CN110352367A - 衍射光学元件 - Google Patents

Abstract

提供一种可配置间距大的衍射光栅且可配置多个衍射光栅的衍射光学元件。一种衍射光学元件(10)，其并列配置有多个单元，按照每个单元，凸部(11a)的并列间距和面内的旋转方向的配置中的至少一方是不同的，在相同单元内凸部(11a)的间距和面内的旋转方向的配置是相同的，通过作为单元的集合体的结构对光进行整形，多个单元中包括：外形形状为相同形状的多个基本单元(10a)；及合成单元(10b)，其外形形状与基本单元(10a)不同，并具备特定的方向的长度比基本单元的长度长且至少包括凸部(11a)的1个间距量的衍射光栅。

Description

衍射光学元件

技术领域

本发明涉及衍射光学元件。

背景技术

近年来，需要传感器系统的情况增多，如用于避免由网络的普及导致的安全风险的个人认证的需求、汽车的自动运转化的潮流或所谓的“物联网”的普及等。传感器有各种各样的种类，所检测的信息也各种各样，作为其中的1个手段，具有从光源对对象物照射光，并从反射回来的光获得信息的手段。例如，图案认证传感器、红外线雷达等为其一例。

作为这些传感器的光源，使用具有与用途对应的波长分布、明亮度、扩展度的光源。作为光的波长，通常使用可见光～红外线，特别是红外线因具有不易受到外光的影响，并且是不可见，还可观察到对象物的浅内部的特征，因此被广泛使用。并且，作为光源的种类，大多使用LED光源、激光光源等。例如，为了检测远处，适合使用光的扩展度小的激光光源，在探测比较近的近处的情况下或想要照射具备某种程度的扩展度的区域时，适合使用LED光源。

但是，作为对象的照射区域的大小、形状未必与来自光源的光的扩展度(分布)一致，在该情况下，需要通过扩散板、透镜、遮挡板等而对光进行整形。最近研发了一种叫做光整形扩散器(LSD：Light Shaping Diffuser)的能够对光的形状进行某种程度的整形的扩散板。

并且，作为整形光的另外的手段，可例举衍射光学元件(Diffractive OpticalElement：DOE)。其应用了当光通过具备周期性而排列有具有不同的折射率的材料的场所时的衍射现象。DOE基本上是针对单一波长的光而设计的，从理论上来讲，几乎可将光整形为任意的形状。并且，在上述的LSD中，照射区域内的光强度形成为高斯分布，而在DOE的情况下，可对照射区域内的光分布的均匀性进行控制。DOE的这样的特性在抑制向无需的区域照射而实现高效率化、通过光源数的减少等而实现装置的小型化等点上是有利的(例如，参照专利文献1)。

并且，DOE可对应于激光器这样的平行光源、LED这样的扩散光源的任一光源，并且，可适用于从紫外光到可见光、红外线为止的广范围的波长。

作为衍射光学元件的形态，以往使用了叫做光栅单元阵列(Grating Cell Array)的形态(参照专利文献1，非专利文献1)。在光栅单元阵列型的衍射光学元件中，例如正方形的微小的单位区域(单元)被排列为矩阵状。而且，在光栅单元阵列型的衍射光学元件的一个单位区域内，以一定间距配置有面内的旋转方向朝向一定的方向的衍射光栅。并且，在光栅单元阵列型的衍射光学元件中，在每个单位区域，所配置的衍射光栅的间距及旋转方向不同，作为这些集合体而构成了一个衍射光学元件。该单位区域的尺寸例如为20μm×20μm左右。

在衍射光栅中，衍射角越小，凹凸形状的排列间距变大。但是，由于光栅单元阵列的单位区域微小，因此有时衍射角小的衍射光栅的间距超过一个单位区域的尺寸。在该情况下，应配置于该单位区域的衍射光栅无法被用作衍射光栅，与此相应地，会导致衍射效率的下降等。为了使间距大的衍射光栅充分地发挥功能，可考虑加大单位区域的尺寸。但是，当加大单位区域的尺寸时，在每个单位面积可配置的单位区域的数量即可配置的衍射光栅的数量减少。在该情况下，事实上可能无法构成小型的衍射光学元件。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2015-170320号公报

