CN112840238A - 衍射光学元件及照明光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及衍射光学元件，具备：衍射部，利用衍射作用来使光分支；及透镜部，设置于所述衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，所述透镜部包括：基材；及凹凸部，配置于所述基材的与光入射侧相反的一侧，所述凹凸部包括：截面是曲线的浮凸形状的凸部的浮凸型凸部的周期构造、模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及光栅，配置于所述中心部以外，配置于所述中心部的所述阶梯状的光栅的级数比配置于所述中心部以外的所述光栅的级数多。

Description

衍射光学元件及照明光学系统
技术领域
本发明涉及用于将规定的图案的光斑向规定的投影面照射的衍射光学元件及包括该衍射光学元件的照明光学系统。
背景技术
存在以下装置：通过向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出的光，来进行该被测定物的位置、形状等的计测(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向计测对象照射，能够使用衍射光学元件。
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。在这样的凹凸结构的情况下，利用填充凹部的材料(例如，折射率＝1的空气)和凸部材料的折射率差来提供期望的光程长度差而将光衍射。
利用这样的衍射作用而生成的光的图案作为由多个衍射光形成的规定的光量以上的光斑的集合而定义。通过控制光斑的位置、光强度，能够形成特定的光的图案，另外，若各光斑具有重叠，则也会成为照明光。
作为光斑的位置、光强度的控制的例子，以进行检测灵敏度高的检测的目的，例如，可举出检测面内的光量成为一样的光的图案的生成。
由于能够不依赖于距光源的距离而进行衍射设计，所以作为向衍射光学元件(Diffractive Optical Element：DOE)的入射光，经常使用平行光。作为一例，在专利文献2、3中示出了在光源与衍射光学元件之间设置有将来自光源的发散光变换为平行光的准直透镜的结构。
另外，作为与本发明相关联的技术文献，存在记载了截面是锯齿形状的闪耀化衍射光学元件中的一级衍射效率与标准化周期(Λ/λ)的关系的非专利文献1。在此，Λ表示均一周期的闪耀化元件中的周期。另外，λ表示波长。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本国专利第5174684号公报
专利文献2：日本国专利第6344463号公报
专利文献3：美国专利申请公开第2017/0187997号说明书
非专利文献
非专利文献1：盐野照弘，“高效率衍射光学元件”，应用物理学会分科会日本光学会，光学vol.32(8)2003年，p.492-494。
发明内容
发明所要解决的课题
在使用准直透镜来单纯使来自光源的光成为平行光的情况下，会在衍射光学元件的厚度上加上准直透镜的厚度，因此存在光学系统整体大型化的问题。
例如，在作为计测装置而考虑了在智能手机等中用于脸部识别、相机装置的对焦的远程感测装置、与游戏机等连接而用于捕捉用户的动作的远程感测装置、在车辆等中为了检知周边物体而使用的LIDAR(Light Detecting and Ranging：光探测与测距)装置的情况下，出于外观设计性的要求、设置传感器的壳体整体的薄型化及小型化的要求，对于用于进行感测的衍射光学元件及其光学系统也希望薄型化。
作为光学系统的薄型化的方法，可考虑将准直透镜设为菲涅尔波带片的方法。但是，若要极力减小厚度，则不仅分割数会变大，尤其在周边部处分割的间距(分割宽度)会变小，因此存在菲涅尔透镜制作用的模具的机械加工变得困难的问题。另外，在利用菲涅尔波带片将来自光源的光束变更为平行光的情况下，会在透镜的分割位置处产生因衍射的影响而产生的杂散光，或者在出射束内产生同心圆状的明暗纹(不希望的光强度的对比)等，存在束品质劣化的问题。
于是，考虑不是基于折射透镜而是基于衍射透镜的发散光的准直化。衍射透镜与折射透镜相比光的利用效率变差，但能够减少不需要的0级光，能够控制出射束的光强度分布等，认为在激光束的整形性能这一点上对于出射目的地的衍射光学元件而言是有利的。
在利用衍射透镜进行束的整形的情况下，作为提高光的利用效率的方法，可举出使用相息图的方法。相息图是仅再现需要的衍射级数的再现像的手法之一，将衍射波的振幅成分(假想物体的傅里叶变换像的振幅)假定为一定，将其相位分布利用光学厚度来调制，相对于入射光的相位以基于除数2π的余数进行了编码，也被称作波面再现元件。作为一例，可举出：假定为假想物体的傅里叶变换像的振幅一定，以提供仅将入射平面波变换为期望的波面的相位变化的方式，作为使相息图上的最厚的部分与最薄的部分相比在相位角下延迟了2π[rad]的浮凸像而编码。需要说明的是，在该例子中，相息图的光学厚度成为基于除数λ的余数。在此，λ是再现像的波长。
