JP2022168217A - Diffraction optical element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回折光学素子に関するものである。 The present invention relates to a diffractive optical element.
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 trend toward automatic driving of automobiles, and the spread of the so-called "Internet of Things". there is There are various types of sensors, and the information they detect is also diverse. One of them is to irradiate the object with light from a light source and obtain information from the reflected light. . For example, a pattern authentication sensor, an infrared radar, and the like 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 source of these sensors has a wavelength distribution, brightness, and spread according to the application. Visible light to infrared wavelengths are often used. In particular, infrared rays are not easily affected by external light, are invisible, and are widely used because they can be used to observe the inside of objects. there is As for the types of light sources, LED light sources, laser light sources, and the like are often used. For example, a laser light source with little spread of light is preferably used to detect a distant place, and an LED light source is preferably used to detect a relatively close place or to irradiate an area with a certain extent of spread. be 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 area does not necessarily match the spread (profile) of the light from the light source. There is a need. Recently, a diffusion plate called a Light Shaping Diffuser (LSD) has been developed that can shape the shape of light to some extent.
Another means for shaping light is a diffractive optical element (DOE). This applies the diffraction phenomenon when light passes through a place where materials with different refractive indices are arranged periodically. Although DOEs are designed primarily for light of a single wavelength, in theory they can be shaped into almost any shape. Further, in the above-described LSD, the light intensity in the irradiation area has a Gaussian distribution, whereas in the DOE, it is possible to control the uniformity of the light distribution in the irradiation area. Such characteristics of the DOE are advantageous in terms of high efficiency by suppressing irradiation to unnecessary areas and miniaturization of the device by reducing the number of light sources (see, for example, Patent Document 1).
In addition, DOE can be used with both parallel light sources such as lasers and diffuse light sources such as LEDs, and can be applied to a wide range of wavelengths from ultraviolet light to visible light and infrared light. .
DOEを用いて所定の領域に光を均一に照射させる場合に、0次回折光が例えば照射領域の中央付近に集まってしまい、邪魔になる場合があった。特に光源がレーザである場合には、その傾向が強かった。従来は、0次回折光を少なくしようとすると、それに伴い必要な1次回折光も減少してしまっていた。そこで、必要な1次回折光の減少を抑えつつ、0次回折光を少なくすることが求められていた。 When the DOE is used to uniformly irradiate a predetermined area with light, the 0th-order diffracted light may be concentrated, for example, near the center of the irradiated area, which may be a hindrance. This tendency was particularly strong when the light source was a laser. Conventionally, when an attempt was made to reduce the 0th-order diffracted light, the required 1st-order diffracted light also decreased accordingly. Therefore, it has been desired to reduce the 0th-order diffracted light while suppressing the decrease in the necessary 1st-order diffracted light.
DOEの格子面を鋸歯形状(ブレーズ)化することにより、特定の波長を特定の次数に効率よく集中させて回折することができるとされており、この鋸歯形状を階段状の多段階形状により模して構成することが従来から行われている(例えば、特許文献1)。 It is said that by blazing the grating surface of the DOE, a specific wavelength can be efficiently concentrated into a specific order for diffraction. It has been conventionally practiced to configure as follows (for example, Patent Document 1).
しかし、鋸歯形状(ブレーズ)の形状としただけでは、不要な0次回折光が未だ多く、0次回折光をさらに低減することが望まれていた。 However, there is still a lot of unnecessary 0th-order diffracted light with only the sawtooth (blaze) shape, and it has been desired to further reduce the 0th-order diffracted light.
本発明の課題は、0次回折光をさらに低減することができる回折光学素子を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a diffractive optical element capable of further reducing 0th-order diffracted light.
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 means of the following solutions. In order to facilitate understanding, reference numerals corresponding to the embodiments of the present invention are used for explanation, but the present invention is not limited to these.
第1の発明は、光を整形する回折光学素子(10)であって、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(11a)部は、高さの異なる複数の段部により形成された多段階形状を有しており、前記高屈折率部(11)は、単位面積当り、最も深い面の面積が最も大きく、最上位面の次段の面の面積が最も小さい回折光学素子(10)である。
A first invention is a diffractive optical element (10) for shaping light, comprising a high refractive index portion (11) in which a plurality of convex portions (11a) are arranged side by side; ), and a diffraction layer (15) having a low refractive index portion (14) including recesses (12) formed at least between the protrusions (11a); The
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、前記高屈折率部(11)は、最上位面の面積が、前記高屈折率部の最下位面の面積の0.6~0.9倍の面積であること、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 the area of the uppermost surface of the high refractive index portion (11) is the area of the lowermost surface of the high refractive index portion. A diffractive optical element (10) characterized by having an area of 0.6 to 0.9 times.
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、前記高屈折率部(11)は、単位面積当り、最も深い面から最上位面の次段の面に向けて、各段部の面積が順次減少していること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 A third aspect of the invention is the diffractive optical element (10) according to the first aspect or the second aspect, wherein the high refractive index portion (11) extends from the deepest surface to the uppermost surface per unit area. The diffractive optical element (10) is characterized in that the area of each stepped portion gradually decreases toward the surface of .
第4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、鋸歯形状、又は、鋸歯形状を多段階の輪郭形状により模した形状であり、鋸歯形状又は多段階の輪郭形状により模した鋸歯形状の当該回折光学素子(10)のシート面に対して傾いた斜面は、前記凸部(11a)へ向かって凹んだ凹状曲面を有する回折光学素子(10)である。 A fourth aspect of the invention is a diffractive optical element (10) for shaping light, comprising: a high refractive index portion (11) in which a plurality of convex portions (11a) are arranged side by side in a cross-sectional shape; A diffraction layer (15) having a low refractive index portion (14) having a lower refractive index than the portion (11) and including a recess (12) formed at least between the protrusions (11a); The convex portion (11a) has a sawtooth shape or a shape imitating a sawtooth shape with a multistep contour shape, and the sawtooth shape or a sawtooth shape imitating a multistep contour shape of the diffractive optical element (10) The slope inclined with respect to the sheet surface is a diffractive optical element (10) having a concave curved surface recessed toward the convex portion (11a).
第5の発明は、第4の発明に記載の回折光学素子(10)において、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により前記鋸歯形状を模した多段階形状を有しており、前記段部の高さと幅との少なくとも一方が場所に応じて異なることにより前記凹状曲面を模していること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 According to a fifth aspect of the invention, in the diffractive optical element (10) according to the fourth aspect, the convex portion (11a) has a plurality of stepped portions having different heights on at least one side of the side surface thereof. The diffractive optical element (10 ).
第6の発明は、第4の発明又は第5の発明に記載の回折光学素子において、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により前記鋸歯形状を模した多段階形状を有しており、単位面積当り、最も深い面の面積が最も大きく、最上位面の次段の面の面積が最も小さいこと、を特徴とする回折光学素子である。 A sixth aspect of the invention is the diffractive optical element according to the fourth aspect or the fifth aspect, wherein the convex portion forms the sawtooth shape on at least one side of its side surface shape by a plurality of steps having different heights. It is a diffractive optical element characterized by having a multi-step shape similar to the diffractive optical element, and having the largest area per unit area of the deepest surface and the smallest area of the surface next to the uppermost surface.
第7の発明は、第5の発明又は第6の発明に記載の回折光学素子(10)において、前記段部の一段当りの高さは一定であり、前記段部の幅が場所に応じて異なることにより前記凹状曲面を模していること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 A seventh invention is the diffractive optical element (10) according to the fifth invention or the sixth invention, wherein the height per step of the stepped portion is constant, and the width of the stepped portion varies depending on the location. A diffractive optical element (10) characterized in that the concave curved surface is simulated by being different.
第8の発明は、第7の発明に記載の回折光学素子(10)において、前記凸部(11a)が並ぶ方向にx軸を設定し、前記斜面が高くなっていく向きをx軸のプラスの向きとし、当該回折光学素子(10)のシート面に直交するy軸を設定し、前記凸部(11a)の突出する向きをy軸のプラスの向きとし、前記凸部(11a)の先端を含んで計数した段部の総段数をLとし、レベルごとの幅の減少率をfとし、前記凹部(12)の最も低い位置を0として計数したときの対象の段部の段数をlvとし、前記段部の一段当りの高さをhで一定値とし、レベルゼロの幅比率をCとしたときに、多段階形状により模す前記凹状曲面の断面におけるレベルゼロの凹頂点と各凸部の頂点の軌跡となる曲線は、
ピッチに対するx座標の比率をSとして、
x’=0.5×f×lv2+C×lv
S=P/{tw+Σx’i}
Σは、i=0~L-1
としたときに階段形状の頂部x,y座標が、
x=0.5×f×lv2+C×lv
y=lv×h
で表されること、を特徴とする回折光学素子(10)である。
In an eighth invention, in the diffractive optical element (10) according to the seventh invention, the x-axis is set in the direction in which the convex portions (11a) are arranged, and the direction in which the slopes increase is the plus of the x-axis. , the y-axis perpendicular to the sheet surface of the diffractive optical element (10) is set, the direction in which the convex portion (11a) projects is the positive direction of the y-axis, and the tip of the convex portion (11a) Let L be the total number of steps counted including , let f be the rate of decrease in width for each level, and let lv be the number of steps of the target step when counted with the lowest position of the recess (12) being 0. , when the height per step of the stepped portion is a constant value h and the width ratio of the level zero is C, the concave vertex of the level zero and each convex portion in the cross section of the concave curved surface modeled by the multi-step shape The curve that is the locus of the vertices of
Let S be the ratio of the x-coordinate to the pitch,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
S=P/{tw+Σx′i}
Σ is i=0 to L−1
When the top x, y coordinates of the staircase shape are
x=0.5×f×lv 2 +C×lv
y = lv x h
A diffractive optical element (10) characterized by:
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に記載の回折光学素子(10)において、前記高屈折率部(11)は、凹凸形状が形成された面の法線方向から見て前記凸部(11a)と前記凹部(12)との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有する回折格子を形成していること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 A ninth invention is the diffractive optical element (10) according to any one of the first invention to the eighth invention, wherein the high refractive index portion (11) A boundary between the convex portion (11a) and the concave portion (12) when viewed from the direction forms a diffraction grating having a pattern including at least one of a curved line and a polygonal line connecting a plurality of line segments. is a diffractive optical element (10).
