CN113330339B - 衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测装置 - Google Patents

衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测装置 Download PDF

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Abstract

实现遍及宽视场角地使衍射光的强度均匀化的光扩散技术。在将基本单元在第一方向上周期性地排列并使入射光向所述第一方向衍射的衍射光学元件中，设有以在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角的方式设计的相位图案。

Description

衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测 装置
技术领域
本发明涉及衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测装置。
背景技术
衍射光学元件利用光的衍射现象将入射光以各种图案向各个方向分光。衍射光学元件为小型、轻量，并能够实现与透镜、棱镜等折射光学元件同样的光学功能，在照明、非接触检查，光学计测等多种领域中被利用。
提出了通过使多个衍射光与相邻的衍射光重叠而将投影区域无间隙地填埋的结构(例如，参照专利文献1)。而且，在将主要强度分布转换成预先设定的立体角依赖性的强度分布的光学系中，提出了使用两片光学元件来抑制0次光的影响的结构(例如，参照专利文献2)。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6387964号
专利文献2：日本特表2008-506995号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1中，仅议论衍射光的重叠，没有公开实现衍射光的重叠的衍射光学元件的具体的结构。在专利文献2中，也没有公开衍射结构的具体的条件。
另一方面，在LiDAR(light detection and raging：光检测/测距)等的使用了光的传感、投影机等的放大投射系中，要求以宽视场角使光扩散。在使用衍射光学元件要实现广角化的情况下，遍及宽视场角而使投影面处的衍射光的强度均匀的情况至关重要。
本发明的目的在于提供一种实现遍及宽视场角地使投影面处的衍射光的强度均匀化的光扩散技术。
在本发明的第一形态中，衍射光学元件将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，其中，
所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角。
在本发明的第二形态中，一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，其中，
在将在所述二维方向上衍射的衍射光中的在距中心最远的拐角部彼此邻近的四个衍射光的中央的角度坐标设为(ax，ay)、将在第一方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θx(MHx)、将在与所述第一方向正交的第二方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θy(MHy)、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第一方向的发散角设为δx、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第二方向的发散角设为δy时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：
[(ax-θx(MHx))/δx]2+[(ay-θy(MHy))/δy]2<1。
在本发明的第三形态中，一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，其中，
在将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光的衍射角设为θ(MH)、将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θ(MH-1)时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：
tanθ(MH)-tanθ(MH-1)<(FWHM/2Z)[1/cosθ(MH)+1/cosθ(MH-1)]。
在本发明的第四形态中，一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，其中，
在将所述入射光的波长设为λ、将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将所述衍射光学元件的周期长度设为P时，所述周期长度满足下式：
λ×Z/(α×FWHM)<P<FWHM，
所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在利用该衍射光学元件形成的视场角小于30°时，α的值为恒定值，在所述视场角为30°以上时，α的值作为所述视场角的函数而单调减少。
发明效果
根据上述的结构，实现遍及宽视场角而使衍射光的强度均匀化的光扩散技术。
附图说明
图1是说明本发明的基本思想的图。
图2是说明各衍射角的分离角的差异的图。
图3是表示衍射角与次数间分离角的关系的图。
图4是将图3的关系再构成到屏幕上的衍射光的投射位置的图。
图5是表示投影面处的衍射光的重叠不足的图。
图6是表示投影面处的衍射光的一维方向的重叠的图。
图7是说明使用发散光时在等距离面上衍射光重叠的条件的图。
图8是说明平行光时在屏幕面上衍射光重叠的条件的图。
图9是说明图8的条件的图。
图10是说明等距离面上的二维方向的衍射光的重叠的条件的图。
图11是说明二维方向的平行光向屏幕面的投射的图。
图12是将图11(B)的模拟结果再标绘成(FWHM/Zsc)与(λ/P)的关系的图。
图13是基于图12而将斜度α标绘作为FOV的函数的图。
图14是说明广角化时的视野端的强度的下降的图。
图15是表示广角化时用于维持均匀的强度分布的第一结构的图。
图16是表示二维下的衍射次数间隔剔除的例子的图。
图17是表示在图16的例子中对衍射次数未进行间隔剔除的均匀分布的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。
