CN111316140A

CN111316140A - 衍射光学元件

Info

Publication number: CN111316140A
Application number: CN201880072131.7A
Authority: CN
Inventors: 小野健介; 村上亮太
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2017-11-08
Filing date: 2018-10-25
Publication date: 2020-06-19
Also published as: WO2019093146A1; JPWO2019093146A1; US20200264443A1; JP7276139B2

Abstract

本发明提供薄型、且0级光被进一步减少的同时可在广范围内照射的衍射光学元件。本发明的衍射光学元件具备基材、和设于基材的一个面上、相对于入射光呈现规定的衍射作用的凹凸部、和设于基材和凹凸部之间的防反射层，其特征在于，构成凹凸部的凸部的第一媒质与构成凹凸部的凹部的第二媒质的在入射光的波长带中的折射率差在0.70以上，入射光在从基材的法线方向入射时，作为表示从凹凸部射出的衍射光所形成的光图案的扩散的角度范围的射出角度范围在60°以上。

Description

衍射光学元件

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。

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。

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。在为这样的凹凸构成的情况下，利用填充凹部的材料(例如，折射率＝1的空气)与凸部材料的折射率差，提供所需的光路长度差，对光进行衍射。

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，凹部及凸部上表面)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2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。

但是，在光学装置中，有时使用近红外光等肉眼看不到的光。例如，可例举智能手机等中用于面部认证或照相机装置的对焦的遥感装置、与游戏机等连接用于捕捉用户的动作的遥感装置、在车辆等中用于检测周边物体的LIDAR(Light Detecting and Ranging，光检测和测距)装置等。

此外，在这些光学装置中，有时需要使光以相对于入射光的行进方向明显不同的射出角照射。例如，在智能手机等具备的带广角的照相机装置的对焦用途、或在VR(VirtualReality，虚拟现实)的头部设备这样的具备与人的视野角相应的显示画面的装置中检测被该显示装置所显示的障碍物或手指等周边物体的用途等中，有时希望向60°以上、100°以上、120°以上的广角范围的光照射。

利用衍射光学元件，将光以如上所述的广角范围射出的情况下，在形成凹凸结构的基础上，还需要使间距变细。尤其，在针对近红外光这样的长波长的入射光，考虑射出角度范围大的凹凸结构的情况下，为了得到所需的光路长度差，有使凸部变得更高的倾向。另外，凸部的高度也可读作凹部的深度。

如果衍射光学元件的凹凸部的间距变细、高度增加，则由此长宽比(例如，“凸部的高度/凸部的宽度”)也变大。如果长宽比变大，则相对于在凹凸部行进的光可形成界面的凹凸部的在整个表面中的侧壁(凸部侧面)的面积比率也增加，因此对凸部侧面中的反射等的影响变大，有产生不希望的0级光的担忧。通常，如果强0级光照射，则从眼睛安全的观点出发是不优选的。

关于衍射光学元件中的0级光的减少技术，例如，专利文献3中公开了设有2个衍射光学元件(DOE：Diffractive Optical element，衍射光学元件)的构成。专利文献3中记载的技术通过设为用第二衍射光学元件对第一衍射光学元件中产生的0级光进行衍射的构成，使0级光减少。

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：日本专利第5760391号公报

专利文献3：日本专利特开2014-209237号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

从希望隐匿传感器的美观要求、或设置传感器的框体整体的薄型化以及小型化的要求出发，希望对用于进行传感的衍射光学元件进行薄型化。

因此，本发明的目的在于提供薄型、且0级光被进一步减少的同时可在广范围内照射的衍射光学元件。

解决技术问题所采用的技术方案

本发明的衍射光学元件具备基材、和设于所述基材的一个面上、相对于入射光呈现规定的衍射作用的凹凸部、和设于所述基材和所述凹凸部之间的防反射层，其特征在于，构成所述凹凸部的凸部的第一媒质与构成所述凹凸部的凹部的第二媒质的在所述入射光的波长带中的折射率差在0.70以上，所述入射光在从所述基材的法线方向入射时，作为表示从所述凹凸部射出的衍射光所形成的光图案的扩散的角度范围的射出角度范围在60°以上。°

