JP2005266188A - 拡散素子及び照明装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 広帯域の波長の光に対して使用可能な拡散素子、及びこの拡散素子を使用した照明装置を提供する。
【解決手段】 領域Ａを通過する光の相対的な光路長は0.00μm、領域Ｂを通過する光の相対的な光路長は0.27μm、領域Ｃを通過する光の相対的な光路長は0.39μm、領域Ｄを通過する光の相対的な光路長は0.55μmとなっている。そして、これらの領域を透過した光の重ね合わせにおいて、２つの波長480nmと633nmにおいて、０次回折光が０に近くなるように、各領域Ａ〜Ｄの面積比が決定されている。これにより、波長460〜660nmの広範囲において、０次回折光がほとんど０に近い拡散板を得ることができる。
【選択図】 図４

Description

本発明は回折効果により入射光を所望の強度分布に拡散させて利用する拡散素子、およびこれを用いた照明装置に関するものである。

入射した光を拡散光に変換する拡散素子（拡散板等）は、平行光線などの入射光から、物体を一様に照明する照明光を作り出す等の目的のため広く使用されている。

拡散板を作成する手法としては、砂ずり等により平面板を削ってランダムな凹凸構造を作成し、入射光を散乱させるという方法が長年使われてきた。しかし、この方法で作成した拡散板には、拡散せずに直進する０次回折光が多いという問題があり、かつ、円形状以外の強度分布を持つ拡散光を作り出すことが困難である。また、拡散光にスペックルが生じやすいなどの欠点がある。

このような欠点を克服した拡散板として、近年は回折型の拡散板が使用されるようになってきている。回折型の拡散板は、主として基盤に段差を設けることにより、透過光に位相分布を作り出し、回折効果によって、出射角の強度分布を作りだそうというものである。

図５に２段ＢＯＥ(binary optical element)で拡散板を構成する場合の模式図を示す。図５においては、基板２１に凸部２２と凹部２３が所定の配列で形成されており、凸部２２を透過する光と凹部２３を透過する光の間には、基板２１の屈折率と、凸部２２、凹部２３の段差によって決定される位相差が発生する。この位相差と、凸部２２、凹部２３の分布を制御することにより、直進光（０次回折光）を除去することができる。

さらに、透過光の位相分布のフーリエ変換が遠方での回折角強度分布になるため、所望の回折角強度分布を生成することのできる形状を比較的容易に作成することができる。

しかしながら、回折型の素子においては、回折効果の波長に対する依存性が大きいため、設計波長においては性能が出せても、他の波長においては性能が劣化してしまうという問題点があった。

その原因は、第一には設計波長以外では０次回折光を除去する条件を満たさないために０次回折光が相当な量生じてしまうこと、第二には回折角は波長にほぼ比例するため、長波長成分は短波長成分と比べて回折角が大きくなってしまうということ、などである。後者に関しては、素子から十分に離れた場所で使用するのであれば余分な回折角に対応する部分を絞りなどにより除去することもできるが、光量のロスとなるため、好ましくない。

このような理由から、回折型の拡散素子を使用できるのは単色あるいは波長幅の狭い光源を対象とする場合のみであった。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、広帯域の波長の光に対して使用可能な拡散素子、及びこの拡散素子を使用した照明装置を提供することを課題とする。

前記課題を達成するための第１の手段は、基板中を透過する光に対して、透過する基板の部分に対応して位相差を発生させ、その結果所望の強度分布を発生させる回折型の拡散素子であって、方向を変えずに直進する０次回折光成分が複数の波長で抑制されるように位相分布が制御されていることを特徴とする拡散素子（請求項１）である。

後に発明の実施の形態の欄で詳しく説明するように、基板中を透過する光に対して、透過する部分に対応する位相差を発生させることにより、０次回折光が所望の複数の波長に対して小さくなるようにすることができる。本手段においては、このような手法を用いているので、結果として、所定波長範囲に亘って０次回折光を小さくすることが可能となり、広帯域の波長の光に対して使用可能な拡散素子とすることができる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記位相差を与える位相数が４以上であることを特徴とするもの（請求項２）である。

