CN110662989A - 衍射光学元件、投影装置及计测装置 - Google Patents

衍射光学元件、投影装置及计测装置 Download PDF

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Abstract

本发明提供能稳定地产生规定图案的光斑，并且光利用效率高的衍射光学元件、投影装置以及计测装置。本发明的衍射光学元件具备：透明基材；设置成与透明基材的一个表面接触的凹凸部；和填充凹凸部的凹部并且覆盖凹凸部的凸部的上表面以使凹凸部平坦化的填充部，凹凸部在透明基材的上述表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面相互平行，相对于从透明基材的表面的法线方向入射的入射光的、透明基材、凹凸部和填充部中的至少凹凸部和填充部的折射率是不同的，透明基材、凹凸部和填充部相对于入射光的折射率均为2.2以下。

Description

衍射光学元件、投影装置及计测装置
技术领域
本发明涉及生成规定图案的光斑的衍射光学元件、具备该衍射光学元件的投影装置及计测装置。
背景技术
存在一种通过对计测对象的被测定物照射规定的光，检测由该被测定物散射的光，进行该被测定物的位置或形状等的计测的装置(例如，参照专利文献1等)。在这样的计测装置中，为了将特定的光的图案照射在计测对象上，可使用衍射光学元件。此外，在对投影的对象进一步提高均匀性而进行照射的用途中，也使用衍射扩散光学元件(例如，参照专利文献2等)。
生成规定的光斑的衍射光学元件通过对来自衍射光学元件的射出光的相位分布进行傅立叶变换而得到，所述光斑是指在规定的投影面中实现特定的光的图案或均匀照射的光的图案。这样的衍射光学元件例如通过对平面视时具有二维的凹凸图案、且由规定的凹凸图案构成的基本单元使用迭代傅立叶变换法等求出相位分布，并进行适当配置而得到。
已知衍射光学元件例如通过对基板表面进行凹凸加工而得到。这样的凹凸构成的情况下，利用成为填充凹部的材料的空气(折射率＝1)与凸部材料之间的较大的折射率差，提供所需的光路长度差，能够将光衍射，因此可以将凸部的高度加工得较小。凸部的高度也可读作凹部的深度。
另一方面，该构成的情况下，因为凹凸表面与外部气体接触，所以污物、水滴、析出物等的附着有可能无法稳定地产生规定图案的光斑。即、因为凹凸表面的露出由于附着物而使凹凸形状变化，导致衍射效率发生变化。
作为衍射光学元件的其他例，还已知使用与凸部材料不同且不是空气的折射率材料填充凹部(更具体而言，凹部及凸部上面)的构成。该构成中，因为凹凸表面不露出，所以能够抑制附着物造成的衍射效率的变动。例如，专利文献3中还揭示了以填埋产生二维光斑的凹凸图案的方式，提供折射率不同的其他透明材料的衍射光学元件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第5174684号公报
专利文献2：美国专利第6075627号说明书
专利文献3：日本专利第5760391号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
但是，在用空气以外的材料填充凹部的情况下，因为凹部的折射率比空气的折射率高，所以凹部与凸部的折射率差小，为了得到规定的光路长度差，必须增高凸部。特别是作为投影装置或计测装置用途，在为了向广范围照射光、产生广衍射角度的光斑的衍射光学元件的情况下，如果不是它们的折射率差大的材料的组合，则凸部的高度增加，可能使加工变得困难。
由此，针对因加工困难性引起的衍射精度降低的问题，考虑通过在凸部材料或凹部材料(填充材料)中使用折射率高的材料，从而使凸部的高度降低的凹凸结构。
但是，在凹部与凸部的折射率差增大的材料的组合的情况下，凹凸结构形成的界面，例如这些材料的界面及这些材料与空气的界面处的反射率增大，光利用效率低，并且存在产生杂散光的问题。在投影装置产生多个光斑、或用计测装置计测由产生的光斑照射的光的返光(散射光等)的情况下，上述问题成为无法获得高精度的原因。
于是，本发明的目的是提供能够稳定地产生规定图案的光斑且光利用效率高的衍射光学元件、具备该衍射光学元件的投影装置以及计测装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的衍射光学元件是具有能产生二维的相位分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光的衍射光学元件，其特征是，具备：透明基材；设置成与透明基材的一个表面接触的凹凸部；和填充凹凸部的凹部并且覆盖凹凸部的凸部的上表面以使凹凸部平坦化的填充部，凹凸部在透明基材的表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面互相平行，相对于从透明基材的表面的法线方向入射的入射光的、透明基材、凹凸部和填充部中的至少凹凸部和填充部的折射率是不同的，当将透明基材、凹凸部和填充部相对于入射光的折射率分别记为n1、n2、n3时，它们中的任一值均在2.2以下。
此外，本发明的衍射光学元件是具有能产生二维的相位分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光的衍射光学元件，其中，具备：透明基材；设置在透明基材的一个表面上的凹凸部；和填充凹凸部的凹部并且覆盖凹凸部的凸部的上表面以使凹凸部平坦化的填充部，凹凸部在透明基材的表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面相互平行，相对于从透明基材的表面的法线方向入射的入射光的、透明基材、凹凸部和填充部中的至少凹凸部和填充部的折射率是不同的，在凹凸部和填充部之间、或者在透明基材和凹凸部之间具备折射率调整层，当将形成入射侧界面的介质的折射率记为nm、将形成出射侧界面的介质的折射率记为n0、将该折射率调整层或其各层的折射率记为nr、将厚度记为dr时，折射率调整层是相对于该折射率调整层的两界面，满足以下的式(A)的单层的折射率调整层，或者满足多层结构的理论反射率R＜4％的1层以上的折射率调整层，
式(A)：
(n0×nm)0.5-α＜nr＜(n0×nm)0.5+α，且
(1-β)×λ/4＜nr×dr＜(1+β)×λ/4
其中，α＝0.25、β＝0.6
此外，本发明的衍射光学元件是具有能产生二维的相位分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光的衍射光学元件，其中，具备：透明基材；设置成与透明基材的一个表面接触的凹凸部；和填充凹凸部的凹部并且覆盖凹凸部的凸部的上表面以使凹凸部平坦化的填充部，凹凸部在透明基材的表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面相互平行，当将具有规定的折射率和厚度的2层以上的多层膜作为基本块时，凹凸部的各级可以是由将1个以上的基本块堆叠而成的多层结构构成的结构。
本发明的投影装置是将来自光源的光投影至规定的投影面上的投影装置，其特征是，具备：光源；和作为用于将自光源射出的光的照射范围扩大的光学元件的上述任一种衍射光学元件，照射在规定的投影面上的光的光量与自光源射出的光的光量的比例在50％以上。
本发明的计测装置的特征是，具备：射出检测光的投影部；和检测散射光的检测部，所述散射光是通过向测定对象物照射自投影部射出的检测光而产生的散射光，作为投影部，具备上述的投影装置。
发明效果
根据本发明，能够提供能稳定地产生规定图案的光斑且光利用效率高的衍射光学元件、投影装置以及计测装置。
附图说明
图1是实施方式1的衍射光学元件10的剖面示意图。
图2是显示透明基材11、凹凸部12和填充部13的界面反射的例子的剖面示意图。
图3是显示由衍射光学元件10生成的光的图案的例子的说明图。
图4是显示实施方式1的衍射光学元件10的凹凸部12的例子的示意图。
图5是显示实施方式1的衍射光学元件10的其他例的剖面示意图。
图6是显示衍射光学元件10内的衍射光的传播的例子的剖面示意图。
图7是显示凹凸部12的按间距的、衍射光的各级的衍射效率的计算结果的说明图。
图8是实施方式2的衍射光学元件50的剖面示意图。
图9是实施方式3的衍射光学元件60的剖面示意图。
图10是显示实施方式3的衍射光学元件60的其他例的剖面示意图。
图11是实施方式3的衍射光学元件60的剖面示意图。
图12显示例1的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图13显示例2的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图14显示例3的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图15显示例4的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图16显示例5的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图17显示例6的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图18显示例7的在800～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图19显示例8的在900～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图20显示例9的在900～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图21显示例10的在600～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图22显示例11的在600～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图23是显示例12的衍射光学元件的凹凸部结构的示意图。
