JP5948949B2 - Diffractive optical element and measuring device - Google Patents
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Description
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。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次元計測を行なう装置である。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. For example, an optical three-dimensional measurement apparatus irradiates a measurement object with a projection pattern of predetermined light, and acquires an image of the measurement object irradiated with the projection pattern of light. It is a device that performs. In such a three-dimensional measuring apparatus, the diffractive optical element is used for generating a predetermined light projection pattern.
3次元計測装置では、広い範囲に光を投影することが求められており、このため、回折光学素子の回折角度が大きくなり、回折光学素子を直進透過する回折光である0次回折光の光量が大きくなりやすい傾向にある。このような0次回折光の光量は他の回折光の光量に対し高くなると、3次元計測装置の撮像画像が0次回折光の周囲でにじみ等が生じ、画像の劣化につながる可能性がある。従って、0次回折光の光量は低い方が望ましい。 In a three-dimensional measuring apparatus, it is required to project light over a wide range. For this reason, the diffraction angle of the diffractive optical element is increased, and the amount of 0th-order diffracted light that is diffracted light that passes straight through the diffractive optical element is increased. It tends to be large. If the amount of such 0th-order diffracted light is higher than the amount of other diffracted light, the captured image of the three-dimensional measuring device may be blurred around the 0th-order diffracted light, leading to image degradation. Therefore, it is desirable that the amount of 0th-order diffracted light is low.
特許文献1には、3次元計測を行う際に、計測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。また、特許文献2には、2枚の回折光学素子を用いて0次回折光の光量を低減する方法が開示されている。
特許文献2に開示されている方法は、1枚目の回折光学素子に光を入射し、1枚目の回折光学素子により回折された光を2枚目の回折光学素子に入射させ回折させるものであり、これにより、矩形の回折光のパターンを2次元的に分布させることができる。 In the method disclosed in Patent Document 2, light is incident on the first diffractive optical element, and the light diffracted by the first diffractive optical element is incident on the second diffractive optical element to be diffracted. Thus, the rectangular diffracted light pattern can be distributed two-dimensionally.
回折光学素子を3次元計測等に用いる場合、上述したように回折光学素子には回折光を広い範囲に分布させることが求められるが、2枚の回折光学素子を用いた場合、1枚目の回折光学素子の回折角度と2枚目の回折光学素子の回折角度の和が全体の回折角度となるため、回折角度が広くなり、回折光を広い範囲に分布させることができる。 When the diffractive optical element is used for three-dimensional measurement or the like, as described above, the diffractive optical element is required to distribute the diffracted light over a wide range, but when two diffractive optical elements are used, the first sheet Since the sum of the diffraction angle of the diffractive optical element and the diffraction angle of the second diffractive optical element is the entire diffraction angle, the diffraction angle is widened and the diffracted light can be distributed over a wide range.
ところで、回折光学素子を用いて平面に回折光を投影させた場合、投影領域が略長方形状となるように回折光を分布させようとした場合、回折光の投影領域の隅の部分が伸び、いわゆるピンクッション型の歪みが生じる。特に、回折光学素子を2枚用いた場合では、回折角度を広くできるため、この傾向が顕著である。このようなピンクッション型の歪みが生じると、回折光の投影領域の中心付近より4隅の周辺付近に向かって、回折光の光スポットの密度が低くなる、即ち、回折光の投影領域の中心付近に生じる回折光の光スポットの密度に対し、回折光の投影領域の4隅となる周辺付近に生じる回折光の光スポットが低くなる。従って、このようなピンクッション型の歪みが生じる回折光学素子を計測装置等に用いた場合、周辺付近における回折光の光スポットの密度が低くなるため、計測感度が低下するといった問題点を有している。 By the way, when diffracted light is projected onto a plane using a diffractive optical element, when trying to distribute the diffracted light so that the projection area is substantially rectangular, the corner part of the projection area of the diffracted light is extended, A so-called pincushion type distortion occurs. In particular, when two diffractive optical elements are used, this tendency is significant because the diffraction angle can be widened. When such pincushion type distortion occurs, the density of the light spot of the diffracted light decreases from the vicinity of the center of the projection area of the diffracted light toward the vicinity of the four corners, that is, the center of the projection area of the diffracted light. The light spot of diffracted light generated in the vicinity of the four corners of the projection area of the diffracted light is lower than the density of the light spot of diffracted light generated in the vicinity. Therefore, when such a diffractive optical element that generates pincushion type distortion is used in a measuring apparatus or the like, the density of the light spot of the diffracted light in the vicinity of the periphery becomes low, and thus there is a problem that measurement sensitivity is lowered. ing.
本発明は、上記点に鑑みたものであり、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影領域における回折光による光スポットの密度が略均一にできる回折光学素子を提供することを目的とし、更には、精密な計測を行なうことのできる計測装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide a diffractive optical element having a plurality of diffractive surfaces, in which the density of light spots by diffracted light in the projection region can be made substantially uniform. Furthermore, it aims at providing the measuring device which can perform a precise measurement.