非专利文献

非专利文献1：Daniel Asoubar,et al.“Customized homogenization andshaping of LED light by micro cells arrays”9 March 2015

发明内容

发明要解决的课题

本发明的课题在于提供一种可配置间距大的衍射光栅且可配置多个衍射光栅的衍射光学元件。

用于解决课题的手段

本发明通过以下的解决手段而解决所述课题。另外，为了便于理解，赋予与本发明的实施方式对应的符号而进行说明，但并不限于此。

第1个方面为一种衍射光学元件(10)，其具备衍射层(15)，该衍射层(15)包括：高折射率部(11)，其在截面形状中并列配置有多个凸部(11a)；及低折射率部(14)，其折射率低于所述高折射率部(11)，且至少包括形成在所述凸部(11a)之间的凹部(12)，在该衍射光学元件(10)中并列配置有多个单元，按照每个单元，所述凸部(11a)的并列间距和面内的旋转方向的配置中的至少一方是不同的，在相同单元内所述凸部(11a)的间距和面内的旋转方向的配置是相同的，通过作为所述单元的集合体的结构对光进行整形，在所述多个单元中包括：所述单元的外形形状为相同形状的多个基本单元(10a)；及合成单元(10b)，其外形形状与所述基本单元(10a)不同，并具备特定的方向的长度比所述基本单元(10a)的长度长且至少包括所述凸部(11a)的1个间距量的衍射光栅，或者，由隔着间隔并列排列的多个单元构成，该多个单元具备所述凸部(11a)的间距和面内的旋转方向的配置相同且包括所述凸部(11a)的1个间距的衍射光栅。

第2个方面在第1个方面所记载的衍射光学元件(10)中，所述合成单元(11b)构成为如下形状：对特定数的所述基本单元(10a)进行组合，进而将组合后的所述基本单元(10a)分割为所述特定数。

第3个方面在第2个方面所记载的衍射光学元件(10)中，分割所述合成单元(10b)的方向为与所述特定的方向交叉的方向或与多个所述合成单元(10b)隔着间隔并列排列的方向交叉的方向。

第4个方面在从第1个方面至第3个方面中的任意一个方面所记载的衍射光学元件(10)中，所述合成单元(10b)包括的衍射光栅的所述凸部(11a)的间距大于所述基本单元(10a)包括的衍射光栅的所述凸部(11a)的间距。

第5个方面在第4个方面所记载的衍射光学元件(10)中，所述合成单元(10b)构成的衍射光栅的所述凸部(11a)的间距大于所述基本单元(10a)的外形形状的最大长度。

发明效果

根据本发明，能够提供一种可配置间距大的衍射光栅且可配置多个衍射光栅的衍射光学元件。

附图说明

图1是表示本发明的衍射光学元件的第1实施方式的俯视图。

图2是表示图1的衍射光学元件的例子中的部分周期结构的一例的立体图。

图3是在图1中的箭头A-A的位置切断衍射光学元件的截面图。

图4是对衍射光学元件进行说明的图。

图5是表示按照以往的光栅单元阵列的设计手法而设计具备与本实施方式的衍射光学元件10相同的配光特性的衍射光学元件10的情况下的衍射光栅的配置例的图。

图6是表示在图5的状态下移动单元的结果的一例的图。

图7是表示在如图6所示地将两个单元(单元编号7、14的单元)组合的状态下进一步将组合的2个单元分割为组合的数，并将衍射光栅重新配置到各自的位置的状态的图。

图8是表示本发明的衍射光学元件的第2实施方式的俯视图。

图9是从图8的状态去除单元编号15的基本单元10a，且虽然在其位置并未实际存在，但假设而排列与单元编号7及单元编号14相同的衍射光栅来示出的图。

图10是表示本发明的衍射光学元件的第3实施方式的俯视图。

图11是与第2实施方式的图9相同地，关于第3实施方式，从图10的状态去除单元编号1,2,5,6,9,10,11,15的基本单元10a，且虽然在其位置并未实际存在，但假设而排列与单元编号7及单元编号14相同的衍射光栅来示出的图。