发明效果

如果采用本发明，则可提供薄型、且0级光被进一步减少的同时可在广范围内照射的衍射光学元件。

附图说明

图1是第一实施方式的衍射光学元件10的剖面示意图。

图2是表示衍射光学元件10的其它例的剖面示意图。

图3是表示由衍射光学元件10生成的光的图案的例子的说明图。

图4是表示光栅深度d和0级光的强度的关系的图。

图5是表示不同的5个折射率材料的对角方向的视野角θ_d与0级光的强度(0级光最小值)的关系的图。

图6表示不同的5个折射率材料的Δn/NA与0级光的强度(最小值)的关系。

图7是表示衍射光学元件10的其它例的剖面示意图。

图8是表示例1的防反射层14的反射率的计算结果的图。

图9是表示例1的防反射层14的对波长850nm的光的反射率的入射角依赖性的图。

图10是表示例1的内面防反射层13的反射率的计算结果的图。

图11是表示例1的内面防反射层13的对波长850nm的光的反射率的入射角依赖性的图。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。图1是第一实施方式的衍射光学元件10的剖面示意图。衍射光学元件10具备基材11、和设于基材11的一个面上的凹凸部12、和设于基材11和凹凸部12之间的防反射层13。以下，将设于基材11和凹凸部12之间的防反射层13称为内面防反射层13。

基材11只要是玻璃、树脂等针对使用波长具有穿透性的构件即可，没有特别限定。使用波长是对衍射光学元件10的入射光的波长带。以下，衍射光学元件10中，虽然说明了入射波长700～1200nm的可见光以及近红外光中的特定的波长带(例如，850nm±20nm等)的光，但不限于这些使用波长。此外，除非特意另有说明，可见光区域是波长400nm～780nm，红外域是作为近红外范围的波长780nm～2000nm、尤其是波长800nm～1000nm，紫外域是作为近紫外范围的波长300nm～400nm、尤其是360nm～380nm。另外，可见光是该可见光区域的光，红外光是该红外光区域的光，紫外光是该紫外光区域的光。

凹凸部12是具有对入射光呈现衍射作用的规定的凹凸图案的凹凸结构。更具体而言，凹凸图案是凹凸部12的凸部121形成的高低差的基于平面视的二维图案。另外，“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等中实现规定的图案。

规定的投影面中，生成构成特定的光的图案的多个光斑的凹凸图案例如可将来自该凹凸图案的射出光的相位分布进行傅立叶变换而得。

在本实施方式中，从凹凸部12来看，将靠近基材11的方向称为下方，将远离基材11的方向称为上方。因此，凹凸部12的各级的上表面中，将与基材11最近的面作为最下表面，将最远离的面作为最上表面。

此外，以下中，将凹凸图案(在基材11的面上通过凹凸部12而形成的、剖面为凹凸形状的表面)中位于比位于最低位置的部分(图中的第1段s1)高的位置的部分称为凸部121，将被凸部121包围、为凹陷的部分、比凸部121的最上部(在本例中，为第2段s2)更低的部分称为凹部122。此外，将凹凸部12中实际上产生相位差的部分的高度，更具体而言、从凹凸图案的第1级s1到凸部121的最上部为止的距离称为凸部121的高度d或光栅深度d。此外，在以下中，凹凸部12中不产生相位差的部分(图1中覆盖基材11的表面、构成第1级s1的层)称为基底层。

凹凸图案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。另外，图1中，示出了具备构成二元的衍射光栅、即2级的凹凸图案的凹凸部12的衍射光学元件10的例子。

图2表示衍射光学元件10的其它例。衍射光学元件10例如可如图2(a)所示，具备构成3级以上的凹凸图案的凹凸部12。此外，衍射光学元件10如图2(b)所示，凹凸部12的构件以外的构件(在本例中，为后述的内面防反射层13的最表层的构件)还能够构成凹凸图案的第1级。另外，在这样的情况下，将从凹凸图案的第1级s1到凸部121的最上部为止的距离作为凸部121的高度d。

图1以及图2(a)所示的构成是在至少入射光入射的有效范围内、构成凹部122的第二媒质(空气)与内面防反射层13不相接的构成，但也可以如图2(b)所示，是在有效范围的至少一部中第二媒质(空气)与内面防反射层13相接的构成。另外，在后者的情况下，凹凸部12中不包含基底层。

