JP2018022151A - 回折光学素子、光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率が高く、また、光の入射角がずれた場合であっても、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができ、さらに、回折光のムラが少ない回折光学素子、光照射装置を提供する。【解決手段】回折光学素子１０は、光を整形する回折光学素子であって、断面形状において複数の凸部１１ａが並んで配置されている高屈折率部１１と、高屈折率部１１よりも屈折率が低く、少なくとも凸部１１ａの間に形成されている凹部１２を含む低屈折率部１４と、を有する回折層１５を備え、凸部１１ａは、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部（１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４）を備えた多段階形状を有しており、凸部１１ａの側面形状は、回折層１５を含む平面に対して傾いた傾斜部（１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ）を少なくとも一部に備える。【選択図】図４

Description

本発明は、回折光学素子、光照射装置に関するものである。

ネットワークの普及によるセキュリティリスク回避のための個人認証へのニーズや、自動車の自動運転化の流れ、又は、いわゆる「モノのインターネット」の普及等、近年、センサーシステムを必要とする局面が増大している。センサーには色々な種類があり、検出する情報も様々であるが、その中の１つの手段として、光源から対象物に対して光を照射し、反射してきた光から情報を得るというものがある。例えば、パターン認証センサーや赤外線レーダー等はその一例である。

これらのセンサーの光源は、用途に応じた波長分布や明るさ、広がりをもったものが使用される。光の波長は、可視光〜赤外線がよく用いられ、特に赤外線は外光の影響を受けにくく、不可視であり、対象物のやや内部を観察することも可能という特徴があるため、広く用いられている。また、光源の種類としては、ＬＥＤ光源やレーザー光源等が多く用いられる。例えば、遠いところを検知するには光の広がりが少ないレーザー光源が好適に用いられ、比較的近いところを検知する場合や、ある程度の広がりを持った領域を照射するにはＬＥＤ光源が好適に用いられる。

ところで、対象とする照射領域の大きさや形状は、必ずしも光源からの光の広がり（プロファイル）と一致しているとは限らず、その場合には拡散板やレンズ、遮蔽板等により光を整形する必要がある。最近では、Ｌｉｇｈｔ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ（ＬＳＤ）という、光の形状をある程度整形できる拡散板が開発されている。
また、光を整形する別の手段として、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ：ＤＯＥ）が挙げられる。これは異なる屈折率を持った材料が周期性を持って配列している場所を光が通過する際の回折現象を応用したものである。ＤＯＥは、基本的に単一波長の光に対して設計されるものであるが、理論的には、ほぼ任意の形状に光を整形することが可能である。また、前述のＬＳＤにおいては、照射領域内の光強度がガウシアン分布となるのに対し、ＤＯＥでは、照射領域内の光分布の均一性を制御することが可能である。ＤＯＥのこのような特性は、不要な領域への照射を抑えることによる高効率化や、光源数の削減等による装置の小型化等の点で有利となる（例えば、特許文献１参照）。
また、ＤＯＥは、レーザーの様な平行光源や、ＬＥＤの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。

ＤＯＥは、ｎｍオーダーでの微細加工が必要となり、特に長波長の光を回折するためには、高アスペクト比の微細形状を形成する必要があった。そのため、ＤＯＥの製造には、従来、電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が用いられている。例えば、紫外線〜近赤外線領域で透明である石英板に、ハードマスクやレジストを成膜後、電子線を用いてレジストに所定の形状を描画し、レジスト現像、ハードマスクのドライエッチング、石英のドライエッチングを順次行って、石英板表面にパターンを形成した後、ハードマスクを除去することで所望のＤＯＥを得ることができる。

特開２０１５−１７０３２０号公報

ＤＯＥは、光を効率よく整形することが可能であるが、ＤＯＥと空気界面（又は、ＤＯＥと屈折率が異なる材料との界面）において、屈折率が急激に変化することによる界面反射が起こってしまう。この界面反射は、光の利用効率を低下させてしまう。
界面反射を回避するためには、例えば、誘電体多層膜のような反射防止膜を形成するという手法が考えられるが、一般的にコストアップにつながる場合が多かった。また、反射防止膜をＤＯＥの微細形状に沿って均一に形成することが困難な場合が多かった。

また、ＤＯＥは、一般的にある決まった方向からの入射光に対して所望の整形を光に行うことができるように設計される。レーザー光源を用いる場合は、ＤＯＥ面（ＤＯＥの周期構造が存在する面、又は、その裏面）に対して通常、垂直入射されることが多い。また、ＬＥＤ等の拡散光源を用いる場合は、光源の拡散プロファイルを元にして、ＤＯＥ平面（回折格子の周期構造を含む面）に対して斜めに光が入ることを考慮した設計がＤＯＥに対して行われる。
しかし、ＤＯＥを実際に使用する場合には、設計に用いた拡散プロファイル通りの角度で光が入射するとは限らず、装置の組み付け精度や光源の性能ぶれ等の影響で入射角が変化することがある。従来のＤＯＥでは、入射角が設計時の角度からずれると、回折光（出射光）の特性（例えば、配光特性）が大きく変化する傾向にあった。そのため、ＤＯＥ及びＤＯＥを備えた光照射装置の設計マージンが狭くなる傾向にあり、実用化が困難であったり、装置の高額化が懸念されたりしていた。

さらに、ＤＯＥの配光効率を向上するために、断面形状を多段階形状に形成する場合がある。これは、光の回折の方向を制御することにより配光精度を上げるものである。しかし、そのように高い精度を求める場合、多段階形状を加工する工程における加工精度には、限界があり、多段階形状の寸法にばらつきが生じる。そして、この多段階形状の寸法のばらつきによって、整形された回折光にもムラが生じる場合があった。

本発明の課題は、光の利用効率が高く、また、光の入射角がずれた場合であっても、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができ、さらに、回折光のムラが少ない回折光学素子、光照射装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

第１の発明は、光を整形する回折光学素子（１０，２０，３０，４０）であって、断面形状において複数の凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ等の形状）が並んで配置されている高屈折率部（１１，２１，３１，４１）と、前記高屈折率部（１１，２１，３１，４１）よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ等の形状）の間に形成されている凹部（１２）を含む低屈折率部（１４）と、を有する回折層（１５，２５，３５，４５）を備え、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部（１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４，２１ａ−１，２１ａ−２，２１ａ−３，２１ａ−４，３１ａ−１，３１ａ−２，３１ａ−３，３１ａ−４，４１ａ−１，４１ａ−２，４１ａ−３，４１ａ−４）を備えた多段階形状を有しており、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の側面形状は、前記回折層（１５，２５，３５，４５）を含む平面に対して傾いた傾斜部（１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，３１ｂ，３１ｃ，３１ｄ，４１ｂ，４１ｃ，４１ｄ）を少なくとも一部に備える回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第２の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の側面形状は、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の先端部から根元部（１１ｆ，２１ｆ，３１ｆ，４１ｆ）に向かって前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の幅が広がる向きに傾斜した第１の傾斜部（１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ）を備えること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第３の発明は、第２の発明に記載の回折光学素子において、前記第１の傾斜部（１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ）から前記根元部（１１ｆ，２１ｆ，３１ｆ，４１ｆ）に向かって前記回折層（１５，２５，３５，４５）に垂直な向きに延在する垂直部を備えること、を特徴とする回折光学素子である。