第10の発明は、第1の発明から第8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、前記高屈折率部(11)は、凹凸形状が形成された面の法線方向から見て同一の凹凸形状が並べて配置された単位セルが複数タイリングされた格子状のパターンに形成されるグレーティングセルアレイ型(「Grating Cell Arry 型」又は「GCA型」とも呼ぶ)の回折格子を形成していること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 A tenth invention is the diffractive optical element (10) according to any one of the first invention to the eighth invention, wherein the high refractive index portion (11) A grating cell array type (also referred to as "grating cell array type" or "GCA type") diffraction grating formed in a grid-like pattern in which a plurality of unit cells in which the same uneven shape is arranged side by side when viewed from the direction are tiled. A diffractive optical element (10) characterized by forming
本発明によれば、一次光の回折効率の低減を抑制し、ゼロ次光を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to suppress the reduction in the diffraction efficiency of the first-order light and reduce the zero-order light.
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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
(実施形態)
図1Aは、シート面の法線方向から見た回折格子の凹凸形状が、凸部と凹部との境界が曲線を含む規則的又は不規則なパターンに形成される回折光学素子の例を示す平面図である。
本実施形態では、1例として、図1Aに示すような一見不規則に見える凹凸形状のパターンを有する回折光学素子に適用することができる。以下の説明では、この図1Aに示すタイプの回折光学素子を、不規則型とも呼ぶこととする。ただし、この不規則なパターンは、回折光学素子の狙いの出射パターンによっては、規則的なパターンとなる場合もあるので、不規則型との呼び方は便宜上の呼び名であって、不規則に限定するものではない。また、図1Aでは、不規則型のパターンは、曲線により構成されているが、回折光学素子の狙いの出射パターンによっては、直線、又は、曲線からなる線分を繋げた折れ線となっているパターンを含む場合もある。したがって、不規則型の回折格子のパターンは、高屈折率部(後述)の凹凸形状が形成された面の法線方向から見て凸部と凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含む。
(embodiment)
FIG. 1A is a plan view showing an example of a diffractive optical element in which the uneven shape of the diffraction grating seen from the normal direction of the sheet surface is formed in a regular or irregular pattern including curved lines at the boundaries between the convex portions and the concave portions. It is a diagram.
As an example, this embodiment can be applied to a diffractive optical element having a seemingly irregular uneven pattern as shown in FIG. 1A. In the following description, the diffractive optical element of the type shown in FIG. 1A is also called an irregular type. However, this irregular pattern may become a regular pattern depending on the target output pattern of the diffractive optical element. not something to do. In FIG. 1A, the irregular pattern is composed of curved lines, but depending on the target output pattern of the diffractive optical element, the pattern may be a polygonal line formed by connecting straight line segments or curved line segments. may also include Therefore, in the pattern of the irregular diffraction grating, the boundary between the convex portion and the concave portion connects the curved line and a plurality of line segments when viewed from the normal direction of the surface on which the uneven shape of the high refractive index portion (described later) is formed. and at least one of the polygonal lines.
図1Bは、シート面の法線方向から見た回折格子の凹凸形状が、同一の凹凸形状が並べて配置された単位セルが複数タイリングされた格子状のパターンに形成される回折光学素子の例を示す平面図である。
本実施形態では、他の例として、図1Bに示すように、同一の凹凸形状が並べて配置された単位セルが複数タイリングされた格子状のパターンに形成される回折光学素子に適用することができる。以下の説明では、この図1Bに示すタイプの回折光学素子を、グレーティングセルアレイ(Grating Cell Array)型、又は、GCA型とも呼ぶこととする。グレーティングセルアレイ型の回折光学素子では、単位セル毎に回折格子により回折される光の向き及び角度が異なっており、多数の単位セルがタイリングされることにより、所望の光学特性を得られる回折光学素子が構成されている。すなわち、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子では、高屈折率部は、凹凸形状が形成された面の法線方向から見て、格子状に区画されており、その区画内に特定の方向に延在する同一形状の凸部が前記特定の延在方向と直交する方向に並んで配置されており、区画毎に凸部の幅及び延在方向が異なっている。
FIG. 1B is an example of a diffractive optical element in which the concave-convex shape of the diffraction grating seen from the normal direction of the sheet surface is formed in a grid-like pattern in which a plurality of unit cells in which the same concave-convex shape is arranged side by side are tiled. It is a plan view showing the.
As another example, as shown in FIG. 1B, this embodiment can be applied to a diffractive optical element formed in a lattice pattern in which a plurality of unit cells in which the same concave-convex shape is arranged side by side are tiled. can. In the following description, the diffractive optical element of the type shown in FIG. 1B is also called a grating cell array type or a GCA type. In a grating cell array type diffractive optical element, the direction and angle of light diffracted by the diffraction grating is different for each unit cell, and diffractive optics that can obtain desired optical characteristics by tiling a large number of unit cells. elements are constructed. That is, in the grating cell array type diffractive optical element, the high refractive index portion is partitioned into a lattice when viewed from the normal direction of the surface on which the uneven shape is formed, and extends in a specific direction within the partition. The convex portions having the same shape are arranged side by side in a direction orthogonal to the specific extending direction, and the width and extending direction of the convex portions are different for each section.
図2Aは、図1Aに示した不規則型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2Bは、図1Bに示したGCA型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2A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。
以下の説明では、GCA型に特有の断面形状の捉え方が必要であることから、主に不規則型を例に挙げて説明を進める。ただし、GCA型についても、図1A中に示した矢印G-G’の位置で切断すれば、同様な断面形状となり、上述したように、本発明は同様に適用可能である。
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。
FIG. 2A is a perspective view showing an example of a partial periodic structure in the example of the irregular diffractive optical element shown in FIG. 1A.
FIG. 2B is a perspective view showing an example of a partial periodic structure in the example of the GCA-type diffractive optical element shown in FIG. 1B.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the diffractive optical element taken along arrows GG' in FIG. 2A.
In the following description, since it is necessary to grasp the cross-sectional shape peculiar to the GCA type, the description will be given mainly by taking the irregular type as an example. However, if the GCA type is cut at the position of the arrow GG' shown in FIG. 1A, it will have a similar cross-sectional shape, and as described above, the present invention can be similarly applied.
FIG. 4 is a diagram illustrating a diffractive optical element.
In addition, each figure shown below including FIG. 1 is a schematic diagram, and the size and shape of each part are shown exaggerated appropriately for easy understanding.
