JP2023517991A

JP2023517991A - 回折光学素子

Info

Publication number: JP2023517991A
Application number: JP2022554847A
Authority: JP
Inventors: ヨハンセン，ビラーズ・エジド
Original assignee: Nil Tech APS
Current assignee: Nil Tech APS
Priority date: 2020-03-11
Filing date: 2021-03-03
Publication date: 2023-04-27
Also published as: EP4118467A1; US20230213779A1; KR20220149780A; WO2021180549A1; CN115244433A

Abstract

ディフューザおよび他の光ビーム成形素子等の回折光学素子（diffractive optical element：ＤＯＥ）を設計するための技術は、ＤＯＥの全体面積よりも小さい面積上にＤＯＥ単位セルを設計することと、次いで、ＤＯＥのための表面全体にわたって単位セルを分布させることとを含み得る。表面にわたって分布させた単位セルのうちの少なくともいくつかに対して高さ並進が導入される。この場合、高さ並進は、ＤＯＥの意図される動作波長に対するそれぞれの位相並進に対応している。場合によっては、位相ラッピングは、単位セル間の高さばらつきを並進させて、当該動作波長での指定された位相範囲に対応する範囲内の高さを有するサブ単位構造を備える単位セルにするために導入される。

Description

関連出願の参照
本願は、２０２０年３月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／９８８，１２４号の優先権の利益を主張するものである。先の出願の開示は引用により本明細書中に援用されている。

開示の分野
本開示は、回折光学素子（diffractive optical element：ＤＯＥ）に関する。

背景
ＤＯＥは、入射光の位相および／または振幅を修正して、指定された機能で所望の光出力パターンを作成するように動作可能な光学部品である。ＤＯＥは、基板の表面上に形成される、たとえば、複数のレベルから成る構造を有してもよい。そのパターンは、たとえば、硬質基板の表面へとエッチングされてもよく、または、基板の表面上のポリマーに複製されてもよく、または、純粋にポリマーに作成されてもよい。場合によっては、パターンの深さは、光の波長のオーダであってもよく、用途に特有の深さであってもよく、ＤＯＥの材料の屈折率に調整されてもよい。

ＤＯＥディフューザなどの回折光学素子を設計する際に、設計を最適化しようと試みてディフューザの活性領域全体を考慮に入れることは、いくつかの点で不利になるかもしれない。特に、広い面積にわたって設計する場合、計算が複雑になる可能性がある。たとえば、場合によっては、５００×５００ｎｍ^２の画素分解能を備えた２×２ｍｍ^２のディフューザでは１６００万の画素素子を制御することとなる。さらに、反復フーリエ変換アルゴリズム（Iterative Fourier Transform Algorithm：ＩＦＴＡ）を用いることによって数値関連の複雑さは低減されるかもしれないが、このＩＦＴＡは、望ましくないさまざまな設計制限をもたらす可能性がある。このような制限は、たとえば、最適化アルゴリズムに対する制御の量に関係があるかもしれない。この場合、評価平面は遠視野にあり、当該評価平面の分解能は設計平面の分解能によって与えられ、当該方法は薄層要素近似（thin element approximation）に基づいている。

開示の概要
本開示は、ディフューザおよび他の光ビーム成形素子などの回折光学素子（ＤＯＥ）を設計するための技術を説明する。当該技術は、ＤＯＥの全体面積よりも小さい面積上にＤＯＥ単位セルを設計することと、次いで、ＤＯＥのための表面全体にわたって単位セルを（たとえば、周期的に）分布させることとを含み得る。表面にわたって分布させた単位セルのうちの少なくともいくつかに対して高さ並進を導入することができる。この場合、高さ並進は、ＤＯＥの意図される動作波長に対するそれぞれの位相並進に対応している。

場合によっては、位相ラッピングは、単位セル間の高さばらつきを並進させて、当該動作波長での指定された位相範囲（たとえば、０π～２π）に対応する範囲内の高さを有するサブ単位構造を備える単位セルにするために導入され得る。すなわち、高さ並進を単位セルに導入した後、規定された範囲外（たとえば、０π～２πの範囲外）にある位相値に対応する個々のサブ単位の高さは、規定された範囲（たとえば、０π～２π）内にある位相値に対応する高さになるよう折り返される。

