JP2014202918A - 回折光学素子、回折光学素子の製造方法、回折光学素子の設計装置および物体の検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】回折格子によって形成される周期的なパターンの照射範囲を広くする。【解決手段】第１パターンＰ１と第２パターンＰ２とは、第３パターンＰ３が形成されるように配置されている。第３パターンＰ３は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃと、第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃと、を含んでいる。第３パターンＰ３では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃと、第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃとが一体となって、周期的なパターン（第３パターンＰ３）を形成している。第３パターンＰ３は、方向ＤＲに沿って配列されているパターンである。【選択図】図２
Description
本発明は、回折光学素子、回折光学素子の製造方法、回折光学素子の設計装置および物体の検出装置に関する。
回折格子を備えた光学機器は、分光に用いられることがある。回折格子の分光によって生じる干渉縞は、非特許文献１に記載されるように、以下の式（１）に基づくものとなる。
Ｎλ／ｄ＝ｓｉｎθＮ （１）
ただし、λは光の波長、ｄは回折格子のピッチ長、干渉縞の生じるθＮはＮ次光（ただし、Ｎは整数である。）における干渉縞の生じる角度を示す。
Ｎλ／ｄ＝ｓｉｎθＮ （１）
ただし、λは光の波長、ｄは回折格子のピッチ長、干渉縞の生じるθＮはＮ次光（ただし、Ｎは整数である。）における干渉縞の生じる角度を示す。
このような回折格子を備えた光学機器は、１次光を利用して特定のパターンを形成するのに用いられることがある。非特許文献２には、コンピュータ発生ホログラム（ＣＧＨ：Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｇｅｎｅｒａｔｅｄ Ｈｏｌｏｇｒａｍ）による１次光により、人の名前を示すパターンがスクリーン上に映し出されることが示されている。非特許文献２には、ＣＧＨの０次光回折効率を抑えることも記載されている。
特許文献１には、回折格子における回折光の照射範囲を広くする方法が記載されている。特許文献１に記載の方法では、回折格子におけるピッチ長Λが光の波長λ程度にされる。このような方法においては、式（１）から明らかなように、ピッチ長ｄが光の波長λよりも長い場合と比較して、角度θｍが大きくなる。角度θｍがこのように大きいと、回折格子における回折光の照射範囲は広いものとなる。
Donald C. O'Shea, Thomas J. Suleski, Alan D. Kathman, Dennis W. Prather, "Diffractive Optics: Design, Fabrication, and Test," ,SPIE Tutorial Texts in Optical Engineering Vol. TT62, (SPIE Publications , 2003)
小舘香椎子、鈴木等、中井武彦、丸山晃一、田邉讓、佐々木浩紀、塩野照弘、「回折光学素子技術入門」、 (社)日本オプトメカトロニクス協会(2006)
回折格子における回折光によって周期的なパターンが形成される場合がある。このような周期的なパターンが形成される場合、当該パターンの照射範囲を広くすることが求められることがある。本発明者らは、回折格子によって形成される周期的なパターンの照射範囲を広くすることを検討した。
本発明によれば、
回折格子を備え、
前記回折格子は、単一波長の光が前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された場合に当該光の像が、前記一曲面で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子が提供される。
本発明によれば、
回折格子を設計する工程と、
回折格子を設計する前記工程における回折格子の設計に基づいて、基板に回折格子を形成する工程と、
を含み、
回折格子を設計する前記工程では、前記回折格子は、単一波長の光が前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された場合に当該光の像が、前記一曲面で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、
第１パターンを形成する回折格子を設計する設計部と、
前記設計部によって設計された前記回折格子により第２パターンが形成される位置を、検証する検証部と、
前記第１パターンと前記第２パターンとが形成される位置が調整されるように、前記設計部により設計された前記回折格子の設計を補正する補正部と、
を備え、
前記第１パターンおよび前記第２パターンは、前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された単一波長の光の像により形成され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記補正部は、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように、前記第１パターンと前記第２パターンとを、前記球面の前記所定方向に沿って配列させて前記回折格子の設計を補正する回折光学素子の設計装置が提供される。
本発明によれば、
前記回折光学素子により構成された回折部と、
前記回折光学素子に単一波長の光を照射する照射部と、
前記回折光学素子の前記回折格子によって回折された光のパターンが照射される投影部と、
前記回折光学素子から前記投影部に照射された光のパターンを時間的に連続して撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した前記光のパターンを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された一の時間における光のパターンが、前記記憶部に記憶された他の時間における光のパターンと異なるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記回折光学素子の前記回折格子によって回折された光のパターンが照射された物体の存在、形状または位置を検出する検出部と、
を備える物体の検出装置が提供される。
回折格子を備え、
前記回折格子は、単一波長の光が前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された場合に当該光の像が、前記一曲面で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子が提供される。
本発明によれば、
回折格子を設計する工程と、
回折格子を設計する前記工程における回折格子の設計に基づいて、基板に回折格子を形成する工程と、
を含み、
回折格子を設計する前記工程では、前記回折格子は、単一波長の光が前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された場合に当該光の像が、前記一曲面で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子の製造方法が提供される。
本発明によれば、
第１パターンを形成する回折格子を設計する設計部と、
前記設計部によって設計された前記回折格子により第２パターンが形成される位置を、検証する検証部と、
前記第１パターンと前記第２パターンとが形成される位置が調整されるように、前記設計部により設計された前記回折格子の設計を補正する補正部と、
を備え、
前記第１パターンおよび前記第２パターンは、前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された単一波長の光の像により形成され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記補正部は、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように、前記第１パターンと前記第２パターンとを、前記球面の前記所定方向に沿って配列させて前記回折格子の設計を補正する回折光学素子の設計装置が提供される。
本発明によれば、
前記回折光学素子により構成された回折部と、
前記回折光学素子に単一波長の光を照射する照射部と、
前記回折光学素子の前記回折格子によって回折された光のパターンが照射される投影部と、
前記回折光学素子から前記投影部に照射された光のパターンを時間的に連続して撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した前記光のパターンを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された一の時間における光のパターンが、前記記憶部に記憶された他の時間における光のパターンと異なるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記回折光学素子の前記回折格子によって回折された光のパターンが照射された物体の存在、形状または位置を検出する検出部と、
