CN115390173A - 衍射光学元件、投影装置及计测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种衍射光学元件、投影装置及计测装置，衍射光学元件具备：基材；凹凸部，设置于所述基材的一个面上，相对于入射光显现规定的衍射作用；及反射防止层，配备于所述基材与所述凹凸部之间，构成所述凹凸部的凸部的第一介质和构成所述凹凸部的凹部的第二介质在所述入射光的波段中的有效折射率差Δn为0.70以上，在所述入射光从所述基材的法线方向入射时从所述凹凸部出射的衍射光的出射角度范围θout为60°以上，所述入射光的波段中的从所述凹凸部向所述出射角度范围内出射的衍射光相对于向所述凹凸部入射的总光量的综合效率为65％以上。

Description

衍射光学元件、投影装置及计测装置
本申请是申请日为2019年6月6日、申请号为201980038280.6、发明名称为“衍射光学元件、投影装置及计测装置”的发明专利申请的分案申请。
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以及具备该衍射光学元件的投影装置及计测装置。
背景技术
存在通过向计测对象的被测定物照射规定的光且检测由该被测定物散射的光来进行该被测定物的位置、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向计测对象照射而可使用衍射光学元件。
关于衍射光学元件，例如已知有对基板表面进行凹凸加工而得到的衍射光学元件。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)与凸部材料的折射率差来提供期望的光路长差地对光进行衍射。
作为衍射光学元件的其他例子，也已知有利用与凸部材料不同并且不是空气的折射率材料来填充凹部(更具体而言是凹部及凸部上表面)的结构。该结构由于凹凸表面不露出，所以能够抑制由附着物引起的衍射效率的变动。例如，在专利文献2中也示出了以填埋产生二维的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。
然而，在光学装置中，存在使用近红外光等眼睛看不见的光的光学装置。例如，可举出在智能手机等中用于脸部认证、相机装置的对焦的远程感测装置、与游戏机等连接且为了捕捉用户的动作而使用的远程感测装置、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)装置等。
另外，在这些光学装置中，有时要求以相对于入射光的行进方向大幅不同的出射角使光照射。例如，在智能手机等所具备的具有广的取景范围的相机装置的对焦用途、在VR(Virtual Reality：虚拟现实)的头盔这样的具有与人的视野角对应的显示画面的装置中检知显示于该显示装置的障碍物、手指等周边物体的用途等中，有时期望向60°以上、100°以上、120°以上之类的广的角度范围的光照射。
在要利用衍射光学元件来向如上所述的广的角度范围出射光的情况下，在形成凹凸构造时，需要使间距变细。尤其是，在考虑了相对于近红外光这样的长波长的入射光而出射角度范围大的凹凸构造的情况下，为了得到期望的光路长差，凸部具有变得更高的倾向。需要说明的是，凸部的高度也可以改说成凹部的深度。
若使衍射光学元件的凹凸部的间距变细或者高度增加，则纵横比(例如，“凸部的高度/凸部的宽度”也随之变大。若纵横比变大，则相对于在凹凸部中行进的光能够形成界面的凹凸部的全部表面中的侧壁(凸部侧面)的面积比率也增加，因此凸部侧面处的反射等的影响变大，可能会产生不希望的0级光。一般来说，若被照射强的0级光，则从人眼安全的观点来看认为不好。
关于衍射光学元件中的0级光的降低技术，例如，在专利文献3中公开了设置有2个衍射光学元件(DOE：Diffractive Optical Element)的结构。专利文献3所记载的技术通过构成为将在第一衍射光学元件中产生的0级光利用第二衍射光学元件进行衍射，从而使0级光降低。
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：日本特开2014-209237号公报
发明内容
发明所要解决的课题
作为能够降低不希望的0级光的产生并向广范围照射的方法，可考虑增大填充凹部的材料(例如，折射率＝1的空气)与凸部材料的折射率差。通过增大折射率差而抑制凸部的高度，能够抑制凸部侧面处的反射等的影响而降低不希望的0级光的产生。
但是，在凹部与凸部的折射率差变大的材料的组合的情况下，这些材料(尤其是折射率高的材料)与其他介质(基材、空气等)的界面处的反射率变高，存在光利用效率变低或者产生杂散光的问题。这些问题在如投影装置、计测装置这样产生很多光斑或者计测由产生的光斑照射的光的返回光(散射光等)的情况下，成为无法得到高的精度的原因，因此不希望。
于是，本发明的目的在于能够降低不希望的0级光的产生并向广范围照射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及计测装置的提供。
用于解决课题的手段
本发明的衍射光学元件的特征在于，具备：基材；凹凸部，设置于所述基材的一个面上，相对于入射光显现规定的衍射作用；及反射防止层，配备于所述基材与所述凹凸部之间，构成所述凹凸部的凸部的第一介质和构成所述凹凸部的凹部的第二介质在所述入射光的波段中的有效折射率差为0.70以上，在所述入射光从所述基材的法线方向入射时从所述凹凸部出射的衍射光的出射角度范围为60°以上，所述入射光的波段中的从所述凹凸部向所述出射角度范围内出射的衍射光相对于向所述凹凸部入射的总光量的综合效率为65％以上。
本发明的投影装置具备光源和所述衍射光学元件，其特征在于，向规定的投影面照射的光的光量相对于从所述光源出射的光的光量的比例为50％以上。
本发明的计测装置具备：投影部，出射检查光；及检测部，对通过从所述投影部照射的检查光向测定对象物照射而产生的散射光进行检测，所述计测装置的特征在于，具备所述投影装置作为所述投影部。