第４の発明は、第２の発明に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記第１の傾斜部（１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ，４１ｂ）から前記根元部（１１ｆ，２１ｆ，３１ｆ，４１ｆ）に向かって前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の幅が狭くなる向きに傾斜した第２の傾斜部（１１ｃ，２１ｃ，３１ｃ，４１ｃ）と、前記第２の傾斜部（１１ｃ，２１ｃ，３１ｃ，４１ｃ）からさらに前記根元部（１１ｆ，２１ｆ，３１ｆ，４１ｆ）に向かって前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の幅が広がる向きに傾斜した第３の傾斜部（１１ｄ，２１ｄ，３１ｄ，４１ｄ）と、を備えること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第５の発明は、第４の発明に記載の回折光学素子において、前記第２の傾斜部（１１ｃ，２１ｃ，３１ｃ，４１ｃ）と前記第３の傾斜部（１１ｄ，２１ｄ，３１ｄ，４１ｄ）とが繋がるくびれ部分の幅は、１つの段部の幅としてみたときに、当該段部の頂部（１１ｅ，２１ｅ，３１ｅ，４１ｅ）の幅よりも広いこと、を特徴とする回折光学素子である。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，３０，４０）において、前記多段階形状の稜線（１１ｊ，１１ｋ，３１ｊ，３１ｋ，４１ｋ）の少なくとも１つは、角を持たずに傾斜していること、を特徴とする回折光学素子（１０，３０，４０）である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記多段階形状の隣り合う段部の境界の少なくとも１つに、各段部の幅よりも狭い幅で鋭角に突出、又は、鋭角に窪んで形成された鋭角部（１１ｇ，１１ｈ，２１ｈ，２１ｉ，３１ｉ，４１ｉ）を備えること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記高屈折率部（１１，２１，３１，４１）は、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第９の発明は、第１の発明から第８の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記低屈折率部（１４）は、空気であること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第１０の発明は、第１の発明から第９の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０）において、透明基材（６１）と、前記回折層（１５，２５，３５，４５）と、前記回折層（１５，２５，３５，４５）を被覆する被覆層（６２，６３）とが、この順番で積層されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第１１の発明は、第１の発明から第１０の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記回折層（１５，２５，３５，４５）は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折すること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第１２の発明は、第１１の発明に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）において、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ，４１ａ）の高さは６５０ｎｍ以上であること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０，４０）である。

第１３の発明は、光源（Ｌ）と、前記光源（Ｌ）が発光する光が通過する位置に少なくとも１つ配置された、第１の発明から第１２の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０，４０）と、を備える光照射装置である。

第１４の発明は、第１３の発明に記載の光照射装置において、前記光源（Ｌ）は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を発光できること、を特徴とする光照射装置である。

本発明によれば、光の利用効率が高く、また、光の入射角がずれた場合であっても、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができ、さらに、回折光のムラが少ない回折光学素子、光照射装置を提供することができる。

本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。 図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。 図２中の矢印Ｇ−Ｇ’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。 凸部１１ａを拡大して示した図である。 第２実施形態の回折光学素子２０を図３と同様な断面で示した図である。 凸部２１ａを拡大して示した図である。 第３実施形態の回折光学素子３０を図３と同様な断面で示した図である。 凸部３１ａを拡大して示した図である。 第４実施形態の回折光学素子４０を図３と同様な断面で示した図である。 凸部４１ａを拡大して示した図である。 比較例の回折光学素子を図３等と同様に示した断面図である。 評価の状況を示す図である。 本発明の回折光学素子が比較例の回折光学素子よりも反射光が少なくなる理由を説明する図である。 入射角度の変化と回折光との関係を単純化して模式的に示した図である。 回折光学素子を説明する図である。 回折光学素子の変形形態として、透明基材を設けている例を示す図である。 回折光学素子の変形形態として、透明基材、及び、被覆層を設けている例を示す図である。 回折光学素子の変形形態として、透明基材、及び、被覆層を設けている例を示す図である。 第５実施形態の回折光学素子７０を図３と同様な断面で示した図である。 第５実施形態の回折光学素子７０を実際に作製したものを拡大した写真である。 凸部７１ａを拡大して示した図である。 シミュレーション用に作成した第５実施形態の回折光学素子７０を模した計算用モデルの形状を示す図である。 比較例の回折光学素子５０と第５実施形態の回折光学素子７０とのシミュレーション結果を示す図である。 くびれ部分７１ｂが形成されていない回折光学素子７０Ｂのモデルを示す図である。 回折効率について、くびれ部分７１ｂが形成されていない回折光学素子７０Ｂのシミュレーション結果を、第５実施形態の回折光学素子７０のシミュレーション結果と併せて示した図である。 窪み部７１ｃが形成されていない回折光学素子７０Ｃのモデルを示す図である。 ３０°斜め入射における回折効率について、窪み部７１ｃが形成されていない回折光学素子７０Ｃのシミュレーション結果を、第５実施形態の回折光学素子７０のシミュレーション結果と併せて示した図である。 第６実施形態の回折光学素子８０を図３と同様な断面で示した図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。
図２は、図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図３は、図２中の矢印Ｇ−Ｇ’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。

なお、本発明において用いる、形状や幾何学的条件、及び、それらの程度を特定する用語、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。また、この明細書における「平面視」とは、回折光学素子の板面に対し垂直方向であって、微細形状が形成されている側から視認することを意味する。すなわち、回折光学素子の回折層を有する面に対して垂直方向から視認することに相当する（図２中のＺ軸のプラス側から視認した状態であって、図１のような平面図が視認されることになる）。

また、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状（照射領域）が任意の形状となるようにすることをいう。例えば、図１５の例に示されるように、平面形状のスクリーン２００に直接投影した場合に照射領域２０２が円形となる光２０１（図１５（ｂ））を用意する。この光２０１を、本発明の回折光学素子１０を透過させることにより、照射領域２０４が正方形（図１５（ａ））や、長方形、円形（図示せず）等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。