Also, 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。 It should be noted that the terms used in the present invention to specify shapes and geometric conditions, and their degree, for example, terms such as "parallel", "perpendicular", "same", length and angle values, etc. Without being bound by a strict meaning, it is interpreted to include the extent to which similar functions 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、光を整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, "to shape light" means to control the traveling direction of the light so that the shape of the light projected onto the target object or target region (irradiation region) has an arbitrary shape. Say. For example, as shown in the example of FIG. 4, a
By combining the
In the present invention, the term "transparent" refers to a material that transmits at least the light of the wavelength used. For example, even if a material does not transmit visible light, if it transmits infrared light, it is treated 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1A,図1B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1A,図1BのE,F領域)を有している。図2A,図2B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。GCA型の回折光学素子では、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。一方、不規則型の回折光学素子では、断面位置が変れば断面形状が変化し、様々な断面形状の回折格子が多数配列されている形態となる。なお、不規則型においては、回折格子の形状を特定するための断面、すなわち、回折光の回折現象に影響を与える回折格子の具体的な形状を特定するための断面構造は、シート面の法線方向から見たときの凸部と凹部との境界が描く線(曲線、又は、直線)に直交する方向に切断する断面における断面構造とすることが必要である。
The diffractive
The diffractive
As shown in FIG. 3, the diffractive
高屈折率部11は、例えば、クオーツ(SiO2、合成石英)をエッチング処理により加工して形成してもよい。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
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。
3, including the
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3段部11a-3と、レベル3段部11a-3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1段部11a-1と、レベル1段部11a-1よりもさらに一段低いレベル0段部11a-0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3段部11a-3からレベル0段部11a-0まで直線上につながる側壁部11bとなっている。
The
ここで、本実施形態の凸部11aは、鋸歯形状を多段階の輪郭形状により模した形状であり、多段階の輪郭形状により模した鋸歯形状の回折光学素子10のシート面に対して傾いた斜面は、凸部11aへ向かって凹んだ凹状曲面を有している。ここで、「多段階の輪郭形状により模した」とは、本実施形態では、各段部の角部分を結んだ線で疑似的に凹状曲面を構成していることを表しているが、角部分に限らず、段部の面の中央を結んだ線であってもよいし、隅部分を結んだ線であてもよい。また、「模した」との文言は、疑似的に凹状曲面を構成したことをあらわしている。本実施形態では、マクロ的に見れば、凹状曲面になっているが、ミクロ的に見れば、階段状に構成されていることを表している。別の表現では、「近似している」といってもよい。ここまで説明した例では、4レベルの形態を説明したので、比較的粗く模した形態となっているが、後述する16レベルや、さらにそれ以上のレベル数とすれば、より正確に模した形状とすることができる。
Here, the
図5は、回折光学素子10における凸部11aの凹状曲面について説明する図である。
図6Aは、本実施形態の回折光学素子10を従来の形態と比較して示した図である。図6A(a)は、図6A(b)中の矢印H-Hの位置で従来の回折光学素子を切断した断面を示している。図6A(b)は、従来の回折光学素子をシート面の法線方向から見た平面図である。図6A(c)は、本実施形態の回折光学素子10をシート面の法線方向から見た平面図である。図6A(d)は、図6A(b)と図6A(c)とを重ねて示した図である。
従来の回折光学素子では、図5中に二点鎖線で示したように、各段部の一段当りの深さ(高さ)が一定であって、また、幅も一定になっていた。したがって、図5に示す断面において、従来の回折光学素子の各段部の角部分を結んだ斜面L0は、平面(断面では直線)となっていた。
これに対して、本実施形態の回折光学素子10では、各段部の角部分を結んだ斜面Lは、凸部11aへ向かって凹んだ凹状曲面(断面では凹状曲線)となっている。上述の凹状曲面を模すためには、各段部の深さ(高さ)を変えてもよいし、各段部の幅を変えてもよく、これらの両方を組み合わせてもよい。しかし、エッチング処理によって段部を製造する製造方法を考慮すると、最も簡単に製造を行えるのは、各段部の幅を変える方法である。
そこで、本実施形態の回折光学素子10は、上述の凹状曲面を模すために、各段部の幅を、凹部の深さが浅くなるにしたがい、徐々に狭くしている。よって、図5及び図6に示すように、凸部11aの幅も、全体に狭くなっている。
5A and 5B are diagrams for explaining the concave curved surface of the
FIG. 6A is a diagram showing the diffractive
In a conventional diffractive optical element, the depth (height) of each step is constant, and the width is also constant, as indicated by the chain double-dashed line in FIG. Therefore, in the cross section shown in FIG. 5, the slope L0 connecting the corners of the steps of the conventional diffractive optical element was flat (straight in cross section).
On the other hand, in the diffractive
Therefore, in the diffractive
不規則型の回折光学素子10では、図1Aに示したように、設計上は、凸部と凹部との境界が描く線が曲線となる部分が多い。そして、先にも説明したように、回折光学素子の光学特性に影響を与える断面構造は、この曲線に直交する方向(法線方向)の断面における断面構造である。しかし、実際の回折光学素子10では、微細な折れ線形状、特に、図6Aに示すような直交する2方向の直線を繋げた折れ線形状によって凸部と凹部との境界が描く線が曲線に近似した形状に作製される場合が多い。これは主に製造上の都合によるものである。
この場合、図5に示した断面構造を、例えば、図6A(a)のようにして切断した断面で検討してしまうと、各段の幅が切断位置の影響を受けて本来の断面構造として検討すべき幅よりも広くなったり、狭くなったりしてしまい、正しい検討が行えない。
図6Bは、図6Aの図に本来の設計パターンの曲線を重ねて示した図である。図6B(b)は、図6A(b)上に理想設計パターンの曲線を重ねた図であり、図6B(c)は、図6A(c)上に理想設計パターンの曲線と本実施形態の設計パターンの曲線とを重ねた図である。なお、図6B(c)上で実線は、理想設計パターンの曲線であり、破線は、本実施形態の設計パターンの曲線である。
図6Bには、各段部の幅が、凹部の深さが浅くなるにしたがい、徐々に狭くなっている様子が明確に示されている。このように、実際に作製された回折光学素子において、各段部の幅を検討する場合には、図6Bのように頂点を結ぶ曲線により設計上の曲線を得て、その曲線に直交する方向の断面形状や、幅寸法で検討することが重要である。
In the irregular-type diffractive
In this case, if the cross-sectional structure shown in FIG. 5 is examined by cutting the cross-section as shown in FIG. The width becomes wider or narrower than the width to be examined, and correct examination cannot be performed.
FIG. 6B is a diagram showing curves of the original design pattern superimposed on the diagram of FIG. 6A. FIG. 6B(b) is a diagram in which the curve of the ideal design pattern is superimposed on FIG. 6A(b), and FIG. It is the figure which overlapped with the curved line of the design pattern. In FIG. 6B(c), the solid line is the curve of the ideal design pattern, and the dashed line is the curve of the design pattern of this embodiment.
FIG. 6B clearly shows that the width of each step gradually narrows as the depth of the recess becomes shallower. Thus, when examining the width of each step in an actually manufactured diffractive optical element, a design curve is obtained from the curve connecting the vertices as shown in FIG. It is important to consider the cross-sectional shape and width of the
ここまでの説明では、4レベルの多段階形状の例を示したが、この段数はより多くしてもよい。
図7は、8レベルの多段階形状を有する回折光学素子10を示す図である。
このように段数を多くすると、凹状曲面を模す精度が高くなる。
Although the description so far has shown an example of a multi-stage shape with four levels, the number of stages may be larger.
FIG. 7 is a diagram showing a diffractive
When the number of steps is increased in this way, the accuracy of simulating the concave curved surface increases.
ここで、鋸歯形状の斜面は、凹状曲面を模した形状としているが、この曲面の形状について説明する。
図8は、凹状曲面の断面における曲線と、多段階形状を説明する図である。
図8に示す様なx-y直交座標を設ける。すなわち、凸部11aが並ぶ方向にx軸を設定し、斜面が高くなっていく向きをx軸のプラスの向きとし、回折光学素子10のシート面に直交するy軸を設定し、凸部11aの突出する向きをy軸のプラスの向きとして設定する。
凸部11aの先端を含んで計数した段部の総段数をLとする。また、レベルごとの幅の減少率をfとする。さらに、凹部の最も低い位置を0として係数したときの対象の段部の段数をlvとし、各段部の一段当りの高さをhで一定値とし、レベルゼロの幅比率をCと定義する。そうすると、多段階形状により模す凹状曲面の断面における曲線(レベルゼロの凹頂点と各凸部の頂点の軌跡となる曲線)は、以下の式で表される。
ピッチに対するx座標の比率をSとして、
x’=0.5×f×lv2+C×lv
S=P/{tw+Σx’i}
Σは、i=0~L-1
としたときに階段形状の頂部x,y座標が次のように表される。
x=S×(0.5×f×lv2+C×lv)
y=lv×h
なお、多段形状のレベル数をn、最上位レベルの幅をtwとしたときに、ピッチは、
0.5×f×(n-1)2+C×(n-1)+tw
を正規化したものである。
また、レベルゼロの幅比率Cとは、凹部の最も低い位置であるレベルゼロの幅が従来の各段部の幅が一定である場合における一段当りの幅に対する比率を示している。
ここで、各段部の一段当りの高さをhについては、理論値htに対して、h=ht×1.05~h=ht×1.15とすると良好な結果が得られる。なお、理論値ht=波長/{level数(屈折率-1)}である。
Here, the sawtooth-shaped slope has a shape that imitates a concave curved surface, and the shape of this curved surface will be described.
FIG. 8 is a diagram for explaining curves in a section of a concave curved surface and a multi-stage shape.
An x-y orthogonal coordinate system as shown in FIG. 8 is provided. That is, the x-axis is set in the direction in which the
Let L be the total number of steps including the tip of the
Let S be the ratio of the x-coordinate to the pitch,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
S=P/{tw+Σx′i}
Σ is i=0 to L−1
Then, the top x and y coordinates of the staircase shape are expressed as follows.
x=S×(0.5×f×lv 2 +C×lv)
y = lv x h
When the number of levels in the multistage shape is n and the width of the highest level is tw, the pitch is
0.5×f×(n-1)2+C×(n-1)+tw
is normalized.
The width ratio C of level zero indicates the ratio of the width of level zero, which is the lowest position of the recess, to the width of one step when the width of each step is constant in the conventional case.
Here, for the height h of each stepped portion, good results can be obtained by setting h=ht×1.05 to h=ht×1.15 with respect to the theoretical value ht. The theoretical value ht=wavelength/{level number (refractive index−1)}.
また、各段部(レベル)の幅d0~d7をピッチの割合で以下のように定義する。
di=C+i×f
ただし、iは、0~6の整数である。
ここで、f<0である。
Further, the widths d0 to d7 of each stepped portion (level) are defined as a ratio of the pitch as follows.
di=C+i×f
However, i is an integer of 0-6.
where f<0.