发明效果
根据本发明，能够提供能够降低不希望的0级光的产生并向广范围照射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及计测装置。
附图说明
图1是第一实施方式的衍射光学元件10的剖视示意图。
图2是示出衍射光学元件10的其他例子的剖视示意图。
图3是示出衍射光学元件10的其他例子的剖视示意图。
图4是示出由衍射光学元件10生成的光的图案的例子的说明图。
图5是示出光栅深度d与0级光的强度(0级效率)的关系的坐标图。
图6是示出关于不同的5个折射率材料的对角方向的视野角θd与0级效率(极小值)的关系的坐标图。
图7是示出关于不同的5个折射率材料的Δn/NA与0级效率(极小值)的关系的坐标图。
图8是示出衍射光学元件10的其他例子的剖视示意图。
图9是示出例1的衍射光学元件10的反射率的计算结果的坐标图。
图10是示出例1的反射防止层14相对于波长850nm的光的反射率的入射角依存性的坐标图。
图11是示出例1的内面反射防止层13的反射率的计算结果的坐标图。
图12是示出例1的内面反射防止层13相对于波长850nm的光的反射率的入射角依存性的坐标图。
图13是用于说明由衍射光学元件10出射的衍射光的示意图。
图14是示出例1、例2及比较例1的各例的0级效率的计算结果的坐标图。
图15是示出例1、例2及比较例1的各例的综合效率的计算结果的坐标图。
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是第一实施方式的衍射光学元件10的剖视示意图。衍射光学元件10具备基材11、设置于基材11的一个面上的凹凸部12及设置于基材11与凹凸部12之间的反射防止层13。以下，将设置于基材11与凹凸部12之间的反射防止层13称作内面反射防止层13。
需要说明的是，在本实施方式中未明确记载光的入射方向的情况下，设为光从+z方向或图中的“从下向上”进入。需要说明的是，光的行进方向不限定于此，也可以是-z方向、图中的“从上向下”。
基材11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的入射光的波长范围。以下，设为波长700～1200nm的可见光及近红外光中的特定的波长范围(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，在没有特别提醒而说明的情况下，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。
凹凸部12是具有相对于入射光显现衍射作用的规定的凹凸图案的凹凸构造。更具体而言，凹凸图案是凹凸部12的凸部121所成的台阶的平面观察下的二维的图案。需要说明的是，“平面观察”是从向衍射光学元件10入射的光的行进方向观察的平面，相当于从衍射光学元件10的主面的法线方向观察的平面。凹凸图案构成为，由其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。
生成在规定的投影面中形成特定的光的图案的多个光斑的凹凸图案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，将从凹凸部12观察时接近基材11的方向设为下方，将远离基材11的方向设为上方。因此，凹凸部12的各级的上表面中的与基材11最接近的面成为最下表面，最远离的面成为最上表面。
另外，以下，将在用于产生相位差的凹凸图案(在基材11的面上由凹凸部12形成的、截面为凹凸形状的表面)中处于比处于最低的位置的部分(图中的第一级s1)高的位置的部分称作凸部121，将由凸部121包围而成的凹陷部分且比凸部121的最上部(在本例中是第二级s2)低的部分称作凹部122。另外，将凹凸部12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一级s1到凸部121的最上部为止的距离)称作凸部121的高度d或光栅深度d。另外，以下，有时将凹凸部12中的不产生相位差的部分(在图1中是由与凸部121的最下部相同的构件构成且覆盖基材11的表面而构成第一级s1的部位)称作基部123(或基底层)。需要说明的是，基部123设置于内面反射防止层13与凸部121或凹部122之间，但不是必须的。即，基部123可有可无。
对于凹凸图案的级数，与一般的衍射光栅同样，将构成相对于入射光产生相位差的台阶的各面数作1级。需要说明的是，在图1中，示出了具备二元面的衍射光栅即构成2级的凹凸图案的凹凸部12的衍射光学元件10的例子。
在图2中示出衍射光学元件10的其他例子。如图2的(a)所示，衍射光学元件10也能够是，凹凸部12的构件以外的构件(在本例中是后述的内面反射防止层13的最表层的构件)构成凹凸图案的第一级。需要说明的是，在这样的情况下，也将从凹凸图案的第一级s1到凸部121的最上部为止的距离设为凸部121的高度d。
图1所示的结构是至少在入射光入射的有效区域内构成凹部122的第二介质(空气)不与内面反射防止层13相接的结构，但如图2的(a)及图2的(b)所示，也可以是在有效区域的至少一部分中第二介质(空气)与内面反射防止层13相接的结构。需要说明的是，在后者的情况下，在凹凸部12中不包括基部123。图2的(a)及(b)所示的例子都是具备构成2级的凹凸图案的凹凸部12且凹凸部12不包括基部123的衍射光学元件10的例子。在该情况下，成为在有效区域的至少一部分中构成凹部122的第二介质(空气)与内面反射防止层13相接的结构。
需要说明的是，在图2的(a)所示的例子中，在平坦的内面反射防止层13上形成有凹凸部12。一方，在图2的(b)所示的例子中，在表面具有台阶的内面反射防止层13上形成有凹凸部12。在该情况下，在功能上，有时能够视为在平坦的内面反射防止层13上构成了由与构成该内面反射防止层13的构件相同的构件构成的凸部121的一部分(具体而言是最下层)。