第１実施形態の回折光学素子１０は、光を整形する回折光学素子（ＤＯＥ）である。回折光学素子１０は、波長が９８０ｎｍの赤外レーザーに対して十文字形状、具体的には±５０度に、幅が±３．３度で広がる光の帯が２本公差した形状に光を広げるように設計されている。
第１実施形態の回折光学素子１０は、図１に示したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれの位置において深さが異なっている。すなわち、回折光学素子１０は、４段階の高さの異なる多段階形状により構成されている。そして、回折光学素子１０は、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域（部分周期構造：例えば、図１のＥ，Ｆ領域）を有している。図２では、部分周期構造の一例を抽出して示している。
回折光学素子１０は、図３に示すように、断面形状において複数の凸部１１ａが並んで配置されている高屈折率部１１を備えている。この高屈折率部１１は、同じ断面形状を維持したまま、断面の奥行き方向に延在している。

高屈折率部１１は、例えば、クオーツ（ＳｉＯ_２、合成石英）をドライエッチング処理により形状を加工して作られたものであってもよいし、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであってもよい。このような周期構造の製造方法は、様々な手法が公知であり、それら公知の手法によって、適宜作成することができる。そして、以下に説明する本願に特徴的な傾斜部等の形状は、主にドライエッチング処理の各種条件を調整することによって実現されるものである。

また、凸部１１ａの間に形成されている凹部１２及び凸部１１ａの頂部付近の空間１３を含む図３の上方の部分は、空気が存在しており、高屈折率部１１よりも屈折率が低い低屈折率部１４となっている。これら高屈折率部１１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層１５が構成されている。

図４は、凸部１１ａを拡大して示した図である。
凸部１１ａは、側面形状の一方側（図４では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部１１ａは、最も突出したレベル１段部１１ａ−１と、レベル１段部１１ａ−１よりも一段低いレベル２段部１１ａ−２と、レベル２段部１１ａ−２よりもさらに一段低いレベル３段部１１ａ−３と、レベル３段部１１ａ−３よりもさらに一段低いレベル４段部１１ａ−４とを一側面側に有している。
また、凸部１１ａの段部とは反対側（図４では、右側）の側面形状は、回折層１５を含む平面Ｐに対して傾いた傾斜部を複数備えている。具体的には、凸部１１ａには、第１の傾斜部１１ｂと、第２の傾斜部１１ｃと、第３の傾斜部１１ｄとが設けられている。

第１の傾斜部１１ｂは、レベル１段部１１ａ−１の先端部１１ｅから根元部１１ｆに向かって凸部１１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。この第１の傾斜部１１ｂの斜面を含めて、斜面とは、曲面により構成されているものを主に示し、これを説明する。しかし、これらの斜面は、平面により構成されている部分を含んでいてもよい。

第２の傾斜部１１ｃは、第１の傾斜部１１ｂから根元部１１ｆに向かって凸部１１ａの幅が狭くなる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

第３の傾斜部１１ｄは、第２の傾斜部１１ｃからさらに根元部１１ｆに向かって凸部１１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

また、凸部１１ａは、鋭角部１１ｇ、１１ｈ、１１ｉを備えている。
鋭角部１１ｇは、隣り合うレベル２段部１１ａ−２とレベル３段部１１ａ−３との境界にあって、レベル２段部１１ａ−２及びレベル３段部１１ａ−３の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側へ向けて突出している。
鋭角部１１ｈは、隣り合うレベル３段部１１ａ−３とレベル４段部１１ａ−４との境界にあって、レベル３段部１１ａ−３及びレベル４段部１１ａ−４の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側へ向けて突出している。
鋭角部１１ｉは、隣り合うレベル３段部１１ａ−３とレベル４段部１１ａ−４との境界にあって、レベル３段部１１ａ−３及びレベル４段部１１ａ−４の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側から高屈折率部１１側へ向けて窪んで形成されている。

また、レベル１段部１１ａ−１とレベル２段部１１ａ−２との間の壁部１１ｍと、レベル２段部１１ａ−２とレベル３段部１１ａ−３との間の壁部１１ｎと、レベル３段部１１ａ−３とレベル４段部１１ａ−４との間の壁部１１ｏとは、いずれも低屈折率部１４側から高屈折率部１１側へ向かって凸部１１ａの幅が広がる向きに傾斜した斜面として構成されている。

さらに、凸部１１ａの多段階形状の稜線のうち、稜線１１ｊ及び稜線１１ｋは、丸められていることから、角を持たずに傾斜している。
稜線１１ｊは、レベル３段部１１ａ−３と鋭角部１１ｉとの間の稜線であり、稜線の角が丸められて、角を持たずに傾斜した形態となっている。この稜線１１ｊについては、近くに鋭角部１１ｈが形成されているために、レベル３段部１１ａ−３と鋭角部１１ｈとの間の稜線とも捉えることができるが、鋭角部１１ｈは、追加的に設けられているものであるので、この鋭角部１１ｈを考慮せずに、レベル３段部１１ａ−３と鋭角部１１ｉとの間の稜線を丸めた形状として捉えるべきものである。
稜線１１ｋは、レベル４段部１１ａ−４と鋭角部１１ｉとの間の稜線であり、稜線の角が丸められて、角を持たずに傾斜した形態となっている。なお、この稜線１１ｋについては、鋭角部１１ｉが形成されていないと、そもそも角が存在せず、隅となる部分である。

例えば、９８０ｎｍのレーザー光に対し、材質を石英とし、長辺±５０°×短辺±３．３°に広がる矩形の拡散形状を４−ｌｅｖｅｌで設計する場合には、回折格子の最適深さは１６３３ｎｍ、ピッチは１２８０ｎｍ、突起部の幅は９６０ｎｍとなる。
これらの設計は、例えば厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）アルゴリズムを用いたＧｒａｔｉｎｇＭＯＤ（Ｒｓｏｆｔ社製）や、反復フーリエ変換アルゴリズム（ＩＦＴＡ）を用いたＶｉｒｔｕａｌｌａｂ（ＬｉｇｈｔＴｒａｎｓ社製）などの各種シミュレーションツールを用いて行うことができる。
また、凸部１１ａの高さは、６５０ｎｍ以上であることが望ましい。これは、波長７８０ｎｍ、屈折率１．６で計算した場合、２−ｌｅｖｅｌでは６５０ｎｍ、４−ｌｅｖｅｌでは９７５ｎｍ、８−ｌｅｖｅｌでは１１３７ｎｍの凸部１１ａの高さが必要になるからである。

上述したように、先端部１１ｅから、第１の傾斜部１１ｂと、第２の傾斜部１１ｃと、第３の傾斜部１１ｄとが繋がって設けられていることにより、凸部１１ａは、その幅が、先端部１１ｅから根元部１１ｆに向かって広がっていき、次に狭まっていき、第２の傾斜部１１ｃと第３の傾斜部１１ｄとの境界部分で、１つの段部、すなわち、レベル１段部１１ａ−１の幅としてみたときに、幅が最も狭くなって、くびれ部分が形成され、第３の傾斜部１１ｄで幅が広がって根元部１１ｆに達する。したがって、凸部１１ａの段部とは反対側（図４では、右側）の側面形状は、その断面形状を詳細にみると、向きが異なる複数の斜面を組み合わせて構成されている。
また、凸部１１ａの段部側には、鋭角部１１ｇ、１１ｈ、１１ｉと、角が丸められて角を持たない傾斜した面に構成された稜線１１ｊ及び稜線１１ｋが設けられている。
このように、第１実施形態の回折光学素子１０は、全体としてみると、従来の回折光学素子の形状と同様な多段階形状を備えているが、その断面形状を詳細にみると、様々な斜面や曲面を組み合わせて構成されている。