作为相息图的特征，可举出：在理想地制作出的相息图中，入射光的大部分全部被利用于单个期望的图像再现，因此光的利用效率高。但是，即使相息图的理论上的光的利用效率高，将通过设计而得到的浮凸像整形成实际的元件也非常困难，在加工的困难性及稳定性这一点上留有课题。作为一例，将光学透镜相息图化的相息图透镜成为如图12的标号95所示的周期性的细微浮凸构造，但难以将这样的细微的浮凸形状仅通过利用了灰度掩模的曝光量的调整而稳定地得到。尤其是，已知：间距变细的周边部附近除了加工方面的困难性之外，还存在原理上的问题。
图13是将图12所示的相息图透镜的曲面形状通过多级(在本例中是8级)的衍射光栅而模拟性地实现的例子。但是，即使利用这样的多级的衍射光栅，在周边部附近，高度相对于间距的比即纵横比也变大，因此仍然留下加工困难的问题。
而且，根据非专利文献1，在使用作为向量解析理论之一的differential method(微分法)模型计算出的均一周期的闪耀化元件的一级衍射效率与归一化周期Λ/λ的关系中，不仅是周期成为波长级的情况，在Λ/λ为1.5～2.5附近也存在衍射效率极端下降的周期。根据设计波长，也可想到在面内的任一位置处对应于上述归一化周期的情况。于是，存在产生衍射效率的劣化、0级光漏光的可能性。这样的衍射效率的劣化、0级光漏光的问题可认为在相息图的周边部附近也会同样地产生。
于是，本发明的目的在于除了薄型且加工性优异之外还能够进一步提高光的利用效率、抑制不需要的出射光的衍射光学元件及照明光学系统的提供。
用于解决课题的手段
本发明的衍射光学元件具备：衍射部，利用衍射作用来使光分支；及透镜部，设置于衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，透镜部包括：基材；及凹凸部，配置于基材的与光入射侧相反的一侧，凹凸部包括：截面是曲线的浮凸形状的凸部即浮凸型凸部的周期构造、模仿了浮凸型凸部的以基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及光栅，配置于中心部以外，配置于中心部的阶梯状的光栅的级数比配置于中心部以外的光栅的级数多。
另外，本发明的照明光学系统具备：光源，出射发散光；及上述的衍射光学元件，将发散光入射，分支成多个平行光的衍射光并出射，通过由衍射光学元件出射的衍射光，在规定的投影面上形成规定的光的图案。
发明效果
根据本发明，能够提供除了薄型且加工性优异之外还能够进一步提高光的利用效率、抑制不需要的出射光的衍射光学元件及照明光学系统。
附图说明
图1是示出第一实施方式的衍射光学元件10的例子的剖视示意图。
图2是透镜部10B和作为比较例的透镜部90B的更详细的剖视示意图。
图3是示出透镜部10B的其他例子的剖视示意图。
图4是示出透镜部10B的其他例子的剖视示意图。
图5是示出从全部由相息图构成的第二凹凸部15的中心起的距离r与凸部151的菲涅耳波带宽度的关系的坐标图。
图6是示出图5所示的相息图透镜及与其同等的3种衍射透镜(8级、4级、2级)各自的0级效率的坐标图。
图7是示出图5所示的相息图透镜及与其同等的3种衍射透镜(8级、4级、2级)各自的1级衍射光的衍射效率的坐标图。
图8是示出利用了衍射光学元件10的照明光学系统的结构例的说明图。
图9是示出利用了衍射光学元件10的照明光学系统的结构例的说明图。
图10是示出衍射光学元件10的其他例子的剖视示意图。
图11是示出衍射光学元件10的其他例子的剖视示意图。
图12是示出包括作为比较例的透镜部90B的衍射光学元件10的一例的剖视示意图。
图13是示出作为比较例的透镜部90B的其他例子的剖视示意图。
具体实施方式
以下，参照附图来说明本发明的实施方式。图1是示出第一实施方式的衍射光学元件10的例子的剖视示意图。衍射光学元件10具备衍射部10A和透镜部10B。衍射部10A具备基材11、基材13及设置于基材11、13之间的第一凹凸部12。透镜部10B具备基材14及设置于基材13、14之间的第二凹凸部15。需要说明的是，基材11与基材13及基材13与基材14由粘接剂16以期望的高度粘合。
基材11、13、14只要是玻璃、树脂等相对于使用波长具有透过性的构件即可，没有特别的限定。使用波长是向衍射光学元件10的入射光的波段。以下，设为波长700nm～2000nm的光中的特定的波段(例如，850nm±20nm等)的光向衍射光学元件10入射来说明，但使用波长不限定于此。另外，在没有特别声明而说明的情况下，设为：可见域是波长400nm～780nm，红外域是被设为近红外区域的波长780nm～2000nm，尤其是波长800nm～1000nm，紫外域是被设为近紫外区域的波长300nm～400nm，尤其是波长360nm～380nm。需要说明的是，可见光是该可见域的光，红外光是该红外域的光，紫外光是该紫外域的光。