凹凸部12的材料采用使用波长中的折射率在1.70以上者。作为这样的材料的例子，可使用无机材料例如Zn、Al、Y、In、Cr、Si、Zr、Ce、Ta、W、Ti、Nd、Hf、Mg、La、Nb等的氧化物、氮化物、氧氮化物、Al、Y、Ce、Ca、Na、Nd、Ba、Mg、La、Li的氟化物、碳化硅，或可使用这些的混合物。此外，还可使用ITO等透明导电体。此外，可例举Si、Ge、类金刚石碳、在这些中含有氢等杂质者等。另外，凹凸部12的材料只要使用波长中的折射率满足上述条件即可，不限于无机材料。例如，作为包含有机材料、折射率在1.70以上的材料的例子，有使无机材料的微粒分散于有机材料中的所谓的纳米复合物材料。作为无机材料的微粒，例如可例举Zr、Ti、Al等的氧化物。

此外，在凹部122被空气以外的媒质填充的情况下，在将凸部121和凹部122的使用波长中的折射率差设为Δn时，只要Δn在0.70以上即可。但是，从材料的选择性以及薄型化的观点出发，凹部122优选空气。

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θx_min到最大角度θx_max及Y轴上的从最小角度θy_min到最大角度θy_max(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。另外，由X轴方向上的从最小角度θx_min到最大角度θx_max、Y轴方向上的从最小角度θy_min到最大角度θy_max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θx_max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θy_max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位于其对焦的其它交点所成的角度记为θ_d，将该角度称为对角方向的角度。此处，对角方向的角度θ_d(以下，称为对角的视野角θ_d)是衍射光学元件10的射出角度范围θ_out。此处，射出角度范围θ_out表示入射光从基材11的法线方向入射时、从凹凸部12射出的衍射光所形成的光的图案的扩散的角度范围。另外，衍射光学元件10的射出角度范围θ_out在设为上述的对角方向的视野角θ_d以外，例如也可以设为衍射光组22中包含的2个光斑所成的角度的最大值。

衍射光学元件10例如入射光从基材11的表面的法线方向入射时的射出角度范围θ_out在70°以上即可。例如，在智能手机等具备的照相机装置中，有些视角(整个视角)为50～90°左右。此外，作为用于自动驾驶等的LIDAR装置，有些视野角为30～70°左右。此外，人的视野角通常为120°左右，VR的头部设备等的照相机装置中，有些视野角实现了70～140°。衍射光学元件10的射出角度范围θ_out可在100°以上，也可在120°以上，以适用于这些装置。

此外，衍射光学元件10中，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。另外，光斑的数量的上限没有特别限定，例如也可以是1000万点。

在图3中，R_ij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R_ij的情况下，在各区域R_ij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。另外，上述分布密度可以是相对于全部区域的平均值在±25％以内。如果这样构成，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(1)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θ_xo、在Y方向上的角度θ_yo衍射的光。式(1)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21的波长，P_x、P_y是下述的衍射光学元件的X轴方向、Y轴方向上的间距，θ_xi是X方向上的向衍射光学元件入射的入射角度，θ_yi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的投影面上，在所照射的区域生成多个光斑23。

sinθ_xo＝sinθ_xi+m_xλ/P_x

sinθ_yo＝sinθ_yi+m_yλ/P_y

···(1)

在凹凸部12是N级的阶梯状的类似闪耀形状的情况下，如果满足Δnd/λ＝(N-1)/N，则由凹凸部12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。例如，如果以近红外光入射到由折射率＝1.7的材料构成的凸部121和由空气构成的凹部122的凹凸图案中的情况为例，则为{(N-1)/N}×λ＝0.7d。藉此，凸部121的高度d可满足d＜{(N-1)/N}×λ/0.7。

此外，图4是表示凸部121的高度(光栅深度)d和0级光的强度的关系的图。另外，图4(a)是表示光栅深度为0.05λ～2.0λ时的与0级光的强度的关系的图，图4(b)是将其部分扩大显示的图。图4中，是X方向中21个点、Y方向中21个点的总计441个点的光斑照射在对角方向的NA0.85(X方向以及Y方向的NA0.6)的范围中的情况的设计例，例示了将合成二氧化硅(折射率n＝1.45)作为凸部121的材料的情况、和将Ta₂O₅(n＝2.1)作为凸部121的材料的情况。另外，本实施方式中，NA是用1·sin(θ_max/2)表示的指标。

