JP2018072386A - Diffraction optical element, holding jig, and light irradiation device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a diffraction optical element, a holding jig and a light irradiation device with which it is possible to further heighten the efficiency of light utilization and suppress unwanted light emission.SOLUTION: A diffraction light element 10 is constructed so that, in at least a state of use of shaping light, at least a portion of the element surface is formed at an angle to the element surface of an other region. The diffraction optical element 10 is constructed along a plane as a whole, and provided with a first area 10A constructed in parallel to this plane and a second area 10B constructed at an angle to the first area 10A, an angle β formed by a first normal N1 that is a normal in the first area 10A and a second normal N2 that is a normal in the second area 10B being 20° to 40° inclusive.SELECTED DRAWING: Figure 9

Description

本発明は、回折光学素子、保持具、光照射装置に関するものである。   The present invention relates to a diffractive optical element, a holder, and a light irradiation device.

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。   In recent years, the need for sensor systems has increased, such as the need for personal authentication to avoid security risks due to the spread of networks, the flow of automated driving of automobiles, and the spread of the so-called “Internet of Things”. Yes. There are various types of sensors and various types of information to be detected. One of them is to irradiate light from a light source to an object and obtain information from the reflected light. . For example, pattern authentication sensors and infrared radars are examples.

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。   The light sources of these sensors are those having a wavelength distribution, brightness, and spread according to the application. Visible light to infrared light is often used as the wavelength of light. In particular, infrared light is not easily affected by external light, is invisible, and can be observed somewhat inside, so it is widely used. Yes. As the type of light source, an LED light source, a laser light source, or the like is often used. For example, a laser light source with a small light spread is preferably used for detecting a distant place, and an LED light source is suitably used for detecting a relatively close place or irradiating an area with a certain extent. It is done.

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。
By the way, the size and shape of the target irradiation region do not necessarily match the spread (profile) of light from the light source. In that case, the light is shaped by a diffuser plate, a lens, a shielding plate, or the like. There is a need. Recently, a diffusion plate called Light Shaping Diffuser (LSD) that can shape the shape of light to some extent has been developed.
Another means for shaping the light is a diffractive optical element (DOE). This is an application of the diffraction phenomenon when light passes through a place where materials having different refractive indexes are arranged with periodicity. DOE is basically designed for light of a single wavelength, but theoretically, it is possible to shape light into almost any shape. In the above-described LSD, the light intensity in the irradiation region has a Gaussian distribution, whereas in the DOE, the uniformity of the light distribution in the irradiation region can be controlled. Such a characteristic of the DOE is advantageous in terms of high efficiency by suppressing irradiation to an unnecessary area, miniaturization of the apparatus by reducing the number of light sources, and the like (for example, see Patent Document 1).
The DOE can be applied to both a parallel light source such as a laser and a diffused light source such as an LED, and can be applied to a wide range of wavelengths from ultraviolet light to visible light and infrared light. .

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 requires fine processing on the order of nm. In particular, in order to diffract long wavelength light, it is necessary to form a fine shape with a high aspect ratio. Therefore, conventionally, an electron beam lithography technique using an electron beam has been used for manufacturing the DOE. For example, after forming a hard mask or resist on a quartz plate that is transparent in the ultraviolet to near-infrared region, a predetermined shape is drawn on the resist using an electron beam, resist development, hard mask dry etching, and quartz drying. Etching is sequentially performed to form a pattern on the quartz plate surface, and then the hard mask is removed to obtain a desired DOE.

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。
しかし、多段階形状の改良による出光効率の向上に限らず、さらなる効率向上が望まれている。
In DOE, light output efficiency is increased by a multi-stage shape including a plurality of step portions having different heights.
However, not only the improvement of the light emission efficiency by improvement of a multistage shape but the further improvement in efficiency is desired.

特開2015−170320号公報JP-A-2015-170320

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、保持具、光照射装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a diffractive optical element, a holder, and a light irradiation device that can further improve the light use efficiency or suppress unnecessary light emission.

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。   The present invention solves the above problems by the following means. In addition, in order to make an understanding easy, although the code | symbol corresponding to embodiment of this invention is attached | subjected and demonstrated, it is not limited to this.

