JP2018036649A - 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、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、凹部１２の幅は、位置により異なっており、凹部１２の幅が広くなるほど凹部１２の深さが深く構成されている。【選択図】図７

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。

ＬＥＤ光源とＤＯＥとを組み合わせて用いる場合、ＬＥＤ光源からは、ある程度の広がりを持った光がＤＯＥに到達する。したがって、ＤＯＥに入射する入射光の入射角度は、ＤＯＥ上の位置によって異なるので、ＤＯＥ上の位置によって、すなわち、入射角度によって、回折格子の設計を変更することが行われている。ＤＯＥの回折角度は、光の波長と回折格子のピッチとにより決まるので、ＤＯＥ上の位置によって（入射角度によって）回折格子のピッチを変更した設計とすることが行われている。一方、回折格子の溝深さに関しては、２レベルのＤＯＥの場合には、光の波長λと回折格子を構成する材料の屈折率ｎとからなる次の式が知られている。
溝深さ＝λ／（２（ｎ−１））
ＤＯＥにおいては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。

特開２０１５−１７０３２０号公報

しかし、ＤＯＥの溝深さに関しては、上記式により一義的に決めるだけではなく、溝深さ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が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、前記凹部（１２）の幅は、位置により異なっており、前記凹部（１２）の幅が広くなるほど前記凹部（１２）の深さが深く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、前記凹部（１２）の幅が最も狭い位置における前記凹部（１２）の深さＬは、回折対象の光の波長をλ、前記高屈折率部（１１）の屈折率をｎ、０．８以上１．２以下の係数をＦとしたときに、Ｄ＝Ｆλ／（２（ｎ−１））の深さに構成されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第３の発明は、第２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以上１．２以下であること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）において、回折対象の光の波長λは、７８０ｎｍ以上であること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第５の発明は、第１の発明から第４の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）において、当該回折光学素子（１０）は、０°よりも大きく６０°以下の入射角度で入射する光を回折対象の光とすること、を特徴とする回折光学素子（１０）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に記載の回折光学素子（１０）において、前記凹部（１２）の幅と前記凹部（１２）の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第７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、前記凹部（１２）の幅は、位置により異なっており、前記凹部（１２）の幅が広くなるほど前記凹部（１２）の深さが深く構成されている光照射装置である。

第８の発明は、第７の発明に記載の光照射装置において、前記凹部（１２）の幅が最も狭い位置における前記凹部（１２）の深さＬは、前記光源部（２１０）が発光する光の波長をλ、前記高屈折率部（１１）の屈折率をｎ、０．８以上１．２以下の係数をＦとしたときに、Ｄ＝Ｆλ／（２（ｎ−１））の深さに構成されていること、を特徴とする光照射装置である。

第９の発明は、第８の発明に記載の光照射装置において、前記係数Ｆは、１以上１．２以下であること、を特徴とする光照射装置である。

第１０の発明は、第７の発明から第９の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、回折対象の光の波長λは、７８０ｎｍ以上であること、を特徴とする光照射装置である。

第１１の発明は、第７の発明から第１０の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、前記回折光学素子（１０）に、０°よりも大きく６０°以下の入射角度で回折対象の光が入射するように前記光源部（２１０）と前記回折光学素子（１０）とが配置されていること、を特徴とする光照射装置である。

第１２の発明は、第７の発明から第１１の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、前記凹部（１２）の幅と前記凹部（１２）の深さとは、比例関係となっていること、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Ｅ−Ｅ’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。 回折光学素子１０上の位置の違いによる回折格子の設計の違いを説明する図である。 回折角度の異なる回折格子を並べて示す図である。 本実施形態の回折光学素子１０の異なる位置の回折格子の断面形状を示す図である。 波長λ＝８００ｎｍ、入射角１５度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝８００ｎｍ、入射角１５度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝８００ｎｍ、入射角３０度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝８００ｎｍ、入射角３０度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが２λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが３λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 図１７は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが２λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが３λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、入射角１５度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、入射角１５度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、入射角３０度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、入射角３０度のシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが２λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが３λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが２λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが３λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチ０．８λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチ１λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝８００ｎｍ、ピッチ１．５λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。 図３６の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。 図３７の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。 図３８の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチ０．８λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチ１λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。 波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチ１．５λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。 図４２の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。 図４３の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。 図４４の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。