また、最大回折角が10°以上の回折光学素子においては、
-20≦C/f≦-6であり、
望ましくは、
-16≦C/f≦-10.5
-0.0275≦f≦-0.0125
としたときに、
0.13≦C≦0.4
であり、Cがこの範囲である場合、望ましくは、
-0.0225≦f≦-0.0125
である。
最も深い面であるゼロレベルの幅に対し、最上位の幅の比率をtとしたときに、
0.5≦t≦0.9
であり、
0.6≦t≦0.8
が望ましい。
Further, in a diffractive optical element having a maximum diffraction angle of 10° or more,
−20≦C/f≦−6,
Desirably,
-16≤C/f≤-10.5
-0.0275≤f≤-0.0125
when
0.13≦C≦0.4
and when C is in this range, preferably
-0.0225≤f≤-0.0125
is.
When t is the ratio of the width of the highest level to the width of the zero level, which is the deepest plane,
0.5≦t≦0.9
and
0.6≤t≤0.8
is desirable.
以下に、具体例を例示する。
図9は、8レベルの断面形状の具体例を示す図である。図9中の下方に併記した表には、x’、yの値を併記した。このx’は、階段構造の断面を見たときの頂部の横方向位置を示し、yは、縦方向位置を示しており、図9にグラフとして示した断面形状(階段構造)の座標データ(頂点座標)である。なお、以下の図においても、グラフと共に併記した表中の値は、グラフ中の座標データを示すものである。
図9の例では、波長850nm,ピッチ=3284nm(回折角15°),8レベル,f=-0.02,C=0.25,t=0.8,h=850/8*1.1*(n-1),n=1.5となっている。この場合、C/f=-12.5となる。
x’=0.5×f×lv2+C×lv
による式から、ゼロレベルから最上位レベルまでの幅は1.4542となり、各レベルの幅は、x値から導出される幅×3284/1.4542となる。このときのゼロ次光強度は、0.15776%と、充分に小さくなる。
Specific examples are given below.
FIG. 9 is a diagram showing a specific example of 8-level cross-sectional shapes. Values of x' and y are also written in the table written together in the lower part of FIG. This x' indicates the horizontal position of the top when looking at the cross section of the staircase structure, y indicates the vertical position, and the cross-sectional shape (step structure) coordinate data ( vertex coordinates). Also in the following figures, the values in the tables written together with the graphs indicate the coordinate data in the graphs.
In the example of FIG. 9,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
From the equation by, the width from the zero level to the highest level is 1.4542, and the width of each level is the width derived from the x value times 3284/1.4542. The zero-order light intensity at this time is 0.15776%, which is sufficiently small.
図10は、4レベルの断面形状の具体例を示す図である。図10中には、x、yの値を併記した。
図10の例では、波長850nm,ピッチ=3284nm(回折角15°),4レベル,f=-0.02,C=0.2,t=0.8,h=850/4*1.1(n-1.0),n=1.5となっている。この場合、C/f=-10となる。
x’=0.5×f×lv2+C×lv
による式から、ゼロレベルから最上位レベルまでの幅は0.662となり、各レベルの幅は、x値から導出される幅×3284/0.662となる。このときのゼロ次光は、0.2803%と充分に小さくなる。
FIG. 10 is a diagram showing a specific example of a four-level cross-sectional shape. In FIG. 10, the values of x and y are also written.
In the example of FIG. 10,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
From the equation by, the width from the zero level to the highest level is 0.662, and the width of each level is the width derived from the x value times 3284/0.662. The zero-order light at this time is sufficiently small at 0.2803%.
次に、上記実施形態と比較例とを実際に作成し、0次回折光の強度を実測した結果を示す。
図11は、0次回折光の強度測定方法を説明する図である。
0次回折光の強度を測定するには、先ず、図11(a)に示すように、光源LSが発光する特定の波長の光を回折光学素子10させた後に、さらにアパーチャAPにより0次回折光が通過する特定の範囲の光のみをセンサSまで到達させて、パワーメータMにより回折光学素子10がある場合の強度を計測する。
次に、図11(b)に示す様に、回折光学素子10のみを図11(a)の状態から取り除いて、回折光学素子10がない場合の強度を計測する。0次回折光の強度は、(回折光学素子10がある場合の強度)/(回折光学素子10がない場合の強度)により求めることができる。
なお、測定に用いる光源LSは、レーザ光源とハロゲン光源の2種類とし、波長850nmとした。
Next, the results of actually measuring the intensity of the 0th-order diffracted light for the above embodiment and the comparative example will be shown.
FIG. 11 is a diagram for explaining a method for measuring the intensity of 0th-order diffracted light.
In order to measure the intensity of the 0th-order diffracted light, first, as shown in FIG. Only light in a specific range that passes is allowed to reach the sensor S, and the power meter M measures the intensity in the presence of the diffractive
Next, as shown in FIG. 11(b), only the diffractive
The light source LS used for the measurement was of two types, a laser light source and a halogen light source, and had a wavelength of 850 nm.
上記方法によって本発明の回折光学素子10について、0次回折光の強度を測定した。なお、本発明の回折光学素子10としては、図3,5に示した4レベルのものと、図7,8に示した8レベルのものをそれぞれ測定した。
本発明の回折光学素子10の4レベル品は、1段当りの高さh=470nmである。この値は、h=ht×1.106に相当している。また、C=0.1825,f=-0.02とした。なお、ピッチは、図1及び図6に示す様に部位により様々なので特定は困難である。
なお、本発明の回折光学素子10では、各段部を繋いだラインは、断面において凹状の曲線となる。
The intensity of the 0th-order diffracted light was measured for the diffractive
The 4-level product of the diffractive
In addition, in the diffractive
また、本発明の回折光学素子10との比較のため、比較例も、4レベル品と8レベル品とを用意した。
図12は、比較例の回折光学素子を示す図である。
比較例としては、図12に示す様に、各段部を繋いだラインは、断面において直線である。そして比較例についても、4レベルと8レベルの2種類用意した。1段当りの高さhは、本発明品と同じとした。
図13は、本発明の回折光学素子10と比較例とについて0次回折光の強度を測定した結果を示す図である。図13中で、丸印び四角印で示したデータは、レーザ光源のデータを示し、曲線で示したデータは、ハロゲン光源のデータを示している。
図13に示す様に、レーザ光源であるかハロゲン光源であるかによらず、本発明の方が、比較例と比べて0次回折光の強度が大きく下がっている。よって、鋸歯形状の斜面に相当する部分は、凹状曲面に構成すると、0次回折光の強度を下げることができることが、実測品で証明された。
For comparison with the diffractive
FIG. 12 is a diagram showing a diffractive optical element of a comparative example.
As a comparative example, as shown in FIG. 12, the line connecting the stepped portions is a straight line in the cross section. Two types of comparative examples, 4-level and 8-level, were also prepared. The height h per step was the same as the product of the present invention.
FIG. 13 is a diagram showing the results of measuring the intensity of 0th-order diffracted light for the diffractive
As shown in FIG. 13, regardless of whether the light source is a laser light source or a halogen light source, the intensity of the 0th-order diffracted light is significantly lower in the present invention than in the comparative example. Therefore, it has been proved by actual measurement that the intensity of the 0th-order diffracted light can be reduced by configuring the portion corresponding to the slanted surface of the sawtooth shape as a concave curved surface.
次に、本発明の効果について、より詳細に調べるために、シミュレーションを行った。
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。
なお、今回のシミュレーションは、図2Aに示したような立体的形状を考慮したものではなく、図2Bに示したような一次元で奥行き方向は無限長さであるとした演算とした。
Next, a simulation was performed to investigate the effects of the present invention in more detail.
The analysis simulation of the diffraction efficiency used calculations based on rigorous coupled-wave analysis (RCWA).RCWA is mathematically reduced to solving a matrix eigenvalue problem and a linear equation. Moreover, the simulation result of the electromagnetic field analysis based on this RCWA basically agrees with the reality, except for the shape error in the actual product.
Note that the simulation this time did not take into account the three-dimensional shape shown in FIG. 2A, but was calculated assuming that it is one-dimensional and has an infinite length in the depth direction as shown in FIG. 2B.
シミュレーションは、以下の条件により行った。
波長: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:2μm,4μmの2種
レベル数:8レベル
The simulation was performed under the following conditions.
Wavelength: 850nm
Refractive index n of high refractive index portion: 1.5
Refractive index of low refractive index part: 1.0
Pitch: 2 types, 2 μm and 4 μm Number of levels: 8 levels
比較例としては、先ず、一段当りの高さを理論値の高さht=212.5nmのものを比較例1とした。また、一段当りの高さh=ht×1.106=235nmとしたものを比較例2とした。この高さh=ht×1.106=235nmは、先の実測に用いたものと同じである。
また、本発明品である斜面相当部分が凹状曲面となっている実施例として、2種類用意した。先ずは、先の実測品と同様に深い部分の幅を順次幅広に構成したものを実施例1とした。また、幅を変えずに、深い部分を順次高さを低くすることにより、斜面相当部分が凹状曲面となっている形態を実施例2とした。
図14は、1段当りの高さを変化させた実施例2の形状を示す図である。
先に説明したように、図14のように1段当りの高さを変化させることによっても、凹状曲面を模すことができる。
As a comparative example, a comparative example 1 was first obtained in which the theoretical height ht=212.5 nm for the height per step. Comparative Example 2 was obtained by setting the height per step h=ht×1.106=235 nm. This height h=ht×1.106=235 nm is the same as that used in the previous actual measurement.