第1の発明は、光を整形する回折光学素子(10)であって、少なくとも光を整形する使用状態において、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている、又は、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されている、回折光学素子(10)であって、当該回折光学素子(10)は、全体としては平面に沿って構成されており、前記平面と平行に構成されている第1の領域(10A)と、前記第1の領域(10A)に対して角度を成して構成されている、又は、前記第1の領域(10A)に対して角度を成した状態で保持されている第2の領域(10B)と、を備え、前記第1の領域(10A)における法線である第1の法線(N1)と前記第2の領域(10B)における法線である第2の法線(N2)とのなす角度βは、20°以上40°以下であること、を特徴とする回折光学素子(10)である。   A first invention is a diffractive optical element (10) for shaping light, wherein at least a part of the element surface forms an angle with respect to the element surface of another part at least in a use state for shaping light. A diffractive optical element (10) configured or held in a state where at least a part of the element surface is angled with respect to the element surface of another part, and the diffractive optical element (10 ) Is configured along a plane as a whole, and is formed at an angle with respect to the first region (10A) configured in parallel to the plane and the first region (10A). Or a second region (10B) held at an angle with respect to the first region (10A), and a normal line in the first region (10A) The first normal (N1) and the second region (10B) It is normal at the angle β between the second normal (N2), a diffractive optical element characterized, that at 20 ° to 40 ° (10).

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、素子表面の少なくとも一部が曲面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。   A second invention is the diffractive optical element (10) according to the first invention, wherein at least a part of the element surface is curved.

第3の発明は、第1の発明又は第2の発明に記載の回折光学素子(10)において、素子表面の少なくとも一部は、複数の平面を組み合わせて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。   A third invention is characterized in that, in the diffractive optical element (10) according to the first or second invention, at least a part of the element surface is configured by combining a plurality of planes. A diffractive optical element (10).

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1項に記載の回折光学素子(10)を保持する保持具であって、前記回折光学素子(10)の素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態となるように保持する保持具である。   A fourth invention is a holder for holding the diffractive optical element (10) according to any one of the first to third inventions, wherein the diffractive optical element (10) has an element surface. It is a holder for holding at least a part so as to form an angle with respect to the element surface of another part.

第5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第1の発明から第3の発明までのいずれか1項に記載の回折光学素子(10)と、を備える光照射装置である。   5th invention is arrange | positioned in the position into which the light from a light source part (210) and the said light source part (210) injects, The 1st invention to 3rd which shape | mold the light from the said light source part (210) It is a light irradiation apparatus provided with the diffractive optical element (10) of any one of the above to invention.

第6の発明は、第5の発明に記載の光照射装置であって、前記光源部(210)は、前記第1の法線(N1)に平行な平行光を照射すること、を特徴とする光照射装置である。   6th invention is a light irradiation apparatus as described in 5th invention, Comprising: The said light source part (210) irradiates the parallel light parallel to the said 1st normal line (N1), It is characterized by the above-mentioned. This is a light irradiation device.

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、保持具、光照射装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a diffractive optical element, a holder, and a light irradiation device that can further improve the light utilization efficiency or suppress unnecessary light emission.

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。It is a top view which shows embodiment of the diffractive optical element by this invention. 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。It is a perspective view which shows an example of the partial periodic structure in the example of the diffractive optical element of FIG. 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。FIG. 3 is a cross-sectional view of the diffractive optical element cut at a position indicated by an arrow G-G ′ in FIG. 2. 回折光学素子を説明する図である。It is a figure explaining a diffractive optical element. 本発明による回折光学素子10と光源201との関係を模式的に示す断面図である。2 is a cross-sectional view schematically showing the relationship between the diffractive optical element 10 and the light source 201 according to the present invention. FIG. 入射角と回折角について説明する図である。It is a figure explaining an incident angle and a diffraction angle. シミュレーション解析の結果をまとめた図である。It is the figure which put together the result of simulation analysis. Tin=0°について、シミュレーション解析結果をまとめた図である。It is the figure which put together the simulation analysis result about Tin = 0 degree. 第1の領域10Aと第2の領域10Bとにおける角度の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship of the angle in 1st area | region 10A and 2nd area | region 10B.