を備える物体の検出装置が提供される。
本発明によれば、回折格子によって形成される周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。
以下に、本発明の実施形態について、図面を用いて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には共通の符号を付し、適宜説明を省略する。また、図は概略図であり、実際の寸法比率とは必ずしも一致していない。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態における光学系１００を示す模式図である。光学系１００は、光源１０２と、回折光学素子（回折光学素子：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）１０４と、スクリーン１０６と、を備えている。光源１０２は、単一波長の光１０８を出射する。光源１０２は、レーザーまたは発光ダイオードでもよい。光１０８は、可視光または赤外線、紫外線であってもよい。回折光学素子１０４は、回折格子を備えている（回折光学素子１０４の回折格子の詳細については後述する。）。光学系１００において、光源１０２から出射された光１０８は、図１に示されるように、回折光学素子１０４に達する。その後光１０８は、回折光学素子１０４の回折格子によって回折される。光１０８が回折光学素子１０４の回折格子によって回折された箇所は、図１では、箇所１１２として示されている。回折光１１０は、図１に示されるように、スクリーン１０６に向かって進行する。図１では、回折光１１０として、回折光１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃが例示的に示されている。回折光１１０は、箇所１１２を中心とする球面波状に進行する。図１では、箇所１１２を中心とする球面１１４が示されている。回折光１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃが同一の形状のパターンを球面１１４に形成する場合、回折光１１０は球面波状に進行しているため、球面１１４におけるこれらのパターンの大きさは同じとなる。回折光１１０のうち光１０８の同一直線上に進行している回折光は、０次光となる。０次光は、スクリーン１０６においてドット状のパターンを形成する。本実施形態における回折光１１０は、球面１１４においてパターンを形成することなく、スクリーン１０６においてパターンを形成する。スクリーン１０６において回折光のパターンが形成される表面は、平面状に形成されている。スクリーン１０６の表面が平面状に形成されている場合、スクリーン１０６に到達した回折光は、０次光から離れれば離れるほど、箇所１１２からスクリーン１０６までにおいて、より長い光路長を有する。この場合、スクリーン１０６において０次光がパターンを形成する位置からずれた位置に形成される回折光のパターンは、そのずれた方向に引き伸ばされた形状を有することとなる。
図１は、第１の実施形態における光学系１００を示す模式図である。光学系１００は、光源１０２と、回折光学素子（回折光学素子：Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ）１０４と、スクリーン１０６と、を備えている。光源１０２は、単一波長の光１０８を出射する。光源１０２は、レーザーまたは発光ダイオードでもよい。光１０８は、可視光または赤外線、紫外線であってもよい。回折光学素子１０４は、回折格子を備えている（回折光学素子１０４の回折格子の詳細については後述する。）。光学系１００において、光源１０２から出射された光１０８は、図１に示されるように、回折光学素子１０４に達する。その後光１０８は、回折光学素子１０４の回折格子によって回折される。光１０８が回折光学素子１０４の回折格子によって回折された箇所は、図１では、箇所１１２として示されている。回折光１１０は、図１に示されるように、スクリーン１０６に向かって進行する。図１では、回折光１１０として、回折光１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃが例示的に示されている。回折光１１０は、箇所１１２を中心とする球面波状に進行する。図１では、箇所１１２を中心とする球面１１４が示されている。回折光１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃが同一の形状のパターンを球面１１４に形成する場合、回折光１１０は球面波状に進行しているため、球面１１４におけるこれらのパターンの大きさは同じとなる。回折光１１０のうち光１０８の同一直線上に進行している回折光は、０次光となる。０次光は、スクリーン１０６においてドット状のパターンを形成する。本実施形態における回折光１１０は、球面１１４においてパターンを形成することなく、スクリーン１０６においてパターンを形成する。スクリーン１０６において回折光のパターンが形成される表面は、平面状に形成されている。スクリーン１０６の表面が平面状に形成されている場合、スクリーン１０６に到達した回折光は、０次光から離れれば離れるほど、箇所１１２からスクリーン１０６までにおいて、より長い光路長を有する。この場合、スクリーン１０６において０次光がパターンを形成する位置からずれた位置に形成される回折光のパターンは、そのずれた方向に引き伸ばされた形状を有することとなる。
回折光学素子１０４について詳細に説明する。回折光学素子１０４は、回折格子を備えている。回折光学素子１０４の回折格子は、光１１０が当該回折格子によって回折されて球面１１４に照射された場合に、光１１０の像が、球面１１４で、第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計されている。光１１０は単一波長の光である。球面１１４は、箇所１１２を中心とする球面である。箇所１１２は、回折光学素子１０４の回折格子において回折の生じた箇所である。第１パターンは、第１小パターンを含んでいる。第１小パターンは、回折光学素子１０４の回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成されている。また第１小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って周期的に配列されている。第２パターンは、第２小パターンを含んでいる。第２小パターンは、回折光学素子１０４の回折格子における（ｍ＋１）次光で形成されている。また第２小パターンは、球面１１４所定方向に沿って周期的に配列されている。第１パターンと第２パターンとは、周期的な第３パターンが形成されるように球面１１４の所定方向に沿って配列されている。第３パターンは、第１小パターンと第２小パターンとを含んでいる。
本実施形態における回折光学素子１０４によれば、第１パターンと第２パターンとが一体となって、周期的なパターンを形成する。このような周期的なパターンの照射範囲は、第１パターンおよび第２パターンのいずれか一方のみで形成される周期的なパターンの照射範囲よりも広い。本実施形態によれば、回折格子によって形成される周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。
本実施形態においては、第１パターンおよび第２パターンは、球面１１４だけでなく、平面状のスクリーン１０６の表面に形成されてもよい。この場合、第１小パターンは、スクリーン１０６の表面の所定方向に沿って略周期的に配列される。第２小パターンは、スクリーン１０６の表面の所定方向に沿って略周期的に配列される。第３パターンでは、第１小パターンと第２小パターンとが、略周期的なパターンを形成する。当該略周期的なパターンは、スクリーン１０６の表面の所定方向に沿って配列されたパターンである。
本実施形態では、第１小パターンおよび第２小パターンが球面１１４において周期的に形成されるように回折光学素子１０４が設計されている限り、第１小パターンおよび第２小パターンは、上述のように、平面状のスクリーン１０６の表面において「略周期的」に形成されてもよい。これは、回折光学素子１０４における回折光が球面波状に進行することに基づく。回折光学素子１０４が、第１小パターンおよび第２小パターンが球面１１４において周期的に形成されるように設計されていても、箇所１１２からスクリーン１０６までの光路長により、第１小パターンおよび第２小パターンは、平面状のスクリーン１０６の表面において厳密な意味での周期性を満たさないことがある。第１小パターンおよび第２小パターンが平面状のスクリーン１０６の表面に形成される場合における「略周期的」とは、このような厳密な意味での周期性が満たされない場合を含む意味である。
本実施形態において球面１１４に形成される第１パターンおよび第２パターンの詳細について、図２から図１０までを用いて説明する。図２から１０は、球面１１４に形成される第１パターンおよび第２パターンの具体例を示す図である。
