JP2018036633A - 回折光学素子、光照射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、光照射装置を提供する。【解決手段】回折光学素子は、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を備えた多段階形状を有しており、凸部１１ａの先端を含んで計数した段部の段数をＰ、光の波長をλ、高屈折率部１１の屈折率をｎ、１を越える係数をＦとしたときに、段部の一段当たりの段差Ｌは、Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））を満たす値に構成されている。【選択図】図５

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、センサシステムを必要とする局面が増大している。センサ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や赤外線レーダ等はその一例である。

これらのセンサの光源は、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。

ＤＯＥでは、高さの異なる複数の段部を備えた多段階形状により出光効率を高めることが行われている。
従来、多段階形状の段部の段数をＰ、光の波長をλ、ＤＯＥの素材の屈折率をｎとしたときに、段部の一段当たりの段差Ｌは、以下の式を満たすと、出光効率が最もよいとされていた。
Ｌ＝λ／（Ｐ（ｎ−１））

特開２０１５−１７０３２０号公報 特開２０００−１９９８１３号公報

しかし、ＤＯＥの段部の一段当たりの段差は、上記式により一義的に決めるだけではなく、段差の寸法を変更することにより、さらに効率を高めることができたり、不要な出光（例えば、０次光）を減少することができたりする場合あることを見いだした。

本発明の課題は、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、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）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、前記高屈折率部（１１）よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部（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、前記凸部（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、前記凸部（１１ａ）の先端を含んで計数した段部（１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４）の段数をＰ、光の波長をλ、前記高屈折率部（１１）の屈折率をｎ、１を越える係数をＦとしたときに、前記段部（１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４）の一段当たりの段差Ｌは、Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））を満たす値に構成されている回折光学素子（１０）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）において、前記係数Ｆは、１．２以下の値であること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第３の発明は、光源部（２１０）と、前記光源部（２１０）からの光が入射する位置に配置され、前記光源部（２１０）からの光を成形する回折光学素子（１０）と、を備え、前記回折光学素子（１０）は、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、前記高屈折率部（１１）よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部（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、前記凸部（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、前記凸部（１１ａ）の先端を含んで計数した段部（１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４）の段数をＰ、光の波長をλ、前記高屈折率部（１１）の屈折率をｎ、１を越える係数をＦとしたときに、前記段部（１１ａ−１，１１ａ−２，１１ａ−３，１１ａ−４）の一段当たりの段差Ｌは、Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））を満たす値に構成されている光照射装置である。

第４の発明は、第３の発明に記載の光照射装置において、前記係数Ｆは、１．２以下の値であること、を特徴とする光照射装置である。

本発明によれば、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、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。 回折光学素子を説明する図である。 本実施形態の回折光学素子１０を、従来の回折光学素子１００と並べて各段部の高さの違いを示した図である。 波長λ＝５００ｎｍにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。 波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０２５の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０５の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．１の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．２の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．３の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝８５０ｎｍにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。波長λ＝８５０ｎｍについては、−１次回折光の結果は省略した。 波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０２５の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０５の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．１の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．２の場合の差分値を示したグラフである。 波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．３の場合の差分値を示したグラフである。

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。

（実施形態）
図１は、本発明による回折光学素子の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。
図４は、回折光学素子を説明する図である。
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、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４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４（ｂ））を発光する光源部２１０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を正方形（図４（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。
なお、光源部２１０と、光源部２１０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、本実施形態の回折光学素子１０とを組み合わせることにより、光を成形した状態で照射可能な光照射装置とすることができる。
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、例えば、波長が５００ｎｍの光を発光する光源部２１０からの光に対して十文字形状、具体的には、例えば、±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）をエッチング処理により形状を加工されて作られたものであってもよい。また、高屈折率部１１は、クオーツを加工した物から型取りを行って成形型を作成し、この成形型を利用して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。電離放射線硬化性樹脂組成物を用いてこのような周期構造の物を製造する方法は、様々な手法が公知であり、回折光学素子１０の高屈折率部１１は、それら公知の手法を利用して、適宜作製することができる。

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。

凸部１１ａは、側面形状の一方側（図３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の側面形状の他方側（図３では、右側）は、レベル１段部１１ａ−１からレベル４段部１１ａ−４まで直線上につながる側壁部１１ｂとなっている。

ここで、レベル１段部１１ａ−１とレベル２段部１１ａ−２との段差、レベル２段部１１ａ−２とレベル３段部１１ａ−３との段差、レベル３段部１１ａ−３とレベル４段部１１ａ−４との段差の３箇所の段差Ｌ（図５参照）は、以下の式により得られる値としている。
Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））
上記式において、凸部１１ａの先端を含んで計数した段部の段数をＰ、光の波長をλ、高屈折率部１１の屈折率をｎ、１を越える係数をＦとする。
なお、計数Ｆは、１を越える値であることが必要であるが、１．２以下であることが望ましい。これは、Ｆが１．２を越えると、一次回折光の出光が低下して、光の利用効率が下がるからである。
本実施形態では、Ｐ＝４、λ＝５００ｎｍ、ｎ＝１．５、Ｆ＝１．０２５であり、Ｌ＝０．７６８７５ｎｍを一段分の段差としている。

この値は、従来から知られている以下の式に、計数Ｆを乗じたものである。
Ｌ０＝λ／（Ｐ（ｎ−１））
この従来の値に、Ｐ＝４、λ＝５００ｎｍ、ｎ＝１．５を代入すると、Ｌ０＝０．７５ｎｍであり、本実施形態の回折光学素子１０の場合よりも小さな値となる。従来の回折光学素子では、このＬ０の値を一段当たりの段差として用いていた。

