CN106154563A - 衍射光学元件及计测装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种衍射光学元件及计测装置，该衍射光学元可将光斑均匀地分布到较大区域，具有：第1衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光；第2衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光，使由于光入射到上述第1衍射光学部而产生的衍射光入射到上述第2衍射光学部，从上述第2衍射光学部产生衍射光，所述衍射光学元件的特征在于，上述第1衍射光学部中的衍射角度为θ₁，产生的衍射光的光斑的数量为k₁，上述第2衍射光学部中的衍射角度为θ₂，产生的衍射光的光斑的数量为k₂时，θ₁≥θ₂且k₁≥k₂，或者θ₁≤θ₂且k₁≤k₂，通过提供该衍射光学元件来解决上述课题。

Description

衍射光学元件及计测装置

本申请为2012年3月2日提交的、申请号为201210053167.5的、发明名称为“衍射光学元件及计测装置”的申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种衍射光学元件及使用了衍射光学元件的计测装置。

背景技术

使入射光的至少一部分衍射的衍射光学元件用于各种光学设备及光学装置等。例如，光学三维计测装置是如下装置：将规定的光的投影图案照射到测定对象物，取得照射有规定的光的投影图案的测定对象物的图像，由此进行三维计测。在该三维计测装置中，衍射光学元件用于生成规定的光的投影图案。

在三维计测装置中，要求在较大范围将光投影，因此存在以下倾向：衍射光学元件的衍射角度变大，作为直进透过衍射光学元件的衍射光的0级衍射光的光量易于变大。该0级衍射光的光量相对于其他衍射光的光量变大时，三维计测装置的拍摄图像在0级衍射光的周围产生模糊等，可能造成图像劣化。因此，优选0级衍射光的光量较低。

专利文献1及2公开了以下方法：进行三维计测时，照射通过衍射光学元件生成的散斑图案，作为照射到计测对象物的光的投影图案。并且，专利文献3公开了使用2个衍射光学元件来降低0级衍射光的光量的方法。

专利文献1：日本特表2009-530604号公报

专利文献2：日本特表2009-531655号公报

专利文献3：日本特表2011-510344号公报

发明内容

专利文献3公开的方法中，向第1个衍射光学元件入射光，使通过第1个衍射光学元件衍射的光入射到第2个衍射光学元件并使之衍射，由此，可使矩形的衍射光的图案在二维上分布。

将衍射光学元件用于三维计测等时，如上所述，对衍射光学元件要求将衍射光分布到较大范围，但在使用2个衍射光学元件时，第1个衍射光学元件的衍射角度和第2个衍射光学元件的衍射角度的和成为整体的衍射角度，因此衍射角度变大，可将衍射光分布到较大范围。

而通常通过衍射光学元件产生的衍射光按照光栅方程式从衍射光学元件以规定的角度出射。因此，从衍射光学元件出射的衍射光，即使衍射光的光斑分布相对于大致以衍射光学元件为中心的球面是均匀的，当投影到平面时，随着衍射光的衍射角度变大，衍射光的光斑的间隔也变大。将该衍射光学元件用于三维计测装置等时，衍射光的衍射角度较大，在光斑间隔较大的区域、即衍射光的光斑的密度稀疏的区域中，检测灵敏度下降，无法进行准确的三维计测。此外，在本说明书中，“大致”是指用肉眼或实体显微镜等光学显微镜观察对象物时能如此看见的情况。

并且，使用衍射光学元件将衍射光投影到平面时，使衍射光分布成投影区域变为大致长方形时，衍射光的投影区域的角落部分伸长，产生所谓枕形畸变。

本发明鉴于上述问题而创立，其目的在于提供一种可使投影区域中的衍射光形成的光斑的密度大致均匀的衍射光学元件，还在于提供一种可进行精密的计测的计测装置。

本发明是一种衍射光学元件，具有：第1衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光；第2衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光，使由于光入射到上述第1衍射光学部而产生的衍射光入射到上述第2衍射光学部，从上述第2衍射光学部产生衍射光，所述衍射光学元件的特征在于，上述第1衍射光学部中的衍射角度为θ₁，产生的衍射光的光斑的数量为k₁，上述第2衍射光学部中的衍射角度为θ₂，产生的衍射光的光斑的数量为k₂时，θ₁≥θ₂且k₁≥k₂，或者θ₁≤θ₂且k₁≤k₂。

并且，本发明的特征在于，通过上述第1衍射光学部产生的衍射光形成的光斑的投影区域通过上述第2衍射光学元件重叠，从而形成上述衍射光学元件的投影区域，或者，通过上述第2衍射光学部产生的衍射光形成的光斑的投影区域通过上述第1衍射光学元件重叠，从而形成上述衍射光学元件的投影区域。

并且，本发明的特征在于，上述第1衍射光学部及/或上述第2衍射光学部中，多个基本单元二维排列。

并且，本发明的特征在于，上述第1衍射光学部形成于一个透明基板，上述第2衍射光学部形成于另一个透明基板。

并且，本发明的特征在于，上述一个透明基板和上述另一个透明基板通过粘接而一体化。

并且，本发明的特征在于，上述第1衍射光学部形成于透明基板的一个面，上述第2衍射光学部形成于上述透明基板的另一个面。

本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，设上述分割的区域中处于上述规定范围的中心区域的区域的上述光斑的数量为M_c、处于上述规定范围的4角的区域的上述光斑的数量的平均值为M_o、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的奇数，且

15°≤θd

M_o/M_c>-0.02173×θd+1.314。

并且，本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，设上述分割的区域中处于上述规定范围的中心区域的区域的上述光斑的数量为M_c、处于上述规定范围的4角的区域的上述光斑的数量的平均值为M_o、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的奇数，且

15°≤θd

0.8≤M_o/M_c≤1.2。

并且，本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，在上述分割的区域中，设上述区域内光斑的数量最多的区域的光斑的数量为M_max、上述区域内光斑的数量最少的区域的光斑的数量为M_min、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的整数，且

15°≤θd

M_min/M_max>-0.01729×θd+1.108。

并且，本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，在上述分割的区域中，设上述区域内光斑的数量最多的区域的光斑的数量为M_max、上述区域内光斑的数量最少的区域的光斑的数量为M_min、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的整数，且

30°≤θd

0.6≤M_min/M_max≤1。

并且，本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，在上述分割的区域中，设上述区域内光斑的数量最多的区域的光斑的数量为M_max、上述区域内光斑的数量最少的区域的光斑的数量为M_min、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的整数，且

15°≤θd

0.7≤M_min/M_max≤1。

并且，本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，上述基本单元通过对用于设计的规定的衍射光的图案进行傅里叶变换或傅里叶逆变换而形成，上述用于设计的规定的衍射光的图案中，相对于上述用于设计的规定的衍射光的图案中的中心区域的光强度，周边区域的光强度较高。

并且，本发明是一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，上述分割的区域包括由衍射角为15°以上的衍射光构成的周边区域，上述分割的区域中，相对于上述规定范围的中心区域的光强度，上述周边区域的光强度为0.4以上。

并且，本发明是一种计测装置，其特征在于，具有：发光的光源；上述衍射光学元件，入射有上述光并出射有衍射光；摄像部，拍摄照射有上述衍射光的测定对象物的图像。

在本发明的衍射光学元件中，在具有多个衍射面的衍射光学元件中，可使投影区域中的衍射光形成的光斑的密度大致均匀。并且，在本发明的计测装置中，通过使用本发明的衍射光学元件，可精密地进行准确的计测。

附图说明

图1是现有的衍射光学元件中的衍射光的说明图。

图2是现有的衍射光学元件的光斑分布的说明图。

图3是第1实施方式中的衍射光学元件中的衍射光的说明图。

图4是第1实施方式中的衍射光学元件的光斑分布的说明图。

图5是第1实施方式中的计测装置的构造图。

图6是第1实施方式中的衍射光学元件的构成图。

图7是通过衍射光学元件产生的光斑的说明图。

图8是第1实施方式中的衍射光学元件的说明图。

图9是第1衍射光学部及第2衍射光学部的构造图。

图10是其他第1衍射光学部及第2衍射光学部的构造图。

图11是第2实施方式中的衍射光学元件的构成图。

图12是第2实施方式中的其他衍射光学元件的构成图(1)。

图13是第2实施方式中的其他衍射光学元件的构成图(2)。

图14是第2实施方式中的其他衍射光学元件的构成图(3)。

图15是第2实施方式中的其他衍射光学元件的构成图(4)。

图16是实施例1及4中使用的一个衍射光学部的说明图。

图17是实施例1及4中使用的另一个衍射光学部的说明图。

图18是通过实施例1及4中的衍射光学元件形成的光斑。

图19是实施例2、3及5中使用的一个衍射光学部的说明图。

图20是实施例2、3及5中使用的另一个衍射光学部的说明图。

图21是通过实施例2、3及5中的衍射光学元件形成的光斑。

图22是实施例6中使用的一个衍射光学部的说明图。

图23是实施例6中使用的另一个衍射光学部的说明图。

图24是通过实施例6中的衍射光学元件形成的光斑。

图25是实施例7中使用的一个衍射光学部的说明图。

图26是实施例7中使用的另一个衍射光学部的说明图。

图27是通过实施例7中的衍射光学元件形成的光斑。

图28是实施例8中使用的一个衍射光学部的说明图。

图29是实施例8中使用的另一个衍射光学部的说明图。

图30是通过实施例8中的衍射光学元件形成的光斑。

图31是第3实施方式中的计测装置的构造图。

图32是通过第3实施方式中的衍射光学元件产生的光斑的说明图。

图33是第3实施方式中的衍射光学元件的说明图。

图34是第3实施方式中的衍射光学元件的构造图。

图35是实施例10中的衍射光学元件的说明图。

图36是实施例11中的衍射光学元件的说明图。

图37是实施例12中的衍射光学元件的说明图。

图38是实施例13中的衍射光学元件的说明图。

图39是实施例14中的衍射光学元件的说明图。

图40是比较例3～6中的衍射光学元件的说明图。

图41是比较例7中的衍射光学元件的说明图。

图42是比较例8～11中的衍射光学元件的说明图。

图43是比较例12中的衍射光学元件的说明图。

图44是比较例13中的衍射光学元件的说明图。

图45是对角方向的角度θd和M_o/M_c的值的相关图。

图46是对角方向的角度θd和M_min/M_max的值的相关图。

具体实施方式

以下说明用于实施发明的方式。此外，对同一部件等附加同样的标号并省略说明。

(第1实施方式)

(枕形畸变)

如上所述，使用衍射光学元件将衍射光投影到平面时，使衍射光分布成投影区域大致为长方形的情况下，衍射光的投影区域的角落部分伸长，产生所谓枕形畸变。尤其是在使用2个衍射光学元件时，可增大衍射角度，所以该倾向较明显。产生这种枕形畸变时，从衍射光的投影区域的中心附近朝向4角的周边附近，衍射光的光斑密度变低，即，相对于在衍射光的投影区域的中心附近产生的衍射光的光斑的密度，在作为衍射光的投影区域的4角的周边附近产生的衍射光的光斑的密度降低。因此，将产生该枕形畸变的衍射光学元件用于计测装置时，周边附近的衍射光的光斑密度降低，因此存在计测灵敏度下降的问题。