後に発明の実施の形態の欄で詳しく説明するように、２つ以上の波長に対して０次回折光を０に抑制しようとすると、２つ以上の複素方程式を解く必要がある。よって、実質的には方程式が４個以上できるが、各位相に対する対応する部分の面積の総和が決まっているので自由度が一つ減る結果、位相数としては５つ以上が必要になる。しかし、０次回折光を完全に０にするのではなく、０に近い値に低減するのであれば、最小二乗法等を使用することにより、位相数は４以上あれば十分である。よって、本手段においては、位相数を４以上とし、実際に選定する位相数は、０次回折光を小さくする波長の数と、どの程度小さくするかに応じて適宜選定するようにしている。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、使用波長の中心波長をλ_０、使用波長域λを
λ_０−Δλ≦λ≦λ_０＋Δλ
とした場合に、Δλ／λ_０≧0.1
であることを特徴とするもの（請求項３）である。

使用波長域が狭い場合には、従来方法でもある程度の効果が得られるので、前記第１の手段、第２の手段を使用した場合の効果が少ない。前記第１の手段、第２の手段は、本手段によって規定されるような広い範囲の波長域を使用する場合に、特に大きな効果を生じる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、前記位相差が、前記基板の部分における屈折率の違いによってもたらされていることを特徴とするもの（請求項４）である。

基板を透過する光に、基板の部分に応じて位相差を設けるためには、基板の部分毎に厚さを変えるか、屈折率を変えるかすればよく、前記第１の手段から第３の手段はこれらの手法を含むものである。このうち、基板の厚さを変える方法は、光の波長より短いような精度で、厚さを正確に制御しなければならない。これに対し、屈折率を変化させる方法は、後に述べるように、位相差を正確に制御することができる。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記４第の手段であって、前記屈折率の違いが、屈折率の異なる２種以上の物質（空気、真空を含む）を、使用波長以下の間隔で配列することによりもたらされていることを特徴とするもの（請求項５）である。

屈折率の異なる２種以上の物質（空気、真空を含む）を、使用波長以下の間隔で配列することにより、フォトニック効果が生じ、屈折率の変化を容易に生じさせることができる。

前記課題を解決するための第６の手段は、前記第５の手段であって、前記屈折率の違いが、屈折率の異なる２種の物質（空気、真空を含む）を、使用波長以下の間隔で配列することによりもたらされていることを特徴とするもの（請求項６）である。

屈折率の異なる物質を２種使用することにより、それ以上の種類の物質を使用する場合に比して、設計が容易となる。

前記課題を解決するための第７の手段は、前記第１の手段から第６の手段のいずれかである拡散素子を用いていることを特徴とする照明装置（請求項７）である。

本手段においては、広い使用波長領域に亘って０次光の少ない拡散素子を使用することができるので、目的とする拡散特性を有する照明を行うことが可能となる。

本発明によれば、広帯域の波長の光に対して使用可能な拡散素子、及びこの拡散素子を使用した照明装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を説明する。本実施の形態においては、素子を通過する光の光路長を素子の部分によって異ならせることにより、使用範囲内の複数の波長において、０次回折光強度が０あるいは問題にならない程度に小さな値をとるようにする、すなわち、「色消し」を行う。なお、光路長は周知のように、素子の厚さを部分的に変えるか、素子の屈折率を部分的に変えるかによって異ならせることができる。

色消しを行う対象波長をλ_１、λ_２・・・λ_ｍ、各波長における素子内の座標(x,y)での素子を透過（あるいは反射）した場合の位相差（適当な位相を基準にとる）をφ_１(x,y)、φ_２(x,y)・・・φ_ｍ(x,y)とする。素子への入射波が一様な平面波であるとすると、波長λ_ｊでの０次回折光の振幅a_０；ｊは、

と表現できる。ここでｃは比例定数であり、積分範囲は素子の範囲である。全ての対象波長に対し、ａ_０；１＝ａ_０；２＝ａ_０；ｍ＝０となるように位相差分布を設定すれば、０次回折光の色消しができることになる。

この方法を用いて、対象とする波長範囲の適当な数の波長で色消しを行えば、波長帯全域に渡って問題のない程度の０次回折光しか発生しない回折素子を構成することができる。

（１）式において、波長範囲内での屈折率が一様であるとみなせる場合、光路長をl(x,y)とすれば、（１）式は、

となる。さらに、l(x,y)が連続関数でなく、ｋ種類の光路長の領域（それぞれの構成面積比ｓ_１、ｓ_２、・・・ｓ_ｋ、Σｓ_ｎ＝１）により構成され、ｓ_ｎに対応する部分でｌ_ｎである場合は、