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。   The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

(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。
(Embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a diffractive optical element according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a partial periodic structure in the example of the diffractive optical element of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the diffractive optical element cut at a position indicated by an arrow GG ′ in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a diffractive optical element.
In addition, each figure shown below including FIG. 1 is the figure shown typically, and the magnitude | size and shape of each part are exaggerated suitably for easy understanding.
In the following description, specific numerical values, shapes, materials, and the like are shown and described, but these can be changed as appropriate.

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。   As used in the present invention, the shape and geometric conditions, and terms specifying the degree thereof, for example, terms such as “parallel”, “orthogonal”, “same”, length and angle values, etc. Without being limited to a strict meaning, it should be interpreted to include a range where a similar function can be expected.

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。
In the present invention, “shaping the light” means controlling the light traveling direction so that the shape of the light projected on the target object or target region (irradiation region) becomes an arbitrary shape. Say. For example, as shown in the example of FIG. 4, a light source unit 210 is prepared that emits light 201 (FIG. 4B) in which the irradiation region 202 becomes circular when directly projected onto a planar screen 200. By transmitting this light 201 through the diffractive optical element 10 of the present invention, the irradiation region 204 is formed into a target shape such as a square (FIG. 4A), a rectangle, a circle (not shown), “Shaping light”.
The light that can be irradiated in a molded state by combining the light source unit 210 and the diffractive optical element 10 of the present embodiment, which is disposed at a position where at least one light emitted from the light source unit 210 passes. It can be set as an irradiation apparatus.
In the present invention, the term “transparent” refers to a material that transmits at least light having a wavelength to be used. For example, even if it does not transmit visible light, as long as it transmits infrared light, it is handled as transparent when used for infrared applications.

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。
本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。
The diffractive optical element 10 of this embodiment is a diffractive optical element (DOE) that shapes light. The diffractive optical element 10 has, for example, a cross shape with respect to the light from the light source unit 210 that emits light having a wavelength of 500 nm, specifically, for example, light having a width of ± 50 degrees and a width of ± 3.3 degrees. The band is designed to spread the light into a shape with a tolerance of two.
The diffractive optical element 10 of the present embodiment has different depths at positions A, B, C, and D shown in FIG. That is, the diffractive optical element 10 has a multi-stage shape with four levels of height. The diffractive optical element 10 usually has a plurality of regions having different periodic structures (partial periodic structures: for example, E and F regions in FIG. 1). In FIG. 2, an example of the partial periodic structure is extracted and shown.
As shown in FIG. 3, the diffractive optical element 10 includes a high refractive index portion 11 in which a plurality of convex portions 11a are arranged side by side in a cross-sectional shape. The high refractive index portion 11 extends in the depth direction of the cross section while maintaining the same cross sectional shape.

高屈折率部11は、例えば、クオーツ(SiO、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。 The high refractive index portion 11 may be made, for example, by processing the shape of quartz (SiO 2 , synthetic quartz) by etching. Alternatively, the high refractive index portion 11 may be obtained by forming a mold from a quartz processed product and curing the ionizing radiation curable resin composition using the mold. Various methods for producing such a periodic structure using an ionizing radiation curable resin composition are known, and the high refractive index portion 11 of the diffractive optical element 10 uses these known methods. And can be appropriately manufactured.

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。   In addition, air is present in the upper portion of FIG. 3 including the recess 12 formed between the protrusions 11 a and the space 13 near the top of the protrusion 11 a, and the refractive index is higher than that of the high refractive index portion 11. The low refractive index portion 14 is low. A diffraction layer 15 having a function of shaping light is constituted by a periodic structure in which the high refractive index portions 11 and the low refractive index portions 14 are alternately arranged.

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。   The convex portion 11a has a multi-stage shape including four step portions having different heights on one side (left side in FIG. 3) of the side surface shape. Specifically, the convex portion 11a includes the most protruding level 1 step portion 11a-1, the level 2 step portion 11a-2 that is one step lower than the level 1 step portion 11a-1, and the level 2 step portion 11a-2. Furthermore, it has a level 3 step portion 11a-3 that is one step lower and a level 4 step portion 11a-4 that is one step lower than the level 3 step portion 11a-3 on one side surface side. Moreover, the other side (right side in FIG. 3) of the side surface shape of the convex portion 11a is a side wall portion 11b that is connected in a straight line from the level 1 step portion 11a-1 to the level 4 step portion 11a-4.