首先说明产生枕形畸变的原因。如图1所示，通过2个衍射光学元件410及420使光衍射时，使入射光401入射到第1个衍射光学元件410，从而产生衍射光402。通过衍射光学元件410衍射的衍射光402以衍射角度θ_1A衍射，图2(a)表示通过该衍射光学元件410产生的衍射光402形成的光斑的分布。接着，通过使衍射光402入射到第2个衍射光学元件420，产生衍射光403。通过衍射光学元件420衍射的衍射光403以衍射角度θ_2A衍射，图2(c)表示通过该衍射光学元件420产生的衍射光形成的光斑的分布。此外，图2(b)表示入射光相对于衍射光学元件420垂直入射时的衍射光形成的光斑的分布。将该衍射光403照射到平面的投影面440时，如图2(c)所示，在衍射光形成的光斑的投影区域441中，以4角伸长的形状、即产生了所谓枕形畸变的状态投影。

在对比文献2中，将投影面440中的投影区域441分割为多个，对分割的区域分别投影相当于图2(b)所示的光斑分布的光斑分布。具体而言，在图2(c)中以空心圆圈所示的区域的光斑442是如下形成的：通过使作为在图2(a)中以空心圆圈所示的光斑411的衍射光402入射到衍射光学元件420，产生衍射光403，将该衍射光403的光斑投影到投影面440。因此，通过由衍射光学元件410衍射的4个衍射光，分别产生和图2(b)所示的衍射光的光斑分布对应的光斑，形成连接了这些光斑的分布的状态的投影区域441。

这样，入射到衍射光学元件420的衍射光402通过衍射光学元件410衍射，为了扩大投影区域441，优选使通过衍射光学元件410产生的衍射光402的衍射角度较大。

但是，产生枕形畸变的原因是，由衍射光学元件420产生的衍射光中，作为投影区域441的中心部分的光斑的衍射光、与作为周边部分的光斑的衍射光的光路长度不同。此外，设作为投影区域441的中心部分的光斑的衍射光、与作为周边部分的光斑的衍射光的光路长度的差为距离w。即，作为投影区域441的周边部分的光斑的衍射光和作为中心部分的光斑的衍射光相比，以距离w较长地传播，因此和投影到以衍射部分为中心的球面时相比，较宽地投影。尤其是在光路最长的投影区域441的4角，该倾向变得明显，产生4角伸长的枕形畸变。并且，衍射光随着光路变长，衍射光彼此的间隔变大，因此尤其在光路最长的投影区域441的4角，衍射光形成的光斑的间隔变大，光斑的密度变小。这一点在使衍射光学元件410和衍射光学元件420所设置的位置相反时也同样。

接着根据图3及图4说明本实施方式的衍射光学元件。本实施方式的衍射光学元件30如下所述，具有相当于2个衍射光学元件的第1衍射光学部110和第2衍射光学部120。在本实施方式的衍射光学元件中，第1衍射光学部110的衍射角度为θ₁，产生的衍射光的光斑的数量为k₁，第2衍射光学部120的衍射角度为θ₂，产生的衍射光的光斑的数量为k₂。通过使作为入射光的光束11入射到第1衍射光学部110，产生衍射光组111，通过使衍射光组111入射到第2衍射光学部120，产生衍射光组121a、121b、121c、……，在投影面140上通过衍射光形成的光斑形成投影区域141。

本实施方式的衍射光学元件，通过使θ₁≥θ₂且k₁≥k₂，由第1衍射光学部110产生的图4(a)所示的衍射光的光斑分布(投影区域)通过第2衍射光学部120在错开了光斑分布的位置的状态下重叠，投影到投影面140，从而形成投影区域141。这样，使通过第1衍射光学部110产生的光斑分布在投影面140上重叠，从而可使投影区域141的4角的周边部分的光斑的密度与投影区域141的中心部分大致相同，可在投影区域141中使光斑大致均匀地分布。此外，图4(c)表示投影到投影面140的光斑的投影区域141，图4(b)表示入射光相对于第2衍射光学部120垂直入射时的衍射光形成的光斑的分布。在本实施方式中，将通过第1衍射光学部110产生的光斑分布的区域记述为通过第1衍射光学部110产生的光斑的投影区域，将通过第2衍射光学部120产生的光斑分布的区域记述为通过第2衍射光学部120产生的光斑的投影区域。并且，在图4(c)中由空心圆圈所示的4个光斑142如下形成：在图4(a)中由空心圆圈所示的衍射光的光斑112通过第2衍射光学部120衍射并投影到投影面140。

此外，上述内容在使θ₁≤θ₂且k₁≤k₂时也同样。因此，只要是θ₁≥θ₂且k₁≥k₂、或θ₁≤θ₂且k₁≤k₂的任意一种情况，就可获得同样的效果。

在本实施方式中，如上所述，可抑制枕形畸变，但将衍射光学元件30用于计测设备等时，为了在投影区域141的中心部分和4角的周边部分变得较均匀，例如在图4(a)所示的光斑的分布中形成为和中心部分相比在周边部分产生较多的光斑即可。

以下详细说明本实施方式。

(计测装置)

根据图5说明本实施方式的计测装置。图5表示本实施方式的计测装置的构成的一例。本实施方式的计测装置10具有：光源20、衍射光学元件30及摄像元件50。衍射光学元件30是下述本实施方式的衍射光学元件，通过使从光源20出射的光束(入射光)入射，而产生衍射光12。并且，摄像元件50用于拍摄照射有通过衍射光12产生的光斑的投影图案的测定对象物40a及40b。

衍射光学元件30用于产生多个衍射光12，通过由该衍射光12产生的光斑，形成所需的投影图案。因此，将该投影图案照射到测定对象物40a及40b，通过摄像元件50拍摄照射有投影图案的状态的图像，从而取得测定对象物40a及40b的三维形状等信息。此外，为了进行三维计测，优选光斑的数量为100以上，并且，衍射光学元件30优选如下形成：最大衍射角度θ_xmin、θ_xmax为30°以上，即可产生衍射角度为30°以上的衍射光。

(衍射光学元件)

接着说明本实施方式的衍射光学元件30。如图6所示，本实施方式的衍射光学元件30具有第1衍射光学部110和第2衍射光学部120。第1衍射光学部110是通过使光束11入射而产生衍射光111a、111b、111c、……这n₁个衍射光组111的衍射光学元件。第2衍射光学部120是通过使衍射光111a、111b、111c、……这n₁个衍射光组111入射而产生n₂个衍射光组121a、121b、121c……的衍射光学元件。由此，可增加衍射光个数，可产生衍射角大的衍射光。因此，可在投影面140的较大范围内分布衍射光的光斑。并且在本实施方式中，设作为入射光的光束11的光轴101方向为Z轴，与光束11的光轴101垂直的方向为X轴、Y轴。此外，设X轴和Y轴正交。

形成本实施方式的衍射光学元件的第1衍射光学部110和第2衍射光学部120均用于产生衍射光，在这一点上相同。接着说明作为第1衍射光学部110及第2衍射光学部120的衍射光学元件230。

如图7所示，通过向衍射光学元件230入射作为入射光的光束210，产生衍射光组211。设衍射光组211中相对于光轴101的衍射角度最大的衍射光211a的衍射角度为θ_a，将其设为衍射角度范围θ_x。并且，设此时的衍射范围的中心相对于光轴101的角度(中心角度)θ₀是0°。此外，在相对于光轴101与衍射光211a相反的位置附近，产生衍射角度为θ_b的衍射光211b，但θ_a和θ_b的差较大时，例如θ_a和θ_b的差为3°以上时，也可以设衍射角度范围θ_x＝(θ_a+θ_b)/2，中心角度θ₀＝(θ_a-θ_b)/2。

并且，也考虑在相对于光轴101与衍射光211a相反一侧未产生衍射光的情况，即仅在相对于光轴101产生衍射光211a的一侧产生衍射光组的情况。此时，设最靠近光轴101的衍射光的衍射角度为θ_c时，也可以设衍射角度范围θ_x＝(θ_a-θ_c)/2，中心角度θ₀＝(θ_a+θ_c)/2。

在本实施方式中，如上所述，设作为该衍射角度范围θ_x的角度为衍射角度、第1衍射光学部110中的衍射角度为θ₁、第2衍射光学部120中的衍射角度为θ₂、本实施方式的衍射光学元件30中的衍射角度为θ。

接着较详细地说明衍射光学元件230。通过使作为入射光的光束210入射到衍射光学元件230，产生衍射光211。该衍射光211是在数式1所示的光栅方程式中，以Z轴方向为基准，以X方向上的角度为θ_x、Y方向上的角度为θ_y衍射的光。在数式1所示的公式中，m_x是X方向的衍射级数，m_y是Y方向的衍射级数，λ是光束210的波长，P_x、P_y是下述衍射光学元件的基本单元的X轴方向、Y轴方向上的间距。通过将该衍射光12照射到屏幕或测定对象物等投影面上，而在照射的区域上生成多个光斑。

(数式1)

sinθ_x＝m_xλ/P_x

sinθ_y＝m_yλ/P_y

此处，数式1所示的公式是入射光相对于衍射光学元件垂直入射时的公式。在图1中表示入射光11相对于衍射光学元件30垂直入射的状态，但当光源是激光光源等时，为防止来自衍射光学元件30的反射光变为返回光并入射到激光光源等，可从与衍射光学元件30垂直的方向倾斜的方向使入射光11入射。这是因为，在返回光入射到激光光源等时，因干扰的影响，激光的激振有时变得不稳定。

作为该衍射光学元件30，可使用通过迭代傅里叶变换法等设计的衍射光学元件。此处，衍射光学元件是指周期性地、例如二维地使产生规定的相位分布的基本单元排列而成的光学元件。在该衍射光学元件中，远方的衍射光的衍射级数的分布可通过基本单元的傅里叶变换获得。这一点可通过标量衍射理论说明。电磁场是矢量，但在各向同性的介质中可由标量表示，时间t_m、点A的标量函数u(A，t_m)可由数式2所示的公式表示。

(数式2)

u(A，t_m)＝Re[U(A)exp(-iωt_m)]

数式2所示的公式表示入射的光是单色光的情况，U(A)是点A上的复振幅，ω是角频率。数式2所示的标量函数在全体空间上满足数式3所示的波动方程式。

(数式3)

${\▿}^{2}u-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^{2}u}{\∂t^2}=0$

将数式2所示的公式代入到数式3所示的公式后，可获得数式4所示的亥姆霍兹方程式。

(数式4)