となる。全てのｉ（ｉ＝１〜ｍ）に対して振幅が０になるようにするには、振幅が複素数であることを考えると、一般にはｋ≧２ｍ＋１であり（Σｓ_ｎ＝１の関係を満たす必要があるために、自由度が１減少するため）、任意のｎに対してｓ_ｎ＞０となることが必要である。ただし、波長の選択などによってはこれよりもｋは少なくても、最小二乗法等を用いることにより、振幅を０に近い値にできる場合もある。一般に、２つ以上の波長で色消しを行うには、ｋは４以上であることが望ましい。

（３）を解くには、まず、対象とする波長λ_１、λ_２・・・λ_ｍを決定し、ｋを決定すると共に、ｌ_ｊ（相対値）を決定する。そして、ｍとｋの関係に応じて方程式を解いてｓ_２、・・・ｓ_ｋを決定したり、最小二乗法を用いてｓ_２、・・・ｓ_ｋを決定したりする。その際、一つでもｓ_ｎ≦０（ｎ＝１〜ｋ）となるものがある場合には、ｋを変更して再計算を行い、全てのｓ_ｎについてｓ_ｎ＞０となった場合、それを解とする。そして、光路長がｌ_ｍとなる素子の部分の総面積率がｓ_ｎとなるように、光路長がｌ_ｎとなる素子の部分をなるべくランダムに配置する。光路長を変える方法は前述のように、素子の部分毎の厚さか、屈折率を変化させるようにすればよい。

このような素子を作成するにあたっては、一般には多数あるいは連続的な光路長の領域を作成する必要があるが、一般的にはこのような加工はかなり難しい。しかし、２次元フォトニック結晶のような波長以下のスケールの構造を設けると、構造に変調を加えることにより(一定範囲内の)任意の実効屈折率分布を作成することができる。

図１にこのようなフォトニック的構造素子の例を示す。基板１には、使用波長以下の寸法の孔２ａ、２ｂ、２ｃが図の左右方向に使用波長以下の間隔で配列されている。この場合、各孔の間隔は一定であるが、孔２ａの径は、孔２ｂの径より大きく、孔２ｂの径は孔２ｃの径より大きくされている。なお、紙面の奥行き方向には同種の孔が配列されている。

このようにすると、各孔の近傍での実効屈折率は、大きな口径の孔２ａの近傍では小さく、小さな口径の孔２ｃの近傍では大きくなる。よって、図１（ａ）に示すフォトニック素子は、図１（ｂ）に示すような鋸歯状波構造を持った単一の基板と同等の光学的特性を示すようになり、各部分において光路長が異なるようになる。

一般に図１（ｂ）に示すような微細な鋸歯状波構造を形成することは困難であるが、図１（ａ）のように微細な孔２ａ〜２ｃを基板に形成することは容易である。そして、図１（ａ）においては、基板と空気の２種類の物質を使用しているだけなので、特に製造が容易である。

このような拡散素子を照明用途に用いることにより、シンプルな構造でかつ損失の少ない、高効率な照明を行うことができる。

なお、本発明の実施の形態である拡散板を使用した照明装置そのものの構成は、従来の拡散板を使用した照明装置の構成と異なるところはない。但し、本発明の実施の形態である拡散板を使用しているので、広い波長において０次光を低減し、０次回折光以外の拡散光の強度を強めることができる。

本発明の実施例であって、可視光の多くを占める波長460〜660nmで使用できる回折型拡散板を製造した。領域内の両端に近い、480nmと633nmで色消しをすることとした。すなわち、（３）式においてλ_１＝480nm、λ_２＝633nmとした。材質の分散が問題にならず、全ての波長で光路長が一定であるとみなせると仮定し、光路長（相対値）として、（３）式においてｌ_１＝0.00μm（基準）、ｌ_２＝0.27μm、ｌ_３＝0.39μm、ｌ_４＝0.55μmとした。そして、このような条件で（３）式を解き、ｓ_１〜ｓ_４を求めた。

実際には、ｓ_１〜ｓ_４の和が１であるので、自由度が一つ減り、未知数はｓ_２〜ｓ_４の３つになる。それに対して方程式は４個できるので、最小二乗法を用いて、（ａ_０；１ ^２＋ａ_０；２ ^２）を最小とするようにｓ_２〜ｓ_４を求めた。
その結果、以下の表１に示すような結果を得た。
（表１）