一局面では、本開示は、共通平面にわたって分布され、光学材料で構成され、周期的に反復する複数の単位セルを含む回折光学素子を説明する。当該複数の単位セル内の各単位セルは複数のサブ単位セルを含み、当該複数のサブ単位セルは、予め定められた動作波長の入射光に光学効果をもたらすように配置される。当該複数の単位セルのうち特定の単位セルの各々における当該複数のサブ単位セルの各々は、同じ単位セルにおける当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さとは異なるサブ単位高さを有する。当該複数の単位セルは、少なくとも１個のベース単位セルと、ベース単位セルではない他の単位セルとを含み、当該複数の単位セルのうちベース単位セルではない単位セルの各々は、当該共通平面に対する当該ベース単位セルの高さ並進バージョンである。

いくつかの実現例は以下の特徴のうち１つ以上を含む。たとえば、場合によっては、当該ベース単位セルの当該高さ並進バージョンの各々は、当該動作波長でのそれぞれの位相シフトに対応する。さらに、場合によっては、当該それぞれの位相シフトの各々は、当該動作波長での（１／２）πのそれぞれの整数倍である。いくつかの実現例では、複数の当該サブ単位高さは、当該共通平面に対して４個、８個または１６個の離散レベルにわたっている。

いくつかの実現例では、当該同じ単位セルにある当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さは、当該動作波長での（１／２）πの整数倍に等しいそれぞれの位相シフトに対応する分だけ異なっている。

本開示はまた、共通平面上に分布され、光学材料で構成される複数の単位セルを含む回折光学素子を記載する。当該複数の単位セル内の各単位セルは複数のサブ単位セルを含み、当該複数のサブ単位セルは、予め定められた動作波長の入射光に光学効果をもたらすように配置される。当該複数の単位セルのうち特定の単位セルの各々における当該複数のサブ単位セルの各々は、同じ単位セルにおける当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さとは異なるサブ単位高さを有する。当該複数の単位セルは、少なくとも１つのベース単位セルと、ベース単位セルではない他の単位セルとを含み、当該複数の単位セルのうちベース単位セルではない単位セルの各々は、当該共通平面に対する当該ベース単位セルの高さ並進バージョンの位相ラップバージョンである。

いくつかの実現例は、以下の特徴のうちの１つ以上を含む。たとえば、場合によっては、当該回折光学素子におけるサブ単位のうちいずれか２つのサブ単位間の高さの差は、当該動作波長での２π以下のそれぞれの位相シフトに対応している。さらに、場合によっては、当該それぞれの位相シフトの各々は、当該動作波長での（１／２）πのそれぞれの整数倍である。いくつかの実現例では、複数の当該サブ単位高さは、当該共通平面に対して４個、８個、または１６個の離散レベルにわたっている。

いくつかの実現例では、当該光学効果は、実質的に拡散照明である。
いくつかの実現例は以下の利点のうちの１つ以上を含む。たとえば、当該技術は、計算が比較的効率的であり得るので、場合によっては、実現可能性、設計時間、および数値手法（たとえば、全波ソルバ、非ＦＦＴベースのスカラー伝搬、自由形状の表面成形）の観点から有利であり得る。さらに、単位セルに対して高さ並進を導入することは、表面にわたって周期的に単位セルを分布させた結果生じるであろう回折を相殺するのに役立ち得る。このような回折により、ディフューザ効果が失われる可能性がある。すなわち、単位セルを表面にわたって周期的に分布させることにより、単位セル同士が干渉し合って回折格子作用をもたらす可能性があり、これにより、拡散特性が失われて、高強度回折スポットと置換えられてしまう。単位セルに対して高さ並進を導入することにより、この問題を未然に防ぐことができる。

さらに、位相ラッピングは、結果として得られるＤＯＥ設計におけるレベルの数を減らすのに役立ち得る。ＤＯＥ設計におけるレベルの数を減らすことにより、引いては、製造プロセス中に必要となるエッチングステップの回数を減らすことができる。

本開示はまた、回折光学素子を含むモジュールを説明する。当該モジュールは、発光構成要素、光検知構成要素、または発光構成要素および光検知構成要素の両方を含み得る。回折光学素子は、放射光波または入射光波と交差するように、かつ、放射光波または入射光波が回折光学素子を通過する際に当該放射光波または入射光波の１つ以上の特性を修正するように、配置されてもよい。