$({\▿}^2+k^2)u=0$

此处，k是波数，k＝2π/λ。通过求解数式3所示的公式，计算出空间中的标量函数的分布。并且，将提供某一相位分布的充分薄的平面屏幕用Σ表示，设Σ上的点为A₁，对平面波透过Σ时的点A₀的标量函数使用基尔霍夫的边界条件，由数式4所示的公式进行计算，则设r₀₁为点A₀和点A₁的距离时，可获得数式5所示的公式。

(数式5)

$u\left(A_0\right)\∝\∫{\∫}_{\mathrm{\Σ}}u\left(A_1\right)\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_{01}}}{r_{01}}dS$

进一步，设点A₀的坐标为(x₀，y₀，O)，点A₁的坐标为(x₁，y₁，z)，设z是比|x₀-x₁|、|y₀-y₁|充分大的值时，通过展开r₀₁，可获得数式6所示的夫琅和费近似式。

(数式6)

$u(x_0,y_0)\∝\∫{\∫}_{\mathrm{\Σ}}u(x_1,y_1)e^{-i(k/z)(x_0{x}_1+y_0{y}_1)}dS$

这相当于由屏幕提供的相位分布的傅里叶变换。尤其是，屏幕后的相位分布u(A₁)具有在X轴方向上间距P_x、Y轴方向上间距P_y的周期性时，u(A₀)如下述数式7所示，产生(m，n)级衍射光。

(数式7)

sinθx_out＝sinθx_in+m×λ/P_x

sinθy_out＝sinθy_in+n×λ/P_y

此时，(m，n)级衍射光的衍射效率η_mn，使用具有周期性的基本单元的相位分布u’(x₁，y₁)，由下式8的公式表示。并且，m、n是整数，θx_in及θy_in是入射光的X方向及Y方向的与Z轴所成的角度，θx_out及θy_out是出射光的X方向及Y方向的与Z轴所成的角度。

(数式8)

${\mathrm{\η}}_{mn}\∝|{\∫}_0^{P_x}{\∫}_0^{P_y}{u}^{\′}(x_1,y_1)e^{-i(2\mathrm{\π}mx/P_x+2\mathrm{\π}ny/P_y)}dS{|}^2$

因此，如果可获得基本单元的相位分布，则可通过其傅里叶变换进行衍射光的强度分布的计算，所以通过使基本单元的相位分布最优化，可获得产生所需分布的衍射光的衍射光学元件。

接着，根据图8说明衍射光学元件230的构造。衍射光学元件230如图8(a)所示，X轴方向上间距P_x、Y轴方向上间距P_y的基本单元231以二维状周期性排列。具体而言，具有图8(b)所示的相位分布。在图8(b)中，表示以涂黑的区域为凸部、中空的区域为凹部的方式形成凹凸图案的衍射光学元件230。衍射光学元件230可产生相位分布即可，可以是：在玻璃、树脂材料等透过光的部件的表面形成了凹凸图案的构造；在形成了凹凸图案的透明的部件上粘贴和该部件折射率不同的部件，使表面的凹凸图案平坦的构造；以及在透明部件中改变折射率的构造。即，此处，凹凸图案不仅意味着表面形状是凹凸的情况，而且还包括可对入射光提供相位差的构造。此外，在衍射光学元件230上二维配置基本单元231时，基本单元无需是整数个，在凹凸图案内含有一个以上的基本单元时，凹凸图案和不具有凹凸图案的区域的边界也可与基本单元的边界不一致。

图9表示作为衍射光学元件230的一例，通过在由玻璃等构成的透明基板232的表面形成凸部233而形成凹凸图案的构造的衍射光学元件230的截面示意图。此外，在该衍射光学元件230中，在透明基板232的表面，未形成凸部233的区域成为凹部234。

透明基板232相对于入射光透明即可，除玻璃基板外可使用树脂基板、树脂薄膜等各种材料，但玻璃、石英等光学各向同性的材料不会对透光性造成多折射性的影响，因此优选使用。并且，透明基板232例如通过在和空气的界面上形成多层膜构成的防反射膜，可降低菲涅尔反射造成的光反射。

并且，作为形成凸部233的材料，可使用有机材料、无机材料、有机无机复合材料。作为形成凸部233的方法、即形成由凸部233和凹部234构成的凹凸图案的方法，可使用通过光刻和蚀刻而形成的方法、基于通过模具转印凹凸图案的注塑成型、压印的方法等。并且，凸部233无需由单一的材料形成，例如也可通过由无机材料构成的多层膜形成凸部233。进一步，也可形成在凸部233表面形成设有用于降低表面反射的防反射膜的构造、或防反射构造。

并且如图10所示，衍射光学元件230中，在表面形成了凸部233的透明基板232的形成凸部233的一侧，设置透明基板235，在透明基板232和透明基板235之间，填入折射率与形成凸部233的材料的折射率不同的透明树脂236。此外也可是，不设置透明基板235，在透明基板232的形成凸部233的一侧，形成折射率和形成凸部233的材料的折射率不同的透明树脂236，使透明树脂236的表面平坦化。

该衍射光学元件230可使用迭代傅里叶变换法等方法制造。更具体而言，衍射光学元件的基本单元231的相位分布和衍射光的电场分布是傅里叶变换的关系，因此通过对衍射光的电场分布进行傅里叶逆变换，可获得基本单元231的相位分布。

并且，在制作衍射光学元件230时，仅衍射光的强度分布成为限制条件，不包括相位条件，因此基本单元231的相位分布是任意的。在迭代傅里叶变换法中，从衍射光的光强度分布的傅里叶逆变换提取基本单元的相位分布的信息，将获得的相位分布作为基本单元的相位分布，进一步进行傅里叶变换。由此，傅里叶变换的结果和规定的衍射光的光强度的分布的差分成为评价值，通过重复进行上述计算，可获得评价值为最小的衍射光学元件的相位分布作为最优设计。

衍射光学元件的设计算法除此以外还包括Bernard Kress、Patrick Meyrueis著、“数字衍射光学”(丸善)等中记载的各种算法。并且，作为傅里叶变换的方法，可使用快速傅里叶变换算法等。

(第2实施方式)

接着说明第2实施方式。本实施方式的衍射光学元件是使第1衍射光学部和第2衍射光学部一体化的构造，并且是在一个基板的一个面上形成作为第1衍射光学部的凸部、在另一个面上形成作为第2衍射光学部的凸部的构造。由此，无需使第1衍射光学部和第2衍射光学部位置一致，衍射光学元件得以小型化。

图11所示的衍射光学元件中，在透明基板302的一个面上，形成第1衍射光学部的凸部303，由此通过未形成凸部303的区域的凹部304和凸部303形成凹凸图案，在透明基板302的另一个面上，形成第2衍射光学部的凸部305，由此通过未形成凸部305的区域的凹部306和凸部305形成凹凸图案。

并且，图12至图15是通过粘接材料等粘接并接合第1衍射光学部310和第2衍射光学部320后的构造的衍射光学元件。第1衍射光学部310通过在透明基板312的表面形成凸部313，由未形成凸部313的区域的凹部314和凸部313形成凹凸图案。并且，第2衍射光学部320通过在透明基板322的表面形成凸部323，由未形成凸部323的区域的凹部324和凸部323形成凹凸图案。此外，本实施方式的第1衍射光学部310等相当于第1实施方式中的第1衍射光学部110，第2衍射光学部320等相当于第1实施方式中的第2衍射光学部120。

图12所示的衍射光学元件是，使在第1衍射光学部310中未形成凸部313的面和在第2衍射光学部320中未形成凸部323的面相对，通过粘接剂340将相对的面彼此接合而成。

并且，图13所示的衍射光学元件是，使在第1衍射光学部310中形成了凸部313的面和在第2衍射光学部320中形成了凸部323的面相对，通过粘接剂340使相对的面彼此接合而成。

并且，图14所示的衍射光学元件是，使在第1衍射光学部310中未形成凸部313的面和在第2衍射光学部320中形成了凸部323的面相对，通过粘接剂340使相对的面彼此接合而成。

并且，图15所示的衍射光学元件是，使在第1衍射光学部310中未形成凸部313的面和在第2衍射光学部320中形成了凸部323的面相对，通过粘接剂340使相对的面彼此的周围接合而成。

(实施例)

接着说明实施例。表1～表3表示例1～例10所示的衍射光学元件的构成的汇总。此外，在本申请中，例1～例8是实施例1～8，例9、例10是比较例1、2。例1～例10中，作为第1衍射光学部及第2衍射光学部中的透明基板使用石英，设入射的光束的波长λ为830nm。在表1中示出：通过第1衍射光学部产生的光斑数n₁、产生的级数中X方向上最大、最小的级数、Y方向上最大、最小的级数、配置基本单元的X方向、Y方向的间距P_x、P_y、衍射部的段数、各段的高度。并且，示出形成该构成时可获得的衍射角度θ₁，同时示出X轴上的衍射光的衍射角度、Y轴上的衍射光的衍射角度可取的最大值。

(表1)

表2示出通过第2衍射光学部产生的光斑数n₂、产生的级数中X方向上最大、最小的级数、Y方向上最大、最小的级数、配置基本单元的X方向、Y方向的间距P_x、P_y、衍射部的段数、各段的高度。并且，示出形成该构成时可获得的衍射角度θ₂，同时示出X轴上的衍射光的衍射角度、Y轴上的衍射光的衍射角度可取的最大值。在第2衍射光学部中，将以规定的入射角入射光束时产生的相位差作为基准进行设计，将此时的入射角作为设计入射角示出。同时示出根据设计入射角计算的及的值，向第2衍射光学部入射光束时，若进行分光测定则波长中示出与以波长λ、入射角入射时类似的特性。此外，是向第2衍射光学部以角度入射光时，设在第2衍射光学部中折射的角度为时，的值。此处，作为第2衍射光学部的凹部使用空气以外的介质时，可将根据凹部的介质的折射率按斯涅尔定律计算的角度作为的值使用。

(表2)

表3示出透过2个衍射部的光束的衍射角度θ，同时示出X轴上的衍射光的衍射角度、Y轴上的衍射光的衍射角度可取的最大值。

(表3)

表4及表5表示例1～例10所示的衍射光学元件的特性值的汇总。表4及表5示出通过计算求出向第1衍射光学部入射强度1的光束时可获得的衍射光的强度的平均值μ₁、标准偏差σ₁。在计算中，未考虑通过衍射部的界面产生的反射。并且，以百分比来表示除以平均值μ₁的标准偏差σ₁的值，将其称为第1衍射光学部形成的光量波动。

并且，示出通过计算求出向第2衍射光学部以规定的入射角度入射强度1的光束时可获得的衍射光的强度的平均值μ₂、标准偏差σ₂。在计算中，未考虑通过衍射部的界面产生的反射。并且，以百分比来表示除以平均值μ₂的标准偏差σ₂的值，将其称为第2衍射光学部120形成的光量波动。进一步，衍射光学元件的光量波动通过σ＝{(σ₁/μ₁)²+(σ₂/μ₂)²}^0.5求出。并且，示出各入射角度下的第2衍射光学部120的0级衍射光的光量。