本発明は、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、を有し、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、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、前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させたとき、100以上の光スポット数が得られるものであって、前記第1の回折光学部における回折角度がθ1であり、発生する回折光の光スポットの数がk1であって、前記第2の回折光学部における回折角度がθ2であり、発生する回折光の光スポットの数がk2である場合、θ1≦θ2かつk1≦k2であることを特徴とする。 The present invention includes a first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, a second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, In either one or both of the first diffractive optical part and the second diffractive optical part, basic units are two-dimensionally and periodically arranged, and the first diffractive optical part When the diffracted light generated by making light incident on the diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part and diffracted light is generated from the second diffractive optical part, the number of light spots is 100 or more. The diffraction angle in the first diffractive optical part is θ 1 , the number of light spots of the generated diffracted light is k 1 , and the diffraction angle in the second diffractive optical part is a theta 2, if the number of light spots of the diffracted light generated is k 2 characterized in that it is a θ 1 ≦ θ 2 and k 1 ≦ k 2.
また、本発明は、前記第1の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第2の回折光学部により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、または、前記第2の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第1の回折光学部により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、を特徴とする。 In the present invention, the projection area of the light spot generated by the diffracted light generated by the first diffractive optical part is overlapped by the second diffractive optical part, thereby forming the projection area of the diffractive optical element. Or the projection region of the light spot generated by the diffracted light generated by the second diffractive optical unit is overlapped by the first diffractive optical unit to form the projection region of the diffractive optical element, It is characterized by.
また、本発明は、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが2次元的に配列されていることを特徴とする。 In addition, the present invention is characterized in that a plurality of basic units are two-dimensionally arranged in one or both of the first diffractive optical part and the second diffractive optical part.
また、本発明は、前記第1の回折光学部は一方の透明基板に有され、前記第2の回折光学部は他方の透明基板に有されていることを特徴とする。 Further, the present invention, the first diffractive optical portion is closed on one of the transparent substrate, the second diffractive optical unit is characterized in that it is closed on the other transparent substrate.
また、本発明は、前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは一体化していることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that it is one embodied in the the one transparent substrate and the other transparent substrate.
また、本発明は、前記第1の回折光学部は透明基板の一方の面に有され、前記第2の回折光学部は前記透明基板の他方の面に有されていることを特徴とする。また、本発明は、前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させたとき、前記第2の回折光学部より発生する回折光が、回折角度が30°以上を含むことを特徴とする。また、本発明は、前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させたとき、前記第2の回折光学部より発生する回折光の光スポットは、中心部分より周辺部分に多く分布することを特徴とする。
Further, the present invention, the first diffractive optical portion is closed on one surface of the transparent substrate, the second diffractive optical unit is characterized in that it is closed on the other surface of the transparent substrate. In the present invention, the diffracted light generated from the second diffractive optical unit when diffracted light generated by entering the light into the first diffractive optical unit is incident on the second diffractive optical unit. Is characterized by including a diffraction angle of 30 ° or more. In the present invention, the diffracted light generated from the second diffractive optical unit when diffracted light generated by entering the light into the first diffractive optical unit is incident on the second diffractive optical unit. The light spot is distributed more in the peripheral part than in the central part.
また、本発明は、光を発する光源と、前記光を入射させ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 provides a light source that emits light, the diffractive optical element described above that emits diffracted light when the light is incident, an imaging unit that captures an image of a 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、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影領域における回折光による光スポットの密度が略均一にできる。また、本発明における計測装置では、本発明の回折光学素子を用いることにより、精密で正確な計測を行なうことができる。 In the diffractive optical element according to the present invention, in the diffractive optical element having a plurality of diffractive surfaces, the density of the light spot by the diffracted light in the projection region can be made substantially uniform. In the measuring apparatus according to the present invention, precise and accurate measurement can be performed by using the diffractive optical element of the present invention.
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.
