であるような場合には、その図形に内接する四角形領域を考慮することで同様の評価を行うことができる。また、内接する四角形領域を考慮すること以外にも、光スポットの個数を投影範囲の面積によって除算することで光スポットの密度を求め、中心部と周辺部の密度の比較を行うことで中心と周辺の光スポット数が均一な光スポット分布を得ることができる。
Figure 0005948948
 Here, the projection plane for measuring the number of light spots is not limited to a plane perpendicular to the Z axis, but may be an inclined plane. When the light spot distribution has a shape other than a quadrangle such as an ellipse on the projection surface, the same evaluation can be performed by considering a quadrilateral region inscribed in the figure. In addition to considering the inscribed square area, the density of the light spot is obtained by dividing the number of light spots by the area of the projection range, and the density of the center part and the peripheral part are compared to determine the center. A light spot distribution with a uniform number of surrounding light spots can be obtained.

さらに、測定対象物の画像の取得により３次元計測を行う装置において、画像を取得する撮像装置のレンズが広角となると中心部と周辺部でひずみが生じる。具体的には均一な光スポットパターンであっても中心部は密で周辺部では粗となる画像が取得される。この問題を解決するためには、光スポットを投影する投影面を平面から広角レンズの粗密を再現する曲面を設けることとする。つまり、上記曲面上に分布した光スポットを平面に射影することで２次元化したものを光スポットの計測を行う投影面としてもよい。   Furthermore, in an apparatus that performs three-dimensional measurement by acquiring an image of a measurement object, distortion occurs at the central portion and the peripheral portion when the lens of the imaging device that acquires the image has a wide angle. Specifically, even with a uniform light spot pattern, an image having a dense central part and a rough peripheral part is obtained. In order to solve this problem, a projection surface for projecting the light spot is provided with a curved surface that reproduces the density of the wide-angle lens from a flat surface. That is, a projection surface for measuring a light spot may be obtained by projecting the light spot distributed on the curved surface onto a plane to make it two-dimensional.

このような回折光１２を出射する回折光学素子３０として、反復フーリエ変換法等により設計された回折光学素子を使用できる。ここで、回折光学素子とは、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、２次元的に配列させたものである。このような回折光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニットにおけるフーリエ変換により得ることができる。このことはスカラー回折理論によって説明されている。電磁場はベクトル量であるが、等方的な媒質中ではスカラー量により表わすことができ、時間ｔｍ、点Ａにおけるスカラー関数ｕ（Ａ、ｔｍ）は、数７に示す式で表わされる。 As such a diffractive optical element 30 that emits the diffracted light 12, a diffractive optical element designed by an iterative Fourier transform method or the like can be used. Here, the diffractive optical element is an element in which basic units that generate a predetermined phase distribution are arranged periodically, for example, two-dimensionally. In such a diffractive optical element, the distribution of the diffraction orders of the diffracted light in the distance can be obtained by Fourier transform in the basic unit. This is explained by scalar diffraction theory. Although the electromagnetic field is a vector quantity, it can be represented by a scalar quantity in an isotropic medium, and the scalar function u (A, t m ) at time t m and point A is represented by the following equation (7).

Figure 0005948948
数７に示す式は、入射する光が単色光の場合を示しており、Ｕ（Ａ）は点Ａにおける複素振幅であり、ωは角周波数である。数７に示すスカラー関数は、全空間で数８に示す波動方程式を満たす。
Figure 0005948948
 The expression shown in Equation 7 indicates a case where the incident light is monochromatic light, U (A) is a complex amplitude at point A, and ω is an angular frequency. The scalar function shown in Equation 7 satisfies the wave equation shown in Equation 8 in the entire space.

Figure 0005948948
数７に示す式を数８に示す式に代入すると、数９に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。
Figure 0005948948
 By substituting the equation shown in Equation 7 into the equation shown in Equation 8, the Helmholtz equation shown in Equation 9 can be obtained.

Figure 0005948948
ここで、ｋは波数であり、ｋ＝２π／λである。数８に示される式を解くことにより、空間におけるスカラー関数の分布が計算される。また、ある位相分布を与える十分に薄い平面スクリーンをΣで示し、Σ上における点をＡ１とし、平面波がΣを透過した場合の点Ａ０におけるスカラー関数をキルヒホッフの境界条件を用いて、数９に示す式から計算すると、ｒ０１を点Ａ０と点Ａ１の距離とした場合、数１０に示す式が得られる。
Figure 0005948948
 Here, k is the wave number, and k = 2π / λ. By solving the equation shown in Equation 8, the distribution of the scalar function in the space is calculated. Also, a sufficiently thin flat screen giving a certain phase distribution is denoted by Σ, a point on Σ is A 1, and a scalar function at a point A 0 when a plane wave is transmitted through Σ is expressed by the Kirchhoff boundary condition as It is calculated from the equations shown in 9, a case where the r 01 and the distance between the point a 0 and the point a 1, the formula shown in expression 10 is obtained.

Figure 0005948948
更に、点Ａ０における座標（ｘ０、ｙ０、０）、点Ａ１における座標（ｘ１、ｙ１、ｚ）とし、ｚが｜ｘ０−ｘ１｜、｜ｙ０−ｙ１｜よりも十分大きな値であるものとすると、ｒ０１を展開することにより、数１１に示されるフラウンホーファー近似式を得ることができる。
Figure 0005948948
 Further, the coordinates at the point A 0 (x 0 , y 0 , 0) and the coordinates at the point A 1 (x 1 , y 1 , z) are set, and z is | x 0 −x 1 |, | y 0 −y 1 | Assuming that the value is sufficiently larger than that, by expanding r 01 , the Fraunhofer approximation expressed by Equation 11 can be obtained.

Figure 0005948948
これは、スクリーンによって与えられる位相分布のフーリエ変換に相当する。特に、スクリーン後における位相分布ｕ（Ａ１）がＸ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙの周期性を有する場合、ｕ（Ａ０）は、下記に示す数１２に示す式のように、（ｍ、ｎ）次の回折光が発生する。
Figure 0005948948
 This corresponds to the Fourier transform of the phase distribution given by the screen. In particular, when the phase distribution u (A 1 ) after the screen has a periodicity of the pitch P x in the X-axis direction and the pitch P y in the Y-axis direction, u (A 0 ) is expressed by the following equation (12). As shown, (m, n) -order diffracted light is generated.

Figure 0005948948
この際、（ｍ、ｎ）次の回折光の回折効率ηｍｎは、周期性の基本ユニットが有する位相分布ｕ'（ｘ１、ｙ１）を用いて、下記数１３に示す式で表わされる。尚、ｍ、ｎは整数、θｘｉｎ及びθｙｉｎは入射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度、θｘｏｕｔ及びθｙｏｕｔは出射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度である。
Figure 0005948948
 At this time, the diffraction efficiency η mn of the (m, n) -order diffracted light is expressed by the following equation 13 using the phase distribution u ′ (x 1 , y 1 ) of the periodic basic unit. . M and n are integers, θx in and θy in are angles formed with the Z axis in the X direction and the Y direction in the incident light, and θx out and θy out are angles formed with the Z axis in the X direction and the Y direction in the emitted light. is there.

Figure 0005948948
従って、基本ユニットの位相分布が得られれば、そのフーリエ変換によって回折光における強度分布の計算ができるため、基本ユニットの位相分布を最適化することにより、所望の分布の回折光を発生させる回折光学素子が得られる。
Figure 0005948948
 Therefore, if the phase distribution of the basic unit is obtained, the intensity distribution in the diffracted light can be calculated by the Fourier transform. Therefore, by optimizing the phase distribution of the basic unit, diffractive optics that generates diffracted light with a desired distribution is obtained. An element is obtained.

次に、図３に基づき，本実施の形態における回折光学素子３０について説明する。本実施の形態における回折光学素子３０は、図３（ａ）に示されるように、Ｘ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙの基本ユニット３１が２次元状に周期的に配列されている。具体的には、図３（ｂ）に示されるような位相分布を有している。図３（ｂ）では、黒く塗りつぶされた領域が凸部となり、白抜きの領域が凹部となるように凹凸パターンが形成されている回折光学素子３０を示す。本実施の形態における回折光学素子は、位相分布を発生できればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材の表面に凹凸パターンを形成した構造のものや、凹凸パターンが形成された透明な部材の上に、この部材とは屈折率の異なる部材を貼り合わせ、表面を平坦なものとしたものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させた構造のものであってもよい。つまり、ここで、凹凸パターンとは、表面形状が凹凸である場合のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えることのできる構造のものを含むものを意味する。尚、回折光学素子３０に基本ユニット３１を２次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、凹凸パターン内に１つ以上の基本ユニットが含まれていれば凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と一致していなくともよい。 Next, the diffractive optical element 30 in the present embodiment will be described with reference to FIG. In the diffractive optical element 30 in this embodiment, as shown in FIG. 3A, basic units 31 having a pitch P x in the X-axis direction and a pitch P y in the Y-axis direction are periodically arranged in a two-dimensional manner. Has been. Specifically, it has a phase distribution as shown in FIG. FIG. 3B shows the diffractive optical element 30 in which a concavo-convex pattern is formed such that a blacked area becomes a convex part and a white area becomes a concave part. The diffractive optical element in the present embodiment only needs to be able to generate a phase distribution. The diffractive optical element has a structure in which a concavo-convex pattern is formed on the surface of a member that transmits light, such as glass or a resin material, or a transparent member in which a concavo-convex pattern is formed. In addition, a member having a refractive index different from that of the member may be bonded to make the surface flat, or a transparent member may have a structure in which the refractive index is changed. That is, here, the concave / convex pattern means not only the case where the surface shape is concave / convex, but also includes those having a structure capable of giving a phase difference to incident light. When the basic units 31 are two-dimensionally arranged on the diffractive optical element 30, the number of basic units does not have to be an integer, and the concave / convex pattern and the concave / convex portions are provided if one or more basic units are included in the concave / convex pattern. The boundary of the area having no pattern may not coincide with the boundary of the basic unit.

図４には、本実施の形態における回折光学素子の一例として、ガラス等からなる透明基板３２の表面に凸部３３を形成することにより凹凸パターンを形成した構造の回折光学素子３０の断面模式図を示す。尚、この回折光学素子３０では、透明基板３２の表面において、凸部３３の形成されていない領域が凹部３４となる。   FIG. 4 is a schematic cross-sectional view of a diffractive optical element 30 having a structure in which a concavo-convex pattern is formed by forming convex portions 33 on the surface of a transparent substrate 32 made of glass or the like, as an example of the diffractive optical element in the present embodiment. Indicates. In the diffractive optical element 30, a region where the convex portion 33 is not formed becomes a concave portion 34 on the surface of the transparent substrate 32.