图12是示出本发明的衍射光学元件的第4实施方式的俯视图。

图13是示意性地表示用于仿真的衍射光栅的图。

图14是表示进行仿真的合成单元10b的配置图案的图。

图15是将进行仿真的合成单元10b的配置图案和栅格一并示出的图。

图16是在理想状态下表示相对基本单元中的间距的变化的衍射角的变化的图。

图17是表示从在20μm角的单元具备20μm间距的衍射光栅的单位单元射出的衍射光的分布的图。

图18是综合表示仿真结果的图。

图19A是对由4级(4-level)的衍射光栅实现的衍射现象进行说明的图。

图19B是对由4级(4-level)的衍射光栅实现的衍射现象进行说明的图。

图19C是对由4级(4-level)的衍射光栅实现的衍射现象进行说明的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对用于实施本发明的最优选的方式进行说明。

(第1实施方式)

图1是表示本发明的衍射光学元件的第1实施方式的俯视图。

图2是表示图1的衍射光学元件的例子中的部分周期结构的一例的立体图。

图3是在图1中的箭头A-A的位置切断了衍射光学元件的截面图。

图4是对衍射光学元件进行说明的图。

另外，包括图1，以下所示的各个图为示意性的图，将各个部的大小、形状适当扩大而图示，以便于理解。

并且，在以下的说明中，表示具体的数值、形状、材料等而进行说明，但对这些可进行适当变更。

另外，关于本发明中使用的用于特定形状、几何学的条件及这些程度的用语，例如“平行”、“正交”、“相同”等用语、长度、角度的值等，并非限定为严谨的意思，可在能够期待相同的功能的程度的范围内进行解释。

并且，在本发明中“对光进行整形”是指，通过控制光的行进方向，从而使得投影到对象物或对象区域的光的形状(照射区域)形成为任意的形状。例如，如图4的例子所示，准备光源部210，该光源部210发出在直接投影到平面形状的屏幕200的情况下使照射区域202成为圆形的光201(图4(b))。“对光进行整形”是指如下情况：使该光201透过本发明的衍射光学元件10，从而使照射区域204成为正方形(图4(a))、长方形、圆形(未图示)等目标形状。

另外，通过将光源部210和在光源部210发出的光通过的位置至少配置有一个的本实施方式的衍射光学元件10进行组合，从而能够形成能够以成形的状态照射光的光照射装置。

并且，在本发明中透明是指，至少所利用的波长的光透过的情况。例如，假设即便不透过可见光，但如果透过红外线，则在用作红外线的情况下，可视为透明。

第1实施方式的衍射光学元件10是对光进行整形的衍射光学元件(DOE)。衍射光学元件10例如被设计为如下：使发出波长为550nm的光的光源部210发出的光扩散为十字形状，具体地，例如使光扩散成±50度，宽度以±3.3度扩散的光带产生2个公差的形状。

第1实施方式的衍射光学元件10构成为4级别的高度不同的多级别形状。而且，衍射光学元件10是以矩阵状配置多个具备不同的周期结构的多个单位区域(又称为单元或部分周期结构)的光栅单元阵列型的衍射光学元件。在图2中，提取部分周期结构的一例而示出。

如图3所示，衍射光学元件10具备在截面形状中并列地配置有多个凸部11a的高折射率部11。该高折射率部11在维持相同的截面形状的状态下向截面的纵深方向延伸。

高折射率部11例如通过蚀刻处理而对石英(SiO₂、合成石英)加工形状而制得。并且，高折射率部11是对加工石英的物体进行模具制造并制作成形模具，并利用该成形模具而将电离放射线硬化性树脂组成物硬化而构成的。关于利用电离放射线硬化性树脂组成物而制造这样的周期结构的物体的方法，公知有各种手法，可利用这些公知的手法来适当制造衍射光学元件10的高折射率部11。