図５は、本実施形態の回折光学素子１０を、従来の回折光学素子１００と並べて各段部の高さの違いを示した図である。
図５に示すように、本実施形態の回折光学素子１０は、従来の回折光学素子１００と比べて、各段部の一段当たりの段差が計数Ｆの分だけ一様に長くなっている。

次に、本実施形態の回折光学素子１０と従来の回折光学素子１００とについて、シミュレーションを行った結果を示し、出光効率と不要光とについて説明する。
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。

シミュレーションは、以下の条件により行った。
波長λ：５００ｎｍ及び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：２λ、３λ、４λ、６λ、８λ、１０λの６種
多段階のレベル数Ｐ：４

各段部の一段当たりの段差は、以下のように本実施形態の回折光学素子１０と従来の回折光学素子１００との間に違いを係数Ｆにより設けている。
本実施形態：Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））
従来：Ｌ０＝λ／（Ｐ（ｎ−１））
また、本実施形態については、計数Ｆを、１．０２５、１．０５、１．１の３種類とした。

以上の条件により、シミュレーションを行った結果について説明する。
図６は、波長λ＝５００ｎｍにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。
図６のシミュレーション出光値とは、入力光を１としたときの、各方向における出光値を示している。
図６中の０ｔｈ、１ｓｔ、−１ｓｔは、それぞれ、０次回折光、１次回折光、−１次回折光をそれぞれ示す。通常の利用方法では、１次回折光が大きい方が望ましく、また、０次回折光及び−１次回折光が少ない方が望ましい。
また、図６中には、比較例と本実施形態との差異が明確になるように、これらの間の差分値を示している。差分値は，本実施形態の数値から比較例の数値を差し引いて求めた値を示しており、したがって、１次回折光でみれば数値が大きくなるほど良好な結果であり、０次回折光及び−１次回折光でみれば数値が小さくなるほど良好な結果と判断できる。

この差分値をより分かりやすくするために、グラフ化して示した図を、図７から図９に示す。
図７は、波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０２５の場合の差分値を示したグラフである。
図８は、波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０５の場合の差分値を示したグラフである。
図９は、波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．１の場合の差分値を示したグラフである。
図１０は、波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．２の場合の差分値を示したグラフである。
図１１は、波長λ＝５００ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．３の場合の差分値を示したグラフである。

図１２は、波長λ＝８５０ｎｍにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。波長λ＝８５０ｎｍについては、−１次回折光の結果は省略した。
図１３は、波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０２５の場合の差分値を示したグラフである。
図１４は、波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．０５の場合の差分値を示したグラフである。
図１５は、波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．１の場合の差分値を示したグラフである。
図１６は、波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．２の場合の差分値を示したグラフである。
図１７は、波長λ＝８５０ｎｍにおいて、計数Ｆ＝１．３の場合の差分値を示したグラフである。

図７から図１１を見ると、１次回折光は、大部分において、本実施形態について改善がみられないが、計数Ｆ＝１．０２５の場合のピッチが７λを越える範囲において、一次回折光が増加（差分値がプラス）しており、この範囲で使用することにより、１次回折光について、効率の向上が可能である。
また、０次回折光及び−１次回折光については、ピッチが３λ以上の範囲において、いずれの計数Ｆについても従来よりも出光値が減少（差分値がマイナス）しており、これら不要光を減らすためには有効であることがわかる。
さらに、係数Ｆが１．２を越えると、１次回折光の出光値が大幅に低下してしまうことがわかる。よって、１次回折光の出光効率を維持する観点から、係数Ｆは、１．２以下とすることが望ましい。

また、波長λ＝８５０ｎｍにおいては、係数Ｆが１．２を越えると、０次回折光が増加（差分値がプラス）となってしまい望ましくない。よって、波長λ＝８５０ｎｍにおいても、係数Ｆは、１．２以下とすることが望ましい。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来から知られている一段当たりの段差よりもさらに段差を大きく設定した。これにより、特定の条件下においては、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる。これは、従来から知られている設計セオリーでは到底得られないものである。

（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）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、低屈折率部１４を樹脂により構成してもよいし、回折層を被覆する被覆層を設けてもよい。

（２）実施形態において、回折光学素子は、波長が５００ｎｍの光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。

（３）各実施形態において、光照射装置は、波長が５００ｎｍの光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、光源部が波長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部を光照射装置に適用してもよい。

なお、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 側壁部
１２ 凹部
１３ 空間
１４ 低屈折率部
１５ 回折層
１００ 回折光学素子
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
２１０ 光源部

Claims (4)

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、
   前記凸部の先端を含んで計数した段部の段数をＰ、光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をｎ、１を越える係数をＦとしたときに、前記段部の一段当たりの段差Ｌは、
   Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））
   を満たす値に構成されている回折光学素子。
2. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記係数Ｆは、１．２以下の値であること、
   を特徴とする回折光学素子。
3. 光源部と、
   前記光源部からの光が入射する位置に配置され、前記光源部からの光を成形する回折光学素子と、
   を備え、
   前記回折光学素子は、
   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、
   前記凸部の先端を含んで計数した段部の段数をＰ、光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をｎ、１を越える係数をＦとしたときに、前記段部の一段当たりの段差Ｌは、
   Ｌ＝Ｆλ／（Ｐ（ｎ−１））
   を満たす値に構成されている光照射装置。
4. 請求項３に記載の光照射装置において、
   前記係数Ｆは、１．２以下の値であること、
   を特徴とする光照射装置。

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