如图4所示，在折射率为1.45的情况下，在实现NA0.85(射出角度范围θ_out为约116°)的构成中，在设计上，无论怎么调整凸部121的高度d，0级光都不能达到低于5％。另一方面，如果折射率为2.1，则可通过调整凸部121的高度d，将0级光的光量抑制在1％以下等。

此处，为了得到高衍射效率、同时减少0级光，满足Δn/NA≥0.7即可。另外，Δn/NA可在0.7以上，更优选1.0以上。图5是表示将5个不同的折射率材料作为凸部121材料时的、对角方向的视野角θ_d和0级光的强度(0级光最小值)的关系的图。

另外，5个不同的折射率材料分别为折射率1.45(石英)、1.60(聚碳酸酯类树脂)、1.70(SiON)、1.90(HfO)、2.10(Ta₂O₅)。图5中，分别与5个折射率材料相对应，分别求出对角方向的视野角θ_d设为50.2°、68.8°、90.0°、116.0°、133.4°、163.4°时的设计方案，示出针对这些设计方案通过精确耦合波分析(RCWA)算出的0级光的强度(最小值)。如图5所示，可知凸部121的折射率越高，0级光的光量越高。另外，如果用NA表示上述的对角方向的视野角θ_d，则分别为0.424、0.565、0.707、0.848、0.918、0.0989。

此外，图6表示上述设计方案中的Δn/NA和0级光的强度(最小值)的关系。另外，图6(a)是表示上述设计方案的全部关系的图，图6(b)是将其部分扩大显示的图。

上述的各例将设计波长设为850nm，凹部设为空气(n＝1)。此外，凹凸部12是产生X方向上21个点、Y方向上21个点的总计441个点的光斑的8级的凹凸图案，该凹凸图案中的光栅有规律地配置，相邻光斑的分离角全部相等。表1示出了各例的设计参数。

[表1]

如图6所示，观察0级光的强度和Δn/NA的关系，则例如如果Δn/NA在0.7以上，则可使射出角度范围θ_out在70°以上(低于165°)的全部设计方案中，0级光的最小值低于3.0％。此外，例如，如果Δn/NA在0.9以上，则射出角度范围θ_out在100°以上(低于165°)的设计方案的大部分可使0级光的最小值低于1.5％。此外，例如，如果Δn/NA在1.0以上，则射出角度范围θ_out低于165°的设计方案的大部分可使0级光的最小值低于1.0％。此外，例如，如果Δn/NA在1.0以上，则射出角度范围θ_out低于140°的设计方案的大部分可使0级光的最小值低于0.5％。另外，图4～图6中所示的设计方案中，n＝1.45、1.60的设计方案为比较例。

另外，本实施方式的衍射光学元件10在入射光垂直入射的情况下，从该衍射光学元件10射出的0级光的光量优选低于3.0％，更优选低于1.5％，进一步优选低于0.5％，最优选低于0.3％。

为了防止基材11和凹凸部12的界面反射，设置内面防反射层13。内面防反射层13只要在基材11和凹凸部12的界面中具有至少减少设计波长的光的反射率的防反射功能即可，没有特别限定，但作为一例，可例举单层结构的薄膜、和电介质多层膜等多层膜。

例如，如果内面防反射层13是单层薄膜，则更优选满足以下的条件式(2)。另外，在式(2)中，内面防反射层的材料的折射率设为n_r，厚度设为d_r，并将构成作为对象的内面防反射层的入射侧界面的媒质的折射率设为n_m，构成射出侧界面的媒质的折射率设为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(2)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×n_m)^0.5-α＜n_r＜(n₀×n_m)^0.5+α，且

(1-β)×λ/4＜n_r×d_r＜(1+β)×λ/4

···(2)

此外，如果内面防反射层13为多层膜，则相对于设计波长的光，以下的式(3)所示的反射率R低于1％，更优选低于0.5％。

在内面防反射层13为多层膜的情况下，认为光从相对于多层膜位于入射侧的具有折射率n₀的媒质M1以入射角θ₀入射，透过各层的折射率为n_r、厚度为d_r的q层构成的多层膜M2，光向相对于多层膜位于射出侧的、具有折射率n_m的媒质M3入射。此时的反射率可如式(3)所示进行计算。此外，η₀、η_m、η_r分别是考虑了斜入射的媒质M1、多层膜M2、媒质M3的有效折射率。