第一凹凸部12是具有相对于入射光通过衍射作用使光分支而产生多个衍射光的规定的凹凸图案的凹凸构造。更具体而言，凹凸图案是第一凹凸部12的凸部或凹部所形成的阶梯的俯视下的二维的图案。需要说明的是，“俯视”是从向衍射光学元件10入射的光的行进方向观察时的平面，相当于从衍射光学元件10的主面的法线方向观察时的平面。凹凸图案构成为，由此产生的多个衍射光的各自即光斑能够在预先确定的投影面等中实现规定的图案。
第一凹凸部12的凹凸图案例如通过对来自凹凸图案的出射光的相位分布进行傅里叶变换而得到。需要说明的是，凹凸图案实现的规定的图案没有特别的限定。
透镜部10B的第二凹凸部15将发散光的入射光利用衍射作用而变换为平行光并出射。从第二凹凸部15出射后的平行光向衍射部10A入射。
第二凹凸部15是构成具有与准直透镜同等的作用的衍射透镜的凹凸部，更具体而言，具备凹凸构造，该凹凸构造具有相对于入射光显现如上所述的变换发散角度的衍射作用的规定的凹凸图案。更具体而言，凹凸图案是第二凹凸部15的凸部或凹部所形成的阶梯或倾斜的俯视下的二维的图案。第二凹凸部15的凹凸图案也例如通过对来自该凹凸图案的出射光的相位分布进行傅里叶变换而得到。
在本实施方式中，第一凹凸部12及第二凹凸部15只要能够产生期望的相位分布即可，不限于在玻璃、树脂等透明的构件的表面形成凹凸图案的构造的凹凸部。例如，也可以是在形成有凹凸图案的透明的构件上粘合折射率与该构件不同的构件并使表面平坦的构造的凹凸部，还可以是透明的构件且具有使折射率变化的构造的凹凸部。也就是说，在此，凹凸图案并非仅意味着表面形状是凹凸的构造，而是包括能够对入射光提供相位分布的全部构造。
以下，将从第二凹凸部15观察时向基材14接近的方向设为下方，将远离基材14的方向设为上方。因此，第二凹凸部15的各级的上表面中的与基材14最近的面成为最下面，最远离的面成为最上面。
另外，以下，将在凹凸图案(在基材14的面上由第二凹凸部15形成的截面是凹凸形状的表面)中处于比处于最低的位置的部分(图中的第1级s1)高的位置的部分称作凸部151，将由凸部151包围而成的凹陷部分且比凸部151的最上部低的部分称作凹部152。另外，将第二凹凸部15中的实际产生相位差的部分的高度(更具体而言是从凹凸图案的第1级s1的上表面到凸部151的最上部为止的距离)称作凸部151的高度d或光栅深度d。需要说明的是，凸部151的高度d也可以在面内不同。另外，在第一凹凸部12中，关于显现衍射作用的凹凸图案的凸部、凹部、级数的数法、凸部的高度d的处理及后述的基底层，基本上设为与上述同样。
图2的(a)是透镜部10B的更详细的剖视示意图。需要说明的是，在图2的(b)中，作为本实施方式的透镜部10B的比较例，示出了利用相息图实现了与准直透镜等效的衍射透镜的透镜部90B的剖视示意图。
如图2的(b)所示，在透镜部90B的凹凸部95是利用相息图实现了与准直透镜等效的衍射透镜的相息图透镜的情况下，透镜表面成为不具备相对于入射光垂直的面的曲面形状。更具体而言，透镜表面的截面成为浮凸形状周期性地反复的周期构造。需要说明的是，这里的截面是指包括入射光的光轴的平面中的截面。此时，浮凸形状的间距p(r)在周边部比在中心部细小。这是因为，周边部与中心部相比必须大幅变更光的行进方向。在此，r是指从中心(相当于元件中的入射光的光轴3的入射位置)起的距离。
如已经说明那样，相息图作为使相息图上的最厚的部分与最薄的部分相比在相位角下延迟了2π[rad]的浮凸像而编码。这样，实现相息图的凹凸部95的高度通过凹凸部95的构件的折射率和想要赋予的相位分布而自动地决定，与此相应而间距p(r)也被决定。
相对于此，本实施方式的第二凹凸部15也可以由如相息图透镜那样截面是浮凸形状的凸部的浮凸型凸部或模仿了所述浮凸型凸部的2级以上的光栅的周期构造或它们的组合构成。此时，在第二凹凸部15中，至少在远离中心的周边部分处，使浮凸型凸部的表面的曲面形状的再现性粗糙。
在此，表面的曲面形状的再现性粗糙是指表面形状的平滑度变得粗糙，例如，不是将表面的曲面形状直接形成，而是形成为模仿了该曲面形状的2级以上的光栅，且此时的级数小。在本实施方式中，示出浮凸型凸部的间距p(r)直接成为第二凹凸部15的光栅间距的例子，但浮凸型凸部的间距p(r)和第二凹凸部15的光栅间距也可以不一致。
关于表面的曲面形状的再现性，第二凹凸部15也可以至少包括配置于中心部的3级以上的光栅和配置于周边部的2级的光栅。图2的(a)所示的例子是第二凹凸部15由配置于中心部的8级的光栅、配置于周边部的2级的光栅及配置于中心部与周边部之间的环带部的4级的光栅构成的例子。需要说明的是，光栅的级数是将基材14设为第1级的情况下的数。
此时，也可以将中心部设为例如从中心起的距离r小于α的区域，将周边部设为例如从中心起的距离r为β以上的区域(其中，α≤β)。需要说明的是，环带部被设为从中心起的距离r为α以上且小于β的区域(其中，α<β)。在此，α、β虽然也能够单纯以从中心起的距离为基准而确定，但例如也能够以凸部151的光栅间距、根据模拟的结果得到的入射光的波段中的衍射效率、0级效率的值为基准而确定。在此，表示0级光的强度的0级效率是指从第二凹凸部15出射的透过0级光的光量相对于向第二凹凸部15入射的总光量的比例。