図5は、本発明による回折光学素子10と光源201との関係を模式的に示す断面図である。
本実施形態の回折光学素子10は、先の図2に示したようにミクロ的に見れば、平面状に表現できるが、全体としてみると、図5に示すように特定の領域が他の領域に対して傾斜して形成されている。すなわち、回折光学素子10の全体としてのシート面に沿って平行な平面に構成された第1の領域10Aと、この第1の領域10Aに対して角度を成して構成されている第2の領域10Bとを備えている。
なお、図5では、構成を分かりやすく示すために凸部11を大きく示しているが、実際には、このように大きく見えるものではない。
本実施形態の回折光学素子10は、そのシート面内における直交する2方向、例えば、図2におけるX方向とY方向において、X方向については傾斜した領域を備えているが、Y方向に沿った方向については、傾斜した領域を備えていない。すなわち、回折光学素子10は、一方向についてのみ傾斜した領域を備えている。
また、本実施形態の光照射装置の光源部210は、第1の領域10Aにおける法線(第1の法線)に平行な平行光を照射する線光源、又は、面光源である。
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the relationship between the diffractive optical element 10 and the light source 201 according to the present invention.
The diffractive optical element 10 of the present embodiment can be expressed in a planar shape when viewed microscopically as shown in FIG. 2 above, but when viewed as a whole, a specific region is another region as shown in FIG. It is formed to be inclined with respect to. That is, the first region 10A configured in a plane parallel to the sheet surface as a whole of the diffractive optical element 10 and the second region configured to form an angle with respect to the first region 10A. And a region 10B.
In FIG. 5, the convex portion 11 is shown large for easy understanding of the configuration, but actually, it does not look so large.
The diffractive optical element 10 of the present embodiment includes a region that is inclined with respect to the X direction in two orthogonal directions within the sheet surface, for example, the X direction and the Y direction in FIG. The direction is not provided with an inclined area. That is, the diffractive optical element 10 has a region that is inclined only in one direction.
In addition, the light source unit 210 of the light irradiation apparatus according to the present embodiment is a line light source or a surface light source that irradiates parallel light parallel to a normal line (first normal line) in the first region 10A.

本実施形態の回折光学素子10は、回折光学素子10に力を加えない自由状態において、上述の傾斜した第2の領域10Bを構成している。このような傾斜面を備えた回折光学素子10を作製するためには、例えば、回折光学素子10の製造過程において、回折光学素子10を加熱した状態で型に押し付けて、その後冷却して図5のような形状を維持できるようにする、いわゆる、ホットプレス(熱間プレス、又は、ホットスタンプともいう)を利用するとよい。   The diffractive optical element 10 of the present embodiment constitutes the above-described inclined second region 10B in a free state where no force is applied to the diffractive optical element 10. In order to manufacture the diffractive optical element 10 having such an inclined surface, for example, in the manufacturing process of the diffractive optical element 10, the diffractive optical element 10 is pressed against a mold in a heated state, and then cooled and then cooled. It is preferable to use a so-called hot press (also referred to as hot press or hot stamp) that can maintain the shape as described above.

また、保持具を用いて、回折光学素子10の形状を拘束して、第2の領域10Bを形成するようにしてもよい。保持具を用いる場合には、回折光学素子10は、力を加えない自由状態では、全体としてみると平坦なシート状に形成されているものを用いることができる。   Further, the shape of the diffractive optical element 10 may be constrained using a holder to form the second region 10B. When the holder is used, the diffractive optical element 10 can be formed in a flat sheet shape as a whole in a free state where no force is applied.

次に、回折光学素子10に第2の領域10Bを設ける理由と、どの程度第2の領域10Bを傾斜させた状態とすれば適切であるのかについて説明する。
先ず、回折光学素子10へ入射する光の入射角が回折効率にどのような影響を与えているのかを明確にするために、シミュレーション解析を行った。
Next, the reason why the second region 10B is provided in the diffractive optical element 10 and the extent to which the second region 10B is inclined will be described.
First, in order to clarify how the incident angle of light incident on the diffractive optical element 10 affects the diffraction efficiency, a simulation analysis was performed.