図２は、第１パターンおよび第２パターンの第１例を示す模式図である。図２において、球面１１４には、第１パターンＰ１および第２パターンＰ２が形成されている。第１パターンＰ１は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃを含んでいる。第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃは、回折光学素子１０４におけるｍ次光で形成されている。第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃは、方向ＤＲに沿って周期的に配列されている。第２パターンＰ２は、第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃを含んでいる。第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、回折光学素子１０４における（ｍ＋１）次光で形成されている。第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、方向ＤＲに沿って周期的に配列されている。第１パターンＰ１と第２パターンＰ２とは、周期的な第３パターンＰ３が形成されるように配置されている。第３パターンＰ３は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃと、第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃと、を含んでいる。
図２に示される第１例では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、１次元のパターンである。具体的には、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、ドット状に形成されている。この場合、ドットの大きさは、例えば、１μｍ以上かつ１０ｍｍ以下としてもよい。またドットの間の間隔は、例えば、１μｍ以上かつ１０ｍｍ以下としてもよい。図２において一点鎖線で「ｍ」および「ｍ＋１」で示された箇所は、それぞれ第１パターンＰ１および第２パターンＰ２の形成範囲を示す（図３から図１０においても同様である。）。
第１パターンＰ１において、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃは、周期Ｃ１で配列されている。一方第２パターンＰ２において、第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、周期Ｃ２で配列されている。第１例では、周期Ｃ１および周期Ｃ２について、Ｃ１＝Ｃ２が満たされている。このため、第１小パターンＰ１ａとＰ１ｂ間の間隔、第１小パターンＰ１ｂとＰ１ｃ間の間隔、第２小パターンＰ２ａとＰ２ｂ間の間隔および第２小パターンＰ２ｂとＰ２ｃ間の間隔は、互いに等しい。さらに第１例では、これらの間隔と第１小パターンＰ１ｃと第２小パターンＰ２ａとの間の間隔が等しい。また第１例では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、方向ＤＲに沿った同一直線上に形成されている。このため、図２に示される第１例では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃが一体となって、周期的なパターンを形成することになる。
このように、図２に示される第１例では、第３パターンＰ３が周期的なパターンで形成されている。このため、図２に示される第１例では、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。
次に、図３に示される第２例を説明する。図３は、第１パターンおよび第２パターンの第２例を示す模式図である。図３に示される第２例は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃの形状を除いて、図２に示される第１例と同様である。
図３に示される第２例では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、１次元のパターンである。具体的には、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、線分状に形成されている。第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃにおける線分の長さは、互いに等しい。図３に示される線分状の第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、ドット状のパターンを連続的に配列させることで形成されていてもよい。
図３に示される第２例では、第３パターンＰ３は、周期的なパターンで形成されている。このため、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。そして図３に示される第２例では、第３パターンＰ３における１周期のパターンを線分状のパターンにすることができる。
次に、図４に示される第３例を説明する。図４は、第１パターンおよび第２パターンの第３例を示す模式図である。図４に示される第３例は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃの形状を除いて、図２に示される第１例と同様である。
図４に示される第３例では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、２次元のパターンである。具体的には、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、四角形状に形成されている。そして図４に示される第３例では、各２次元のパターンは、ドット状のパターンにより構成されている。本実施形態においては、各２次元のパターンの形状は、四角形に限られず、円、楕円、多角形（例えば、三角形、正六角形）、文字（例えば、Ａ、Ｂ）または数字（例えば、２、３）としてもよい。
図４に示される第３例では、第３パターンＰ３は、周期的なパターンで形成されている。このため、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。そして図４に示される第３例では、第３パターンＰ３における１周期のパターンを、ドット状のパターンにより構成された２次元のパターンにすることができる。
次に、図５に示される第４例を説明する。図５は、第１パターンおよび第２パターンの第４例を示す模式図である。図５に示される第４例は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃが線状のパターンにより構成されている点を除いて、図４に示される第３例と同様である。第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、ドット状のパターンを連続的に配列させることで形成されていてもよい。
図５に示される第４例では、第３パターンＰ３は、図４に示される第３例と同様、周期的なパターンで形成されている。このため、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。そして図５に示される第４例では、第３パターンＰ３における１周期のパターンを、線状のパターンにより構成された２次元のパターンにすることができる。
次に、図６に示される第５例を説明する。図６は、第１パターンおよび第２パターンの第５例を示す模式図である。図６に示される第５例は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃおよびＰ１ｄならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃおよびＰ２ｄを除いて、図２に示される第１例と同様である。
図６に示される第５例では、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃおよびＰ１ｄならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃおよびＰ２ｄは、２次元のパターンである。具体的には、第１小パターンＰ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ｂおよびＰ２ｃは、四角形状に形成されている。一方第１小パターンＰ１ａおよびＰ１ｄならびに第２小パターンＰ２ａおよびＰ２ｄは、それぞれ、第１小パターンＰ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ｂおよびＰ２ｃの一部の形状で形成されている。そして図６に示される第４例では、各２次元のパターンは、ドット状のパターンにより構成されている。本実施形態においては、各２次元のパターンの形状は、四角形に限られず、円、楕円、多角形（例えば、三角形、正六角形）、文字（例えば、Ａ、Ｂ）または数字（例えば、２、３）としてもよい。