并且示出在从衍射光学元件离开规定位置的屏幕上对通过衍射光学元件产生的衍射光中因设计而产生的衍射光的光斑进行计测时的计算结果。屏幕位置作为计测位置表示，使用屏幕上的坐标(X，Y)表示长方形的计测范围。并且，将根据衍射光学元件的位置测定的计测范围的对角方向的角度作为计测范围角度表示。光斑计测时，计测将计测范围在X方向上分割为9份、在Y方向上分割为9份的面积均匀的计测区域内的光斑。在表4及表5中，设X坐标、Y坐标最小的计测区域为R(1，1)，X坐标、Y坐标最大的计测区域为R(9，9)时，示出中心区域R(5，5)的光斑、周边区域R(1，1)、R(1，9)、R(9，1)、R(9，9)的光斑数的平均值、区域R(1，1)～R(9，9)中的光斑数的最大值、最小值。

并且，表6示出通过计算求出在例3～例5所示的衍射光学元件中，光相对于第2衍射光学元件垂直入射时，以表6所述的各波长向第2衍射光学部以规定的入射角度入射强度1的光束时可获得的衍射光的强度的平均值μ₂、标准偏差σ₂。在计算中，未考虑通过衍射部的界面产生的反射。并且，示出各波长下的第2衍射光学部120的0级衍射光的光量。

(表4)

(表5)

(表6)

(实施例1)

实施例1是表1～4中的例1所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁≤θ₂时的例子。图16(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图16(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图17(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图17(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图18表示，透过本实施例的衍射光学元件、即2个第1衍射光学部110及第2衍射光学部120的光中，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围12.5°使光束出射，如表4所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角12.5°的光束产生3.9％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的5.2％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生6.5％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.538。

(实施例2)

实施例2是表1～3、5中的例2所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁≤θ₂时的例子。图19(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图19(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图20(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图20(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图21表示，透过本实施例的衍射光学元件、即2个第1衍射光学部110及第2衍射光学部120的光中，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围17.6°使光束出射，如表5所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角17.6°的光束产生7.6％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的5.2％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生9.2％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.215。

(实施例3)

实施例3是表1～3、5、6中的例3所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁≤θ₂、设第2衍射光学部120的设计入射角为12.5°时的例子。图19(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图19(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图20(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图20(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图21表示，透过2个衍射部的光束中，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。并且，第2衍射光学部120设计为，在入射角12.5°下光量波动、0级衍射光为最小，使用垂直入射的光束进行分光时，在波长816nm下光量波动、0级衍射光为最小。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围17.6°使光束出射，如表5所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角17.6°的光束产生3.9％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的5.2％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生6.5％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.215。

(实施例4)

实施例4是表1～4、6中的例4所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁>θ₂、第2衍射光学部120以入射角度为18.5°进行设计时的例子。图17(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图17(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图16(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图16(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图18表示，透过2个衍射部的光束中，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。并且，第2衍射光学部120设计为，在入射角18.5°下光量波动、0级衍射光为最小，使用垂直入射的光束进行分光时，在波长800nm下光量波动、0级衍射光为最小。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围25.9°使光束出射，如表4所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角25.9°的光束产生6.1％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的0.4％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生6.1％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.538。

(实施例5)

实施例5是表1～3、5、6中的例5所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂为θ₁>θ₂、第2衍射光学部120以入射角度27.2°进行设计时的例子。图20(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图20(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图19(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图19(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图21表示，透过2个衍射部的光束中，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。并且，第2衍射光学部120设计为，在入射角27.2°下光量波动、0级衍射光最小，使用垂直入射的光束进行分光时，在波长765nm下光量波动、0级衍射光为最小。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围37.6°使光束出射，如表5所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角37.6°的光束产生8.5％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的0.4％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生8.5％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.215。

(实施例6)

实施例6是表1～4中的例6所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁≤θ₂、通过第1衍射光学部110产生的光斑数n₁和通过第2衍射光学部120产生的光斑数n₂满足n₁≤n₂时的例子。图22(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图22(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图23(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图23(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图24表示，透过本实施例的衍射光学元件、即2个第1衍射光学部110及第2衍射光学部120的光中，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围2.6°使光束出射，如表4所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角2.6°的光束产生3.0％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的0.5％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生3.1％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.768。

(实施例7)

实施例7是表1～4中的例7所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁≤θ₂、通过第1衍射光学部110产生的光斑数n₁和通过第2衍射光学部120产生的光斑数n₂满足n₁≤n₂时，第1衍射光学部110和第2衍射光学部120分别由2段衍射部构成时的例子。从第1衍射光学部110和第2衍射光学部120出射的投影图案以0级衍射光为中心呈点对称。图25(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图25(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图26(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻在形成了第1衍射光学部的基板的背面进行加工，以形成表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图26(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图27表示，透过本实施例的衍射光学元件、即2个第1衍射光学部110及第2衍射光学部120的光中，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围2.6°使光束出射，如表4所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角2.6°的光束产生5.8％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的0.5％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生5.8％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.768。

(实施例8)

实施例8是表1～3、5中的例8所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部110的衍射角度θ₁和第2衍射光学部120的衍射角度θ₂满足θ₁≤θ₂、通过第1衍射光学部110产生的光斑数n₁和通过第2衍射光学部120产生的光斑数n₂满足n₁≤n₂时的例子。图28(a)表示第1衍射光学部110的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图28(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图29(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻加工为表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图29(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图30表示，透过本实施例的衍射光学元件、即2个第1衍射光学部110及第2衍射光学部120的光中，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部110，在衍射角度范围3.5°使光束出射，如表5所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角3.5°的光束产生2.5％的光量波动，与第1衍射光学部110产生的0.5％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生2.5％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.581。

(比较例1)

比较例1是表1～4中的例9所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部的衍射角度θ₁和第2衍射光学部的衍射角度θ₂满足θ₁>θ₂时的例子。图17(a)表示第1衍射光学部的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图17(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图16(a)表示第2衍射光学部120的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻加工为表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图16(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图18表示，透过本比较例的衍射光学元件的光中，通过位于554.3mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部，在衍射角度范围25.9°使光束出射，如表4所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角25.9°的光束产生8.3％的光量波动，与第1衍射光学部产生的0.4％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生8.3％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.538。

(比较例2)

比较例2是表1～3、5中的例10所示的衍射光学元件，表示第1衍射光学部的衍射角度θ₁和第2衍射光学部的衍射角度θ₂满足θ₁>θ₂时的例子。图20(a)表示第1衍射光学部的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻进行加工，以形成表1所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图20(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

图19(a)表示第2衍射光学部的基本单元。对该基本单元通过光刻、蚀刻加工为表2所示的间距P_x、P_y、衍射部段数、1段高度。图19(b)表示，当光垂直入射到该衍射部时，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。图21表示，透过本比较例的衍射光学元件的光中，通过位于342.8mm的位置的屏幕上的设计而产生的衍射光的光斑分布。

通过第1衍射光学部，在衍射角度范围37.6°使光束出射，如表5所示，在第2衍射光学部120中，相对于入射角37.6°的光束产生14.9％的光量波动，与第1衍射光学部产生的0.4％的光量波动一起，衍射光学元件整体最大产生14.9％的光量波动。并且，屏幕上的周边区域和中心区域的光斑数的比为0.215。

(实施例9)

将实施例1～8的衍射光学元件用于计测装置。由此可使光量波动较小，可以较高精度进行计测。并且，可抑制通过第2衍射光学部120产生的0级衍射光的光量，可抑制较强的衍射光造成的图像劣化。

由以上可知，实施例6～8中的衍射光学元件的光斑数的周边平均/中心及最大/最小的值，可大于比较例1及2中的衍射光学元件的光斑数的周边平均/中心及最大/最小的值，可使光斑的分布在整个投影区域上较均匀地分布。并且，和比较例1及2中的衍射光学元件相比，实施例6～8中的衍射光学元件可抑制枕形畸变的发生。

(第3实施方式)

接着说明第3实施方式。本实施方式提供一种衍射光学元件，在将衍射光投影到平面时，在衍射光的衍射角度较大的区域中，也可形成与衍射光的衍射角度较小的区域大致相同密度的光斑。

(计测装置)

并且，在图31所示的计测装置10中，也可替代衍射光学元件30，设置组合了液晶显示面板等图案生成源和投影透镜的装置，从而产生规定的光斑的图案。

(衍射光学元件)

如上所述，在通常的衍射光学元件中，将衍射光投影到由平面构成的投影面时，在衍射角度小的区域中，光斑的分布变得密集，在衍射角度大的区域中，光斑的分布变得稀疏。并且，比较衍射角度大的衍射光和衍射角度小的衍射光的光量后，确认相对于衍射角度小的光，衍射角度大的光的光量较低。因此，衍射角度小且大致为0的中心区域中，光斑的分布密集，各光斑的光量也成为所设计的规定光量，与之相对，衍射角度大的周边部分的区域中，光斑的分布稀疏，各光斑的光量也比规定光量低。因此，中心区域较亮，周边部分进一步变暗。

接着说明本实施方式的衍射光学元件30。衍射光学元件30中，相对于入射的光束11出射的衍射光12形成为具有二维分布。设入射到衍射光学元件30的光束11的光轴方向为Z轴，设与Z轴有交点并与Z轴垂直的轴为X轴及Y轴时，在X轴上的最小角度θx_min到最大角度θx_max、及Y轴上的未图示的最小角度θy_min到最大角度θy_max的角度范围内，分布有光束组。此处，X轴与光斑图案的长边大致平行，Y轴与光斑图案的短边大致平行。此外，通过X轴方向上的最小角度θx_min到最大角度θx_max、Y轴方向上的最小角度θy_min到最大角度θy_max形成的衍射光12所照射的范围，是与摄像元件50的摄像范围大致一致的范围。以下如图32所示，在光斑图案中，通过相对于Z轴X方向的角度为θx_max的光斑的与Y轴平行的直线成为上述短边，通过相对于Z轴Y方向的角度为θy_max的光斑的与X轴平行的直线成为上述长边。设连接上述短边与上述长边的交点和衍射光学元件的直线、与Z轴所成的角度为θ_d，将该角度称为对角方向的角度。

并且，通常衍射光学元件30的截面由凹凸形状、炫耀形状等形成，但当衍射光学元件30的截面以连续的炫耀形状以外的形状形成时、或虽然截面是炫耀形状但制造上有波动时，存在除了所需的衍射光外产生杂散光的情况。但是，该杂散光在设计阶段是未预料到的，不是所需的衍射光，因此假设不包含在分布于上述角度范围内的光中。本实施方式的衍射光学元件30优选如下形成：杂散光的光强度相对于所需的衍射光的光强度的平均值为70％以下。并且，衍射光学元件30优选如下形成：相对于入射的光量，出射的所需的衍射光的光量的和为50％以上。由此，可以较高的光利用效率形成由光斑等构成的投影图案。