图24显示例12的在300～1100nm波长下的反射率的计算结果。
图25显示例12的在300～1000nm波长下的反射率的计算结果。
图26是显示例13的衍射光学元件的凹凸部结构的示意图。
图27是显示例14的衍射光学元件的凹凸部结构的示意图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的一些实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1、2是实施方式1的衍射光学元件10的剖面示意图。衍射光学元件10具备透明基材11、设置为与透明基材11的一个表面接触的凹凸部12、和覆盖凹凸部12的上表面以进行平坦化的填充部13。
衍射光学元件10例如具有能产生二维的位相分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光。这里，凹凸图案是上述凹凸部12的凸部121形成的高低差的平面视时的二维图案。“平面视”是指从入射至衍射光学元件10的光的前进方向看到的平面，相当于从衍射光学元件10的主面的法线方向看到的平面。凹凸图案在平面视时具有特定的凹凸图案的基本单元可以规则地排列，也可以不规则地排列。凹凸图案也可以构成为由此产生的多个衍射光的每一个、即光斑能够在预先规定的投影面中实现规定的光的图案。
在实施方式1中，凹凸部12设置为与透明基材11的一个表面(图中的S1)接触。此外，如图1所示，凹凸部12在透明基材11的表面S1上构成2级以上的级，并且各级的上表面相互平行。这里，平行是指相对于基准线或基准面的倾斜角在0.5°以内。
从凹凸部12来看，将靠近透明基材11的方向称为下方，将远离透明基材11的方向称为上方。因此，透明基材11和凹凸部12的界面是凹凸部12的最下表面，凹凸部12的各级的上表面中距离透明基材11最远的面是最上表面。
本发明中，对于构成凹凸部的构件，有时将凹凸部和填充部接触的面中位于比最低的部分高的位置的面称为凹凸部的凸部。此外，有时将被凸部包围而形成的凹陷部分且比凸部的最上表面低的部分称为凹凸部的凹部。在切削透明基材11的表面而得到凹凸部的情况下，只要使表面的凹凸结构中的位于最低位置的面成为凹凸部和透明基材的边界(凹凸部的最下表面、且是透明基材的表面)即可。
填充部13将凹凸部12的凹部122无间隙地填充，并且覆盖凹凸部12的凸部121的上表面以使凹凸部12平坦化。填充部13具有与透明基材11的表面S1接触的部分。
凹凸部12的级数与通常的衍射光栅同样，将构成相对于入射光产生相位差的高低差的各面作为1级进行计数。在凹凸部12中，例如假设光从透明基材11侧入射，将凹部的底面、即填充部13与透明基材11接触的部分作为第1级。此外，将凸部121的各级作为第2级以上进行计数。另外，图1所示的例是在透明基材11的表面S1上具有构成最多4级的级的凹凸部12的衍射光学元件。
以下，将相对于来自透明基材11的表面S1的法线方向的入射光的透明基材11、凹凸部12和填充部13的折射率分别记作n11、n12、n13。另外，凹凸部12的折射率n12和填充部13的折射率n13可以是平均折射率。
这些构件的折射率满足以下的关系。首先，至少n12≠n13。这里，设定为n12＞n13，但也可以是n12＜n13。其次，从凹凸部12的加工容易性的观点考虑，优选|n12-n13|≥0.2，更优选|n12-n13|≥0.3，进一步优选|n12-n13|≥0.45。这里所说的“折射率”相当于入射光中光强度最高的波长附近的折射率，例如，可以设定在相对于该波长为±20nm的范围、或±10nm的范围，还可以设定为光强度最高的波长。
作为凹凸部12和填充部13的材料，可使用无机材料或有机材料、有机无机杂化材料。作为有机材料，若使用有机硅树脂或聚酰亚胺树脂，则可得到高耐热性，因而优选。作为无机材料，可使用Zn、Al、Y、In、Cr、Si、Zr、Ce、Ta、W、Ti、Nd、Hf、Mg、La等的氧化物、氮化物、氮氧化物、Al、Y、Ce、Ca、Na、Nd、Ba、Mg、La、Li的氟化物、碳化硅、或它们的混合物、ITO等透明导电体、Si、Ge、类金刚石碳、使它们含有氢等杂质而得的材料等。
通常的树脂材料的折射率即使较大时也大约是1.7，并且可能不会使凹凸部12和填充部13之间的折射率差很大。与此相伴，若凹凸部12的高低差增大，则凹凸部12和填充部13的光路长度差相对于折射率差的灵敏度变高，其结果是，衍射效率的灵敏度变高。因此，凹凸部12和填充部13双方都是树脂材料的情况下，考虑到温度依赖性，优选两种材料的折射率变动的温度依赖性接近。更具体而言，将凹凸部12和填充部13接触的面中的最高部分和最低部分的差记为高度d、将两种材料的折射率差记为Δn，从0℃变动至50℃时的Δnd的变动值优选是20℃下的Δnd的5％以下，更优选3％以下。此外，衍射光学元件在更加严酷的环境下使用时，从-20℃变动至60℃时的Δnd的变动值优选是20℃下的Δnd的5％以下，更优选3％以下。此外，各温度下的相对于20℃下的各衍射效率的衍射效率的变动优选在10％以下，更优选5％以下，更优选3％以下。通常，在各衍射效率的级数中，零级衍射效率的变动最大，因此，可以通过零级衍射效率来评价衍射效率的变动。
例如，在将20℃下的光路长度差记为L、将基于温度变化的L的变化量记为δL、将Δn的变化量记为δΔn、将d的变化量记为δd时，L+δL＝(Δn+δΔn)(d+δd)。L＝Δn×d，若忽略2级的微小量，则为δL＝(d/L)δd+dδΔn。因此，若Δn变小，则d增大，产生相同的δΔn的情况下，δL的变化增大。相当于该δL的系数的(d/L)相当于以上所说的“灵敏度”。
此外，即使在凹凸部12和填充部13的组合是有机材料和无机材料的情况下，相对于两种材料的温度变化的折射率变化的行为也大大不同。在该情况下，通过调整两种材料和高度d，只要从0℃变动至50℃时、甚至从-20℃变动至60℃时的Δnd的值满足上述条件即可。
此外，作为透明基材11，可使用玻璃等相对于入射光呈透明的构件。这样的透明材料的折射率通常在1.3以上。
表1中示出假定了形成2级、即二元衍射格栅的凹凸部12的、相对于3构件的折射率n11、n12和n13的组合的基于反射的损失的计算结果例。
[表1]
Figure BDA0002286977170000081
表1中，反射率的计算假设了相对于两种折射率不同的介质，光垂直入射至界面的情况。并且，这里不考虑由薄膜引起的干涉的影响。即，使用式(1)分别计算了图2中所示的在透明基材11和凹凸部12的两种材料的界面处发生的反射率R12、在透明基材11和填充部13的两种材料的界面处发生的反射率R13、和在凹凸部12和填充部13的两种材料的界面处发生的反射率R23。
此外，使用式(2)计算了在各界面处发生的反射率的合计Rall。这里，A表示从上部观察透明基材11的表面S1时，在该表面S1的入射光的有效区域内，凹凸部12或填充部13中的折射率较高的构件与透明基材11接触的面积的比例。这里，入射光的有效区域是指入射光的光强度在1/e2以上的区域，即、当将入射光中的最高的(位置的)光强度记为100％时，由显示13％以上的光强度的光照射的区域。实施方式1中，使950nm波长下的折射率为n12＞n13，使凹凸部12与透明基材11接触的面积的比例为A。
R12＝(n11-n12)2/(n11+n12)2
R13＝(n11-n13)2/(n11+n13)2
R23＝(n12-n13)2/(n12+n13)2…(1)
Rall＝A×(R12+R23)+(1-A)×R13…(2)
表1中，组1是设为n11＜n13＜n12及A＝50％、且使折射率差|n12-n13|以约0.1的间隔从0.1变化至0.7时的反射率的估计。此外，组2是设为n13＜n11＜n12及A＝50％、且使折射率差|n12-n13|以约0.1的间隔从0.1变化至0.7时的反射率的估计。此外，组3是在组2的折射率的组合中设为A＝40％时的反射率的估计。此外，组0是作为比较例，不具有填充部13的构成、即、用空气填充凹部122、对石英基板进行了直接加工时的界面反射的计算结果。
根据表1，将组1和组2比较时，即使在大致相同的折射率差下，组2的反射率Rall也较小。此外，将具有相同的折射率关系的组2和组3比较时，即使在相同的折射率差下，组3的反射率Rall也较小。
因此，当以满足n13＜n11＜n12的条件来调整透明基材11、凹凸部12和填充部13的折射率时，在凹部122(填充部13)和凸部121之间的折射率差相同的情况下，可进一步降低反射率，因而是优选的。此外，当以A＜50％的条件来调整有效区域内的凸部121的面积比、更具体而言减小凹凸部12和填充部13中使用了高折射率材料的构件的比例时，可降低反射率，因而是优选的。
此外，通过与组0比较，作为透明基材11、凹凸部12和填充部13的材料的折射率，只要选择低于组0的反射率Rall＝3.4％的组合即可。在表1的例中，n11、n12、n13全都优选在2.2以下，更优选在2.0以下，进一步优选在1.8以下。
表1是凹凸部12为2级的衍射光栅的估计，但在多级的凹凸部12、即构成3级以上的衍射光栅的凹凸部12的情况下，凸部121在凹凸部12中所占的面积比达到50％以上的情况较多。因此，在n12＞n13且凹凸部12为(3级以上的)多级的情况下，存在A达到50％以上、反射量增大的倾向。这样的情况下，n11、n12、n13全都优选在1.96以下，更优选在1.8以下。另一方面，即使在多级、n12＜n13的情况下，n11、n12、n13全都优选在2.1以下，更优选在1.9以下。
此外，作为透明基材11和填充部13的关系，从抑制在与透明基材11的界面处的反射的角度考虑，特别是在n12＞n13的情况下，优选|n11-n13|≤0.3，更优选|n11-n13|≤0.2。n13＞n12的情况下，优选|n11-n12|≤0.3，更优选|n11-n12|≤0.2。