并且，包括形成于凸部11a之间的凹部12及凸部11a的顶部附近的空间13的图3的上方的部分中存在空气，构成折射率比高折射率部11低的低折射率部14。通过将这些高折射率部11及低折射率部14交替地并列配置的周期结构，构成具备对光进行整形的作用的衍射层15。

凸部11a在侧面形状的一方侧(在图3中为左侧)形成具备高度不同的4个台阶部的多级别形状。具体地，凸部11a在一侧面侧具有最突出的等级1台阶部11a-1、比等级1台阶部11a-1低一个台阶的等级2台阶部11a-2、比等级2台阶部11a-2再低1个台阶的等级3台阶部11a-3、比等级3台阶部11a-3再低1个台阶的等级4级部11a-4。并且，凸部11a的侧面形状的另一侧(在图3中为右侧)构成自等级1台阶部11a-1至等级4级部11a-4在直线上连接的侧壁部11b。

如图1所示，在衍射光学元件10作为微小的单位区域(单元)以矩阵状排列有多个基本单元10a和合成单元10b。

在本实施方式中，基本单元10a均形成为正方形，该基本单元10a并列配置有多个。

合成单元10b为外形形状与基本单元10a不同的单元，在本实施方式中，构成为长方形。并且，合成单元10b是如下的单元：具有特定的方向(图1中的上下方向)的长度比基本单元10a的长度长且包括凸部11a的1个间距量的衍射光栅。在图1中配置有2个该合成单元10b。

在本实施方式中，合成单元10b构成为作为特定数而对两个基本单元10a及进行组合，进而将组合后的两个基本单元10a分割为特定数即2个的形状。即，合成单元10b构成为将2个正方形的基本单元10a在图中的上下方向上并列组合，并将其在图中的左右方向上分割为2个的长方形形状。在本实施方式中，关于该分割的方向，在左右方向上进行分割，该左右方向为与合成单元10b的长度比基本单元10a的长度长的特定的方向即上下方向交叉(正交)的方向。

本实施方式的衍射光学元件10在将以往的光栅单元阵列作为基本形态，并在其中配置合成单元10b的点上与以往的光栅单元阵列相比构成不同的形态。

在图1中，关于各个台阶部的高度的差异，仅对合成单元10b，通过点图案的差异来示出。因此，图1中的P1、P2表示各自的衍射光栅中的1个间距。另一方面，关于其他的基本单元10a，设置有相同的4级别的高低差，但也有狭窄的间距的部分，因此对这些仅由斜线来表示，直线之间的4个间隔部分表示1个间距。

如图1所示，合成单元10b包括的衍射光栅的凸部11a的间距P1、P2大于基本单元10a包括的衍射光栅的凸部11a的间距。并且，合成单元10b构成的衍射光栅的凸部11a的间距P1、P2大于基本单元10a的外形形状的最大长度。因此，即便想要按照以往的光栅单元阵列的设计手法，在基本单元10a上直接配置合成单元10b包括的衍射光栅，也无法将凸部11a的间距P1、P2配置在一个基本单元10a内。但是，在本实施方式的衍射光学元件10中，将合成单元10b的特定方向(图1中的上下方向)的长度较长，因此在该范围内可配置间距大到P1、P2的衍射光栅。下面，关于该衍射光栅的配置及合成单元10b的结构手法进行更具体的说明。

图5是表示按照以往的光栅单元阵列的设计手法而设计了具备与本实施方式的衍射光学元件10相同的配光特性的衍射光学元件10的情况下的衍射光栅的配置例的图。

关于该图5这样的设计，以往以来通过程序来半自动地进行了设计。在图5中，为了便于说明，在各个单元并列记载了1～16的编号。另外，在此，为了简单化，通过4×4＝16个单元来进行了说明，但其通常构成为更大的行列数。例如，由200×200＝40000个单元来构成4mm角的衍射光学元件10。