图32是表示在衍射光学元件30中衍射的衍射光12、与通过其生成的光斑13的关系的示意图。通过使作为入射光的光束11入射到衍射光学元件30，产生衍射光12。该衍射光12在数式9所示的光栅方程式中，是以将Z轴方向作为基准X方向上的角度θ_x、Y方向上的角度θ_y衍射的光。在数式9的公式中，m_x是X方向的衍射级数，m_y是Y方向的衍射级数，λ是光束11的波长，P_x、P_y是下述衍射光学元件的基本单元的X轴方向、Y轴方向上的间距。通过将该衍射光12照射到屏幕或测定对象物等投影面上，在照射的区域上生成多个光斑13。设在该投影面上生成的光斑的数量为M。

(数式9)

sinθ_x＝m_xλ/P_x

sinθy＝myλ/Py

此处，数式9所示的公式是入射光垂直入射到衍射光学元件时的公式。在图31中，表示入射光11垂直入射到衍射光学元件30的状态，但当光源是激光光源等时，为了防止来自衍射光学元件30的反射光成为返回光并入射到激光光源等，也可使入射光11从相比与衍射光学元件30垂直的方向倾斜的方向入射。这是因为，当返回光入射到激光光源等时，因干涉的影响，激光的激振有时变得不稳定。

(光斑的分布)

在投影面上，考虑将X轴上附近的最小角度θx_min到最大角度θx_max的范围等间隔地分割为N_x份、将Y轴上附近的最小角度θy_min到最大角度θy_max的范围等间隔地分割为N_y份的区域，设上述各区域为R(i，j)。此外，N_x、N_y是3以上、M^0.5以下的奇数，i是1到N_x的任意一个整数，j是1到N_y的任意一个整数。对于i，设靠近θx_min的位置的区域为i＝1，随着靠近θx_max，i的值增加。并且，对于j，设靠近θy_min的位置的区域为j＝1，随着靠近θy_max，j的值增加。此外，N_x、N_y的值较大时，统计性的波动也变大，因此N_x、N_y的值优选为15以下。

此处，以如下方式形成衍射光学元件：使中心区域R((i+1)/2，(j+1)/2)中含有的衍射光的光斑的数量M_c、和周边区域R(1，1)、R(1，N_y)、R(N_x，1)、R(N_x、N_y)中含有的衍射光的光斑的数量的平均值M_O满足下式10。由此，可减小周边区域的衍射光的光斑的数量和中心区域的衍射光的光斑的数量的差，可获得大致均匀分布的光斑。从而可抑制周边区域中的整体光量的下降。并且，通过以满

足数式11的方式形成衍射光学元件，也可减小周边区域的衍射光的光斑的数量和中心区域的衍射光的光斑的数量的差，可获得大致均匀分布的光斑。此外，M_O/M_c的值最优选是1，通过设定以1为中心的范围，可大致均匀地分布光斑。

(数式10)

15°≤θ_d＜90°

M_o/M_c＞-0.02173θ_d+1.314

(数式11)

15°≤θ_d＜90°

0.8≤M_o/M_c≤1.2

并且，各区域R(i，j)中含有的衍射光的光斑的最大个数M_max和衍射光的光斑的最小个数M_min也可形成为满足下式12。由此，可减小各区域R(i，j)中的衍射光的光斑的差，可获得大致均匀分布的光斑。从而可抑制光量易下降的周边区域中的整体光量的下降。并且，通过以满足数式13的方式形成衍射光学元件，也可减小光量易下降的周边区域的衍射光的光斑的数量和中心区域的衍射光的光斑的数量的差，可获得大致均匀分布的光斑。并且，通过以满足数式14的方式形成衍射光学元件，可进一步减小光量易下降的周边区域的衍射光的光斑的数量和中心区域的衍射光的光斑的数量的差，可获得大致均匀分布的光斑。此外，M_min/M_max的值最优选是1，通过设定以1为中心的范围，可大致均匀地分布光斑。

(数式12)

15°≤θ_d＜90°

M_in/M_max＞-0.01729θ_d+1.108

(数式13)

30°≤θ_d＜90°

0.6≤M_min/M_max≤1.4

(数式14)

15°≤θ_d＜90°

0.7≤M_min/M_max≤1.3

此处，计测光斑的个数的投影面不限于相对于Z轴垂直的平面，也可是倾斜的平面。并且，光斑的分布在投影面上是椭圆形等四边形以外的形状的情况下，通过考虑与该图形内接的四边形区域，可进行同样的评价。并且，除了考虑内接的四边形区域以外，也可用光斑的个数除以投影范围的面积求出光斑的密度，进行中心部和周边部的密度的比较，从而可获得中心和周边的光斑数量均匀的光斑分布。

进一步，在通过取得测定对象物的图像进行三维计测的装置中，取得图像的摄像装置的透镜为广角时，在中心部和周边部产生畸变。具体而言，取得虽然是均匀的光斑图案但中心部密集而周边部稀疏的图像。为解决该问题，将对光斑投影的投影面从平面设置为再现广角透镜的疏密的曲面。即，也可将通过将在上述曲面上分布的光斑投影到平面上而二维化后的面作为进行光斑计测的投影面。

作为使该衍射光12出射的衍射光学元件30，可使用通过迭代傅里叶变换法等设计的衍射光学元件。此处，衍射光学元件是指周期性地例如二维地排列产生规定相位分布的基本单元而成的光学元件。在该衍射光学元件中，远方的衍射光的衍射级数的分布可通过基本单元的傅里叶变换获得。这一点通过标量衍射理论说明。电磁场是矢量，但在各向同性的介质中可由标量表示，时间t_m、点A的标量函数u(A，t_m)可由数式15所示的公式表示。

(数式15)

u(A，t_m)＝Re[U(A)exp(-iωt_m)]

数式15所示的公式表示入射的光是单色光的情况，U(A)是点A处的复振幅，ω是角频率。数式15所示的标量函数在全体空间上满足数式16所示的波动方程式。

(数式16)

${\▿}^{2}u-\frac{1}{c^2}\frac{{\∂}^{2}u}{\∂r^2}=0$

将数式15所示的公式代入到数式16所示的公式后，可获得数式17所示的亥姆霍兹方程式。

(数式17)

$({\▿}^2+k^2)u=0$

其中，k是波数，k＝2π/λ。通过求解数式16所示的公式，计算出空间中的标量函数的分布。并且，将提供某一相位分布的充分薄的平面屏幕用Σ表示，设Σ上的点为A₁，对平面波透过Σ时的点A₀的标量函数使用基尔霍夫的边界条件，通过数式17所示的公式进行计算，则r₀₁为点A₀和点A₁的距离时，可获得数式18所示的公式。

(数式18)

$u\left(A_0\right)\∝\∫{\∫}_{\mathrm{\Σ}}u\left(A_1\right)\frac{e^{{\mathrm{ikr}}_{01}}}{r_{01}}dS$

进一步，设点A₀的坐标为(x₀，y₀，O)，点A₁的坐标为(x₁，y₁，z)，z是比|x₀-x₁|、|y₀-y₁|充分大的值时，通过展开r₀₁，可获得数式19所示的夫琅和费近似式。

(数式19)

$u(x_0,y_0)\∝\∫{\∫}_{\mathrm{\Σ}}u(x_1,y_1)e^{-i(k/z)(x_0{x}_1+y_0{y}_1)}dS$

这相当于通过屏幕提供的相位分布的傅里叶变换。尤其是，屏幕后的相位分布u(A₁)具有X轴方向上间距P_x、Y轴方向上间距P_y的周期性时，u(A₀)如下述数式20所示，产生(m，n)级衍射光。

(数式20)

sinθx_out＝sinθx_in+m×λ/P_x

sinθy_out＝sinθy_in+n×λ/P_y

此时，(m，n)级衍射光的衍射效率η_mn使用周期性的基本单元具有的相位分布u’(x₁，y₁)，以下式21的公式表示。并且，m、n是整数，θx_in及θy_in是入射光的X方向及Y方向上的与Z轴所成的角度，θx_out及θy_out是出射光的X方向及Y方向上的与Z轴所成的角度。

(数式21)

${\mathrm{\η}}_{mn}\∝|{\∫}_0^{P_x}{\∫}_0^{P_y}{u}^{\′}(x_1,y_1)e^{-i(2\mathrm{\π}mx/P_x+2\mathrm{\π}ny/P_y)}dS{|}^2$

因此，如果可获得基本单元的相位分布，则通过其傅里叶变换可进行衍射光的强度分布的计算，所以可使基本单元的相位分布最优化，从而可获得产生所需分布的衍射光的衍射光学元件。

并且，在图中示出在透明基板32的单面形成凹凸图案的情况，但也可是在透明基板32的双面形成凹凸图案的构造的情况。

本实施方式的衍射光学元件30和第1实施方式、第2实施方式一样，可使用迭代傅里叶变换法等方法制造。

通过本实施方式的衍射光学元件形成的光斑分布基于数式10～数式14所示的公式，以下说明产生该光斑分布的衍射光学元件的制造方法。

首先，制造出光斑分布的坐标组，其在与衍射光学元件距离z的投影面上以满足数式10至数式14的任意一个的方式分布光斑。作为此时的光斑分布，可以是随机分布，也可是控制了光斑间隔的分散型分布、具有规则性排列的规则分布。该光斑分布中，设第q个光斑的坐标为(x_q，y_q)。因衍射光的衍射角是(θ_x，θ_y)，因此衍射光的行进方向的波数矢量k以数式22所示的公式表示。

(数式22)

$k=\frac{2\mathrm{\π}}{\mathrm{\λ}}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{sin\θ}}_x\\ {\mathrm{sin\θ}}_y\\ \sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_x-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_y}\end{array}\right)$

根据数式22，为了在坐标(x_q，y_q，z)产生衍射光，使波数矢量k的常数倍为(x_q，y_q，z)即可。即，可以数式23所示的公式表示。

(数式23)

$\left(\begin{array}{c}{x}_q\\ y_q\\ z\end{array}\right)=\mathrm{\β}\left(\begin{array}{c}{\mathrm{sin\θ}}_x\\ {\mathrm{sin\θ}}_y\\ \sqrt{1-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_x-{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_y}\end{array}\right)$

根据数式23，β＝z/(1-sin²θ_x-sin²θ_y)^0.5，sinθ_y＝y_qsinθ_x/x_q，因此使用它们后获得数式24所示的公式。

(数式24)

${\mathrm{sin\θ}}_x=x_q/\sqrt{{x_q}^2+{y_q}^2+z^2}$

${\mathrm{sin\θ}}_y=y_q/\sqrt{{x_q}^2+{y_q}^2+z^2}$

因此，使用数式1所示的公式时，获得下述数式25的公式。在数式25中，左边的值是整数，但一般情况下，右边不是整数。因此，将和右边的值最接近的整数设为(m_qx，m_qy)，使其与在坐标(x_q，y_q，z)产生衍射光的衍射光学元件的级数对应。