此外，作为衍射光学元件10整体的反射率，优选在10％以下。更具体而言，该反射率优选在6％以下，更优选在4％以下，进一步优选在3％以下。此时，在透明基材11、凹凸部12和填充部13的各界面处的反射的合计、即、由3构件层叠结构产生的反射率优选设为8％以下。更具体而言，该反射率优选在4％以下，更优选在2％以下，进一步优选在1％以下。这里，由3构件层叠结构产生的反射率可以用上述的Rall进行评价，但也可考虑干渉，通过下述式(7)所示的基于多层结构的理论反射率进行评价。
接着，对于衍射光学元件10表现出的衍射作用，基于图3的由衍射光学元件10生成的光的图案的例示进行说明。衍射光学元件10形成为相对于以光轴方向作为Z轴而入射的光束21，使所射出的衍射光组22进行二维分布。关于衍射光学元件10，将具有与Z轴的交点且垂直于Z轴的轴记为X轴和Y轴的情况下，光束组在X轴上的从最小角度θxmin到最大角度θxmax及Y轴上的从最小角度θymin到最大角度θymax(均未图示)的角度范围内分布。
这里，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。由X轴方向上的从最小角度θxmin到最大角度θxmax、Y轴方向上的从最小角度θymin到最大角度θymax形成的衍射光组22所照射的范围是与和衍射光学元件10一起使用的光检测元件的光检测范围大致一致的范围。在本例中，在光斑图案中，通过在X方向上相对于Z轴的角度为θxmax的光斑且与Y轴平行的直线成为上述短边，通过在Y方向上相对于Z轴的角度为θymax的光斑且与X轴平行的直线成为上述长边。以下，将连接上述短边和上述长边的交点和衍射光学元件的直线与Z轴所成的角度记为θd，将该角度称为对角方向的角度。
衍射光学元件10中，例如、入射光从透明基材11的表面S1的法线方向入射时产生的多个衍射光的每一个(光斑)所成的对角方向的角度θd可以在7.5°以上，也可在15°以上。此外，衍射光学元件10可产生的光斑的数量可以在4以上，也可在9以上，也可在100以上，也可在10000以上。光斑的数量的上限没有特别限定，例如也可以是1000万点。
此外，通常衍射光学元件的凹凸结构的截面是二元形状或闪耀形状等，但是在衍射光学元件的凹凸结构的截面以连续的闪耀形状以外的形状形成的情况下、或截面虽然是闪耀形状但存在制造上的不规则的情况下，在所需的衍射光之外还可能产生杂散光。但是，这样的杂散光因为不是在设计阶段所希望的光，因此不包含在分布于上述角度范围内的光斑中。
此外，在图3中，Rij表示投影面的分割区域。例如，衍射光学元件10可如下构成：在将透明面分割为多个区域Rij的情况下，在各区域Rij中由所照射的衍射光组22产生的光斑23的分布密度相对于全部区域的平均值在±50％以内。上述分布密度可以是相对于全部区域的平均值在±25％以内。若如此构成，则能够使光斑23的分布在投影面内均匀，在计测用途等中是理想的。这里，投影面不仅可以是平面，也可以是曲面。并且，平面的情况下，也可以是与光学系统的光轴垂直的面以外的倾斜的面。
图3示出的衍射光组22中所含的各衍射光是在式(3)所示的光栅方程中，以Z轴方向为基准，以在X方向上的角度θxo、在Y方向上的角度θyo衍射的光。式(3)中，mx是X方向的衍射级数，my是Y方向的衍射级数，λ是光束21的波长，Px、Py是下述的衍射光学元件的基本单元在X轴方向、Y轴方向上的间距(pitch)，θxi是X方向上的向衍射光学元件入射的入射角度，θyi是Y方向上的向衍射光学元件入射的入射角度。通过将该衍射光组22照射在屏幕或者测定对象物等投影面上，在所照射的区域生成多个光斑23。
sinθxo＝sinθxi+mxλ/Px
sinθyo＝sinθyi+myλ/Py…(3)
作为射出满足如上规定的条件的衍射光组22的衍射光学元件10，可使用通过迭代傅立叶变换法等而设计的衍射光学元件。更具体而言，可使用将能产生规定的位相分布的基本单元周期地、例如二维地排列的衍射光学元件。在这样的衍射光学元件中，远处的衍射光的衍射级数的分布通过基本单元的傅立叶变换而得到。
衍射光学元件10如图4(a)所示，在透明基材11上，构成凹凸部12的基本单元31可以在X轴方向上以间距Px、在Y轴方向上以间距Py周期地排列成二维状。基本单元31例如具有如图4(b)或图4(c)所示的相位分布。在图4(b)所示的例中，以涂黑区域为凸部121、反白区域为凹部122的方式形成凹凸图案。图4(c)所示的例是具有8级相位差的相位分布的例，以涂黑的各图案对应凹凸部12的各级的方式形成凹凸图案。凹凸部12只要能够产生相位分布即可，包括在玻璃或树脂材料等使光透过的构件(透明基材11)的表面上形成了凹凸图案的结构。作为衍射光学元件10，不仅可以是在形成有凹凸图案的透明的构件(透明基材11)上粘贴与该构件的折射率不同的构件(填充部13)，使表面平坦化而得的结构，也可以是在透明的构件中使折射率变化的结构。即，凹凸图案并不是仅意味着表面形状是凹凸的情况，还包括能赋予入射光相位差的结构。
此外，衍射光学元件10中将基本单元31配置成二维状时，基本单元不必是整数个，只要在凹凸图案内包含1个以上的基本单元，则凹凸图案和不具有凹凸图案的区域的边界与基本单元的边界可以不必一致。此外，基本单元31并不限定为一种，也可以是多种。
此外，以上对具有二维状的周期结构的衍射光学元件进行了说明，但衍射光学元件10也可以是能使光二维地扩散的非周期的凹凸结构，也可以是能够使光在一维方向上衍射的凹凸结构、具有有透镜功能的菲涅尔透镜结构的凹凸结构。透明基材11和凹凸部12的界面以及凹凸部12的各级的上表面即使不相互平行，通过满足上述所示的折射率的关系，也可获得伴随在凹凸部所形成的界面处的折射率差的反射率的降低效果。
凹凸部12是N级的阶梯状的类似闪耀形状的情况下，当将凹凸部12和填充部13接触的面中最高部分与最低部分的差记为高度d时，若满足d×(n12-n13)/λ＝(N-1)/N，则由凸部121和凹部122(填充部13)产生的光路长度差可形成为近似于1波长程度的波面，可获得高衍射效率，因而是优选的。
此外，与凹凸部12的形状无关，对于凹凸部12的各级的高度，只要将从透明基材11到凹凸部12和填充部13的界面为止的距离设定为光路长度即可，该光路长度是入射光的整个波长范围内所含的波长中的规定的设计波长的半波长的整数倍。该条件也可以不适用于所有的级。即、在凹凸部12的任一级中，优选从透明基材11到该级的上表面为止的距离相当于设计波长的半波长的整数倍的光路长度的构成。这是因为，具有为半波长的整数倍的光程长度的层是光学上无作用的层。特别是，在2以上的级中，只要使光路长度为半波长的整数倍即可。例如，在凹凸部的级数是4级以上的情况下，可以在半数以上的级中将光路长度设定为半波长的整数倍。这里，半波长的整数倍是指将整数设为m，满足0.5m-0.15＜nr×dr/λ＜0.5m+0.15的条件。nr是作为光路长度的计算对象的介质的折射率，这里是指凹凸部12的折射率n12。dr是作为光路长度的计算对象的介质的高度，这里是指凹凸部12的各级的高度。此外，设计波长可以是入射光中光强度最高的波长。
此外，与凹凸部12的形状无关，从加工容易性的角度考虑，优选凹凸的高度d较低。因此，|n12-n13|的值优选在0.2以上，更优选在0.3以上，进一步优选在0.45以上。
此外，在图1中填充部13露出，但也可以是图5(a)所示的将填充部13的上表面用另一个基材(11-2)密封而成的结构。此时，在各基材(11-1,11-2)和空气的界面可以形成防反射膜。也可不设置第二透明基材11-2，而在与空气接触的填充部13的上表面形成防反射膜。此外，如图5(b)所示，衍射光学元件10中具有衍射作用的凹凸图案层(凹凸部12)不限定于1个，也可以具有多个凹凸图案层(凹凸部)。在该情况下，可以是将2个衍射光学元件层叠而成的构成，也可以是图5(b)所示的使2个凹凸部(12-1、12-2)隔着填充部13进行一体化而成的构成。
在上述说明中，对基于凹凸部12和其他介质的界面的反射率的构成进行了说明，但实际的衍射光学元件中，由于反射光也通过凹凸结构的衍射作用而发散出多个反射衍射光，因此有时难以测定反射光的光量。该情况下，可以利用透射光的光量来评价反射光的光量。透射光的光量可以通过使与元件相邻的积分球等受光元件接收从与衍射光学元件的入射面相对的出射面射出的光，使与元件相邻的积分球等受光元件接收光，测定其光量来进行评价。例如，也可以通过受光量相对于入射光的光量的比例、即前向透射率来评价透射光的光量。此时，透射光的光量是从入射光的光量减去在透明基材11、凹凸部12、填充部13的界面处产生的反射，以及元件的吸收、在入射侧元件界面处产生的反射、在出射侧元件界面处产生的反射之后的光量。
此外，例如也可以使用利用了与下述的各衍射光相关的光栅方程的理论值来评价透射光的光量。在该情况下，在衍射光学元件中，假定除了由透明基材11、凹凸部12、填充部13的界面产生的反射以外，没有发生元件内的吸收或元件界面的反射。
实施方式1的衍射光学元件的情况下，前向透射率除了需要考虑从入射光、(A)由基材、凹凸部、填充部的界面产生的反射、(B)构成基材、凹凸部、填充部的构件的吸收这2个主要因素以外，还需要考虑(C)衍射光没有从元件界面射出而在元件内传播的成分。该成分例如如图6中的实线箭头所示，是在元件内的任一界面处被全反射的光线，例如可使用式(3)算出。式(3)中，光线的Z方向上的矢量分量是(1-sin2θxo-sin2θyo)0.5，但括号内是负值的情况下，可判断Z分量的传播矢量分量是虚数并且是没有被射出到空气中的分量。严格来说，在元件内传播的衍射光有可能在元件界面处被全反射，重新入射到凹凸部中，在元件内再次衍射，但在下文中，为简单起见，假设不存在这种干扰。