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。

（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Ｅ−Ｅ’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。

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。

本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９８０ｎｍの赤外レーザー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。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Ａ〜Ｄ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。

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５は、回折光学素子１０上の位置の違いによる回折格子の設計の違いを説明する図である。
例えば、図５（ａ）のように、同じ光源部２１０からの光であっても、位置Ｆに入射する光の入射角度は、位置Ｇに入射する光の入射角度よりも小さい。この入射角度の違いに合せて、位置Ｆと位置Ｇとで回折格子の回折角度を最適な値に設計することにより、どちらの位置においても同じ方向へ光を出射させることができる。

図５（ｂ）は、回折光学素子１０に垂直に光が入射する場合を示している。
この場合、回折光学素子１０の回折角度θは、光の波長をλ、回折格子のピッチをＰとすると、以下の式により決められる。
ｓｉｎ（θ）＝ｍλ／Ｐ
θ＝ａｓｉｎ（ｍλ／Ｐ）
ただし、ｍは、０、±１、±２・・・とする。
また、図５（ｃ）は、回折光学素子１０に入射角θｉで光が入射する場合を示している。
この場合、回折光学素子１０の回折角度θは、以下の式により決められる。
ｓｉｎ（θ）−ｓｉｎ（θｉ）＝ｍλ／Ｐ
θ＝ａｓｉｎ（ｍλ／Ｐ＋ｓｉｎ（θｉ））
ただし、ｍは、０、±１、±２・・・とする。
よって、光の波長が光源部２１０により決まるので、所望の回折角度となるようにするためには、上記式にしたがって、回折格子のピッチＰを変更すればよい。回折角度が大きい回折格子ではピッチが狭くなり、回折角度が小さい回折格子ではピッチが広くなる。

図６は、回折角度の異なる回折格子を並べて示す図である。
図６（ａ）の回折格子の方が、図６（ｂ）の回折格子よりも回折角度が大きい、すなわち、ピッチが狭くなっている。
ここで、回折格子を構成する材料の屈折率（高屈折率部１１の屈折率）をｎとしたとき、溝深さ（凹部の深さ）Ｄについて次の式が知られている。
Ｄ＝λ／（２（ｎ−１））
先にも述べたように、従来は、回折光学素子においては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。
したがって、従来の回折光学素子では、図６に示すように、回折角度が異なっても、すなわち、回折格子のピッチが異なっても、溝深さは一定であった。

しかし、ＤＯＥの溝深さに関しては、上記式により一義的に決めるだけではなく、溝深さ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があることを本願の出願人は見いだした。以下、本実施形態の回折光学素子１０における溝深さに関して説明する。

図７は、本実施形態の回折光学素子１０の異なる位置の回折格子の断面形状を示す図である。
本実施形態の回折光学素子１０は、位置により光源部２１０からの光の入射角度が異なることに対応して、位置により回折格子のピッチが異なるように設計されている。そして、このピッチの変化は、溝幅（凹部の幅）の変化をもたらす。すなわち、凸部１１ａの幅と、凹部１２の幅（溝幅）との比率は、例えば、１：１とする等と、予め決めておくものであるので、ピッチと凹部１２の幅（溝幅）とは比例関係にあり、ピッチが増加すれば、溝幅も増加する。
図７に示す例では、ピッチＰ１よりもピッチＰ２が広く、さらにピッチＰ２よりもピッチＰ３が広くなっており、これに対応して、溝幅Ｗ１よりも溝幅Ｗ２が広く、さらに、溝幅Ｗ２よりも溝幅Ｗ３が広くなっている。ここで、ピッチＰ１の回折格子は、回折光学素子１０において最もピッチが狭い回折格子であって、光源部２１０からの距離が最も遠い位置に配置されている。このピッチＰ１は、先に示した、回折角度＝ａｓｉｎ（λ／Ｐ）の式により決まるピッチに設定されており、溝深さＤ１は、Ｄ１＝λ／（２（ｎ−１））によって決まる深さに設定されている。