图18是表示在图16的例子中对衍射次数进行了间隔剔除时的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。
图19是表示对衍射次数仅在x方向上进行间隔剔除的模拟例的图。
图20是表示在图19的例子中对衍射次数未进行间隔剔除时(均匀分布)的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。
图21是表示在图19的例子中对衍射次数仅沿x方向进行了间隔剔除时的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。
图22是表示在广角化时用于维持均匀的强度分布的第二结构的图。
图23是将强度校正的有无以三维的强度分布图表示的图。
图24是表示广角下的考虑了衍射光的重叠的校正函数H(θ)的图。
图25示出利用图24的方法进行了强度校正时的设计例。
图26是说明图25的设计范围的缩减的图。
图27是说明与广角化相伴的0次光的影响的图。
图28是说明以衍射光的重叠为前提的0次光的减少的图。
图29是表示除去0次光的成分的设计例的图。
图30示出除去0次光的成分的另一个手段。
图31是表示投影装置中的光学元件的多段结构的图。
图32是表示多段的光学系的结构例的图。
图33是表示多段的光学系的结构例的图。
图34是表示多段的光学系的结构例的图。
图35是表示多段的光学系的结构例的图。
图36是表示多段的光学系的结构例的图。
图37是说明用于得到目标投影像的DOE设计的概念的图。
图38示出利用了IFTA的设计例。
具体实施方式
图1是说明本发明的基本思想的图。为了利用衍射光学元件(DOE：DiffractiveOptical Element)实现广角扩散，如图1(B)所示，在投影面40以衍射光42无间隙地重叠的方式设计衍射点41的位置。
例如图1(A)那样，在通过使用了光源30和衍射光学元件20(以下，简称为“DOE20”)的投影装置10对投影面40进行照射的情况下，从光源30输出的射束透过DOE20，由此分光成多个衍射光42，在规定的角度范围内扩散。本发明的基本思想是以相邻的衍射次数的衍射光在投影面40上重叠的方式设计衍射点41的位置。
“衍射点”是具有通过DOE20向各方向衍射的光的中心强度(峰值强度)的点。“衍射光”是指以衍射点为中心的一定范围，例如成为衍射点的中心强度的1/e2的范围或半高全宽的强度分布的光射束。
但是，根据衍射角的大小而相邻的次数间的衍射光的分离角不同，因此以全部的衍射光42在投影面40上重叠的方式设计衍射点41的位置的情况并不容易。
在图1中描绘了平坦的屏幕等投影面40，但是通过以一定的曲率半径弯曲的投影面或LiDAR等计测装置向等距离面投射衍射光的情况下，由于根据衍射次数而分离角变化，因此将衍射光无间隙地重叠的设计并不容易。
图2是说明与衍射角对应的分离角的变化的图。衍射角θ设为0次光(未衍射而透过了DOE20的光)与各衍射光的光轴所成的角度。分离角是相邻的次数的衍射光之间的角度。
在波长λ的光向周期长度P的DOE20垂直入射的情况下，m次的衍射光由
m×λ＝P×sinθ (1)
表示。DOE20的周期长度是指构成DOE20的多个单位图案(或单元结构)的尺寸或反复周期。
在由DOE20衍射的光向平坦的屏幕面S投射的情况下，0次光的附近的衍射光42在屏幕面S上重叠，但是次数越上升，即越朝向屏幕的端部，则分离角越大，相邻的衍射光42不再重叠。作为参照而示出屏幕面S的从等距离面E的背离。
图3是表示衍射角与次数间分离角的关系的图。图3(A)示出DOE20的周期长度P为100μm时的衍射角与次数间分离角的关系。图3(B)示出DOE20的周期长度P为1000μm时的衍射角与次数间分离角的关系。左侧的纵轴是投射了波长940nm的光时的分离角的衍射角依赖性，右侧的纵轴是投射了波长400nm的光时的分离角的衍射角依赖性。
从图3可知，与DOE20的周期长度P和波长λ无关，当衍射角增大时，次数间分离角指数函数性地增大。但是，当DOE20的周期长度P成为10倍时，衍射角减小，分离角成为1/10左右。
通过DOE20实现至少120°的视场角，即-60°～60°的衍射角的情况下，如图中的空心箭头所示，在0次光附近的衍射光与60°的衍射光之间，分离角扩大为2倍。即使在视场角为90°的情况下，将0次光附近的衍射光与45°的衍射光之间进行比较时，分离角也成为1.5倍以上。
图4是将图3的关系再构成到屏幕面S上的衍射光的投影位置的图。图4(A)是DOE20的周期长度P小的情况，图4(B)是DOE20的周期长度P’大的情况(P’>P)。
如图4(A)那样，在DOE20的单元结构201S的尺寸小且周期长度P小时，衍射角大，在屏幕面S或等距离面E上相邻的衍射点41的间隔扩展。特别是在广角侧衍射光42彼此完全分离。如图4(B)那样，在DOE20的单元结构201L的尺寸大且周期长度P’大时，衍射角减小，因此衍射点41在屏幕面S或等距离面E上紧密地出现，衍射光42彼此重叠。
在单元结构201S及201L形成有光栅图案、被二值化的二进制图案、被多值化的阶梯状的图案等相位图案，与各单元结构201的图案或空间分布对应的相位变化向入射光赋予而发生衍射。
为了确保屏幕面S上的衍射光42的重叠，只要增大DOE20的周期长度P而减小衍射角即可。然而，难以确保充分的视场角。而且，向DOE20入射的入射射束31需要将形成于各单元结构201的图案全部覆盖，即使在增大周期长度P的情况下，也必须维持收纳于入射射束31的直径之中这样的条件。
如果遍及设为目标的视场角而在投影面上衍射光重叠，并确定通过入射光检测DOE20的单元结构201的整体的适当的周期长度P的范围，则能够实现均匀且有效的投射。但是，必须考虑根据投影面的不同而衍射次数未必成为单纯的光栅排列这样的点。
图5示出平坦的投影面上的衍射光的重叠不足。在向球面等等距离面的投射中，衍射点呈格子状地出现，但是在平坦的屏幕上，光栅歪斜。特别是如虚线的区域C所示，视野的端部处的歪斜大，如间隙G所示，衍射光的重叠变得不充分。在歪斜大的区域C中，衍射点41的坐标复杂且点位置的校正困难。
因此，以下，研讨了以广角化为前提的最佳的视场角(FOV：Field of View)与DOE周期长度的关系。在向等距离面的投影和向屏幕面的投影中，如上所述条件不同，因此分别进行研讨。
图6(A)示出向等距离面E的投影。向等距离面E的投影设想传感、测距、计测等比较长的范围的投影。在该情况下，投影装置10的光源30使用发散光源，能够进行直至远方的投影。在将本发明的广角投影适用于测距、计测等技术时，可以将投影装置10与检测器50组合来构成计测装置100。检测器50检测来自存在于视场角内的物体的反射光，因此在等距离面中也优选扩散光无间隙地配置。