作为具体例，考虑能够产生21点的衍射光(光斑)的衍射光学元件。衍射光学元件的凹凸图案的基本单元通过重复进行快速傅立叶变换来计算。图7(a)中，作为衍射光学元件的凹凸图案，示出了基本单元在成直角相交的2个轴向上分别以3.6μm的间距排列的情况下的、在x方向(横轴)和y方向(纵轴)上的各级数的衍射效率。本例的情况下，入射光的波长设为950nm，涂黑的级数的光是图6的用实线箭头表示的衍射光，在出射侧元件界面处被全反射，无法射出至衍射光学元件的外部。此时，在假设没有由反射或吸收引起的损失的情况下，在实施方式1的衍射光学元件中，向前方透射的光的光量为92.3％。此外，如图7(a)所示，在该例中，21点的总衍射效率为85.2％。
此外，图7(b)中，作为衍射光学元件的凹凸图案，示出了基本单元在成直角相交的2个轴向上分别以6.6μm的间距排列的情况下的、在x方向和y方向上的各级数的衍射效率。各级数的衍射效率及涂黑的含义与图7(a)相同。本例中，在假设没有由反射或吸收引起的损失的情况下，在实施方式1的衍射光学元件中，向前方透射的光的光量为95.4％。此外，如图7(b)所示，在该例中，21点的总衍射效率为85.2％。
如上所述，前向透射率可通过积分球等受光元件进行评价。此时，如图6的实线所示的由在出射侧元件界面处的全反射产生的在元件内传播的分量可通过用受光装置计测从元件侧面射出的光来进行评价。在假设衍射光学元件没有吸收的情况下，可以通过从入射光量减去前向透射率和从衍射光学元件的侧面射出的光量而得的值来评价作为衍射光学元件的反射率。
如上所述，前向透射率有可能随着衍射级数的设计而值发生变化，特别是在射出宽角度的衍射光的衍射光学元件的情况下，容易变得明显。此外，在由透明基材、凹凸部、填充部的界面产生的反射率低的情况下，可以使前向透射率相对增大。因此，作为反射光量的评价的指标的前向透射率只要在80％以上即可，优选在85％以上，更优选在90％以上，进一步优选在95％以上。此外，衍射光学元件有时会包含其他功能层，但是上述的前向透射率假定为仅包含1个凹凸部的简单结构。另一方面，在具有其他功能层的衍射光学元件的情况下，可以计算并除去由其他功能层的吸收或反射引起的损失，来评价前向透射率。此外，也可以计算和评价在透明基材、凹凸部和填充部的界面以外发生的反射、吸收所引起的损失，并将其除去。此外，在设计衍射光以外，有时会产生10％左右的不需要的衍射光，因此设计衍射光的总衍射效率只要在70％以上即可，优选在75％以上，更优选在80％以上，进一步优选在85％以上。
(实施方式2)
图8是实施方式2的衍射光学元件50的剖面示意图。衍射光学元件50具备透明基材51、设置为与透明基材51的一个表面接触的凹凸部52、和覆盖凹凸部52的上表面以进行平坦化的填充部53。
凹凸部52至少在入射光的有效区域内包括覆盖透明基材51的表面的第一层523。藉此，形成填充部53至少在有效区域内不与透明基材51接触的构成。凹凸部52的第一层523的上表面是第一级。
此外，使凹凸部52的构件与透明基材51的构件不同。以下，将相对于来自透明基材51的表面S1的法线方向的入射光的透明基材51、凹凸部52和填充部53的折射率分别记作n51、n52、n53。在实施方式2中，n52和n53可以是平均折射率。
表2中示出假定2级的凹凸部52时的、相对于3构件的折射率的组合的反射所造成的损失的计算结果例。
[表2]
Figure BDA0002286977170000161
表2中的反射率的计算的前提条件与表1的条件相同。此外，使用式(4)分别计算了图8中示出的在透明基材51和凹凸部52的两种材料的界面处发生的反射率R52、在凹凸部52和填充部53的两种材料的界面处发生的反射率R53。此外，使用式(5)计算了在各界面处发生的反射率的合计Rall。各构件的折射率使用了相对于950nm波长的光的折射率。
R52＝(n51-n52)2/(n51+n52)2
R53＝(n52-n53)2/(n52+n53)2…(4)
Rall＝R52+R53…(5)
表2中，组4是设为n53＜n51＜n52、且使折射率差|n52-n53|以约0.1的间隔从0.1变化至约0.7时的反射率的估计。此外，组5是设为n52＜n51＜n53、且使折射率差|n52-n53|以约0.1的间隔从约0.1变化至约0.7时的反射率的估计。组0与表1相同。
表2中，通过与组0比较，衍射光学元件50优选例如反射率Rall为3.4％以下的折射率n51、n52和n53的组合。更具体而言，在n52＞n53的情况下，n51、n52、n53全都优选在1.96以下，更优选在1.8以下。此外，在n52＜n53的情况下，n51、n52、n53全都优选在2.1以下，更优选在1.9以下。
此外，在折射率差大致相同的条件下，组5比组4更优良。因此，优选满足组5所示的n52＜n51＜n53的关系。此外，在本实施方式中，从抑制与透明基材51的界面处的反射的观点来看，优选|n51-n52|≤0.3，更优选|n51-n52|≤0.2。
其他方面与实施方式1相同。其中，将实施方式1的说明中的符号替换为对应的构件的符号。例如，如果是包括构件间的折射率关系以外的方面(高度d或折射率变动的温度依赖性等)，则可以将n11替换为n51、将n12替换为n52、将n13替换为n53。高度d与实施方式1同样，使用凹凸部52和填充部53接触的面中的最高部分和最低部分的差作为高度。在该情况下，高度d是不包括第一层523的厚度的高度。
(实施方式3)
图9是实施方式3的衍射光学元件60的剖面示意图。衍射光学元件60具备透明基材61、设置在透明基材61的一个表面上的凹凸部62、和覆盖凹凸部62的上表面以进行平坦化的填充部63。衍射光学元件60在凹凸部62和填充部63之间或透明基材61和凹凸部62之间还具有折射率调整层。
在图9所示的例中，在透明基材61和凹凸部62之间设置折射率调整层64。此外，在凹凸部62和填充部63之间、且至少透射光的区域的一部分区域内设置折射率调整层65。图9中示出衍射光学元件60具有折射率调整层64、65双方的例子，衍射光学元件60可以是仅具有折射率调整层64、或仅具有折射率调整层65的构成。
以下，将相对于来自透明基材61的表面S1的法线方向的入射光的透明基材61、凹凸部62和填充部63的折射率分别记作n61、n62、n63。在实施方式3中，n62和n63可以是平均折射率。
折射率调整层在透明基材61、凹凸部62、填充部63中的任一个的折射率较高时特别有效，例如，当n61、n62、n63中的任一个在1.7以上时，特别适用于抑制在凹凸结构形成的界面反射且有效。n61、n62、n63中的任一个优选在1.9以上，更优选在2.1以上。
折射率调整层64、65只要满足下述的条件，可以是单层，也可以是多层。折射率调整层65更优选单层的薄膜。
此外，在通过增加凸部621的级数等，使衍射光学元件的凹凸结构的间距变窄的情况下，有时难以相对于凹凸部62以能够维持衍射效率的精度形成折射率调整层65。这是因为，间距窄的情况下，通过在凸部621的侧面等形成折射率调整层65的构件而产生的散射的影响增大。因此，为了不使凹凸结构的间距变窄，作为具有折射率调整层65的构成，凸部621可使用2级的凹凸部62。
此外，作为折射率调整层64、65，在使用单层的薄膜的情况下，只要满足条件式(6)即可。在式(6)中，将作为对象的折射率调整层的材料的折射率记为nr、将厚度记为dr、且将作为对象的折射率调整层的形成入射侧界面的介质的折射率记为nm、将形成出射侧界面的介质的折射率记为n0。由此，能够降低界面的反射率。这里，α是0.25、β是0.6。以下，有时将式(6)所示的条件式称为与单层薄膜相关的第一折射率关系式。此外，α更优选为0.2，进一步优选0.1。此外，β更优选为0.4。
(n0×nm)0.5-α<nr<(n0×nm)0.5+α、且
(1-β)×λ/4<nr×dr<(1+β)×λ/4…(6)
表3中示出与没有折射率调整层的情况相比，设置了单层的折射率调整层64时的反射率的计算结果的例。表3是假定λ＝950nm、透明基材61的折射率n61＝1.513(玻璃基板)、凹凸部62的折射率n62＝2.143(TiO2)，设定(n0×nm)0.5＝1.8，并且在α≤0.25和β≤0.6的条件下的nr和相对于nr×dr的反射率的计算结果。
[表3]
这里对折射率调整层的作用进行说明。考虑从具有折射率n0的介质M1以入射角θ0使光入射，使光在由各层的折射率为nr且厚度为dr的q层构成的多层膜M2中透过，并使光入射到具有折射率nm的介质M3中的情况。此时的反射率可如式(7)所示进行计算。此外，η0、ηm、ηr分别是考虑了斜入射的介质M1、多层膜M2、介质M3的有效折射率。
[数1]
Figure BDA0002286977170000192
其中，
Figure BDA0002286977170000193
Y＝C/B
Figure BDA0002286977170000194
ηo＝n0*cosθ0(s偏光时)
ηm＝nm*cosθm(s偏光时)
δr＝2πnrdrcosθr/λ
n0*sinθ0＝nm*sinθm＝nr*sinθr
因此，在没有折射率调整层的情况下，Y＝ηm，发生较大的反射，相对于此，如果利用折射率调整层使Y接近η0，则能够减少反射。特别是在垂直入射时，η0、ηm及ηr相当于折射率。折射率调整层优选满足R＜4％，更优选满足R＜2％，进一步优选满足R＜1％。以下，有时将式(7)所示的反射率R称为多层结构的理论反射率。
通常，构成凹凸部62的构件是薄膜，需要作为上述的多层膜的一部分进行计算，但通过如上设置折射率调整层，可以不依赖于构成凹凸部62的薄膜的厚度而降低反射率。即使对于单层的折射率调整层，使q＝1并应用式(7)，也可考虑干涉的影响。
此外，相对于衍射光学元件的法线方向倾斜的光(波长：λ[nm])向折射率调整层入射的情况下，在相对于由透明基材61、折射率调整层64和凹凸部62构成的界面、和/或由凹凸部62、折射率调整层65和填充部63构成的界面垂直地入射光时，优选满足下述条件。即、在从λ-200nm到λ+200nm的范围内的透射率谱的局部最小值优选在λ～λ+200nm的范围内。该最小值更优选在λ～λ+100nm的范围内。这是因为在倾斜光入射的情况下，透射率谱发生短波长偏移，由此能够抑制因斜入射发生的折射率调整层界面的透射率的降低。另外，λ相当于“设计波长”。