図６に示される第５例では、第１パターンＰ１のうち第２パターンＰ２に隣接する部分（第１小パターンＰ１ｄ）と第２パターンＰ２のうち第１パターンＰ１に隣接する部分（第２小パターンＰ２ａ）とが一体となって、パターンＰ１２を形成している。パターンＰ１２は、第３パターンＰ３における周期的なパターンの１周期のパターンである。パターンＰ１２は、回折光における並進対称性を利用して形成してもよい。回折格子において、ｍ次光により形成されるパターンと、（ｍ＋１）次光により形成されるパターンとは、並進対称の関係になる。並進対称の関係においては、図６に示される第５例において、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃおよびＰ１ｄは、それぞれ、第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃおよびＰ２ｄに対応することになる。この場合、第１小パターンＰ１ａとＰ１ｄの形状は、第１小パターンＰ１ａとＰ１ｄとを組み合わせると第１小パターンＰ１ｂまたはＰ１ｃの形状が形成されるように形成されていてもよい。このようにすれば、第１パターンＰ１と第２パターンＰ２との配置が適宜決定されている場合、第１小パターンＰ１ｄと第２小パターンＰ２ａとでパターンＰ１２が形成される。
図６に示される第５例であっても、第３パターンＰ３は、周期的なパターンで形成することができる。このため、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。そして図６に示される第５例では、第３パターンＰ３における１周期のパターンを、ドット状のパターンにより構成された２次元のパターンにすることができる。
次に、図７に示される第６例を説明する。図７は、第１パターンおよび第２パターンの第６例を示す模式図である。図７に示される第６例は、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃおよびＰ１ｄならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃおよびＰ２ｄが線状のパターンにより構成されている点を除いて、図６に示される第５例と同様である。第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂ、Ｐ１ｃおよびＰ１ｄならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂ、Ｐ２ｃおよびＰ１ｄは、ドット状のパターンを連続的に配列させることで形成されていてもよい。
図７に示される第６例では、第３パターンＰ３は、図６に示される第５例と同様、周期的なパターンで形成されている。このため、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。そして図７に示される第６例では、第３パターンＰ３における１周期のパターンを、線状のパターンにより構成された２次元のパターンにすることができる。
次に、図８に示される第７例を説明する。図８は、第１パターンおよび第２パターンの第７例を示す模式図である。図８に示される第７例は、第１パターンＰ１および第２パターンＰ２を除いて、図２に示される第１例と同様である。
図８に示される第７例では、第１パターンＰ１が格子状に形成されているとともに、第２パターンＰ２も格子状に形成されている。そして、第３パターンＰ３も格子状に形成されている。図８に示される第７例では、第１パターンＰ１および第２パターンＰ２を構成する小パターンがドット状のパターンとなっている。図８に示される第７例では、図６に示される第５例と同様に、第１パターンＰ１のうち第２パターンＰ２に隣接する部分と第２パターンＰ２のうち第１パターンＰ１に隣接する部分とが一体となって、パターンＰ１２を形成していてもよい。パターンＰ１２は、第３パターンＰ３における周期的なパターンの１周期のパターンである。
図８に示される第７例では、第３パターンＰ３は、格子状に形成されているとともに、周期的なパターンで形成されている。このため、図８に示される第７例では、格子状の周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。
次に、図９に示される第８例を説明する。図９は、第１パターンおよび第２パターンの第８例を示す模式図である。図９に示される第８例は、第１パターンＰ１および第２パターンＰ２構成する小パターンが線状のパターンにより構成されている点を除いて、図８に示される第７例と同様である。第１パターンＰ１および第２パターンＰ２を構成する線状の小パターンは、ドット状のパターンを連続的に配列させることで形成されていてもよい。
図９に示される第８例では、第３パターンＰ３は、図８に示される第７例と同様、格子状に形成されているとともに、周期的なパターンで形成されている。このため、図９に示される第８例では、格子状の周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。そして図９に示される第８例では、第３パターンＰ３を線状のパターンにより構成することができる。
次に、図１０に示される第９例を説明する。図１０は、第１パターンおよび第２パターンの第９例を示す模式図である。図１０に示される第９例は、第４パターンＰ４が形成されている点を除いて、図２に示される第１例と同様である。
図１０に示される第９例では、ｍ＝１が満たされている。すなわち、第１パターンＰ１は１次光で形成されているとともに、第２パターンＰ２は２次光で形成されている。第０パターンＰ０と第１パターンＰ１と第２パターンＰ２とは、周期的な第４パターンＰ４が形成されるように方向ＤＲに沿って配列されている。第４パターンＰ４は、第０パターンＰ０と第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃと第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃとを含んでいる。
図１０に示される第９例では、第０パターンＰ０と第１小パターンＰ１ａ間の間隔は、第１小パターンＰ１ａとＰ１ｂ間の間隔、第１小パターンＰ１ｂとＰ１ｃ間の間隔、第１小パターンＰ１ｃと第２小パターンＰ２ａ間の間隔、第２小パターンＰ２ａとＰ２ｂ間の間隔および第２小パターンＰ２ｂとＰ２ｃ間の間隔に等しい。また第９例では、第０パターンＰ０、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃは、方向ＤＲに沿った同一直線上に形成されている。このため、図１０に示される第９例では、第０パターンＰ０、第１小パターンＰ１ａ、Ｐ１ｂおよびＰ１ｃならびに第２小パターンＰ２ａ、Ｐ２ｂおよびＰ２ｃが一体となって、周期的なパターンを形成することになる。
このように、図１０に示される第９例では、第４パターンＰ４が周期的なパターンで形成されている。このため、図１０に示される第９例では、周期的なパターンの照射範囲を広くすることができる。
図２から図１０までに示される各例は、本実施形態の一例である。第１パターンおよび第２パターンの形状および配置は、図２から図１０までに示される各例に限定されるものではない。例えば、ｍ≧１における各回折光によって形成されるパターンは並進対称の関係にあることを利用すれば、ｍ次光で形成される第１パターンと、（ｍ＋１）次光で形成される第２パターンと、（ｍ＋２）次光で形成されるパターンとが一体となって、周期的なパターンを形成してもよい。また０次光で形成される第０パターンから（ｍ＋１）次光で形成される第２パターンまでの各回折光によって形成されるパターンが一体となって、周期的なパターンを形成してもよい。あるいは、０次光を利用せず、１次光で形成されるパターンから（ｍ＋１）次光で形成される第２パターンまでの各回折光によって形成されるパターンが一体となって、周期的なパターンを形成してもよい。図２から図１０までに示される各例では、ｍ＝１が満たされていてもよい。
次に、本実施形態における回折光学素子１０４の製造方法について説明する。本実施形態における回折光学素子１０４の製造方法は、以下の設計工程および形成工程を含んでいる。
設計工程：回折格子を設計する工程
形成工程：設計工程における回折格子の設計に基づいて、基板２００に回折格子を形成する工程
設計工程：回折格子を設計する工程
形成工程：設計工程における回折格子の設計に基づいて、基板２００に回折格子を形成する工程
（設計工程）
本実施形態における回折光学素子１０４の製造方法に含まれる設計工程では、回折格子は、光１１０が当該回折格子によって回折されて球面１１４に照射された場合に、当該光１１０の像が、球面１１４で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計される。光１１０は単一波長の光である。球面１１４は、箇所１１２を中心とする球面である。箇所１１２は、回折光学素子１０４の回折格子において回折の生じた箇所である。第１パターンは、第１小パターンを含んでいる。第１小パターンは、回折光学素子１０４の回折格子におけるｍ次光で形成されている。また第１小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って周期的に配列されている。第２パターンは、第２小パターンを含んでいる。第２小パターンは、回折光学素子１０４の回折格子における（ｍ＋１）次光で形成されている。また第２小パターンは、球面１１４所定方向に沿って周期的に配列されている。第１パターンと第２パターンとは、周期的な第３パターンが形成されるように球面１１４の所定方向に沿って配列されている。第３パターンは、第１小パターンと第２小パターンとを含んでいる。