图6(B)示出向平坦的屏幕面S的投影。在屏幕以相同的曲率半径弯曲时，成为图6(A)那样的向等距离面的投影，但是在以下的说明中，向屏幕面S的投影时，是指向平坦的投影面的投影。
在屏幕面S中，设想使用了平行光的比较短距离的投影。光源30是例如输出准直光的激光光源。平行光即使在通过DOE20衍射之后在各衍射方向上也能保持准直状态。
当将平行的衍射光向屏幕面S投影时，距视野的中心越远，则射束的截面形状越歪斜，在视野的端部相邻的衍射光MH和衍射光MH-1的各自的半径rM与rM-1产生差别。
<向等距离面的投影；一维>
图7是说明向等距离面的一维的投影的图。在此，设想30°以上的视场角，优选为60°以上的视场角，更优选为120°以上的视场角。这是因为，这样的广视野在测距、投影中有用的缘故，以及如图3所示在视场角比30°小时，分离角的变化小至能够忽视的程度，但是当成为30°以上时，分离角的变化变得显著的缘故。
在光源30为发散光源的情况下，从光源30输出且通过DOE20衍射的各次数的衍射光也成为发散光32。将发散光32的发散角设为θdiv。发散光32的射束直径随着距离而扩展。将等距离面上的衍射光的射束直径设为FWHM。在此，射束直径FWHM由表示射束的扩展的半高全宽(Full Width Half Maximum)表示。
向等距离面投射的衍射光依赖于衍射角而分离角变化，但是与次数对应的射束歪斜小至可以忽视的程度。因此，只要仅考虑分离角的变化来研讨衍射光重叠的条件即可。
为了简化说明，首先考虑一维方向上的衍射。在图6(A)的状态下，为了使在等距离面E上相邻的衍射光相互重叠，只要在视野的最外侧相邻的衍射光之间的分离角比发散角θdiv小即可。
如果将视野的最外侧的衍射光(MH)的衍射角设为θ(MH)，将从外侧起的第二个衍射光(MH-1)的衍射角设为θ(MH-1)时，分离角为θ(MH)-θ(MH-1)。因此，只要满足
θ(MH)-θ(MH-1)<θdiv(2)的条件即可。参照图7，发散角θdiv可以使用投影面上的射束直径FWHM的半径和距离Zsc，表示为
[数学式1]
因此，可以将式(2)的条件改写为式(2)’。
[数学式2]
在把广角当作目标的情况下，只要在最外侧相邻的次数的衍射光之间的分离角收纳于射束的发散角θdiv之中，在视野内沿一维方向相邻的衍射光就全部在等距离面上重叠。使用了发散光源的投影装置10中使用的DOE20的相位图案以满足式(2)的方式，即以在视野的最外侧相邻的衍射光(MH)与(MH-1)的分离角比光源30的发散角θdiv小的方式设计。由此，能够实现宽视场角下的均匀照射。
<向屏幕面的投影；一维>
图8示出向平坦的屏幕面投射的衍射光的重叠。即使在以比较短的距离向屏幕面投影的情况下，也由于与参照图7说明的理由相同的理由，以30°以上的视场角，优选为60°以上，更优选为120°以上的视场角为前提。
在光源30的输出光为平行光33的情况下，射束直径FWHM恒定，但是在屏幕面S中，如图6(B)那样，根据衍射角而水平方向的射束直径扩大。在屏幕面上，遍及视场角而衍射光无间隙地重叠用的条件为
[数学式3]
。在此，Zsc是从DOE20到屏幕面的距离。参照图9，说明式(3)的条件。
为了使最外侧的衍射光MH与从外侧起的第二个衍射光(MH-1)沿一维方向重叠，只要这两个衍射光的点间的距离小于各自的衍射光的半径之和即可。
如图9(A)所示，衍射光MH的点位置与衍射光(MH-1)的点位置之间的距离为Zsc(tanθ(MH)-tanθ(MH-1))。
在图9(B)中，如果将以角度θ衍射的平行射束的直径设为FWHM，则屏幕面S上的衍射光的水平方向的直径成为FWHM/cosθ。衍射光MH的半径为FWHM/2cosθ(MH)，衍射光(MH-1)的半径为FWHM/2cosθ(MH-1)。
如果满足
Zsc(tanθ(MH)-tanθ(MH-1))<FWHM(1/2cosθ(MH)+1/2cosθ(MH-1))，则两个衍射光重叠，因此对其变形而得到式(3)。
在将投影装置10使用于向屏幕面S的投射且光源30输出平行光的情况下，以在衍射方向的最外侧相邻的衍射点间的距离小于由这些衍射点形成的衍射光半径之和的方式设计DOE20。
基于式(1)的一般条件m×λ＝P×sinθ，m次的衍射光的衍射角θ(m)为
θ(m)＝arcsin(mλ/P) (4)。
在通过衍射光将视野内铺满的情况下，如果将视场角设为FOV，则最外侧的衍射光MH由式(5)表示。
[数学式4]
在此，右边的第一项的[(P/λ)sin(FOV/2)]是最大的衍射次数mmax。大括弧是表示整数化的高斯记号，小数点以下舍去。
通过DOE20衍射的光的分离角满足式(3)的条件并按照式(5)设定周期长度P，由此能够在屏幕面S上将衍射光沿一维方向无间隙地投影，遍及宽视场角地实现均匀照射。
<向等距离面的投射；向二维扩张>
图10是说明等距离面上的向二维方向的衍射光的重叠的图。设想使用发散光而投射至远方的情况。
在二维方向的衍射的情况下，视场角FOV由x方向的视场角xFOV和y方向的视场角yFOV定义。在x方向与y方向上视场角FOV可以不必相同。根据光源30的发光开口部的形状，输出射束截面在y方向上长的椭圆形状的发散光。
在二维方向的衍射的情况下，以在等距离面E上在x方向和y方向上彼此邻近的四个衍射光42的椭圆在包含这四个衍射光42的区域的中央全部重叠的方式设计衍射点41。着眼于在DOE20的拐角210衍射的光，即在视野内最远地衍射的光进行说明。
将x方向的最外侧的衍射光的衍射角设为θx(MHx)，将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θx(MHx-1)，将y方向的最外侧的衍射光的衍射角设为θy(MHy)，将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θy(MHy-1)。
四个衍射光42重叠的区域的中央的角度坐标(ax，ay)是沿x方向相邻的两个衍射光42的衍射角的中点和沿y方向相邻的两个衍射光42的衍射角的中点。
ax＝[θx(MHx)+θx(MHx-1)]/2
ay＝[θy(MHy)+θy(MHy-1)]/2
用于使上述的区域的中央的角度坐标(ax,ay)包含于全部四个椭圆的条件由式(6)表示。
[数学式5]
在此，δx是衍射光的x方向的发散角θxdiv，δy是y方向的发散角θydiv。在视野的最外侧的拐角处沿x方向和y方向相邻的衍射光42满足式(6)的条件，由此向二维的视野内投影的全部的衍射光在等距离面上无间隙地重叠。
如果增大DOE20的周期长度P，即DOE20包含的单元结构201的尺寸，则投影面上的与相邻点之间的距离接近而容易重叠。然而，单元结构201必须为收纳于入射射束直径之中的尺寸。式(6)的条件是在单元结构201收纳于入射射束之中的范围内，使周期长度P尽可能大的设计条件。