此外，在衍射光学元件60中，相对于垂直入射光，透明基材61、凹凸部62和填充部63中的任一种的折射率优选在1.7以上。
衍射光学元件60与实施方式2同样，示出了凹凸部62具有第一层623的例，但凹凸部62也可以如实施方式1的凹凸部12那样不具有第一层。该情况下，填充部63可以与透明基材61接触，也可以不接触(参照图10(a)、(b))。此外，也可与折射率调整层64、65接触(参照图10(b))。
在这些实施方式1～3中，均能够防止由凹凸结构上的附着物引起的衍射效率的变动，并且能够抑制在能够表现出衍射作用的凹凸结构所形成的界面处的反射造成的衍射效率的降低。因此，可得到在能够稳定地产生规定图案的光斑的同时光利用效率高的衍射光学元件。
(实施方式4)
图11(a)是实施方式4的衍射光学元件70的剖面示意图。衍射光学元件70具备透明基材71、设置为与透明基材71的一个表面接触的凹凸部72、和覆盖凹凸部72的上表面以进行平坦化的填充部73。
图11(b)是图11(a)的主要部分放大图。如图11(b)所示，凹凸部72的各级(但是，仅限具有高度的级)是以2层以上的薄膜结构为基本块(图中的724)的多层结构。此外，基本块并不限定为一种，也可以是多种。
这里，基本块724如下构成：当将构成该基本块724的各层的折射率记为nr、将厚度记为dr，制成由q层构成的多层膜时，使上述的多层结构的理论反射率满足R＜4％。基本块724更优选满足R＜2％，进一步优选满足R＜1％。
在求出理论反射率R时，只要将从凹凸部72观察构成入射侧界面的构件(透明基材71或填充部73)的折射率记为n0、将从凹凸部72观察构成出射侧界面的构件(透明基材71或填充部73)的折射率记为nm即可。
在图11(b)中，当对凸部721的各级标记识别用的编号时，示出了相当于编号i的级和相当于编号j的级的截面。本例中的编号i的级是2级构成，编号j的级是1级构成。在该情况下，编号i的级是将两个基本块724堆叠而成的构成。此外，编号j的级是将一个基本块724堆叠而成的构成。图中，作为构成编号i的级的基本块724，例示了“b(i-2)”和“b(i-1)”。此外，作为构成编号j的级的基本块724，例示了“b(j-1)”。这3个基本块均为相同的构成。即、2级以上的级是基本块724的重复结构。在图11(a)和图11(b)中，在基本块724相互间图示了边界，但在基本块724相互间的边界是同一构件的情况下，不存在边界。该情况下，可以将与成为凸部721的各级的高度的平面相同的高度水平作为假想的边界。此外，也可以根据式(7)求出理论反射率，将理论反射率达到R＜4％的厚度的水平作为假想的边界。
以下，将相对于来自透明基材71的表面S1的法线方向的入射光的透明基材71、凹凸部72和填充部73的折射率分别记作n71、n72、n73。在本实施方式中，n72和n73可以是平均折射率。
此外，图11(a)示出了凹凸部72与实施方式1同样地不包含第一层的例子。但是，并不限定于此，凹凸部72也可具有第一层(未图示)。该情况下，在包含第一层(第1级)的所有级中，只要制成将1个以上的基本块724堆叠而得的多层结构即可。即、凹凸部72的级中具有高度的各个级只要由将1个以上的基本块724堆叠而成的多层结构构成即可。
根据实施方式4，通过使凹凸部72的凸部721自身具有作为调整透明基材71和填充部73之间的折射率差的折射率调整层的功能，能够进一步减少凹凸结构所形成的界面的反射。
在上述各实施方式中，对入射光的波长没有特别限定，例如可以是红外光(具体而言，波长780～1020nm的范围内所含的光)。在使用比可见光的波长更长的光的情况下，特别是为了使光路长度差增大，倾向于使凹凸变高，因此上述各实施方式的衍射光学元件更有效。
此外，各实施方式的衍射光学元件能够有效地使光扩散，因此可用于例如投影仪等投影装置。此外，各实施方式的衍射光学元件可用作例如在该投影装置中配置在光源和规定的投影面之间的、用于将来自光源的光投影到规定的投影面上的扩散元件。此外，各实施方式的衍射光学元件也可以用于三维计测装置或认证装置等检测照射光并由对象物散射的光的装置中所包含的、用于向规定的投影范围内照射检测光的光投影装置。此外，各实施方式的衍射光学元件也可用于平视显示器等投影装置的中间屏幕(用于生成中间像的光学元件)。在该情况下，该衍射光学元件也可用作例如在该投影装置中配置在射出构成中间像的光的光源和合成器之间、用于将来自光源且构成中间像的光投影至合成器的中间屏幕。
在所述各装置中，由于衍射光学元件中反射率降低的效果，照射至规定的投影面上的光的光量相对于自光源射出的光的光量的比例优选在50％以上。
实施例
(例1)
本例是图1所示的实施方式1的衍射光学元件10的例子。其中，在例1中，将凹凸部12的级数设为8级(作为凸部的级数为7级)。此外，使用石英基板作为透明基材11的构件，使用TiO2作为凹凸部12的构件，使用SiO2作为填充部13的构件。元件、及可配置凹凸部的区域为2平方毫米，其中配置有图4(c)所示的基本单元。
首先，在石英基板上进行TiO2成膜。然后，通过光刻法等，将TiO2加工成8级的凹凸结构，在透明基材11上得到凹凸部12。然后，填充该凹凸部12的凹部122，并且以覆盖凸部121的上表面的方式在凹凸结构上进行SiO2成膜。成膜后，研磨SiO2的表面以进行平坦化。
表4中示出例1的凹凸部12的具体构成。表4中，凹凸部的各级的高度＝0的级(例如第1级)表示没有设置凸部的区域、即透明基材和填充部接触的区域。
[表4]
Figure BDA0002286977170000231
此外，在例1中，利用衍射光学元件赋予能够产生21点衍射光(光斑)的相位差。衍射光学元件的凹凸图案的基本单元通过重复进行快速傅立叶变换来计算。例1中，将这样的基本单元在成直角相交的2个轴方向上分别以3.6μm间距排列，得到凹凸图案。通过该计算而得的衍射光的各级数中的相对于入射光的衍射效率分布如图7(a)所示。因此，在假设没有在入射侧界面和衍射光学元件内的反射或吸收的情况下，例1的衍射光学元件的前向透射率为92.3％。
例1的石英基板和SiO2的折射率是1.457，TiO2的折射率是2.143。此外，将凸部的1级的高度设为约172nm，以使光路长度差接近λ/8。这里，λ是例1的设计波长、即950nm。
图12中示出800～1000nm波长下的例1的各光路(更具体而言，相当于凹凸部的各级的区域)相对于垂直入射的反射率的计算结果。各光路的反射率使用式(7)计算。根据图12，例1的衍射光学元件在950nm波长的光中的反射率的最大值为12.6％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为7.2％。因此，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例1的前向透射率为92.3％×(100％-7.2％)＝85.6％。
(例2)
本例也是图1所示的实施方式1的衍射光学元件10的例子。例2中也将凹凸部12的级数设为8级。此外，使用玻璃基板作为透明基材11的构件，使用TiO2作为凹凸部12的构件，使用SiO2作为填充部13的构件。
例2的衍射光学元件的制造方法与例1同样。此外，凹凸部的各级的具体构成也与例1相同。表5中示出例2的凹凸部12的具体构成。
[表5]
Figure BDA0002286977170000241
例2的玻璃基板的折射率为1.513，SiO2的折射率为1.457，TiO2的折射率为2.143。各折射率是在λ＝950nm的光中的值。
图13中示出在800～1000nm波长下的例2的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图13，例2的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为11.5％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为6.5％。因此，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例2的前向透射率为86.3％。
(例3)
本例也是图1所示的实施方式1的衍射光学元件10的例子。例3中也将凹凸部12的级数设为8级。此外，使用玻璃基板作为透明基材11的构件，使用ZnO2作为凹凸部12的构件，使用SiO2作为填充部13的构件。
例3的衍射光学元件的制造方法与例1同样。但是，例3的凹凸部12的各级的具体构成如表6所示。除包含设计波长λ以外的方面与例1相同。
[表6]
Figure BDA0002286977170000242
例13的玻璃基板的折射率为1.513，SiO2的折射率为1.457，ZnO2的折射率为1.905。此外，例3中，将凸部的1级的高度设为约262nm，以使光路长度差接近λ/8。
图14中示出在800～1000nm波长下的例3的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图14，例3的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为4.9％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为2.1％。因此，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例3的前向透射率为90.3％。
(例4)
本例是图8所示的实施方式2的衍射光学元件50的例子。但是，在例4中，将凹凸部52的级数设为8级，包括第一层523在内。此外，使用玻璃基板作为透明基材51的构件，使用ZnO2作为凹凸部52的构件，使用SiO2作为填充部13的构件。