本実施形態における回折光学素子１０４の製造方法に含まれる設計工程では、回折格子は、光１１０が当該回折格子によって回折されて球面１１４に照射された場合に、当該光１１０の像が、球面１１４で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計される。光１１０は単一波長の光である。球面１１４は、箇所１１２を中心とする球面である。箇所１１２は、回折光学素子１０４の回折格子において回折の生じた箇所である。第１パターンは、第１小パターンを含んでいる。第１小パターンは、回折光学素子１０４の回折格子におけるｍ次光で形成されている。また第１小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って周期的に配列されている。第２パターンは、第２小パターンを含んでいる。第２小パターンは、回折光学素子１０４の回折格子における（ｍ＋１）次光で形成されている。また第２小パターンは、球面１１４所定方向に沿って周期的に配列されている。第１パターンと第２パターンとは、周期的な第３パターンが形成されるように球面１１４の所定方向に沿って配列されている。第３パターンは、第１小パターンと第２小パターンとを含んでいる。
本実施形態における回折光学素子１０４の製造方法に含まれる設計工程の詳細について、図１１から図１３までを用いて説明する。
図１１は、本実施形態における回折光学素子１０４の製造方法に含まれる設計工程を示すフローチャートである。まず、本実施形態における設計工程では、第１パターンを形成する回折格子を設計する工程を含んでいる（工程Ｓ１０２）。第１パターンは、回折光学素子１０４の回折格子のｍ次光で形成されたパターンである。第１パターンは、回折光学素子１０４の回折格子によって回折されて球面１１４に照射された光１１０の像によって形成される。工程Ｓ１０２において、回折格子は、第１パターンが第１小パターンを含むように設計される。第１小パターンは、回折光学素子１０４における回折格子のｍ次光で形成される。また第１小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って配列される。
次いで、本実施形態における設計工程では、第２パターンが形成される位置が検証される（工程Ｓ１０４）。第２パターンは、工程Ｓ１０４で設計された回折格子により形成されるパターンである。また第２パターンは、回折光学素子１０４の（ｍ＋１）次光で形成されたパターンである。第２パターンは、回折光学素子１０４の回折格子によって回折されて球面１１４に照射された光１１０の像によって形成される。工程Ｓ１０４において、回折格子は、第２パターンが第２小パターンを含むように設計される。第２小パターンは、回折光学素子１０４における回折格子の（ｍ＋１）次光で形成される。また第２小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って配列されている。
次いで、本実施形態における設計工程では、工程Ｓ１０４で設計された回折格子の設計が補正される（工程Ｓ１０６）。工程Ｓ１０６において、回折格子の設計は、第１パターンと第２パターンとが形成される位置が調整されるように補正される。具体的には、回折格子の設計は、第１パターンと第２パターンとが周期的な第３パターンが形成するように補正される。第３パターンは、第１小パターンと第２小パターンとを含む。第１パターンと第２パターンとは、球面１１４の所定方向に沿って配列される。
図１１に示される設計工程を実行する設計装置５００について、図１２を用いて説明する。図１２は、本実施形態における回折光学素子１０４の設計装置５００の構成を示すブロック図である。設計装置５００は、機能部として、入力部５０２と、設計部５０４と、検証部５０６と、補正部５０８と、を備えている。入力部５０２は、設計部５０４、検証部５０６または補正部５０８に所定の信号（例えば、所定の条件の情報が含まれた信号）を送信する機能を有している。設計部５０４は、第１パターンを形成する回折格子を設計する機能を有している（工程Ｓ１０２）。検証部５０６は、設計部５０４によって設計された回折格子により第２パターンが形成される位置を、検証する機能を有している（工程Ｓ１０４）。補正部５０８は、設計部５０４により設計された回折格子の設計を補正する機能を有している（工程Ｓ１０６）。設計装置５００は、記憶部として、設計データ記憶部５１０を備えている。設計データ記憶部５１０は、設計部５０４が設計したデータおよび補正部５０８が補正したデータを記憶する。
設計部５０４は、入力部５０２から入力される信号にしたがって、第１パターンを形成する回折格子を設計する。第１パターンは、回折光学素子１０４の回折格子のｍ次光で形成されるパターンである。第１パターンは、回折光学素子１０４の回折格子によって回折されて球面１１４に照射された光１１０の像によって形成される。設計部５０４は、第１パターンが第１小パターンを含むように第１パターンを設計する。第１小パターンは、回折光学素子１０４における回折格子のｍ次光で形成されている。また第１小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って配列されている。入力部５０２が設計部５０４に入力する信号には、例えば、第１パターンにおける第１小パターンの周期、第１パターンの形成箇所、第１パターンの次数（ｍ）、第１パターンの形成領域の面積、箇所１１２から球面１１４までの距離が含まれている。設計部５０４は、入力部５０２から入力された条件にしたがった第１パターンが球面１１４に形成される回折格子を設計する。設計部５０４は、設計部５０４が設計した回折格子のデータを設計データ記憶部５１０に出力する。設計データ記憶部５１０は、設計部５０４が出力した回折格子のデータを記憶する。設計部５０４には、例えば、Light Trans 社製 Version of VirtualLabTM advanced 5.3.3を用いてもよい。
検証部５０６は、第２パターンが形成される位置を検証する。第２パターンは、設計部５０４によって設計された回折格子により形成されるパターンである。また第２パターンは、回折光学素子１０４の回折格子の（ｍ＋１）次光で形成されるパターンである。第２パターンは、回折光学素子１０４の回折格子によって回折されて球面１１４に照射された光１１０の像によって形成される。第２パターンは第２小パターンを含んでいる。第２小パターンは、回折光学素子１０４における回折格子の（ｍ＋１）次光で形成されている。また第２小パターンは、球面１１４の所定方向に沿って配列されている。検証部５０６は、ｍ次光によって形成されるパターンと、（ｍ＋１）次光によって形成されるパターンとの並進対称性を利用してもよい。並進対称性が利用される場合、検証部５０６は、設計データ記憶部５１０から、設計部５０４が設計したデータを読み込む。そして検証部５０６は、設計部５０４が設計したデータおよびパターンの並進対称性に基づき、第２パターンが形成される位置を検証する。検証部５０６は、検証結果を含むデータ（第２パターンは形成される位置の情報を含むデータ）を設計データ記憶部５１０に出力する。設計データ記憶部５１０は、検証部５０６が出力したデータを記憶する。
補正部５０８は、設計部５０４が設計したデータおよび検証部５０６が検証したデータを、設計データ記憶部５１０から読み込む。そして補正部５０８は、設計部５０４が設計した回折格子の設計を補正する。補正部５０８は、第１パターンと第２パターンとが周期的な第３パターンが形成するように回折格子の設計を補正する。第３パターンは、第１小パターンと第２小パターンとを含む。第１パターンと第２パターンとは、球面１１４の所定方向に沿って配列される。
補正部５０８による設計データの補正方法の詳細について、図１３を用いて説明する。図１３は、回折格子の設計の補正方法の一例を説明するための図である。図１３（ａ）では、補正部５０８によって補正されていない設計に基づいて作成された回折格子による第１パターンＰ１と第２パターンＰ２とが球面１１４に形成されている。図１３（ｂ）では、補正部５０８によって補正された設計データに基づいて作成された回折格子による第１パターンＰ１と第２パターンＰ２とが球面１１４に形成されている。図１３（ａ）および（ｂ）において、第１パターンＰ１および第２パターンＰ２は、方向ＤＲに沿って周期的に配列されている。また第１パターンＰ１および第２パターンＰ２は、それぞれ周期Ｃ１および周期Ｃ２で配列されている。周期Ｃ１およびＣ２について、Ｃ１＝Ｃ２が満たされている。