(数式25)

$m_x=x_q{P}_x/\left(\mathrm{\λ}\sqrt{{x_q}^2+{y_q}^2+z^2}\right)$

$m_y=y_q{P}_y/\left(\mathrm{\λ}\sqrt{{x_q}^2+{y_q}^2+z^2}\right)$

通过对M个点进行上述计算，可获得与光斑分布中的各光斑的坐标组(x_q，y_q)(q＝1～M)对应的衍射级数的组合(m_qx，m_qy)(q＝1～M)。

由以上所述，可获得具有规定的光斑分布的本实施方式的衍射光学元件。由此，在本实施方式的衍射光学元件中，可在投影面上使光斑分布更均匀。

(光斑的光量)

接着说明减少投影面上的各光斑的光量差的方法。如上所述，在通常的衍射光学元件的投影面上，周边部的光斑的光量比中心区域的光斑的光量低。因此，周边部和中心区域相比整体变暗。

对这一点进行研究后发现，尤其在衍射角度θd的值为15°以上的区域中，随着衍射角度变大，从衍射光学元件出射的衍射光的光强度具有变低的倾向。即，在衍射角度大的区域中，实际的光量比设计值低。这可认为是因为，为导出数式21的公式而使用的数式19所示的夫琅和费近似式在近轴区域中成立，当衍射角度的值较大时，无法充分近似，随着衍射角度变大，偏差变大。并且，还可认为是因为，衍射角度大的衍射光易于因衍射光学元件上形成的凹凸图案的细微的形状受到较大影响，在通常的制造工序等中，难以准确制造衍射角度大、级数高的衍射光所对应的衍射光学元件。

在本实施方式的衍射光学元件中，以如下方式设计基本单元并制造衍射光学元件：随着距原点的距离(m_x ²+m_y ²)^0.5变大，级数(m_x，m_y)的衍射光的光斑的光强度变大。

此处，衍射光的光强度和级数(m_x，m_y)的关系是，随着级数的增加，衍射光的光强度增加即可，可以是直线，也可是曲线。

在此说明根据实际的元件求出设计的衍射光分布的方法。在衍射光学元件的制造工序中，存在因加工等的制造波动而使衍射光学元件的形状相对于设计中假定的形状变得复杂的情况，此时，确保对于近似衍射光学元件的基本单元的凹凸形状来说具有充分大小的计算区域而近似相位分布即可。将这样进行了近似的相位分布作为设计的相位分布来进行傅里叶变换，从而可求出设计的衍射光的强度分布。使用计算机等进行傅里叶变换时，将用2的幂数的网格近似的相位分布作为计算区域使用时，可使用快速傅里叶变换算法，计算变得快速化，因此用2的幂近似相位分布即可。

由以上可知，在本实施方式的衍射光学元件中，可减少中心部的衍射光的光斑的光量和周边部的衍射光的光斑的光量的差，因此可在中心部和周边部中使光斑的光量更均匀。

(实施例)

以下说明实施例10～16中的衍射光学元件作为第3实施方式中的实施例。此外，在实施例中的衍射光学元件中，作为透明基板32使用石英基板，波长810～850nm范围的光在石英基板的折射率为1.454。并且，设通过实施例的衍射光学元件产生的光斑中不包括0级衍射光(0级光)。

(实施例10)

根据图35说明实施例10的衍射光学元件。图35(a)表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件30大致等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布于-160级～160级之间，在Y方向上分布于-120级～120级之间。图35(b)表示将该衍射光投影到平面后的光斑的分布，表示使波长810nm的光入射到本实施例的衍射光学元件30时可获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图35(c)表示本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31。该基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。此外，对于图35(c)等所示的基本单元31中的相位分布，以浓淡色调表示32值。

具有图35(c)所示的相位分布的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为378.9μm，Y轴方向上的间距P_y为368.4μm，本实施例中的衍射光学元件30中，该基本单元31在4mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，形成为，透明基板32的表面上形成的凹凸图案中的1段高度为57.6nm。具体而言，在透明基板32的表面上，通过多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE(Reactive Ion Etching：反应性离子蚀刻)等干法蚀刻的工序，从而在石英基板32表面上形成具有1段高度为57.6nm的32段段数的凹凸图案。这样一来，制造出对于波长810nm的光X方向上的最大衍射角度为20°、Y方向上的最大衍射角度为15.3°、对角方向的角度为24.5°的本实施例中的衍射光学元件30。

图35(b)如上所述，表示通过使波长810nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30而在投影面上产生的衍射光的光斑分布。在图35(b)中，在虚线所示的范围的投影范围内，80×60个光斑大致规则地排列。此外，虚线所示的范围是，在将投影面与距衍射光学元件30有1m的位置的XY面平行地设置时，投影面上的X轴方向为-363mm～363mm、Y轴方向为-273mm～273mm的范围。此处，对于将该虚线所示的范围在X轴方向上分割为9份及在Y轴方向上分割为9份的区域，即将虚线所示的范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为49，M_o为51，M_max为63，M_min为48。据此获得的M_o/M_c的值为1.041，M_min/M_max的值为0.762，位于数式10～数式12、数式14所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在虚线所示的范围内，可获得更均匀的光斑分布。

(实施例11)

根据图36说明实施例11的衍射光学元件。图36(a)表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件30大致等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布在-121级～120级之间，在Y方向上分布在-91级～90级之间。图36(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长810nm的光入射到本实施例的衍射光学元件30时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图36(c)表示本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31。该基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

具有图36(c)所示的相位分布的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为284.2μm，Y轴方向上的间距P_y为278μm，本实施例中的衍射光学元件30中，该基本单元31在4mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为57.6nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为57.6nm的32段段数的凹凸图案。这样一来，制造出对于波长810nm的光X方向上的最大衍射角度为20°、Y方向上的最大衍射角度为15.2°、对角方向的角度为24.4°的本实施例中的衍射光学元件30。

图36(b)如上所述，表示通过使波长810nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30而在投影面上产生的衍射光的光斑分布。在图36(b)中，在虚线所示的范围的投影范围内，分布1155个光斑。此外，虚线所示的范围是，在使投影面与距衍射光学元件30为1m的位置的XY面平行地设置时，投影面上的X轴方向为-363mm～363mm、Y轴方向为-271mm～271mm的范围。其中，对于将该虚线所示的范围在X轴方向上分割为9份及在Y轴方向上分割为9份的区域，即将虚线所示的范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为14，M_o为14.8，M_max为23，M_min为8。据此获得的M_o/M_c的值为1.057，M_min/M_max的值为0.348，位于数式10及数式11所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在虚线所示的范围内，可获得较均匀的光斑分布。

(实施例12)

根据图37说明实施例12的衍射光学元件。图37(a)表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件30大致等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布在-320级～320级之间，在Y方向上分布在-240级～240级之间。图37(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长830nm的光入射到本实施例的衍射光学元件30时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图37(c)表示本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31。该基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

具有图37(c)所示的相位分布的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为531.2μm，Y轴方向上的间距P_y为499.6μm，本实施例中的衍射光学元件30中，该基本单元31在4mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为59nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为59nm的32段段数的凹凸图案。这样一来，制造出对于波长830nm的光X方向上的最大衍射角度为20°、Y方向上的最大衍射角度为23.5°、对角方向的角度为35.9°的本实施例中的衍射光学元件30。

图37(b)表示如上所述通过使波长830nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30而在投影面上产生的衍射光的光斑分布。在图37(b)中，在虚线所示的范围的投影范围内，200×150个光斑大致规则地排列。此外，虚线所示的范围是，在使投影面与距衍射光学元件30为1m的位置的XY面平行地设置时，投影面上的X轴方向为-577mm～577mm、Y轴方向为-433mm～433mm的范围。此处，对于将该虚线所示的范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域，即将虚线所示的范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为353，M_o为357，M_max为378，M_min为346。据此获得的M_o/M_c的值为1.011，M_min/M_max的值为0.915，位于数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在虚线所示的范围内，可获得较均匀的光斑分布。

(实施例13)

根据图38说明实施例13的衍射光学元件。图38(a)表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件30大致等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布在-401级～400级之间，在Y方向上分布在-301级～300级之间。图38(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长830nm的光入射到本实施例的衍射光学元件30时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图38(c)表示本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31。该基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

具有图38(c)所示的相位分布的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为664μm，Y轴方向上的间距P_y为624.5μm，本实施例中的衍射光学元件30中，该基本单元31在4mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为59nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为59nm的32段段数的凹凸图案。这样一来，制造出对于波长830nm的光X方向上的最大衍射角度为30°、Y方向上的最大衍射角度为23.5°、对角方向的角度为35.9°的本实施例中的衍射光学元件30。

图38(b)表示如上所述通过使波长830nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30而在投影面上产生的衍射光的光斑分布。在图38(b)中，在虚线所示的范围的投影范围内，分布9887个光斑。此外，虚线所示的范围是，在使投影面与距衍射光学元件30为1m的位置的XY面平行地设置时，投影面上的X轴方向为-577mm～577mm、Y轴方向为-433mm～433mm的范围。此处，对于将该虚线所示的范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域，即将虚线所示的范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为128，M_o为129.5，M_max为154，M_min为95。据此获得的M_o/M_c的值为1.011，M_min/M_max的值为0.617，位于数式10～数式13所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在虚线所示的范围内，可获得较均匀的光斑分布。

(实施例14)

根据图39说明实施例12的衍射光学元件。图39(a)表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件30大致等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过本实施例中的衍射光学元件30产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布在-321级～320级之间，在Y方向上分布在-241级～240级之间。图39(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长850nm的光入射到本实施例的衍射光学元件30时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图39(c)表示本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31。该基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

具有图39(c)所示的相位分布的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为423.2μm，Y轴方向上的间距P_y为383.9μm，本实施例中的衍射光学元件30中，该基本单元31在4mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为60.4nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为60.4nm的32段段数的凹凸图案。这样一来，制造出对于波长850nm的光X方向上的最大衍射角度为40°、Y方向上的最大衍射角度为32.1°、对角方向的角度为46.3°的本实施例中的衍射光学元件30。

图39(b)表示如上所述通过使波长850nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30而在投影面上产生的衍射光的光斑分布。在图39(b)中，在虚线所示的范围的投影范围内，分布29720个光斑。此外，虚线所示的范围是，在使投影面与距衍射光学元件30为1m的位置的XY面平行地设置时，投影面上的X轴方向为-839mm～839mm、Y轴方向为-627mm～627mm的范围。此处，对于将该虚线所示的范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域，即将虚线所示的范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为360，M_o为369.3，M_max为396，M_min为343。据此获得的M_o/M_c的值为1.026，M_min/M_max的值为0.866，位于数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在虚线所示的范围内，可获得较均匀的光斑分布。

(实施例15)