首先，在玻璃基板上进行ZnO2成膜。然后，通过光刻等将成膜的ZnO2加工成相对于玻璃基板的表面具有8个级的凹凸结构，得到在透明基材51上设置成覆盖透明基材51的表面的凹凸部52。然后，填充该凹凸部52的凹部522，并且以覆盖凸部521的上表面的方式在凹凸结构上进行SiO2成膜。成膜后，研磨SiO2的表面以进行平坦化。
表7中示出例4的凹凸部52的具体构成。其他方面与例1相同。
[表7]
Figure BDA0002286977170000251
例4的玻璃基板的折射率为1.513，SiO2的折射率为1.457，ZnO2的折射率为1.905。此外，例4中，也将凸部的1级的高度设为约262nm，以使光路长度差接近λ/8。
图15中示出在800～1000nm波长下的例4的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图15，例4的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为5.9％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为5.2％。因此，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例4的前向透射率为87.5％。
(例5)
本例也是图8所示的实施方式2的衍射光学元件50的例子。在例5中，也将凹凸部52的级数设为8级，包括第一层523在内。此外，使用玻璃基板作为透明基材51的构件，使用ZnO2作为凹凸部52的构件，使用SiO2作为填充部13的构件。
例5的衍射光学元件的制造方法与例4同样。但是，例5的凹凸部52的各级的具体构成如表8所示。此外，与例4相比，第一层523的厚度不同。
[表8]
Figure BDA0002286977170000261
例5的玻璃基板的折射率为1.513，SiO2的折射率为1.457，ZnO2的折射率为1.905。此外，例5中，也将凸部的1级的高度设为约262nm，以使光路长度差接近λ/8。
图16中示出在800～1000nm波长下的例5的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图16，例5的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为2.1％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为0.8％。因此，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例5的前向透射率为91.6％。此时，各光路的光路长度如表8所示，在凹凸部的各级中是接近半波长的整数倍的值。
(例6)
本例是图9所示的实施方式3的衍射光学元件60的例子。但是，例6中不包含折射率调整层65。此外，将凹凸部62的级数设为8级，包括第一层623在内。此外，使用石英基板作为透明基材61的构件，使用TiO2作为凹凸部62的构件，使用SiO2作为填充部63的构件。此外，作为折射率调整层64的构件，使用TiO2和SiO2的多层膜。
首先，在石英基板上形成作为折射率调整层64的TiO2和SiO2的多层膜、和作为凹凸部62的TiO2膜。然后，通过光刻等将成膜中的上位层的TiO2加工成相对于该基板的表面具有8个级的凹凸结构，在透明基材61上得到折射率调整层64、以及覆盖该折射率调整层64的表面的凹凸部62。然后，填充该凹凸部62的凹部622，并且以覆盖凸部621的上表面的方式在凹凸结构上进行SiO2成膜。成膜后，研磨SiO2的表面以进行平坦化。
表9中示出例6的凹凸部62、64的具体构成。
[表9]
Figure BDA0002286977170000271
此外，在例6中，利用衍射光学元件赋予能够产生21点衍射光(光斑)的相位差。衍射光学元件的凹凸图案的基本单元通过重复进行快速傅立叶变换来计算。例6中，将这样的基本单元在成直角相交的2个轴方向上分别以6.6μm间距排列，得到凹凸图案。通过该计算而得的衍射光的各级数中的相对于入射光的衍射效率分布如图7(b)所示。因此，在假设没有在入射侧界面和衍射光学元件内的反射或吸收的情况下，例6的衍射光学元件的前向透射率为95.4％。
例6的石英基板和SiO2的折射率的1.457，TiO2的折射率是2.143。此外，将凸部的1级的高度设为约172nm，以使光路长度差接近λ/8。这里，λ＝950nm。在例6中，将透明基材、凹凸部和填充部的构件以及凹凸部的凸部的高度设为与例1相同。此外，将由SiO2和TiO2的多层膜构成的折射率调整层64构成为满足多层结构的理论反射率R＜4％。
图17中示出在800～1000nm波长下的例6的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图17，例6的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为5.0％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为3.8％。因此，考虑了该反射(由透明基材、折射率调整层(64)、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例6的前向透射率为95.4％×(100％-3.8％)＝91.8％。
(例7)
本例也是图9所示的实施方式3的衍射光学元件60的例子。但是，例7中不包含折射率调整层64。此外，将凹凸部62的级数设为8级，包括第一层623在内。此外，使用石英基板作为透明基材61的构件，使用TiO2作为凹凸部62的构件，使用SiO2作为填充部63的构件。此外，作为折射率调整层64的构件，使用ZrO2和Al2O3的混合物。
首先，在石英基板上形成作为凹凸部62的TiO2膜。然后，通过光刻等将形成的膜中的上位层的TiO2加工成相对于该基板的表面具有8个级的凹凸结构，得到在透明基材61上设置成覆盖透明基材61的表面的凹凸部62。然后，在该凹凸部62上形成由ZrO2和Al2O3的混合物构成的折射率调整层65。然后，以使折射率调整层65介于中间的状态填充该凹凸部62的凹部622，并且以覆盖凸部621(更具体而言，在凸部621上所设置的折射率调整层65)的上表面的方式在折射率调整层65的成膜后的凹凸结构上形成SiO2膜。成膜后，研磨SiO2的表面以进行平坦化。
表10中示出例7的凹凸部62和折射率调整层65的具体构成。其他方面与例6相同。
[表10]
Figure BDA0002286977170000281
例7的石英基板和SiO2的折射率的1.457，TiO2的折射率是2.143。此外，将凸部的1级的高度设为约172nm，以使光路长度差接近λ/8。这里，λ＝950nm。在例7中，将透明基材、凹凸部和填充部的构件以及凹凸部的凸部的高度设为与例1相同。而且，将由ZrO2、Al2O3的混合物构成的折射率调整层65构成为满足与单层薄膜相关的第一折射率关系式(上述式(6))。
图18中示出在800～1000nm波长下的例7的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图18，例7的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为3.9％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为3.6％。因此，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部、折射率调整层(65)和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例7的前向透射率为95.4％×(100％-3.6％)＝91.9％。
(例8)
本例也是图9所示的实施方式3的衍射光学元件60的例子。但是，在例8中，将凹凸部62的级数设为8级，包括第一层623在内。此外，使用石英基板作为透明基材61的构件，使用TiO2作为凹凸部62的构件，使用SiO2作为填充部63的构件。此外，使用TiO2和SiO2的多层膜作为折射率调整层64的构件，使用ZrO2和Al2O3的混合物作为折射率调整层64的构件。
首先，在石英基板上形成作为折射率调整层64的TiO2和SiO2的多层膜、和作为凹凸部62的TiO2膜。然后，通过光刻等将成膜中的上位层的TiO2加工成相对于该基板的表面具有8个级的凹凸结构，在透明基材61上得到折射率调整层64、以及覆盖该折射率调整层64的表面的凹凸部62。然后，在该凹凸部62上形成由ZrO2和Al2O3的混合物构成的折射率调整层65。然后，以使折射率调整层65介于中间的状态填充该凹凸部62的凹部622，并且以覆盖凸部621(更具体而言，在凸部621上所设置的折射率调整层65)的上表面的方式在折射率调整层65的成膜后的凹凸结构上形成SiO2膜。成膜后，研磨SiO2的表面以进行平坦化。
表11中示出例8的凹凸部62、折射率调整层64、65的具体构成。其他方面与例6相同。
[表11]
Figure BDA0002286977170000301
例8的石英基板和SiO2的折射率是1.457，TiO2的折射率是2.143，ZrO2和Al2O3的混合物的折射率是1.78。此外，将凸部的1级的高度设为约172nm，以使光路长度差接近λ/8。这里，λ＝950nm。在例8中，将透明基材、凹凸部和填充部的构件以及凹凸部的凸部的高度设为与例1相同。而且，构成为同时具有例6的折射率调整层64和例7的折射率调整层65。
图19中示出在900～1000nm波长下的例8的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。计算方法与例1相同。根据图19，例8的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为0.2％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为0.1％。因此，考虑了该反射(由透明基材、折射率调整层(64)、凹凸部、折射率调整层(65)和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例8的前向透射率是95.3％。