透明基板３２は、入射光に対し透明であればよく、ガラス基板の他、樹脂基板、樹脂フィルム等の種々の材料を使用できるが、ガラスや石英等の光学的等方材料は、透過光に複屈折性の影響を与えることがなく好ましい。また、透明基板３２は、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜の形成により、フレネル反射による光反射を低減できる。また、図においては、透明基板３２の片面に凹凸パターンが形成されているものを示すが、透明基板３２の両面に凹凸パターンを形成した構造のものであってもよい。   The transparent substrate 32 only needs to be transparent to incident light, and various materials such as a resin substrate and a resin film can be used in addition to a glass substrate. However, optically isotropic materials such as glass and quartz are used for transmitting light. It is preferable without affecting birefringence. In addition, the transparent substrate 32 can reduce light reflection due to Fresnel reflection, for example, by forming an antireflection film with a multilayer film at the interface with air. In addition, the figure shows a structure in which a concavo-convex pattern is formed on one side of the transparent substrate 32, but a structure having a concavo-convex pattern formed on both sides of the transparent substrate 32 may also be used.

このように、本実施の形態における回折光学素子３０は、反復フーリエ変換法等の手法を用いて作製できる。より詳細に説明すると、回折光学素子における基本ユニット３１の位相分布と回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の電場分布を逆フーリエ変換することにより、基本ユニット３１における位相分布を得ることができる。   Thus, the diffractive optical element 30 in the present embodiment can be manufactured using a technique such as an iterative Fourier transform method. More specifically, since the phase distribution of the basic unit 31 in the diffractive optical element and the electric field distribution of the diffracted light are in a Fourier transform relationship, the phase distribution in the basic unit 31 is obtained by inverse Fourier transforming the electric field distribution of the diffracted light. Can be obtained.

また、回折光学素子を作製する際には、回折光の強度分布のみ制限条件となり、位相の条件が含まれないため、基本ユニットの位相分布は任意なものとなる。反復フーリエ変換法では、回折光の光強度分布の逆フーリエ変換より基本ユニットの位相分布の情報を抽出し、得られた位相分布を基本ユニットの位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。これにより、フーリエ変換の結果と所定の回折光の光強度の分布との差分が評価値となり、上記計算を繰り返すことにより、評価値が最小となるような回折光学素子の位相分布を最適な設計として得ることができる。   Further, when the diffractive optical element is manufactured, only the intensity distribution of the diffracted light is a limiting condition and the phase condition is not included. Therefore, the phase distribution of the basic unit is arbitrary. In the iterative Fourier transform method, information on the phase distribution of the basic unit is extracted from the inverse Fourier transform of the light intensity distribution of the diffracted light, the obtained phase distribution is used as the phase distribution of the basic unit, and further Fourier transform is performed. As a result, the difference between the Fourier transform result and the light intensity distribution of the predetermined diffracted light becomes the evaluation value, and the above calculation is repeated to optimally design the phase distribution of the diffractive optical element that minimizes the evaluation value. Can be obtained as

回折光学素子の設計アルゴリズムは、上記以外にも、Ｂｅｒｎａｒｄ Ｋｒｅｓｓ，Ｐａｔｒｉｃｋ Ｍｅｙｒｕｅｉｓ著、「デジタル回折光学」（丸善）等に記載されているように各種ある。また、フーリエ変換の方法としては、高速フーリエ変換アルゴリズム等を用いることができる。   In addition to the above, there are various design algorithms for diffractive optical elements as described in Bernard Kress, Patrick Meyrueis, “Digital Diffraction Optics” (Maruzen). As a Fourier transform method, a fast Fourier transform algorithm or the like can be used.

本実施の形態における回折光学素子により形成される光スポットの分布は、数２〜数６に示す式に基づくものであるが、このような光スポットの分布を発生させる回折光学素子の製造方法について、以下に説明する。   The distribution of the light spot formed by the diffractive optical element in the present embodiment is based on the equations shown in Equations 2 to 6, and a method for manufacturing a diffractive optical element that generates such a distribution of light spots. This will be described below.

まず、回折光学素子から距離ｚに位置する投影面において、数２から数６のいずれかを満たすように光スポットが分布している光スポット分布の座標群を作製する。このときの光スポット分布としては、ランダム分布であってもよく、光スポットの間隔が制御された分散型分布、規則的な配列を有する規則分布であってもよい。この光スポット分布のうち、ｑ番目の光スポットの座標を（ｘｑ，ｙｑ）とする。回折光の回折角は（θｘ，θｙ）であるので、回折光の進行方向の波数ベクトルｋは、数１４に示す式で表わされる。 First, a coordinate group of a light spot distribution in which light spots are distributed so as to satisfy any one of Expressions 2 to 6 on a projection plane located at a distance z from the diffractive optical element is prepared. The light spot distribution at this time may be a random distribution, a distributed distribution in which the interval between the light spots is controlled, or a regular distribution having a regular arrangement. In this light spot distribution, the coordinates of the q-th light spot are (x q , y q ). Since the diffraction angle of the diffracted light is (θ x , θ y ), the wave vector k in the traveling direction of the diffracted light is expressed by the equation shown in Equation 14.

Figure 0005948948
数１４に示す式より、座標（ｘｑ，ｙｑ，ｚ）に回折光を発生させるためには、波数ベクトルｋの定数倍が（ｘｑ，ｙｑ，ｚ）となるようにすればよい。即ち、数１５に示す式で表わすことができる。
Figure 0005948948
 In order to generate diffracted light at the coordinates (x q , y q , z), the constant multiple of the wave vector k may be (x q , y q , z) from the equation shown in Equation 14. . That is, it can be expressed by the equation shown in Formula 15.

Figure 0005948948
数１５に示す式より、β=ｚ／（１−ｓｉｎ２θｘ−ｓｉｎ２θｙ）０．５であり、ｓｉｎθｙ＝ｙｑｓｉｎθｘ／ｘｑであるので、これらを用いると数１６に示す式が得られる。
Figure 0005948948
 From the equation shown in Equation 15, β = z / (1−sin 2 θ x −sin 2 θ y ) 0.5 and sin θ y = y q sin θ x / x q. The following equation is obtained.

Figure 0005948948
従って、数１に示す式を用いると、下記の数１７に示す式が得られる。数１７に示す式において左辺の値は整数であるが、一般に右辺は整数にならない。そのため、右辺の値に一番近い整数を（ｍｑｘ，ｍｑｙ）として、これを座標（ｘｑ，ｙｑ，ｚ）に回折光を発生させる回折光学素子の次数に対応させる。
Figure 0005948948
 Therefore, when the equation shown in Equation 1 is used, the following Equation 17 is obtained. In the equation shown in Equation 17, the value on the left side is an integer, but generally the right side is not an integer. Therefore, the integer closest to the value on the right side is (m qx , m qy ), and this is made to correspond to the order of the diffractive optical element that generates diffracted light at the coordinates (x q , y q , z).

Figure 0005948948
上記の計算をＭ個の点に対して行うことで、スポット分布における各スポットの座標群（ｘｑ，ｙｑ）（ｑ＝１〜Ｍ）に対応する回折次数の組み合わせ（ｍｑｘ，ｍｑｙ）（ｑ＝１〜Ｍ）を得ることができる。
Figure 0005948948
 By performing the above calculation on M points, a combination of diffraction orders (m qx , m qy corresponding to the coordinate group (x q , y q ) (q = 1 to M) of each spot in the spot distribution. ) (Q = 1 to M).

以上により、所定の光スポットの分布を有する本実施の形態における回折光学素子を得ることができる。これにより、本実施の形態における回折光学素子では、投影面において光スポットの分布をより均一なものにできる。   As described above, the diffractive optical element according to the present embodiment having a predetermined light spot distribution can be obtained. Thereby, in the diffractive optical element according to the present embodiment, the light spot distribution can be made more uniform on the projection surface.

（光スポットの光量）
次に、投影面における各々の光スポットの光量差を少なくする方法について説明する。前述したように、通常の回折光学素子の投影面においては、周辺部の光スポットの光量は中心領域の光スポットの光量よりも低くなる。このため、周辺部は中心領域よりも全体的に暗くなってしまう。 (Light intensity of the light spot)
Next, a method for reducing the light amount difference between the light spots on the projection surface will be described. As described above, on the projection surface of a normal diffractive optical element, the light amount of the light spot in the peripheral portion is lower than the light amount of the light spot in the central region. For this reason, the peripheral part becomes darker overall than the central region.

このことについて検討を行なったところ、特に、回折角度θｄの値が１５°以上となる領域において、回折光学素子から出射される回折光の光強度が、回折角度が大きくなるに従い、低くなる傾向にあるという知見を得るに至った。即ち、回折角度が大きな領域では、実際の光量が設計値よりも低くなるのである。これは、数１３に示す式を導くために用いた数１１に示すフラウンホーハー近似式が近軸領域において成立し、回折角度の値が大きい場合には十分には近似されず、回折角度が大きくなるに従い、ずれが大きくなるためと考えられる。また、回折角度が大きな回折光は、回折光学素子に形成された凹凸パターンの微細な形状により大きな影響を受けやすく、通常の製造プロセス等においては、回折角度が大きい高い次数の回折光に対応した回折光学素子を正確に作製することが困難であるためとも考えられる。   As a result of investigations, particularly in the region where the value of the diffraction angle θd is 15 ° or more, the light intensity of the diffracted light emitted from the diffractive optical element tends to decrease as the diffraction angle increases. I came to know that there is. That is, in the region where the diffraction angle is large, the actual light amount is lower than the design value. This is because the Fraunhofer approximation equation shown in Equation 11 used to derive the equation shown in Equation 13 is established in the paraxial region and is not sufficiently approximated when the value of the diffraction angle is large, and the diffraction angle becomes large. This is considered to be due to the larger deviation. In addition, diffracted light with a large diffraction angle is easily affected by the fine shape of the concavo-convex pattern formed on the diffractive optical element, and corresponds to high-order diffracted light with a large diffraction angle in normal manufacturing processes. It is also considered that it is difficult to accurately manufacture the diffractive optical element.

本実施の形態における回折光学素子では、原点からの距離（ｍｘ ２＋ｍｙ ２）０．５が大きくなるに従って、次数（ｍｘ、ｍｙ）における回折光の光スポットの光強度が高くなるように基本ユニットを設計し回折光学素子を作製した。 In the diffractive optical element of this embodiment, as the distance from the origin (m x 2 + m y 2 ) 0.5 increases, the higher the light intensity of the light spot of the diffracted light in order (m x, m y) Thus, the basic unit was designed to produce a diffractive optical element.

ここで、回折光の光強度と次数（ｍｘ、ｍｙ）との関係は、次数の増加に伴い回折光の光強度が増加すればよく、直線的であってもよく、曲線的であってもよい。 Here, the light intensity and the order (m x, m y) of the diffracted light relationship with, may be increased light intensity of the diffracted light with increasing orders, it may be linear, a curved May be.