In addition, two types of examples were prepared as examples in which the portion corresponding to the inclined surface, which is the product of the present invention, has a concave curved surface. First of all, Example 1 was prepared by increasing the width of the deep portion in the same manner as the previous measured products. In addition, in Example 2, the portion corresponding to the slant surface has a concave curved surface by gradually decreasing the height of the deep portion without changing the width.
FIG. 14 is a diagram showing the shape of Example 2 in which the height per step is changed.
As described above, a concave curved surface can also be simulated by changing the height of each step as shown in FIG.
図15は、シミュレーションの結果をまとめた図である。シミュレーションでは、1次回折光についても参考値として求めている。
シミュレーションの結果からも、斜面相当部分が凹状曲面となっている形態であれば、0次回折光を大きく低減可能であるという結果が得られた。
FIG. 15 is a diagram summarizing the simulation results. In the simulation, the first-order diffracted light is also obtained as a reference value.
From the simulation results, it was found that the 0th-order diffracted light can be greatly reduced if the portion corresponding to the slope is a concave curved surface.
なお、鋸歯形状を多段階形状によって疑似再現するときの段数(レベル数)は、上述した4段、8段に限らない。
図16は、16段で鋸歯形状を模した例を示す図である。なお、段数を増やしていけば、より滑らかな斜面に近づけることができ、略無段階とみなせる程度のもの、すなわち実質的に曲面とみなせるものとすることも可能である。上記の実測及びシミュレーションの結果から、滑らかな斜面の場合であっても、斜面は凹状曲面とすれば、0次回折光の強度を下げることが可能であるといえる。
Note that the number of steps (number of levels) when the sawtooth shape is pseudo-reproduced by the multi-step shape is not limited to the above four steps and eight steps.
FIG. 16 is a diagram showing an example of simulating a sawtooth shape with 16 stages. By increasing the number of steps, it is possible to approach a smoother slope, and it is possible to make the slope almost stepless, ie, substantially curved. From the results of the actual measurements and simulations described above, it can be said that even if the slope is smooth, the intensity of the 0th-order diffracted light can be reduced if the slope is a concave curved surface.
次に、レベルゼロの幅変化率C、レベルごとの幅の減少率f、最上位の幅の比率tの影響について説明するためのシミュレーション結果を示す。
(8-level)
波長850nm、回折光学素子の屈折率1.5として、次の式で表される8-levelの構造をシミュレーションした結果を図17から図19に示す。一段あたりの高さは理論値ではht=212.5nmとなり、h=ht×1.1の223.125nmとした。tは最下位(level-0)に対する最上位面(level-7)の幅の比率である。式は、上述した式と同じ、以下の式を用いている。
ピッチに対するx座標の比率をSとして、
x’=0.5×f×lv2+C×lv
S=P/{tw+Σx’i}
Σは、i=0~L-1
としたときに階段形状の頂部x,y座標が次のように表される。
x=S×(0.5×f×lv2+C×lv)
y=lv×h
図17は、f=-0.02、t=0.8とし、回折格子の回折角15°となる3284nmピッチとしたときのCを変化させたときのゼロ次光強度のグラフである。0.21≦C≦0.40では、ゼロ次光が低く、0.5%以下となっていることがわかる。
図18は、C=0.25,t=0.8とし、回折格子の回折角15°となる3284nmピッチとしたときのfを変化させたときのゼロ次光強度のグラフである。-0.0225≦f≦-0.0125のときに、ゼロ次光が低く、0.5%以下となっていることがわかる。
図19は、f=-0.02、C=0.25とし、回折格子の回折角15°となる3284nmピッチとしたときのtを変化させたときのゼロ次光強度のグラフである。tが0.5~0.9でゼロ次光が小さく、0.5%以下になることがわかる。
Next, simulation results for explaining the effects of the width change rate C at level zero, the width reduction rate f for each level, and the width ratio t at the highest level will be shown.
(8-level)
17 to 19 show the results of simulating an 8-level structure represented by the following formula with a wavelength of 850 nm and a refractive index of the diffractive optical element of 1.5. The theoretical value of the height of one step is ht=212.5 nm, and h=ht×1.1=223.125 nm. t is the ratio of the width of the top surface (level-7) to the bottom (level-0). The formula uses the following formula, which is the same as the formula described above.
Let S be the ratio of the x-coordinate to the pitch,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
S=P/{tw+Σx′i}
Σ is i=0 to L−1
Then, the top x and y coordinates of the staircase shape are expressed as follows.
x=S×(0.5×f×lv 2 +C×lv)
y = lv x h
FIG. 17 is a graph of the zero-order light intensity when C is changed with f=−0.02, t=0.8, and a pitch of 3284 nm with a diffraction angle of the diffraction grating of 15°. It can be seen that when 0.21≦C≦0.40, the zero-order light is low and is 0.5% or less.
FIG. 18 is a graph of zero-order light intensity when f is changed with C=0.25, t=0.8, and a pitch of 3284 nm with a diffraction angle of 15° of the diffraction grating. It can be seen that when −0.0225≦f≦−0.0125, the zero-order light is low and is 0.5% or less.
FIG. 19 is a graph of zero-order light intensity when t is changed when f=−0.02, C=0.25, and a pitch of 3284 nm with a diffraction angle of the diffraction grating of 15°. It can be seen that when t is 0.5 to 0.9, the zero-order light is small and becomes 0.5% or less.
これらの結果から、8-levelにおけるC/fの好適な範囲を求めることができる。ここで、ゼロ次光強度が1%以下となる範囲をC/fの好適な範囲として設定する。
図17の結果から、0.18<Cでは、ゼロ次光が1%以下となっていることがわかる。この図17の例では、f=-0.02であるから、C/f<-9とすることが望ましい。
また、図18の結果から、-0.0275<f<-0.005では、ゼロ次光が1%以下となっていることがわかる。この図18の例では、C=0.25であるから、-50<C/f<-9とすることが望ましい。
これら2つの範囲で共通する範囲として、8-levelにおけるC/fの好適な範囲は、-50<C/f<-9である。
From these results, a suitable range of C/f at 8-level can be obtained. Here, a range in which the zero-order light intensity is 1% or less is set as a suitable range of C/f.
From the results of FIG. 17, it can be seen that when 0.18<C, the zero-order light is 1% or less. In the example of FIG. 17, since f=-0.02, it is desirable that C/f<-9.
Further, from the results of FIG. 18, it can be seen that the zero-order light is 1% or less when −0.0275<f<−0.005. In the example of FIG. 18, since C=0.25, it is desirable that -50<C/f<-9.
As a range common to these two ranges, a preferred range of C/f at 8-level is -50<C/f<-9.
(4-level)
波長850nm、回折光学素子の屈折率1.5として、次の式で表される4-levelの構造をシミュレーションした結果を図20から図22に示す。一段あたりの高さは理論値ではht=425nmとなり、h=ht×1.1の467.5nmとした。tは最下位(level-0)に対する最上位面(level-3)の幅の比率である。式は、上述した式と同じ、以下の式を用いている。
ピッチに対するx座標の比率をSとして、
x’=0.5×f×lv2+C×lv
S=P/{tw+Σx’i}
Σは、i=0~L-1
としたときに階段形状の頂部x,y座標が次のように表される。
x=S×(0.5×f×lv2+C×lv)
y=lv×h
図20は、f=-0.02、t=0.8とし、回折格子の回折角15°となる3284nmピッチとしたときのCを変化させたときのゼロ次光強度のグラフである。0.13≦C≦0.33では、ゼロ次光が低く、0.5%以下になっていることがわかる。
図21は、C=0.18,t=0.8とし、回折格子の回折角15°となる3284nmピッチとしたときのfを変化させたときのゼロ次光強度のグラフである。-0.0275≦f≦-0.0125のときに、ゼロ次光が低く、0.5%以下になっていることがわかる。
図22は、f=-0.02、C=0.18とし、回折格子の回折角15°となる3284nmピッチとしたときのtを変化させたときのゼロ次光強度のグラフである。tが0.3~0.9でゼロ次光が小さく、0.5%以下になることがわかる。
(4-level)
20 to 22 show the results of simulating a 4-level structure represented by the following formula with a wavelength of 850 nm and a refractive index of the diffractive optical element of 1.5. The theoretical value of the height per step is ht=425 nm, and h=ht×1.1=467.5 nm. t is the ratio of the width of the top surface (level-3) to the bottom (level-0). The formula uses the following formula, which is the same as the formula described above.
Let S be the ratio of the x-coordinate to the pitch,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
S=P/{tw+Σx′i}
Σ is i=0 to L−1
Then, the top x and y coordinates of the staircase shape are expressed as follows.
x=S×(0.5×f×lv 2 +C×lv)
y = lv x h
FIG. 20 is a graph of the zero-order light intensity when C is changed with f=−0.02, t=0.8, and a pitch of 3284 nm with a diffraction angle of 15° of the diffraction grating. It can be seen that when 0.13≦C≦0.33, the zero-order light is low and is 0.5% or less.