通过以满足式(6)的方式设计DOE20的相位图案，通过宽视场角下的向等距离面的二维照射，能得到均匀的强度分布。
<向屏幕面的投射；向二维扩张>
图11是说明使用了平行光的短距离投影的向二维方向的衍射的图。在向等距离面的二维照射的情况下，如图10那样导出式(6)的条件。
然而，在向屏幕面的投射的情况下，如图11(A)所示，随着朝向外周部而衍射光42的椭圆歪斜，衍射点41的配置关系变得复杂。
图11(B)是模拟了向屏幕面的二维照射中的视场角FOV与DOE20的周期长度P的关系的结果。将从DOE20至屏幕的距离Zsc设为500mm，将光源30的波长λ设为1μm，将射束直径FWHM在1.5mm～8.0mm的范围内进行各种改变，来计算DOE周期长度的视场角依赖性。视场角在xFOV＝yFOV，对角方向的衍射次数容易歪斜的条件最严苛的正方形的视野内计算。
从图11(B)可知，无论射束直径(mm)如何，为了以大的视场角将衍射光无间隙地重叠，需要增大DOE周期长度(μm)。
图12是将图11的模拟结果置换为FWHM/Zsc(射束直径/距离)与λ/P(波长/DOE周期长度)的关系的图。将图12的各特性线的斜度设为α。例如，在FOV为30°时，α＝0.424。越以广角化为目标，则α的值越小。
为了使DOE20动作，DOE20的单元结构201必须完全包含于入射射束31，因此周期长度P的上限值由射束直径FWHM决定。该条件由
(1/FWHMi)<(1/Pi) (7)
表现。
另外，为了实现目标的视场角FOV，纵轴的λ/P的值必须成为比图12的各线的斜度靠下侧的区域。因此，导出
(λ/P)<α×(FWHMi/Zsc) (8)
这样的条件。周期长度P的下限成为λ×(Zsc/FWHMi)，由光源的设计和至屏幕的距离来决定。根据式(7)和式(8)，可以将周期长度P的范围记载为λ×Zsc/(α×FWHM)<P<FWHM。
图13是基于图12，将α设为FOV的函数而标绘的图。在视场角FOV小于30°时，以α＝0.424大致恒定。
为了广角化，在将视场角FOV设为30°以上时，α(FOV)由式(9)近似。
α(FOV)＝0.502-2.56×10-3(FOV)-6.34×10-6(FOV)2 (9)
在此，FOV＝max[xFOV，yFOV]，在xFOV与yFOV不同的情况下，选择较大的一方。
在该例中，通过二次多项式对作为FOV的函数的α进行近似，但是没有限定为该例。在FOV为30°以上，更优选为60°以上的区域中，可以近似为α的值单纯减少那样的其他的函数。
在实现120°的视场角的情况下，向式(9)的变量代入120°而得到α＝0.12。周期长度P的下限通过将α＝0.12向式(8)代入来决定。
在FOV小于30°时，使α为恒定值，在FOV为30°以上时，通过式(9)或其他的单纯减少函数来规定α，由此，遍及二维的宽视场角在屏幕面上能得到均匀的强度分布。
如以上说明所述，根据投影的目的、形态，以设为靶的视场角，以将衍射光无间隙地排列的方式设计DOE20，由此能够遍及宽视场角而将投影面没有不均地照射。
<以宽视场角用于维持均匀强度的结构>
通过上述的基本设计，能够将投影面上的衍射光无间隙地排列。以下，说明即使在广角化的情况下也在投影面上用于维持更均匀的强度分布的结构。
图14是说明以广角照射将衍射光重叠时的端部处的照射强度的下降的图。图14(A)示出等距离面E和屏幕面S上的衍射光的重叠。图14(B)示出作为衍射角的函数的投影面上的强度。
在等距离面E中，各个衍射光42的强度无论衍射角如何都恒定，但是衍射角越大，则作为全部的衍射光的总和的整体强度T越下降。
在视场角小于30°的情况下，即最大衍射角小于15°时，如上所述分离角的变化小，在等距离面或屏幕面上衍射光重叠，能够实现大致均匀的强度分布。
然而，如果要将视场角扩大至60°以上，则即使在以满足上述的条件的方式设计DOE20而在等距离面E或屏幕面S上将衍射光无间隙地配置的情况下，在视野的端部也存在光强度下降的情况。这以衍射次数越大则分离角的调整越困难的情况为起因。
<第一结构>
图15是表示在扩宽视场角的情况下用于维持均匀的强度分布的第一结构的图。在第一结构中，通过对衍射次数进行间隔剔除而在广角的投影面上实现衍射点间的分离角的平均化。
在图15(A)中，线A是间隔剔除前的特性，区域B包含的线组是对衍射次数进行了间隔剔除后的特性。在没对次数进行间隔剔除时，衍射次数同样地连续，如线A所示，衍射角越大，则分离角越增大。
当对衍射次数进行间隔剔除时，如区域B所示，在小的衍射角下能得到一定程度的分离角，在大的衍射角下分离角减少，分离角被平均化。
衍射次数例如通过增大DOE20的周期长度P，能够在从0次至N次之间适当地对次数进行间隔剔除。作为一例，没有对衍射次数进行间隔剔除时的设计值为
波长λ＝940nm
DOE的周期长度P＝200μm
射束直径FWHM＝0.4°
。对衍射次数进行间隔剔除时的设计值为
波长λ＝940nm
DOE的周期长度P＝2000μm
射束直径FWHM＝0.4°
。不改变光源的设计地调整DOE的周期长度，由此，能够对衍射次数进行间隔剔除而遍及宽视野地对分离角进行平均化。
图15(B)示出作为衍射角的函数的等距离面上的一维方向的强度(任意单位)。在没有对次数进行间隔剔除时，如线A所示，特别是在衍射角为15°以上的区域，等距离面上的强度下降，但是通过对衍射次数进行间隔剔除，如线B那样，遍及衍射角的整个范围，即视野的整个范围而能够将等距离面上的强度收纳于一定范围内。这是遍及整个视野而将分散角平均化的缘故。
图16示出二维下的衍射次数间隔剔除的模拟例。在该例中，使用波长λ为1000nm的光源，在x方向、y方向上都将FOV设定为100°。将对衍射次数进行间隔剔除前的DOE周期长度设为100μm，将对衍射次数进行间隔剔除的区域中的DOE周期长度设为500μm。
图16的线1A表示没有对衍射次数进行间隔剔除时的特性，区域1B的中的线组表示对衍射次数进行了间隔剔除时的特性。在线1A中，在衍射角为15°附近之前，次数间的分离角大致恒定，但是当分离角超过15°时，次数间的分离角增大。通过在x方向和y方向上对衍射次数进行间隔剔除，如区域1B所示，能够将次数间的分离角收纳于一定范围内。
图17(A)示出在图16中没有对衍射次数进行间隔剔除的线1A的结构中的DOE图案，图17(B)示出等距离面上的投影像。图17(C)示出图17(B)的x轴方向的截面的强度分布。光源波长λ为1000nm，将发散角沿x方向设为2deg，沿y方向设为2deg，DOE的x方向的周期长度Px和y方向的周期长度Py都设定为100μm。在图17(B)及图17(C)所示的投影像的强度分布中，在从原点朝向外周部的方向上未观察到强度的下降。