図6は、入射角と回折角について説明する図である。
シミュレーション解析では、回折光学素子10を傾けて配置することにより、入射角の異なる条件を設定した。回折光学素子10への入射角Tinと、出射角Toutとを、図9(a)の向きに設定すると、回折光学素子10が光を回折する回折角Tdは、Td=Tin−Toutとして表すことができる。例えば、図6(b)から図6(d)には、いずれも回折角Td=10°であるが、それぞれTin=0°,10°,20°の場合を図示した。これら図6(b)、図6(c)、図6(d)は、回折光学素子10の傾いている角度が入射光に対してそれぞれ、0°、10°、20°であるとして捉えることができる。このようなモデルを用いて、シミュレーション解析を行った。
FIG. 6 is a diagram for explaining the incident angle and the diffraction angle.
In the simulation analysis, conditions with different incident angles were set by arranging the diffractive optical element 10 at an angle. When the incident angle Tin to the diffractive optical element 10 and the outgoing angle Tout are set in the direction of FIG. 9A, the diffraction angle Td at which the diffractive optical element 10 diffracts light is expressed as Td = Tin−Tout. Can do. For example, FIGS. 6 (b) to 6 (d) show the cases where the diffraction angle Td = 10 °, but Tin = 0 °, 10 °, and 20 °, respectively. 6 (b), 6 (c), and 6 (d) grasp that the tilt angles of the diffractive optical element 10 are 0 °, 10 °, and 20 °, respectively, with respect to the incident light. Can do. Simulation analysis was performed using such a model.

シミュレーション解析の変動パラメータとして、Tinを0°から60°まで10°刻みで変化させた。また、回折角Tdを5°から60°まで5°刻みで変化させた。これらTinとTdとの組み合せについて、シミュレーション解析を行った。
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。
As a variable parameter for simulation analysis, Tin was changed from 0 ° to 60 ° in increments of 10 °. Further, the diffraction angle Td was changed from 5 ° to 60 ° in steps of 5 °. A simulation analysis was performed on the combination of these Tin and Td.
The analysis based on the rigorous coupled wave theory (RCWA) was used for the simulation of the diffraction efficiency. Mathematically, the RCWA is reduced to solving the matrix eigenvalue problem and the linear equation. Therefore, there is no fundamental difficulty, and the simulation result of the electromagnetic field analysis based on the RCWA and the reality are basically matched except for the shape error in the actual product.

シミュレーションは、以下の条件により行った。
波長λ:500nm
高屈折率部の屈折率n:1.5
低屈折率部の屈折率:1.0
多段階のレベル数P:4
多段階の一段あたりの段差:250nm
The simulation was performed under the following conditions.
Wavelength λ: 500 nm
Refractive index n of high refractive index portion: 1.5
Refractive index of low refractive index portion: 1.0
Multistage level number P: 4
Step per multi-step: 250 nm

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7は、シミュレーション解析の結果をまとめた図である。
図7に示したシミュレーション出光値は、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7中の0th、1stは、それぞれ、0次回折光、1次回折光を示す。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次回折光が少ない方が望ましい。
The result of the simulation performed under the above conditions will be described.
FIG. 7 summarizes the results of the simulation analysis.
The simulated light output value shown in FIG. 7 indicates the light output value in each direction when the input light is 1.
In FIG. 7, 0th and 1st indicate 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light, respectively. In a normal usage method, it is desirable that the first-order diffracted light is large, and it is desirable that the zero-order diffracted light is small.

図8は、Tin=0°について、シミュレーション解析結果をまとめた図である。
図7及び図8を見ると、Tin=0°の場合、Td=35°において1次回折光(1th)が非常に低い値(0.319621)となっている。したがって、従来のような平坦な回折光学素子では、平行光線を回折光学素子に入射させて、様々な方向に出射させる場合に、回折光学素子のシート面に対する法線に対して略35°の向きに出射する光だけ極端に光量が減少してしまう。
FIG. 8 is a table summarizing the simulation analysis results for Tin = 0 °.
7 and 8, when Tin = 0 °, the first-order diffracted light (1th) has a very low value (0.319621) at Td = 35 °. Therefore, in a conventional flat diffractive optical element, when parallel light is incident on the diffractive optical element and emitted in various directions, the orientation is approximately 35 ° with respect to the normal to the sheet surface of the diffractive optical element. The amount of light is drastically reduced only by the light that is emitted to the.