第１実施形態の回折光学素子１０の作用及び効果については、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の回折光学素子２０を図３と同様な断面で示した図である。
第２実施形態の回折光学素子２０は、凸部２１ａの形状が第１実施形態の回折光学素子１０と異なる他は、第１実施形態と同様な形態をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
回折光学素子２０は、凸部２１ａを有する高屈折率部２１と、凹部１２及び空間１３を含む低屈折率部１４とを備え、高屈折率部２１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層２５が構成されている。

凸部２１ａは、形状が異なる他は、第１実施形態の凸部１１ａと同様である。以下、凸部２１ａの形状について説明する。
図６は、凸部２１ａを拡大して示した図である。
凸部２１ａは、側面形状の一方側（図６では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部２１ａは、最も突出したレベル１段部２１ａ−１と、レベル１段部２１ａ−１よりも一段低いレベル２段部２１ａ−２と、レベル２段部２１ａ−２よりもさらに一段低いレベル３段部２１ａ−３と、レベル３段部２１ａ−３よりもさらに一段低いレベル４段部２１ａ−４とを一側面側に有している。
また、凸部２１ａの段部とは反対側（図６では、右側）の側面形状は、回折層２５を含む平面Ｐに対して傾いた傾斜部を複数備えている。具体的には、凸部２１ａには、第１の傾斜部２１ｂと、第２の傾斜部２１ｃと、第３の傾斜部２１ｄとが設けられている。

第１の傾斜部２１ｂは、レベル１段部２１ａ−１の先端部２１ｅから根元部２１ｆに向かって凸部２１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。この第１の傾斜部２１ｂの斜面を含めて、斜面とは、曲面により構成されているものを主に示し、これを説明する。しかし、これらの斜面は、平面により構成されている部分を含んでいてもよい。

第２の傾斜部２１ｃは、第１の傾斜部２１ｂから根元部２１ｆに向かって凸部２１ａの幅が狭くなる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

第３の傾斜部２１ｄは、第２の傾斜部２１ｃからさらに根元部２１ｆに向かって凸部２１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

また、凸部２１ａは、鋭角部２１ｇ、２１ｈ、２１ｉを備えている。
鋭角部２１ｇは、隣り合うレベル１段部２１ａ−１とレベル２段部２１ａ−２との境界の角部にあって、レベル１段部２１ａ−１及びレベル２段部２１ａ−２の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側へ向けて突出している。
鋭角部２１ｈは、隣り合うレベル１段部２１ａ−１とレベル２段部２１ａ−２との境界の隅部にあって、レベル１段部２１ａ−１及びレベル２段部２１ａ−２の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側から高屈折率部１１側へ向けて窪んで形成されている。
鋭角部２１ｉは、隣り合うレベル２段部２１ａ−２とレベル３段部２１ａ−３との境界にあって、レベル２段部２１ａ−２及びレベル３段部２１ａ−３の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側から高屈折率部１１側へ向けて窪んで形成されている。

また、レベル１段部２１ａ−１とレベル２段部２１ａ−２との間の壁部２１ｍと、レベル２段部２１ａ−２とレベル３段部２１ａ−３との間の壁部２１ｎと、レベル３段部２１ａ−３とレベル４段部２１ａ−４との間の壁部２１ｏとは、いずれも低屈折率部１４側から高屈折率部２１側へ向かって凸部２１ａの幅が広がる向きに傾斜した斜面として構成されている。

また、レベル１段部２１ａ−１の先端部２１ｅ及びレベル２段部２１ａ−２の先端部２１ｊは、高屈折率部２１側へ凹んだ曲面状の傾斜面に形成されている。

なお、第２実施形態の回折光学素子２０の形状は、第１実施形態の回折光学素子１０の逆版形状となっている。よって、第２実施形態の回折光学素子２０の作製は、第１実施形態の回折光学素子１０を作製した後、この回折光学素子１０から型取りを行って逆版１を作製する。そして、この逆版１をさらに型取りして逆版２を作製し、この逆版２を用いて、電離放射線硬化型樹脂による賦型を行って、回折光学素子２０が得られる。

第２実施形態の回折光学素子２０の作用及び効果についても、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の回折光学素子３０を図３と同様な断面で示した図である。
第３実施形態の回折光学素子３０は、凸部３１ａの形状が第１実施形態の回折光学素子１０と異なる他は、第１実施形態と同様な形態をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
回折光学素子３０は、凸部３１ａを有する高屈折率部３１と、凹部１２及び空間１３を含む低屈折率部１４とを備え、高屈折率部３１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層３５が構成されている。

凸部３１ａは、形状が異なる他は、第１実施形態の凸部１１ａと同様である。以下、凸部３１ａの形状について説明する。
図８は、凸部３１ａを拡大して示した図である。
凸部３１ａは、側面形状の一方側（図８では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部３１ａは、最も突出したレベル１段部３１ａ−１と、レベル１段部３１ａ−１よりも一段低いレベル２段部３１ａ−２と、レベル２段部３１ａ−２よりもさらに一段低いレベル３段部３１ａ−３と、レベル３段部３１ａ−３よりもさらに一段低いレベル４段部３１ａ−４とを一側面側に有している。
また、凸部３１ａの段部とは反対側（図８では、右側）の側面形状は、回折層３５を含む平面Ｐに対して傾いた傾斜部を複数備えている。具体的には、凸部３１ａには、第１の傾斜部３１ｂと、第２の傾斜部３１ｃと、第３の傾斜部３１ｄとが設けられている。

第１の傾斜部３１ｂは、レベル１段部３１ａ−１の先端部３１ｅから根元部３１ｆに向かって凸部３１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。この第１の傾斜部３１ｂの斜面を含めて、斜面とは、曲面により構成されているものを主に示し、これを説明する。しかし、これらの斜面は、平面により構成されている部分を含んでいてもよい。

第２の傾斜部３１ｃは、第１の傾斜部３１ｂから根元部３１ｆに向かって凸部３１ａの幅が狭くなる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

第３の傾斜部３１ｄは、第２の傾斜部３１ｃからさらに根元部３１ｆに向かって凸部３１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

