JP2013033203A - 回折光学素子及び計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広い領域に均一な光量分布の回折パターンが得られる回折光学素子を提供する。
【解決手段】入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ_１であり、前記第２の回折光学部における回折角度がθ_２である場合、θ_１≦θ_２であることを特徴とする回折光学素子を提供することにより上記課題を解決する。
【選択図】 図８

Description

本発明は、回折光学素子及び回折光学素子を用いた計測装置に関する。

入射光の少なくとも一部を回折する回折光学素子は、様々な光学機器及び光学装置等に用いられている。例えば、光学的な３次元計測装置は、所定の光の投影パターンを測定対象物に照射し、所定の光の投影パターンの照射されている測定対象物の画像を取得することにより、３次元計測を行なう装置である。このような３次元計測装置において、回折光学素子は所定の光の投影パターンを生成するために用いられている。

３次元計測装置では、広い範囲に光を投影することが求められており、このため、回折光学素子の回折角度が大きくなり、回折光学素子を直進透過する回折光である０次回折光の光量が大きくなりやすい傾向にある。このような０次回折光の光量は他の回折光の光量に対し高くなると、３次元計測装置の撮像画像が０次回折光の周囲でにじみ等が生じ、画像の劣化につながる可能性がある。従って、０次回折光の光量は低い方が望ましい。

特許文献１には、３次元計測を行う際に、計測対象物に照射される光の投影パターンとして、回折光学素子により生成されたスペックルパターンを照射する方法が開示されている。また、特許文献２には、２枚の回折光学素子を用いて０次回折光の光量を低減する方法が開示されている。

特表２００９−５３０６０４号公報 特表２０１１−５１０３４４号公報

特許文献２に開示されている方法は、１枚目の回折光学素子に光を入射し、１枚目の回折光学素子により回折された光を２枚目の回折光学素子に入射させ回折させるものであり、これにより、矩形の回折光のパターンを２次元的に分布させることができる。

回折光学素子を３次元計測等に用いる場合、上述したように回折光学素子には回折光を広い範囲に分布させることが求められるが、２枚の回折光学素子を用いた場合、１枚目の回折光学素子の回折角度と２枚目の回折光学素子の回折角度の和が全体の回折角度となるため、回折角度が広くなり、回折光を広い範囲に分布させることができる。

ところで、一般的に、回折光学素子は、回折光学素子の面に対し垂直方向より入射することを前提として作製されている。しかしながら、２枚の回折光学素子を用いた場合には、２枚目の回折光学素子に入射する光は、回折光であるため回折光学素子の面に対し垂直に入射するのではなく斜め方向から入射する。このため、２枚目の回折光学素子からの回折光は所望の分布が得られず、回折光の光量にばらつきが生じ、更には、０次回折光の光量が高くなる場合がある。

本発明は、上記点に鑑みたものであり、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影面において所望の回折光を得ることができ、得られた各々の回折光の光量を均一にできる回折光学素子を提供することを目的とし、更には、精密な計測を行うことのできる計測装置を提供することを目的とする。

本発明は、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ_１であり、前記第２の回折光学部における回折角度がθ_２である場合、θ_１≦θ_２であることを特徴とする。

また、本発明は、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部に形成される回折部の段数と、前記第２の回折光学部に形成される回折部の段数とが等しいものであり、前記第１の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_１であり、前記第２の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_２である場合、ｈ_１＞ｈ_２であることを特徴とする。

また、本発明は、前記第２の回折光学部における回折光の回折角度の平均をα_０とした場合、ｈ_２≒ｈ_１ｃｏｓα_０であることを特徴とする。

また、本発明は、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部に形成される回折部の段数がｍ_１段であり、前記第２の回折光学部に形成される回折部の段数がｍ_２段であり、前記第１の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_１であり、前記第２の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_２である場合、ｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）＞ｈ_２×ｍ_２／（ｍ_２−１）であることを特徴とする。

また、本発明は、前記第２の回折光学部における回折光の回折角度の平均をα_０とした場合、ｈ_２×ｍ_２／（ｍ_２−１）≒｛ｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）｝×ｃｏｓα_０であることを特徴とする。

また、本発明は、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に波長λの光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ_１であり、前記第２の回折光学部に光が垂直に入射する場合に、波長λ／β_１以上、波長λ未満の波長の光に対して第２の回折光学部で発生する回折光の強度の標準偏差、または、０次回折光の強度が極小値をとることを特徴とする回折光学素子。ここで、β_１＝ΔＬ（θ_１）／ΔＬ（０）、ΔＬ（θ_１）＝ｈ_２（Ｎ_２ｃｏｓθ_１１−Ｎ_３ｃｏｓθ_１２）、ΔＬ（０）＝ｈ_２（Ｎ_２−Ｎ_３）、ｈ_２：第２の回折光学部の高さ、Ｎ_２、Ｎ_３：第２の回折光学部の凹凸を形成する媒質の屈折率、θ_１１、θ_１２：角度θ_１で第２の回折光学部に入射する光の第２の回折光学部の凹凸中における角度。

また、本発明は、前記第１の回折光学部及び前記第２の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが２次元的に配列されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の回折光学部は一方の透明基板に形成されており、前記第２の回折光学部は他方の透明基板に形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは接着することにより一体化していることを特徴とする。

また、本発明は、前記第１の回折光学部は透明基板の一方の面に形成されており、前記第２の回折光学部は前記透明基板の他方の面に形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、光を発する光源と、前記光を入射させ回折光が出射される前記記載の回折光学素子と、前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。

本発明における回折光学素子では、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影面において所望の回折光を得ることができ、得られた各々の回折光の光量を均一にできる。また、本発明における計測装置では、本発明の回折光学素子を用いることにより、精密で正確な計測を行なうことができる。