そこで、本実施形態の回折光学素子10は、従来と同様な平面に構成されている第1の領域10Aに加えて、第2の領域10Bを設けている。第1の領域10Aでは、1次回折光(1th)の効率が低下するTd=35°を除いた他の回折角となるような凹凸形状を構成する。そして、第2の領域10Bは、Td=35°であっても、比較的回折効率の良好なTin=20°以上、Tin=40°以下となるように、第1の領域10Aに対して傾けて構成している。   Therefore, the diffractive optical element 10 of the present embodiment is provided with a second region 10B in addition to the first region 10A configured in the same plane as the conventional one. In the first region 10A, a concavo-convex shape is formed so as to have other diffraction angles except for Td = 35 ° at which the efficiency of the first-order diffracted light (1th) decreases. And even if Td = 35 °, the second region 10B is inclined with respect to the first region 10A so that the diffraction efficiency is relatively good Tin = 20 ° or more and Tin = 40 ° or less. Is configured.

図9は、第1の領域10Aと第2の領域10Bとにおける角度の関係を説明する図である。
本実施形態の回折光学素子10では、第1の領域10Aにおける法線である第1の法線N1と第2の領域10Bにおける法線である第2の法線N2とのなす角度βを、20°以上40°以下となるように配置している。
このような配置により、第2の領域10Bへ光源部210から入射する光は、上述したTin=20°以上、Tin=40°以下となる。よって、この第2の領域10Bの回折角Tdを35°付近となるように設定しても、回折効率の低下を抑えることができる。
FIG. 9 is a diagram for explaining the angle relationship between the first region 10A and the second region 10B.
In the diffractive optical element 10 of the present embodiment, the angle β formed by the first normal line N1 that is the normal line in the first region 10A and the second normal line N2 that is the normal line in the second region 10B is It arrange | positions so that it may become 20 degrees or more and 40 degrees or less.
With such an arrangement, the light incident on the second region 10B from the light source unit 210 is Tin = 20 ° or more and Tin = 40 ° or less. Therefore, even if the diffraction angle Td of the second region 10B is set to be around 35 °, it is possible to suppress a decrease in diffraction efficiency.

以上説明したように、本実施形態によれば、第2の領域10Bを第1の領域10Aに対して傾けて配置した。より具体的には、第1の領域10Aにおける法線である第1の法線N1と第2の領域10Bにおける法線である第2の法線N2とのなす角度βを、20°以上40°以下とした。このような構成とすることにより、回折光学素子10は、回折効率が低下する入射角となる構成を避けた構成とすることができ、より効率の高い回折光学素子10及び光照射装置とすることができる。   As described above, according to the present embodiment, the second region 10B is disposed to be inclined with respect to the first region 10A. More specifically, the angle β formed by the first normal line N1 that is the normal line in the first region 10A and the second normal line N2 that is the normal line in the second region 10B is set to 20 ° or more and 40 °. ° or less. By adopting such a configuration, the diffractive optical element 10 can be configured so as to avoid a configuration with an incident angle at which the diffraction efficiency is reduced, and the diffractive optical element 10 and the light irradiation device are more efficient. Can do.

(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。
(Deformation)
The present invention is not limited to the embodiment described above, and various modifications and changes are possible, and these are also within the scope of the present invention.

(1)実施形態において、回折光学素子は、保持具を用いずに、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成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、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されているようにしてもよい。 (1) In the embodiment, the diffractive optical element has been described by giving an example in which at least a part of the element surface is formed at an angle with respect to the element surface of another part without using a holder. . For example, the diffractive optical element may be held in a state in which at least a part of the element surface forms an angle with respect to the element surface of another part.

(2)実施形態において、回折光学素子は、複数の平面を組み合わせて構成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、直線と曲線を組み合わせて構成してもよい。 (2) In the embodiment, the diffractive optical element has been described with an example in which a plurality of planes are combined. For example, the diffractive optical element may be configured by combining a straight line and a curved line.