(例9)
本例是图11所示的实施方式4的衍射光学元件70的例子。但是，例9中将凹凸部72的级数设为8级。此外，使用石英基板作为透明基材71的构件，使用由TiO2和SiO2构成的多层膜作为凹凸部72的构件，使用SiO2作为填充部73的构件。
例9的凹凸部72中，以由从基板侧依次将TiO2、SiO2、TiO2分别以85nm、29nm、93nm的膜厚层叠而得的3层构成的多层膜作为基本块。
首先，在石英基板上形成由作为凹凸部72的TiO2膜和SiO2构成的多层膜。这里，以形成最高的级的构成的方式进行成膜。然后，通过光刻法将多层膜加工成7级的凹凸结构，在透明基材71上得到凹凸部72。然后，填充该凹凸部72的凹部722，并且以覆盖凸部721的上表面的方式在凹凸结构上进行SiO2成膜。成膜后，研磨SiO2的表面以进行平坦化。
表12中示出例9的凹凸部72的具体构成。其他方面与例6相同。
[表12]
Figure BDA0002286977170000311
此外，表12中虚线表示基本块。例9的石英基板和SiO2的折射率是1.457，TiO2的折射率是2.143。此外，将凸部的1级的高度设为约172nm，以使光路长度差接近λ/8。这里，λ＝950nm。
图20中示出在900～1000nm波长下的例9的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。各光路的反射率使用式(7)计算。根据图20，例9的衍射光学元件在950nm波长下的反射率的最大值为0.4％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为0.2％。因此，考虑了高阶衍射光在出射侧界面处的全反射和由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射的例9的前向透射率为95.4％×(100％-0.2％)＝95.2％。若假定没有高阶衍射光的全反射或吸收，则例9的前向透射率是99％以上。
(例10)
本例是图1所示的实施方式1的衍射光学元件10的例子。但是，在例10中将凹凸部12的级数设为2级、即二元的凹凸结构。此外，使用玻璃基板作为透明基材11的构件，使用SiO2作为凹凸部12的构件，使用树脂作为填充部13的构件。
首先，在玻璃基板上形成厚度为2.13μm的SiO2膜。然后，通过光刻法等，将该SiO2加工成2级的凹凸结构，在透明基材11上得到凹凸部12。然后，填充该凹凸部12的凹部122，并且以覆盖凸部121的上表面而使表面平坦化的方式，在凹凸结构上涂布树脂。
表13中示出例10的凹凸部12的具体构成。
[表13]
Figure BDA0002286977170000321
此外，例10的凹凸结构中，在水平、垂直方向上，1级的凸部(SiO2部位)和凹部(树脂部位)以规定的间距排列而成的基本单元31以二维方式配置，由该凹凸结构产生共计9个光斑。在从与光轴垂直的平面方向观察时，凹凸结构的树脂侧(折射率高的一侧)的面积在基本单元31中占45％(A＝0.45)。例10的玻璃基板的折射率是1.515，SiO2的折射率是1.450。此外，树脂的折射率如表14所示。在例10中，将凸部的1级的高度设为2.13μm。各折射率是在λ＝950nm的光中的值。
[表14]
温度(℃) SiO<sub>2</sub> 树脂 Δn Δn变化率
0 1.4500 1.6939 0.2439 0.7％
20 1.4500 1.6922 0.2422 0.0％
50 1.4500 1.6896 0.2396 -1.1％
图21中示出在600～1000nm波长下的例10的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。各光路的反射率使用式(7)计算。根据图21，例10的衍射光学元件在950nm波长带(950nm±20nm)下的反射率的最大值为0.9％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为0.6％。此外，若假定没有高阶衍射光的全反射或吸收，则例10的前向透射率是98.4％。
此外，在计算各温度下的0级衍射效率的变动时，将20℃下的0级衍射效率设为1的情况下，在50℃下变为1.06，在0℃下变为0.96，变动小于10％。
(例11)
本例也是图1所示的实施方式1的衍射光学元件10的例子。但是，例11中将凹凸部12的级数设为2级的凹凸结构。此外，使用玻璃基板作为透明基材11的构件，使用TiO2作为凹凸部12的构件，使用有机硅树脂作为填充部13的构件。
首先，在玻璃基板上形成厚度为689nm的TiO2膜。然后，通过光刻法等，将该TiO2加工成1级的凹凸结构，在透明基材11上得到凹凸部12。然后，填充该凹凸部12的凹部122，并且以覆盖凸部121的上表面而使表面平坦化的方式，在凹凸结构上涂布有机硅树脂。
表15中示出例11的凹凸部12的具体构成。其他方面与例10相同。
[表15]
Figure BDA0002286977170000331
此外，例11的凹凸结构中，在水平、垂直方向上，1级的凸部(TiO2部位)和凹部(树脂部位)以规定的间距排列而成的基本单元31以二维方式配置，由该凹凸结构产生共计9个光斑。另外，在从与光轴垂直的平面方向观察时，凹凸结构的树脂侧(折射率高的一侧)的面积在基本单元31中占45％(A＝0.45)。
例11的玻璃基板的折射率为1.515，TiO2和树脂的折射率如表16所示。例11中，将凸部的1级的高度设为689nm，以使光路长度为设计波长、即950nm的半波长的整数倍。
[表16]
温度(℃) TiO<sub>2</sub> 树脂 Δn Δn变化率
0 2.1433 1.4975 0.6458 -0.3％
20 2.1430 1.4950 0.6480 0.0％
50 2.1425 1.4913 0.6512 0.5％
图22中示出在600～1000nm波长下的例11的各光路的相对于垂直入射的反射率的计算结果。各光路的反射率使用式(7)计算。根据图22，例11的衍射光学元件在950nm波长带(950nm±20nm)下的反射率的最大值为3.5％，在各光路中透过的光的反射率的平均值为1.8％。此外，相对于垂直入射的波长950nm的光，考虑了该反射(由透明基材、凹凸部和填充部的层叠结构产生的反射)、和高阶衍射光在出射侧界面处的全反射的例11的前向透射率为84.6％。
此外，在凹凸部的第2级(TiO2部位)中通过的光路的反射率在λ＝950nm等的波长下较小，这是因为nd/λ为0.47，nd是接近半波长的整数倍的值。
此外，在计算各温度下的0级衍射效率的变动时，将20℃下的0级衍射效率设为1的情况下，在50℃下变为0.95，在0℃下变为1.03，变动小于10％。
(例12)
将本例的凹凸结构示于图23中。例12中，将凹凸部82的级数设为2级的凹凸结构。此外，使用玻璃基板作为透明基材81的构件，使用Ta2O5作为凹凸部82的构件，使用甲基硅氧烷高分子作为填充部83的构件。
首先，在玻璃基板上形成由4层构成的折射率调整层84，在其上形成厚度695nm的Ta2O5膜。然后，通过光刻等，将该Ta2O5加工成1级的凹凸结构，得到深度595nm的凹凸部82。然后，填充该凹凸部82的凹部822，并且以覆盖凸部821的上表面而使表面平坦化的方式，在凹凸结构上涂布甲基硅氧烷高分子并使其固化。
图24中示出了例12的折射率调整层84的具体构成和计算理论反射率而得的结果。如图24所示，关于理论反射率，在900～1100nm的波长带下反射率为4％以下。
此外，例12的凹凸结构中，在水平、垂直方向上，1级的凸部(Ta2O5部位)和凹部(树脂部位)以间距3μm排列而成的基本单元以二维方式配置，由该凹凸结构产生共计9个光斑。
例12的玻璃基板的折射率是1.515，波长933nm下的各材料的折射率如下：SiO2为1.456、Ta2O5为2.196、甲基硅氧烷高分子为1.386。另外，在透明基材81的与凹凸部相反的面上形成有防反射层85，将其构成和理论反射率示于图25C中。
将在波长933nm下测定例12的衍射效率而得的结果示于表17中。可知获得75％以上的总衍射效率，温度变动也在1％以下。
[表17]
0级衍射光 9点合计的衍射效率
0℃ 14.6％ 76.3％
20℃ 14.5％ 76.3％
50℃ 14.5％ 76.3％
(例13)
将本例的凹凸结构示于图26中。例13中，将凹凸部92的级数设为2级的凹凸结构。此外，使用玻璃基板作为透明基材91的构件，使用Ta2O5作为凹凸部92的构件，使用环氧树脂作为填充部93的构件。
首先，在玻璃基板上形成由4层构成的折射率调整层94，在其上形成厚度515nm的Ta2O5膜。然后，通过光刻等，将该Ta2O5加工成1级的凹凸结构，得到深度515nm的凹凸部92。然后，填充该凹凸部92的凹部922，并且以覆盖凸部921的上表面而使表面平坦化的方式，在凹凸结构上涂布环氧树脂并使其固化。
图24中示出了例13的折射率调整层94的具体构成和计算理论反射率而得的结果。如图24所示，关于理论反射率，在900～1100nm的波长带下反射率为4％以下。
此外，例13的凹凸结构中，在水平、垂直方向上，1级的凸部(Ta2O5部位)和凹部(树脂部位)以间距3μm排列而成的基本单元以二维方式配置，由该凹凸结构产生共计9个光斑。
例13的玻璃基板的折射率是1.515，波长933nm下的各材料的折射率如下：SiO2为1.456、Ta2O5为2.196、环氧树脂为1.500。另外，在透明基材91的与凹凸部相反的面上形成有防反射层95，将其构成和理论反射率示于图25中。