また、凸部３１ａは、鋭角部３１ｉを備えている。
鋭角部３１ｉは、隣り合うレベル３段部３１ａ−３とレベル４段部３１ａ−４との境界にあって、レベル３段部３１ａ−３及びレベル４段部３１ａ−４の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側から高屈折率部３１側へ向けて窪んで形成されている。

また、レベル１段部３１ａ−１とレベル２段部３１ａ−２との間の壁部３１ｍと、レベル２段部３１ａ−２とレベル３段部３１ａ−３との間の壁部３１ｎと、レベル３段部３１ａ−３とレベル４段部３１ａ−４との間の壁部３１ｏとは、いずれも低屈折率部１４側から高屈折率部３１側へ向かって凸部３１ａの幅が広がる向きに傾斜した斜面として構成されている。

さらに、凸部３１ａの多段階形状の稜線のうち、稜線３１ｊ及び稜線３１ｋは、丸められていることから、角を持たずに傾斜している。
稜線３１ｊは、レベル３段部３１ａ−３と鋭角部３１ｉとの間の稜線であり、稜線の角が丸められて、角を持たずに傾斜した形態となっている。
稜線３１ｋは、レベル４段部３１ａ−４と鋭角部３１ｉとの間の稜線であり、稜線の角が丸められて、角を持たずに傾斜した形態となっている。なお、この稜線３１ｋについては、鋭角部３１ｉが形成されていないと、そもそも角が存在せず、隅となる部分である。

第３実施形態の回折光学素子３０の作用及び効果についても、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（第４実施形態）
図９は、第４実施形態の回折光学素子４０を図３と同様な断面で示した図である。
第４実施形態の回折光学素子４０は、凸部４１ａの形状が第１実施形態の回折光学素子１０と異なる他は、第１実施形態と同様な形態をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
回折光学素子４０は、凸部４１ａを有する高屈折率部４１と、凹部１２及び空間１３を含む低屈折率部１４とを備え、高屈折率部４１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層４５が構成されている。

凸部４１ａは、形状が異なる他は、第１実施形態の凸部１１ａと同様である。以下、凸部４１ａの形状について説明する。
図１０は、凸部４１ａを拡大して示した図である。
凸部４１ａは、側面形状の一方側（図１０では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部４１ａは、最も突出したレベル１段部４１ａ−１と、レベル１段部４１ａ−１よりも一段低いレベル２段部４１ａ−２と、レベル２段部４１ａ−２よりもさらに一段低いレベル３段部４１ａ−３と、レベル３段部４１ａ−３よりもさらに一段低いレベル４段部４１ａ−４とを一側面側に有している。
また、凸部４１ａの段部とは反対側（図１０では、右側）の側面形状は、回折層４５を含む平面Ｐに対して傾いた傾斜部を複数備えている。具体的には、凸部４１ａには、第１の傾斜部４１ｂと、第２の傾斜部４１ｃと、第３の傾斜部４１ｄとが設けられている。

第１の傾斜部４１ｂは、レベル１段部４１ａ−１の先端部４１ｅから根元部４１ｆに向かって凸部４１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。この第１の傾斜部４１ｂの斜面を含めて、斜面とは、曲面により構成されているものを主に示し、これを説明する。しかし、これらの斜面は、平面により構成されている部分を含んでいてもよい。

第２の傾斜部４１ｃは、第１の傾斜部４１ｂから根元部４１ｆに向かって凸部４１ａの幅が狭くなる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

第３の傾斜部４１ｄは、第２の傾斜部４１ｃからさらに根元部４１ｆに向かって凸部４１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

また、凸部４１ａは、鋭角部４１ｉを備えている。
鋭角部４１ｉは、隣り合うレベル３段部４１ａ−３とレベル４段部４１ａ−４との境界にあって、レベル３段部４１ａ−３及びレベル４段部４１ａ−４の幅よりも狭い幅で鋭角に低屈折率部１４側から高屈折率部４１側へ向けて窪んで形成されている。

また、レベル１段部４１ａ−１とレベル２段部４１ａ−２との間の壁部４１ｍと、レベル２段部４１ａ−２とレベル３段部４１ａ−３との間の壁部４１ｎと、レベル３段部４１ａ−３とレベル４段部４１ａ−４との間の壁部４１ｏとは、いずれも低屈折率部１４側から高屈折率部４１側へ向かって凸部４１ａの幅が広がる向きに傾斜した斜面として構成されている。

さらに、稜線４１ｋは、レベル４段部４１ａ−４と鋭角部４１ｉとの間の稜線であり、稜線の角が丸められて、角を持たずに傾斜した形態となっている。なお、この稜線３１ｋについては、鋭角部３１ｉが形成されていないと、そもそも角が存在せず、隅となる部分である。

第４実施形態の回折光学素子４０の作用及び効果についても、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（各実施形態の作用及び効果）
次に、上記各実施形態の作用と効果について、比較例と比較しながら説明する。
各実施形態の回折光学素子の作用及び硬化を確認するために、本発明の構成を適用していない比較例を用意した。
図１１は、比較例の回折光学素子を図３等と同様に示した断面図である。
比較例の回折光学素子５０は、各実施形態の回折光学素子が備えている傾斜部を備えず、略完全な矩形形状を組み合わせた多段形状として構成されている。なお、比較例の回折光学素子５０は、各実施形態の回折光学素子と同じく、波長が９８０ｎｍの赤外レーザーに対して具体的には±５０度に、幅が±３．３度で広がる光の帯が２本公差した十文字形状に光を広げるように設計されている。

図１２は、評価の状況を示す図である。
第１実施形態の回折光学素子１０から第４実施形態の回折光学素子４０と、比較例の回折光学素子５０の、合計４種類の回折光学素子に対して、図１２に示すような状況で回折光の形状と反射光の確認を行った。
スクリーンＳとしては、市販のコピー用紙を用いた。
赤外線カメラＣＡＭ１，ＣＡＭ２は、９８０ｎｍの波長を検出できるＲａｄｉａｎｔ Ｚｅｍａｘ社のＰｒｏｍｅｔｒｉｃを用いた。赤外線カメラＣＡＭ１，ＣＡＭ２には、ノイズを防ぐため可視光カットフィルターを取り付けて測定した。
光源Ｌは、波長９８０ｎｍの赤外レーザーをＤＯＥ（回折光学素子１０から回折光学素子４０、及び比較例の回折光学素子５０）に対し１度傾けて照射するように設定した。なお、この光源Ｌと、光源Ｌが発光する光が通過する位置に上記回折光学素子１０〜４０のいずれかが配置されることにより、光照射装置が構成されている。
この条件で、回折光学素子（ＤＯＥ）の表面で反射する光、及び、スクリーンＳに投影される光を、それぞれ赤外線カメラＣＡＭ１，ＣＡＭ２で観察し、比較を行った。
また、赤外レーザーの入射角度を１±１度で変動させたときのスクリーン投影形状の変動についても確認した。その結果を表１に示す。