在该情况下，将包括位于凸部121的最下层的该构件的厚度量的该凸部121的高度设为凸部121的高度d(参照图2的(c))。需要说明的是，在该情况下，内面反射防止层13在与凸部121相接的区域和与凹部122相接的区域中厚度不同，但内面反射防止层13只要是在各区域中能够降低与该内面反射防止层13相接的其他介质间的界面反射的结构就没有问题。例如，若是图2的(c)所示的结构，则内面反射防止层13在与凸部121相接的区域中能够降低基材11与凸部121之间的界面反射即可，是在与凹部122相接的区域中能够降低基材11与凹部122之间的界面反射的结构即可。需要说明的是，即使在厚度没有不同的情况下，内面反射防止层13的要件也是同样的，例如，在如图1所示的凹凸部12包括基部123的情况下，是即使是形成凹部122的区域也降低与该内面反射防止层13相接的基材11与基部123之间的界面反射的结构即可。另外，在与凸部121相接的区域和与凹部122相接的区域中厚度不同的情况下，若其差为凸部121的高度d的2％以下，则构成凸部的最下层的内面反射层不被视为凸部的一部分。
另一方面，在该构件(图2的(c)中的α部分)有助于由凹凸部12引起的相位差的产生的情况下，按照上述的定义，在凹凸图案中，包括该构件而将处于比处于最低的位置的部分高的位置的部分视为凸部121，求出凸部121的高度、折射率(在该情况下是有效折射率)即可。
关于凹凸部12的材料，采用使用波长下的折射率为1.70以上的材料。作为这样的材料的例子，能够使用无机材料，例如，Zn、Al、Y、In、Cr、Si、Zr、Ce、Ta、W、Ti、Nd、Hf、Mg、La、Nb、Bi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。另外，也能够使用ITO等透明导电体。另外，可举出Si、Ge、类金刚石碳、使它们含有氢等杂质而得到的材料等。需要说明的是，凹凸部12的材料只要使用波长下的折射率满足上述条件即可，不限定于无机材料。例如，作为包括有机材料且折射率为1.70以上的材料的例子，存在聚硫氨酯系树脂、环硫树脂、聚酰亚胺、使无机材料的微粒分散于有机材料而得到的所谓纳米复合材料。作为无机材料的微粒，例如可举出Zr、Ti、Al等的氧化物。
另外，在凹部122由空气以外的介质填充的情况下，在将凸部121与凹部122的使用波长下的折射率差设为Δn时，Δn成为0.70以上即可。不过，从材料的选择性及薄型化的观点来看，凹部122优选是空气。
另外，凹凸部12的凸部121也可以如图3所示那样是多层构造。图3的(a)是由2层的多层膜构成了凸部121的例子，图3的(b)是由4层的多层膜构成了凸部121的例子。需要说明的是，在图3的(a)及(b)中，示出了凹凸部12不包括基部123的例子，但也可以如图3的(c)所示，在凹凸部12包括基部123的基础上，至少凸部121由多层膜构成。在该情况下，构成凸部121的最下层的构件和构成基部123的构件是否是相同的构件不影响。
如图3所示，更优选的是，凸部121是多层构造，且构成与空气相接的面的最上层121t由在该凸部121所包含的材料中具有相对低的折射率的材料即低折射率材料构成。例如，凸部121可以将交替地堆积低折射率材料和高折射率材料而得到的多层膜作为材料而构成。此时，除了由内面反射防止层13实现的基材11与凹凸部12的界面处的反射率的降低效果之外，通过将凸部121的最上层121t设为低折射率材料，能够降低凸部121与空气的界面处的反射率，因此能够进一步降低总的反射率。由此，能够进一步提高光的利用效率。
在将凸部121以多层构造构成的情况下，上述的折射率差Δn改说成基于以下所示的有效折射率ηs的差(以下，记为有效折射率差)即可。在本实施方式中，将多层构造的凸部121中的有效折射率如以下这样定义。
即，将构成各凸部121的多层膜的各层(以下，称作光栅层)的折射率设为nsr，将厚度设为dsr，将由以下的式(1)表示的折射率设为有效折射率ηs。需要说明的是，r是光栅层的标识符，取1～层数的整数。另外，分母的各光栅层的厚度之和即Σr(dsr)相当于凸部121的高度d。
有效折射率ηs＝Σr(nsr×dsr)/Σr(dsr)…式(1)
需要说明的是，若设为r＝1，则单层构造的凸部121的折射率也能够通过式(1)来计算，因此也能够不区分凸部121的构件是单层还是多层而将凹凸部12的“折射率差(Δn)”改说成“有效折射率差(Δn)”。
需要说明的是，成为凸部121的材料的多层膜的材料不限定于2个。例如，也可以利用由相对于凸部121的有效折射率具有相对高的折射率的1个以上的材料和具有相对低的折射率的1个以上的材料构成的多层膜来构成。在该情况下，凸部121的最上层121t由相对于凸部121的有效折射率具有相对低的折射率的材料构成即可。以下，有时在构成凸部121的多层膜中将比凸部121的有效折射率低的折射率材料称作低折射率材料，将比有效折射率高的折射率材料称作高折射率材料。
接着，关于衍射光学元件10显现的衍射作用，基于由图4的衍射光学元件10生成的光的图案的例示来说明。衍射光学元件10形成为使相对于使光轴方向成为Z轴入射的光束21而出射的衍射光群22二维分布。衍射光学元件10在与Z轴具有交点且将与Z轴垂直的轴设为X轴并将与两者垂直的轴设为Y轴的情况下，光束群分布于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且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形成的衍射光群22的照射的范围成为与衍射光学元件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，将相对于衍射光学元件10而上述短边和上述长边的交点与处于其对角的其他交点所成的角度称作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11的法线方向入射时从凹凸部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群22中包含的2个光斑所成的角度的最大值。