图18(A)示出在图16的结构中对衍射次数进行了间隔剔除的区域1B的结构中的DOE图案，图18(B)示出等距离面上的投影像。图18(C)示出图18(B)的x方向的截面的强度分布。光源波长λ为1000nm，将发散角沿x方向设为2deg，沿y方向设为2deg，DOE的x方向的周期长度Px和y方向的周期长度Py都设定为500μm。通过对衍射次数进行间隔剔除，能抑制从原点朝向外周部的强度的下降，与没有对衍射次数进行间隔剔除的情况相比能够得到均匀的强度分布。
图19示出将衍射次数仅在一方向上进行间隔剔除的又一模拟例。在该例中，x方向和y方向的一方(例如x方向)的视场角宽至120°，但是另一方(例如y方向)的视场角为40°。线2A示出没有对衍射次数进行间隔剔除而衍射次数同样地连续时的特性。区域2B包含的线组示出将衍射次数仅沿x方向进行间隔剔除，y方向没有间隔剔除时的特性。
在没有对衍射次数进行间隔剔除时，x方向的DOE周期长度Px和y方向的DOE周期长度Py都为100μm。为了在规定的方向上遍及视野的整个范围地确保强度的均匀化，仅在规定的方向(在该例中为x方向)上对衍射次数进行间隔剔除。具体而言，将对衍射次数进行间隔剔除的部位的OED的周期长度Px设定为500μm，将y方向的周期长度Py维持为100μm。
图20(A)示出在图19的结构中没有对衍射次数进行间隔剔除的线2A的结构中的DOE图案，图20(B)示出等距离面上的投影像。图20(C)示出图20(B)的x轴方向的截面的强度分布。光源波长λ为1000nm，将发散角沿x方向设为2deg，沿y方向设为2deg，DOE以x方向的视场角成为120°，y方向的视场角成为40°的方式设计各单元结构的图案。周期长度P在x方向、y方向上都为100μm。
图21(A)示出在图19的结构中将衍射次数仅沿x方向进行了间隔剔除的区域2B的DOE图案，图21(B)示出等距离面上的投影像。图21(C)示出图21(B)的x轴方向的截面的强度分布。在图21(A)中，在DOE的x方向上对次数进行间隔剔除的部位，使用x方向的周期长度Px为500μm，y方向的周期长度Px为100μm的单元结构。通过这样设计DOE，图21(B)及图21(C)所示的2B相对于图20(B)及图20(C)所示的2A，能够实现视野整体的强度的均匀化。
<第二结构>
图22示出在广角化时用于维持更均匀的强度分布的第二结构。在第二结构中，预先考虑衍射光的重叠，将单元结构的图案沿一维方向进行强度校正。换言之，调整投影面上的衍射点的强度。
在图22(A)中，在没有强度校正的情况下，在等距离面上各个衍射光42的强度相同，但是由于分离角增大的影响，作为衍射光的总和的整体强度T越向视野的端部行进越下降。在此的设计值为
光源波长λ＝940nm
DOE的周期长度P＝200μm
射束直径FWHM＝1°。
因此，如图22(B)所示，以越向投射区域的端部行进而衍射光42的强度越增强的方式按照各衍射次数对强度进行校正。设计值与图22(A)同样为，光源波长λ＝940nm，DOE的周期长度P＝200μm，射束直径FWHM＝1°。
作为一例，在向等距离面的投影的情况下，以沿一维方向衍射角越大而衍射光的强度以1/cosθ的比例越增加的方式调整DOE20的单元结构201。由此，等距离面上的衍射光的整体强度T遍及整个视场角的范围变得均匀。该校正在视场角窄至小于30°时，不怎么需要，但是在视场角为30°以上，特别是60°以上时有效。而且，在入射射束直径小时，无法如第一结构那样增大周期长度P，因此图22的方法有效。
图23是三维地表示与强度校正的有无对应的强度分布的图。图23(A)是二维DOE且没有强度校正时的强度分布图，图23(B)是沿二维方向进行了强度校正时的例子。FOV沿x方向、y方向都为60°。
如图23(A)那样不进行强度校正的情况下，在等距离面上的视野的端部处强度下降，特别是拐角部处的强度的下降大。
通过如图23(B)那样沿二维方向进行强度校正，在等距离面上能避免视野的整体地得到均等的强度分布。在沿二维方向进行强度校正的情况下，例如，越朝向视野的拐角部则强度以1/cosθx·cosθy的比例越增强地校正。
图24是将考虑了广角下的衍射光的重叠的校正函数H(θ)分情况表示的图。如上所述，在向等距离面的投影中沿一维方向进行强度校正的情况下，作为校正函数，例如，使用
H(θ)＝1/cosθ (10)。
在向等距离面的投影中沿二维方向进行强度校正的情况下，作为校正函数，例如，使用
H(θ)＝1/cosθx·cosθy (11)。
在向平坦的屏幕面的投影中沿一维方向进行强度校正的情况，例如，使用
H(θ)(1/cosθ)2 (12)
。在向屏幕面的投影中，增大作为衍射角的函数的校正比例是因为，不仅越朝向视野的端部则分离角越大，而且从衍射点至点位置的距离也变长，射束曲线歪斜。
在向平坦的屏幕面的投影中，沿二维方向进行强度校正的情况下，例如，使用
H(θ)＝(1/cosθ)3 (13)
。这是因为校正的维度向正交方向增加。
这些强度校正不需要严格地遵照上述的各校正函数。现实上，在投影面上为了使较多的衍射光重叠，标准化的点强度I(θ)在经验上只要满足
0.4×H(θ)<I(θ)<1.6×H(θ) (14)
即可。在此，θ＝0附近的值被标准化为1。
式(14)的范围表示衍射光的点强度能够容许至由校正函数H(θ)决定的强度的±60％的范围的情况。
图25示出利用图24的方法进行了强度校正时的设计例。图25(A)示出DOE的仅相位图案和衍射次数的投影图案。沿x方向和y方向的FOV都设定为52.6°，将光源波长λ设为532nm，将DOE的周期长度P设为250μm进行计算。
即使设定校正函数H(θ)，由于实际上DOE或单元结构201的制造变动、或者以衍射点数多的情况为起因而在设计时得不到充分的最佳化等理由，如图25(B)所示，衍射光的点强度变动。图25(B)是式(14)的范围内的设计结果。横轴表示衍射角θ(度)，纵轴表示考虑了基于校正函数H(θ)的设计强度的向投影面投影的点强度的比。I(θ)/H(θ)的值为1时，在投影面能得到设计时的理想的强度分布。投影面上的点数庞大，为了实现全部的点的最佳化，需要容许具有一定程度的强度变动的分布。取得容限而将下限设定为0.4，将上限设定为1.6的是式(14)的范围。
最优选严格满足校正函数H(θ)，但是由于制造误差等的变动等，事实上难以将其准确地满足。然而，在实用上由于衍射光的扩展的影响等而多个衍射光重叠，因此通过在式(14)的范围内进行强度校正，能够实现实用的等距离面上的投影图案的强度的均匀化。