[数1]

此处，

Y＝C/B

η₀＝n₀*cosθ₀(s偏振时)

η_m＝n_m*cosθ_m(s偏振时)

η_r＝n_r*cosθ_r(s偏振时)

δ_r＝2πn_rd_r cosθ_r/λ

n₀*sinθ_o＝n_m*sinθ_m＝n_r*sinθ_r

因此，在没有内面防反射层13的情况下，Y＝η_m，发生较大的反射，相对于此，如果利用内面防反射层13使Y接近η₀，则能够减少反射。特别是在垂直入射时，η₀、η_m及η_r相当于折射率。以下，有时将式(3)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12的构件是薄膜，需要作为上述的多层膜的一部分进行计算，但通过如上设置内面防反射层13，可以不依赖于构成凹凸部12的薄膜的厚度而降低反射率。另外，对于单层的内面防反射层13，使q＝1并应用式(3)，也可考虑干涉的影响。

此外，在倾斜的光(波长：λ[nm])入射到内面防反射层13的情况下，在光垂直入射时，优选满足以下条件。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。另外，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内面防反射层13界面的透射率的降低。另外，λ相当于“设计波长”。

此外，如图7所示，衍射光学元件10也可进一步在基材11的与设有凹凸部12的一侧的面相反的面上具备防反射层14。

防反射层14是为了防止衍射光学元件10的射出侧界面中的反射而设置的。防反射层14只要在衍射光学元件10的射出侧界面中具有至少减少设计波长的光的反射率的防反射功能即可，没有特别限定，但作为一例，可例举单层结构的薄膜、和电介质多层膜等多层膜。另外，可将有关内面防反射层13的反射率的条件直接设为有关防反射层14的反射率的条件。

此外，对于衍射光学元件10，在光从设有凹凸部12的一侧(图中的-z方向)入射的情况下，内面防反射层13以及防反射层14只要对相对于基材11的法线方向以θ_max/2°以内入射的设计波长的光满足上述的有关反射率的条件即可。这是由于，通过凹凸部12衍射的光入射到内面防反射层13以及防反射层14的缘故。另外，内面防反射层13以及防反射层14只要对相对于基材11的法线方向以θ_max/2°以内入射的设计波长的特定的偏振成分的光满足上述的有关反射率的条件即可。

例如，内面防反射层13以及防反射层14以满足对相对于基材11的法线方向以40°以内入射的设计波长的至少特定的偏振光的反射率为0.5％以下的条件构成。另外，内面防反射层13以及防反射层14以满足对以射出角度范围θ_out的1/4的角度、即最大射出角度(半角)中间的角度从衍射光学元件10射出的光的反射率为0.5％以下的条件构成。

此外，内面防反射层13以及防反射层14也可同时具有对设计波长的光的防反射功能、和对设计波长以外的特定的波长带的光(例如，紫外光)的防反射功能。这是因为在设有衍射光学元件10的装置等中，在衍射光学元件10以外具备其它光学元件的情况下，它们所使用的光不会被衍射光学元件10所阻断。

在该情况下，内面防反射层13以及防反射层14在对设计波长的光的上述条件以外，也可以以满足对以相对于基材11的法线方向20°以内入射的波长360～370nm的至少特定的偏振光的反射率在1.0％以下的条件构成。

此外，上述中，根据RCWA算出0级光的光量，但0级光的光量也可通过设计波长的经准直的激光光入射到衍射光学元件10中、测定直进透射光的光量来评价。

实施例

(例1)

本例是图2所示的衍射光学元件10的例子。其中，本例将设计波长设为850nm，凹部设为空气(n＝1)。此外，凹凸部12是产生X方向上21个点、Y方向上21个点的总计441个点的光斑的8级的凹凸图案，该凹凸图案中的光栅有规律地配置，相邻光斑的分离角全部相等。此外，本例的衍射光学元件10以使从凹凸部12射出的衍射光组的射出角度范围θ_out(更具体而言，对角的视野角θ_d)为110°的方式设计凹凸图案。此外，在基材11的材料中使用折射率为1.51的玻璃基板，在凹凸部12的材料中使用折射率为2.19的Ta₂O₅。表2中，示出本例的凹凸部12的具体构成。