拡散素子にこのような光路長分布を持たせた場合の０次回折光振幅の波長依存性を図２に破線で示す。振幅は入射平面波の振幅が１のときの０次回折光の振幅を示す。比較例として、２段ＢＯＥ（光路長０および0.27μmの部分で構成）で構成した従来タイプの回折素子(使用波長領域の両端での０次回折光がほぼバランスするように波長0.54μmで０次回折光が０となるように設計したもの)の波長依存性を、図２に実線で示す。本発明による方法では、従来法よりも広い波長帯域で、０次回折光の振幅が０に近くなっており、特性が大きく改善されていることがわかる。

実際には、基板として、厚さ1.20μmのSiＯ_２基板(波長0.46μmでの屈折率1.46)を用いて、図１（ａ）の模式図に示すような円筒状の孔を配列することにより、基板の各部分における屈折率を異ならせ、光路長の差を設けるようにした。

すなわち、周期0.3μmのピッチで円筒状の孔を設けた。この場合、円筒状の孔の径と配列ピッチの比（diameter/pitch）と屈折率（effective index）の関係は、図３に示すように変化する。この関係を利用し、領域Ｄに対応する基板部分には孔を設けず、領域Ａに対応する部分は、その領域全体を空洞とし、領域Ｂに対応する部分には、0.3μmピッチで240nmの円筒状の孔を、領域Ｃに対応する部分には、0.3μmピッチで200nmの円筒状の孔を設けた。

Ａ〜Ｄに対応する領域の大きさは一つ当たり1.2μm×1.2μmの正方形とし、これを、表１に示す面積比になるように、基板上にランダム配置した。このような基板の構造は、ArＦ光源の露光装置およびドライエッチングを使用したフォトリソグラフィ工程により製造した。

図４に、このような方法で製造した分散素子の形状の例を示す。このような配置で各領域を配置することにより、不要な直進光成分を除去した広波長帯域で使用することのできる拡散板を構成することができた。なお、ここでは便宜上、４種類の有効光路長の領域のみで拡散板を構成したが、本実施例で示したようなフォトニック結晶的な構造を用いれば、円孔の径を変化させることにより、連続的な有効屈折率分布を得ることができるため、より多段、あるいは段差のない連続的な光路長分布を持つような構造も作成することが可能である。

なお、フォトニック結晶的な構造を用いなくても、従来のＢＯＥと同じような手法により、基板の厚さを部分的に多段階に変化させることにより、光路長変化を持たせるようにしても、本発明に係る拡散素子が製造可能であることは言うまでもない。

本発明の実施例である回折型拡散板に使用するフォトニック的構造素子の例を示す図である。 本発明の実施例である回折型拡散板における０次回折光振幅の波長依存性を示す図である。 図１に示すフォトニック的構造における円筒状の孔の径と配列ピッチの比（diameter/pitch）と屈折率（effective index）の関係を示す図である。 本発明の実施例である分散素子の形状の例を示す図である。 ２段ＢＯＥ(binary optical element)で拡散板を構成する場合の模式図を示す図である。

符号の説明

１…基板、２ａ〜２ｃ…孔

Claims (7)

1. 基板中を透過する光に対して、透過する基板の部分に対応して位相差を発生させ、その結果所望の強度分布を発生させる回折型の拡散素子であって、方向を変えずに直進する０次回折光成分が複数の波長で抑制されるように位相分布が制御されていることを特徴とする拡散素子。
2. 前記位相差を与える位相数が４以上であることを特徴とする請求項１に記載の拡散素子。
3. 使用波長の中心波長をλ_０、使用波長域λを
   λ_０−Δλ≦λ≦λ_０＋Δλ
   とした場合に、
   Δλ／λ_０≧0.1
   であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の拡散素子。
4. 前記位相差が、前記基板の部分における屈折率の違いによってもたらされていることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の拡散素子。
5. 前記屈折率の違いが、屈折率の異なる２種以上の物質（空気、真空を含む）を、使用波長以下の間隔で配列することによりもたらされていることを特徴とする請求項４に記載の拡散素子。
6. 前記屈折率の違いが、屈折率の異なる２種の物質（空気、真空を含む）を、使用波長以下の間隔で配列することによりもたらされていることを特徴とする請求項５に記載の拡散素子。
7. 請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の拡散素子を用いていることを特徴とする照明装置。
   

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