在衍射光学元件10中，例如，入射光从基材11的表面的法线方向入射时的出射角度范围θout最好为60°以上，优选为70°以上。例如，在智能手机等所具备的相机装置中，存在取景范围(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，人类的视野角一般是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，在衍射光学元件10中，产生的光斑的数量可以为4以上，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，例如也可以是1000万点。
在图4中，Rij表示投影面的分割区域。例如，衍射光学元件10也可以构成为，在将透明面分割成多个区域Rij的情况下，由向各区域Rij照射的衍射光群22形成的光斑23的分布密度相对于全部区域的平均值成为±50％以内。需要说明的是，上述分布密度也可以相对于全部区域的平均值为±25％以内。若这样构成，则在投影面内能够使光斑23的分布均一，因此在计测用途等中是适宜的。在此，投影面不仅可以是平面，也可以是曲面。另外，在平面的情况下，除了相对于光学系的光轴垂直的面以外，也可以是倾斜的面。
图4所示的衍射光群22中包含的各衍射光成为在式(2)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(2)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是衍射光学元件的X轴方向、Y轴方向上的间距，θxi是X方向上的向衍射光学元件的入射角度，θyi是Y方向上的向衍射光学元件的入射角度。通过使该衍射光群22向屏幕或测定对象物等的投影面照射，在照射的区域生成多个光斑23。
sinθxo＝sinθxi+mxλ/Px
sinθyo＝sinθyi+myλ/Py
…(2)
在凹凸部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，则通过凹凸部12而产生的光路长差能够设为近似了1波长量的波面的光路长差，能够得到高的衍射效率，是优选的。例如，若以近红外光向由折射率＝1.7的材料构成的凸部121和由空气构成的凹部122的凹凸图案入射的情况为例，则成为0.7d/λ＝(N-1)/N。由此，凸部121的高度d最好满足d＝{(N-1)/N}×λ/0.7。
另外，图5是示出凸部121的高度(光栅深度)d与0级光的强度(0级效率)的关系的坐标图。在此，表示0级光的强度的0级效率是指从凹凸部12出射的透过0级光的光量相对于向凹凸部12入射的全光光量的比例。需要说明的是，图5的(a)是示出光栅深度为0.05λ～2.0λ的情况下的与0级光的强度的关系的坐标图，图5的(b)是将其一部分放大示出的坐标图。在图5中，是将在X方向上为21点且在Y方向上为21点的合计441点的光斑向对角方向的NA(Numerical Aperture：数值孔径)成为0.85(X方向及Y方向的NA0.6)的范围照射的情况下的设计例，例示了将合成石英(折射率n＝1.45)设为了凸部121的材料的情况和将Ta2O5(n＝2.1)设为了凸部121的材料的情况。需要说明的是，在本实施方式中，NA是由1·sin(θout/2)表示的指标。
如图5所示，在折射率为1.45的情况下，在实现NA0.85(出射角度范围θout是约116°)的结构中，在设计上，不管如何调整凸部121的高度d，0级效率都不会小于5％。另一方面，若折射率为2.1，则通过调整凸部121的高度d，能够将0级效率抑制为1％以下等。
在此，为了关于0级以外的设计级数的衍射光得到高的衍射效率并降低0级效率，最好满足Δn/NA≥0.7。需要说明的是，Δn/NA最好为0.7以上，更优选为1.0以上。图6是示出将5个不同的折射率材料设为了凸部121材料时的对角方向的视野角θd与0级效率(极小值)的关系的坐标图。
需要说明的是，5个不同的折射率材料分别是折射率1.45(合成石英)、1.60(聚碳酸酯系树脂)、1.70(SiON)、1.90(HfO)、2.10(Ta2O5)。在图6中，相对于5个折射率材料的各自，分别求出将对角方向的视野角θd设为50.2°、68.8°、90.0°、116.0°、133.4°、163.4°时的设计解，示出了相对于这些设计解通过严格耦合波分析(RCWA)而算出的0级效率(极小值)。如图6所示，可知：凸部121的折射率越高，则0级效率越低。需要说明的是，若将上述的对角方向的视野角θd以NA表示，则分别成为0.424、0.565、0.707、0.848、0.918、0.0989。
另外，在图7中示出上述设计解下的Δn/NA与0级效率(最小值)的关系。需要说明的是，图7的(a)是示出上述设计解的全部的关系的坐标图，图7的(b)是将其一部分放大示出的坐标图。
上述的各例将设计波长设为850nm，将凹部设为空气(n＝1)。另外，凹凸部12是产生在X方向上为21点且在Y方向上为21点的合计441点的光斑的8级的凹凸图案，该凹凸图案中的光栅是规则配置，相邻的光斑的分离角全部相等。在表1中示出各例的设计参数。
[表1]
表1
Figure BDA0003801807860000151
如图7所示，若观察0级效率与Δn/NA的关系，则例如若Δn/NA为0.7以上，则在出射角度范围θout为70°以上(小于165°)的全部设计解下能够使0级效率的极小值小于3.0％。另外，例如，若Δn/NA为0.9以上，则能够在出射角度范围θout为100°以上(小于165°)的很多设计解下使0级效率的极小值小于1.5％。另外，例如，若Δn/NA为1.0以上，则能够在出射角度范围θout小于165°的很多设计解下使0级效率的极小值小于1.0％。另外，例如，若Δn/NA为1.2以上，则能够在出射角度范围θout小于140°的很多设计解下使0级效率的极小值小于0.5％。需要说明的是，图5～图7所示的设计解中的n＝1.45、1.60的设计解是比较例。需要说明的是，在本实施方式的衍射光学元件10中，在将入射光垂直地(从基材11的法线方向)入射的情况下从该衍射光学元件10出射的透过0级光的衍射效率(透过0级光的光量相对于入射光量的比例)即0级效率优选小于3.0％，更优选小于1.5％，进一步优选小于1.0％，尤其优选小于0.5％，最优选小于0.3％。