他の局面、特徴、および利点が、以下の詳細な説明、添付の図面、および添付の特許請求の範囲から明らかになるだろう。

ＤＯＥ構造の一例を示す図である。ＤＯＥの設計のための単位セルの一例を示す図である。共通平面にわたる図２の単位セルの周期的分布の一例を示す図である。図３の単位セルの高さ並進バージョンを示す図である。図４の例に基づいたプロトタイプ単位セルの例を示す図である。図５Ａのプロトタイプ単位セルの位相ラップバージョンを示す図である。図４の、高さが並進された単位セルの位相ラップバージョンを示す図である。本開示に従ったＤＯＥを組込んだ光電子モジュールの一例を示す図である。

詳細な説明
図１は、ディフューザまたは他のビーム成形素子などのＤＯＥの一例を示す。いくつかの実現例では、図１に示すように、ＤＯＥ１０は、Ｎ個のレベルを有するマルチレベル（たとえば、階段状）の構造を含む。ここで、Ｎは少なくとも２（たとえば、４、８、または１６）である。ＤＯＥ１０に適した材料の例として、シリコン、ポリシリコン、溶融シリカ、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）、金属、誘電体、および／または半導体が挙げられる。ＤＯＥ１０のための材料は、たとえば、指定された動作波長（たとえば、赤外線範囲または可視範囲内）で特定の屈折率を有することに基づいて選択することができる。

ＤＯＥを作製する際の初期タスクのうちの１つは、光学素子の所望の光学性能および設計基準に基づいて、画素または他のレイアウト設計を決定することである。この文脈では、画素は、光学設計を行なう際に用いられる最小の構築ブロックを指している。典型的には、設計時の各画素は、たとえば、正多角形（たとえば、長方形または正方形）を有し得るとともに、その辺は、ほぼ数１００ナノメートル（nanometer：ｎｍ）以下の寸法を有し得る。レイアウト設計は、個々のＤＯＥに対応する画素レイアウト、さらには、ウェハレベルでの生産用の全体的レイアウトを含み得る。ＤＯＥ構造内の画素の深さは互いに異なっていてもよい。したがって、画素レイアウト設計は複数のレベルを含み得るとともに、当該複数のレベルの各々は異なる深さに対応している。場合によっては、４個、８個、または１６個もの数のさまざまなレベルが存在する可能性もあるが、レベルの特定の数は特定の用途に必要とされる光学性能および光学機能に左右されることとなる。画素レイアウト設計は、各レベルごとに画素のそれぞれのパターンまたは他のレイアウトを含むとともに、たとえば、マイクロ構造および／またはナノ構造を含み得る。次いで、マスタツールが画素レイアウト設計に基づいて準備される。このため、マスタツールは、画素レイアウト設計に対応する、マルチレベルの構造化された表面を含み得る。構造化された表面は他の材料に（たとえば、複製によって）転写することができる。

図２～図６は、ＤＯＥを設計するためのプロセスにおける動作を示す。図２に示すように、４レベルの単位セル２０はベース２１を含む。図示した例では、単位セル２０は、サブ単位２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ、２２Ｄ、２２Ｅを有し、当該サブ単位の各々は、単位セル２０の連続した面積を規定するとともに、４個のレベルのそれぞれによって規定される高さにまで延在する。単位セル２０の各レベルの高さは、ＤＯＥが設計される対象となる動作波長でのそれぞれの位相シフトに対応している。このため、図示の例では、サブ単位２２Ａおよび２２Ｄは、（３／２）πの第１の位相シフトに対応する第１の高さにまで延在する。同様に、サブ単位２２Ｅは、πの第２の位相シフトに対応する第２の高さにまで延在し、サブ単位２２Ｃは、（１／２）πの第３の位相シフトに対応する第３の高さにまで延在し、サブ単位２２Ｂは、０の第４の位相シフトに対応する第４の高さにまで延在する。設計によっては、サブ単位の数および配置は異なっていてもよい。さらに、設計によっては、単位セルは異なる数のレベル（たとえば、２、８、１６）を有していてもよい。