第１の実施の形態における計測装置の構造図 第１の実施の形態における回折光学素子の構成図 回折光学素子により生じる光スポットの説明図 第１の実施の形態における回折光学素子の説明図 第１の回折光学部及び第２の回折光学部の構造図 他の第１の回折光学部及び第２の回折光学部の構造図 回折光学素子に入射する光の入射角度の説明図 第１の実施の形態における回折光学素子の回折光の説明図 第１の実施の形態における第２の回折光学部の説明図 第１の実施の形態における他の回折光学素子の回折光の説明図 第２の実施の形態における回折光学素子の構成図 第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（１） 第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（２） 第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（３） 第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（４） 実施例１及び４に用いられる一方の回折光学部の説明図 実施例１及び４に用いられる他方の回折光学部の説明図 実施例１及び４における回折光学素子により形成される光スポット 実施例２、３及び５に用いられる一方の回折光学部の説明図 実施例２、３及び５に用いられる他方の回折光学部の説明図 実施例２、３及び５における回折光学素子により形成される光スポット 実施例６に用いられる一方の回折光学部の説明図 実施例６に用いられる他方の回折光学部の説明図 実施例６における回折光学素子により形成される光スポット 実施例７に用いられる一方の回折光学部の説明図 実施例７に用いられる他方の回折光学部の説明図 実施例７における回折光学素子により形成される光スポット 実施例８に用いられる一方の回折光学部の説明図 実施例８に用いられる他方の回折光学部の説明図 実施例８における回折光学素子により形成される光スポット

発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
（計測装置）
図１に基づき本実施の形態における計測装置について説明する。図１は、本実施の形態における計測装置の構成の一例を示す。本実施の形態における計測装置１０は、光源２０、回折光学素子３０及び撮像素子５０を有している。回折光学素子３０は、後述する本実施の形態における回折光学素子であり、光源２０から出射された光束（入射光）１１を入射させることにより、回折光１２を発生させる。また、撮像素子５０は、回折光１２により生じた光スポットの投影パターンが照射されている測定対象物４０ａ及び４０ｂを撮像するためのものである。

回折光学素子３０は、複数の回折光１２を発生させるものであり、この回折光１２により生じた光スポットにより、所望の投影パターンが形成される。従って、この投影パターンを測定対象物４０ａ及び４０ｂに照射し、投影パターンが照射された状態の画像を撮像素子５０により撮像することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの３次元形状等の情報が取得される。尚、３次元計測を行なうためには、光スポットの数は１００以上であることが好ましく、また、回折光学素子３０は、最大の回折角度θ_ｘｍｉｎ、θ_ｘｍａｘが３０°以上となるように、即ち、回折角度が３０°以上の回折光を発生させることができるように形成されていることが好ましい。

（回折光学素子）
次に、本実施の形態における回折光学素子３０について説明する。図２に示されるように、本実施の形態における回折光学素子３０は、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０とを有している。尚、本実施の形態における回折光学素子３０は、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０とを有するものであるが、第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０について、各々第１の回折光学部１１０となる回折光学素子及び第２の回折光学部１２０となる回折光学素子等と記載する場合がある。第１の回折光学部１１０は、光束１１を入射させることにより回折光１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、・・・のｎ_１個の回折光群１１１を発生させる回折光学素子である。第２の回折光学部１２０は、回折光１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、・・・のｎ_１個の回折光群１１１を入射させることにより、ｎ_２個の回折光群１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・を発生させる回折光学素子である。これにより、回折光の数を増やすことができ、回折角の大きな回折光を発生させることができる。従って、投影面１４０の広い範囲に回折光の光スポットを分布させることができる。尚、本実施の形態では、入射光となる光束１１の光軸１０１方向をＺ軸とし、光束１１の光軸１０１に対し垂直方向をＸ軸、Ｙ軸とする。尚、Ｘ軸とＹ軸とは直交するものとする。

本実施の形態における回折光学素子を形成している第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０は、ともに回折光を発生させるものであり、この点においては同様のものである。よって、第１の回折光学部１１０となる回折光学素子及び第２の回折光学部１２０となる回折光学素子について、図３において回折光学素子２３０として説明する。

図３に示すように、回折光学素子２３０に入射光となる光束２１０を入射させることにより、回折光群２１１が発生する。回折光群２１１のうち、光軸１０１に対する回折角度が最大となる回折光２１１ａの回折角度をθ_ａとし、これを回折角度範囲θ_ｘとする。また、このときの回折範囲の中心の光軸１０１に対する角度（中心角度）θ_０は０°とする。尚、光軸１０１に対して回折光２１１ａと反対の位置の近傍に、回折角度がθ_ｂとなる回折光２１１ｂが発生するが、θ_ａとθ_ｂの差が大きい場合、例えば、θ_ａとθ_ｂとの差が３°以上ある場合には、回折角度範囲θ_ｘ＝（θ_ａ＋θ_ｂ）／２とし、中心角度θ_０＝（θ_ａ−θ_ｂ）／２としてもよい。

また、光軸１０１に対し回折光２１１ａの反対側には回折光が発生しない場合、即ち、光軸１０１に対し回折光２１１ａが発生している側にのみ回折光群が発生する場合も考えられる。このような場合、光軸１０１に最も近い回折光の回折角度がθ_ｃであるとすると、回折角度範囲θ_ｘ＝（θ_ａ−θ_ｃ）／２とし、中心角度θ_０＝（θ_ａ＋θ_ｃ）／２としてもよい。

本実施の形態では、この回折角度範囲θ_ｘについては、第１の回折光学部１１０における回折角度範囲をθ_１、第２の回折光学部１２０における回折角度範囲をθ_２、本実施の形態における回折光学素子３０における回折角度範囲をθと記載する。