〔第1の実施の形態〕
(ピンクッション型の歪み)
最初に、ピンクッション型の歪みが発生する原因について説明する。図1に示すように2枚の回折光学素子410及び420により光を回折させた場合、入射光401を1枚目の回折光学素子410に入射させることにより回折光402が発生する。回折光学素子410により回折された回折光402は、回折角度θ1Aで回折されるものであり、この回折光学素子410により発生する回折光402による光スポットの分布を図2(a)に示す。次に、回折光402を2枚目の回折光学素子420に入射させることにより回折光403が発生する。回折光学素子420により回折された回折光403は、回折角度θ2Aで回折されるものであり、この回折光学素子420により発生する回折光による光スポットの分布を図2(c)に示す。尚、図2(b)は入射光が回折光学素子420に対し垂直に入射した場合における回折光による光スポットの分布を示す。この回折光403を平面の投影面440に照射した場合、図2(c)に示すように、回折光による光スポットの投影領域441において4隅が伸びた形状、即ち、いわゆるピンクッション型の歪みが生じた状態で投影される。
[First Embodiment]
(Pin cushion type distortion)
First, the cause of the pincushion type distortion will be described. As shown in FIG. 1, when light is diffracted by the two diffractive
ところで、引用文献2では、投影面440における投影領域441を複数に分割し、分割された領域には、各々図2(b)に示す光スポットの分布に相当するものが投影される。具体的には、図2(c)において白丸で示す領域の光スポット442は、図2(a)において白丸で示す光スポット411となる回折光402を回折光学素子420に入射させることにより回折光403を発生させ、この回折光403の光スポットを投影面440に投影させたものである。よって、回折光学素子410により回折された4つの回折光により、各々図2(b)に示す回折光の光スポットの分布に対応する光スポットが生じ、これらの光スポットの分布をつなぎ合わせた状態の投影領域441が形成される。
By the way, in the cited document 2, the
このように、回折光学素子420に入射する回折光402は回折光学素子410により回折されたものであるが、投影領域441を広げるためには、回折光学素子410により発生する回折光402の回折角度は広い方が望ましい。
As described above, the diffracted
しかしながら、ピンクッション型の歪みが生じる原因は、回折光学素子420により生じた回折光のうち、投影領域441の中心部分の光スポットとなる回折光と周辺部分の光スポットとなる回折光との光路長が異なるためである。尚、投影領域441の中心部分の光スポットとなる回折光と周辺部分の光スポットとなる回折光との光路長の差を距離wとする。即ち、投影領域441の周辺部分の光スポットとなる回折光は、中心部分の光スポットとなる回折光に比べ距離wだけ長く伝播するため、回折部分を中心とした球面に投影した場合に比べて広がって投影される。特に、最も光路が長くなる投影領域441の4隅では、この傾向が顕著となり、4隅が伸びたピンクッション型の歪みが生じる。また、回折光は光路が長くなるに従い、回折光同士の間隔が広がるため、特に、最も光路が長くなる投影領域441の4隅では、回折光による光スポットの間隔は広くなり、光スポットの密度が粗となる。このことは、回折光学素子410と回折光学素子420が設置される位置を逆にした場合においても同様である。
However, the cause of the pincushion type distortion is that the optical path between the diffracted light that is the central spot of the
次に、図3及び図4に基づき本実施の形態における回折光学素子について説明する。本実施の形態における回折光学素子30は、後述するように2枚の回折光学素子に相当する第1の回折光学部110と第2の回折光学部120とを有している。本実施の形態における回折光学素子では、第1の回折光学部110の回折角度はθ1であり、発生する回折光の光スポットの数はk1であり、第2の回折光学部120の回折角度はθ2であり、発生する回折光の光スポットの数はk2である。入射光となる光束11を第1の回折光学部110に入射させることにより回折光群111を発生させ、回折光群111を第2の回折光学部120に入射させることにより、回折光群121a、121b、121c、・・・を発生させ投影面140に回折光による光スポットにより投影領域141が形成される。
Next, the diffractive optical element in the present embodiment will be described with reference to FIGS. The diffractive
本実施の形態における回折光学素子は、θ1≧θ2かつk1≧k2とすることにより、第1の回折光学部110により発生させた図4(a)に示す回折光の光スポットの分布(投影領域)が、第2の回折光学部120により光スポットの分布の位置をずらした状態で重ね合わされて投影面140に投影されることにより、投影領域141が形成される。このように第1の回折光学部110により発生させた光スポットの分布を投影面140で重ね合わせることにより、投影領域141の4隅の周辺部分における光スポットの密度を投影領域141の中心部分と略同じにでき、投影領域141において略均一に光スポットを分布させることができる。尚、図4(c)は、投影面140に投影された光スポットの投影領域141を示すものであり、図4(b)は、入射光が第2の回折光学部120に対し垂直に入射した場合における回折光による光スポットの分布を示す。本実施の形態では、第1の回折光学部110により生じる光スポットが分布する領域を第1の回折光学部110により生じる光スポットの投影領域と、第2の回折光学部120により生じる光スポットが分布する領域を第2の回折光学部120により生じる光スポットの投影領域と記載する。また、図4(c)において白丸で示す4つの光スポット142は、図4(a)において白丸で示す回折光の光スポット112が、第2の回折光学部120により回折され投影面140に投影されたものである。
The diffractive optical element in the present embodiment is configured so that the light spot of the diffracted light shown in FIG. 4A generated by the first diffractive
尚、上記の内容については、θ1≦θ2かつk1≦k2とした場合においても同様である。よって、θ1≧θ2かつk1≧k2、又は、θ1≦θ2かつk1≦k2のいずれかであれば同様の効果を得ることができる。 The above-mentioned contents are the same when θ 1 ≦ θ 2 and k 1 ≦ k 2 . Therefore, the same effect can be obtained if θ 1 ≧ θ 2 and k 1 ≧ k 2 , or θ 1 ≦ θ 2 and k 1 ≦ k 2 .