在图5中，在单元编号7、14中，仅包括2～3台阶左右。在本实施方式的4级的衍射光栅中，由4级形成1个间距，因此在图5的状态中，在单元编号7、14内，不包括1个间距量的衍射光栅。在这样配置的衍射光栅未填满1个间距的状态下，相应的单元无法发挥衍射光栅的功能。在该情况下，不仅这样的区域(单元)本身实质上成为浪费的区域，并且本来其单元应发出的光不能准确地朝其方向发光，由此以往导致了衍射效率的下降。

关于图5中的单元编号7、14这样的单元即未能包括凸部11a的1个间距量的单元，进行上述说明的变换为合成单元10b的处理。另外，可通过设计程序而将该变换处理自动化或半自动化。并且，由设计者自己可通过手动作业而进行以下的变换处理。无论是何种变换处理，只要可构成上述的图1所示的合成单元10b，则所获得的结果是相同的。

首先，通过以往的光栅单元阵列的设计手法而进行图5所示的基本设计之后进行单元的移动(交换场所)处理。

图6是表示在图5的状态下移动单元的的结果的一例的图。

在该例子中，将单元编号11和单元编号14交换场所而重新进行了配置。在此，交换场所的目的是为了进行如下配置：对包括大小为1个间距的长度收纳不到基本单元10a内的程度的衍射光栅的单元(在此，单元编号7、14的单元)进行并列配置，当将它们相连时构成长度超过1个间距的长度的单元。在此，并列配置的单元(单元编号7、14的单元)需要将这些单元内的衍射光栅的凸部11a并列在最接近并列方向的方向上。只要满足该条件，则并列的位置不限于图6的例子。例如，也可以在单元编号7的下方配置单元编号14。

图7是表示在如图6这样将两个单元(单元编号7、14的单元)组合的状态下进一步将组合的2个单元分割为组合的数，并将衍射光栅重新配置到各自的位置的状态的图。

在此，关于分割合成单元的方向，在与并列两个单元的方向(特定的方向：图中的上下方向)交叉的方向即图中的左右方向上进行分割。由此，能够使一个合成单元的面积与基本单元的面积相同的同时将合成单元的特定的方向(图中的上下方向)的长度形成为2倍。而且将新形成的图中的在上下方向上延长的两个合成单元的各个单元重新分配为单元编号4、14，并在各自单元配置与原来的单元编号4、14相同的衍射光栅。由此，在重新构成的合成单元即单元编号4、14，间距长的衍射光栅分别包括1个间距量而构成。并且，基本单元10a和合成单元10b的面积相同，因此各自的单元所发挥的光的光量不发生变化。

如以上所说明，根据第1实施方式，衍射光学元件10设有将多个单元合成及分割而构成的合成单元10b，因此可配置间距大的衍射光栅。并且，衍射光学元件10的基本单元10a的尺寸可以与以往相同，因此可配置多个衍射光栅，可进行与以往相同的光的成形。

(第2实施方式)

图8是表示本发明的衍射光学元件的第2实施方式的俯视图。

除了合成单元10b的结构与第1实施方式不同之外，第2实施方式的衍射光学元件10构成为与第1实施方式相同的结构。因此，对于发挥与上述的第1实施方式相同的功能的部分，赋予相同的符号，适当省略重复的说明。

在第2实施方式的衍射光学元件10中，不将合成单元10b形成为相连的一个单元，而是由隔着间隔而并列排列的多个单元来构成合成单元10b，这一点与第1实施方式不同。而且，隔着该间隔并列排列的多个单元中具有凸部11a的间距及面内的旋转方向的配置相同且包括凸部11a的1个间距的衍射光栅。

在图8的例子中，两个合成单元10b在其间夹着单元编号15的基本单元10a而隔着间隔来并列排列。在该合成单元10b的各自的单元即隔着空间并列排列的单元编号7之间及单元编号14之间配置有由它们的组合以相同的间距及旋转方向配置的相同的衍射光栅。对此，将利用图9进行说明，以便更容易地理解。