另外，图3是示出透镜部10B的其他例子的剖视示意图。如图3所示，第二凹凸部15也可以由配置于中心部的相息图和配置于周边部的2级的光栅构成。此时，也可以将中心部设为例如从中心起的距离r小于α的区域，将周边部设为例如从中心起的距离r为α以上的区域。
作为一例，也可以将凸部151的光栅间距小于规定的值的区域设为周边部。另外，例如，也可以比较8级、4级、2级的光栅各自的入射光的波段中的衍射效率，将光栅间距成为4级的光栅的入射光的波段中的衍射效率超过8级的光栅的间距以下的间距的边界的从中心起的距离设为α，将光栅间距成为2级的光栅的入射光的波段中的衍射效率超过4级的光栅的间距以下的间距的边界的从中心起的距离设为β，将从中心起的距离r小于α的区域设为中心部，将从中心起的距离r为β以上的区域设为周边部。
另外，例如，也可以比较8级、4级、2级的光栅各自的入射光的波段中的0级效率，将光栅间距成为4级的光栅的入射光的波段中的0级效率低于8级的光栅的间距以下的间距的边界的从中心起的距离设为α，将成为2级的光栅的入射光的波段中的0级效率低于4级的光栅的间距以下的间距的边界的从中心起的距离设为β。另外，例如，也可以比较相息图、2级的光栅各自的入射光的波段中的衍射效率，将成为2级的光栅的入射光的波段中的衍射效率超过相息图的间距以下的间距的边界的从中心起的距离设为α。另外，例如，也可以比较相息图、2级的光栅各自的入射光的波段中的0级效率，将成为2级的光栅的入射光的波段中的0级效率低于相息图的间距以下的间距的边界的从中心起的距离设为α。
需要说明的是，上述例子是将有效区域分割成成为2种或3种凸部的配置目的地的各区域的例子，但凸部的种类不限定于2种、3种。例如，也可以挑选在各光栅间距下衍射效率最高的凸部、0级效率最低的凸部、基于这2个指标的综合评价最高的凸部。
另外，图4的(a)及(b)是示出透镜部10B的其他例子的剖视示意图。如图4的(a)及(b)所示，第二凹凸部15也可以包括不产生相位差的部分(在图4中覆盖基材14的表面而构成了第1级s1的层)。在该情况下，有时将该部分称作基底层153。需要说明的是，在第二凹凸部15包括基底层的情况下，第二凹凸部15的厚度即构成第二凹凸部15的构件的包括基底层153的总厚优选为4μm以下，进一步优选为2μm以下。另外，第二凹凸部15的厚度优选为0.2μm以上。
另外，图5是示出从全部由相息图构成的第二凹凸部15的中心起的距离r与凸部151的菲涅耳波带宽度(相当于上述的间距p(r))的关系的坐标图。图5所示的r与菲涅耳波带宽度的关系是与将发散角为30°的波长850nm的入射光变换为平行光的衍射透镜等效的相息图透镜中的例子。
在图5所示的例子中，可知：距中心越远，则凸部151的菲涅耳波带宽度越减小。需要说明的是，根据非球面透镜等球面形状，未必距中心越远则凸部151的菲涅耳波带宽度越小，也可能有局部增加的情况。
另外，图6及图7是示出图5所示的相息图透镜及与其同等的衍射透镜(8级、4级、2级)各自的0级效率及1级衍射光的衍射效率的坐标图。这里的0级效率及1级衍射光的衍射效率通过严格耦合波分析(RCWA)而计算。
根据图6，可知：在相息图、8级的光栅的情况下，从中心起的距离r越大，即间距p(r)越小，则0级效率越高，但在4级、2级的光栅的情况下，若从中心起的距离r成为一定的值以上，即间距p(r)成为某一定的值以下，则0级效率的上升率收敛，收敛为一定的值。在图6所示的情况下，例如，也可以将4级、2级的光栅的0级效率收敛的距离r≥1.2mm的区域设为周边部而配置2级、4级的光栅，将其以外的区域设为中心部而配置8级的光栅、相息图。
另外，根据图7，可知：在相息图、8级的光栅的情况下，中心附近的1级衍射光的衍射效率高，但从中心起的距离r越大，即间距p(r)越小，则1级衍射光的衍射效率越低且其下降率也越大，4级的光栅在中心附近的衍射效率比相息图、8级的光栅差，但其下降率比较平稳。另外，可知：2级的光栅与距离r无关而1级衍射光的衍射效率大致一定。在图7所示的情况下，例如，也可以将相息图、8级的光栅的1级衍射光比4级、2级的光栅高的距离r<0.7mm的区域设为中心部而配置相息图、8级的光栅，将相息图与8级、4级的光栅的1级衍射光的衍射效率大致相同的0.7mm≤距离r<1.4mm的区域设为环带部而配置4级的光栅，将2级的光栅的1级衍射光的衍射效率比其他的光栅高的距离r≥1.4mm的区域设为周边部而配置2级的光栅。
通过上述的结构，也能够将入射光的波段中的第二凹凸部15的0级效率在全部有效区域中设为35％以下。另外，也能够将第二凹凸部15的衍射效率在全部有效区域中设为30％以上。需要说明的是，第二凹凸部15优选构成为，入射光的波段中的0级效率在全部有效区域中成为40％以下。需要说明的是，上述的0级效率更优选为30％以下，进一步优选为20％以下。另外，第二凹凸部15优选构成为，入射光的波段中的衍射效率在全部有效区域中成为20％以上。需要说明的是，上述的衍射效率更优选为30％以上，进一步优选为40％以上。