内面反射防止层13为了防止基材11与凹凸部12的界面反射而设置。内面反射防止层13具有在基材11与凹凸部12的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，但作为一例，可举出单层构造的薄膜、电介质多层膜等多层膜。
例如，若内面反射防止层13是单层的薄膜，则更优选满足以下的条件式(3)。需要说明的是，在式(3)中，将内面反射防止层的材料的折射率设为nr，将厚度设为dr，另外，将形成设为对象的内面反射防止层的入射侧界面的介质的折射率设为nm，将形成出射侧界面的介质的折射率设为n0。由此，能够降低界面的反射率。在此，α是0.25，β是0.6。以下，有时将式(3)所示的条件式称作与单层薄膜相关的第一折射率关系式。需要说明的是，α更优选为0.2，进一步优选为0.1。另外，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
…(3)
另外，若内面反射防止层13是多层膜，则相对于设计波长的光，由以下的式(4)表示的反射率R最好小于1％，更优选小于0.5％。
在内面反射防止层13是多层膜的情况下，认为：光从相对于多层膜位于入射侧的具有折射率n0的介质M1以入射角θ0入射，透过各层的折射率为nr且厚度为dr的由q层构成的多层膜M2，光向相对于多层膜位于出射侧的具有折射率nm的介质M3入射。此时的反射率能够如式(4)那样计算。需要说明的是，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。
Figure BDA0003801807860000171
在此，
Figure BDA0003801807860000172
Y＝C/B
Figure BDA0003801807860000173
Figure BDA0003801807860000174
Figure BDA0003801807860000175
δr＝2πnrdrcosθr/λ
n0*sinθo＝nm*sinθm＝nr*sinθr
因此，在没有内面反射防止层13的情况下成为Y＝ηm，比较大地产生反射，相对于此，若通过内面反射防止层13将Y接近η0，则能够降低反射。尤其是，在垂直入射时，η0、ηm、ηr与折射率等效。以下，有时将式(4)所示的反射率R称作基于多层构造的理论反射率。
一般来说，构成凹凸部12的凸部121的构件是薄膜，需要作为上述的多层膜的一部分来计算，但通过如上述那样设置内面反射防止层13，能够不依赖于构成凹凸部12的凸部121的薄膜的厚度而降低反射率。需要说明的是，相对于单层的内面反射防止层13，也可以设为q＝1而应用式(4)，考虑干涉的效果。
另外，在斜的光(波长：λ[nm])向内面反射防止层13入射的情况下，优选在垂直地将光入射时满足以下的条件。即，处于λ-200nm～λ+200nm的范围的透过率谱的局部性的最小值优选处于λ～λ+200nm的范围。需要说明的是，该最小值更优选处于λ～λ+100nm的范围。这是因为，在斜的光入射的情况下，透过率谱会进行短波长偏移，通过这样，能够抑制因斜入射而产生的内面反射防止层13界面的透过率的降低。需要说明的是，λ相当于“设计波长”。
另外，如图8所示，衍射光学元件10也可以在基材11的与设置有凹凸部12的一侧的面相反的面上还具备反射防止层14。
反射防止层14为了防止衍射光学元件10的出射侧界面处的反射而设置。反射防止层14具有在衍射光学元件10的出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，但作为一例可举出单层构造的薄膜、电介质多层膜等多层膜。需要说明的是，与内面反射防止层13的反射率相关的条件也可以直接设为与反射防止层14的反射率相关的条件。
另外，在光从设置有凹凸部12的一侧(图中的-z方向)相对于光衍射光学元件10入射的情况下，内面反射防止层13及反射防止层14最好对于相对于基材11的法线方向以θout/2°以内入射的设计波长的光满足上述的与反射率相关的条件。这是因为，由凹凸部12衍射后的光向内面反射防止层13及反射防止层14入射。需要说明的是，内面反射防止层13及反射防止层14也可以对于相对于基材11的法线方向以θout/2°以内入射的设计波长的特定的偏光成分的光满足上述的与反射率相关的条件。
例如，内面反射防止层13及反射防止层14构成为，对于相对于基材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满足0.5％以下。需要说明的是，内面反射防止层13及反射防止层14也可以构成为，相对于以出射角度范围θout的1/4的角度即被设为最大出射角度(半角)的中间的角度从衍射光学元件10出射的入射光的波长范围的至少特定的偏振光的反射率满足0.5％以下。
另外，内面反射防止层13及反射防止层14也可以与相对于设计波长的光的反射防止功能一并具有相对于设计波长以外的特定的波长范围的光(例如，紫外光)的反射防止功能。在设置衍射光学元件10的装置等中，有时除了衍射光学元件10以外还具备其他光学元件，这是为了不将它们使用的光利用衍射光学元件10隔断。
在该情况下，内面反射防止层13及反射防止层14也可以构成为，除了相对于设计波长的光的上述条件之外，对于相对于基材11的法线方向以20°以内入射的波长360～370nm的至少特定的偏振光的反射率满足1.0％以下。