图9是从图8的状态去除单元编号15的基本单元10a，在其位置实际并不存在，但假设将与单元编号7及单元编号14相同的衍射光栅排列而示出的图。

在第2实施方式的衍射光学元件10中，不并列合成单元10b，而是隔着间隔而配置，但隔着该间隔配置的衍射光栅虽然是缺失了衍射光栅之间的形态，但在两者之间构成连续的关系即两者分别构成相同的衍射光栅的一部分。这样，即便衍射光栅缺少中间的部分，但只要作为整体而构成相同的衍射光栅，则能够发挥作为衍射光栅的期望的性能。因此，第2实施方式的衍射光学元件10能够发挥与第1实施方式相同的作用及效果。

(第3实施方式)

图10是表示本发明的衍射光学元件的第3实施方式的俯视图。

除了合成单元10b的结构与第1实施方式不同之外，第3实施方式的衍射光学元件10也构成为与第1实施方式相同的结构。因此，对于发挥与上述第1实施方式相同的功能的部分赋予相同的符号，适当省略重复的说明。

在之前说明的第1实施方式及第2实施方式中，在间距大的衍射光栅中凸部11a并列的朝向为接近基本单元10a的边延伸的朝向的方向，因此将正方形的基本单元10a在图中上下或左右并列或隔着间隔而配置，从而可包括大间距。但是，衍射光栅的面内的旋转方向并非这样良好，例如在接近基本单元10a的对角线方向的朝向上并列凸部11a的情况也较多。在这样的情况下，如果仅应用上述的第1实施方式及第2实施方式，则可能无法进行对应。

第3实施方式时例如以接近基本单元10a的对角线方向的朝向并列凸部11a的情况下有效的形态。

如图10所示，在第3实施方式中，在倾斜方向即接近基本单元10a的对角线方向的方向上隔着合成单元10b而进行了配置。并且，将合成单元10b的分割的朝向形成为基本单元10a的对角线方向。由此，如图10所示，即便在接近基本单元10a的对角线方向的方向上并列有凸部11a的衍射光栅的情况下，也能够使合成单元10b全部包括其1个间距以上。

图11是与第2实施方式的图9相同地，在第3实施方式中，从图10的状态去除单元编号1,2,5,6,9,10,11,15的基本单元10a，并虽然在其位置实际不存在，但假设而排列与单元编号7及单元编号14相同的衍射光栅而示出的图。

如图11所示，两个单元编号7构成相同的衍射光栅的一部分，同样地，两个单元编号14构成相同的衍射光栅的一部分。而且，将两个合成单元组合而表示的衍射光栅均成为包括1个间距以上的衍射光栅的光栅。由此，即便是倾斜方向，第3实施方式的衍射光学元件10也能够发挥与第1实施方式及第2实施方式相同的作用及效果。

(第4实施方式)

图12是表示本发明的衍射光学元件的第4实施方式的俯视图。

除了合成单元10b的结构与第2实施方式不同之外，第4实施方式的衍射光学元件1构成为与第2实施方式相同的结构。因此，对于与上述的第1实施方式及第2实施方式相同的功能的部分，赋予相同的符号，适当省略重复的说明。

第4实施方式的衍射光学元件10是将在第2实施方式中在图中的上下方向上隔着空间而配置的合成单元10b在图中的左右方向上隔着空间而配置的例子。第4实施方式的衍射光学元件10这样的合成单元10b的配置也能够发挥与第1实施方式及第2实施方式相同的作用及效果。

(验证)