图26示出将通过图25得到的强度比的范围缩减为能够实现且有用的范围的例子。图26(A)示出作为衍射角θ的函数的衍射光点强度I(θ)/H(θ)。衍射点设计值与图25相同，xFOV＝yFOV＝52.6°，光源波长λ为532nm，DOE的周期长度P为250μm。与图25相同，在1±0.4的范围内分布有较多的数据值。
为了在实用的范围内可靠地进行强度设计，可以将式(14)缩减为
0.8×H(θ)<I(θ)<1.2×H(θ) (15)的范围。
在图26(B)中，如果将由I(θ)/H(θ)表示的点强度的分布形成为柱状图，则I(θ)/H(θ)的强度比的85％分布于0.8～1.2的范围。在该范围之外即使分布变化，影响也轻微至能够忽视的程度。因此，作为实用的强度校正的范围，可以在式(15)的范围内包含总点的85％以上的点。
<0次光的减少>
接下来，说明0次光的减少。
图27是说明与广角化相伴的0次光的影响的图。越朝向图的左侧，则扩散角(或视场角)越小，越朝向右侧，则扩散角(或视场角)越大。
在扩散角度小时，0次光51的强度与衍射光52的强度为大致同等程度，0次光51的影响小。另一方面，当DOE的扩散角增大时，每单位面积的照度减少，相对地0次光51被突显。与衍射光的强度相比，0次光51的强度增强，中央的发光点显眼。
如实施方式那样，在投影面上以衍射光无间隙地配置的方式设计衍射点的情况下，也希望减少0次光51的影响。
图28是说明以衍射光的重叠为前提的0次光的减少的图。在示出比较例的图28(B)中，在视野的中心存在0次光的投影点55。相对于此，在图28(A)的实施例中，在DOE的设计阶段除去中心处的0次光的影响，降低在宽视野时0次光被突显的影响。将通过设计无法完全除去的0次光的成分作为本来的0次光利用。
图29示出除去0次光的成分的设计例。将DOE20的凹凸图案按照各单元结构201进行数字化(二值化等)。例如，在单元结构201为具有上表面202和下表面203的二值的光栅结构的情况下，将上表面的值设为+1.0，将下表面(槽的底面)的值设为-1.0。在单元结构201为具有阶梯状的槽的多值结构的情况下，将中间面设定为0.0，在与DOE面垂直的方向上将比中间面高的面的值设为+1.0，将比中间面低的区域的值设为-1.0。
在各单元结构中，使具有+1.0的值的区域与具有-1.0的值的区域的差分的相对于单元面积的比的平方比投影的总点数NAll的倒数小，由此除去0次光成分。即以满足式(16)的方式设计DOE20。
[数学式6]
在此，A+1是单元结构201之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是单元结构201之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是DOE20的单元结构201的面积。总点NAll例如可以设为NAll＝MxMy，Mx是向x方向的衍射光的总数，My是向y方向的衍射光的总数。
例如，在不对衍射次数进行间隔剔除而均匀分布的情况下，第i个衍射光Mi使用次数m，由Mi＝2mi+1表示，mi根据式(1)，通过mi＝(Pi/λ)sin(FOVi/2)取得。
按照各单元结构201，使凸部与凹部占据的面积之差的比例小于点总数的倒数，由此等价于几乎不向0次光赋予强度。关于此，以下进行说明。
投影像是DOE20的相位图案的离散傅里叶变换像。因此，投影像的电场E(mx,my)由式(17)表示。
[数学式7]
在此，1/NxNy是将衍射光能量的总和设为1的标准化因子，在U(Xj,Yj)为DOE场，为DOE20的相位图案。DOE场以与DOE20的相位图案相等的情况为前提。
表示0次光(mx＝0,my＝0)中的投影像的强度I(0,0)由式(18)表示。
[数学式8]
当DOE相位考虑由0和π的二值表现的二进制型结构时，0次强度可以改读为式(19)。
[数学式9]
在此，N+1表示成为U(Xj,Yj)＝+1的像素数，N-1表示成为U(Xj,Yj)＝-1的像素数。
另一方面，在向投影像投影的点强度分布均匀的情况下，向一个点分配的强度由将标准化的强度的总和1以总点数NAll进行了平均化的值δI来提供。因此，得到式(20)。
[数学式10]
例如总点NAll可以设为NAll＝MxMy。Mx是x方向的衍射次数的总和，My是y方向的衍射次数的总和。
为了抑制0次光的设计，使0次光波周边点弱的设计用的目标是至少表示0次光的强度的式(19)的值比式(20)的平均强度小。该条件由式(21)表示。
[数学式11]
考虑式(21)的不等式的左边。在DOE20的相位图案中，N+1、N-1、NxNy的比等价于以下的A+1、A-1、ADOE的比。
N+1→A+1：DOE单元结构包含的成为U＝+1的总面积
N-1→A-1：DOE单元结构包含的成为U＝-1的总面积
NxNy→ADOE：DOE单元结构的总面积
由此，导出0次光抑制用的式(16)。
图30示出除去0次光的成分的另一个手段。在图30(C)的比较例中，来自光源30的光垂直地向DOE20入射，在衍射光52被投影的视野内，在光源30的光轴和DOE20的光轴上出现0次光51。
相对于此，在图30(A)的实施例中，垂直地入射到DOE20的光向从光轴偏离的方向衍射，仅0次光51向光轴上透过。由此，从朝向投影面的衍射光52中除去0次光51。这通过以衍射方向成为非对称的方式形成DOE20的单元结构201的图案来实现。例如，在单元结构201形成截面为非对称的炫耀角，形成沿y方向延伸的槽等，使光沿x方向衍射。
在图30(B)的实施例中，倾斜地使光向DOE20入射。将入射光相对于DOE20的法线的角度设为θin时，式(1)成为
m×λ＝P×(sinθ-sinθin) (1)’。
0次光51不衍射而直线前进，透过DOE20。通过使衍射光52从0次光的光路脱离，能够从向投影面投影的衍射像中除去0次光51。
在以广角的衍射为前提的情况下，图29和图30的0次光除去的设计特别有用。
<光学元件的多段结构>
图31是表示投影装置中的光学元件的多段结构的图。投影装置10A具有光源30和沿着光轴配置有多个光学元件20-1～20-3的光学系25。在多段结构的光学系25中，光学元件20-1～20-3的至少一个为实施方式的DOE。该多段结构是为了实现FOV的广角化和0次光减少的至少一方而有效的结构。
图32示出多段结构的光学系25A。光学系25A具有沿着光轴配置的DOE1和DOE2。DOE1和DOE2以遍及宽视场角地实现衍射光的重叠的方式设计各单元结构201的相位图案。
DOE1和DOE2使光向相互正交的方向衍射，整体形成二维的宽视野的投射区域。也可以使用DOE1与DOE2的组合图案(a)～(c)中的任一个。
在组合图案(a)中，通过具有沿y方向延伸的一维的衍射光栅的DOE1使入射光沿x方向衍射，通过具有沿x方向延伸的一维的衍射光栅的DOE2使入射光沿y方向衍射。由此，能够将光向x方向和y方向的二维区域投影。