第１パターンＰ１には、図１３（ａ）に示されるように、第１パターンＰ１の形成領域Ａ１が設定されている。形成領域Ａ１には、ｍ次光によるパターンが形成される。形成領域Ａ１は、ｍ次光によるパターンを、他の次数の回折光によるパターンから隔離するために設けられるものである。形成領域Ａ１の広さは、図１３（ａ）に示されるように、実際に第１パターンＰ１が形成される領域の広さよりも広いことがある。形成領域Ａ１がこのように形成される場合、ｍ次光と（ｍ＋１）次光の並進対称性により、第２パターンＰ２に関する形成領域Ａ２も広いものとなる。結果、第１パターンＰ１と第２パターンＰ２との間隔Ｄが大きいものとなる。このような形成領域Ａ１およびＡ２は、第１パターンＰ１のみを際立たせるために設計されることがある。回折格子における回折光の強度は、次数の増加にしたがって減少する傾向がある。このような傾向を利用して、第１パターンＰ１のみで所望のパターンが形成されることがある。この場合、パターンのノイズとなる第２パターンＰ２を目立たなくさせるため、間隔Ｄを大きくすることがある（Ｄ＞Ｃ１＝Ｃ２）。これに対して、本実施形態においては、形成領域Ａ１およびＡ２は、補正部５０８によって図１３（ｂ）に示されるように補正される。図１３（ｂ）において、形成領域Ａ１およびＡ２は、間隔ＤについてＤ＝Ｃ１＝Ｃ２が満たされるように補正されている。結果、第１パターンＰ１と第２パターンＰ２とが一体となって、方向ＤＲに沿って周期的なパターンを形成することになる。補正部５０８は、設計データ記憶部５１０からの設計データによって形成される回折格子における第１パターンＰ１および第２パターンＰ２が図１３（ｂ）に示されるように配列されるように、設計部５０４が設計した回折格子の設計を補正する。この際、形成領域Ａ１およびＡ２の面積を小さくすることで、回折格子の設計を補正してもよい。補正部５０８による補正後の回折格子の設計に基づく第１パターンＰ１とＰ２とが一体となって周期的なパターンを形成している限り、回折格子の設計の補正の際、形成領域Ａ１およびＡ２の面積の減少とともに周期Ｃ１およびＣ２が減少してもよい。あるいは、設計部５０４は、補正部５０８の補正によって周期Ｃ１およびＣ２が減少しても第１パターンＰ１とＰ２とが一体となって形成する周期的なパターンが所望の周期を有するように、回折格子の設計をしていてもよい。
本実施形態における回折光学素子１０４の回折格子は、以上のようにして設計される。以上の設計工程における設計に基づいて回折光学素子１０４の回折格子を形成すれば、第１パターンと第２パターンとが一体となって周期的なパターンを形成する回折光学素子１０４を製造することができる。
（形成工程）
次に、本実施形態における回折光学素子１０４の形成工程について、図１４から図１９を用いて説明する。図１４から図１８は、本実施形態における回折光学素子１０４の形成方法の第１例を示す工程断面図である。図１９は、本実施形態における回折光学素子１０４の形成方法の第２例を示す工程断面図である。
次に、本実施形態における回折光学素子１０４の形成工程について、図１４から図１９を用いて説明する。図１４から図１８は、本実施形態における回折光学素子１０４の形成方法の第１例を示す工程断面図である。図１９は、本実施形態における回折光学素子１０４の形成方法の第２例を示す工程断面図である。
まず、回折光学素子１０４における回折格子の形成方法の第１例を説明する。第１例では、４レベル型回折格子が基板２００に形成される。まず、基板２００を用意する（図１４（ａ））。基板２００は、半導体基板（例えば、シリコン基板）、ガラス基板または石英基板であってもよい。次いで、基板２００上にレジスト膜２０２ａを形成する（図１４（ｂ））。レジスト膜２０２ａは、スピンコートにより形成されてもよい。
次いで、レジスト膜２０２ａを、フォトマスク２０４ａを介して露光する（図１５（ａ））。フォトマスク２０４ａおよび後述のフォトマスク２０４ｂによって基板２００の表面に形成される回折格子の形状が規定される。本実施形態において、回折格子の形状は、上述の設計工程における設計に基づく。そしてこの設計は、フォトマスク２０４ａおよび２０４ｂの形状によって反映させることができる。すなわち、上述の設計工程における回折格子の設計は、フォトマスク２０４ａおよび２０４ｂを設計することに当たる。露光後、基板２００およびレジスト膜２０２ａを現像液に浸漬させる。これにより、レジスト膜２０２ａが図１５（ｂ）に示されるように現像される。
次いで、レジスト膜２０２ａをマスクとして、基板２００をエッチングする。エッチングには、ドライエッチングを用いてもよい。基板２００のエッチング後、レジスト膜２０２ａを剥離する（図１６（ａ））。なお、図１６（ａ）に示される工程において、基板２００の表面には、ピッチ長ｄの２レベル型回折格子が形成されている。図１６（ａ）に示される工程後、基板２００にレジスト膜２０２ｂを形成する（図１６（ｂ））。
次いで、レジスト膜２０２ｂを、フォトマスク２０４ｂを介して露光する（図１７（ａ））。露光後、基板２００およびレジスト膜２０２ｂを現像液に浸漬させる。これにより、レジスト膜２０２ｂが図１７（ｂ）に示されるように現像される。
次いで、レジスト膜２０２ｂをマスクとして、基板２００をエッチングする（図１８（ａ））。エッチングには、ドライエッチングを用いてもよい。基板２００のエッチング後、レジスト膜２０２ａを剥離する（図１８（ｂ））。これにより、基板２００の表面には、ピッチ長ｄの４レベル型回折格子が形成される。
次に、回折光学素子１０４における回折格子の形成方法の第２例を示す。第２例では、ブレーズ型回折格子が基板２００に形成される。第２例では、まず、図１４（ａ）および（ｂ）に示される工程が実行される。その後、レジスト膜２０２ａに対してホログラフィック露光を行う。ホログラフィック露光では、レジスト膜２０２ａに対して異なる２方向から平面波の光（例えば、Ｈｅ−Ｃｄレーザー光）が照射される。これらの光により、レジスト膜２０２ａ上では、干渉縞が形成される。これにより、レジスト膜２０２ａ内には、断面の露光密度が正弦波状である平行線状の潜像が形成される。このような露光がなされたレジスト膜２０２ａを現像すると、断面の形状が正弦半波となるレジスト膜２０２ａ´が基板２００上に残ることになる（図１９（ａ））。本実施形態において、回折格子の形状は、上述の設計工程における設計に基づく。そしてこの設計は、レジスト膜２０２ａ´の配置によって反映させることができる。すなわち、上述の設計工程における回折格子の設計は、レジスト膜２０２ａ´の形状および配置を設計することに当たる。
レジスト膜２０２ａ´の形成後、基板２００の表面の斜め方向からイオンビームエッチング（イオンビームは、図１９（ｂ）において矢印で模式的に示されている。）を行う（図１９（ｂ））。イオンビームエッチングは、レジスト膜２０２ａ´が消失するまで実行する。これにより、ピッチ長ｄのブレーズ型回折格子が、図１９（ｃ）に示されるように、基板２００の表面に形成される。
本実施形態においては、以上の設計工程および形成工程により回折光学素子１０４が得られる。本実施形態における回折光学素子１０４では、第１パターンと第２パターンとが一体となって、周期的なパターンを形成する。これにより、周期的なパターンの照射範囲を広くすることが可能となる。
（第２の実施形態）
第１の実施形態における回折光学素子１０４によれば、周期的なパターンを広範囲に照射することができる。第２の実施形態においては、回折光学素子１０４を、物体の検出装置に適用する。回折光学素子１０４を備えた物体の検出装置によれば、広範囲での物体の検出が可能となる。
第１の実施形態における回折光学素子１０４によれば、周期的なパターンを広範囲に照射することができる。第２の実施形態においては、回折光学素子１０４を、物体の検出装置に適用する。回折光学素子１０４を備えた物体の検出装置によれば、広範囲での物体の検出が可能となる。
本実施形態における物体の検出装置１５０について、図２０を用いて説明する。図２０は、物体の検出装置１５０の構成を示すブロック図である。検出装置１５０は、照射部１５２と、回折部１５４と、投影部１５６と、撮像部１５８と、記憶部１６０と、判定部１６２と、検出部１６４と、を備えている。回折部１５４は、第１の実施形態における回折光学素子１０４により構成されている。照射部１５２は、回折部１５４に単一波長の光１６６を照射する。投影部１５６には、光１６８のパターンが照射される。光１６８のパターンは、回折部１５４の回折格子によって回折された光のパターンである。撮像部１５８は、投影部１５６に照射された光１６８のパターンを時間的に連続して撮像する。記憶部１６０は、撮像部１５８が撮像した光１６８のパターンを記憶する。判定部１６２は、記憶部１６０に記憶された一の時間における光１６８のパターンが、記憶部１６０に記憶された他の時間における光１６８のパターンと異なるかを判定する。検出部１６４は、判定部１６２の判定結果に基づいて、光１６８が照射された物体の存在、形状または位置を検出する。
照射部１５２と、回折部１５４と、投影部１５６とには、図１における光源１０２と、回折光学素子１０４と、スクリーン１０６と、をそれぞれ用いてもよい。この場合、光１６６および１６８は、図１の光１０８および１１０に対応することになる。本実施形態において、投影部１５６（スクリーン１０６）の表面の形状は、回折部１５４（回折光学素子１０４）の回折光のパターンが形成されるものであれば、特定の形状に限定されない。回折部１５４（回折光学素子１０４）における回折光の次数について、ｍ＝１が満たされていてもよい。照射部１５２（光源１０２）が出射する光は、可視光または赤外線、紫外線であってもよい。