进行与上述的各个实施方式相应的仿真的结果如下。

图13是示意性地表示仿真中使用的衍射光栅的图。

在仿真中，把将图13中的P作为1个间距的4级的衍射光栅作为模型。

图14是表示进行仿真的合成单元10b的配置图案的图。

图15是将进行仿真的合成单元10b的配置图案与栅格一并示出的图。

仿真是对如下单元进行的：将图14(a)及图15(a)的形态作为基本单元，如图14(b)及图15(b)这样在图中的纵向(衍射光栅的台阶与并列方向一致的方向)上连续地宽幅地配置的合成单元10b(相当于第1实施方式的形态，以下又称为纵向2倍单元)和如图14(c)及图15(c)所示这样在图中的纵向(衍射光栅的台阶与并列方向一致的方向)上隔着空间而配置的合成单元10b(相当于第2实施方式的形态，以下又称为纵向移除单元)和如图14(d)及图15(d)所示这样在图中的纵向(衍射光栅的台阶与并列方向一致的方向)和左右方向(衍射光栅的台阶与并列方向正交的方向)的各个方向上隔着空间而配置的合成单元10b(相当于第4实施方式的形态，以下又称为纵横移除单元)。

图16是表示在理想的状态下相对基本单元中的间距的变化的衍射角的变化的图。

图16所示的衍射角为本来的衍射角即构成设计目标的衍射角。

在此，仿真中利用了新思科技(Synopsys)公司制作的Rsoft-BeamPROP模拟器。这是通过波束传输方法而进行的仿真，关于波束传输方法，例如在丸善出版·小舘香椎子，神谷武志监修“衍射光学元件的数值解析和其应用”中有阐述。

在光栅单元阵列中，图13这样的4级的光栅通常如图14(a)这样决定单元区域，通过光栅的旋转方向、间距，特定衍射角的方向。在将目标的衍射角为θ时，各个光栅单元形成由间距＝波长÷sin(θ)表示的间距。图16是将间距和衍射角图示的图，其示出光栅周期充分地进行重复的理想的情况。

图17是表示从在20μm角的单元具备20μm间距的衍射光栅的单位格发出的衍射光的分布的图。图17(a)是以浓淡的方式表示衍射光的分布的图，颜色浓的部分为光量多的部分。图17(b)是将图17(a)的分布的中央位置D-D上的亮度分布图表化的图。

如上所说明，当光栅间距变大时，可由一个单元表现的间距周期数被限定。例如，图14(b)的正方形的单元的1边为20μm的情况下，光栅间距为20μm时是1周期，光栅间距为40μm时是0.5周期。在单元的1边为20μm的正方形，光栅间距为20μm的情况下，其衍射光并非图17所示的单一的衍射角，而是将本来的衍射角2.43°附近为面分布衍射光。

在此，将作为面而分布的衍射光的x方向-1°到+5°为止的面的重心作为衍射角。

图18是综合地示出仿真结果的图。

在图18中，将相对间距的理想的衍射角和通过上述的重心而求出的衍射角一并示出。

参照图18，在20mm角的基本单元(图14(a))的情况下，当间距为40μm时，偏离理想衍射角。相对20μm角的单元，在纵向2倍单元(图14(b))、纵向移除单元(图14(c))、纵横移除单元(图14(d))中，相对于偏离理想衍射角的20μm角的单元(图14(a))的偏离量，偏离量变小。

(关于合成单元的作用)

图19A、图19B、图19C是对由4级(4-level)的衍射光栅实现的衍射现象进行说明的图。

衍射光为由在图19A(a)中所示的sin(衍射角θ)＝波长λ/pitch来定义的衍射角。

如图19A(b)所示，衍射光的含义如下：将入射光形成为平面波时，当在衍射光栅的介质中透过时，光的速度变慢(1/折射率)左右，因此上面所出现的相位面成为台阶状，进而作为衍射角度的面而近似。图19A(c’)为连续地入射波阵面的情况，可形成具备衍射角的倾斜方向的光的波阵面。

图19B(d)表示图19A(c)的部分衍射光栅，相位面的范围变窄，但如图19(d’)所示，构成与图19(c’)相同的连续波阵面。

图19B(e)示出连续的衍射光栅中在中间不透过光的情况，在照射了连续波阵面的情况下，如图19B(e’)所示，波阵面变得完整。

图19C(f)表示在不连续的衍射光栅中，在中间形成了不透过光的部分的情况。在该情况下，在照射了连续波阵面的情况下，如图19C(f’)所示，无法得到a部的波阵面和b部的波阵面的连续性，不构成衍射光。