表１の結果を見ると、１度入射による投影形状については、第１実施形態から第４実施形態のように傾斜部を設けたものでは、比較例と同等か、それ以上の良好な結果が得られていることがわかる。特に、第１実施形態の回折光学素子１０及び第２実施形態の回折光学素子２０について、良好な結果が得られている。これは、第１実施形態及び第２実施形態では、鋭角部が多く形成されており、この鋭角部があることにより、急激な形状の変化点が形成されており、これにより高次回折光が発生して、多段階形状の寸法のばらつきに起因して発生してしまう配光ムラが緩和されているからである。

次に、表１の１度入射によるＤＯＥ反射光の弱さについては、第１実施形態から第４実施形態の方が、比較例よりも良好な結果、すなわち、反射光が弱いという結果が得られている。この結果について説明する。
図１３は、本発明の回折光学素子が比較例の回折光学素子よりも反射光が少なくなる理由を説明する図である。
図１３では、断面形状の位置に合せて、見かけの屈折率の変化をグラフとして併記している。図１３（ａ）は、比較例の回折光学素子５０の場合であり、図１３（ｂ）は、第３実施形態の回折光学素子３０の場合を示している。

比較例の回折光学素子５０では、形状の変化が急激になるので、見かけ上の屈折率も急激に変化しているのに対して、第３実施形態の回折光学素子３０では、傾斜部が設けられていることから、形状の変化が急激ではなく、したがって、見かけ上の屈折率の変化も緩やかな変化となっている。屈折率が変化している界面で反射が発生するので、第３実施形態の回折光学素子３０では、見かけ上の屈折率の変化が緩やかになっていることにより、界面の反射が抑制されているのである。なお、この現象は、第３実施形態の回折光学素子３０以外の回折光学素子１０，２０，４０においても同様である。ただし、表１の結果を見て分かるように、反射光の抑制効果は、第１実施形態の回折光学素子１０〜第３実施形態の回折光学素子３０の方が、第４実施形態の回折光学素子４０よりも高い。これは、第１実施形態の回折光学素子１０〜第３実施形態の回折光学素子３０の方が、第４実施形態の回折光学素子４０よりも斜面部が多く形成されているからである。

次に、表１の入射角度変動による投影形状の変化の少なさについても、第１実施形態から第４実施形態の方が、比較例よりも良好な結果、すなわち、反射光が弱いという結果が得られている。この結果について説明する。
図１４は、入射角度の変化と回折光との関係を単純化して模式的に示した図である。
図１４（ａ）は、比較例の回折光学素子５０に設計位置である垂直方向からの光が入射したときの光の回折状態を示している。回折光学素子５０に対して垂直に入射した光は、１次光として左右に均等に回折する。
図１４（ｂ）は、比較例の回折光学素子５０に設計位置からずれた位置から光が入射したときの光の回折状態を示している。回折光学素子５０に対し光が斜めから入射すると、この図１４（ｂ）のように、光の均等性が崩れてしまう。回折光学素子の光学設計は、通常は、図１４（ａ）のような単純形状をベースになされているため、光の入射状態が変化してしまうと、回折光学素子全体としての光の回折状態が変化してしまう。
図１４（ｃ）は、第３実施形態の回折光学素子３０に設計位置である垂直方向からの光が入射したときの光の回折状態を示している。断面形状の一部に傾斜部を設けた回折光学素子３０でも、垂直に入射した光は、１次光として左右に均等に回折する。
図１４（ｄ）は、第３実施形態の回折光学素子３０に設計位置からずれた位置から光が入射したときの光の回折状態を示している。断面形状の一部に傾斜部を設けた回折光学素子３０では、光の入射方向が多少変動しても、光に対して垂直な面が必ず一部存在することになり、回折光の分布に影響を与えにくい。したがって、表１のように、投影形状の変化が少ないという結果が得られる。
なお、入射角度変動による投影形状の変化の少なさについて、第４実施形態の回折光学素子４０が、比較例の回折光学素子５０よりも良好な結果が得られているものの、他の実施形態よりも悪い結果が得られている。これは、第４実施形態の回折光学素子４０が、他の実施形態よりも傾斜部が少なく、入射角度の影響を受ける部位が多いからである。

以上説明したように、第１実施形態から第４実施形態の回折光学素子１０，２０，３０，４０によれば、凸部に傾斜部を備えたので、界面で反射してしまう光を少なくすることができ、光の利用効率を高めることができる。
また、第１実施形態から第４実施形態の回折光学素子１０，２０，３０，４０によれば、凸部に傾斜部を備えたので、装置の組み付け精度や光源の性能ぶれ等の影響で入射角が変化することがあっても影響を受けにくく、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができる。
さらに、第１実施形態から第４実施形態の回折光学素子１０，２０，３０，４０によれば、鋭角部を備えたので、高次回折光が発生して、多段階形状の寸法のばらつきに起因して発生してしまう配光ムラを緩和することができる。

（第５実施形態）
図１７は、第５実施形態の回折光学素子７０を図３と同様な断面で示した図である。
第５実施形態の回折光学素子７０は、凸部７１ａの形状が第１実施形態の回折光学素子１０と異なる他は、第１実施形態と同様な形態をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
回折光学素子７０は、凸部７１ａを有する高屈折率部７１と、凹部１２及び空間１３を含む低屈折率部１５とを備え、高屈折率部７１及び低屈折率部１５が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層５５が構成されている。

凸部７１ａは、形状が異なる他は、第１実施形態の凸部１１ａと同様である。以下、凸部７１ａの形状について説明する。
図１８は、第５実施形態の回折光学素子７０を実際に作製したものを拡大した写真である。
図１９は、凸部７１ａを拡大して示した図である。
凸部７１ａは、側面形状の一方側（図１９では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部７１ａは、最も突出したレベル１段部７１ａ−１と、レベル１段部７１ａ−１よりも一段低いレベル２段部７１ａ−２と、レベル２段部７１ａ−２よりもさらに一段低いレベル３段部７１ａ−３と、レベル３段部７１ａ−３よりもさらに一段低いレベル４段部７１ａ−４とを一側面側に有している。
また、凸部７１ａの段部とは反対側（図１９では、右側）の側面形状は、凸部７１ａの内部方向（図１９では左側）に向かって凹んだくびれ部分７１ｂが設けられている。
さらに、レベル３段部７１ａ−３とレベル４段部７１ａ−４との境界の隅部分には、各段部の幅よりも狭い幅で断面形状が曲面状に窪んで形成された窪み部７１ｃが設けられている。
さらに、各段部の隅部分には、隅Ｒ部（傾斜部）７１ｄ、７１ｅが設けられている。