検出装置１５０による物体の検出方法を説明する。投影部１５６に光１６８のパターンが照射されているときに、物体が光１６８のパターンの照射を受けながら、投影部１５６の前を通過し、または、置かれたとする。この場合、光１６８のパターンは、物体の存在している箇所と物体の存在していない箇所とで異なる形状を有するようになる。これは、光１６８の光路長に基づくものである。物体から回折部１５４までの光１６８の光路長は、投影部１５６から回折部１５４までの光１６８の光路長よりも短い。結果、物体が存在している箇所における光１６８の像は、投影部１５６における光１６８の像よりも小さいものとなる。そして本実施形態においては、光１６８のパターンは、周期的なパターンである。そのため、物体が存在している箇所においては、光１６８のパターンの周期性が崩れることになる。光１６８のパターンの周期性の崩れは、撮像部１５８で撮像されるとともに、記憶部１６０に記憶される。そして判定部１６２は、光１６８のパターンの周期性の崩れを、撮像部１５８および記憶部１６０を介して判定する。すなわち、判定部１６２は、記憶部１６０を参照して、物体が投影部１５６の前に存在していない時間（一の時間）と、物体が投影部１５６の前に存在している時間（他の時間）とで、光１６８のパターンが異なるかを判定する。検出部１６４は、判定部１６２の判定結果に基づいて、物体の存在、形状または位置を検出する。物体の存在および位置は、光１６８のパターンの周期性の崩れが発生した箇所を解析することで検出される。一方物体の形状は、光１６８の像の周期性の崩れが発生した箇所における光１６８の像の歪みの程度により検出される。
本実施形態においては、回折部１５４に回折光学素子１０４が用いられている。回折光学素子１０４では、第１パターンと第２パターンとが一体となって、周期的なパターンを形成する。これにより、周期的なパターンを広範囲に形成することができる。そして周期的なパターンが広範囲に形成されることは、検出装置１５０が広範囲で物体を検出することができることを意味する。このように、本実施形態における検出装置１５０は、広範囲で物体を検出することができる。
（実施例）
Light Trans 社製 Version of VirtualLabTM advanced 5.3.3を用いて、回折光学素子１０４の回折格子を設計する。当該設計に基づいて形成された回折格子によってスクリーンに形成されるパターンを検証する。図２１から図２３は、回折光学素子１０４の回折格子によってスクリーンに形成されたパターンの写真を示す図である。
Light Trans 社製 Version of VirtualLabTM advanced 5.3.3を用いて、回折光学素子１０４の回折格子を設計する。当該設計に基づいて形成された回折格子によってスクリーンに形成されるパターンを検証する。図２１から図２３は、回折光学素子１０４の回折格子によってスクリーンに形成されたパターンの写真を示す図である。
（参考例）
図２１は、参考例のパターンの写真を示す図である。参考例では、式（１）について、Ｎ＝ｍ＝１、ｄ＝１．６μｍ、λ＝０．６３μｍとして回折格子を設計した。参考例において、０次光は、ｍ＝０、回折角度θ０＝０で照射される。図２１では、０次光が存在する中心には、撮影の便宜のため、黒丸の光吸収剤が置かれている（強度の高すぎる０次光が存在すると、１次光によるパターンが明瞭に確認されないためである。）。図２１では、破線で囲まれた領域が形成領域Ａ１となる。形成領域Ａ１の外側には、外枠部ＯＲが形成されている。外枠部ＯＲには、１次光のパターンは形成されない。参考例では、１次回折角度θ１＝１１度の照射範囲で１次光のパターンが形成された。参考例では、回折光学素子１０４からスクリーンまでの距離が１ｍである場合、１辺０．４８ｍの正方形の１次光の照射パターンが形成される。
図２１は、参考例のパターンの写真を示す図である。参考例では、式（１）について、Ｎ＝ｍ＝１、ｄ＝１．６μｍ、λ＝０．６３μｍとして回折格子を設計した。参考例において、０次光は、ｍ＝０、回折角度θ０＝０で照射される。図２１では、０次光が存在する中心には、撮影の便宜のため、黒丸の光吸収剤が置かれている（強度の高すぎる０次光が存在すると、１次光によるパターンが明瞭に確認されないためである。）。図２１では、破線で囲まれた領域が形成領域Ａ１となる。形成領域Ａ１の外側には、外枠部ＯＲが形成されている。外枠部ＯＲには、１次光のパターンは形成されない。参考例では、１次回折角度θ１＝１１度の照射範囲で１次光のパターンが形成された。参考例では、回折光学素子１０４からスクリーンまでの距離が１ｍである場合、１辺０．４８ｍの正方形の１次光の照射パターンが形成される。
（実施例１）
図２２は、実施例１の写真を示す図である。実施例１では、図２１における外枠部ＯＲをなくすように回折格子が設計された。実施例１では、式（１）について、ｄ＝１．６μｍ、λ＝０．６３μｍとして回折格子を設計した。実施例１では、０次光により形成されるパターンと、１次光により形成されるパターンと、２次光により形成されるパターンとが一体となって、周期的な格子状のパターンを形成した（図２２）。格子状のパターンは、複数のドット状のパターンが集まって形成されている。実施例１において、０次光は、ｍ＝０、回折角度θ０＝０で照射される。図２２では、０次光から白破線までに１次光によるパターンが形成されている。また白破線から右側に２次光によるパターンが形成されている。実施例１において、回折光学素子１０４からスクリーンまでの距離が１ｍである場合、周期的な格子状のパターンは０次光から図２２の白丸印までの距離０．５５ｍにおいて確認された。すなわち、直径１．１ｍの周期的な格子状のパターンが形成された。参考例と実施例１とでは回折格子のピッチ長ｄおよび波長λは同じであっても、実施例１では参考例に比べて広い照射範囲で周期的なパターンを形成することができた。
図２２は、実施例１の写真を示す図である。実施例１では、図２１における外枠部ＯＲをなくすように回折格子が設計された。実施例１では、式（１）について、ｄ＝１．６μｍ、λ＝０．６３μｍとして回折格子を設計した。実施例１では、０次光により形成されるパターンと、１次光により形成されるパターンと、２次光により形成されるパターンとが一体となって、周期的な格子状のパターンを形成した（図２２）。格子状のパターンは、複数のドット状のパターンが集まって形成されている。実施例１において、０次光は、ｍ＝０、回折角度θ０＝０で照射される。図２２では、０次光から白破線までに１次光によるパターンが形成されている。また白破線から右側に２次光によるパターンが形成されている。実施例１において、回折光学素子１０４からスクリーンまでの距離が１ｍである場合、周期的な格子状のパターンは０次光から図２２の白丸印までの距離０．５５ｍにおいて確認された。すなわち、直径１．１ｍの周期的な格子状のパターンが形成された。参考例と実施例１とでは回折格子のピッチ長ｄおよび波長λは同じであっても、実施例１では参考例に比べて広い照射範囲で周期的なパターンを形成することができた。
（実施例２）
図２３は、実施例２の写真を示す図である。実施例２でも、図２１における外枠部ＯＲをなくすように回折格子が設計された。実施例２でも、式（１）について、ｄ＝１．６μｍ、λ＝０．６３μｍとして回折格子を設計した。実施例２では、０次光により形成されるパターンと、１次光により形成されるパターンと、２次光により形成されるパターンと、３次光により形成されるパターンとが一体となって、周期的なパターンを形成した（図２３）。周期的なパターンは、複数のドット状のパターンにより形成されている。実施例２において、０次光は、ｍ＝０、回折角度θ０＝０で照射される。図２３では、０次光から左側の白破線までに１次光によるパターンが形成されている。また左側の白破線から右側の白破線までに２次光によるパターンが形成されている。さらに右側の白破線の右側に３次光によるパターンが形成されている。実施例２において、回折光学素子１０４からスクリーンまでの距離が１ｍである場合、周期的なパターンは０次光から図２３の白丸印までの距離０．８５ｍにおいて確認された。すなわち、直径１．７ｍの周期的な格子状のパターンが形成された。参考例と実施例２とでは回折格子のピッチ長ｄおよび波長λは同じであっても、実施例２では参考例に比べて広い照射範囲で周期的なパターンを形成することができた。
図２３は、実施例２の写真を示す図である。実施例２でも、図２１における外枠部ＯＲをなくすように回折格子が設計された。実施例２でも、式（１）について、ｄ＝１．６μｍ、λ＝０．６３μｍとして回折格子を設計した。実施例２では、０次光により形成されるパターンと、１次光により形成されるパターンと、２次光により形成されるパターンと、３次光により形成されるパターンとが一体となって、周期的なパターンを形成した（図２３）。周期的なパターンは、複数のドット状のパターンにより形成されている。実施例２において、０次光は、ｍ＝０、回折角度θ０＝０で照射される。図２３では、０次光から左側の白破線までに１次光によるパターンが形成されている。また左側の白破線から右側の白破線までに２次光によるパターンが形成されている。さらに右側の白破線の右側に３次光によるパターンが形成されている。実施例２において、回折光学素子１０４からスクリーンまでの距離が１ｍである場合、周期的なパターンは０次光から図２３の白丸印までの距離０．８５ｍにおいて確認された。すなわち、直径１．７ｍの周期的な格子状のパターンが形成された。参考例と実施例２とでは回折格子のピッチ長ｄおよび波長λは同じであっても、実施例２では参考例に比べて広い照射範囲で周期的なパターンを形成することができた。