需要说明的是，上述的例子以距离r为基准而分割了区域，但若将上述的距离r的值基于图5所示的坐标图而变换为间距p(r)，则也能够视为以间距p(r)为基准的区域分割。需要说明的是，第二凹凸部15也可以是最小间距为5μm以下、2μm以下的凹凸图案。即使在具有这样的细小的间距的情况下，通过尤其使周边部的表面的曲面形状的再现性粗糙，也能够避免加工困难性并且谋求0级效率的降低、衍射效率的提高。需要说明的是，第二凹凸部15也可以是最小间距为0.5μm以上的凹凸图案。
接着，参照图8及图9来说明利用了本实施方式的衍射光学元件10的照明光学系统。图8所示的照明光学系统具备光源1和衍射光学元件10。
光源1出射发散光21。来自光源1的发散光21向衍射光学元件10入射，分支成多个平行光的衍射光(图中的衍射光组22)并出射。此时，在衍射光学元件10中，首先，入射后的发散光21由透镜部10B变换为平行光，之后，由衍射部10A分支成多个平行光的衍射光。其结果，入射到衍射光学元件10的发散光21成为在规定的投影面上形成规定的光的图案的衍射光组22而出射。
接着，参照图9，关于衍射光学元件10的衍射部10A及透镜部10B显现的衍射作用，基于由衍射光学元件10生成的光的图案的例示来说明。衍射光学元件10形成为，相对于使光轴方向成为Z轴而入射的具有规定的发散角的光束(发散光21)，出射的衍射光组22二维地分布。在将与Z轴具有交点并与Z轴垂直且互相正交的轴设为了X轴及Y轴的情况下，衍射光学元件10的衍射部10A使衍射光组22分布于X轴上的最小角度θxmin～最大角度θxmax及Y轴上的最小角度θymin～最大角度θymax(均未图示)的角度范围内。
在此，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。需要说明的是，由X轴方向上的最小角度θxmin～最大角度θxmax、Y轴方向上的最小角度θymin～最大角度θymax形成的衍射光组22的照射的范围成为与和衍射光学元件10一起使用的光检测元件中的光检测范围大致一致的范围。在本例中，在光斑图案中，通过相对于Z轴而X方向的角度为θxmax的光斑的与Y轴平行的直线成为上述短边，通过相对于Z轴而Y方向的角度为θymax的光斑的与X轴平行的直线成为上述长边。以下，将上述短边与上述长边的交点与处于其对角的其他交点所成的角度设为θd，将该角度称作对角方向的角度。在此，对角方向的角度θd(以下，称作对角的视野角θd)被设为衍射光学元件10的出射角度范围θout。在此，出射角度范围θout是表示在入射光从基材14的法线方向入射时从第一凹凸部12出射的衍射光所形成的光的图案的扩展的角度范围。需要说明的是，衍射光学元件10的出射角度范围θout除了设为上述的对角方向的视野角θd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例如优选入射光从基材14的表面的法线方向入射时的出射角度范围θout为70°以上。例如，在智能手机等所具备的相机装置中，存在视角(全角)为50～90°左右的相机装置。另外，作为在自动驾驶等中使用的LIDAR装置，存在视野角为30～70°左右的LIDAR装置。另外，人的视野角一般为120°左右，在VR的头盔等的相机装置中，存在实现了视野角70～140°的相机装置。以能够应用于这些装置的方式，衍射光学元件10的出射角度范围θout也可以为100°以上，还可以为120°以上。
另外，衍射光学元件10产生的光斑的数量可以为4以上，另外，也可以为9以上，还可以为100以上，还可以为10000以上。需要说明的是，光斑的数量的上限没有特别的限定，但例如也可以为1000万点。
在图9中，Rij表示投影面的分割区域。例如，衍射光学元件10可以构成为，在将投影面分割为多个区域Rij的情况下，由向各区域Rij照射的衍射光组22形成的光斑23的分布密度相对于全区域的平均值成为±50％以内。需要说明的是，上述分布密度也可以相对于全区域的平均值为±25％以内。若这样构成，则能够在投影面内使光斑23的分布均一，因此在计测用途等中是适宜的。在此，投影面不仅是平面，也可以是曲面。另外，在平面的情况下，除了相对于光学系统的光轴垂直的面以外，也可以是倾斜的面。
图9所示的衍射光组22中包含的各衍射光成为在式(1)所示的光栅方程式中以Z轴方向为基准而向X方向上的角度θxo、Y方向上的角度θyo衍射的光。在式(1)中，mx是X方向的衍射级数，my是Y方向的衍射级数，λ是入射光束的波长，Px、Py分别是衍射部10A所具有的第一凹凸部12的X轴方向、Y轴方向上的间距，θxi是X方向上的向第一凹凸部12的入射角度(在本例中是90°)，θyi是Y方向上的向第一凹凸部12的入射角度(在本例中是90°)。通过使该衍射光组22向屏幕或测定对象物等的投影面照射，在被照射的区域生成多个光斑23。
sinθxo＝sinθxi+mxλ/Px