次に、回折光学素子２３０についてより詳細に説明する。入射光となる光束２１０を回折光学素子２３０に入射させることにより、回折光２１１が発生する。この回折光２１１は、数１に示すグレーティング方程式において、Ｚ軸方向を基準として、Ｘ方向における角度θ_ｘ、Ｙ方向における角度θ_ｙに回折された光である。数１に示す式において、ｍ_ｘはＸ方向の回折次数であり、ｍ_ｙはＹ方向の回折次数であり、λは光束２１０の波長であり、Ｐ_ｘ、Ｐ_ｙは後述する回折光学素子の基本ユニットのＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチである。この回折光１２をスクリーンまたは測定対象物等の投影面に照射させることにより、照射された領域に複数の光スポットが生成される。

ここで、数１に示す式は、入射光が回折光学素子に対し垂直に入射する場合における式である。図１において、入射光１１が回折光学素子３０に対して垂直に入射している状態を示しているが、光源がレーザ光源等の場合には、回折光学素子３０からの反射光が戻り光となりレーザ光源等に入射することを防ぐため、回折光学素子３０に垂直な方向より傾けた方向より入射光１１を入射させてもよい。レーザ光源等に戻り光が入射すると干渉の影響によりレーザの発振が不安定となる場合があるからである。

このような回折光学素子３０としては、反復フーリエ変換法等により設計された回折光学素子を用いることができる。ここで、回折光学素子とは、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、２次元的に配列させたものである。このような回折光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニットにおけるフーリエ変換により得ることができる。このことはスカラー回折理論によって説明されている。電磁場はベクトル量であるが、等方的な媒質中ではスカラー量により表わすことができ、時間ｔ_ｍ、点Ａにおけるスカラー関数ｕ（Ａ、ｔ_ｍ）は、数２に示す式で表わされる。

数２に示す式は、入射する光が単色光の場合を示しており、Ｕ（Ａ）は点Ａにおける複素振幅であり、ωは角周波数である。数２に示すスカラー関数は、全空間で数３に示す波動方程式を満たす。

数２に示す式を数３に示す式に代入すると、数４に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。

ここで、ｋは波数であり、ｋ＝２π／λである。数３に示される式を解くことにより、空間におけるスカラー関数の分布が計算される。また、ある位相分布を与える十分に薄い平面スクリーンをΣで示し、Σ上における点をＡ_１とし、平面波がΣを透過した場合の点Ａ_０におけるスカラー関数をキルヒホッフの境界条件を用いて、数４に示す式から計算すると、ｒ_０１を点Ａ_０と点Ａ_１の距離とした場合、数５に示す式が得られる。

更に、点Ａ_０における座標（ｘ_０、ｙ_０、０）、点Ａ_１における座標（ｘ_１、ｙ_１、ｚ）とし、ｚが｜ｘ_０−ｘ_１｜、｜ｙ_０−ｙ_１｜よりも十分大きな値であるものとすると、ｒ_０１を展開することにより、数６に示されるフラウンホーファー近似式を得ることができる。

これは、スクリーンによって与えられる位相分布のフーリエ変換に相当する。特に、スクリーン後における位相分布ｕ（Ａ_１）がＸ軸方向にピッチＰ_ｘ、Ｙ軸方向にピッチＰ_ｙの周期性を有する場合、ｕ（Ａ_０）は、下記に示す数７に示す式のように、（ｍ、ｎ）次の回折光が発生する。

この際、（ｍ、ｎ）次の回折光の回折効率η_ｍｎは、周期性の基本ユニットが有する位相分布ｕ'（ｘ_１、ｙ_１）を用いて、下記数８に示す式で表わされる。尚、ｍ、ｎは整数、θｘ_ｉｎ及びθｙ_ｉｎは入射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度、θｘ_ｏｕｔ及びθｙ_ｏｕｔは出射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度である。

従って、基本ユニットの位相分布が得られれば、そのフーリエ変換によって回折光における強度分布の計算ができるため、基本ユニットの位相分布を最適化することにより、所望の分布の回折光を発生させる回折光学素子が得られる。

次に、図４に基づき、回折光学素子２３０の構造について説明する。回折光学素子２３０は、図４（ａ）に示されるように、Ｘ軸方向にピッチＰ_ｘ、Ｙ軸方向にピッチＰ_ｙの基本ユニット２３１が２次元状に周期的に配列されている。具体的には、図４（ｂ）に示されるような位相分布を有している。図４（ｂ）では、黒く塗りつぶされた領域が凸部となり、白抜きの領域が凹部となるように凹凸パターンが形成されている回折光学素子２３０を示す。回折光学素子２３０は、位相分布を発生させることができればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材の表面に凹凸パターンを形成した構造のものや、凹凸パターンが形成された透明な部材の上に、この部材とは屈折率の異なる部材を貼り合わせ、表面の凹凸パターンを平坦なものとしたものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させた構造のものであってもよい。つまり、ここで、凹凸パターンとは、表面形状が凹凸である場合のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えることのできる構造のものを含むものを意味する。尚、回折光学素子２３０に基本ユニット２３１を２次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、凹凸パターン内に１つ以上の基本ユニットが含まれていれば凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と一致していなくともよい。

図５には、回折光学素子２３０の一例として、ガラス等からなる透明基板２３２の表面に凸部２３３を形成することにより凹凸パターンを形成した構造の回折光学素子２３０の断面模式図を示す。尚、この回折光学素子２３０では、透明基板２３２の表面において、凸部２３３の形成されていない領域が凹部２３４となる。

透明基板２３２は、入射光に対し透明であればよく、ガラス基板の他、樹脂基板、樹脂フィルム等の種々の材料を使用できるが、ガラスや石英等の光学的等方材料は、透過光に複屈折性の影響を与えることがなく好ましい。また、透明基板２３２は、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を形成することにより、フレネル反射による光反射を低減できる。