ここで、上述したように、溝深さＤ１は、Ｄ１＝λ／（２（ｎ−１））としたが、この溝深さは、厳密にこの数式により求められる値に一致することを意味するものではない。すなわち、回折光学素子の作製には、必ず寸法のばらつきが発生するものであり、そのようなばらつき程度の数値的な幅をも含むものである。具体的には、高い加工技術を用いて慎重に作製しても、±１０％程度の誤差は生じるものであり、生産性を重視した加工技術を用いる場合には、±１５％程度の誤差も生じる場合がある。したがって、上記数式により得られる数値には±１５％の範囲をも含むものとして捉えるべきものである。
このことは、本実施形態に限るものではなく、特許請求の範囲においても、同様に±１５％の誤差範囲を含むものである。

また、ピッチＰ２の位置では、溝幅Ｗ２が溝幅Ｗ１より広くなっていることに対応して、溝深さＤ２が、溝深さＤ１よりも深く設定されている。
同様に、ピッチＰ３の位置では、溝幅Ｗ３が溝幅Ｗ２より広くなっていることに対応して、溝深さＤ３が、溝深さＤ２よりも深く設定されている。
さらに、溝幅と溝深さとの関係は、比例関係になっている。

次に、溝深さを上記従来の数式に基づいた設計値から変更したときの出光値の変化を、ピッチを０．８λ、１λ、１．５λ、２λ、３λの４種類、かつ、入射角１５度、及び入射角３０度の２種類についてシミュレーションを行った結果を示す。なお、シミュレーションは、波長λ＝８００ｎｍと、波長λ＝９８０ｎｍとの２種類について行った。
図８及び図９は、波長λ＝８００ｎｍ、入射角１５度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図１０及び図１１は、波長λ＝８００ｎｍ、入射角３０度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図８から図１１のシミュレーションは、光の波長λ＝８００ｎｍ、回折格子を構成する材料の屈折率ｎ＝１．５として行った。したがって、溝深さＤ＝λ／（２（ｎ−１））＝８００ｎｍが従来の標準とされている設計値となる。この値を本明細書中では、設計値と呼び、図８から図１１中には、この設計値に対する深さの設計値比を深さとともに示している。よって、設計値比が１．０より大きいと、設計値よりも溝深さが深いことを表している。なお、これら及び後述のシミュレーション結果の表中の数値は、入射光の光量を１としたときの出光値を示している。

図１２は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図１３は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図１４は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図１５は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが２λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図１６は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが３λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角１５度の場合には、ピッチが２λ、３λにおいて、溝深さを設計値比１．１の深さにすると、出光値は減るものの、０次光を減らすことができる。これにより、０次光が迷光等となって悪影響を与えるような場合には、溝深さをピッチの広い（溝幅の広い）位置で設計値よりも深くすることが有効であるといえる。

図１７は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図１８は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図１９は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図２０は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが２λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図２１は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチが３λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角３０度の場合には、溝深さをピッチの広い（溝幅の広い）位置で設計値よりも深くすることにより、出光値が上昇し、かつ、０次光が減少する範囲が存在している。特に、ピッチ１．５λでは、その傾向が顕著である。

図２２及び図２３は、波長λ＝９８０ｎｍ、入射角１５度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図２４及び図２５は、波長λ＝９８０ｎｍ、入射角３０度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図２２から図２５のシミュレーションは、光の波長λ＝９８０ｎｍ、回折格子を構成する材料の屈折率ｎ＝１．５として行った。したがって、溝深さＤ＝λ／（２（ｎ−１））＝９８０ｎｍが従来の標準とされている設計値となる。この値を本明細書中では、設計値と呼び、図２２から図２５中には、この設計値に対する深さの設計値比を深さとともに示している。よって、設計値比が１．０より大きいと、設計値よりも溝深さが深いことを表している。

図２６は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図２７は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図２８は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図２９は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが２λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図３０は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが３λ、入射角１５度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角１５度の場合には、λ＝８００ｎｍの場合と同様に、ピッチが２λ、３λにおいて、溝深さを設計値比１．１の深さにすると、出光値は減るものの、０次光を減らすことができる。これにより、０次光が迷光等となって悪影響を与えるような場合には、溝深さをピッチの広い（溝幅の広い）位置で設計値よりも深くすることが有効であるといえる。