ここで実際の素子から設計における回折光分布を求める方法について述べる。回折光学素子の製造工程においては、加工等における製造バラツキにより回折光学素子の形状が設計で想定した形状に対して複雑になる場合があるが、このような場合には、回折光学素子の基本ユニットの凹凸形状を近似するのに十分な大きさの計算領域を確保して位相分布を近似すればよい。このように近似を行った位相分布を設計の位相分布としてフーリエ変換を行うことで設計における回折光の強度分布を求めることができる。計算機等を用いてフーリエ変換を行う場合、２のべき乗のメッシュで近似された位相分布を計算領域として用いると、高速フーリエ変換アルゴリズムを用いることができ計算が高速化されるため、２のべき乗で位相分布を近似するとよい。   Here, a method for obtaining the diffracted light distribution in the design from an actual element will be described. In the manufacturing process of the diffractive optical element, the shape of the diffractive optical element may be complicated with respect to the shape assumed in the design due to manufacturing variations in processing or the like. In such a case, the basic unit of the diffractive optical element is used. The phase distribution may be approximated by securing a sufficiently large calculation region to approximate the uneven shape. The intensity distribution of the diffracted light in the design can be obtained by performing Fourier transform using the phase distribution thus approximated as the design phase distribution. When a Fourier transform is performed using a computer or the like, if a phase distribution approximated by a power-of-two mesh is used as a calculation region, a fast Fourier transform algorithm can be used and the calculation is speeded up. It is good to approximate the phase distribution.

以上により、本実施の形態における回折光学素子では、中心部における回折光の光スポットの光量と周辺部における回折光の光スポットの光量との差を少なくできるため、中心部と周辺部とにおいて光スポットの光量をより均一にできる。   As described above, in the diffractive optical element according to the present embodiment, the difference between the light amount of the diffracted light spot in the central portion and the light amount of the diffracted light spot in the peripheral portion can be reduced. The amount of light in the spot can be made more uniform.

以下、実施例として回折光学素子について説明する。尚、実施例における回折光学素子では、透明基板３２として石英基板を用いており、波長が８１０〜８５０ｎｍの範囲の光における石英基板の屈折率は、１．４５４であるものとする。また、実施例における回折光学素子により生じる光スポットには、０次回折光（０次光）は含まれないものとする。   Hereinafter, a diffractive optical element will be described as an example. In the diffractive optical element in the embodiment, a quartz substrate is used as the transparent substrate 32, and the refractive index of the quartz substrate in light having a wavelength in the range of 810 to 850 nm is 1.454. In addition, it is assumed that the light spot generated by the diffractive optical element in the embodiment does not include 0th-order diffracted light (0th-order light).

（実施例１）
実施例１の回折光学素子について、図５に基づき説明する。図５（ａ）は、本実施例における回折光学素子３０により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子３０より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、本実施例における回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−１６０次〜１６０次、Ｙ方向に−１２０次〜１２０次の間に分布している。図５（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、本実施例の回折光学素子３０に波長８１０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図５（ｃ）は、本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１を示す。この基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。尚、図５（ｃ）等に示される基本ユニット３１における位相分布については、３２値を濃淡のトーンで示している。 Example 1
The diffractive optical element of Example 1 will be described with reference to FIG. FIG. 5A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in this embodiment, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is substantially equidistant from the diffractive optical element 30. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in the present embodiment (m x, m y). This diffracted light is distributed between −160th order to 160th order in the X direction and −120th order to 120th order in the Y direction. FIG. 5B shows a light spot distribution obtained by projecting the diffracted light onto a plane, and the light of the diffracted light on the projection surface obtained when light having a wavelength of 810 nm is incident on the diffractive optical element 30 of the present embodiment. A spot pattern is shown. FIG. 5C shows the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in this embodiment. The phase distribution in the basic unit 31 is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values. Incidentally, regarding the phase distribution in the basic unit 31 shown in FIG. 5C and the like, 32 values are shown by light and dark tones.

図５（ｃ）に示される位相分布を有する基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが３７８．９μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが３６８．４μｍのものであり、本実施例における回折光学素子３０は、この基本ユニット３１が４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５７．６ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが５７．６ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。このようにして、波長が８１０ｎｍの光において、Ｘ方向における最大の回折角度が２０°、Ｙ方向における最大の回折角度が１５．３°、対角方向の角度が２４．５°となる本実施例における回折光学素子３０を作製する。 The basic unit 31 having the phase distribution shown in FIG. 5C has a pitch P x in the X-axis direction of 378.9 μm and a pitch P y in the Y-axis direction of 368.4 μm. In the optical element 30, the basic unit 31 is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 57.6 nm. Specifically, a step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE (Reactive Ion Etching) is repeated a plurality of times, so that one step is formed on the surface of the quartz substrate 32. A concavo-convex pattern having 32 steps with a height of 57.6 nm is formed. In this way, in the light having a wavelength of 810 nm, the maximum diffraction angle in the X direction is 20 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 15.3 °, and the diagonal angle is 24.5 °. The diffractive optical element 30 in the example is produced.

図５（ｂ）は、前述のとおり、本実施例における回折光学素子３０に、波長８１０ｎｍの光を入射させることにより投影面上に生じる回折光の光スポットの分布を示す。図５（ｂ）において、破線で示される範囲の投影範囲内では、８０×６０の光スポットが略規則的に配列されている。尚、破線で示される範囲は、投影面を回折光学素子３０から１ｍ離れた位置のＸＹ面に平行に設置した場合において、投影面におけるＸ軸方向が−３６３ｍｍ〜３６３ｍｍ、Ｙ軸方向が−２７３ｍｍ〜２７３ｍｍの範囲となる。ここで、この破線で示される範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、破線で示される範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが４９、Ｍｏが５１、Ｍｍａｘが６３、Ｍｍｉｎが４８であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は１．０４１であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．７６２であり、数２〜数４、数６に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、破線で示される範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができる。 FIG. 5B shows the light spot distribution of the diffracted light generated on the projection surface when the light having a wavelength of 810 nm is incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, as described above. In FIG. 5B, 80 × 60 light spots are arranged approximately regularly within the projection range indicated by the broken line. Note that the range indicated by the broken line indicates that the X-axis direction on the projection plane is −363 mm to 363 mm and the Y-axis direction is −273 mm when the projection plane is installed in parallel to the XY plane at a position 1 m away from the diffractive optical element 30. It is in the range of 273 mm. Here, the number of light spots included in each of the regions indicated by the broken lines is divided into nine parts in the X-axis direction and nine parts in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the range indicated by the broken lines into 81 parts. Measure. In the diffractive optical element 30 in this example, the values of M c , M o , M max , and M min were 49 for M c , 51 for M o , 63 for M max , and 48 for M min . The value of M o / M c obtained based on this is 1.041, and the value of M min / M max is 0.762, which is within the range of the equations shown in Equations 2 to 4, and 6. . Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the range indicated by the broken line.

（実施例２）
実施例２の回折光学素子について、図６に基づき説明する。図６（ａ）は、本実施例における回折光学素子３０により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子３０より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、本実施例における回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−１２１次〜１２０次、Ｙ方向に−９１次〜９０次の間に分布している。図６（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、本実施例の回折光学素子３０に波長８１０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図６（ｃ）は、本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１を示す。この基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 (Example 2)
The diffractive optical element of Example 2 will be described with reference to FIG. FIG. 6A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in this embodiment, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is approximately equidistant from the diffractive optical element 30. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in the present embodiment (m x, m y). This diffracted light is distributed between the −121st order to the 120th order in the X direction and the −91st order to the 90th order in the Y direction. FIG. 6B shows a light spot distribution obtained by projecting this diffracted light onto a plane, and the light of the diffracted light on the projection surface obtained when light having a wavelength of 810 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this embodiment. A spot pattern is shown. FIG. 6C shows a basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in the present embodiment. The phase distribution in the basic unit 31 is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

図６（ｃ）に示される位相分布を有する基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが２８４．２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが２７８μｍのものであり、本実施例における回折光学素子３０は、この基本ユニット３１が４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５７．６ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが５７．６ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。このようにして、波長が８１０ｎｍの光において、Ｘ方向における最大の回折角度が２０°、Ｙ方向における最大の回折角度が１５．２°、対角方向の角度が２４．４°となる本実施例における回折光学素子３０を作製する。 The basic unit 31 having the phase distribution shown in FIG. 6C has a pitch P x in the X-axis direction of 284.2 μm and a pitch P y in the Y-axis direction of 278 μm. In the reference numeral 30, the basic unit 31 is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 57.6 nm. Specifically, the step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate 32 is 57. An uneven pattern having 32 steps of 6 nm is formed. In this way, in the light having a wavelength of 810 nm, the maximum diffraction angle in the X direction is 20 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 15.2 °, and the diagonal angle is 24.4 °. The diffractive optical element 30 in the example is produced.

図６（ｂ）は、前述のとおり、本実施例における回折光学素子３０に、波長８１０ｎｍの光を入射させることにより投影面上に生じる回折光の光スポットの分布を示す。図６（ｂ）において、破線で示される範囲の投影範囲内では、１１５５の光スポットが分布している。尚、破線で示される範囲は、投影面を回折光学素子３０から１ｍ離れた位置のＸＹ面に平行に設置した場合において、投影面におけるＸ軸方向が−３６３ｍｍ〜３６３ｍｍ、Ｙ軸方向が−２７１ｍｍ〜２７１ｍｍの範囲となる。ここで、この破線で示される範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、破線で示される範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１４、Ｍｏが１４．８、Ｍｍａｘが２３、Ｍｍｉｎが８であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は１．０５７であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．３４８であり、数２及び数３に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、破線で示される範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができる。 FIG. 6B shows a light spot distribution of diffracted light generated on the projection surface when light having a wavelength of 810 nm is incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, as described above. In FIG. 6B, 1155 light spots are distributed within the projection range indicated by the broken line. Note that the range indicated by the broken line indicates that when the projection plane is installed in parallel to the XY plane at a position 1 m away from the diffractive optical element 30, the X-axis direction on the projection plane is −363 mm to 363 mm, and the Y-axis direction is −271 mm. It is in the range of ˜271 mm. Here, the number of light spots included in each of the regions indicated by the broken lines is divided into nine parts in the X-axis direction and nine parts in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the range indicated by the broken lines into 81 parts. Measure. In the diffractive optical element 30 of the present example, the values of M c , M o , M max , and M min were M c of 14, M o of 14.8, M max of 23, and M min of 8. The value of M o / M c obtained based on this is 1.057, and the value of M min / M max is 0.348, which is within the range of the equations shown in Equations 2 and 3. Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the range indicated by the broken line.

（実施例３）
実施例３の回折光学素子について、図７に基づき説明する。図７（ａ）は、本実施例における回折光学素子３０により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子３０より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、本実施例における回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−３２０次〜３２０次、Ｙ方向に−２４０次〜２４０次の間に分布している。図７（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、本実施例の回折光学素子３０に波長８３０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図７（ｃ）は、本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１を示す。この基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 Example 3
The diffractive optical element of Example 3 will be described with reference to FIG. FIG. 7A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in this embodiment, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is substantially equidistant from the diffractive optical element 30. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in the present embodiment (m x, m y). This diffracted light is distributed between −320th order to 320th order in the X direction and −240th order to 240th order in the Y direction. FIG. 7B shows a light spot distribution obtained by projecting this diffracted light onto a plane, and the light of the diffracted light on the projection surface obtained when light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this embodiment. A spot pattern is shown. FIG. 7C shows the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in the present embodiment. The phase distribution in the basic unit 31 is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

図７（ｃ）に示される位相分布を有する基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが５３１．２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが４９９．６μｍのものであり、本実施例における回折光学素子３０は、この基本ユニット３１が４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５９ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが５９ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。このようにして、波長が８３０ｎｍの光において、Ｘ方向における最大の回折角度が３０°、Ｙ方向における最大の回折角度が２３．５°、対角方向の角度が３５．９°となる本実施例における回折光学素子３０を作製する。 Basic unit 31 with a phase distribution shown in FIG. 7 (c), the pitch P x is 531.2μm in the X-axis direction is intended pitch P y is 499.6μm in the Y-axis direction, the diffraction in the present embodiment In the optical element 30, the basic unit 31 is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 59 nm. Specifically, a step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate 32 is 59 nm. A concavo-convex pattern having 32 steps is formed. Thus, in the light having a wavelength of 830 nm, the maximum diffraction angle in the X direction is 30 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 23.5 °, and the diagonal angle is 35.9 °. The diffractive optical element 30 in the example is produced.