在组合图案(b)中，通过具有沿x方向延伸的一维的衍射光栅的DOE1使入射光沿y方向衍射，通过具有沿y方向延伸的一维的衍射光栅的DOE2使入射光沿x方向衍射。由此，能够将光向x方向和y方向的二维区域投影。
在组合图案(c)中，使用相互正交的倾斜的衍射光栅。通过将具有以45°的角度延伸的一维的衍射光栅的DOE1与具有以135°的角度延伸的一维的衍射光栅的DOE2组合，能够将光向二维的区域投影。图32的结构对于FOV的广角化和0次光减少这两方有效。
图33示出多段结构的光学系25B。光学系25B具有将广角的DOE1与窄角的DOE2组合的混合结构。例如，DOE1使用具有高的FOV值的扩散器，DOE2使用点矩阵或具有低的FOV值的扩散器。使通过DOE1扩散的扩散光向点矩阵或窄FOV的DOE2入射，由此使0次光成分扩散，能够缓和0次光的影响。
DOE1与DOE2的配置顺序没有限定为图33的例子，可以相反。图33的结构对于0次光的减少特别有效。
图34示出多段结构的光学系25C。光学系25C具有将窄角的DOE1与广角的DOE2组合的混合结构。例如，DOE1使用具有低的FOV值的扩散器，DOE2使用高的FOV值的点矩阵。使扩散小的投影图案向DOE2入射，通过DOE2对衍射光进行平铺显示，由此以宽FOV实现衍射光重叠的投影图案。而且，使入射光通过DOE1和DOE2，由此能够降低0次光的影响。
DOE1和DOE2的配置顺序没有限定为图34的例子，可以相反。图34的结构对于FOV的广角化和0次光的减少这两方有效。
图35示出多段结构的光学系25D。光学系25D具有将广角的DOE与窄角的非DOE组合的混合结构。例如，DOE使用具有高的FOV值的扩散器，非DOE使用不具有衍射功能的低的FOV值的扩散器。使通过高FOV的DOE扩散的图案向非DOE的扩散器入射，由此将0次光扩散，能够减少0次光的影响。
DOE与非DOE的配置顺序没有限定为图35的例子，可以相反。图35的结构对于0次光的减少特别有效。
图36示出多段结构的光学系25E。光学系25E具有将广角的DOE与窄角的非DOE组合的混合结构。例如，DOE使用具有高的FOV值的点矩阵，非DOE使用不具有衍射功能的低的FOV值的扩散器。使通过高FOV的点矩阵型DOE衍射的投影图案向非DOE的扩散器入射，由此能够以宽视场角使衍射光重叠，并将0次光扩散而缓和0次光的影响。
DOE与非DOE的配置顺序没有限定为图36的例子，可以相反。图36的结构对于FOV的广角化和0次光的减少这两方有效。
<DOE相位图案的傅里叶变换>
图37是说明用于得到目标投影像的DOE设计的概念的图。投影像是DOE相位信息的傅里叶变换(FFT：Fast Fourier Transform)像，因此理想的情况是投影像的反傅里叶变换(IFFT：Inverse Fast Fourier Transform)的结果成为所希望的DOE相位信息。通过对投影像进行反傅里叶变换，由此能够获知DOE20的相位图案。
投影像的电场g(x’,y’)由式(22)表示。
[数学式12]
在此，U(x)表示DOE场，表示DOE的相位分布。
但是，表示DOE的相位信息的U(x)的绝对值必然为1。产生二值化的值为+1或-1这样的制约条件，因此仅通过一次的IFFT傅里叶变换并不能立即决定DOE的相位分布。DOE的设计可以使用例如图37所示的反复进行傅里叶变换与反傅里叶变换的反复傅里叶变换法(IFTA：Iterative Fourier Transform Algorithm)。
通过反复进行傅里叶变换与反傅里叶变换，能够设计出逐渐接近成为目标的投影像的DOE的相位信息。
图38示出利用了IFTA的设计例。图38(A)是目标像，图38(B)是通过IFTA法设计的DOE的相位图案，图38(C)是关于衍射次数的投影像。图38(A)的目标像是由5个点形成的图案。5个点的坐标是例如(-1,-1)，(-1,1)，(0,0)，(1,-1)，(1,1)。
为了生成该目标像，通过IFTA法设计的DOE的相位图案由黑色区域和灰色区域形成。黑色区域的相位值为0弧度，灰色区域的相位值为π弧度。
使用图38(B)的DOE的相位图案而投影的投影像是对于由U(x)表示的DOE场进行了FFT的结果得到的像。通过IFTA法来设计DOE的相位图案，由此能够得到所希望的投影像。
以上，基于特定的结构例而说明了本发明，但是本发明没有限定为上述的结构例。例如，具有光源30和DOE20的投影装置10可以是在封装体内收容有光源30和DOE20的投影模块。在将投影装置10适用于计测装置100的情况下，可以设为在封装体内收容有投影装置10和PD等检测器50的计测模块。可以设为使用激光阵列作为光源30，并配置有与各光源30对应的DOE20的投影模块。而且，可以将PD阵列组合来构成计测装置100。
无论在何种情况下，衍射光学元件20的相位图案都以满足规定的条件的方式设计，能够遍及宽视场角在投影面上将衍射光重叠而实现均匀的强度分布。而且，能够减少0次光的影响。
本申请是基于在2019年1月31日提出申请的日本专利申请第2019-016124号而主张其优先权的申请，并包含该日本国申请的全部内容。
标号说明
10 投影装置
20 衍射光学元件(DOE)
25、25A～25E 光学系
30 光源
31 入射射束
32 发散光
33 平行光
40 投影面
41 衍射点
42、52 衍射光
50 检测器
51 0次光
100 计测装置
S 屏幕面
E 等距离面。

Claims (12)

1.一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角，
并且满足，[(A+1-A-1)/ADOE]2<1/NALL，
A+1是被二值化的所述基本单元之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是被二值化的所述基本单元之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是所述衍射光学元件的所述基本单元的面积，NAll是总点数。
2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，
在将在所述第一方向上衍射的衍射光的衍射角设为θ时，以所述衍射光的强度按照1/cosθ的比例增强的方式校正所述相位图案。
3.一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