FIG. 21 is a graph of zero-order light intensity when f is changed with C=0.18, t=0.8, and a pitch of 3284 nm with a diffraction angle of 15° of the diffraction grating. It can be seen that when −0.0275≦f≦−0.0125, the zero-order light is low and is 0.5% or less.
FIG. 22 is a graph of zero-order light intensity when t is changed when f=−0.02, C=0.18, and a pitch of 3284 nm with a diffraction angle of the diffraction grating of 15°. It can be seen that when t is 0.3 to 0.9, the zero-order light is small and becomes 0.5% or less.
これらの結果から、4-levelにおけるC/fの好適な範囲を求めることができる。ここで、ゼロ次光強度が1%以下となる範囲をC/fの好適な範囲として設定する。
図20の結果から、0.1<Cでは、ゼロ次光が1%以下となっていることがわかる。この図20の例では、f=-0.02であるから、-5<C/fとすることが望ましい。
また、図21の結果から、f<0では、ゼロ次光が1%以下となっていることがわかる。この図21の例では、C=0.18であるから、f<0の条件からは、C/fの範囲を求めることができず、この条件ではいずれの値であってもよい。
これら2つの範囲で共通する範囲として、4-levelにおけるC/fの好適な範囲は、-5<C/fである。
From these results, a suitable range of C/f at 4-level can be obtained. Here, a range in which the zero-order light intensity is 1% or less is set as a suitable range of C/f.
From the results of FIG. 20, it can be seen that when 0.1<C, the zero-order light is 1% or less. In the example of FIG. 20, since f=-0.02, it is desirable that -5<C/f.
Also, from the results of FIG. 21, it can be seen that the zero-order light is 1% or less when f<0. In the example of FIG. 21, since C=0.18, the range of C/f cannot be obtained from the condition of f<0, and any value is acceptable under this condition.
As a range common to these two ranges, a preferred range of C/f at 4-level is −5<C/f.
上述したように、8-levelにおけるC/fの好適な範囲は、-50<C/f<-9であり、4-levelにおけるC/fの好適な範囲は、-5<C/fである。よって、これらに共通する範囲として、-5<C/f<-9がC/fの好適な範囲として設定できる。
ここで、減少率fについて着目すると、減少率fは、C/fの反比例の関係を持っている。よって、減少率fを分子になるように上記範囲を書き換えると、-0.2<f/C<-0.1の範囲であることが望ましい。減少率fは、レベルごとの幅の減少率であり無次元の値であり、また、Cが一定であるとすると、面積の変化率も上記範囲であることが望ましいと考えられる。よって、各段部の面積が減少する減少率は、-5%以上、-20%以下の範囲であることが望ましい。
As described above, the preferred range of C/f at 8-level is -50<C/f<-9, and the preferred range of C/f at 4-level is -5<C/f. be. Therefore, as a range common to these, -5<C/f<-9 can be set as a preferable range of C/f.
Here, focusing on the reduction rate f, the reduction rate f has a relationship of inverse proportion to C/f. Therefore, when the above range is rewritten so that the decrease rate f becomes a numerator, it is desirable that the range be −0.2<f/C<−0.1. The rate of decrease f is the rate of decrease in width for each level and is a dimensionless value, and if C is constant, it is considered desirable that the rate of change in area is also within the above range. Therefore, it is desirable that the rate of reduction of the area of each stepped portion is in the range of -5% or more and -20% or less.
また、図19から8-levelでは、tが0.5~0.9が望ましく、図22から4-levelでは、tが0.3~0.9が望ましいと考えられる。tは最下位(level-0)に対する最上位面(level-3)の幅の比率である。よって、高屈折率部の最上位面の面積が、高屈折率部の最下位面の面積の0.5~0.9倍の面積であることが望ましいと言える。 Also, from FIG. 19, t is desirably 0.5 to 0.9 for 8-level, and from FIG. 22, t is desirably 0.3 to 0.9 for 4-level. t is the ratio of the width of the top surface (level-3) to the bottom (level-0). Therefore, it can be said that the area of the highest surface of the high refractive index portion is preferably 0.5 to 0.9 times the area of the lowest surface of the high refractive index portion.
次に、本発明の頂点を結ぶ軌跡が凹状曲面の構成を有する回折光学素子と、理論的な構造である頂点が直線状に並ぶ構成を有する回折光学素子と、本発明とは逆に頂点を結ぶ軌跡が凸状曲面の構成を有する回折光学素子とを比較するシミュレーションの結果を図23から図25に示す。図23から図25のシミュレーションでは、f=-0.02、C=0.18、t=0.8、3248nmピッチ(回折角15°)とした。
図23は、本発明の頂点を結ぶ軌跡が凹状曲面の構成を有する回折光学素子の断面形状とシミュレーション結果とを示す図である。なお、図23から図25中には、断面形状の違いがわかりやすくなるように、一点鎖線で直線を併記した。
図23に示すように、本発明による構造では、ゼロ次光は0.26%となっている。
図24は、理論的な構造である頂点が直線状に並ぶ構成を有する回折光学素子の断面形状とシミュレーション結果とを示す図である。
図24に示すように、理論的な構造である、全ての段が同じ場合には、ゼロ次光は0.88%となっている。
図25は、本発明とは逆に頂点を結ぶ軌跡が凸状曲面の構成を有する回折光学素子の断面形状とシミュレーション結果とを示す図である。
図25に示すように、本発明と逆ののこぎりの刃型斜面に対し凸型になっている構造では、ゼロ次光は2.90%となっている。
図23から図25の結果から、本発明のように頂点を結ぶ軌跡が凹状曲面の構成を有する回折光学素子では、ゼロ次光を低減できることが確認できる。
Next, a diffractive optical element in which the trajectory connecting the vertices of the present invention has a configuration of a concave curved surface, a diffractive optical element in which the vertices are arranged in a straight line, which is a theoretical structure, and a Figs. 23 to 25 show the results of a simulation comparing a diffractive optical element in which the trajectory connecting the diffractive optical element has a configuration of a convex curved surface. In the simulations of FIGS. 23 to 25, f=−0.02, C=0.18, t=0.8, 3248 nm pitch (
FIG. 23 is a diagram showing the cross-sectional shape and simulation results of a diffractive optical element in which the trajectory connecting the vertices of the present invention has a configuration of a concave curved surface. In addition, in FIGS. 23 to 25, a straight line is also written with a dashed-dotted line so that the difference in cross-sectional shape can be easily understood.
As shown in FIG. 23, the structure according to the invention has a zero order of 0.26%.
FIG. 24 is a diagram showing a cross-sectional shape of a diffractive optical element having a configuration in which vertices are arranged in a straight line, which is a theoretical structure, and simulation results.
As shown in FIG. 24, the zero-order light is 0.88% when all stages are the same, which is a theoretical structure.
FIG. 25 is a diagram showing the cross-sectional shape and simulation results of a diffractive optical element in which the trajectory connecting the vertices has a configuration of a convex curved surface, contrary to the present invention.
As shown in FIG. 25, the zero-order light is 2.90% in the structure having a convex shape with respect to the slope of the blade of the saw, which is opposite to that of the present invention.
From the results shown in FIGS. 23 to 25, it can be confirmed that the zero-order light can be reduced in the diffractive optical element in which the trajectory connecting the vertices has a configuration of a concave curved surface as in the present invention.
次に、上述した数式により凹状曲面を確認する手法に代わり、よりわかりやすく本発明の構造と従来の構造とを比較できる手法を説明する。本発明の構成では、頂点を結んだ軌跡が凹状曲面となることから、各段の上面の面積が段によって異なっている。この点に着目した説明を以下に行う。
図26は、従来の構造の回折光学素子と本発明の回折光学素子とを比較のため並べて示す平面図である。図26(a)は、従来、理想的な設計として知られている手法により設計した回折光学素子の4-levelの各面を示し、1面から4面を示すデータである。図26(b)は、本発明の構造を元に、図26(a)の形状を改良したものである。個々の面は、最下位面(レベル0段部11a-0:図3参照)を0面、最上位面(レベル3段部11a-3)を3面として図中に示した。
図27Aは、図26(a)の従来の理想設計による4-level回折光学素子の面積に対する図26中に示した各面の割合を示す図である。
図27Bは、従来の理想設計による8-level回折光学素子の面積に対する各面の割合を示す図である。
図28Aは、図26(b)の本発明の4-level回折光学素子の面積に対する図26中に示した各面の割合を示す図である。
図28Bは、本発明の8-level回折光学素子の面積に対する各面の割合を示す図である。
図27A,27B及び図28A,28Bは、回折光学素子(DOE)の1辺が10μm、50μm、100μmの正方形領域について面積割合を求めた。正方形領域の大きさが大きいほど、サンプルとなる面が多くなるので、一定値に収束する傾向となる。
図27A,27Bを見てわかるように、従来の理想的とされる設計での各面の割合は、4-levelそれぞれの面は、略25%であり、8-levelそれぞれの面は、11~14%で、略等しい割合であることがわかる。
一方、図28A,28Bを見てわかるように、本発明による構造では、最下位面であるlevel-0の面積が一番大きく、最上位面の次の面(level-2、level-6)が一番小さい面積であることがわかる。
図29は、図26(a),(b)のデータをもとに回折光学素子を実際に製造してゼロ次光を測定した実測値の結果である。なお、図29には、4-levelと8-levelとの実測値を併記した。
図29をみてわかるように、4-level,8-levelともに、本発明による構造で、ゼロ次光が従来の形態よりも小さくなっていることがわかる。
Next, instead of the method of confirming the concave curved surface using the above formula, a method of making it easier to compare the structure of the present invention and the conventional structure will be described. In the configuration of the present invention, since the trajectory connecting the vertices forms a concave curved surface, the area of the upper surface of each step differs from step to step. A description focusing on this point will be given below.