図７（ｂ）は、前述のとおり、本実施例における回折光学素子３０に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより投影面上に生じる回折光の光スポットの分布を示す。図７（ｂ）において、破線で示される範囲の投影範囲内では、２００×１５０の光スポットが略規則的に配列されている。尚、破線で示される範囲は、投影面を回折光学素子３０から１ｍ離れた位置のＸＹ面に平行に設置した場合において、投影面におけるＸ軸方向が−５７７ｍｍ〜５７７ｍｍ、Ｙ軸方向が−４３３ｍｍ〜４３３ｍｍの範囲となる。ここで、この破線で示される範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、破線で示される範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが３５３、Ｍｏが３５７、Ｍｍａｘが３７８、Ｍｍｉｎが３４６であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は１．０１１であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．９１５であり、数２〜数６に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、破線で示される範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができる。 FIG. 7B shows the distribution of the light spot of the diffracted light generated on the projection surface when the light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, as described above. In FIG. 7B, 200 × 150 light spots are arranged approximately regularly within the projection range indicated by the broken line. The range indicated by the broken line indicates that the X-axis direction on the projection plane is −577 mm to 577 mm and the Y-axis direction is −433 mm when the projection plane is installed in parallel to the XY plane at a position 1 m away from the diffractive optical element 30. It is in the range of ˜433 mm. Here, the number of light spots included in each of the regions indicated by the broken lines is divided into nine parts in the X-axis direction and nine parts in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the range indicated by the broken lines into 81 parts. Measure. In the diffractive optical element 30 of the present example, the values of M c , M o , M max , and M min were M c 353, M o 357, M max 378, and M min 346. The value of M o / M c obtained based on this is 1.011, and the value of M min / M max is 0.915, which is within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the range indicated by the broken line.

（実施例４）
実施例４の回折光学素子について、図８に基づき説明する。図８（ａ）は、本実施例における回折光学素子３０により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子３０より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、本実施例における回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−４０１次〜４００次、Ｙ方向に−３０１次〜３００次の間に分布している。図８（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、本実施例の回折光学素子３０に波長８３０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図８（ｃ）は、本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１を示す。この基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 Example 4
The diffractive optical element of Example 4 will be described with reference to FIG. FIG. 8A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in this embodiment, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is substantially equidistant from the diffractive optical element 30. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in the present embodiment (m x, m y). The diffracted light is distributed between −401st to 400th order in the X direction and −301st to 300th order in the Y direction. FIG. 8B shows a distribution of light spots obtained by projecting the diffracted light onto a plane, and the light of the diffracted light on the projection surface obtained when light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of the present embodiment. A spot pattern is shown. FIG. 8C shows the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in the present embodiment. The phase distribution in the basic unit 31 is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

図８（ｃ）に示される位相分布を有する基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが６６４μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが６２４．５μｍのものであり、本実施例における回折光学素子３０は、この基本ユニット３１が４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５９ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが５９ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。このようにして、波長が８３０ｎｍの光において、Ｘ方向における最大の回折角度が３０°、Ｙ方向における最大の回折角度が２３．５°、対角方向の角度が３５．９°となる本実施例における回折光学素子３０を作製する。 The basic unit 31 having the phase distribution shown in FIG. 8C has a pitch P x in the X-axis direction of 664 μm and a pitch P y in the Y-axis direction of 624.5 μm. In the reference numeral 30, the basic unit 31 is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 59 nm. Specifically, a step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate 32 is 59 nm. A concavo-convex pattern having 32 steps is formed. Thus, in the light having a wavelength of 830 nm, the maximum diffraction angle in the X direction is 30 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 23.5 °, and the diagonal angle is 35.9 °. The diffractive optical element 30 in the example is produced.

図８（ｂ）は、前述のとおり、本実施例における回折光学素子３０に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより投影面上に生じる回折光の光スポットの分布を示すものである。図８（ｂ）において、破線で示される範囲の投影範囲内では、９８８７の光スポットが分布している。尚、破線で示される範囲は、投影面を回折光学素子３０から１ｍ離れた位置のＸＹ面に平行に設置した場合において、投影面におけるＸ軸方向が−５７７ｍｍ〜５７７ｍｍ、Ｙ軸方向が−４３３ｍｍ〜４３３ｍｍの範囲となる。ここで、この破線で示される範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、破線で示される範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。本実施例における回折光学素子では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１２８、Ｍｏが１２９．５、Ｍｍａｘが１５４、Ｍｍｉｎが９５であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は１．０１１であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．６１７であり、数２〜数５に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、破線で示される範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができる。 FIG. 8B shows the distribution of the light spot of the diffracted light generated on the projection surface when light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, as described above. In FIG. 8B, 9887 light spots are distributed within the projection range indicated by the broken line. The range indicated by the broken line indicates that the X-axis direction on the projection plane is −577 mm to 577 mm and the Y-axis direction is −433 mm when the projection plane is installed in parallel to the XY plane at a position 1 m away from the diffractive optical element 30. It is in the range of ˜433 mm. Here, the number of light spots included in each of the regions indicated by the broken lines is divided into nine parts in the X-axis direction and nine parts in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the range indicated by the broken lines into 81 parts. Measure. In the diffractive optical element in this example, the values of M c , M o , M max , and M min were 128 as M c , 129.5 as M o , 154 as M max , and 95 as M min . The value of M o / M c obtained based on this is 1.011, and the value of M min / M max is 0.617, which is within the range of the equations shown in Equations 2 to 5. Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the range indicated by the broken line.

（実施例５）
実施例５の回折光学素子について、図９に基づき説明する。図９（ａ）は、本実施例における回折光学素子３０により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子３０より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、本実施例における回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−３２１次〜３２０次、Ｙ方向に−２４１次〜２４０次の間に分布している。図９（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、本実施例の回折光学素子３０に波長８５０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図９（ｃ）は、本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１を示す。この基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 (Example 5)
The diffractive optical element of Example 5 will be described with reference to FIG. FIG. 9A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in this embodiment, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is substantially equidistant from the diffractive optical element 30. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 in the present embodiment (m x, m y). The diffracted light is distributed between the −321st order to the 320th order in the X direction and the −241st order to the 240th order in the Y direction. FIG. 9B shows the distribution of the light spot obtained by projecting this diffracted light onto a plane, and the light of the diffracted light on the projection surface obtained when light having a wavelength of 850 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this embodiment. A spot pattern is shown. FIG. 9C shows a basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in the present embodiment. The phase distribution in the basic unit 31 is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

図９（ｃ）に示される位相分布を有する基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが４２３．２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが３８３．９μｍのものであり、本実施例における回折光学素子３０は、この基本ユニット３１が４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが６０．４ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが６０．４ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。このようにして、波長が８５０ｎｍの光において、Ｘ方向における最大の回折角度が４０°、Ｙ方向における最大の回折角度が３２．１°、対角方向の角度が４６．３°となる本実施例における回折光学素子３０を作製する。 Basic unit 31 with a phase distribution shown in FIG. 9 (c), the pitch P x is 423.2μm in the X-axis direction is intended pitch P y is 383.9μm in the Y-axis direction, the diffraction in the present embodiment In the optical element 30, the basic unit 31 is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 60.4 nm. Specifically, the step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate 32 is 60. An uneven pattern having 32 steps of 4 nm is formed. In this way, in the light having a wavelength of 850 nm, the maximum diffraction angle in the X direction is 40 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 32.1 °, and the diagonal angle is 46.3 °. The diffractive optical element 30 in the example is produced.

図９（ｂ）は、前述のとおり、本実施例における回折光学素子３０に、波長８５０ｎｍの光を入射させることにより投影面上に生じる回折光の光スポットの分布を示す。図９（ｂ）において、破線で示される範囲の投影範囲内では、２９７２０の光スポットが分布している。尚、破線で示される範囲は、投影面を回折光学素子３０から１ｍ離れた位置のＸＹ面に平行に設置した場合において、投影面におけるＸ軸方向が−８３９ｍｍ〜８３９ｍｍ、Ｙ軸方向が−６２７ｍｍ〜６２７ｍｍの範囲となる。ここで、この破線で示される範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、破線で示される範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが３６０、Ｍｏが３６９．３、Ｍｍａｘが３９６、Ｍｍｉｎが３４３であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は１．０２６であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．８６６であり、数２〜数６に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、破線で示される範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができる。 FIG. 9B shows the distribution of the light spot of the diffracted light generated on the projection surface when light having a wavelength of 850 nm is incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, as described above. In FIG. 9B, 29720 light spots are distributed within the projection range indicated by the broken line. The range indicated by the broken line indicates that the X-axis direction on the projection plane is −839 mm to 839 mm and the Y-axis direction is −627 mm when the projection plane is installed in parallel to the XY plane at a position 1 m away from the diffractive optical element 30. It is in the range of ˜627 mm. Here, the number of light spots included in each of the regions indicated by the broken lines is divided into nine parts in the X-axis direction and nine parts in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the range indicated by the broken lines into 81 parts. Measure. In the diffractive optical element 30 in the present example, the values of M c , M o , M max , and M min were M c of 360, M o of 369.3, M max of 396, and M min of 343. The value of M o / M c obtained based on this is 1.026, and the value of M min / M max is 0.866, which is within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the range indicated by the broken line.

（実施例６）
実施例６の回折光学素子について説明する。本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、８値の位相値を有している。 (Example 6)
A diffractive optical element according to Example 6 will be described. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in the present embodiment is calculated by an iterative Fourier transform method and has eight phase values.

本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが５１２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが５１８μｍのものであり、この基本ユニット３１を５ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置した。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが３３５ｎｍとなるように形成した。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが３３５ｎｍとなる８段の段数を有する凹凸パターンを形成した。 Basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in this embodiment, the pitch P x is 512μm in the X-axis direction is intended pitch P y is 518μm in the Y-axis direction, the base unit 31 to 5 mm × 4 mm in the area Arranged two-dimensionally. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 335 nm. Specifically, the step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate 32 is 335 nm. The uneven | corrugated pattern which has the number of steps of 8 steps was formed.