在将在所述二维方向上衍射的衍射光中的在距中心最远的拐角部彼此邻近的四个衍射光的中央的角度坐标设为(ax，ay)、将在第一方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θx(MHx)、将在与所述第一方向正交的第二方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θy(MHy)、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第一方向的发散角设为δx、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第二方向的发散角设为δy时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：
[(ax-θx(MHx))/δx]2+[(ay-θy(MHy))/δy]2<1
并且，[(A+1-A-1)/ADOE]2<1/NALL，
A+1是被二值化的所述基本单元之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是被二值化的所述基本单元之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是所述衍射光学元件的所述基本单元的面积，NAll是总点数。
4.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其中，
在将利用所述衍射光学元件在所述第一方向上衍射的衍射光的衍射角设为θx、将在所述第二方向上衍射的衍射光的衍射角设为θy时，以强度按照1/(cosθx·cosθy)的比例增强的方式校正所述相位图案。
5.一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
在将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光的衍射角设为θ(MH)、将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θ(MH-1)时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：
tanθ(MH)-tanθ(MH-1)<(FWHM/2Z)[1/cosθ(MH)+1/cosθ(MH-1)]
并且，[(A+1-A-1)/ADOE]2<1/NALL
A+1是被二值化的所述基本单元之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是被二值化的所述基本单元之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是所述衍射光学元件的所述基本单元的面积，NAll是总点数。
6.根据权利要求5所述的衍射光学元件，其中，
在将在所述第一方向上衍射的衍射光的衍射角设为θ时，以强度按照(1/cosθ)2的比例增强的方式校正所述相位图案。
7.根据权利要求2、4或6所述的衍射光学元件，其中，
在将所述相位图案的校正函数设为H(θ)、将标准化的衍射点的强度设为I(θ)时，所述相位图案在如下范围内被校正：
0.4×H(θ)<I(θ)<1.6×H(θ)。
8.一种投影装置，其特征在于，具有：
光源，射出发散光；及
衍射光学元件，配置在所述光源的出射侧，
所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述发散光的发散角，
并且满足，[(A+1-A-1)/ADOE]2<1/NALL
A+1是被二值化的基本单元之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是被二值化的所述基本单元之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是所述衍射光学元件的所述基本单元的面积，NAll是总点数。
9.一种投影装置，其特征在于，具有：
光源，射出发散光；及
衍射光学元件，配置在所述光源的出射侧，
在将利用所述衍射光学元件在二维方向上衍射的衍射光中的在距中心最远的拐角部彼此邻近的四个衍射光的中央的角度坐标设为(ax，ay)、将在第一方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θx(MHx)、将在与所述第一方向正交的第二方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θy(MHy)、将所述发散光的在所述第一方向上的射束直径设为δx、将所述发散光的在所述第二方向上的射束直径设为δy时，所述衍射光学元件具有以满足下式的方式设计的相位图案：
[(ax-θx(MHx))/δx]2+[(ay-θy(MHy))/δy]2<1
并且，[(A+1-A-1)/ADOE]2<1/NALL
A+1是被二值化的基本单元之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是被二值化的所述基本单元之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是所述衍射光学元件的所述基本单元的面积，NAll是总点数。
10.一种投影装置，其特征在于，具有：
光源，射出平行光；及
衍射光学元件，配置在所述光源的出射侧，
在将所述平行光的射束直径设为FWHM、将从所述衍射光学元件至投影面的距离设为Z、将利用所述衍射光学元件在第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光的衍射角设为θ(MH)、将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θ(MH-1)时，所述衍射光学元件具有以满足下式的方式设计的相位图案：
tanθ(MH)-tanθ(MH-1)<(FWHM/2Z)[1/cosθ(MH)+1/cosθ(MH-1)]
并且，[(A+1-A-1)/ADOE]2<1/NALL
A+1是被二值化的基本单元之中具有+1.0的值的区域的面积，A-1是被二值化的所述基本单元之中具有-1.0的值的区域的面积，ADOE是所述衍射光学元件的所述基本单元的面积，NAll是总点数。
11.根据权利要求8～10中任一项所述的投影装置，其中，
所述投影装置还具有第二光学元件，该第二光学元件与所述衍射光学元件配置在同轴上，
所述第二光学元件是具有衍射功能的光学元件或不具有衍射功能的扩散光学元件。
12.一种计测装置，具有：
权利要求8～11中任一项所述的投影装置；及
检测器，检测来自在所述投影装置的视场角内存在的物体的反射光。
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