本実施の形態では、上述のとおり、ピンクッション型の歪みを抑制できるが、回折光学素子30を計測機器等に用いる場合には、投影領域141の中心部分と4隅の周辺部分において、より均一となるように、例えば、図4(a)に示す光スポットの分布において中心部分よりも周辺部分に多くの光スポットが発生するように形成すればよい。
In the present embodiment, as described above, pincushion-type distortion can be suppressed. However, when the diffractive
以下、本実施の形態についてより詳細に説明する。 Hereinafter, this embodiment will be described in more detail.
(計測装置)
図5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5は、本実施の形態における計測装置の構成の一例を示す。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、後述する本実施の形態における回折光学素子であり、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を発生させるものである。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を撮像するためのものである。
(Measurement device)
A measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows an example of the configuration of the measuring apparatus according to the present embodiment. The
回折光学素子30は、複数の回折光12を発生させるものであり、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。従って、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次元形状等の情報が取得される。尚、3次元計測を行なうためには、光スポットの数は100以上であることが好ましく、また、回折光学素子30は、最大の回折角度θxmin、θxmaxが30°以上となるように、即ち、回折角度が30°以上の回折光を発生させることができるように形成されていることが好ましい。
The diffractive
(回折光学素子)
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。図6に示されるように、本実施の形態における回折光学素子30は、第1の回折光学部110と第2の回折光学部120とを有している。第1の回折光学部110は、光束11を入射させることにより回折光111a、111b、111c、・・・のn1個の回折光群111を発生させる回折光学素子である。第2の回折光学部120は、回折光111a、111b、111c、・・・のn1個の回折光群111を入射させることにより、n2個の回折光群121a、121b、121c・・・を発生させる回折光学素子である。これにより、回折光の数を増やすことができ、回折角の大きな回折光を発生させることができる。従って、投影面140の広い範囲に回折光の光スポットを分布させることができる。尚、本実施の形態では、入射光となる光束11の光軸101方向をZ軸とし、光束11の光軸101に対し垂直方向をX軸、Y軸とする。尚、X軸とY軸とは直交するものとする。
(Diffraction optical element)
Next, the diffractive
本実施の形態における回折光学素子を形成している第1の回折光学部110と第2の回折光学部120は、ともに回折光を発生させるものであり、この点においては同様のものである。次に、第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120となる回折光学素子230について説明する。
Both the first diffractive
図7に示すように、回折光学素子230に入射光となる光束210を入射させることにより、回折光群211が発生する。回折光群211のうち、光軸101に対する回折角度が最大となる回折光211aの回折角度をθaとし、これを回折角度範囲θxとする。また、このときの回折範囲の中心の光軸101に対する角度(中心角度)θ0は0°とする。尚、光軸101に対して回折光211aと反対の位置の近傍に、回折角度がθbとなる回折光211bが発生するが、θaとθbの差が大きい場合、例えば、θaとθbとの差が3°以上ある場合には、回折角度範囲θx=(θa+θb)/2とし、中心角度θ0=(θa−θb)/2としてもよい。
As shown in FIG. 7, a diffracted
また、光軸101に対し回折光211aの反対側には回折光が発生しない場合、即ち、光軸101に対し回折光211aが発生している側にのみ回折光群が発生する場合も考えられる。このような場合、光軸101に最も近い回折光の回折角度がθcであるとすると、回折角度範囲θx=(θa−θc)/2とし、中心角度θ0=(θa+θc)/2としてもよい。
Further, a case where diffracted light is not generated on the opposite side of the diffracted light 211a with respect to the
本実施の形態では、前述したように、この回折角度範囲θxとなる角度を回折角度とし、第1の回折光学部110における回折角度をθ1、第2の回折光学部120における回折角度をθ2、本実施の形態における回折光学素子30における回折角度をθと記載する。
In the present embodiment, as described above, the angle within the diffraction angle range θ x is the diffraction angle, the diffraction angle in the first diffractive
次に、回折光学素子230についてより詳細に説明する。入射光となる光束210を回折光学素子230に入射させることにより、回折光211が発生する。この回折光211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に回折された光である。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210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が生成される。
Next, the diffractive
このような回折光学素子30としては、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用いることができる。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2に示す式で表わされる。
As such a diffractive
次に、図8に基づき、回折光学素子230の構造について説明する。回折光学素子230は、図8(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231が2次元状に周期的に配列されている。具体的には、図8(b)に示されるような位相分布を有している。図8(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230を示す。回折光学素子230は、位相分布を発生させることができればよく、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、表面の凹凸パターン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230に基本ユニット231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 structure of the diffractive
図9には、回折光学素子230の一例として、ガラス等からなる透明基板232の表面に凸部233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230の断面模式図を示す。尚、この回折光学素子230では、透明基板232の表面において、凸部233の形成されていない領域が凹部234となる。
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a diffractive
透明基板232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232は、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を形成することにより、フレネル反射による光反射を低減できる。
The
また、凸部233を形成する材料としては、有機材料、無機材料、有機無機複合材料を用いることができる。凸部233を形成する方法、即ち、凸部233と凹部234からなる凹凸パターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィとエッチングにより形成する方法や、型によって凹凸パターンを転写する射出成形やインプリントによる方法等を用いることができる。また、凸部233は単一の材料により形成されている必要はなく、例えば、無機材料からなる多層膜により凸部233を形成してもよい。更に、凸部233の表面には表面反射を低減するための反射防止膜を設けた構造や、反射防止構造を形成してもよい。
Moreover, as a material which forms the