本実施例における回折光学素子３０に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子３０から４５０ｍｍ離れた位置に設置された投影面における、Ｘ方向に２９．５°、Ｙ方向に２３．４°、対角方向の角度が３５．５°となる投影範囲内に、２４５７９の光スポットを分布させた。上述の投影範囲における回折次数はＸ方向で−３０３次〜３０３次、Ｙ方向で−２４７次〜２４７次であった。ここで、この投影範囲をＸ軸方向に１７分割及びＹ軸方向に１３分割した領域、即ち、投影範囲を２２１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測した。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１２０、Ｍｏが１１１、Ｍｍａｘが１２９、Ｍｍｉｎが９６であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は０．９２５であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．７４４であり、数２〜数６に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、投影範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができた。 By making light having a wavelength of 830 nm incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, 29.5 ° in the X direction and 23. 23 in the Y direction on the projection plane installed at a position 450 mm away from the diffractive optical element 30. 24579 light spots were distributed within a projection range of 4 ° and a diagonal angle of 35.5 °. The diffraction orders in the projection range described above were -303 to 303 in the X direction and -247 to 247 in the Y direction. Here, the number of light spots included in each of the regions obtained by dividing the projection range into 17 divisions in the X-axis direction and 13 divisions in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the projection range into 221 was measured. In the diffractive optical element 30 in this example, the values of M c , M o , M max , and M min were M c of 120, M o of 111, M max of 129, and M min of 96. The value of M o / M c obtained based on this is 0.925, and the value of M min / M max is 0.744, which is within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the projection range.

尚、本実施例では、各々の光スポットの光強度は略均一なものとして設計し作製されているが、投影範囲の中心領域における光強度を１とした場合に、周辺領域における光強度は０．４３であった。このＭｏの値の算出に用いた周辺領域は、投影範囲の４隅であり、回折角の最も低いところで、３１．７°であり、回折角度が１５°以上、更には、３０°以上となる領域である。実施例６における回折光学素子の位相分布をフーリエ変換することにより回折光の強度を求め、この回折光の強度を回折光の平均によって規格化し、回折角度に対する傾きを調べたところ、０．００１３であった。 In this embodiment, the light intensity of each light spot is designed and manufactured to be substantially uniform. However, when the light intensity in the central area of the projection range is 1, the light intensity in the peripheral area is 0. .43. Peripheral region used for calculating the value of the M o is the four corners of the projection range, the lowest at the diffraction angle is 31.7 °, the diffraction angle is 15 ° or more, more, and more than 30 ° It is an area. The intensity of the diffracted light was obtained by Fourier transforming the phase distribution of the diffractive optical element in Example 6, the intensity of this diffracted light was normalized by the average of the diffracted light, and the inclination with respect to the diffraction angle was examined. there were.

（実施例７）
実施例７の回折光学素子について説明する。本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、８値の位相値を有している。 (Example 7)
A diffractive optical element according to Example 7 will be described. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in the present embodiment is calculated by an iterative Fourier transform method and has eight phase values.

本実施例における回折光学素子３０の基本ユニット３１は、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが５１２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが５１８μｍのものであり、この基本ユニット３１を５ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置した。本実施例における回折光学素子３０では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが３３５ｎｍとなるように形成した。具体的には、透明基板３２の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板３２の表面に１段の高さが３３５ｎｍとなる８段の段数を有する凹凸パターンを形成した。 Basic unit 31 of the diffractive optical element 30 in this embodiment, the pitch P x is 512μm in the X-axis direction is intended pitch P y is 518μm in the Y-axis direction, the base unit 31 to 5 mm × 4 mm in the area Arranged two-dimensionally. In the diffractive optical element 30 in the present embodiment, the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 is 335 nm. Specifically, the step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate 32 and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate 32 is 335 nm. The uneven | corrugated pattern which has the number of steps of 8 steps was formed.

本実施例における回折光学素子３０に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子３０から４５０ｍｍ離れた位置に設置された投影面における、Ｘ方向に２９．５°、Ｙ方向に２３．４°、対角方向の角度が３５．５°となる投影範囲内に、２４５７９の光スポットを分布させた。上述の投影範囲における回折次数はＸ方向で−３０３次〜３０３次、Ｙ方向で−２４７次〜２４７次であった。ここで、この投影範囲をＸ軸方向に１７分割及びＹ軸方向に１３分割した領域、即ち、投影範囲を２２１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測した。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１２０、Ｍｏが１１１、Ｍｍａｘが１２９、Ｍｍｉｎが９６であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は０．９２５であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．７４４であり、数２〜数６に示される式の範囲内にある。よって、本実施例における回折光学素子では、投影範囲において、より均一な光スポットの分布を得ることができた。 By making light having a wavelength of 830 nm incident on the diffractive optical element 30 in the present embodiment, 29.5 ° in the X direction and 23. 23 in the Y direction on the projection plane installed at a position 450 mm away from the diffractive optical element 30. 24579 light spots were distributed within a projection range of 4 ° and a diagonal angle of 35.5 °. The diffraction orders in the projection range described above were -303 to 303 in the X direction and -247 to 247 in the Y direction. Here, the number of light spots included in each of the regions obtained by dividing the projection range into 17 divisions in the X-axis direction and 13 divisions in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the projection range into 221 was measured. In the diffractive optical element 30 in this example, the values of M c , M o , M max , and M min were M c of 120, M o of 111, M max of 129, and M min of 96. The value of M o / M c obtained based on this is 0.925, and the value of M min / M max is 0.744, which is within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in the present embodiment, a more uniform light spot distribution can be obtained in the projection range.

尚、本実施例では、各々の光スポットの光強度は中心領域に対し周辺領域が１．６６倍となるように設計し作製されているが、投影範囲の中心領域における光強度を１とした場合に、周辺領域における光強度は０．４８であった。このＭｏの値の算出に用いた周辺領域は、投影範囲の４隅であり、回折角の最も低いところで、３１．７°であり、回折角度が１５°以上、更には、３０°以上となる領域である。実施例７における回折光学素子の位相分布をフーリエ変換することにより回折光の強度を求め、この回折光の強度を回折光の平均によって規格化し、回折角度に対する傾きを調べたところ、０．０１３５であった。 In this embodiment, the light intensity of each light spot is designed and fabricated so that the peripheral area is 1.66 times the central area, but the light intensity in the central area of the projection range is 1. In some cases, the light intensity in the peripheral region was 0.48. Peripheral region used for calculating the value of the M o is the four corners of the projection range, the lowest at the diffraction angle is 31.7 °, the diffraction angle is 15 ° or more, more, and more than 30 ° It is an area. The intensity of the diffracted light was obtained by Fourier transforming the phase distribution of the diffractive optical element in Example 7, the intensity of this diffracted light was normalized by the average of the diffracted light, and the inclination with respect to the diffraction angle was examined. there were.

（比較例１〜４）
比較例１〜４の回折光学素子について、図１０に基づき説明する。図１０（ａ）は、比較例４における回折光学素子により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、回折光学素子により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−７９次〜７９次、Ｙ方向に−５９次〜５９次の間に分布しており、８０×６０の光スポットが規則的に配列されている。図１０（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、比較例４の回折光学素子に波長８１０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図１０（ｃ）は、比較例４の回折光学素子の基本ユニットを示す。この基本ユニットにおける位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。尚、上記の内容は、比較例１〜３についても同様である。 (Comparative Examples 1-4)
The diffractive optical elements of Comparative Examples 1 to 4 will be described with reference to FIG. FIG. 10A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element in Comparative Example 4, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is approximately equidistant from the diffractive optical element. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element (m x, m y). This diffracted light is distributed between −79th to 79th order in the X direction and −59th to 59th order in the Y direction, and 80 × 60 light spots are regularly arranged. FIG. 10B shows a light spot distribution obtained by projecting this diffracted light onto a plane, and the light spot of the diffracted light on the projection surface obtained when light of a wavelength of 810 nm is incident on the diffractive optical element of Comparative Example 4. Shows the pattern. FIG. 10C shows a basic unit of the diffractive optical element of Comparative Example 4. The phase distribution in this basic unit is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values. The above contents are the same for Comparative Examples 1 to 3.

比較例１〜４の回折光学素子における基本ユニットのＸ軸方向におけるピッチＰｘ及びＹ軸方向におけるピッチＰｙを表１に示す。 The pitch P y in the pitch P x and Y-axis direction in the X-axis direction of the basic unit in the diffractive optical element in Comparative Examples 1 to 4 shown in Table 1.

Figure 0005948948
比較例１〜４における回折光学素子は、この基本ユニットが４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。比較例１〜４における回折光学素子では、透明基板の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５７．６ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板の表面に１段の高さが５７．６ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。
Figure 0005948948
 In the diffractive optical elements in Comparative Examples 1 to 4, this basic unit is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical elements in Comparative Examples 1 to 4, the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate is formed so that the height of one step is 57.6 nm. Specifically, the step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate is 57.6 nm. A concavo-convex pattern having 32 steps is formed.

このようにして作製された比較例１〜４における回折光学素子に、波長８１０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子から１ｍ離れた位置に設置された投影面における投影範囲内、即ち、破線で示される範囲内に、光スポットが発生する。尚、比較例１〜４の回折光学素子において、投影範囲のＸ方向の最小値と最大値、Ｙ方向の最小値と最大値、Ｘ方向における最大の回折角度、Ｙ方向における最大の回折角度、対角方向の角度を表２に示す。   By making light having a wavelength of 810 nm incident on the diffractive optical elements in Comparative Examples 1 to 4 manufactured in this way, the projection area on the projection plane installed at a position 1 m away from the diffractive optical element, that is, a broken line A light spot is generated within the range indicated by. In the diffractive optical elements of Comparative Examples 1 to 4, the minimum and maximum values in the X direction of the projection range, the minimum and maximum values in the Y direction, the maximum diffraction angle in the X direction, the maximum diffraction angle in the Y direction, Table 2 shows the angles in the diagonal direction.

Figure 0005948948
ここで、比較例１〜４の回折光学素子の投影範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、投影範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。表３に、比較例１〜４の回折光学素子におけるＭｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値及びＭｏ／Ｍｃの値、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値を示す。
Figure 0005948948
 Here, the light included in each of the regions obtained by dividing the projection range of the diffractive optical elements of Comparative Examples 1 to 4 into 9 divisions in the X-axis direction and 9 divisions in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the projection range into 81 divisions. Measure the number of spots. Table 3 shows the values of M c , M o , M max , M min , M o / M c , and M min / M max in the diffractive optical elements of Comparative Examples 1 to 4.

Figure 0005948948
比較例１は、最大の回折角度が小さく、対角方向の角度が１５°未満であるため、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなるといった現象は生じない。一方、比較例２〜４では、最大の回折角度が大きく、対角方向の角度が１５°以上であるため、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなっており、数２〜数６に示される式の範囲内にはない。よって、比較例２〜４における回折光学素子では、平面における投影範囲において、略均一に分布する光スポットが発生しない。
Figure 0005948948
 In Comparative Example 1, since the maximum diffraction angle is small and the diagonal angle is less than 15 °, the phenomenon that the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region does not occur. On the other hand, in Comparative Examples 2 to 4, since the maximum diffraction angle is large and the diagonal angle is 15 ° or more, the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region. -It is not in the range of the formula shown in Formula 6. Therefore, in the diffractive optical elements in Comparative Examples 2 to 4, a light spot distributed substantially uniformly does not occur in the projection range on the plane.