また、凸部２３３を形成する材料としては、有機材料、無機材料、有機無機複合材料を用いることができる。凸部２３３を形成する方法、即ち、凸部２３３と凹部２３４からなる凹凸パターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィとエッチングにより形成する方法や、型によって凹凸パターンを転写する射出成形やインプリントによる方法等を用いることができる。また、凸部２３３は単一の材料により形成されている必要はなく、例えば、無機材料からなる多層膜により凸部２３３を形成してもよい。更に、凸部２３３の表面には表面反射を低減するための反射防止膜を設けた構造や、反射防止構造を形成してもよい。

また、図６に示されるように、回折光学素子２３０は、表面に凸部２３３が形成されている透明基板２３２の凸部２３３が形成されている側に、透明基板２３５を設け、透明基板２３２と透明基板２３５との間に、凸部２３３を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂２３６を埋め込んだものである。尚、透明基板２３５を設けることなく、透明基板２３２の凸部２３３が形成されている側に、凸部２３３を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂２３６を形成し、透明樹脂２３６の表面を平坦化したものであってもよい。

このような回折光学素子２３０は、反復フーリエ変換法等の手法を用いて作製できる。より詳細に説明すると、回折光学素子における基本ユニット２３１の位相分布と回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の電場分布を逆フーリエ変換することにより、基本ユニット２３１における位相分布を得ることができる。

また、回折光学素子２３０を作製する際には、回折光の強度分布のみ制限条件となり、位相の条件が含まれないため、基本ユニット２３１の位相分布は任意なものとなる。反復フーリエ変換法では、回折光の光強度分布の逆フーリエ変換より基本ユニットの位相分布の情報を抽出し、得られた位相分布を基本ユニットの位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。これにより、フーリエ変換の結果と、所定の回折光の光強度の分布との差分が評価値となり、上記計算を繰り返すことにより、評価値が最小となるような回折光学素子の位相分布を最適な設計として得ることができる。

回折光学素子の設計アルゴリズムは、上記以外にも、Ｂｅｒｎａｒｄ Ｋｒｅｓｓ，Ｐａｔｒｉｃｋ Ｍｅｙｒｕｅｉｓ著、「デジタル回折光学」（丸善）等に記載されているように各種ある。また、フーリエ変換の方法としては、高速フーリエ変換アルゴリズム等を用いることができる。

（第１の回折光学部と第２の回折光学部との関係）
次に、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０との関係について説明する。本実施の形態においては、光束１１は第１の回折光学部１１０の面に略垂直に入射するが、第２の回折光学部１２０には、第１の回折光学部１１０の回折光が入射するため、第２の回折光学部１２０の面の法線に対し傾いた角度より光が入射する。

図７に基づき回折光学素子２３０の透明基板２３２の表面に高さｈの凸部２３３が形成されている場合について、より詳細に説明する。図７（ａ）に示すように、回折光学素子２３０の面に対して垂直に光２１３ａ及び２１３ｂを入射させた場合、凸部２３３を透過する光２１３ｂと凹部２３４を通る光２１３ａとにおいて、凸部２３３の高さｈと凸部２３３を形成している材料と空気等の屈折率差の積の位相差が生じる。一方、図７（ｂ）に示すように、回折光学素子２３０の面の法線に対して角度φ_０で光２１４ａ及び２１４ｂを入射させた場合、凸部２３３を透過する光２１４ｂの光路はｈ／ｃｏｓφ_１となり、これに対応する光２１４ａの光路はｈ／ｃｏｓφ_０となる。ここで、φ_１は、凸部２３３に光２１４ｂを角度φ_０で入射させた際に凸部２３３内部において屈折する角度である。よって、光路ｈ／ｃｏｓφ_１と凸部２３３を形成している材料の屈折率の積と、光路ｈ／ｃｏｓφ_０と空気等の屈折率の積との差の位相差が生じる。また、φ_ａｖｇ＝（φ_０＋φ_１）／２とすると、平均的には、光路ｈ／ｃｏｓφ_ａｖｇと凸部２３３を形成している材料と空気等の屈折率差の積の位相差が生じる。尚、本実施の形態では、第１の回折光学部１１０では、図７（ａ）に示すように光が入射し、第２の回折光学部１２０では、図７（ｂ）に示すように光が入射する。

このように、回折光学素子２３０に入射する光の入射する光の角度により位相差は変化し、回折光学素子２３０の面の法線に対する角度（入射角度）が大きくなればなるほど位相差が大きくなる。一般的な回折光学素子の場合では、光を垂直入射させることを前提として作製されているため、回折光学素子に入射する光の入射角度が大きくなればなるほど、所望の回折光が得られなくなる。

また、回折光学素子２３０の凹凸パターンが屈折率の異なる２種類の材料により形成されている場合には、２種類の材料の界面における光の入射角度及び出射角度をφ_２、φ_３とした場合、φ_ａｖｇ＝（φ_２＋φ_３）／２とすると、平均的には、光路ｈ／ｃｏｓφ_ａｖｇと凸部２３３を形成している材料と空気等の屈折率差の積の位相差が生じる。ここで、φ_２、φ_３は、２種類の媒質の屈折率をＮ_２、Ｎ_３とすると、スネルの法則、Ｎ_２×ｓｉｎφ_２＝Ｎ_３×ｓｉｎφ_３より算出される。

例えば、凸部２３３を形成している材料の屈折率Ｎを１．５とし、凹部２３４となる部分は大気等であり屈折率が１である場合、入射角度φ_０に対応するφ_１、１／ｃｏｓφ_０、１／ｃｏｓφ_ａｖｇ、ΔＬ（φ_０）／ΔＬ（０）＝ΔＬ（φ_０）／｛ｈ（Ｎ−１）｝の値を表１に示す。尚、ΔＬ（φ_１）／｛ｈ（Ｎ−１）｝は光が垂直に入射した場合に対する光が角度φ_０で入射した場合の位相差の変調を示すものであり、光路差ΔＬ（φ_０）＝ｈ（Ｎｃｏｓφ_１−ｃｏｓφ_０）とした場合の値である。ここで、凹凸パターンが屈折率の異なる２種類の材料により形成されている場合には、光路差ΔL（φ_０）＝ｈ（Ｎ_２ｃｏｓφ_２−Ｎ_３ｃｏｓφ_３）、ΔＬ（０）＝ｈ（Ｎ_２−Ｎ_３）を用いればよい。また、１／ｃｏｓφ_ａｖｇを平均的な位相差の変調として示したが、表１に示すように光路差から計算される位相差の変調であるΔＬ（φ_０）／｛ｈ（Ｎ−１）｝の値は１／ｃｏｓφ_ａｖｇ近い値となるため、位相差の変調として１／ｃｏｓφ_ａｖｇとΔＬ（φ_０）／｛ｈ（Ｎ−１）｝のどちらを用いてもよい。