ここで、第５実施形態の回折光学素子７０が、図１１に示したような従来の典型的な階段形状に構成された比較例の回折光学素子５０との比較において、光学特性にどのような違いがあるのかを説明する。
図２０は、シミュレーション用に作成した第５実施形態の回折光学素子７０を模した計算用モデルの形状を示す図である。
この形状と、図１１に示した比較例の回折光学素子５０の形状とで、回折効率の解析シミュレーションを行った。なお、図２０中に示した回折光学素子７０の深さＤが、比較例の回折光学素子５０のレベル４段部までの深さに相当する。

ここで、回折効率の解析シミュレーションには、厳密結合波理論（ＲＣＷＡ（ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づいた演算を用いた。ＲＣＷＡは、数学的には、行列の固有値問題と一次方程式を解くことに帰着されるので、原理的な困難さはない。また、このＲＣＷＡに基づいた電磁場解析のシミュレーション結果と現実とでは、現物における形状エラー等を除けば、基本的に合致する。

また、比較例の回折光学素子５０のシミュレーション条件としては、以下の条件により行った。
波長λ：８５０ｎｍ
高屈折率部の屈折率ｎ：１．５
低屈折率部の屈折率：１．０
ピッチ：２０００ｎｍ〜４０００ｎｍ
多段階のレベル数Ｐ：４
なお、理想の溝深さは、ピッチによらず一定であり、以下の式により求めた値とした。
１段深さ＝（Ｐ−１）／（Ｐ）×波長／（ｎ−１）
Ｐ：レベル数
ｎ：屈折率
本実施形態の回折光学素子７０の条件は、上記条件に加えて、図２０に示した形状の変更を行ったモデルを用いている。
また、くびれ部分７１ｂのへこみ量は、ピッチの１．６％とし、窪み部７１ｃのへこみ量は、ピッチの２．７％とした。

図２１は、比較例の回折光学素子５０と第５実施形態の回折光学素子７０とのシミュレーション結果を示す図である。図２１では、入射角０°での０次回折光強度を示している。
第５実施形態の回折光学素子７０では、比較例の回折光学素子５０と比べて、０次回折光強度が大きく低下しており、非常に良好な結果が得られている。この０次回折光強度を低下させる効果は、くびれ部分７１ｂ及び窪み部７１ｃを設けることにより得られていると考えられる。

図２２は、くびれ部分７１ｂが形成されていない回折光学素子７０Ｂのモデルを示す図である。
図２２のシミュレーション用モデルは、図２０のモデルからくびれ部分７１ｂを除いて真っ直ぐな壁面として構成したものである。くびれ部分７１ｂの回折効率への影響を調べるために、この図２２に示したくびれ部分７１ｂが形成されていないモデルを用いてシミュレーションを行った。
図２３は、回折効率について、くびれ部分７１ｂが形成されていない回折光学素子７０Ｂのシミュレーション結果を、第５実施形態の回折光学素子７０のシミュレーション結果と併せて示した図である。
第５実施形態の回折光学素子７０では、くびれ部分７１ｂが設けられていることから、特にピッチが２０００ｎｍから２６００ｎｍ辺りにおいて、回折効率が高くなっている。よって、くびれ部分７１ｂを設けることにより、特に狭いピッチにおける回折効率を上昇させることが可能である。

図２４は、窪み部７１ｃが形成されていない回折光学素子７０Ｃのモデルを示す図である。
図２４のシミュレーション用モデルは、図２０のモデルから窪み部７１ｃを除いて平坦面として構成したものである。窪み部７１ｃの斜入射光に対する影響を調べるために、この図２４に示した窪み部７１ｃが形成されていないモデルを用いてシミュレーションを行った。
図２５は、３０°斜め入射における回折効率について、窪み部７１ｃが形成されていない回折光学素子７０Ｃのシミュレーション結果を、第５実施形態の回折光学素子７０のシミュレーション結果と併せて示した図である。
第５実施形態の回折光学素子７０では、窪み部７１ｃが設けられていることから、特にピッチが２３００ｎｍ以上の構成において、３０°斜め入射における回折効率が高くなっている。よって、窪み部７１ｃを設けることにより、特に広いピッチにおける斜め入射時の回折効率を上昇させることが可能である。

（第６実施形態）
図２６は、第６実施形態の回折光学素子８０を図３と同様な断面で示した図である。
第６実施形態の回折光学素子８０は、第５実施形態の回折光学素子７０を型取り反転した形状となっている。
第６実施形態の回折光学素子８０では、くびれ部分８１ｂと、突出部８１ｃとを備えている。
第６実施形態の回折光学素子８０のように、第５実施形態の回折光学素子７０を型取り反転した形状としても、第５実施形態の回折光学素子７０と同様な効果を得ることが可能である。

（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。

（１）第１実施形態及び第２実施形態において、第２の傾斜部と第３の傾斜部とが繋がる部分におけるくびれ部分の幅は、１つの段部の幅としてみたときに、先端部と略同等か、若干狭い例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、第２の傾斜部と第３の傾斜部とが繋がる部分におけるくびれ部分の幅は、１つの段部の幅としてみたときに、凸部の先端部の幅よりも広く形成してもよい。

（２）各実施形態において、第１の傾斜部には、第２の傾斜部が繋がって形成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、第１の傾斜部から根元部に向かって回折層に垂直な向きに延在する垂直部を備えてもよい。

（３）各実施形態において、回折光学素子は、高屈折率部のみで構成されている簡単な形態として示した。これに限らず例えば、高屈折率部を形成するための透明基材を設けてもよいし、回折層を被覆する被覆層を設けてもよい。
図１６Ａ、図１６Ｂ、図１６Ｃは、回折光学素子の変形形態として、透明基材を設けている例、及び、被覆層を設けている例を示す図である。
図１６Ａでは、透明基材６１の上に、第１実施形態で示した回折光学素子１０が形成されており、この全体が回折光学素子として構成されている。このように、透明基材６１を設けることにより、樹脂賦型を利用した製造方法を用いることができ、製造を容易に行える。
図１６Ｂでは、図１６Ａの形態に加えて、被覆層６２をそのまま積層した形態とし、この全体が回折光学素子として構成されている。このような形態とすることにより、被覆層６２を設けたことにより、凸形状を保護することができる。
図１６Ｃでは、図１６Ａの形態に加えて、凹部にまで入り込む透明樹脂により被覆層６３を形成し、この全体が回折光学素子として構成されている。この場合、被覆層６３を形成する透明樹脂は、低屈折率部とするために、高屈折率部よりも屈折率の低い樹脂を用いる。このような形態とすることにより、凸形状をより効果的に保護することができる。

（４）各実施形態において、回折光学素子は、波長が９８０ｎｍの赤外レーザーを回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折するものであってもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。

（５）各実施形態において、光照射装置は、光源が波長９８０ｎｍの赤外レーザーを発光する例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源が波長７８０ｎｍ以上の赤外光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源を光照射装置に適用してもよい。