sinθyo＝sinθyi+myλ/Py
…(1)
在第一凹凸部12是N级的阶梯状的类似闪耀形状的情况下，若满足Δnd/λ＝(N-1)/N，则通过第一凹凸部12而产生的光程长度差能够设为近似了1波长量的波面的光程长度差，能够得到高的衍射效率，是优选的。
另外，虽然图示省略，但具备衍射光学元件10的上述的照明光学系统也可以在将规定的光的图案向计测对象照射的投影装置中使用。另外，作为这样的投影装置的利用例之一，可举出具备该投影装置和检测通过从该投影装置出射的光向测定对象物照射而产生的散射光的检测部的计测装置。
另外，图10是示出衍射光学元件10的其他例子的剖视示意图。如图10所示，在衍射光学元件10中，在基材11上形成有第一凹凸部12的衍射部10A和在基材14上形成有第二凹凸部15的透镜部10B不经由基材13而通过基材11与基材14的粘合而一体化。
另外，也可以在衍射光学元件10的光入射侧的最表面及光出射侧的最表面设置有反射防止层17、18。
在包括它们的结构中，凹凸图案的凸部151的高度也优选为4μm以下，进一步优选为2μm以下。
需要说明的是，在上述的说明中，例示了衍射部10A和透镜部10B一体化的衍射光学元件10，但也能够将衍射部10A和透镜部10B利用独立的元件构成(参照图11)。在该情况下，在作为上述的衍射部10A进行动作且至少具备第一凹凸部12的第一衍射光学元件10-1的光入射侧配置作为上述的透镜部10B进行动作且至少具备第二凹凸部15的第二衍射光学元件10-2即可。在图11所示的例子中，第一衍射光学元件10-1在基材11与基材13A之间具备第一凹凸部12，而且在第一衍射光学元件10-1的光入射侧的最表面及光出射侧的最表面设置有反射防止层17A、18A。另外，第二衍射光学元件10-2在基材13B与基材14之间具备第二凹凸部15，而且在第二衍射光学元件10-2的光入射侧的最表面及光出射侧的最表面设置有反射防止层17B、18B。
反射防止层17、18、17A、17B、18A、18B只要具有在衍射光学元件10的出射侧或入射侧界面处至少降低设计波长的光的反射率的反射防止功能即可，没有特别的限定，作为一例，可举出单层构造的薄膜、电介质多层膜等多层膜。
另外，在上述中，将透镜部10B的0级光的强度(0级效率)及1级衍射光的衍射效率通过严格耦合波分析(RCWA)而算出，但也能够以同样的方法求出衍射光学元件10整体中的0级效率及衍射效率，作为元件整体而评价。元件整体的0级效率从激光安全的观点来看优选为0.5％以下，进一步优选为0.1％以下。需要说明的是，衍射光学元件10整体中的0级效率除了通过RCWA算出以外，也能够通过将设计波长的具有规定的发散角的激光向衍射光学元件10入射并测定直行透过光的光量来评价。
实施例
(例1)
本例是图10所示的衍射光学元件10的例子。不过，在本例中，将第二凹凸部15的结构设为了图4的(a)所示的结构。另外，将设计波长设为了850nm。另外，第一凹凸部12是产生X方向上31点、Y方向上31点的合计961点的光斑的2级的凹凸图案，该凹凸图案中的光栅是规则配置，且相邻的光斑的分离角设为全部相等。另外，第二凹凸部15以使发散角为30°的入射光被变换为平行光的方式具有由8级、4级及2级的光栅的组合构成的凹凸图案。另外，基材11、14的材料使用了折射率为1.51且厚度为0.5mm的玻璃基板，第一凹凸部12及第二凹凸部15的材料使用了折射率为1.45的SiO2。在表1中示出本例的衍射光学元件10的具体结构。
[表1]
Figure BDA0003017672070000171
首先，制作衍射部10A。在被设为基材11的玻璃基板的一方的表面进行由SiO2及Ta2O5构成的6层的电介质体多层膜即反射防止层17的成膜。各层的材料及厚度如表1所示。
接着，在玻璃基板的与进行了反射防止层的成膜的一侧相反一侧的面进行作为第一凹凸部12的材料的SiO2的成膜，将该SiO2膜通过光刻及蚀刻(反应性离子蚀刻)而向2级的凹凸构造进行加工。在该凹凸构造中，凸部的高度是944nm，包括基底层的第二凹凸部15的厚度是1044nm。
接着，制作透镜部10B。在被设为基材14的玻璃基板的一方的表面进行由SiO2及Ta2O5构成的6层的电介质体多层膜即反射防止层18的成膜。各层的材料及厚度如表1所示。
接着，在玻璃基板的与进行了反射防止层的成膜的一侧相反一侧的面进行作为第二凹凸部15的材料的SiO2的成膜，将该SiO2膜通过光刻及蚀刻(反应性离子蚀刻)而向在中心部包括8级的光栅且在环带部包括4级的光栅且在周边部包括2级的光栅的凹凸构造进行加工。
凹凸构造的加工工序如下。首先，在成膜出的SiO2膜上使用光刻形成与第二凹凸部15的凹凸图案对应的抗蚀剂掩模。接着，进行反应性离子蚀刻(加工量236nm)，将未被覆盖图案的非覆盖部在垂直方向上蚀刻236nm而形成凸部151的一部分。在蚀刻加工后，将残留的抗蚀剂掩模除去。