また、図10に示されるように、回折光学素子230は、表面に凸部233が形成されている透明基板232の凸部233が形成されている側に、透明基板235を設け、透明基板232と透明基板235との間に、凸部233を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂236を埋め込んだものである。尚、透明基板235を設けることなく、透明基板232の凸部233が形成されている側に、凸部233を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂236を形成し、透明樹脂236の表面を平坦化したものであってもよい。
As shown in FIG. 10, the diffractive
このような回折光学素子230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231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231における位相分布を得ることができる。
Such a diffractive
また、回折光学素子230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231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
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.
〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、第1の回折光学部と第2の回折光学部とを一体化した構造のもの、また、一枚の基板の一方の面に第1の回折光学部となる凸部を形成し他方の面に第2の回折光学部となる凸部を形成したものである。これにより、第1の回折光学部と第2の回折光学部との位置合せが不要となり、回折光学素子が小型化される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The diffractive optical element in the present embodiment has a structure in which the first diffractive optical part and the second diffractive optical part are integrated, and the first diffractive optical part on one surface of one substrate And a convex portion that becomes the second diffractive optical portion is formed on the other surface. Thereby, alignment between the first diffractive optical part and the second diffractive optical part becomes unnecessary, and the diffractive optical element is miniaturized.
図11に示す回折光学素子は、透明基板302の一方の面には、第1の回折光学部の凸部303を形成することにより、凸部303の形成されていない領域の凹部304と凸部303により凹凸パターンを形成し、透明基板302の他方の面には、第2の回折光学部の凸部305を形成することにより、凸部305の形成されていない領域の凹部306と凸部305により凹凸パターンを形成したものである。
In the diffractive optical element shown in FIG. 11, the
また、図12から図15は、第1の回折光学部310と第2の回折光学部320とを接着材等により接着し接合した構造の回折光学素子である。第1の回折光学部310は、透明基板312の表面に凸部313を形成することにより、凸部313の形成されていない領域の凹部314と凸部313により凹凸パターンを形成したものである。また、第2の回折光学部320は、透明基板322の表面に凸部323を形成することにより、凸部323の形成されていない領域の凹部324と凸部323により凹凸パターンを形成したものである。尚、本実施の形態における第1の回折光学部310等は、第1の実施の形態における第1の回折光学部110に相当し、第2の回折光学部320等は、第1の実施の形態における第2の回折光学部120に相当する。
12 to 15 show a diffractive optical element having a structure in which a first diffractive
図12に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されていない面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されていない面とを対向させ、対向している面同士を接着剤340により接合したものである。
The diffractive optical element shown in FIG. 12 opposes the surface where the
また、図13に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されている面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤340により接合したものである。
In the diffractive optical element shown in FIG. 13, the surface on which the
また、図14に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されていない面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤340により接合したものである。
In the diffractive optical element shown in FIG. 14, the surface where the
また、図15に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されていない面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されている面とを対向させ、対向している面同士の周囲を接着剤340により接合したものである。
In the diffractive optical element shown in FIG. 15, the surface where the
次に、実施例について説明する。例1〜例10に示される回折光学素子の構成についてまとめたものを表1〜表3に示す。尚、本願においては、例1〜例8が実施例1〜8であり、例9、例10が比較例1、2である。例1〜例10では、第1の回折光学部及び第2の回折光学部における透明基板として石英を用いており、入射する光束の波長λを830nmとする。表1では第1の回折光学部によって発生するスポット数n1、発生させる次数のうちX方向で最大、最小の次数、Y方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるX方向、Y方向のピッチPx、Py、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ1を示しており、同時にX軸上における回折光の回折角度、Y軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。 Next, examples will be described. Tables 1 to 3 summarize the configurations of the diffractive optical elements shown in Examples 1 to 10. In the present application, Examples 1 to 8 are Examples 1 to 8, and Examples 9 and 10 are Comparative Examples 1 and 2. In Examples 1 to 10, quartz is used as the transparent substrate in the first diffractive optical part and the second diffractive optical part, and the wavelength λ of the incident light beam is 830 nm. In Table 1, the number of spots n 1 generated by the first diffractive optical part, the maximum and minimum orders in the X direction among the generated orders, the maximum and minimum orders in the Y direction, the X direction and the Y direction in which the basic units are arranged. Pitches P x and P y , the number of steps of the diffraction section, and the height of each step. Further, the diffraction angle θ 1 obtained in such a configuration is shown, and at the same time, the maximum possible value of the diffraction angle of the diffracted light on the X axis and the diffraction angle of the diffracted light on the Y axis is shown. .