（比較例５）
比較例５の回折光学素子について、図１１に基づき説明する。図１１（ａ）は、比較例５における回折光学素子により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、回折光学素子により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。図１１（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、比較例５の回折光学素子に波長８１０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図１１（ｃ）は、比較例５の回折光学素子の基本ユニットを示す。この基本ユニットにおける位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 (Comparative Example 5)
The diffractive optical element of Comparative Example 5 will be described with reference to FIG. FIG. 11A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element in Comparative Example 5, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is approximately equidistant from the diffractive optical element. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element (m x, m y). FIG. 11B shows a light spot distribution obtained by projecting the diffracted light onto a plane, and the diffracted light spot on the projection surface obtained when light of a wavelength of 810 nm is incident on the diffractive optical element of Comparative Example 5. Shows the pattern. FIG. 11C shows a basic unit of the diffractive optical element of Comparative Example 5. The phase distribution in this basic unit is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

比較例５の回折光学素子における基本ユニットのＸ軸方向におけるピッチＰｘは１８７．１μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙは１８２．３μｍである。比較例５における回折光学素子は、この基本ユニットが４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。比較例５における回折光学素子では、透明基板の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５７．６ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板の表面に１段の高さが５７．６ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。 In the diffractive optical element of Comparative Example 5, the pitch P x in the X-axis direction of the basic unit is 187.1 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 182.3 μm. In the diffractive optical element in Comparative Example 5, this basic unit is two-dimensionally arranged in a 4 mm × 4 mm region. In the diffractive optical element in Comparative Example 5, the height of one step in the uneven pattern formed on the surface of the transparent substrate is 57.6 nm. Specifically, the step of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate and performing dry etching such as RIE is repeated a plurality of times, so that the height of one step on the surface of the quartz substrate is 57.6 nm. A concavo-convex pattern having 32 steps is formed.

この比較例５における回折光学素子に、波長８１０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子から１ｍ離れた位置に設置された投影面における投影範囲内、即ち、破線で示される範囲内に、１１１８の光スポットを分布させることができる。尚、投影範囲は、Ｘ軸方向が−３６３ｍｍ〜３６３ｍｍ、Ｙ軸方向が−２７１ｍｍ〜２７１ｍｍの範囲となる。また、Ｘ方向における最大の回折角度は２０°、Ｙ方向における最大の回折角度は１５．２°であり、対角方向の角度は２４．４°である。   By making light having a wavelength of 810 nm incident on the diffractive optical element in the comparative example 5, within the projection range on the projection plane installed at a position 1 m away from the diffractive optical element, that is, within the range indicated by the broken line. The light spot can be distributed. The projection range is a range of −363 mm to 363 mm in the X axis direction and a range of −271 mm to 271 mm in the Y axis direction. The maximum diffraction angle in the X direction is 20 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 15.2 °, and the diagonal angle is 24.4 °.

ここで、比較例５の回折光学素子の投影範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、投影範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。比較例５における回折光学素子のＭｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１５、Ｍｏが１１．８、Ｍｍａｘが２３、Ｍｍｉｎが６であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は０．７８７であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．２６１である。 Here, with respect to an area obtained by dividing the projection range of the diffractive optical element of Comparative Example 5 into 9 parts in the X-axis direction and 9 parts in the Y-axis direction, that is, an area obtained by dividing the projection range into 81 parts, Measure the number. The values of M c , M o , M max , and M min of the diffractive optical element in Comparative Example 5 were M c of 15, M o of 11.8, M max of 23, and M min of 6. The value of M o / M c obtained based on this is 0.787, and the value of M min / M max is 0.261.

従って、比較例５における回折光学素子では、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなっており、数２〜数６に示される式の範囲内にはない。よって、比較例５における回折光学素子では、平面における投影範囲において、略均一に分布する光スポットが発生しない。   Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 5, the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region, and is not within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 5, a light spot distributed substantially uniformly does not occur in the projection range on the plane.

（比較例６〜９）
比較例６〜９の回折光学素子について、図１２に基づき説明する。図１２（ａ）は、比較例９における回折光学素子により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、回折光学素子により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。この回折光は、Ｘ方向に−１９９次〜１９９次、Ｙ方向に−１４９次〜１４９次の間に分布しており、２００×１５０の光スポットが規則的に配列されている。図１２（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、比較例９の回折光学素子に波長８３０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図１２（ｃ）は、比較例９の回折光学素子の基本ユニットを示す。この基本ユニットにおける位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。尚、上記の内容は比較例６〜８についても同様である。 (Comparative Examples 6-9)
The diffractive optical elements of Comparative Examples 6 to 9 will be described with reference to FIG. FIG. 12A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element in Comparative Example 9, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is approximately equidistant from the diffractive optical element. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element (m x, m y). This diffracted light is distributed between the −199th order to the 199th order in the X direction and the −149th order to the 149th order in the Y direction, and 200 × 150 light spots are regularly arranged. FIG. 12B shows a light spot distribution obtained by projecting the diffracted light onto a plane, and the diffracted light spot on the projection surface obtained when light of a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element of Comparative Example 9. Shows the pattern. FIG. 12C shows a basic unit of the diffractive optical element of Comparative Example 9. The phase distribution in this basic unit is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values. The above contents are the same for Comparative Examples 6 to 8.

比較例６〜９の回折光学素子における基本ユニットのＸ軸方向におけるピッチＰｘ及びＹ軸方向におけるピッチＰｙを表１に示す。 The pitch P y in the pitch P x and Y-axis direction in the X-axis direction of the basic unit in the diffractive optical element of Comparative Example 6-9 shown in Table 1.

Figure 0005948948
比較例６〜９における回折光学素子は、この基本ユニットが４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。比較例６〜９における回折光学素子では、透明基板の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５９ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板の表面に１段の高さが５９ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。
Figure 0005948948
 In the diffractive optical elements in Comparative Examples 6 to 9, this basic unit is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. In the diffractive optical elements in Comparative Examples 6 to 9, the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate is formed so that the height of one step is 59 nm. Specifically, by repeating a process of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate and performing dry etching such as RIE a plurality of times, the height of one step on the surface of the quartz substrate becomes 59 nm 32 A concavo-convex pattern having the number of steps is formed.

このようにして作製された比較例６〜９における回折光学素子に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子から１ｍ離れた位置に設置された投影面における投影範囲内、即ち、破線で示される範囲内に、光スポットが発生する。尚、比較例６〜９の回折光学素子において、投影範囲のＸ方向の最小値と最大値、Ｙ方向の最小値と最大値、Ｘ方向における最大の回折角度、Ｙ方向における最大の回折角度、対角方向の角度を表５に示す。   By making light having a wavelength of 830 nm incident on the diffractive optical elements in Comparative Examples 6 to 9 manufactured as described above, within the projection range on the projection plane installed at a position 1 m away from the diffractive optical element, that is, a broken line A light spot is generated within the range indicated by. In the diffractive optical elements of Comparative Examples 6 to 9, the minimum and maximum values in the X direction of the projection range, the minimum and maximum values in the Y direction, the maximum diffraction angle in the X direction, the maximum diffraction angle in the Y direction, Table 5 shows the angles in the diagonal direction.

Figure 0005948948
ここで、比較例６〜９の回折光学素子の投影範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、投影範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。表６に、比較例６〜９の回折光学素子におけるＭｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値及びＭｏ／Ｍｃの値、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値を示す。
Figure 0005948948
 Here, the light included in each of the regions obtained by dividing the projection range of the diffractive optical elements of Comparative Examples 6 to 9 into 9 parts in the X-axis direction and 9 parts in the Y-axis direction, that is, the area obtained by dividing the projection range into 81 parts. Measure the number of spots. Table 6 shows values of M c , M o , M max , M min , M o / M c , and M min / M max in the diffractive optical elements of Comparative Examples 6 to 9.

Figure 0005948948
比較例６は、最大の回折角度が小さく、対角方向の角度が１５°未満であるため、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなるといった現象はあまり生じない。一方、比較例７〜９では、最大の回折角度が大きく、対角方向の角度が１５°以上であるため、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなっており、数２〜数６に示される式の範囲内にはない。よって、比較例７〜９における回折光学素子では、平面における投影範囲において、略均一に分布する光スポットが発生しない。
Figure 0005948948
 In Comparative Example 6, since the maximum diffraction angle is small and the diagonal angle is less than 15 °, the phenomenon that the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region does not occur so much. On the other hand, in Comparative Examples 7 to 9, since the maximum diffraction angle is large and the diagonal angle is 15 ° or more, the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region. -It is not in the range of the formula shown in Formula 6. Therefore, in the diffractive optical elements in Comparative Examples 7 to 9, a light spot distributed substantially uniformly does not occur in the projection range on the plane.

（比較例１０）
比較例１０の回折光学素子について、図１３に基づき説明する。図１３（ａ）は、比較例１０における回折光学素子により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、回折光学素子により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。図１３（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、比較例１０の回折光学素子に波長８３０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図１３（ｃ）は、比較例１０の回折光学素子の基本ユニットを示す。この基本ユニットにおける位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 (Comparative Example 10)
The diffractive optical element of Comparative Example 10 will be described with reference to FIG. FIG. 13A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element in Comparative Example 10, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is substantially equidistant from the diffractive optical element. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element (m x, m y). FIG. 13B shows a light spot distribution obtained by projecting the diffracted light onto a plane, and the diffracted light spot on the projection surface obtained when light of a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element of Comparative Example 10. Shows the pattern. FIG. 13C shows a basic unit of the diffractive optical element of Comparative Example 10. The phase distribution in this basic unit is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

比較例１０の回折光学素子における基本ユニットのＸ軸方向におけるピッチＰｘは５２９．５μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙは４９７．５μｍである。比較例１０における回折光学素子は、この基本ユニットが４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。比較例１０における回折光学素子では、透明基板の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが５９ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板の表面に１段の高さが５９ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。 In the diffractive optical element of Comparative Example 10, the pitch P x in the X-axis direction of the basic unit is 529.5 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 497.5 μm. In the diffractive optical element in Comparative Example 10, the basic unit is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. The diffractive optical element in Comparative Example 10 is formed so that the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate is 59 nm. Specifically, by repeating a process of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate and performing dry etching such as RIE a plurality of times, the height of one step on the surface of the quartz substrate becomes 59 nm 32 A concavo-convex pattern having the number of steps is formed.

この比較例１０における回折光学素子に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子から１ｍ離れた位置に設置された投影面における投影範囲内、即ち、破線で示される範囲内に、９２８６の光スポットを分布させることができる。尚、投影範囲は、Ｘ軸方向が−５７７ｍｍ〜５７７ｍｍ、Ｙ軸方向が−４３３ｍｍ〜４３３ｍｍの範囲となる。また、Ｘ方向における最大の回折角度は３０°、Ｙ方向における最大の回折角度は２３．５°であり、対角方向の角度は３５．９°である。   By making light having a wavelength of 830 nm incident on the diffractive optical element in Comparative Example 10, 9286 within a projection range on a projection plane installed at a position 1 m away from the diffractive optical element, that is, within a range indicated by a broken line. The light spot can be distributed. The projection range is a range of −577 mm to 577 mm in the X-axis direction and −433 mm to 433 mm in the Y-axis direction. The maximum diffraction angle in the X direction is 30 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 23.5 °, and the diagonal angle is 35.9 °.