例えば、回折光学素子２３０における入射光の入射角度φ_０＝３０°の場合では、回折光学素子２３０に光が垂直に入射する場合に対し、最大で１５％の位相差の変調を受ける。このような位相差の変調は基本ユニット２３１における位相分布の変調となり、回折光学素子の面に垂直に入射する光を前提に作製された回折光学素子における所望の回折光の光量等のずれが生じる。このように入射角度φ_０が大きくなると、回折光学素子を透過する０次回折光の光量が変化し、出射された回折光の光量のバラツキが生じる。このことは、２枚の回折光学素子を用いた場合には、必然的に生じる問題である。

（本実施の形態の説明１）
本実施の形態における回折光学素子は、図８に示すように、第１の回折光学部１１０における回折角度範囲θ_１を第２の回折光学部１２０における回折角度範囲θ_２よりも小さくしたもの、即ち、θ_１≦θ_２としたものである。第２の回折光学部１２０に入射する光の入射角度を小さくし、第２の回折光学部１２０の面に垂直に入射する状態に近づけることにより、光量バラツキのない回折光を得ることができる。これにより広い範囲に略均一な光量の回折光を発生させることのできる回折光学素子３０を得ることができる。本実施の形態では、回折角度範囲θ_１は３０°以下であることが好ましく、更には、１５°以下であることが好ましい。

（本実施の形態の説明２）
また、図９（ａ）に示すように、第２の回折光学部１２０において透明基板１２２の表面に形成される凸部１２３の高さｈ_２を入射光の入射角度φ_０に対応して低くし、所望の光路差となるように形成してもよい。即ち、第２の回折光学部１２０は、第１の回折光学部１１０により発生した回折光の回折角度で第２の回折光学部１２０に光が入射するように設計されていれば、前述した問題は生じない。よって、第１の回折光学部１１０により発生した回折光の回折角度範囲θ_１以下となる角度を角度αとし、この角度αで第２の回折光学部１２０に光が入射することとして第２の回折光学部１２０を作製することにより、上記問題は解消される。

ここで、角度αで第２の回折光学部１２０に入射した回折光が、第２の回折光学部１２０の凹凸を形成する２種類の媒質中で第２の回折光学部１２０の法線方向と角度α_１、角度α_２をなし、α_ａｖｇ＝（α_１＋α_２）／２とすると、前述のように回折光が第２の回折光学部１２０に垂直に入射する場合に対して１／ｃｏｓα_ａｖｇの位相差の変調を受ける。また、第１の回折光学部の回折角度範囲である角度θ_１で第２の回折光学部１２０に回折光が入射する場合は、回折光が第２の回折光学部１２０の凹凸を形成する２種類の媒質中で第２の回折光学部１２０の法線方向と角度θ_１１、角度θ_１２をなし、θ_１ａｖｇ＝（θ_１１＋θ_１２）／２とすると、回折光が第２の回折光学部１２０に垂直に入射する場合に対して１／ｃｏｓθ_１ａｖｇの位相差の変調が発生する。第１の回折光学部１１０によって発生する回折光が付与されうる垂直入射に対する最大の位相差の変調が１／ｃｏｓθ_１ａｖｇとなるため、１／ｃｏｓα_ａｖｇ＝１／２ｃｏｓθ_１ａｖｇを満たす角度αで第２の回折光学部１２０に光が入射することとして第２の回折光学部１２０を作製することで、垂直入射で第２の回折光学部１２０に光が入射することとして第２の回折光学部１２０を作製する場合に対し、第２の回折光学部で発生する位相差の変調を半分にすることができる。ここで、上記の関係を満たす角度α_ａｖｇを以下ではα_０とする。

従って、第２の回折光学部１２０として、具体的には、ｈ_２＝ｈ_１ｃｏｓα_０となるように形成する。尚、高さｈ_１は第１の回折光学部１１０における凸部の高さである。このため、第２の回折光学部１２０における凸部１２３の高さｈ_２は、光が垂直に入射する第１の回折光学部１１０における凸部の高さｈ_１よりも低くなる。即ち、高さｈ_１と高さｈ_２との関係は、下記（１）に示す式となり、更には、下記（２）に示す式であることが好ましい。

ｈ_１＞ｈ_２・・・・・・・・・・・・・（１）
ｈ_２≒ｈ_１ｃｏｓα_０・・・・・・・・（２）

尚、「≒」は、本実施の形態においては、約±２％の範囲内であることを意味するものであり、これは後述する例３における値に基づくものである。

また、上記（１）（２）に示す式は、第１の回折光学部１１０における回折部の段数と第２の回折光学部１２０における回折部の段数が等しい場合であり、第１の回折光学部１１０における回折部の段数と第２の回折光学部１２０における回折部の段数が異なっている場合には、第１の回折光学部１１０における回折部の段数をｍ_１、最下段から最上段までの高さをｈ_１とし、第２の回折光学部１２０における回折部の段数をｍ_２、最下段から最上段までの高さをｈ_２とした場合には、下記（３）に示す式となり、更には、下記（４）に示す式であることが好ましい。例えば、図９（ｂ）に示すように、第１の回折光学部１１０を階段形状で近似する場合、階段形状の稜線を結んだ線の高さに凹凸材料の屈折率差を乗じたものが設計波長となるようにするとよい。この場合、一段の高さがｈ_１／（ｍ_１−１）となるので、稜線を結んだ線の高さはｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）となり、この値が設計波長に比例する。また、第２の回折光学部１２０についても同様である。

ｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）＞ｈ_２×ｍ_２／（ｍ_２−１）・・・・・・・・・・・・（３）
ｈ_２×ｍ_２／（ｍ_２−１）≒｛ｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）｝×ｃｏｓα_０・・・・（４）

また、視点を変えてみると、第２の回折光学部１２０の設計を下記（５）に示す式を満たすように作製することが好ましい。

Ｍａｘ（θ_０、θ_０−θ_１）＜α≦θ_０＋θ_１・・・・・・（５）

Ｍａｘ（θ_０、θ_０−θ_１）とは、θ_０とθ_０−θ_１のうちどちらか大きい方を示すものであり、第２の回折光学部１２０を作製する際に用いる第２の回折光学部１２０に入射する光の入射角度である。尚、第２の回折光学部１２０を作製する際には、第２の回折光学部１２０に角度αで光を入射させた際に、０次光の光量が最小となるように最適化を行なう。または、第２の回折光学部１２０から出射される回折光群の光量分布が極小値となるように最適化を行なう。

このように、第２の回折光学部１２０を形成することにより、入射角度範囲θ_１はＭａｘ（α−Ｍａｘ（θ_０、θ_０−θ_１）、θ_０＋θ_１−α）へと低減される。αの値としては０≦α≦θ_１とすると好ましく、α_ａｖｇ≒α_０を満たすαとすると、第２の回折光学部１２０に対する入射角の広がりの影響を実質的に半分にできるのでより好ましい。

ところで、光の電場の位相項は入射光の波長をλとして２πΔＬ（φ_０）／λに依存する。ここで、波長λ、入射角度αで回折部が最適化されているとして、ΔＬ（α）／ΔＬ（０）＝βとすると、入射角度が０度の場合の位相項は２πΔＬ（α）／（βλ）となる。したがって入射角度が０度の場合、λ_０＝λ／βとすると最適化された位相項である２πΔＬ（α）／λと同じものが得られる。つまり、入射角度αで回折部が最適化されているということは、λよりも短波長の波長λ_０において最適設計がなされていると言い換えることもできる。したがって、第２の回折光学部１２０の分光を行った際に入射光１１１の波長よりも短波長の波長において、第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量が極小値を有する、または、第２の回折光学部１２０から出射される回折光群１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・等の光量分布が極小値を有するように作製される。このとき、β_０＝１／ｃｏｓα_０、β_１＝ΔＬ（θ_１）／ΔＬ（０）として、回折光学素子が最適化される波長が入射光の波長λに対して、λ／β_１≦λ_０＜λである波長λ_０において前述の最適化特性を満たすと好ましく、λ_０≒λ／β_０を満たすとより好ましい。また、以上のような第２の回折光学部１２０の設計は、図８に示すようなθ_１≦θ_２の場合に適用でき、更には、図１０に示すようにθ_１＞θ_２の場合にも適用することもできる。

尚、０次回折光は波長依存性や角度依存性によって他の回折光と比べて大きな値となることがあるため、回折光群の光量分布を評価する際に０次回折光を含めると回折光群の光量分布の正確な評価ができなくことがある。したがって、第２の回折光学部１２０から出射される各回折光の光量が、例えば０次回折光の１０分の１以下であるように、０次回折光の光量に比べて小さな場合には光量分布を評価する際に０次回折光を除いてもよい。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、第１の回折光学部と第２の回折光学部とを一体化した構造のもの、また、一枚の基板の一方の面に第１の回折光学部となる凸部を形成し他方の面に第２の回折光学部となる凸部を形成したものである。これにより、第１の回折光学部と第２の回折光学部との位置合せが不要となり、回折光学素子が小型化される。

図１１に示す回折光学素子は、透明基板３０２の一方の面には、第１の回折光学部の凸部３０３を形成することにより、凸部３０３の形成されていない領域の凹部３０４と凸部３０３により凹凸パターンを形成し、透明基板３０２の他方の面には、第２の回折光学部の凸部３０５を形成することにより、凸部３０５の形成されていない領域の凹部３０６と凸部３０５により凹凸パターンを形成したものである。

また、図１２から図１５は、第１の回折光学部３１０と第２の回折光学部３２０とを接着材等により接着し接合した構造の回折光学素子である。第１の回折光学部３１０は、透明基板３１２の表面に凸部３１３を形成することにより、凸部３１３の形成されていない領域の凹部３１４と凸部３１３により凹凸パターンを形成したものである。また、第２の回折光学部３２０は、透明基板３２２の表面に凸部３２３を形成することにより、凸部３２３の形成されていない領域の凹部３２４と凸部３２３により凹凸パターンを形成したものである。尚、本実施の形態における第１の回折光学部３１０等は、第１の実施の形態における第１の回折光学部１１０に相当し、第２の回折光学部３２０等は、第１の実施の形態における第２の回折光学部１２０に相当する。

図１２に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されていない面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。

また、図１３に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されている面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。

また、図１４に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。

また、図１５に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士の周囲を接着剤３４０により接合したものである。

次に、実施例について説明する。例１〜例１０に示される回折光学素子の構成についてまとめたものを表２〜表４に示す。尚、本願においては、例１〜例８が実施例１〜８であり、例９、例１０が比較例１、２である。例１〜例１０では、第１の回折光学部及び第２の回折光学部における透明基板として石英を用いており、入射する光束の波長λを８３０ｎｍとする。表２では第１の回折光学部によって発生するスポット数ｎ_１、発生させる次数のうちＸ方向で最大、最小の次数、Ｙ方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるＸ方向、Ｙ方向のピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ_１を示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。