另外，上述的反射率也可以改说成将直行光(基材11的法线方向的光)入射时的0级光的反射率。在该情况下，也可以将该反射率针对每个光路(例如，通过凹部的每个光路和通过凸部的每个光路)且针对与其他介质的每个界面求出。此时，在凸部121、反射层是多层膜构造的情况下，将这些显现期望的功能的多层膜构造作为一个介质而求出与基材11、空气的界面处的反射率即可。在本实施方式中，例如，进一步优选的是，凹凸部12与其他介质(基材11、空气)的界面处的反射率的合计(总反射率)满足上述的条件。这样的反射率例如能够根据从基材11侧向凹凸部12进入的直行光的光量与从凹凸部12向空气层穿出的直行光的光量之差来求出。
另外，在上述中，将透过0级光的光量通过RCWA来算出，但透过0级光的光量也能够通过将设计波长的准直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。
在上述各实施方式中，入射光的波长没有特别的限定，但例如也可以是红外光(具体而言是波长包含于780nm～1020nm的范围的光)。在处理波长比可见光长的光的情况下，尤其具有为了增大光路长差而凹凸变高的倾向，因此上述各实施方式的衍射光学元件更有效果。
另外，各实施方式的衍射光学元件能够将光高效地扩散，因此例如能够在投影机这样的投影装置中使用。另外，各实施方式的衍射光学元件例如能够在该投影装置中作为配置于光源与规定的投影面之间的用于将来自光源的光向规定的投影面投影的扩散元件而使用。另外，各实施方式的衍射光学元件也能够在如三维计测装置、认证装置等那样照射光并检知由对象物散射后的光的装置中包含的用于将检查光向规定的投影范围照射的光的投影装置中使用。而且，各实施方式的衍射光学元件也能够在平视显示器这样的投影装置的中间屏幕(中间像生成用的光学元件)中使用。在该情况下，该衍射光学元件例如也能够在该投影装置中作为配置于出射构成中间像的光的光源与组合器之间且用于将来自光源的光且构成中间像的光向组合器投影的中间屏幕来使用。
在这些各装置中，通过在衍射光学元件中反射率被降低的效果，向规定的投影面照射的光的光量相对于从光源出射的光的光量的比例优选为50％以上。需要说明的是，更优选的是，相对于从光源出射的光的光量，向规定的投影面照射的设计级数的衍射光的光量的比例(相当于后述的综合效率)最好为65％以上，更优选为70％以上。
实施例
(例1)
本例是如图3的(c)所示的衍射光学元件10的例子那样具有包括基部123的凹凸部12且构成多层构造的2级的凹凸图案的凹凸部12的衍射光学元件10的例子。不过，在本例中，如图8所示，在基材11的与形成有凹凸部12的面相反的面还具备反射防止层14。另外，设计波长是850nm，凹部122是空气(n＝1)。
另外，本例的衍射光学元件10以使从凹凸部12出射的衍射光群的出射角度范围θout(更具体而言是对角的视野角θd)成为50°、68°、90°、102°、116°、134°、164°的方式设计了凹凸图案。需要说明的是，例1A是θd＝50°，例1B是θd＝68°，例1C是θd＝90°，例1D是θd＝102°，例1E是θd＝116°，例1F是θd＝134°，例1G是θd＝164°。不过，例1F及例1G是参考例。在各例中，凹凸图案中的光栅是规则配置，相邻的光斑的分离角全部相等。
另外，在本例中，作为基材11的材料，使用了折射率为1.514的玻璃基板。另外，作为凹凸部12的材料，使用了由折射率为2.192的Ta2O5及折射率为1.463的SiO2构成的2层的多层膜。另外，作为内面反射防止层13的材料，使用了由同样的SiO2及Ta2O5构成的4层的电介质多层膜。另外，作为反射防止层14的材料，使用了由同样的SiO2及Ta2O5构成的6层的电介质多层膜。在表2中示出作为本例的衍射光学元件10的例1A～例1G的具体的结构。需要说明的是，如表2所示，在本例中凸部121以外的结构全部共通，在例1A～例1G中仅凸部121的结构不同。
[表2]
表2
Figure BDA0003801807860000221
本例的制造方法如下。首先，在玻璃基板上形成由SiO2及Ta2O5构成的6层的电介质多层膜即反射防止层14。各层的材料及厚度是表2那样。
接着，在玻璃基板的与形成了反射防止层14的一侧相反一侧的面形成由SiO2及Ta2O5构成的4层的电介质多层膜即内面反射防止层13。各层的材料及厚度是表2那样。之后，作为包括基部123的凹凸部12的材料，以规定的膜厚形成由Ta2O5及SiO2构成的2层的电介质多层膜。例如，若是例1A，则形成成为基部123及凸部121的光栅层中的最下层的膜厚548nm的Ta2O5膜，在其上层叠成为凸部121的光栅层中的最上层的膜厚146nm的SiO2膜。
之后，通过对形成的由SiO2及Ta2O5构成的2层的多层膜进行光刻及蚀刻而向2级的凹凸构造加工。各例中的凸部121的高度(光栅深度)是494～507nm(参照表2的凸部材料的厚度的合计)。需要说明的是，凸部121的高度d(膜厚)也能够通过阶差计、基于SEM(Scanning Electron Microscope：扫描电子显微镜)的截面观察来测定。由此，得到作为本例的衍射光学元件10的例1A～例1G。
在图9中示出本例的反射防止层14的反射率的计算结果。需要说明的是，图9的(a)是波长350nm～950nm的波段中的反射率的计算结果，图9的(b)是其中的波长800nm～900nm的波段中的反射率的计算结果。需要说明的是，在图9中，示出了入射角即入射光相对于基材11的法线方向的角度为0°、20°、40°的情况下的计算结果。在斜入射中，分为P偏光和S偏光。
另外，在图10中示出相对于波长850nm的光的本例的反射防止层14的反射率的入射角依存性。如图10所示，本例的反射防止层14相对于以55°以内的入射角入射的波长850nm的光，P偏光及S偏光都实现小于反射率2.5％。另外，本例的反射防止层14相对于以45°以内的入射角入射的波长850nm的P偏振光，实现小于反射率1.0％。
另外，在图11中示出本例的内面反射防止层13的反射率的计算结果。需要说明的是，图11的(a)是波长350nm～950nm的波段中的反射率的计算结果，图11的(b)是其中的波长800nm～900nm的波段中的反射率的计算结果。需要说明的是，在图11中，示出了入射角即入射光相对于基材11的法线方向的角度为0°、20°、30°的情况下的计算结果。在斜入射中，分为P偏光和S偏光。