说明实施例15的衍射光学元件。本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有8值的相位值。

本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为512μm，Y轴方向上的间距P_y为518μm，将该基本单元31在5mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为335nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为335nm的8段段数的凹凸图案。

通过使波长830nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30，在设置于距衍射光学元件30为450mm的位置的投影面上的、X方向为29.5°、Y方向为23.4°、对角方向的角度为35.5的投影范围内，分布24579个光斑。上述投影范围中的衍射级数在X方向为-303级～303级，在Y方向为-247级～247级。此处，对于将该投影范围在X轴方向分割为17份及在Y轴方向分割为13份的区域，即将投影范围分割为221份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为120，M_o为111，M_max为129，M_min为96。据此获得的M_o/M_c的值为0.925，M_min/M_max的值为0.744，位于数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在投影范围内，可获得较均匀的光斑分布。

此外，在本实施例中，作为各光斑的光强度大致均匀的衍射光学元件而设计并制造，但设投影范围的中心区域中的光强度为1时，周边区域中的光强度为0.43。该M_o的值的计算中使用的周边区域是投影范围的4角，衍射角最小处是31.7°，是衍射角度为15°以上、进一步为30°以上的区域。通过对实施例15中的衍射光学元件的相位分布进行傅里叶变换，求出衍射光的强度，通过衍射光的平均对该衍射光的强度进行标准化，调查相对于衍射角度的斜率后，为0.0013。

(实施例16)

说明实施例16的衍射光学元件。本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有8值的相位值。

本实施例中的衍射光学元件30的基本单元31中，X轴方向上的间距P_x为512μm，Y轴方向上的间距P_y为518μm，将该基本单元31在5mm×4mm的区域内二维配置。在本实施例中的衍射光学元件30中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为335nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为335nm的8段段数的凹凸图案。

通过使波长830nm的光入射到本实施例中的衍射光学元件30，在设置于距衍射光学元件30为450mm的位置的投影面上的、X方向为29.5°、Y方向为23.4°、对角方向的角度为35.5的投影范围内，分布24579个光斑。上述投影范围中的衍射级数在X方向为-303级～303级，在Y方向为-247级～247级。此处，对于将该投影范围在X轴方向分割为17份及在Y轴方向分割为13份的区域，即将投影范围分割为221份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本实施例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为120，M_o为111，M_max为129，M_min为96。据此获得的M_o/M_c的值为0.925，M_min/M_max的值为0.744，位于数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在本实施例中的衍射光学元件中，在投影范围内，可获得较均匀的光斑分布。

此外，在本实施例中，以各光斑的光强度是周边区域相对于中心区域为1.66倍的方式设计并制造，但设投影范围的中心区域中的光强度为1时，周边区域中的光强度为0.48。该M_o的值的计算中使用的周边区域是投影范围的4角，衍射角最小处是31.7°，是衍射角度为15°以上、进一步为30°以上的区域。通过对实施例16中的衍射光学元件的相位分布进行傅里叶变换，求出衍射光的强度，通过衍射光的平均对该衍射光的强度进行标准化，调查相对于衍射角度的斜率后，为0.0135。

(比较例3～6)

参照图40说明比较例3～6的衍射光学元件。图40(a)表示通过比较例6中的衍射光学元件产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件大致等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过衍射光学元件产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布在-79级～79级之间，在Y方向上分布在-59级～59级之间，80×60个光斑规则地排列。图40(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长810nm的光入射到比较例6的衍射光学元件时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图40(c)表示比较例6的衍射光学元件的基本单元。该基本单元中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。此外，上述内容在比较例3～5中也同样。

表7表示比较例3～6中的衍射光学元件的基本单元的X轴方向上的间距P_x及Y轴方向上的间距P_y。

(表7)

比较例3～6中的衍射光学元件中，该基本单元在4mm×4mm的区域内二维配置。在比较例3～6中的衍射光学元件中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为57.6nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为57.6nm的32段段数的凹凸图案。

通过使波长810nm的光入射到如上制造的比较例3～6中的衍射光学元件，在设置于距衍射光学元件为1m的位置的投影面上的投影范围内，即虚线所示的范围内，产生光斑。此外，表8表示在比较例3～6的衍射光学元件中，投影范围的X方向的最小值和最大值、Y方向的最小值和最大值、X方向上的最大的衍射角度、Y方向上的最大的衍射角度、对角方向的角度。

(表8)

此处，对于将比较例3～6的衍射光学元件的投影范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域、即将投影范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。表9表示比较例3～6的衍射光学元件中的M_c、M_o、M_max、M_min的值及M_o/M_c的值、M_min/M_max的值。

(表9)

	Mc	Mo	Mmax	Mmin	Mo/Mc	Mmin/Mmax
							比较例3	49	48	63	48	0.98	0.762
比较例4	61	46	70	46	0.754	0.657
							比较例5	81	35	81	35	0.432	0.432
比较例6	97	25	97	25	0.258	0.258

比较例3中，最大衍射角度较小，对角方向的角度小于15°，因此不产生周边区域和中心区域相比光斑的数量较少的现象。另一方面，在比较例4～6中，最大衍射角度较大，对角方向的角度为15°以上，因此周边区域和中心区域相比光斑的数量较少，不在数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在比较例4～6的衍射光学元件中，在平面的投影范围内，不产生大致均匀分布的光斑。

(比较例7)

参照图41说明比较例7的衍射光学元件。图41(a)表示通过比较例7中的衍射光学元件产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件基本等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过衍射光学元件产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。图41(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长810nm的光入射到比较例7的衍射光学元件时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图41(c)表示比较例7的衍射光学元件的基本单元。该基本单元中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

比较例7的衍射光学元件中的基本单元的X轴方向上的间距P_x为187.1μm，Y轴方向上的间距P_y为182.3μm。比较例7中的衍射光学元件中，该基本单元在4mm×4mm的区域内二维配置。在比较例7中的衍射光学元件中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为57.6nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为57.6nm的32段段数的凹凸图案。

通过使波长810nm的光入射到该比较例7中的衍射光学元件，在设置于距衍射光学元件为1m的位置的投影面上的投影范围内，即虚线所示的范围内，可分布1118个光斑。此外，投影范围是X轴方向为-363mm～363mm、Y轴方向为-271mm～271mm的范围。并且，X方向上的最大的衍射角度是20°，Y方向上的最大的衍射角度是15.2°，对角方向的角度是24.4°。

此处，对于将比较例7的衍射光学元件的投影范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域，即将投影范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。比较例7中的衍射光学元件的M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为15，M_o为11.8，M_max为23，M_min为6。据此获得的M_o/M_c的值为0.787，M_min/M_max的值为0.261。

因此，在比较例7的衍射光学元件中，周边区域和中心区域相比光斑的数量较少，不在数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在比较例7的衍射光学元件中，在平面的投影范围内，不产生大致均匀分布的光斑。

(比较例8～11)

参照图42说明比较例8～11的衍射光学元件。图42(a)表示通过比较例11中的衍射光学元件产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件基本等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过衍射光学元件产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。该衍射光在X方向上分布在-199级～199级之间，在Y方向上分布在-149级～149级之间，200×150个光斑规则地排列。图42(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长830nm的光入射到比较例11的衍射光学元件时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图42(c)表示比较例11的衍射光学元件的基本单元。该基本单元中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。此外，上述内容在比较例8～10中也同样。

表10表示比较例8～11的衍射光学元件中的基本单元的X轴方向上的间距P_x及Y轴方向上的间距P_y。

(表10)

比较例8～11中的衍射光学元件中，该基本单元在4mm×4mm的区域内二维配置。在比较例8～11中的衍射光学元件中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为59nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为59nm的32段段数的凹凸图案。

通过使波长830nm的光入射到如上制造的比较例8～11中的衍射光学元件，在设置于距衍射光学元件为1m的位置的投影面上的投影范围内，即虚线所示的范围内，产生光斑。此外，表11表示在比较例8～11的衍射光学元件中，投影范围的X方向的最小值和最大值、Y方向的最小值和最大值、X方向上的最大衍射角度、Y方向上的最大衍射角度、对角方向的角度。

(表11)

此处，对于将比较例8～11的衍射光学元件的投影范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域、即将投影范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。表12表示比较例8～11中的衍射光学元件中的M_c、M_o、M_max、M_min的值及M_o/M_c的值、M_min/M_max的值。

(表12)

	Mc	Mo	Mmax	Mmin	Mo/Mc	Mmin/Mmax
							比较例8	353	352	391	336	0.997	0.859
比较例9	433	297	433	297	0.686	0.686
							比较例10	469	229	469	229	0.488	0.488
比较例11	561	163	561	163	0.291	0.291

比较例8中，最大衍射角度较小，对角方向的角度小于15°，因此不太产生周边区域和中心区域相比光斑的数量较少的现象。另一方面，在比较例9～11中，最大衍射角度较大，对角方向的角度为15°以上，因此周边区域和中心区域相比光斑的数量较少，不在数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在比较例9～11的衍射光学元件中，在平面的投影范围内，不产生大致均匀分布的光斑。

(比较例12)

参照图43说明比较例12的衍射光学元件。图43(a)表示通过比较例12中的衍射光学元件产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件基本等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过衍射光学元件产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。图43(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长830nm的光入射到比较例12的衍射光学元件时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图43(c)表示比较例12的衍射光学元件的基本单元。该基本单元中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

比较例12的衍射光学元件中的基本单元的X轴方向上的间距P_x为529.5μm，Y轴方向上的间距P_y为497.5μm。比较例12中的衍射光学元件中，该基本单元在4mm×4mm的区域内二维配置。在比较例12中的衍射光学元件中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为59nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为59nm的32段段数的凹凸图案。

通过使波长830nm的光入射到该比较例12中的衍射光学元件，在设置于距衍射光学元件为1m的位置的投影面上的投影范围内，即虚线所示的范围内，可分布9286个光斑。此外，投影范围是X轴方向为-577mm～577mm、Y轴方向为-433mm～433mm的范围。并且，X方向上的最大衍射角度是30°，Y方向上的最大衍射角度是23.5°，对角方向的角度是35.9°。

此处，对于将比较例12的衍射光学元件的投影范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域，即将投影范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。比较例12中的衍射光学元件的M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为155，M_o为81，M_max为164，M_min为64。据此获得的M_o/M_c的值为0.523，M_min/M_max的值为0.39。

因此，在比较例12的衍射光学元件中，周边区域和中心区域相比光斑的数量较少，不在数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在比较例12的衍射光学元件中，在平面的投影范围内，不产生大致均匀分布的光斑。

(比较例13)

参照图44说明比较例13的衍射光学元件。图44(a)表示通过比较例13中的衍射光学元件产生的衍射光的光斑的分布，表示距衍射光学元件基本等距离的曲面上的光斑的分布。即，表示通过衍射光学元件产生的衍射光的级数(m_x，m_y)。图44(b)表示将该衍射光投影到平面的光斑的分布，表示使波长850nm的光入射到比较例13的衍射光学元件时获得的投影面上的衍射光的光斑的图案。图44(c)表示比较例13的衍射光学元件的基本单元。该基本单元中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有32值的相位值。