表３には、第２の回折光学部によって発生するスポット数ｎ_２、発生させる次数のうちＸ方向で最大、最小の次数、Ｙ方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるＸ方向、Ｙ方向のピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ_２を示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。第２の回折光学部では、所定の入射角で光束が入射した場合に発生する位相差を基準として設計されており、そのときの入射角を設計入射角φとして示している。設計入射角φから計算される１／ｃｏｓφ_ａｖｇおよびλｃｏｓφ_ａｖｇの値を同時に示しており、第２の回折光学部に光束を入射した場合に、分光測定をすると波長λｃｏｓφ_ａｖｇにおいて、波長λ、入射角φで入射場合と類似の特性を示す。

表４には、２つの回折部を透過した光束の回折角度θを示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。

例１〜例１０に示される回折光学素子の特性値についてまとめたものを表５及び表６に示す。表５及び表６には第１の回折光学部に強度１の光束が入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ_１、標準偏差σ_１を計算によって求めたものを示す。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ_１で除算した標準偏差σ_１の値をパーセントで表示しており、これを第１の回折光学部による光量ばらつきと呼ぶ。

また、第２の回折光学部に強度１の光束が所定の入射角度で入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ_２、標準偏差σ_２を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ_２で除算した標準偏差σ_２の値をパーセントで表示しており、これを第２の回折光学部１２０による光量ばらつきと呼ぶ。さらに、回折光学素子の光量ばらつきをσ＝｛（σ_１／μ_１）^２＋（σ_２／μ_２）^２｝^０．５によって求めている。また、各々の入射角度における第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量を示している。

また、回折光学素子によって発生する回折光のうち、設計によって発生させる回折光のスポットを回折光学素子から所定の位置はなれたスクリーン上で計測した場合の計算結果について示している。スクリーンの位置を計測位置として示しており、スクリーン上における座標（Ｘ、Ｙ）を用いて長方形の計測範囲を示している。また、回折光学素子の位置から測定した計測範囲の対角方向の角度を計測範囲角度として示している。スポット計測の際に、計測範囲をＸ方向に９分割し、Ｙ方向に９分割した面積が均一となる計測領域内のスポットを計測している。表４及び表５では、Ｘ座標、Ｙ座標が最も小さくなる計測領域をＲ（１、１）、Ｘ座標、Ｙ座標が最も大きくなる計測領域をＲ（９、９）とした場合に、中心領域Ｒ（５、５）のスポット、周辺領域Ｒ（１、１）、Ｒ（１、９）、Ｒ（９、１）、Ｒ（９、９）のスポット数の平均値、領域Ｒ（１、１）〜Ｒ（９、９）におけるスポット数の最大値、最小値を示している。

また、表７は、例３〜例５に示される回折光学素子において、第２の回折光学素子に対して光が垂直に入射した場合に、表７に記載の各波長で第２の回折光学部に強度１の光束が所定の入射角度で入射する際に得られる回折光の強度の平均値μ_２、標準偏差σ_２を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、各々の波長における第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量を示している。

（実施例１）
実施例１は、表２〜５における例１に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１≦θ_２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１２．５°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１２．５°の光束に対して３．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。

（実施例２）
実施例２は、表２〜４、６における例２に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１≦θ_２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上設計によって発生させる回折光の光スポットの分布を図１９（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１７．６°に光束が出射され、表６に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１７．６°の光束に対して７．６％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大９．２％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。

（実施例３）
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図１９、２０、２１は実施例２と同じとなるが、回折光学部１２０の１段高さは表２、３となる。

実施例３は、表２〜４、６、７における例３に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１≦θ_２を満たし、第２の回折光学部１２０の設計入射角を１２．５°とする場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角１２．５°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長８１６ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。尚、β_１＝ΔＬ（θ_１）／ΔＬ（０）＝１．０３であり、λ／β_１＝８０３ｎｍであるので、これは波長λ／β_１から波長λの範囲である。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１７．６°に光束が出射され、表６に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１７．６°の光束に対して３．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。

（実施例４）
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図１６、１７、１８は実施例１と同じとなるが、回折光学部１２０の１段高さは表２、３となる。

実施例４は、表２〜５、７における例４に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１＞θ_２であり、第２の回折光学部１２０が入射角度１８．５°で設計されている場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角１８．５°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長８００ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。尚、β_１＝ΔＬ（θ_１）／ΔＬ（０）＝１．０７であり、λ／β_１＝７７３ｎｍであるので、これは波長λ／β_１から波長λの範囲である。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２５．９°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２５．９°の光束に対して６．１％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．１％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。

（実施例５）
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図１９、２０、２１は実施例２と同じとなるが、回折光学部１２０の１段高さは表２、３となる。

実施例５は、表２〜４、６、７における例５に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１＞θ_２であり、第２の回折光学部１２０が入射角度２７．２°で設計されている場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角２７．２°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長７６５ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。尚、β_１＝ΔＬ（θ_１）／ΔＬ（０）＝１．１６であり、λ／β_１＝７１４ｎｍであるので、これは波長λ／β_１から波長λの範囲である。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲３７．６°に光束が出射され、表６に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３７．６°の光束に対して８．５％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大８．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。

（実施例６）
実施例６は、表２〜５における例６に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１≦θ_２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ_１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ_２がｎ_１≦ｎ_２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２２（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２２（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２３（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２３（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２４に示す。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２．６°の光束に対して３．０％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大３．１％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．７６８となる。

（実施例７）
実施例７は、表２〜５における例７に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１≦θ_２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ_１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ_２がｎ_１≦ｎ_２を満たす場合で、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０がそれぞれ２段の回折部からなる場合の例を示す。第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０から出射される投影パターンは０次回折光を中心に点対称なものとなっている。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２５（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２５（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって第１の回折光学部を形成した基板の裏面に加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２６（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２７に示す。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２．６°の光束に対して５．８％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大５．８％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．７６８となる。