将上述的抗蚀剂掩模形成、蚀刻加工、抗蚀剂掩模除去的工序改变加工量而反复进行(第2次的加工量472nm、第3次的加工量944nm)。由此，得到被设为第二凹凸部15的阶梯状的凹凸构造。此时，形成8级的光栅的区域是r<0.6mm的区域(间距p(r)为4μm以上的范围)，形成4级的光栅的区域是0.6mm≤r<1.2mm的区域(间距p(r)为4μm～2μm的范围)，形成2级的光栅的区域是r≥1.2mm的区域(间距p(r)为2μm以下的区域)。
最后，将基材11和基材14以使第一凹凸部12和第二凹凸部15对向的方式层叠。例如，在基材14的形成有第二凹凸部15的面的框外通过丝网印刷而形成高度30μm的基于UV加工粘接剂的密封图案。接着，在该基材14上将形成有第一凹凸部12的基材11以使第一凹凸部12来到内侧的方式重叠，照射UV。由此，将两基材粘接。
通过以上，得到本例的衍射光学元件10。在这样得到的衍射光学元件10中，凹凸图案的凸部151的高度为2μm以下，入射光的波段中的衍射效率在全部有效区域中满足40％以上，且0级效率在全部有效区域中满足35％以下。
(例2)
本例是图10所示的衍射光学元件10的例子。不过，在本例中，将第二凹凸部15的结构设为了图4的(b)所示的结构。需要说明的是，除了第二凹凸部15的结构不同这一点以外，与例1的结构是同样的。在表2中示出本例的衍射光学元件10的具体结构。
[表2]
Figure BDA0003017672070000201
在本例中也是，首先，制作衍射部10A。需要说明的是，衍射部10A与例1是同样的，因此省略说明。
接着，制作透镜部10B。在被设为基材14的玻璃基板的一方的表面进行与例1同样的反射防止层18的成膜。各层的材料及厚度如表2所示。
接着，在玻璃基板的与进行了反射防止层的成膜的一侧相反一侧的面进行作为第二凹凸部15的材料的SiO2的成膜，将该SiO2膜通过光刻及蚀刻(反应性离子蚀刻)而向在中心部包括相息图且在周边部包括2级的光栅的凹凸构造进行加工。
凹凸构造的加工工序如下。首先，在成膜出的SiO2膜上的相当于形成相息图的中心部的区域使用光刻形成与第二凹凸部15的相息图的凹凸图案对应的灰度的抗蚀剂掩模。接着，对形成的抗蚀剂掩模进行反应性离子蚀刻(最大加工量1889nm)，将未覆盖图案的非覆盖部在垂直方向上最大蚀刻1889nm而形成凸部151的一部分。在蚀刻加工后，将残留的抗蚀剂掩模除去。
之后，在SiO2膜上的相当于形成2级的光栅的周边部的区域使用光刻形成与第二凹凸部15的2级的光栅的凹凸图案对应的抗蚀剂掩模。接着，对形成的抗蚀剂掩模进行反应性离子蚀刻(加工量944nm)，将未覆盖图案的非覆盖部在垂直方向上蚀刻944nm而形成凸部151的一部分。在蚀刻加工后，将残留的抗蚀剂掩模除去。由此，得到被设为第二凹凸部15的阶梯状的凹凸构造。此时，形成相息图的区域是r<1.2mm的区域(间距p(r)为2μm以上的范围)，形成2级的光栅的区域是r≥1.2mm的区域(间距p(r)为2μm以下的区域)。
最后，将基材11和基材14以使第一凹凸部12和第二凹凸部15对向的方式层叠。层叠方法与例1是同样的。通过以上，得到本例的衍射光学元件10。
在这样得到的衍射光学元件10中，凹凸图案的凸部151的高度为2μm以下，入射光的波段中的衍射效率在全部有效区域中满足40％以上，且0级效率在全部有效区域中满足40％以下。
(比较例1)
本例是比较例，设为如下结构：在图10所示的衍射光学元件10中取代第二凹凸部15而具备如图12所示的全部由相息图构成的凹凸部95。需要说明的是，除了第二凹凸部15的结构不同这一点以外，与例1及例2的结构是同样的。在表3中示出本例的衍射光学元件10的具体结构。
[表3]
Figure BDA0003017672070000221
在本例中也是，首先，制作衍射部10A。需要说明的是，衍射部10A与例1是同样的，因此省略说明。
接着，制作透镜部90B。在被设为基材14的玻璃基板的一方的表面进行与例1同样的反射防止层18的成膜。各层的材料及厚度如表3所示。
接着，在玻璃基板的与进行了反射防止层的成膜的一侧相反一侧的面进行作为凹凸部95的材料的SiO2的成膜，将该SiO2膜通过光刻及蚀刻(反应性离子蚀刻)而向全部由相息图构成的凹凸构造进行加工。
凹凸构造的加工工序如下。首先，在成膜出的SiO2膜上使用光刻形成与凹凸部95的相息图的凹凸图案对应的灰度的抗蚀剂掩模。接着，对形成的抗蚀剂掩模进行反应性离子蚀刻(最大加工量1889nm)，将未覆盖图案的非覆盖部在垂直方向上最大蚀刻1889nm而形成凹凸部95的凸部。在蚀刻加工后，将残留的抗蚀剂掩模除去。由此，得到被设为凹凸部95的全部由相息图构成的凹凸构造。
最后，将基材11和基材14以使第一凹凸部12和凹凸部95对向的方式层叠。层叠方法与例1是同样的。通过以上，得到本例的衍射光学元件10。
在这样得到的衍射光学元件10中，凹凸图案的凸部151的高度为2μm以下，但衍射效率在周边部(尤其是r≥1.2mm的区域)中小于40％，且0级效率在周边部(尤其是r≥1.2mm的区域)中超过40％。