ここで、比較例１０の回折光学素子の投影範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、投影範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。比較例１０における回折光学素子のＭｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１５５、Ｍｏが８１、Ｍｍａｘが１６４、Ｍｍｉｎが６４であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は０．５２３であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．３９である。 Here, regarding the region obtained by dividing the projection range of the diffractive optical element of Comparative Example 10 into 9 parts in the X-axis direction and 9 parts in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the projection range into 81 parts, Measure the number. The values of M c , M o , M max , and M min of the diffractive optical element in Comparative Example 10 were M c of 155, M o of 81, M max of 164, and M min of 64. The value of M o / M c obtained based on this is 0.523, and the value of M min / M max is 0.39.

従って、比較例１０における回折光学素子では、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなっており、数２〜数６に示される式の範囲内にはない。よって、比較例１０における回折光学素子では、平面における投影範囲において、略均一に分布する光スポットが発生しない。   Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 10, the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region, and is not within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 10, a light spot distributed substantially uniformly does not occur in the projection range on the plane.

（比較例１１）
比較例１１の回折光学素子について、図１４に基づき説明する。図１４（ａ）は、比較例１１における回折光学素子により生じた回折光の光スポットの分布を示し、回折光学素子より略等距離となる曲面における光スポットの分布を示す。即ち、回折光学素子により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）を示す。図１４（ｂ）は、この回折光を平面に投影した光スポットの分布を示し、比較例１１の回折光学素子に波長８５０ｎｍの光を入射させた場合に得られる投影面における回折光の光スポットのパターンを示す。図１４（ｃ）は、比較例１１の回折光学素子の基本ユニットを示す。この基本ユニットにおける位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、３２値の位相値を有している。 (Comparative Example 11)
The diffractive optical element of Comparative Example 11 will be described with reference to FIG. FIG. 14A shows the distribution of light spots of diffracted light generated by the diffractive optical element in Comparative Example 11, and shows the distribution of light spots on a curved surface that is substantially equidistant from the diffractive optical element. That is, the order of the diffracted light generated by the diffractive optical element (m x, m y). FIG. 14B shows a light spot distribution obtained by projecting the diffracted light onto a plane, and the diffracted light spot on the projection surface obtained when light having a wavelength of 850 nm is incident on the diffractive optical element of Comparative Example 11. Shows the pattern. FIG. 14C shows a basic unit of the diffractive optical element of Comparative Example 11. The phase distribution in this basic unit is calculated by an iterative Fourier transform method and has 32 phase values.

比較例１１の回折光学素子における基本ユニットのＸ軸方向におけるピッチＰｘは４２１．８μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙは３８２．３μｍである。比較例１１における回折光学素子は、この基本ユニットが４ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置されている。比較例１１における回折光学素子では、透明基板の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが６０．４ｎｍとなるように形成されている。具体的には、透明基板の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板の表面に１段の高さが６０．４ｎｍとなる３２段の段数を有する凹凸パターンを形成する。 In the diffractive optical element of Comparative Example 11, the pitch P x in the X-axis direction of the basic unit is 421.8 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 382.3 μm. In the diffractive optical element in Comparative Example 11, this basic unit is two-dimensionally arranged in an area of 4 mm × 4 mm. The diffractive optical element in Comparative Example 11 is formed so that the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate is 60.4 nm. Specifically, by repeating a process of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate and performing dry etching such as RIE a plurality of times, the height of one step on the surface of the quartz substrate becomes 60.4 nm. A concavo-convex pattern having 32 steps is formed.

この比較例１１における回折光学素子に、波長８５０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子から１ｍ離れた位置に設置された投影面における投影範囲内、即ち、破線で示される範囲内に、２６８３６の光スポットを分布させることができる。尚、投影範囲は、Ｘ軸方向が−８３９ｍｍ〜８３９ｍｍ、Ｙ軸方向が−６２７ｍｍ〜６２７ｍｍの範囲となる。また、Ｘ方向における最大の回折角度は４０°、Ｙ方向における最大の回折角度は３２．１°であり、対角方向の角度は４６．３°である。   By making light having a wavelength of 850 nm incident on the diffractive optical element in Comparative Example 11, within the projection range on the projection plane installed at a position 1 m away from the diffractive optical element, that is, within the range indicated by the broken line. The light spot can be distributed. Note that the projection range is a range of −839 mm to 839 mm in the X-axis direction and −627 mm to 627 mm in the Y-axis direction. The maximum diffraction angle in the X direction is 40 °, the maximum diffraction angle in the Y direction is 32.1 °, and the diagonal angle is 46.3 °.

ここで、比較例１１の回折光学素子の投影範囲をＸ軸方向に９分割及びＹ軸方向に９分割した領域、即ち、投影範囲を８１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測する。比較例１１における回折光学素子のＭｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが５５８、Ｍｏが１７１．５、Ｍｍａｘが５５８、Ｍｍｉｎが１６２であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は０．３０７であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．２９である。 Here, with respect to a region in which the projection range of the diffractive optical element of Comparative Example 11 is divided into 9 parts in the X-axis direction and 9 parts in the Y-axis direction, that is, a region in which the projection range is divided into 81 parts, Measure the number. The values of M c , M o , M max , and M min of the diffractive optical element in Comparative Example 11 were M c of 558, M o of 171.5, M max of 558, and M min of 162. The value of M o / M c obtained based on this is 0.307, and the value of M min / M max is 0.29.

従って、比較例１１における回折光学素子では、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなっており、数２〜数６に示される式の範囲内にはない。よって、比較例１１における回折光学素子では、平面における投影範囲において、略均一に分布する光スポットを分布させることができない。   Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 11, the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region, and is not within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, the diffractive optical element in Comparative Example 11 cannot distribute light spots that are distributed substantially uniformly in the projection range on the plane.

（比較例１２）
比較例１２の回折光学素子について説明する。比較例１２における回折光学素子の基本ユニットにおける位相分布は、反復フーリエ変換法により計算され、８値の位相値を有している。 (Comparative Example 12)
The diffractive optical element of Comparative Example 12 will be described. The phase distribution in the basic unit of the diffractive optical element in Comparative Example 12 is calculated by an iterative Fourier transform method and has eight phase values.

比較例１２における回折光学素子の基本ユニットは、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが５１２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが５１８μｍのものであり、比較例１２における回折光学素子は、この基本ユニットを５ｍｍ×４ｍｍの領域内に２次元的に配置した。比較例１２における回折光学素子では、透明基板３２の表面に形成される凹凸パターンにおける１段の高さが３４０ｎｍとなるように形成した。具体的には、透明基板の表面上に、レジストパターンを形成してＲＩＥ等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して行うことにより、石英基板の表面に１段の高さが３４０ｎｍとなる８段の段数を有する凹凸パターンを形成した。 Basic unit of the diffractive optical element in Comparative Example 12 is intended pitch P y is 518μm pitch P x in the X-axis direction 512Myuemu, in the Y-axis direction, the diffractive optical element in Comparative Example 12, 5 mm the basic unit It was arranged two-dimensionally within a region of × 4 mm. The diffractive optical element in Comparative Example 12 was formed so that the height of one step in the concavo-convex pattern formed on the surface of the transparent substrate 32 was 340 nm. Specifically, by repeating a process of forming a resist pattern on the surface of the transparent substrate and performing dry etching such as RIE a plurality of times, the height of one step on the surface of the quartz substrate becomes 340 nm. A concavo-convex pattern having the number of steps was formed.

比較例１２における回折光学素子に、波長８３０ｎｍの光を入射させることにより、回折光学素子から４５０ｍｍ離れた位置に設置された投影面における、Ｘ方向に２９．５°、Ｙ方向に２３．４°、対角方向の角度が３５．５°となる投影範囲内に、２３４９９の光スポットを分布させた。上述の投影範囲における回折次数はＸ方向で−３０３次〜３０３次、Ｙ方向で−２４７次〜２４７次であった。ここで、この投影範囲をＸ軸方向に１７分割及びＹ軸方向に１３分割した領域、即ち、投影範囲を２２１分割した領域について、各々の領域に含まれる光スポットの数を計測した。本実施例における回折光学素子３０では、Ｍｃ、Ｍｏ、Ｍｍａｘ、Ｍｍｉｎの値は、Ｍｃが１５０、Ｍｏが６４．８、Ｍｍａｘが１５３、Ｍｍｉｎが６０であった。これに基づき得られるＭｏ／Ｍｃの値は０．４３２であり、Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘの値は０．３９２であった。 By making light having a wavelength of 830 nm incident on the diffractive optical element in Comparative Example 12, 29.5 ° in the X direction and 23.4 ° in the Y direction on the projection surface installed at a position 450 mm away from the diffractive optical element. The light spot of 23499 was distributed within the projection range in which the angle in the diagonal direction was 35.5 °. The diffraction orders in the projection range described above were -303 to 303 in the X direction and -247 to 247 in the Y direction. Here, the number of light spots included in each of the regions obtained by dividing the projection range into 17 divisions in the X-axis direction and 13 divisions in the Y-axis direction, that is, the region obtained by dividing the projection range into 221 was measured. In the diffractive optical element 30 in this example, the values of M c , M o , M max , and M min were 150 for M c , 64.8 for M o , 153 for M max , and 60 for M min . The value of M o / M c obtained based on this was 0.432, and the value of M min / M max was 0.392.

従って、比較例１２における回折光学素子では、光スポットの数が中心領域よりも周辺領域の方が少なくなっており、数２〜数６に示される式の範囲内にはない。よって、比較例１２における回折光学素子では、平面における投影範囲において、略均一に分布する光スポットを分布させることができない。   Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 12, the number of light spots is smaller in the peripheral region than in the central region, and is not within the range of the equations shown in Equations 2 to 6. Therefore, in the diffractive optical element in Comparative Example 12, it is not possible to distribute light spots that are substantially uniformly distributed in the projection range on the plane.

尚、比較例１２では、各々の光スポットの光強度が略均一なものとして設計し作製されているが、投影範囲の中心領域の領域における光強度を１とした場合に、周辺領域における光強度は０．２３であった。このＭｏの値の算出に用いた周辺領域は、投影範囲の４隅であり、回折角の最も低いところで、３１．７°であり、回折角度が１５°以上、更には、３０°以上となる領域である。比較例１２における回折光学素子の位相分布をフーリエ変換することにより回折光の強度を求め、この回折光の強度を回折光の平均によって規格化し、回折角度に対する傾きを調べたところ、０．００１１であった。 In Comparative Example 12, the light intensity of each light spot is designed and manufactured to be substantially uniform. However, when the light intensity in the central region of the projection range is 1, the light intensity in the peripheral region is Was 0.23. Peripheral region used for calculating the value of the M o is the four corners of the projection range, the lowest at the diffraction angle is 31.7 °, the diffraction angle is 15 ° or more, more, and more than 30 ° It is an area. The intensity of the diffracted light is obtained by Fourier transforming the phase distribution of the diffractive optical element in Comparative Example 12, the intensity of this diffracted light is normalized by the average of the diffracted light, and the inclination with respect to the diffraction angle is examined. there were.