比较例13的衍射光学元件中的基本单元的X轴方向上的间距P_x为421.8μm，Y轴方向上的间距P_y为382.3μm。比较例13中的衍射光学元件中，该基本单元在4mm×4mm的区域内二维配置。在比较例13中的衍射光学元件中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为60.4nm。具体而言，通过在透明基板32的表面上多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为60.4nm的32段段数的凹凸图案。

通过使波长850nm的光入射到该比较例13中的衍射光学元件，在设置于距衍射光学元件为1m的位置的投影面上的投影范围内，即虚线所示的范围内，可分布26836个光斑。此外，投影范围是X轴方向为-839mm～839mm、Y轴方向为-627mm～627mm的范围。并且，X方向上的最大衍射角度是40°，Y方向上的最大衍射角度是32.1°，对角方向的角度是46.3°。

此处，对于将比较例13的衍射光学元件的投影范围在X轴方向分割为9份及在Y轴方向分割为9份的区域，即将投影范围分割为81份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。比较例13中的衍射光学元件的M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为558，M_o为171.5，M_max为558，M_min为162。据此获得的M_o/M_c的值为0.307，M_min/M_max为0.29。

因此，在比较例13的衍射光学元件中，周边区域和中心区域相比光斑的数量较少，不在数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在比较例13的衍射光学元件中，在平面的投影范围内，不能产生大致均匀分布的光斑。

(比较例14)

说明比较例14的衍射光学元件。比较例14中的衍射光学元件的基本单元中的相位分布通过迭代傅里叶变换法计算，具有8值的相位值。

比较例14中的衍射光学元件的基本单元中，X轴方向上的间距P_x为512μm，Y轴方向上的间距P_y为518μm，比较例14中的衍射光学元件将该基本单元在5mm×4mm的区域内二维配置。比较例14中的衍射光学元件中，在透明基板32的表面形成的凹凸图案中的1段高度形成为340nm。具体而言，在透明基板32的表面上，通过多次反复进行形成抗蚀图案并进行RIE等干法蚀刻的工序，而在石英基板32的表面形成具有1段高度为340nm的8段段数的凹凸图案。

通过使波长830nm的光入射到比较例14中的衍射光学元件，在设置于距衍射光学元件为450mm的位置的投影面上的、X方向为29.5°、Y方向为23.4°、对角方向的角度为35.5°的投影范围内，分布23499个光斑。上述投影范围中的衍射级数在X方向为-303级～303级，在Y方向为-247级～247级。此处，对于将该投影范围在X轴方向分割为17份及在Y轴方向分割为13份的区域，即将投影范围分割为221份的区域，计测各区域中含有的光斑的数量。在本比较例中的衍射光学元件30中，M_c、M_o、M_max、M_min的值是，M_c为150，M_o为64.8，M_max为153，M_min为60。据此获得的M_o/M_c的值为0.432，M_min/M_max的值为0.392。

因此，在比较例14中的衍射光学元件中，周边区域和中心区域相比光斑的数量较少，不在数式10～数式14所示的公式的范围内。因此，在比较例14的衍射光学元件中，在平面的投影范围内，不能产生大致均匀分布的光斑。

此外，在比较例14中，作为各光斑的光强度大致均匀的衍射光学元件而设计并制造，但设投影范围的中心区域中的光强度为1时，周边区域中的光强度为0.23。该M_o的值的计算所使用的周边区域是投影范围的4角，衍射角最小处为31.7°，是衍射角度为15°以上、进一步为30°以上的区域。通过对比较例14中的衍射光学元件的相位分布进行傅里叶变换，求出衍射光的强度，通过衍射光的平均对该衍射光的强度进行标准化，调查相对于衍射角度的斜率后，为0.0011。

以上，对于实施例10～16、比较例3～14，图45表示对角方向的角度θd和M_o/M_c的值的关系，图46表示对角方向的角度θd和M_min/M_max的值的关系。

图45中的虚线对应于数式26所示的公式，根据数式26导出数式10所示的公式的关系。并且，图46中的虚线对应于数式27所示的公式，根据数式27导出数式12所示的公式的关系。

(数式26)

15°≤θ_d＜90°

M_o/M_c＝-0.02173θ_d+1.314

(数式27)

15°＝θ_d

M_min/M_max＝-0.01729θ_d+1.108

并且，在比较例14的衍射光学元件中，周边区域相对于中心区域的光强度是0.23，相对于此，在实施例15的衍射光学元件中，周边区域相对于中心区域的光强度是0.43，在实施例16的衍射光学元件中是0.48。比较例14、实施例15、实施例16中的衍射光学元件的对角方向的角度是35.5°，因此周边区域是衍射角度为15°以上的区域。因此，在衍射角度为15°以上的区域中，优选周边区域相对于中心区域的光强度为0.4以上，进一步优选是0.45以上。并且，比较例14、实施例15、实施例16中的衍射光学元件的对角方向的角度是35.5°，因此周边区域是衍射角度为30°以上的区域。因此，在衍射角度为30°以上的区域中，优选周边区域相对于中心区域的光强度为0.4以上，进一步优选是0.45以上。

此外，以上说明了本发明的实施方式，但上述内容不用于限定发明内容。

工业实用性

本发明可用于以下等装置中：使用使入射光的至少一部分衍射的衍射光学元件，将规定的光的投影图案照射到测定对象物上，取得照射有上述投影图案的测定对象物的图像，从而进行三维计测的装置。

Claims (20)

1.一种衍射光学元件，具有：

第1衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光；

第2衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光，

使由于光入射到上述第1衍射光学部而产生的衍射光入射到上述第2衍射光学部，从上述第2衍射光学部产生衍射光，

所述衍射光学元件的特征在于，

上述第1衍射光学部中的衍射角度为θ₁，产生的衍射光的光斑的数量为k₁，上述第2衍射光学部中的衍射角度为θ₂，产生的衍射光的光斑的数量为k₂时，

θ₁≥θ₂且k₁≥k₂，或者θ₁≤θ₂且k₁≤k₂。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，

通过上述第1衍射光学部产生的衍射光形成的光斑的投影区域通过上述第2衍射光学部重叠，从而形成上述衍射光学元件的投影区域，

或者，通过上述第2衍射光学部产生的衍射光形成的光斑的投影区域通过上述第1衍射光学部重叠，从而形成上述衍射光学元件的投影区域。

3.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，上述第1衍射光学部及/或上述第2衍射光学部中，多个基本单元二维排列。

4.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，上述第1衍射光学部形成于一个透明基板，上述第2衍射光学部形成于另一个透明基板。

5.根据权利要求4所述的衍射光学元件，其中，上述一个透明基板和上述另一个透明基板通过粘接而一体化。

6.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，上述第1衍射光学部形成于透明基板的一个面，上述第2衍射光学部形成于上述透明基板的另一个面。

7.一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，

通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，

设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，设上述分割的区域中处于上述规定范围的中心区域的区域的上述光斑的数量为M_c、处于上述规定范围的4角的区域的上述光斑的数量的平均值为M_o、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的奇数，且

15°≤θd

M_o/M_c>-0.02173×θd+1.314。

8.一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，

通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，

设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，设上述分割的区域中处于上述规定范围的中心区域的区域的上述光斑的数量为M_c、处于上述规定范围的4角的区域的上述光斑的数量的平均值为M_o、照射到上述规定范围的最大衍射角度为θd时，N_x及N_y均为3以上的奇数，且

15°≤θd

0.8≤M_o/M_c≤1.2。

9.一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，

上述基本单元通过对用于设计的规定的衍射光的图案进行傅里叶变换或傅里叶逆变换而形成，

上述用于设计的规定的衍射光的图案中，相对于上述用于设计的规定的衍射光的图案的中心区域的光强度，周边区域的光强度较高。

10.一种衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其特征在于，

通过使上述衍射光投影到平面上，而在上述平面上的规定范围内产生多个光斑，

设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，上述分割的区域包括由衍射角为15°以上的衍射光构成的周边区域，上述分割的区域中，相对于上述规定范围的中心区域的光强度，上述周边区域的光强度为0.4以上。

11.根据权利要求10所述的衍射光学元件，具有：

第1衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光；

第2衍射光学部，对入射的光产生二维的衍射光。

12.根据权利要求11所述的衍射光学元件，使由于光入射到上述第1衍射光学部而产生的衍射光入射到上述第2衍射光学部，从上述第2衍射光学部产生衍射光，其中，

上述第1衍射光学部中的衍射角度为θ₁，产生的衍射光的光斑的数量为k₁，上述第2衍射光学部中的衍射角度为θ₂，产生的衍射光的光斑的数量为k₂时，

θ₁≥θ₂且k₁≥k₂，或者θ₁≤θ₂且k₁≤k₂。

13.根据权利要求12所述的衍射光学元件，其中，

通过上述第1衍射光学部产生的衍射光形成的光斑的投影区域通过上述第2衍射光学部重叠，从而形成上述衍射光学元件的投影区域，

或者，通过上述第2衍射光学部产生的衍射光形成的光斑的投影区域通过上述第1衍射光学部重叠，从而形成上述衍射光学元件的投影区域。

14.根据权利要求12或13所述的衍射光学元件，其中，上述第1衍射光学部及/或上述第2衍射光学部中，多个基本单元二维排列。

15.根据权利要求12或13所述的衍射光学元件，其中，上述第1衍射光学部形成于一个透明基板，上述第2衍射光学部形成于另一个透明基板。

16.根据权利要求15所述的衍射光学元件，其中，上述一个透明基板和上述另一个透明基板通过粘接而一体化。

17.根据权利要求12或13所述的衍射光学元件，其中，上述第1衍射光学部形成于透明基板的一个面，上述第2衍射光学部形成于上述透明基板的另一个面。

18.根据权利要求10所述的衍射光学元件，多个基本单元二维排列，对入射的光产生二维的衍射光，其中，

上述基本单元通过对用于设计的规定的衍射光的图案进行傅里叶变换或傅里叶逆变换而形成，

上述用于设计的规定的衍射光的图案中，相对于上述用于设计的规定的衍射光的图案的中心区域的光强度，周边区域的光强度较高。

19.一种计测装置，其特征在于，具有：

发光的光源；

权利要求1至9中任意一项所述的衍射光学元件，入射有上述光并出射有衍射光；

摄像部，拍摄照射有上述衍射光的测定对象物的图像。

20.一种计测装置，其特征在于，在平面上的规定范围内产生多个光斑，设上述规定范围为四边形时，将上述规定范围均匀地分割为大致同一形状的N_x×N_y个以上的区域，上述分割的区域包括由衍射角为15°以上的衍射光构成的周边区域，上述分割的区域中，相对于上述规定范围的中心区域的光强度，上述周边区域的光强度为0.4以上。