以上の実施例１および２の結果から、第１の実施形態における回折光学素子１０４では、周期的なパターンを広範囲に形成することができることが確認された。第１の実施形態における回折光学素子１０４では、以上のように、周期的なパターンを広範囲に形成することができる。
１００ 光学系
１０２ 光源
１０４ 回折光学素子
１０６ スクリーン
１０８ 光
１１０ 光
１１０ａ 光
１１０ｂ 光
１１０ｃ 光
１１２ 箇所
１１４ 球面
１５０ 検出装置
１５２ 照射部
１５４ 回折部
１５６ 投影部
１５８ 撮像部
１６０ 記憶部
１６２ 判定部
１６４ 検出部
１６６ 光
１６８ 光
２００ 基板
２０２ａ レジスト膜
２０２ａ´ レジスト膜
２０２ｂ レジスト膜
２０４ａ フォトマスク
２０４ｂ フォトマスク
５００ 設計装置
５０２ 入力部
５０４ 設計部
５０６ 検証部
５０８ 補正部
５１０ 設計データ記憶部
Ｐ０ 第０パターン
Ｐ１ 第１パターン
Ｐ１ａ 第１小パターン
Ｐ１ｂ 第１小パターン
Ｐ１ｃ 第１小パターン
Ｐ１ｄ 第１小パターン
Ｐ２ 第２パターン
Ｐ２ａ 第２小パターン
Ｐ２ｂ 第２小パターン
Ｐ２ｃ 第２小パターン
Ｐ２ｄ 第２小パターン
Ｐ３ 第３パターン
Ｐ４ 第４パターン
ＤＲ 方向
Ａ１ 形成領域
Ａ２ 形成領域
ＯＲ 外枠部
１０２ 光源
１０４ 回折光学素子
１０６ スクリーン
１０８ 光
１１０ 光
１１０ａ 光
１１０ｂ 光
１１０ｃ 光
１１２ 箇所
１１４ 球面
１５０ 検出装置
１５２ 照射部
１５４ 回折部
１５６ 投影部
１５８ 撮像部
１６０ 記憶部
１６２ 判定部
１６４ 検出部
１６６ 光
１６８ 光
２００ 基板
２０２ａ レジスト膜
２０２ａ´ レジスト膜
２０２ｂ レジスト膜
２０４ａ フォトマスク
２０４ｂ フォトマスク
５００ 設計装置
５０２ 入力部
５０４ 設計部
５０６ 検証部
５０８ 補正部
５１０ 設計データ記憶部
Ｐ０ 第０パターン
Ｐ１ 第１パターン
Ｐ１ａ 第１小パターン
Ｐ１ｂ 第１小パターン
Ｐ１ｃ 第１小パターン
Ｐ１ｄ 第１小パターン
Ｐ２ 第２パターン
Ｐ２ａ 第２小パターン
Ｐ２ｂ 第２小パターン
Ｐ２ｃ 第２小パターン
Ｐ２ｄ 第２小パターン
Ｐ３ 第３パターン
Ｐ４ 第４パターン
ＤＲ 方向
Ａ１ 形成領域
Ａ２ 形成領域
ＯＲ 外枠部
Claims (11)
- 回折格子を備え、
前記回折格子は、単一波長の光が前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された場合に当該光の像が、前記一曲面で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子。 - 請求項１に記載の回折光学素子であって、
ｍ＝１である回折光学素子。 - 請求項１または２に記載の回折光学素子であって、
前記第１小パターンおよび前記第２小パターンは、１次元のパターンである回折光学素子。 - 請求項１または２に記載の回折光学素子であって、
前記第１小パターンおよび前記第２小パターンは、２次元のパターンである回折光学素子。 - 請求項４に記載の回折光学素子であって、
前記第１小パターンのうち前記第２小パターンに隣接する部分と前記第２小パターンのうち前記第１小パターンに隣接する部分とが一体となって、前記第３パターンにおける周期的なパターンの１周期のパターンを形成している回折光学素子。 - 請求項１に記載の回折光学素子であって、
前記第１パターンは、格子状に形成されており、
前記第２パターンは、格子状に形成されており、
前記第３パターンは、格子状に形成されている回折光学素子。 - 請求項２に記載の回折光学素子であって、
前記回折格子における０次光で形成された第０パターンと前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第０パターンと前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第４パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子。 - 請求項１から７までのいずれか一項に記載の回折光学素子であって、
前記第１パターンおよび前記第２パターンが一平面に照射された場合、
前記第１小パターンは前記一平面の所定方向に沿って略周期的に配列され、
前記第２小パターンは前記一平面の前記所定方向に沿って略周期的に配列され、
前記第３パターンでは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとが、前記一平面の前記所定方向に沿って配列された略周期的なパターンを形成している回折光学素子。 - 回折格子を設計する工程と、
回折格子を設計する前記工程における回折格子の設計に基づいて、基板に回折格子を形成する工程と、
を含み、
回折格子を設計する前記工程では、前記回折格子は、単一波長の光が前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された場合に当該光の像が、前記一曲面で第１パターンと、第２パターンと、を形成するように設計され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光（ただし、ｍは０以外の正の整数である。）で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第１パターンと前記第２パターンとは、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように前記球面の前記所定方向に沿って配列されている回折光学素子の製造方法。 - 第１パターンを形成する回折格子を設計する設計部と、
前記設計部によって設計された前記回折格子により第２パターンが形成される位置を、検証する検証部と、
前記第１パターンと前記第２パターンとが形成される位置が調整されるように、前記設計部により設計された前記回折格子の設計を補正する補正部と、
を備え、
前記第１パターンおよび前記第２パターンは、前記回折格子によって回折されて一曲面に照射された単一波長の光の像により形成され、前記一曲面は、前記回折格子で回折の生じた箇所を中心とする球面であり、
前記第１パターンは、前記回折格子におけるｍ次光で形成された第１小パターンを含み、前記第１小パターンは前記球面の所定方向に沿って周期的に配列され、
前記第２パターンは、前記回折格子における（ｍ＋１）次光で形成された第２小パターンを含み、前記第２小パターンは前記球面の前記所定方向に沿って周期的に配列され、
前記補正部は、前記第１小パターンと前記第２小パターンとを含む周期的な第３パターンが形成されるように、前記第１パターンと前記第２パターンとを、前記球面の前記所定方向に沿って配列させて前記回折格子の設計を補正する回折光学素子の設計装置。 - 請求項１から８までのいずれか一項に記載の回折光学素子により構成された回折部と、
前記回折光学素子に単一波長の光を照射する照射部と、
前記回折光学素子の前記回折格子によって回折された光のパターンが照射される投影部と、
前記回折光学素子から前記投影部に照射された光のパターンを時間的に連続して撮像する撮像部と、
前記撮像部が撮像した前記光のパターンを記憶する記憶部と、
前記記憶部に記憶された一の時間における光のパターンが、前記記憶部に記憶された他の時間における光のパターンと異なるかを判定する判定部と、
前記判定部の判定結果に基づいて、前記回折光学素子の前記回折格子によって回折された光のパターンが照射された物体の存在、形状または位置を検出する検出部と、
を備える物体の検出装置。
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|---|---|---|---|---|
| JP2001188460A (ja) * | 1999-10-18 | 2001-07-10 | Victor Co Of Japan Ltd | 計算機ホログラム及びその作成方法 |
| JP2012032379A (ja) * | 2010-07-07 | 2012-02-16 | Sanyo Electric Co Ltd | 物体検出装置および情報取得装置 |
| JP2012058729A (ja) * | 2010-08-10 | 2012-03-22 | Asahi Glass Co Ltd | 回折光学素子及び計測装置 |
-
2013
- 2013-04-04 JP JP2013078929A patent/JP6174355B2/ja active Active
Patent Citations (3)
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|---|---|---|---|---|
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