FIG. 26 is a plan view showing a diffractive optical element having a conventional structure and a diffractive optical element of the present invention side by side for comparison. FIG. 26(a) shows data representing the 1st to 4th surfaces of the 4-level surfaces of a diffractive optical element designed by a method conventionally known as an ideal design. FIG. 26(b) is obtained by improving the shape of FIG. 26(a) based on the structure of the present invention. Individual surfaces are shown in the drawing with the lowest surface (
FIG. 27A is a diagram showing the ratio of each surface shown in FIG. 26 to the area of the 4-level diffractive optical element according to the conventional ideal design of FIG. 26(a).
FIG. 27B is a diagram showing the ratio of each surface to the area of an 8-level diffractive optical element according to a conventional ideal design.
FIG. 28A is a diagram showing the ratio of each surface shown in FIG. 26 to the area of the 4-level diffractive optical element of the present invention shown in FIG. 26(b).
FIG. 28B is a diagram showing the ratio of each surface to the area of an 8-level diffractive optical element of the present invention.
27A, 27B and FIGS. 28A, 28B, area ratios were obtained for square regions with sides of 10 μm, 50 μm, and 100 μm of the diffractive optical element (DOE). As the size of the square area increases, the number of surfaces to be sampled increases, so there is a tendency to converge to a constant value.
As can be seen from FIGS. 27A and 27B, the ratio of each surface in the conventional ideal design is approximately 25% for each surface of 4-level, and 11% for each surface of 8-level. It can be seen that the proportions are approximately equal at ~14%.
On the other hand, as can be seen from FIGS. 28A and 28B, in the structure according to the present invention, the area of level-0, which is the lowest plane, is the largest, and the planes next to the highest plane (level-2, level-6) have the largest area. is the smallest area.
FIG. 29 shows the results of actual measurements of zero-order light obtained by actually manufacturing a diffractive optical element based on the data of FIGS. 26(a) and 26(b). Note that FIG. 29 also shows measured values for 4-level and 8-level.
As can be seen from FIG. 29, in both the 4-level and 8-level structures according to the present invention, the zero-order light is smaller than in the conventional structure.
上述した図28Aの例では、面積の大きい順に並べると、level-0、level-1、level-3、level-2の順番であった(以下、type1と呼ぶ)。以下ではさらに、面積の大きい順に、level-0、level-3、level-1、level-2の順番の例(以下、type2とよぶ)を挙げて、さらにこれらの基本となる理想設計の形態を同条件で比較した。なお、この比較では、level-0からlevel-3までの高さの差、すなわち、凹凸の深さ(以下、DOE高さとも呼ぶ)を変化させて、DOE高さの影響についても検討する。なお、DOE高さは、通常、回折対象の光の波長に応じて決められるものである。 In the example of FIG. 28A described above, when arranged in descending order of area, the order was level-0, level-1, level-3, and level-2 (hereinafter referred to as type 1). In the following, examples of the order of level-0, level-3, level-1, and level-2 (hereinafter referred to as type 2) are given in descending order of area, and the form of the ideal design that is the basis for these will be given. A comparison was made under the same conditions. In this comparison, the difference in height from level-0 to level-3, that is, the depth of unevenness (hereinafter also referred to as DOE height) is changed, and the influence of DOE height is also examined. The DOE height is usually determined according to the wavelength of light to be diffracted.
図30は、3種の回折光学素子の面積割合を示す図である。
図31は、理想設計の回折光学素子をシート面の法線方向から見た図である。
図32は、type1の回折光学素子をシート面の法線方向から見た図である。
図33は、type2の回折光学素子をシート面の法線方向から見た図である。
図34は、3種の回折光学素子のシミュレーション結果を数値で示す図である。
図35は、3種の回折光学素子のシミュレーション結果をグラフで示す図である。
なお、図34,図35のシミュレーションは、波長850nmで、厳密結合波理論(RCWA(rigorous coupled-wave analysis))を用いて行った。
図34及び図35を見てわかるように、理想設計のゼロ次光強度は、DOE高さを変化させても本発明であるtype1の方が、ゼロ次光強度が小さい。また、type2は、DOE高さによっては、理想設計に対してゼロ次光強度が小さく部分がある。
FIG. 30 is a diagram showing the area ratios of three types of diffractive optical elements.
FIG. 31 is a diagram of an ideally designed diffractive optical element viewed from the direction normal to the sheet surface.
FIG. 32 is a view of the diffractive optical element of
FIG. 33 is a diagram of the
FIG. 34 is a diagram numerically showing simulation results of three types of diffractive optical elements.
FIG. 35 is a graph showing simulation results of three types of diffractive optical elements.
The simulations of FIGS. 34 and 35 were performed at a wavelength of 850 nm using rigorous coupled-wave analysis (RCWA).
As can be seen from FIGS. 34 and 35, the zero-order light intensity of the ideal design is smaller in the
上記説明では、主にシミュレーション結果に基づいて説明を行ったが、回折光学素子を実際に作製した場合には、実物の複雑な凹凸形状から、各段の面積比率を求めることが必要となる。面積比率を求めるためには、各段の面積を求めることになるが、作成される回折光学素子は、微小かつ複雑な凹凸形状を備えることが多く、単に面積を求めるといっても、容易ではない。そこで、比較的簡単に面積比率を求める手法の1例を以下に示す。なお、面積比率の求め方は、以下に示す手法以外の手法を用いてもよい。 In the above explanation, the explanation is mainly based on the simulation results. However, when the diffractive optical element is actually manufactured, it is necessary to obtain the area ratio of each step from the complex uneven shape of the actual product. In order to obtain the area ratio, the area of each step must be obtained. However, since the diffractive optical element to be manufactured often has minute and complicated concave and convex shapes, it is not easy to simply obtain the area. do not have. Therefore, one example of a method of obtaining the area ratio relatively easily is shown below. It should be noted that methods other than the method described below may be used to obtain the area ratio.
ここでは、DOEの各レベルの面積をレーザ顕微鏡(キーエンス社製、VK-X250)を用いて測定する方法について説明する。このレーザ顕微鏡では、高さ測定精度、繰返し精度3σ=12nmであるが、数十nmの精度があれば充分である。
図36は、レーザ顕微鏡から取得される白黒(グレースケール)画像の例を示す図である。
このレーザ顕微鏡から取得される画像は、図36に示すように白黒画像のものが得られる。また、この白黒画像に各段の高さ毎に異なる色で着色した画像も得られる(不図示)。この着色された色毎の面積を求めればよいが、通常、各段部の高さが同じレベルであっても微妙に高さが異なって測定されるので、色にムラ(色度変化)があり、そのままでは面積比率を求めることには適していない。そこで、先ず、図36の画像を白黒の2値化する画像処理を行う(図37)。2値化には、例えば、市販の画像処理ソフトウェアを適宜利用することができ、閾値の設定は、処理結果を見ながら顕微鏡画像の特徴を最も表すことができる値を選ぶとよい。
図37は、レーザ顕微鏡から取得される白黒画像を2値化した結果を示す図である。
Here, a method for measuring the area of each level of the DOE using a laser microscope (manufactured by Keyence Corporation, VK-X250) will be described. This laser microscope has a height measurement accuracy and a repeatability of 3σ=12 nm, but an accuracy of several tens of nanometers is sufficient.
FIG. 36 is a diagram showing an example of a black and white (grayscale) image acquired from a laser microscope.
An image obtained from this laser microscope is a black and white image as shown in FIG. In addition, this black and white image can also be colored with a different color for each step height (not shown). It is enough to find the area for each colored color, but usually, even if the height of each step is the same level, the height is measured slightly different, so there is unevenness in color (change in chromaticity). Therefore, it is not suitable for calculating the area ratio as it is. Therefore, first, the image of FIG. 36 is subjected to black-and-white binarization (FIG. 37). For binarization, for example, commercially available image processing software can be used as appropriate, and it is preferable to select a threshold value that best expresses the characteristics of the microscope image while observing the processing result.
FIG. 37 is a diagram showing the result of binarizing a black-and-white image obtained from a laser microscope.