（実施例８）
実施例８は、表２〜４、６における例８に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ_１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ_２がθ_１≦θ_２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ_１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ_２がｎ_１≦ｎ_２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２８（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２８（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２９（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図３０に示す。

第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲３．５°に光束が出射され、表６に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３．５°の光束に対して２．５％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大２．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５８１となる。

（比較例１）
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図１６、１７、１８は実施例２と同じとなるが、回折光学部１２０の１段高さは表２、３となる。

比較例１は、表２〜５における例９に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部の回折角度θ_１と第２の回折光学部の回折角度θ_２がθ_１＞θ_２を満たす場合で場合の例を示す。第１の回折光学部の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。

第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。

第１の回折光学部によって回折角度範囲２５．９°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２５．９°の光束に対して８．３％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大８．３％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。

（比較例２）
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図１９、２０、２１は実施例２と同じとなるが、回折光学部１２０の１段高さは表２、３となる。

比較例２は、表２〜４、６における例１０に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部の回折角度θ_１と第２の回折光学部の回折角度θ_２がθ_１＞θ_２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。

第２の回折光学部の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表３に示すピッチＰ_ｘ、Ｐ_ｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。

第１の回折光学部によって回折角度範囲３７．６°に光束が出射され、表６に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３７．６°の光束に対して１４．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大１４．９％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。

（実施例９）
実施例１〜８の回折光学素子を計測装置に用いる。このようにすることで光量ばらつきが小さくでき、高い精度で計測が可能になる。また、第２の回折光学部１２０によって発生する０次回折光の光量を抑制でき、強い回折光による画像の劣化を抑制できる。

以上より、実施例１〜５における回折光学素子のσの値は、比較例１及び２における回折光学素子のσの値よりも全体として小さくできる。特に、第２の回折光学部に入射する光の入射角度が大きな場合において小さくでき、均一な光量の回折光の光スポットを得ることができる。

尚、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。

１０ 計測装置
１１ 光束（入射光）
１２ 回折光（出射光）
２０ 光源
３０ 回折光学素子
４０ａ 測定対象物
４０ｂ 測定対象物
５０ 撮像素子
１０１ 光軸
１１０ 第１の回折光学部
１１１ 回折光群（第１の回折光学部による）
１２０ 第２の回折光学部
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 回折光群（第１の回折光学部及び第２の回折光学部による）
２３０ 回折光学素子（第１の回折光学部、第２の回折光学部となる）
２３１ 基本ユニット
２３２ 透明基板
２３３ 凸部

Claims (11)

1. 入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、
   入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、
   を有し、
   前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
   前記第１の回折光学部における回折角度がθ_１であり、前記第２の回折光学部における回折角度がθ_２である場合、
   θ_１≦θ_２
   であることを特徴とする回折光学素子。
2. 入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、
   入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、
   を有し、
   前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
   前記第１の回折光学部に形成される回折部の段数と、前記第２の回折光学部に形成される回折部の段数とが等しいものであり、
   前記第１の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_１であり、前記第２の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_２である場合、
   ｈ_１＞ｈ_２
   であることを特徴とする回折光学素子。
3. 前記第２の回折光学部における回折光の回折角度の平均をα_０とした場合、
   ｈ_２≒ｈ_１ｃｏｓα_０
   である請求項２に記載の回折光学素子。
4. 入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、
   入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、
   を有し、
   前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
   前記第１の回折光学部に形成される回折部の段数がｍ_１段であり、前記第２の回折光学部に形成される回折部の段数がｍ_２段であり、
   前記第１の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_１であり、前記第２の回折光学部に形成される回折部の高さがｈ_２である場合、
   ｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）＞ｈ_２×ｍ_２／（ｍ_２−１）
   であることを特徴とする回折光学素子。
5. 前記第２の回折光学部における回折光の回折角度の平均をα_０とした場合、
   ｈ_２×ｍ_２／（ｍ_２−１）≒｛ｈ_１×ｍ_１／（ｍ_１−１）｝×ｃｏｓα_０
   である請求項４に記載の回折光学素子。
6. 入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、
   入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、
   を有し、
   前記第１の回折光学部に波長λの光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
   前記第１の回折光学部における回折角度がθ_１であり、
   前記第２の回折光学部に光が垂直に入射する場合に、波長λ／β_１以上、波長λ未満の波長の光に対して第２の回折光学部で発生する回折光の強度の標準偏差、または、０次回折光の強度が極小値をとることを特徴とする回折光学素子。
   ここで、β_１＝ΔＬ（θ_１）／ΔＬ（０）、
   ΔＬ（θ_１）＝ｈ_２（Ｎ_２ｃｏｓθ_１１−Ｎ_３ｃｏｓθ_１２）、
   ΔＬ（０）＝ｈ_２（Ｎ_２−Ｎ_３）、
   ｈ_２：第２の回折光学部の高さ、
   Ｎ_２、Ｎ_３：第２の回折光学部の凹凸を形成する媒質の屈折率
   θ_１１、θ_１２：角度θ_１で第２の回折光学部に入射する光の第２の回折光学部の凹凸中における角度。
7. 前記第１の回折光学部及び前記第２の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが２次元的に配列されている請求項１から６のいずれかに記載の回折光学素子。
8. 前記第１の回折光学部は一方の透明基板に形成されており、前記第２の回折光学部は他方の透明基板に形成されている請求項１から７のいずれかに記載の回折光学素子。
9. 前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは接着することにより一体化している請求項８に記載の回折光学素子。
10. 前記第１の回折光学部は透明基板の一方の面に形成されており、前記第２の回折光学部は前記透明基板の他方の面に形成されている請求項１から７のいずれかに回折光学素子。
11. 光を発する光源と、
    前記光を入射させ回折光が出射される請求項１から１０のいずれかに記載の回折光学素子と、
    前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
    を有することを特徴とする計測装置。

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