[表2]

首先，在玻璃基板上，对作为由SiO₂以及Ta₂O₅构成的6层的电介质多层膜的防反射层14进行成膜。各层的材料以及厚度如表2所示。

接着，在与成膜有玻璃基板的防反射层14的一侧相反的一侧的面上，对作为由SiO₂以及Ta₂O₅构成的4层的电介质多层膜的内面防反射层13进行成膜。各层的材料以及厚度如表2所示。之后，对作为凹凸部12的材料的Ta₂O₅进行成膜，通过光刻以及蚀刻将该Ta₂O₅膜加工为8级的凹凸结构。该凹凸结构中1级的高度为95nm。膜厚通过阶差计或SEM(Scanning Electron Microscope，扫描电子显微镜)的剖面观察来测定。

藉此，得到本例的衍射光学元件10。

图8示出本例的防反射层14的反射率的计算结果。另外，图8(a)是波长350nm～950nm的波长范围中的反射率的计算结果，图8(b)是其中的波长800nm～900nm的波长范围中的反射率的计算结果。另外，图8中，示出了入射角即相对于基材11的法线方向的入射光的角度为0°、20°、40°的情况的计算结果。在斜入射的情况下，分为P偏振和S偏振。

此外，图9中示出了对波长850nm的光的本例的防反射层14的反射率的入射角依赖性。如图9所示，本例的防反射层14针对以入射角为55°以内入射的波长850nm的光，对P偏振以及S偏振都实现了反射率低于2.5％。此外，本例的防反射层14针对以入射角为45°以内入射的波长850nm的P偏振光，实现了反射率低于1.0％。

此外，图10示出本例的内面防反射层13的反射率的计算结果。另外，图9(a)是波长350nm～950nm的波长范围中的反射率的计算结果，图9(b)是其中的波长800nm～900nm的波长范围中的反射率的计算结果。另外，图10中，示出了入射角即相对于基材11的法线方向的入射光的角度为0°、20°、30°的情况的计算结果。

此外，图11中示出了对波长850nm的光的本例的内面防反射层13的反射率的入射角依赖性。如图11所示，本例的内面防反射层13针对以入射角为35°以内入射的波长850nm的光，对P偏振以及S偏振都实现了反射率低于2.5％。此外，本例的防反射层14针对以入射角为35°以内入射的波长850nm的P偏振光，实现了反射率低于0.1％。另外，省略了针对35°以上的入射角的内面防反射层13以及防反射层14的反射率，但可从根据入射角的各媒质的实效折射率使用上述式(3)计算。

此外，通过RCWA计算本例的衍射光学元件10的从凹凸部12产生的0级光的光量，为0.25％。因此，在将入射侧界面以及衍射光学元件内的反射和吸收的损失作为不存在的情况下，从垂直入射了波长850nm的光时的本例的衍射光学元件射出的0级光的光量低于0.22％。

(例2)

本例与例1相同，是图2所示的衍射光学元件10的例子。其中，在本例中，凹凸部12是在X方向中产生11个点、Y方向中产生11个点的总计121个点的光斑的8级的凹凸图案。本例的凹凸部12的具体的构成与例1相同记载于表2。此外制造方法也与例1相同。

此外，通过RCWA计算本例的衍射光学元件10的从凹凸部12产生的0级光的光量，为0.08％。因此，在将入射侧界面以及衍射光学元件内的反射和吸收的损失作为不存在的情况下，从垂直入射了波长850nm的光时的本例的衍射光学元件射出的0级光的光量低于0.07％。

(例3)

本例与例1相同，是图2所示的衍射光学元件10的例子。其中，在本例中，凹凸部12是在X方向中产生31个点、Y方向中产生31个点的总计961个点的光斑的8级的凹凸图案。本例的凹凸部12的具体的构成与例1相同记载于表2。此外制造方法也与例1相同。

(例4)

本例与例1相同，是图2所示的衍射光学元件10的例子。其中，在本例中，设计波长设为780nm，凹凸部12是在X方向中产生21个点、Y方向中产生21个点的总计441个点的光斑的8级的凹凸图案。本例的凹凸部12的具体的构成与例1相同记载于表3。此外制造方法也与例1相同。