なお、第１実施形態〜第４実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

１０ 回折光学素子
１１ 高屈折率部
１１ａ 凸部
１１ａ−１ レベル１段部
１１ａ−２ レベル２段部
１１ａ−３ レベル３段部
１１ａ−４ レベル４段部
１１ｂ 第１の傾斜部
１１ｃ 第２の傾斜部
１１ｄ 第３の傾斜部
１１ｅ 先端部
１１ｆ 根元部
１１ｇ 鋭角部
１１ｈ 鋭角部
１１ｉ 鋭角部
１１ｊ 稜線
１１ｋ 稜線
１１ｍ 壁部
１１ｎ 壁部
１１ｏ 壁部
１２ 凹部
１３ 空間
１４ 低屈折率部
１５ 回折層
２０ 回折光学素子
２１ 高屈折率部
２１ａ 凸部
２１ａ−１ レベル１段部
２１ａ−２ レベル２段部
２１ａ−３ レベル３段部
２１ａ−４ レベル４段部
２１ｂ 第１の傾斜部
２１ｃ 第２の傾斜部
２１ｄ 第３の傾斜部
２１ｅ 先端部
２１ｆ 根元部
２１ｇ 鋭角部
２１ｈ 鋭角部
２１ｉ 鋭角部
２１ｊ 先端部
２１ｍ 壁部
２１ｎ 壁部
２１ｏ 壁部
２５ 回折層
３０ 回折光学素子
３１ 高屈折率部
３１ａ 凸部
３１ａ−１ レベル１段部
３１ａ−２ レベル２段部
３１ａ−３ レベル３段部
３１ａ−４ レベル４段部
３１ｂ 第１の傾斜部
３１ｃ 第２の傾斜部
３１ｄ 第３の傾斜部
３１ｅ 先端部
３１ｆ 根元部
３１ｉ 鋭角部
３１ｊ 稜線
３１ｋ 稜線
３１ｍ 壁部
３１ｎ 壁部
３１ｏ 壁部
３５ 回折層
４０ 回折光学素子
４１ 高屈折率部
４１ａ 凸部
４１ａ−１ レベル１段部
４１ａ−２ レベル２段部
４１ａ−３ レベル３段部
４１ａ−４ レベル４段部
４１ｂ 第１の傾斜部
４１ｃ 第２の傾斜部
４１ｄ 第３の傾斜部
４１ｅ 先端部
４１ｆ 根元部
４１ｉ 鋭角部
４１ｋ 稜線
４１ｍ 壁部
４１ｎ 壁部
４１ｏ 壁部
４５ 回折層
５０ 回折光学素子
６１ 透明基材
６２ 被覆層
６３ 被覆層
７０ 回折光学素子
７１ｂ くびれ部分
７１ｃ 窪み部
８０ 回折光学素子
８１ｂ くびれ部分
８１ｃ 窪み部
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
ＣＡＭ１ 赤外線カメラ
ＣＡＭ２ 赤外線カメラ
Ｌ 光源
Ｐ 平面
Ｓ スクリーン

Claims (18)

1. 光を整形する回折光学素子であって、
   断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、
   前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む低屈折率部と、
   を有する回折層を備え、
   前記凸部は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部を備えた多段階形状を有しており、
   前記凸部の側面形状は、前記回折層を含む平面に対して傾いた傾斜部を少なくとも一部に備える回折光学素子。
2. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記凸部の側面形状は、前記凸部の先端部から根元部に向かって前記凸部の幅が広がる向きに傾斜した第１の傾斜部を備えること、
   を特徴とする回折光学素子。
3. 請求項２に記載の回折光学素子において、
   前記第１の傾斜部から前記根元部に向かって前記回折層に垂直な向きに延在する垂直部を備えること、
   を特徴とする回折光学素子。
4. 請求項２に記載の回折光学素子において、
   前記第１の傾斜部から前記根元部に向かって前記凸部の幅が狭くなる向きに傾斜した第２の傾斜部と、
   前記第２の傾斜部からさらに前記根元部に向かって前記凸部の幅が広がる向きに傾斜した第３の傾斜部と、
   を備えること、
   を特徴とする回折光学素子。
5. 請求項４に記載の回折光学素子において、
   前記第２の傾斜部と前記第３の傾斜部とが繋がるくびれ部分の幅は、１つの段部の幅としてみたときに、当該段部の頂部の幅よりも広いこと、
   を特徴とする回折光学素子。
6. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記凸部の側面形状は、一部が前記凸部の内部方向に向かって凹んだくびれ部分を備えること、
   を特徴とする回折光学素子。
7. 光を整形する回折光学素子であって、
   断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、
   前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む低屈折率部と、
   を有する回折層を備え、
   前記凸部は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部を備えた多段階形状を有しており、
   前記凸部の側面形状は、一部が前記凸部の内部方向に向かって凹んだくびれ部分を備える
   回折光学素子。
8. 請求項６又は請求項７に記載の回折光学素子において、
   前記くびれ部分の幅は、１つの段部の幅としてみたときに、当該段部の頂部の幅の１／２以上あること、
   を特徴とする回折光学素子。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記多段階形状の稜線の少なくとも１つは、角を持たずに傾斜していること、
   を特徴とする回折光学素子。
10. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
    前記多段階形状の隣り合う段部の境界の少なくとも１つに、各段部の幅よりも狭い幅で断面形状が鋭角に突出、又は、断面形状が鋭角に窪んで形成された鋭角部を備えること、
    を特徴とする回折光学素子。
11. 請求項１から請求項９までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
    前記多段階形状の隣り合う段部の境界の少なくとも１つに、各段部の幅よりも狭い幅で断面形状が曲面状に突出した突出部、又は、断面形状が曲面状に窪んで形成された窪み部を備えること、
    を特徴とする回折光学素子。
12. 請求項１から請求項１１までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
    前記高屈折率部は、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであること、
    を特徴とする回折光学素子。
13. 請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
    前記低屈折率部は、空気であること、
    を特徴とする回折光学素子。
14. 請求項１から請求項１３までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
    透明基材と、前記回折層と、前記回折層を被覆する被覆層とが、この順番で積層されていること、
    を特徴とする回折光学素子。
15. 請求項１から請求項１４までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
    前記回折層は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折すること、
    を特徴とする回折光学素子。
16. 請求項１５に記載の回折光学素子において、
    前記凸部の高さは６５０ｎｍ以上であること、
    を特徴とする回折光学素子。
17. 光源と、
    前記光源が発光する光が通過する位置に少なくとも１つ配置された、請求項１から請求項１６までのいずれか１項に記載の回折光学素子と、
    を備える光照射装置。
18. 請求項１７に記載の光照射装置において、
    前記光源は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を発光できること、
    を特徴とする光照射装置。