另外，在图12中示出相对于波长850nm的光的本例的内面反射防止层13的反射率的入射角依存性。如图12所示，本例的内面反射防止层13相对于以35°以内的入射角入射的波长850nm的光，P偏光及S偏光都实现小于反射率2.5％。另外，本例的反射防止层14相对于以35°以内的入射角入射的波长850nm的P偏振光，实现反射率小于0.1％。需要说明的是，虽然关于相对于35°以上的入射角的内面反射防止层13及反射防止层14的反射率省略，但能够根据与入射角对应的各介质的有效折射率而使用上述式(4)计算。
另外，在表3中示出例1A～例1G中的光学特性的详细数据。在表3中示出相当于各例的出射光的X方向、Y方向及对角的出射范围的FOV(Field Of View：视野)[°]、NA、凸部121的光栅深度[nm]、凸部121材料的有效折射率、综合效率[％]、0级效率[％]。
[表3]
表3
Figure BDA0003801807860000241
在此，将综合效率[％]定义为在设计的级数产生的衍射光的衍射效率之和。例如，设为出射了如图13所示的衍射光。在图中，黑圆表示设计的级数的衍射光，白圆及底纹圆表示未设计的级数的衍射光。需要说明的是，底纹圆表示未设计的级数的衍射光中的0级光。在这样的情况下，即使在FOV内也不将由白圆表示的衍射光之和相加，而将由FOV内的黑圆表示的衍射光的衍射效率之和设为综合效率。另外，0级效率(0级光透过率)表示由底纹圆表示的相对于入射光的光量而该入射光直接直行透过的成分即透过0级光的光量的比例。需要说明的是，表3所示的综合效率及0级效率基于表2的结构通过RCWA而计算。
如表3所示，在各例中实现了综合效率65％以上(更具体而言是66％以上)且0级效率小于1％(更具体而言是小于0.40％)。
(例2)
本例是如图2的(a)所示的衍射光学元件10的例子那样具有不包括基部123的凹凸部12且构成多层构造的2级的凹凸图案的凹凸部12的衍射光学元件10的例子。不过，在本例中，也如图8所示，在基材11的与形成有凹凸部12的面相反的面还具备反射防止层14。需要说明的是，更具体而言，如图2的(b)及图2的(c)所示，在本例中，内面反射防止层13的一部分构成了凸部121的最下层，但构成凸部121的一部分的该构件由于厚度为10nm以下，所以不被视为凸部121的一部分而视为内面反射防止层13的一部分。另外，设计波长是850nm，凹部122是空气(n＝1)。
另外，在本例中，也以使从凹凸部12出射的衍射光群的出射角度范围θout(更具体而言是对角的视野角θd)成为50°、68°、90°、102°、116°、134°、164°的方式设计了凹凸图案。需要说明的是，例2A是θd＝50°，例2B是θd＝68°，例2C是θd＝90°，例2D是θd＝102°，例2E是θd＝116°，例2F是θd＝134°，例2G是θd＝164°。不过，例2G是参考例。
在本例中，作为凹凸部12的材料，使用了由折射率为2.192的Ta2O5和折射率为1.463的SiO2构成的4层的多层膜。另外，作为内面反射防止层13的材料，使用了由同样的SiO2构成的单层的反射防止膜。需要说明的是，其他点与例1是同样的。在表4中示出作为本例的衍射光学元件10的例2A～例2G的具体的结构。需要说明的是，如表4所示，在本例中凸部121以外的结构全部共通，在例2A～例2G中仅凸部121的结构不同。
[表4]
表4
Figure BDA0003801807860000261
本例的制造方法如下。首先，在玻璃基板上形成与例1同样的反射防止层14。各层的材料及厚度是表4那样。
接着，在玻璃基板的与形成了反射防止层14的一侧相反一侧的面将作为内面反射防止层13发挥功能的SiO2膜以成为厚度145nm的方式形成。之后，作为凹凸部12的材料，将由Ta2O5及SiO2构成的4层的电介质多层膜以规定的膜厚形成。需要说明的是，各例的凹凸部12的各层的结构及膜厚是表4那样。
之后，通过对形成的由SiO2及Ta2O5构成的4层的多层膜进行光刻及蚀刻而向2级的凹凸构造加工。各例中的凸部121的高度(光栅深度)是525～531nm(参照表4的凸部材料的厚度的合计)。需要说明的是，凸部121的高度d(膜厚)也能够通过阶差计、基于SEM的截面观察来测定。由此，得到作为本例的衍射光学元件10的例2A～例2G。
在表5中示出例2A～例2G中的光学特性的详细数据。在表5中示出了相当于各例的出射光的X方向、Y方向及对角的出射范围的FOV[°]、NA、凸部121的光栅深度[nm]、凸部121材料的有效折射率、综合效率[％]、0级效率[％]。需要说明的是，表5所示的综合效率及0级效率基于表4的结构通过RCWA而计算。
[表5]
表5
Figure BDA0003801807860000271
如表5所示，在各例中实现了综合效率70％以上且0级效率小于1％(更具体而言是小于0.40％)。
(比较例1)
本例是例1的比较例。本比较例是相对于作为例1示出的衍射光学元件10的各例具有由相同的构件形成的基材11、反射防止层14、内面反射防止层13且以成为相同的出射范围的方式设计的衍射光学元件的例子。不过，与例1相比，凸部121由单层(更具体而言是仅由折射率为2.192的Ta2O5构成的单层)构成这一点不同。即，本比较例与例1相比，成为了在凸部121的最上层不设置例1的凸部121的材料中的低折射率材料(SiO2)的结构。需要说明的是，在本例中，设计波长也是850nm，凹部122也是空气(n＝1)。其他点与例1是同样的。在表6中示出作为本比较例的衍射光学元件的比较例1A～比较例1G的具体的结构。需要说明的是，如表6所示，在本例中也是，凸部121以外的结构全部共通，在比较例1A～比较例1G中仅凸部121的结构不同。
[表6]
表6
Figure BDA0003801807860000281
另外，在表7中示出比较例1A～比较例1G中的光学特性的详细数据。在表7中示出了相当于各例的出射光的X方向、Y方向及对角的出射范围的FOV[°]、NA、凸部121的光栅深度[nm]、凸部121材料的有效折射率、综合效率[％]、0级效率[％]。需要说明的是，表7所示的综合效率及0级效率基于表6的结构通过RCWA而计算。