(3)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。 (3) In the embodiment, the diffractive optical element is shown as a simple form composed of only the high refractive index portion. For example, a transparent base material for forming the high refractive index portion may be provided, the low refractive index portion 14 may be made of resin, or a coating layer that covers the diffraction layer is provided. Also good.

(4)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。 (4) In the embodiment, the diffractive optical element has been described with an example designed to diffract light having a wavelength of 500 nm. For example, the diffractive optical element may be one that diffracts infrared light having a wavelength of 780 nm or more, or is not limited to infrared light, but may diffract light having any wavelength such as visible light. The present invention may be applied.

(5)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。 (5) In each embodiment, the light irradiation device has been described with an example designed to diffract light having a wavelength of 500 nm. For example, the light source unit may emit infrared light having a wavelength of 780 nm or more. The light source unit emits light of any wavelength such as visible light as well as infrared light. You may apply to an irradiation apparatus.

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。   In addition, although embodiment and a deformation | transformation form can also be used in combination as appropriate, detailed description is abbreviate | omitted. Further, the present invention is not limited by the embodiments described above.

10 回折光学素子
10A 第1の領域
10B 第2の領域
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
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Diffractive optical element 10A 1st area | region 10B 2nd area | region 11 High refractive index part 11a Convex part 11a-1 Level 1 step part 11a-2 Level 2 step part 11a-3 Level 3 step part 11a-4 Level 4 step part 11b Side wall part 12 Concave part 13 Space 14 Low refractive index part 15 Diffraction layer 100 Diffraction optical element 200 Screen 201 Light 202 Irradiation area 204 Irradiation area 210 Light source part

Claims (6)

光を整形する回折光学素子であって、
少なくとも光を整形する使用状態において、
素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている、
又は、
素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されている、回折光学素子であって、
当該回折光学素子は、全体としては平面に沿って構成されており、前記平面と平行に構成されている第1の領域と、
前記第1の領域に対して角度を成して構成されている、又は、前記第1の領域に対して角度を成した状態で保持されている第2の領域と、
を備え、
前記第1の領域における法線である第1の法線と前記第2の領域における法線である第2の法線とのなす角度βは、20°以上40°以下であること、
を特徴とする回折光学素子。
A diffractive optical element for shaping light,
At least in use condition to shape light
At least a part of the element surface is formed at an angle with respect to the element surface of another part,
Or
A diffractive optical element in which at least a part of the element surface is held at an angle with respect to the element surface of another part,
The diffractive optical element is configured along a plane as a whole, and a first region configured parallel to the plane;
A second region configured at an angle with respect to the first region or held at an angle with respect to the first region;
With
An angle β formed by a first normal line that is a normal line in the first region and a second normal line that is a normal line in the second region is 20 ° or more and 40 ° or less,
A diffractive optical element characterized by the above.
請求項1に記載の回折光学素子において、
素子表面の少なくとも一部が曲面に構成されていること、
を特徴とする回折光学素子。
The diffractive optical element according to claim 1,
That at least a part of the element surface is curved,
A diffractive optical element characterized by the above.
請求項1又は請求項2に記載の回折光学素子において、
素子表面の少なくとも一部は、複数の平面を組み合わせて構成されていること、
を特徴とする回折光学素子。
The diffractive optical element according to claim 1 or 2,
At least a part of the element surface is configured by combining a plurality of planes;
A diffractive optical element characterized by the above.
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の回折光学素子を保持する保持具であって、
前記回折光学素子の素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態となるように保持する保持具。
A holder for holding the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3,
A holder for holding the diffractive optical element so that at least a part of the element surface is at an angle with respect to the element surface of another part.
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請求項1から請求項3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。
A light source unit;
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3, wherein the diffractive optical element is disposed at a position where light from the light source unit is incident, and shapes light from the light source unit.
A light irradiation apparatus comprising:
請求項5に記載の光照射装置であって、
前記光源部は、前記第1の法線に平行な平行光を照射すること、
を特徴とする光照射装置。
It is a light irradiation apparatus of Claim 5, Comprising:
The light source unit emits parallel light parallel to the first normal line;
The light irradiation apparatus characterized by this.
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