次に、2値化された画像を用いて、別途得られている各段の高さ毎に異なる色で着色した画像を参照しながら、段毎に白色領域を例えば中間階調の色(灰色)で塗りつぶす。この塗りつぶし処理も、例えば、市販の画像処理ソフトウェアを適宜利用することができる。
図38は、level-3を塗りつぶした例を示す図である。
図39は、level-2を塗りつぶした例を示す図である。
図40は、level-1を塗りつぶした例を示す図である。
図41は、level-0を塗りつぶした例を示す図である。
段毎に塗りつぶした画像を用いて、それぞれの塗りつぶされた灰色の画素をカウントする。色毎の画素数をカウントする処理についても、例えば、市販の画像処理ソフトウェアを適宜利用することができる。なお、上述した例では、色は、白、黒、灰色の3種から構成されているため、灰色の画素数をカウントする。
例えば、図示した例では、level-3のカウント数は、15167、level-2のカウント数は、24859、level-1のカウント数は、27541、level-0のカウント数は、29391とカウントされる。この数が面積に相当するので、面積比率を求めることができる。
顕微鏡出力の画像では、各段の境界が太くなっている部分があり、太い部分は斜面となっていることが推測される。上述した画像処理を用いた面積測定方法では、顕微鏡出力の画像の2値化を行うことにより、斜面は黒色となり面積比率の演算に含まれないことから、この斜面を除外でき、面積計算を単純化でき、この点は、この測定方法の利点である。
Next, using the binarized image, while referring to a separately obtained image colored with a different color for each height of each step, the white region is colored with, for example, an intermediate gradation color (gray color) for each step. ). For this filling process, for example, commercially available image processing software can be used as appropriate.
FIG. 38 is a diagram showing an example in which level-3 is filled.
FIG. 39 is a diagram showing an example in which level-2 is filled.
FIG. 40 is a diagram showing an example in which level-1 is filled.
FIG. 41 is a diagram showing an example in which level-0 is filled.
Using the row-wise fill image, count each filled gray pixel. For the process of counting the number of pixels for each color, for example, commercially available image processing software can be used as appropriate. In the example described above, since the colors are composed of three types of white, black, and gray, the number of gray pixels is counted.
For example, in the illustrated example, the count number for level-3 is 15167, the count number for level-2 is 24859, the count number for level-1 is 27541, and the count number for level-0 is 29391. . Since this number corresponds to the area, the area ratio can be obtained.
In the image output from the microscope, there are portions where the boundaries of each step are thick, and it is presumed that the thick portions are slopes. In the above-described area measurement method using image processing, by binarizing the image output from the microscope, the slope becomes black and is not included in the calculation of the area ratio. This is an advantage of this measurement method.
以上説明したように、本実施形態によれば、回折光学素子10は、鋸歯形状の斜面を凹状曲面とする、又は、凹状曲面を模した多段階形状としたので、0次回折光の強度を大きく低減することができる。また、一次光の回折効率の低減も抑制できる。
As described above, according to the present embodiment, the diffractive
(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。
(deformed form)
Various modifications and changes are possible without being limited to the embodiments described above, and they are also within the scope of the present invention.
(1)多段階形状によって凹状曲面を模すために、多段階形状の幅、又は、高さの一方のみを変化させる例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、これらの両方を徐々に変化させてもよい。 (1) In order to imitate a concave curved surface with a multi-step shape, an example of changing only one of the width or height of the multi-step shape has been described. Not limited to this, for example, both of these may be changed gradually.
(2)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) In the embodiments, the diffractive optical element is shown as a simple form composed only of the high refractive index portion. Not limited to this, for example, a transparent base material for forming the high refractive index portion may be provided, the low
(3)実施形態において、多段階形状に構成された回折光学素子を主として説明したが、これに限らず、例えば、多段階形状が限界まで微細に形成されて多段階と認識できない形状、又は、連続した斜面(曲面)形状により構成された回折光学素子であってもよい。 (3) In the embodiments, a diffractive optical element configured in a multi-step shape has been mainly described, but the present invention is not limited to this. It may be a diffractive optical element configured with a continuous slope (curved surface) shape.
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。 Although the embodiments and modifications can be used in combination as appropriate, detailed description thereof will be omitted. Moreover, the present invention is not limited to each embodiment described above.
10 回折光学素子
11 高屈折率部
11a 凸部
11a-0 レベル0段部
11a-1 レベル1段部
11a-2 レベル2段部
11a-3 レベル3段部
11b 側壁部
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
10 diffractive
Claims (5)
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、鋸歯形状、又は、鋸歯形状を多段階の輪郭形状により模した形状であり、
鋸歯形状又は多段階の輪郭形状により模した鋸歯形状の当該回折光学素子のシート面に対して傾いた斜面は、前記凸部へ向かって凹んだ凹状曲面を有し、
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により前記鋸歯形状を模した多段階形状を有しており、
前記段部の高さと幅との少なくとも一方が場所に応じて異なることにより前記凹状曲面を模しており、
前記段部の一段当りの高さは一定であり、
前記段部の幅が場所に応じて異なることにより前記凹状曲面を模している回折光学素子。 A diffractive optical element that shapes light,
a high refractive index portion in which a plurality of protrusions are arranged side by side in a cross-sectional shape;
a low refractive index portion having a lower refractive index than the high refractive index portion and including at least concave portions formed between the convex portions;
a diffractive layer having
The convex portion has a sawtooth shape or a shape that imitates a sawtooth shape with a multi-step contour shape,
The slope inclined with respect to the sheet surface of the sawtooth-shaped diffractive optical element simulated by the sawtooth shape or the multi-step contour shape has a concave curved surface recessed toward the convex portion,
The convex portion has a multi-stage shape imitating the sawtooth shape with a plurality of steps having different heights on at least one side of the side shape,
At least one of the height and width of the step portion varies depending on the location to imitate the concave curved surface,
The stepped portion has a constant height per step,
A diffractive optical element that imitates the concave curved surface by varying the width of the stepped portion according to location.
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により前記鋸歯形状を模した多段階形状を有しており、
単位面積当り、最も深い面の面積が最も大きく、最上位面の次段の面の面積が最も小さいこと、
を特徴とする回折光学素子。 In the diffractive optical element according to claim 1,
The convex portion has a multi-stage shape imitating the sawtooth shape with a plurality of steps having different heights on at least one side of the side shape,
per unit area, the area of the deepest surface is the largest and the area of the surface next to the top surface is the smallest;
A diffractive optical element characterized by:
前記凸部が並ぶ方向にx軸を設定し、前記斜面が高くなっていく向きをx軸のプラスの向きとし、
当該回折光学素子のシート面に直交するy軸を設定し、前記凸部の突出する向きをy軸のプラスの向きとし、
前記凸部の先端を含んで計数した段部の総段数をLとし、
レベルごとの幅の減少率をfとし、
前記凹部の最も低い位置を0として計数したときの対象の段部の段数をlvとし、
前記段部の一段当りの高さをhで一定値とし、
レベルゼロの幅比率をCとしたときに、
多段階形状により模す前記凹状曲面の断面におけるレベルゼロの凹頂点と各凸部の頂点の軌跡となる曲線は、
ピッチに対するx座標の比率をSとして、
x’=0.5×f×lv2+C×lv
S=P/{tw+Σx’i}
Σは、i=0~L-1
としたときに階段形状の頂部x,y座標が、
x=0.5×f×lv2+C×lv
y=lv×h
で表されること、
を特徴とする回折光学素子。 In the diffractive optical element according to claim 1 or claim 2,
The x-axis is set in the direction in which the convex portions are arranged, and the direction in which the slopes increase is the positive direction of the x-axis,
setting a y-axis orthogonal to the sheet surface of the diffractive optical element, and setting the direction in which the convex portion protrudes as the positive direction of the y-axis;
Let L be the total number of stepped portions counted including the tip of the convex portion,
Let f be the width reduction rate for each level,
Let lv be the number of steps of the target stepped portion when counting the lowest position of the recessed portion as 0,
The height per step of the stepped portion is set to a constant value h,
When the width ratio of level zero is C,
A curve that is the trajectory of the concave vertex of level zero and the vertex of each convex portion in the cross section of the concave curved surface modeled by the multi-step shape is
Let S be the ratio of the x-coordinate to the pitch,
x′=0.5×f×lv 2 +C×lv
S=P/{tw+Σx′i}
Σ is i=0 to L−1
When the top x, y coordinates of the staircase shape are
x=0.5×f×lv 2 +C×lv
y = lv x h
be represented by
A diffractive optical element characterized by:
前記高屈折率部は、凹凸形状が形成された面の法線方向から見て前記凸部と前記凹部との境界が曲線と複数の線分を繋げた折れ線との少なくとも一方を含むパターンを有する回折格子を形成していること、
を特徴とする回折光学素子。 In the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3,
The high refractive index portion has a pattern in which the boundary between the convex portion and the concave portion includes at least one of a curved line and a polygonal line connecting a plurality of line segments when viewed from the normal direction of the surface on which the uneven shape is formed. forming a diffraction grating;
A diffractive optical element characterized by:
前記高屈折率部は、凹凸形状が形成された面の法線方向から見て同一の凹凸形状が並べて配置された単位セルが複数タイリングされた格子状のパターンに形成されるグレーティングセルアレイ型の回折格子を形成していること、
を特徴とする回折光学素子。 In the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 4,
The high refractive index portion is of a grating cell array type formed in a grid-like pattern in which a plurality of unit cells having the same uneven shape arranged side by side when viewed from the normal direction of the surface on which the uneven shape is formed are tiled. forming a diffraction grating;
A diffractive optical element characterized by:
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