此外，通过RCWA计算本例的衍射光学元件10的从凹凸部12产生的0级光的光量，为0.32％。因此，在将入射侧界面以及衍射光学元件内的反射和吸收的损失作为不存在的情况下，从垂直入射了波长780nm的光时的本例的衍射光学元件射出的0级光的光量低于0.28％。

[表3]

(例5)

本例与例1相同，是图2所示的衍射光学元件10的例子。其中，在本例中，设计波长设为1550nm，凹凸部12是在X方向中产生21个点、Y方向中产生21个点的总计441个点的光斑的8级的凹凸图案。本例的凹凸部12的具体的构成与例1相同记载于表4。此外制造方法也与例1相同。

此外，通过RCWA计算本例的衍射光学元件10的从凹凸部12产生的0级光的光量，为0.03％。因此，在将入射侧界面以及衍射光学元件内的反射和吸收的损失作为不存在的情况下，从垂直入射了波长780nm的光时的本例的衍射光学元件射出的0级光的光量低于0.03％。

[表4]

产业上利用的可能性

本发明适用于使减少0级光的同时、使通过衍射光栅形成的规定的光图案的照射范围变大的用途。

这里引用2017年11月8日提出申请的日本专利申请2017-215510号的说明书、权利要求书、附图和摘要的全部内容作为本发明的说明书的揭示。

符号说明

10 衍射光学元件

11 基材

12 凹凸部

121 凸部

122 凹部

13 内面防反射层

14 防反射层

21 光束

22 衍射光组

23 光斑

Claims

1.一种衍射光学元件，其特征在于，具备

基材、和

设于所述基材的一个面上、相对于入射光呈现规定的衍射作用的凹凸部、和

设于所述基材和所述凹凸部之间的防反射层，

构成所述凹凸部的凸部的第一媒质与构成所述凹凸部的凹部的第二媒质的在所述入射光的波长带中的折射率差在0.70以上，

所述入射光在从所述基材的法线方向入射时，作为表示从所述凹凸部射出的衍射光所形成的光图案的扩散的角度范围的射出角度范围在60°以上。

2.如权利要求1所述的衍射光学元件，其特征在于，所述第二媒质是空气，所述第一媒质的在所述入射光的波长带中的折射率在1.70以上。

3.如权利要求1或权利要求2所述的衍射光学元件，其特征在于，

在将所述第一媒质和所述第二媒质的在所述入射光的波长带中的折射率差设为Δn、将所述射出角度范围设为θ_out时，满足

Δn/sin(θ_out/2)≥1.0。

4.如权利要求1至权利要求3中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述入射光的波长带中的0级光的光量低于3.0％。

5.如权利要求1至权利要求4中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述射出角度范围在100°以上，

所述入射光的波长带中的0级光的光量低于1.5％。

6.如权利要求1至权利要求5中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述射出角度范围低于140°，

所述入射光的波长带中的0级光的光量低于0.5％。

7.如权利要求1至权利要求6中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述第一媒质为无机材料。

8.如权利要求1至权利要求7中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，所述凹凸部至少在有效范围内不与所述基材相接。

9.如权利要求1至权利要求8中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述防反射层是电介质多层膜，其对于以相对于所述基材的法线方向为所述射出角度范围的1/4的角度从元件射出的所述入射光的波长带的至少特定的偏振光的反射率在0.5％以下。

10.如权利要求1至权利要求9中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述防反射层对于以相对于所述基材的法线方向40°以内入射到该防反射层的所述入射光的波长带的至少特定的偏振光的反射率在0.5％以下。

11.如权利要求1至权利要求10中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述入射光是波长700nm～1200nm中的至少一部分的波长带的光，

所述防反射层对于以相对于所述基材的法线方向20°以内入射到该防反射层的波长360～370nm的至少特定的偏振光的反射率在1.0％以下。

12.如权利要求1至权利要求11中任一项所述的衍射光学元件，其特征在于，

在所述基材的与设有所述凹凸部的一侧相反的一侧的表面上具备第二防反射层。

13.如权利要求12所述的衍射光学元件，其特征在于，

所述第二防反射层对于以相对于所述基材的法线方向为所述射出角度范围的1/4的角度从元件射出的所述入射光的波长带的至少特定的偏振光的反射率在0.5％以下。