また、第2の回折光学部に強度1の光束が所定の入射角度で入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ2、標準偏差σ2を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ2で除算した標準偏差σ2の値をパーセントで表示しており、これを第2の回折光学部120による光量ばらつきと呼ぶ。さらに、回折光学素子の光量ばらつきをσ={(σ1/μ1)2+(σ2/μ2)2}0.5によって求めている。また、各々の入射角度における第2の回折光学部120の0次回折光の光量を示している。
In addition, an average value μ 2 and standard deviation σ 2 of the intensity of diffracted light obtained when a light
また、回折光学素子によって発生する回折光のうち、設計によって発生させる回折光のスポットを回折光学素子から所定の位置はなれたスクリーン上で計測した場合の計算結果について示している。スクリーンの位置を計測位置として示しており、スクリーン上における座標(X、Y)を用いて長方形の計測範囲を示している。また、回折光学素子の位置から測定した計測範囲の対角方向の角度を計測範囲角度として示している。スポット計測の際に、計測範囲をX方向に9分割し、Y方向に9分割した面積が均一となる計測領域内のスポットを計測している。表4及び表5では、X座標、Y座標が最も小さくなる計測領域をR(1、1)、X座標、Y座標が最も大きくなる計測領域をR(9、9)とした場合に、中心領域R(5、5)のスポット、周辺領域R(1、1)、R(1、9)、R(9、1)、R(9、9)のスポット数の平均値、領域R(1、1)〜R(9、9)におけるスポット数の最大値、最小値を示している。 In addition, the calculation result when the spot of the diffracted light generated by design among the diffracted light generated by the diffractive optical element is measured on a screen at a predetermined position away from the diffractive optical element is shown. The position of the screen is shown as a measurement position, and a rectangular measurement range is shown using coordinates (X, Y) on the screen. Further, the angle in the diagonal direction of the measurement range measured from the position of the diffractive optical element is shown as the measurement range angle. At the time of spot measurement, the measurement range is divided into nine in the X direction, and the spot in the measurement region where the area divided into nine in the Y direction is uniform is measured. In Tables 4 and 5, when the measurement area where the X coordinate and Y coordinate are the smallest is R (1, 1), and the measurement area where the X coordinate and Y coordinate is the largest is R (9, 9), The average value of the number of spots in the region R (5, 5), the peripheral region R (1, 1), R (1, 9), R (9, 1), R (9, 9), the region R (1 1) to the maximum number and minimum value of the number of spots in R (9, 9).
また、表6は、例3〜例5に示される回折光学素子において、第2の回折光学素子に対して光が垂直に入射した場合に、表6に記載の各波長で第2の回折光学部に強度1の光束が所定の入射角度で入射する際に得られる回折光の強度の平均値μ2、標準偏差σ2を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、各々の波長における第2の回折光学部120の0次回折光の光量を示している。
Table 6 shows the second diffractive optics at each wavelength shown in Table 6 when the light is perpendicularly incident on the second diffractive optical element in the diffractive optical elements shown in Examples 3 to 5. The figure shows that the average value μ 2 and standard deviation σ 2 of the intensity of diffracted light obtained when a light beam with
実施例1は、表1〜4における例1に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1≦θ2を満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図16(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図16(b)に示す。
Example 1 is a diffractive optical element shown in Example 1 in Tables 1-4, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図17(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図17(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図18に示す。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲12.5°に光束が出射され、表4に示すように、第2の回折光学部120では入射角12.5°の光束に対して3.9%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき5.2%とあわせて、回折光学素子全体として最大6.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.538となる。
The first diffractive
(実施例2)
実施例2は、表1〜3、5における例2に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1≦θ2を満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上設計によって発生させる回折光の光スポットの分布を図19(b)に示す。
(Example 2)
Example 2 is a diffractive optical element shown in Example 2 in Table 1 to 3 and 5, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲17.6°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角17.6°の光束に対して7.6%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき5.2%とあわせて、回折光学素子全体として最大9.2%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。
The first diffractive
(実施例3)
実施例3は、表1〜3、5、6における例3に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1≦θ2を満たし、第2の回折光学部120の設計入射角を12.5°とする場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図19(b)に示す。
Example 3
Example 3 is a diffractive optical element shown in Example 3 in Table 1~3,5,6, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。2つの回折部を透過した光束のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。また、第2の回折光学部120は入射角12.5°で光量ばらつき、0次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長816nmにおいて光量ばらつき、0次回折光が最小となる。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲17.6°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角17.6°の光束に対して3.9%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき5.2%とあわせて、回折光学素子全体として最大6.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。
The first diffractive
(実施例4)
実施例4は、表1〜4、6における例4に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1>θ2であり、第2の回折光学部120が入射角度18.5°で設計されている場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図17(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図17(b)に示す。