需要说明的是，在上述中，膜厚通过阶梯计、SEM(Scanning ElectronMicroscope：扫描电子显微镜)的截面观察来测定。另外，衍射效率及0级效率使用RCWA而计算。
虽然详细地而且参照特定的实施方式说明了本发明，但对于本领域技术人员来说显而易见的是，能够不脱离本发明的精神和范围而施加各种各样的变更、修正。
本申请基于2018年10月15日申请的日本专利申请2018-194341，其内容作为参照而向此取入。
产业上的可利用性
本发明能够适宜地应用于想要向规定的投影范围出射规定的光的图案的用途、想要全面照射的用途。尤其是，能够适宜地应用于不降低光的利用效率而照射规定的光的图案的用途、减少0级光并照射规定的光的图案的用途。
标号说明
10 衍射光学元件
10A 衍射部
11、13、13A、13B 基材
12 第一凹凸部
10B 透镜部
14 基材
15 第二凹凸部
151 凸部
152 凹部
153 基底层
17、18、17A、17B、18A、18B 反射防止层
21 发散光
22 衍射光组
23 光斑

Claims (12)

1.一种衍射光学元件，具备：
衍射部，利用衍射作用来使光分支；及
透镜部，设置于所述衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，
所述透镜部包括：
基材；及
凹凸部，配置于所述基材的与光入射侧相反的一侧，
所述凹凸部包括：
截面是曲线的浮凸形状的凸部的浮凸型凸部的周期构造、模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及
光栅，配置于所述中心部以外，
配置于所述中心部的所述阶梯状的光栅的级数比配置于所述中心部以外的所述光栅的级数多。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，
配置于所述中心部以外的所述光栅是模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅。
3.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部作为将入射光变换为平行光的衍射透镜发挥作用，包括配置于所述中心部的作为所述浮凸型凸部的相息图或配置于所述中心部的3级以上的光栅和配置于周边部的2级的光栅。
4.根据权利要求1～3中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部作为将入射光变换为平行光的衍射透镜发挥作用，由配置于所述中心部的8级的光栅、配置于周边部的2级的光栅及配置于所述中心部与所述周边部之间的环带部的4级的光栅构成。
5.根据权利要求1～3中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部作为将入射光变换为平行光的衍射透镜发挥作用，由配置于所述中心部的作为所述浮凸型凸部的相息图和配置于周边部的2级的光栅构成。
6.根据权利要求3～5中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述周边部被定义为所述凹凸部的间距为规定的间距以下的区域，所述规定的间距是基于所述2级的光栅的所述入射光的波段中的衍射效率比基于作为所述浮凸型凸部的相息图或所述3级以上的光栅的所述入射光的波段中的衍射效率高的间距。
7.根据权利要求3～5中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述周边部被定义为所述凹凸部的间距为规定的间距以下的区域，所述规定的间距是基于所述2级的光栅的所述入射光的波段中的0级效率比基于作为所述浮凸型凸部的相息图或所述3级以上的光栅的所述入射光的波段中的0级效率低的间距。
8.根据权利要求3～7中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述入射光的波段中的所述凹凸部处的衍射效率在全部有效区域中为40％以上。
9.根据权利要求3～8中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述入射光的波段中的所述凹凸部处的0级效率在全部有效区域中为40％以下。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部的厚度为0.2μm以上且4μm以下。
11.根据权利要求1～10中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部的最小间距为0.5μm以上且2μm以下。
12.一种照明光学系统，具备：
光源，出射发散光；及
权利要求1～11中任一项所述的衍射光学元件，将所述发散光入射，分支成多个平行光的衍射光并出射，
通过由所述衍射光学元件出射的衍射光，在规定的投影面上形成规定的光的图案。
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