以上、実施例１〜７、比較例１〜１２について、対角方向の角度θｄとＭｏ／Ｍｃの値との関係を図１５に示し、対角方向の角度θｄとＭｍｉｎ／Ｍｍａｘの値との関係を図１６に示す。 As described above, with respect to Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 12, the relationship between the diagonal angle θd and the value of M o / M c is shown in FIG. 15, and the diagonal angle θd and M min / M max FIG. 16 shows the relationship with the value of.

図１５における破線は、数１８に示す式のものであり、数１８より、数２に示す式の関係を導き出せる。また、図１６における破線は、数１９に示す式のものであり、数１９に基づき、数４に示す式の関係を導き出せる。   The broken line in FIG. 15 is the equation shown in Equation 18, and the relationship of the equation shown in Equation 2 can be derived from Equation 18. Also, the broken line in FIG. 16 is the formula shown in Formula 19, and based on Formula 19, the relationship of the formula shown in Formula 4 can be derived.

Figure 0005948948
Figure 0005948948

Figure 0005948948
また、比較例１２の回折光学素子では中心領域に対する周辺領域における光強度は０．２３であるに対し、実施例６の回折光学素子では中心領域に対する周辺領域における光強度は０．４３、実施例７の回折光学素子では０．４８であった。比較例１２、実施例６、実施例７における回折光学素子は、対角方向の角度が３５．５°であるため、周辺領域は回折角度が１５°以上の領域となる。よって、回折角度が１５°以上の領域において、中心領域に対する周辺領域の光強度が０．４以上であることが好ましく、更には、０．４５以上であることが好ましい。また、比較例１２、実施例６、実施例７における回折光学素子は、対角方向の角度が３５．５°であるため、周辺領域は回折角度が３０°以上の領域となる。よって、回折角度が３０°以上の領域において、中心領域に対する周辺領域における光強度が０．４以上であることが好ましく、更には、０．４５以上であることが好ましい。
Figure 0005948948
 In the diffractive optical element of Comparative Example 12, the light intensity in the peripheral region with respect to the central region is 0.23, whereas in the diffractive optical element of Example 6, the light intensity in the peripheral region with respect to the central region is 0.43. In the case of 7 diffractive optical elements, the value was 0.48. Since the diffractive optical elements in Comparative Example 12, Example 6, and Example 7 have a diagonal angle of 35.5 °, the peripheral region is a region having a diffraction angle of 15 ° or more. Therefore, in the region where the diffraction angle is 15 ° or more, the light intensity in the peripheral region with respect to the central region is preferably 0.4 or more, and more preferably 0.45 or more. Further, since the diffractive optical elements in Comparative Example 12, Example 6, and Example 7 have a diagonal angle of 35.5 °, the peripheral region is a region having a diffraction angle of 30 ° or more. Therefore, in the region where the diffraction angle is 30 ° or more, the light intensity in the peripheral region with respect to the central region is preferably 0.4 or more, and more preferably 0.45 or more.

尚、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。   In addition, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.

入射光の少なくとも一部を回折する回折光学素子を使用し、所定の光の投影パターンを測定対象物に照射し、前記投影パターンの照射されている測定対象物の画像を取得することにより、３次元計測を行う装置などに利用できる。   By using a diffractive optical element that diffracts at least a part of incident light, irradiating a measurement object with a projection pattern of predetermined light, and acquiring an image of the measurement object irradiated with the projection pattern, 3 It can be used for devices that perform dimension measurement.

１０ 計測装置
１１ 光束（入射光）
１２ 回折光（出射光）
２０ 光源
３０ 回折光学素子
３１ 基本ユニット
３２ 透明基板
３３ 凸部
４０ａ 測定対象物
４０ｂ 測定対象物
５０ 撮像素子 10 Measuring device 11 Luminous flux (incident light)
12 Diffracted light (emitted light)
20 Light source 30 Diffractive optical element 31 Basic unit 32 Transparent substrate 33 Convex part 40a Measurement object 40b Measurement object 50 Imaging element

Claims (10)

基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記所定の範囲の中心領域における領域の前記光スポットの数をＭｃとし、前記所定の範囲の４隅における領域の前記光スポットの数の平均をＭｏとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の奇数であって、
１５°≦θｄ
Ｍｏ／Ｍｃ＞−０．０２１７３×θｄ＋１．３１４
であることを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
When the predetermined range is a quadrangular shape, the predetermined range is equally divided into N x × N y or more regions having substantially the same shape, and the center of the predetermined range among the divided regions The number of the light spots in the region in the region is M c , the average number of the light spots in the region at the four corners of the predetermined range is M o, and the maximum diffraction angle irradiated on the predetermined range is θd N x and N y are both odd numbers of 3 or more,
15 ° ≦ θd
M o / M c > −0.02173 × θd + 1.314
A diffractive optical element characterized by the above. 基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記所定の範囲の中心領域における領域の前記光スポットの数をＭｃとし、前記所定の範囲の４隅における領域の前記光スポットの数の平均をＭｏとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の奇数であって、
１５°≦θｄ
０．８≦Ｍｏ／Ｍｃ≦１．２
であることを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
When the predetermined range is a quadrangular shape, the predetermined range is equally divided into N x × N y or more regions having substantially the same shape, and the center of the predetermined range among the divided regions The number of the light spots in the region in the region is M c , the average number of the light spots in the region at the four corners of the predetermined range is M o, and the maximum diffraction angle irradiated on the predetermined range is θd N x and N y are both odd numbers of 3 or more,
15 ° ≦ θd
0.8 ≦ M o / M c ≦ 1.2
A diffractive optical element characterized by the above. 基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記領域内において最も光スポットの数の多い領域の光スポットの数をＭｍａｘとし、前記領域内において最も光スポットの数の少ない領域の光スポットの数をＭｍｉｎとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の整数であって、
１５°≦θｄ
Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ＞−０．０１７２９×θｄ＋１．１０８
であることを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
If the square of the predetermined range, the predetermined range is equally divided into N x × N y or more regions to be substantially the same shape, of the divided regions, most light in the region The number of light spots in a region with a large number of spots is M max , the number of light spots in a region with the smallest number of light spots in the region is M min, and the maximum diffraction angle irradiated to the predetermined range the when the [theta] d, N x and N y is a both integer of 3 or more,
15 ° ≦ θd
M min / M max > −0.01729 × θd + 1.108
A diffractive optical element characterized by the above. 基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記領域内において最も光スポットの数の多い領域の光スポットの数をＭｍａｘとし、前記領域内において最も光スポットの数の少ない領域の光スポットの数をＭｍｉｎとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の整数であって、
３０°≦θｄ
０．６≦Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ≦１
であることを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
If the square of the predetermined range, the predetermined range is equally divided into N x × N y or more regions to be substantially the same shape, of the divided regions, most light in the region The number of light spots in a region with a large number of spots is M max , the number of light spots in a region with the smallest number of light spots in the region is M min, and the maximum diffraction angle irradiated to the predetermined range the when the [theta] d, N x and N y is a both integer of 3 or more,
30 ° ≦ θd
0.6 ≦ M min / M max ≦ 1
A diffractive optical element characterized by the above. 基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域のうち、前記領域内において最も光スポットの数の多い領域の光スポットの数をＭｍａｘとし、前記領域内において最も光スポットの数の少ない領域の光スポットの数をＭｍｉｎとし、前記所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合に、Ｎｘ及びＮｙはともに３以上の整数であって、
１５°≦θｄ
０．７≦Ｍｍｉｎ／Ｍｍａｘ≦１
であることを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
If the square of the predetermined range, the predetermined range is equally divided into N x × N y or more regions to be substantially the same shape, of the divided regions, most light in the region The number of light spots in a region with a large number of spots is M max , the number of light spots in a region with the smallest number of light spots in the region is M min, and the maximum diffraction angle irradiated to the predetermined range the when the [theta] d, N x and N y is a both integer of 3 or more,
15 ° ≦ θd
0.7 ≦ M min / M max ≦ 1
A diffractive optical element characterized by the above. 基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記基本ユニットは、設計のための所定の回折光のパターンをフーリエ変換または逆フーリエ変換した位相分布の情報を有し、
所定の範囲に照射される最大の回折角度をθｄとした場合、
１５°≦θｄであり、
前記設計のための所定の回折光のパターンは、前記設計のための所定の回折光のパターンにおける中心領域の光強度に対し、周辺領域における光強度が高いことを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
The basic unit has phase distribution information obtained by Fourier transform or inverse Fourier transform of a predetermined diffracted light pattern for design,
When the maximum diffraction angle irradiated to a predetermined range is θd,
15 ° ≦ θd,
2. The diffractive optical element according to claim 1, wherein the predetermined diffracted light pattern for design has a light intensity in a peripheral region higher than a light intensity in a central region in the predetermined diffracted light pattern for design. 基本ユニットが２次元的に、かつ、周期的に配列されており、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる回折光学素子であって、
前記回折光を平面上に投影させることにより、前記平面上の所定の範囲内に複数の光スポットをランダム分布で発生させるものであり、
前記所定の範囲を４角形とした場合、前記所定の範囲を略同一形状となるＮｘ×Ｎｙ個以上の領域に均等に分割し、前記分割された領域は、回折角が１５°以上の回折光からなる周辺領域を含むものであって、前記分割された領域のうち、前記所定の範囲の中心領域における光強度に対し、前記周辺領域における光強度が０．４以上であることを特徴とする回折光学素子。 In basic units two-dimensionally, and are periodically arranged, a diffractive optical element for generating a two-dimensional diffracted light with respect to incident light,
By projecting the diffracted light on a plane, a plurality of light spots are generated in a random distribution within a predetermined range on the plane,
When the predetermined range is a quadrangular shape, the predetermined range is equally divided into N x × N y or more regions having substantially the same shape, and the divided region has a diffraction angle of 15 ° or more. It includes a peripheral region made of diffracted light, and among the divided regions, the light intensity in the peripheral region is 0.4 or more with respect to the light intensity in the central region of the predetermined range. A diffractive optical element. 前記２次元的な回折光により生じる光スポットの数が１００以上である、請求項１〜７いずれかに記載の回折光学素子。   The diffractive optical element according to claim 1, wherein the number of light spots generated by the two-dimensional diffracted light is 100 or more. 前記２次元的な回折光は、Ｘ方向に−１２１次〜１２０次以上の高次数の範囲、Ｙ方向に−９１次〜９０次以上の高次数の範囲で光スポットの分布を有する、請求項１〜８いずれかに記載の回折光学素子。   The two-dimensional diffracted light has a light spot distribution in a high order range of -121st order to 120th order or more in the X direction and in a high order range of -91st order to 90th order or more in the Y direction. The diffractive optical element according to any one of 1 to 8. 光を発する光源と、
前記光が入射し回折光が出射される請求項１から９のいずれかに記載の回折光学素子と、
前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
を有することを特徴とする計測装置。 A light source that emits light;
The diffractive optical element according to claim 1, wherein the light is incident and diffracted light is emitted;
An imaging unit that captures an image of the measurement object irradiated with the diffracted light;
A measuring apparatus comprising:
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