Example 4
Example 4 is a diffractive optical element shown in Example 4 in Table 1~4,6, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図16(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図16(b)に示す。2つの回折部を透過した光束のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図18に示す。また、第2の回折光学部120は入射角18.5°で光量ばらつき、0次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長800nmにおいて光量ばらつき、0次回折光が最小となる。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲25.9°に光束が出射され、表4に示すように、第2の回折光学部120では入射角25.9°の光束に対して6.1%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大6.1%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.538となる。
The first diffractive
(実施例5)
実施例5は、表1〜3、5、6における例5に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1>θ2であり、第2の回折光学部120が入射角度27.2°で設計されている場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。
(Example 5)
Example 5 is a diffractive optical element shown in Example 5 in Table 1~3,5,6, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図19(b)に示す。2つの回折部を透過した光束のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。また、第2の回折光学部120は入射角27.2°で光量ばらつき、0次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長765nmにおいて光量ばらつき、0次回折光が最小となる。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲37.6°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角37.6°の光束に対して8.5%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大8.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。
The first diffractive
(実施例6)
実施例6は、表1〜4における例6に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1≦θ2を満たし、第1の回折光学部110によって発生するスポット数n1と第2の回折光学部120によって発生するスポット数n2がn1≦n2を満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図22(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図22(b)に示す。
(Example 6)
Example 6 is a diffractive optical element shown in Example 6 in Tables 1-4, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図23(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図23(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図24に示す。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲2.6°に光束が出射され、表4に示すように、第2の回折光学部120では入射角2.6°の光束に対して3.0%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.5%とあわせて、回折光学素子全体として最大3.1%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.768となる。
The first diffractive
(実施例7)
実施例7は、表1〜4における例7に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1≦θ2を満たし、第1の回折光学部110によって発生するスポット数n1と第2の回折光学部120によって発生するスポット数n2がn1≦n2を満たす場合で、第1の回折光学部110と第2の回折光学部120がそれぞれ2段の回折部からなる場合の例を示す。第1の回折光学部110と第2の回折光学部120から出射される投影パターンは0次回折光を中心に点対称なものとなっている。第1の回折光学部110の基本ユニットを図25(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図25(b)に示す。
(Example 7)
Example 7 is a diffractive optical element shown in Example 7 in Table 1-4, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図26(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって第1の回折光学部を形成した基板の裏面に加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図26(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図27に示す。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲2.6°に光束が出射され、表4に示すように、第2の回折光学部120では入射角2.6°の光束に対して5.8%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.5%とあわせて、回折光学素子全体として最大5.8%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.768となる。
The first diffractive
(実施例8)
実施例8は、表1〜3、5における例8に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θ1と第2の回折光学部120の回折角度θ2がθ1≦θ2を満たし、第1の回折光学部110によって発生するスポット数n1と第2の回折光学部120によって発生するスポット数n2がn1≦n2を満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図28(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図28(b)に示す。
(Example 8)
Example 8 is a diffractive optical element shown in Example 8 in Table 1 to 3 and 5, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive
第2の回折光学部120の基本ユニットを図29(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図29(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図30に示す。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部110によって回折角度範囲3.5°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角3.5°の光束に対して2.5%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.5%とあわせて、回折光学素子全体として最大2.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.581となる。
The first diffractive
(比較例1)
比較例1は、表1〜4における例9に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部の回折角度θ1と第2の回折光学部の回折角度θ2がθ1>θ2を満たす場合で場合の例を示す。第1の回折光学部の基本ユニットを図17(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図17(b)に示す。
(Comparative Example 1)
Comparative Example 1 is the diffractive optical element shown in Example 9 in Tables 1 to 4, where the diffraction angle θ 1 of the first diffractive optical part and the diffraction angle θ 2 of the second diffractive optical part satisfy θ 1 > θ 2 . An example of the case when it satisfies is shown. FIG. 17A shows the basic unit of the first diffractive optical part. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 1 are obtained. FIG. 17B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.