図３１は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが０．８λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図３２は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図３３は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが１．５λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図３４は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが２λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図３５は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチが３λ、入射角３０度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角３０度の場合には、λ＝８００ｎｍの場合と同様に、溝深さをピッチの広い（溝幅の広い）位置で設計値よりも深くすることにより、出光値が上昇し、かつ、０次光が減少する範囲が存在している。特に、ピッチ１．５λでは、その傾向が顕著である。

さらに、入射角度の影響を調べるために、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させてシミュレーションを行った。このシミュレーションは、ピッチを０．８λ、１λ、１．５λの３種類について、入射角度を上記範囲で変化させている。なお、深さについては、設計値比で０．７から１．３の範囲で変化させて行った。なお、シミュレーションは、波長λ＝８００ｎｍと、波長λ＝９８０ｎｍとの２種類について行った。
図３６は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチ０．８λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図３７は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチ１λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図３８は、波長λ＝８００ｎｍ、ピッチ１．５λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図３９は、図３６の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図４０は、図３７の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図４１は、図３８の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。

図４２は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチ０．８λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図４３は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチ１λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図４４は、波長λ＝９８０ｎｍ、ピッチ１．５λについて、入射角度を０°、１５°、３０°、６０°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図４５は、図４２の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図４６は、図４３の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図４７は、図４４の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。

図３６から図４７に示されるように、入射角度が大きくなるほど、溝深さが深くなることによって０次光を抑える効果が高くなっている。よって、これらの結果から、垂直入射よりも斜めに光が入射する場合の方が、溝幅が広い位置において、溝深さを設計値よりも深くすることにより得られる、光の利用効率を高める効果が高く、かつ、不要な０次光を抑える効果が高いことがわかる。具体的には、回折光学素子１０入射させる光は、０°よりも大きく６０°以下の入射角度で入射するようにするとよいといえる。

以上説明したように、本実施形態によれば、溝幅が広い位置において、溝深さを設計値よりも深くしたので、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。

（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。

（３）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、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
１２ 凹部
１３ 空間
１４ 低屈折率部
１５ 回折層
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
２１０ 光源部

Claims (12)

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、
   前記凹部の幅は、位置により異なっており、
   前記凹部の幅が広くなるほど前記凹部の深さが深く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、
   前記凹部の幅が最も狭い位置における前記凹部の深さＬは、回折対象の光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をｎ、０．８以上１．２以下の係数をＦとしたときに、
   Ｄ＝Ｆλ／（２（ｎ−１））
   の深さに構成されていること、
   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、
   前記係数Ｆは、１以上１．２以下であること、
   を特徴とする回折光学素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれかに記載の回折光学素子において、
   回折対象の光の波長λは、７８０ｎｍ以上であること、
   を特徴とする回折光学素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれかに記載の回折光学素子において、
   当該回折光学素子は、０°よりも大きく６０°以下の入射角度で入射する光を回折対象の光とすること、
   を特徴とする回折光学素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれかに記載の回折光学素子において、
   前記凹部の幅と前記凹部の深さとは、比例関係となっていること、
   を特徴とする回折光学素子。
7. 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、
   前記凹部の幅は、位置により異なっており、
   前記凹部の幅が広くなるほど前記凹部の深さが深く構成されている光照射装置。
8. 請求項７に記載の光照射装置において、
   前記凹部の幅が最も狭い位置における前記凹部の深さＬは、前記光源部が発光する光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をｎ、０．８以上１．２以下の係数をＦとしたときに、
   Ｄ＝Ｆλ／（２（ｎ−１））
   の深さに構成されていること、
   を特徴とする光照射装置。
9. 請求項８に記載の光照射装置において、
   前記係数Ｆは、１以上１．２以下であること、
   を特徴とする光照射装置。
10. 請求項７から請求項９までのいずれかに記載の光照射装置において、
    回折対象の光の波長λは、７８０ｎｍ以上であること、
    を特徴とする光照射装置。
11. 請求項７から請求項１０までのいずれかに記載の光照射装置において、
    前記回折光学素子に、０°よりも大きく６０°以下の入射角度で回折対象の光が入射するように前記光源部と前記回折光学素子とが配置されていること、
    を特徴とする光照射装置。
12. 請求項７から請求項１１までのいずれかに記載の光照射装置において、
    前記凹部の幅と前記凹部の深さとは、比例関係となっていること、
    を特徴とする光照射装置。

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