这样，在理论上，也能够说明上述说明的各个实施方式的合成单元的有用性。

(变形方式)

本发明不限于以上说明的实施方式，而可进行各种变形、变更，而它们也包括在本发明的范围内。

(1)在各个实施方式中，作为合成单元10b，以将两个单元合成及分割而构成的情况为例进行了说明。但不限于此，例如，也可以将3个以上的单元合成及分割而构成合成单元。所合成的单元的数越多，可越加长特定的方向的长度，可配置更长间距的衍射光栅。

(2)在各个实施方式中，为了便于理解，将合成单元的形状形成为长方形、直角等腰三角形，但这些形状例如也可以是梯形，可进行适当变更。

(3)在各个实施方式中，以4级(4级)的衍射光栅为例进行了说明。但不限于此，例如也可以是2级、16级，关于级数，不作特别限定。

(4)在各个实施方式中，将可见光为衍射对象的波长而进行了例示，但不限于此，例如，衍射对象的光既可以是红外光，也可以是紫外光。并且，关于光源，既可以是LED，也可以是激光器。

(5)在各个实施方式中，以基本单元10a为正方形的情况为例进行了说明。但不限于此，例如，基本单元的形状既可以形成为长方形，也可以形成为三角形、六边形等多边形形状。

另外，也可以将第1实施方式～第3实施方式及变形方式适当组合而使用，但省略详细的说明。并且，本发明不限于以上说明的各个实施方式。

(符号说明)

10 衍射光学元件

10a 基本单元

10b 合成单元

11 高折射率部

11a 凸部

11a-1 等级1台阶部

11a-2 等级2台阶部

11a-3 等级3台阶部

11a-4 等级4级部

11b 侧壁部

12 凹部

13 空间

14 低折射率部

15 衍射层

200 屏幕

201 光

202 照射区域

204 照射区域

210 光源部

Claims (6)

1.一种衍射光学元件，其具备衍射层，该衍射层包括：

高折射率部，其在截面形状中并列配置有多个凸部；及

低折射率部，其折射率低于所述高折射率部，且至少包括形成在所述凸部之间的凹部，

在该衍射光学元件中并列配置有多个单元，按照每个单元，所述凸部的并列间距和面内的旋转方向的配置中的至少一方是不同的，在相同单元内所述凸部的间距和面内的旋转方向的配置是相同的，通过作为所述单元的集合体的结构，对光进行整形，

在该衍射光学元件中，

在所述多个单元中包括：

所述单元的外形形状为相同形状的多个基本单元；及

合成单元，其外形形状与所述基本单元不同，并具备特定的方向的长度比所述基本单元的长度长且至少包括所述凸部的1个间距量的衍射光栅，或者，由隔着间隔并列排列的多个单元构成，该多个单元具备所述凸部的间距和面内的旋转方向的配置相同且包括所述凸部的1个间距的衍射光栅。

2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述合成单元构成为如下形状：对特定数的所述基本单元进行组合，进而将组合后的所述基本单元分割为所述特定数。

3.根据权利要求2所述的衍射光学元件，其特征在于，

在所述合成单元被构成为隔着间隔并列排列的多个单元的情况下，所述合成单元的所述凸部的形状为在成为间隔部分的位置处所述凸部的形状虚拟地连续，空间周期相同的结构。

4.根据权利要求2或3所述的衍射光学元件，其特征在于，

分割所述合成单元的方向为与所述特定的方向交叉的方向或与多个所述合成单元隔着间隔并列排列的方向交叉的方向。

5.根据权利要求1至4中的任意一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述合成单元包括的衍射光栅的所述凸部的间距大于所述基本单元包括的衍射光栅的所述凸部的间距。

6.根据权利要求5所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述合成单元构成的衍射光栅的所述凸部的间距大于所述基本单元的外形形状的最大长度。