第2の回折光学部120の基本ユニットを図16(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図16(b)に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図18に示す。
A basic unit of the second diffractive
第1の回折光学部によって回折角度範囲25.9°に光束が出射され、表4に示すように、第2の回折光学部120では入射角25.9°の光束に対して8.3%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大8.3%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.538となる。
The first diffractive optical unit emits a light beam in a diffraction angle range of 25.9 °. As shown in Table 4, the second diffractive
(比較例2)
比較例2は、表1〜3、5における例10に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部の回折角度θ1と第2の回折光学部の回折角度θ2がθ1>θ2を満たす場合の例を示す。第1の回折光学部の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表1に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。
(Comparative Example 2)
Comparative Example 2 is the diffractive optical element shown in Example 10 in Tables 1 to 3, and the diffraction angle θ 1 of the first diffractive optical part and the diffraction angle θ 2 of the second diffractive optical part are θ 1 > θ. An example when 2 is satisfied is shown. The basic unit of the first diffractive optical part is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 1 are obtained. FIG. 20B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light enters the diffractive portion vertically.
第2の回折光学部の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチPx、Py、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図19(b)に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。 FIG. 19A shows the basic unit of the second diffractive optical part. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 19B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. FIG. 21 shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm among the light transmitted through the diffractive optical element of this comparative example.
第1の回折光学部によって回折角度範囲37.6°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角37.6°の光束に対して14.9%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大14.9%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。
The first diffractive optical unit emits a light beam in a diffraction angle range of 37.6 °, and as shown in Table 5, the second diffractive
(実施例9)
実施例1〜8の回折光学素子を計測装置に用いる。このようにすることで光量ばらつきが小さくでき、高い精度で計測が可能になる。また、第2の回折光学部120によって発生する0次回折光の光量を抑制でき、強い回折光による画像の劣化を抑制できる。
Example 9
The diffractive optical elements of Examples 1 to 8 are used for the measuring device. By doing so, the variation in the amount of light can be reduced, and measurement can be performed with high accuracy. In addition, the amount of zero-order diffracted light generated by the second diffractive
以上より、実施例6〜8における回折光学素子のスポット数の周辺平均/中心及び最大/最小の値は、比較例1及び2における回折光学素子のスポット数の周辺平均/中心及び最大/最小の値よりも大きくでき、光スポットの分布を投影領域全体により均一に分布させることができる。また、比較例1及び2における回折光学素子とくらべて、実施例6〜8における回折光学素子はピンクッション型の歪みの発生を抑制できる。 From the above, the peripheral average / center and maximum / minimum values of the number of spots of the diffractive optical element in Examples 6 to 8 are the peripheral average / center and maximum / minimum of the number of spots of the diffractive optical element in Comparative Examples 1 and 2. The light spot distribution can be more uniformly distributed over the entire projection area. Further, compared to the diffractive optical elements in Comparative Examples 1 and 2, the diffractive optical elements in Examples 6 to 8 can suppress the occurrence of pincushion-type distortion.
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.
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
40a 測定対象物
40b 測定対象物
50 撮像素子
101 光軸
110 第1の回折光学部
111 回折光群(第1の回折光学部による)
120 第2の回折光学部
121a、121b、121c 回折光群(第1の回折光学部及び第2の回折光学部による)
230 回折光学素子(第1の回折光学部、第2の回折光学部となる)
231 基本ユニット
232 透明基板
233 凸部
10
12 Diffracted light (emitted light)
20
120 Second diffractive
230 Diffractive optical element (becomes first diffractive optical part and second diffractive optical part)
231
Claims (8)
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、
を有し、
前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、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、
前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させたとき、100以上の光スポット数が得られるものであって、
前記第1の回折光学部における回折角度がθ1であり、発生する回折光の光スポットの数がk1であって、前記第2の回折光学部における回折角度がθ2であり、発生する回折光の光スポットの数がk2である場合、
θ1≦θ2かつk1≦k2
であることを特徴とする回折光学素子。 A first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
A second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
Have
In either one or both of the first diffractive optical part and the second diffractive optical part, basic units are two-dimensionally and periodically arranged,
When diffracted light generated by entering light into the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part and diffracted light is generated from the second diffractive optical part, 100 or more lights The number of spots can be obtained,
Wherein a first diffraction angle theta in the first diffractive optical portion, the number of light spots of the diffracted light generated is a k 1, the diffraction angle in the second diffractive optical part is theta 2, generated If the number of light spots of the diffracted light is k 2,
θ 1 ≦ θ 2 and k 1 ≦ k 2
A diffractive optical element characterized by the above.
または、前記第2の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第1の回折光学部により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成される請求項1に記載の回折光学素子。 A projection region of the light spot generated by the diffracted light generated by the first diffractive optical unit is overlapped by the second diffractive optical unit to form a projection region of the diffractive optical element;
Alternatively, the projection area of the diffractive optical element is formed by overlapping the projection area of the light spot by the diffracted light generated by the second diffractive optical section with the first diffractive optical section. The diffractive optical element described.
前記光を入射させ回折光が出射される請求項1から7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;
A diffractive optical element according to any one of claims 1 to 7 in which diffracted light is incident the 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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