[表7]
表7
Figure BDA0003801807860000291
如表7所示，在各例中，0级效率被抑制为小于1％(更具体而言是小于0.3％)，但综合效率成为了小于65％(更具体而言是小于64％)，可知衍射效率比例1差。
在图14及图15的坐标图中将上述所示的各例的0级效率量和综合效率集中示出。需要说明的是，图14是将例1、例2及比较例1中的各例的0级效率以与NA的关系示出的坐标图，图15是将例1、例2及比较例1中的各例的综合效率以与NA的关系示出的坐标图。
如图14及图15所示，根据本例，在出射角度范围θout为50°以上(NA为0.3以上)的衍射光学元件中，设计波长下的0级效率小于1.0％，且设计波长下的综合效率能够实现65％以上。另外，根据本例，在出射角度范围θout为50°以上且130°以下(更具体而言，NA为0.3～0.65)的衍射光学元件中，设计波长下的0级效率小于0.5％(更具体而言是小于0.4％)，且设计波长下的综合效率能够实现65％以上。
另外，根据将凸部121设为了4层以上的多层构造的例2，在出射角度范围θout为50°以上且140°以下(更具体而言，NA为0.3～0.65)的衍射光学元件中，设计波长下的0级效率小于0.5％(更具体而言是小于0.4％)，且设计波长下的综合效率能够实现70％以上。另外，根据例2，在出射角度范围θout为50°以上且130°以下(更具体而言，NA为0.3～0.60)的衍射光学元件中，设计波长下的0级效率小于0.2％，且设计波长下的综合效率能够实现70％以上。
另外，上述的效果能够如设计波长850nm下的光栅深度为600nm以下(更具体而言是550nm以下)这样一边抑制凸部121的高度一边实现。因此，本发明也能够有助于光学元件的薄型化。
产业上的可利用性
本发明能够适宜地应用于使0级光降低并扩大由衍射光栅形成的规定的光图案的照射范围的用途。
虽然详细地参照特定的实施方案说明了本发明，但对于本领域技术人员来说，显然能够不脱离本发明的精神和范围而施加各种变更、修正。
本申请基于2018年6月11日申请的日本专利申请2018-110909，其内容作为参照而向此取入。
标号说明
10 衍射光学元件
11 基材
12 凹凸部
121 凸部
122 凹部
123 基部
13 内面反射防止层
14 反射防止层
21 光束
22 衍射光群
23 光斑

Claims (12)

1.一种衍射光学元件，具备：
基材；
凹凸部，设置于所述基材的一个面上，相对于入射光显现规定的衍射作用；及
反射防止层，配备于所述基材与所述凹凸部之间，
构成所述凹凸部的凸部的第一介质和构成所述凹凸部的凹部的第二介质在所述入射光的波段中的有效折射率差Δn为0.70以上，
在所述入射光从所述基材的法线方向入射时从所述凹凸部出射的衍射光的出射角度范围θout为60°以上，
所述第一介质是由折射率不同的2种以上的材料构成的2层以上的多层膜，
所述凸部中的最上层由构成所述多层膜的构件中的、具有比所述凸部的有效折射率低的折射率的低折射率材料构成。
2.一种衍射光学元件，具备：
基材；
凹凸部，设置于所述基材的一个面上，相对于入射光显现规定的衍射作用；及
反射防止层，配备于所述基材与所述凹凸部之间，
构成所述凹凸部的凸部的第一介质和构成所述凹凸部的凹部的第二介质在所述入射光的波段中的有效折射率差Δn为0.70以上，
在所述入射光从所述基材的法线方向入射时从所述凹凸部出射的衍射光的出射角度范围θout为60°以上，
所述反射防止层对于相对于所述基材的法线方向以20°以内向该反射防止层入射的波长360～370nm的至少特定的偏振光的反射率为1.0％以下。
3.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，
所述出射角度范围为100°以上，
所述入射光的波段中的0级光的光量相对于从所述凹凸部出射的光的总光量小于1.0％。
4.根据权利要求3所述的衍射光学元件，
所述入射光是波长780nm以上中的至少一部分的波段的光。
5.根据权利要求3所述的衍射光学元件，
所述入射光是波长850nm以上中的至少一部分的波段的光。
6.根据权利要求3所述的衍射光学元件，
所述出射角度范围小于140°，
所述入射光的波段中的所述凹凸部中的0级效率小于0.5％。
7.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，
至少在所述凹部与所述反射防止层之间具备由与构成所述凸部的最下层的构件相同的构件构成的基部。
8.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，
所述反射防止层是电介质多层膜，并且对于相对于所述基材的法线方向以所述出射角度范围的1/4的角度从元件出射的所述入射光的波段的至少特定的偏振光的反射率为0.5％以下。
9.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，
所述反射防止层对于相对于所述基材的法线方向以40°以内向该反射防止层入射的所述入射光的波段的至少特定的偏振光的反射率为0.5％以下。
10.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，
在所述基材的与设置有所述凹凸部的一侧相反一侧的表面上具备第二反射防止层。
11.一种投影装置，具备：
光源；及
权利要求1或2所述的衍射光学元件，
其中，向规定的投影面照射的光的光量相对于从所述光源出射的光的光量的比例为50％以上。
12.一种计测装置，具备：
投影部，出射检查光；及
检测部，对通过从所述投影部照射的检查光向测定对象物照射而产生的散射光进行检测，
其中，具备权利要求11所述的投影装置作为所述投影部。
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