将在波长933nm下测定例13的衍射效率而得的结果示于表18中。可知获得75％以上的总衍射效率，温度变动也在1％以下。
[表18]
0级衍射光 9点合计的衍射效率
0℃ 27.3％ 78.0％
20℃ 27.2％ 78.0％
50℃ 27.1％ 78.1％
(例14)
将本例的凹凸结构示于图27中。例14中，将凹凸部102的级数设为2级的凹凸结构。此外，使用玻璃基板作为透明基材101的构件，使用Ta2O5作为凹凸部102的构件，使用有机硅树脂作为填充部103的构件。
首先，在玻璃基板上形成由4层构成的折射率调整层104，在其上形成厚度715nm的Ta2O5膜。然后，通过光刻等，将该Ta2O5加工成1级的凹凸结构，得到深度615nm的凹凸部102。然后，填充该凹凸部102的凹部1022，并且以覆盖凸部1021的上表面而使表面平坦化的方式，在凹凸结构上涂布有机硅树脂，与第二玻璃基材106层叠，进行固化。第二玻璃基材106在其表面层具有防反射层107。
图24中示出了例14的折射率调整层104的具体构成和计算理论反射率而得的结果。如图24所示，关于理论反射率，在900～1100nm的波长带下反射率为4％以下。
此外，例14的凹凸结构中，在水平、垂直方向上，1级的凸部(Ta2O5部位)和凹部(树脂部位)以间距3μm排列而成的基本单元以二维方式配置，由该凹凸结构产生共计9个光斑。
例14的玻璃基板的折射率是1.515，波长933nm下的各材料的折射率如下：SiO2为1.456、Ta2O5为2.196、有机硅树脂为1.502。另外，在透明基材101的与凹凸部相反的面上形成有防反射层105，将其构成和理论反射率示于图C中。防反射层107的光学特性也同样。
将在波长933nm下测定例14的衍射效率而得的结果示于表19中。可知获得75％以上的总衍射效率，温度变动也在1％以下。
[表19]
0级衍射光 9点合计的衍射效率
0℃ 15.5％ 81.4％
20℃ 15.2％ 81.1％
50℃ 14.4％ 81.0％
产业上利用的可能性
只要是具有在特定范围内抑制光损失且能有效地扩散的用途、或抑制光损失并照射规定图案的用途的光学元件或装置，就能优选地应用。
另外，在这里引用2017年5月26日提出申请的日本专利申请2017-104668号的说明书、权利要求书、附图和摘要的所有内容作为本发明说明书的揭示。
符号说明
10、50、60、70：衍射光学元件，11、51、61、71：透明基材，12、52、62、72：凹凸部，121、521、621、721：凸部，122、522、622、722：凹部，523、623：第一层，724：基本块，13、53、63、73：填充部，64、65：折射率调整层，21：光束，22：衍射光组，23：光斑，31：基本单元，11-1：第一透明基材，11-2：第二透明基材，12-1：第一凹凸部，12-2：第二凹凸部。

Claims (21)

1.一种衍射光学元件，其具有能产生二维的相位分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光，其特征在于，
具备：透明基材；设置成与所述透明基材的一个表面接触的凹凸部；和填充所述凹凸部的凹部并且覆盖所述凹凸部的凸部的上表面以使所述凹凸部平坦化的填充部，
所述凹凸部在所述透明基材的所述表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面互相平行，相对于从所述透明基材的所述表面的法线方向入射的所述入射光的、所述透明基材、所述凹凸部和所述填充部中的至少所述凹凸部和所述填充部的折射率是不同的，当将所述透明基材、所述凹凸部和所述填充部相对于所述入射光的折射率分别记为n1、n2、n3时，它们中的任一值均在2.2以下。
2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，|n2-n3|≥0.2。
3.如权利要求1或2所述的衍射光学元件，其特征在于，所述入射光从所述法线方向入射而产生的多个衍射光的每一个、即光斑所成的对角方向的角度在7.5°以上。
4.如权利要求1～3中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述入射光从所述法线方向入射而产生的多个衍射光的每一个、即光斑的数量为4以上。
5.如权利要求1～4中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，|n1-n3|≤0.3。
6.如权利要求1～5中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，满足n3＜n1＜n2、或者n2＜n1＜n3的关系。
7.如权利要求1～6中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述填充部的一部分在入射光的有效区域内与所述透明基材接触，
在所述有效区域内，当将所述凹凸部和所述填充部与所述透明基材接触的界面的面积与所述凹凸部和所述填充部中的折射率高的构件与所述透明基材接触的界面的面积的比例记为A时，满足A＜50％。
8.如权利要求1～7中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述凹凸部至少在入射光的有效区域内包括覆盖所述透明基材的表面的第一层，所述填充部与所述透明基材不接触、且使所述凹凸部平坦化。
9.如权利要求1～8中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，n2＞n3且n1、n2和n3均在1.96以下，或者，n2＜n3且n1、n2和n3均在2.1以下。
10.如权利要求1～9中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，在所述凹凸部的任一级中，从所述透明基材到该级的上表面为止的距离相当于光路长度，该光路长度是所述入射光的整个波长范围内所含的波长中的规定的设计波长的半波长的整数倍。
11.如权利要求10所述的衍射光学元件，其特征在于，
所述凹凸部的级数是4级以上，
所述凹凸部的级数中的半数以上的级中，从所述透明基材到该级的上表面为止的距离相当于光路长度，该光路长度是所述入射光的整个波长范围内所含的波长中的规定的设计波长的半波长的整数倍。
12.一种衍射光学元件，其具有能产生二维的相位分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光，其特征在于，
具备：透明基材；设置在所述透明基材的一个表面上的凹凸部；和填充所述凹凸部的凹部并且覆盖所述凹凸部的凸部的上表面以使所述凹凸部平坦化的填充部，
所述凹凸部在所述透明基材的表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面相互平行，相对于从所述透明基材的所述表面的法线方向入射的所述入射光的、所述透明基材、所述凹凸部和所述填充部中的至少所述凹凸部和所述填充部的折射率是不同的，在所述凹凸部和所述填充部之间、或者在所述透明基材和所述凹凸部之间具备折射率调整层，
当将形成入射侧界面的介质的折射率记为nm、将形成出射侧界面的介质的折射率记为n0、将该折射率调整层或其各层的折射率记为nr、将厚度记为dr时，所述折射率调整层是相对于该折射率调整层的两界面，满足以下的式(A)的单层的折射率调整层，或者满足多层结构的理论反射率R＜4％的1层以上的折射率调整层，
式(A)：
(n0×nm)0.5-α＜nr＜(n0×nm)0.5+α，且
(1-β)×λ/4＜nr×dr＜(1+β)×λ/4
其中，α＝0.25、β＝0.6。
13.如权利要求12所述的衍射光学元件，其特征在于，在所述凹凸部和所述填充部之间以及在所述透明基材和所述凹凸部之间具备所述折射率调整层。
14.如权利要求12或13所述的衍射光学元件，其特征在于，相对于所述入射光的、所述透明基材、所述凹凸部和所述填充部中的任一个的折射率的值在1.7以上。
15.一种衍射光学元件，其具有能产生二维的相位分布的凹凸图案、且能使入射光进行二维衍射并产生多个衍射光，其特征在于，
具备：透明基材；设置成与所述透明基材的一个表面接触的凹凸部；和填充所述凹凸部的凹部并且覆盖所述凹凸部的凸部的上表面以使所述凹凸部平坦化的填充部，
所述凹凸部在所述透明基材的表面上构成2级以上的级，并且各级的上表面相互平行，当将具有规定的折射率和厚度的2层以上的多层膜作为基本块时，所述凹凸部的各级中的至少具有高度的级通过将1个以上的所述基本块堆叠而成。
16.如权利要求15所述的衍射光学元件，其特征在于，所述基本块满足多层结构中的理论反射率R＜4％。
17.如权利要求1～16中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述入射光的至少在有效区域内的前向透射率在80％以上。
18.如权利要求1～17中的任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述入射光的至少在有效区域内的反射率在10％以下。
19.如权利要求1～18中的任一项所述的衍射光学元件，所述入射光是在波长780～1020nm的范围内所含的光。
20.一种投影装置，其为将来自光源的光投影至规定的投影面上的投影装置，其特征在于，
具备：光源；和作为用于将自所述光源射出的光的照射范围扩大的光学元件的所述权利要求1～19中的任一项所述的衍射光学元件，
照射在规定的投影面上的光的光量与自所述光源射出的光的光量的比例在50％以上。
21.一种计测装置，其特征在于，具备：射出检测光的投影部；和检测散射光的检测部，所述散射光是通过向测定对象物照射自所述投影部照射出的检测光而产生的散射光，
作为所述投影部，具备权利要求20所述的投影装置。
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