次に、図３に示すように、設計プロセスは、ＤＯＥのために指定される表面にわたって周期的に単位セル２０を分布させることを含み得る。このため、この段階では、当該設計は、各々が単位セル２０と同一である単位セルの１次元パターンまたは２次元パターンを含む。図３は、７個の単位セル（すなわち、単位セル２０、２０Ａ～２０Ｆ）のみを示しているが、当該設計は、ＤＯＥのために指定される面積にわたって分布される、より多くの単位セルを有してもよい。たとえば、場合によっては、当該設計は、約５０×５０の単位セルの分布を含み得る。

表面にわたる単位セル２０の周期的な分布は回折を生じさせる傾向があり、結果として、ディフューザ効果の劣化または損失をもたらす可能性がある。そのような回折を相殺するために、ＤＯＥの設計時のその後の動作は、表面にわたって分布される単位セルのうち少なくともいくつかに対して高さ並進を導入することを含む。この場合、単位セルの高さ並進は、ＤＯＥに対する意図された動作波長でのそれぞれの位相並進に対応している。すなわち、図４の例に示すように、単位セルのうち少なくともいくつかの単位セルの高さは、動作波長での（１／２）π、（－１／２）π、π、または－πの位相シフトに対応する分だけ並進される。

図４において、単位セル２０Ｃおよび２０Ｆは、πの位相シフトに対応する分だけ上方に並進されているのに対して、単位セル２０Ｄは、（１／２）πの位相シフトに対応する分だけ上方にシフトされている。他方で、単位セル２０Ａおよび２０Ｅは、（－１／２）πの位相シフトに対応する分だけ下方に並進されている。単位セル２０および２０Ｂは、上方または下方には並進されていない。一般に、どの単位セルを並進させるかについて、および、所与の単位セルについて上方に並進させるかまたは下方に並進させるかについての選択はランダムに行なわれ得る。いくつかの実現例では、高さ並進は、上述したものとは異なる位相シフトに対応し得る。単位セルに対して高さ並進を導入することは、表面にわたって周期的に単位セルを分布させた結果生じるであろう回折を相殺するのに役立ち得る。

図４に関連付けて上述したような単位セルに対する高さ並進の別の結果として、ＤＯＥ設計におけるレベルの数が５以上にまで増えたことが挙げられる。すなわち、図４の例では、複数の単位セルのサブ単位は、少なくとも７個の異なる高さ（すなわち、－π、（－１／２）π、０π、（１／２）π、π、（３／２）π、２π、および（５／２）πに対応する）を有する。いくつかの実現例では、より多数のレベルを有することにより、よりロバストな設計を提供することができる。しかしながら、レベルの数が増加すると、ＤＯＥのための製造プロセスがより複雑になる可能性もある。したがって、いくつかの実現例では、最終的なＤＯＥ設計におけるレベルの数を減らすためにさらなる動作を実行することが望ましい。以下に説明するように、このような動作を実行するための１つの技術では位相ラッピングを採用している。

位相ラッピングは、単位セル間の高さばらつきを並進させて、当該動作波長での指定された位相範囲（たとえば、０π～２π）に対応する範囲内の高さを有するサブ単位構造を備える単位セルにするために導入され得る。すなわち、高さ並進を単位セルに導入した後、規定された範囲外（たとえば、０π～２πの範囲外）にある位相値に対応する個々のサブ単位の高さは、規定された範囲（たとえば、０π～２π）内にある位相値に対応する高さになるよう折り返される。以下に説明する図５Ａおよび図５Ｂは位相ラッピングの例を示す。

図５Ａは、図４における多種多様な並進させた単位セルに対応する４個のプロトタイプ単位セルを示す。すなわち、当該プロトタイプ単位セルのうち、第１のプロトタイプ単位セルは、図４の並進させた単位セル２０Ｃおよび２０Ｆに対応し、第２のプロトタイプ単位セルは、図４の並進させた単位セル２０Ｄに対応し、第３のプロトタイプ単位セルは、図４の並進させた単位セル２０および２０Ｂに対応し、第４のプロトタイプ単位セルは、図４の並進させた単位セル２０Ｃおよび２０Ｅに対応する。位相ラッピング中、０π未満の位相に対応する高さを有する（プロトタイプ単位セルのいずれかにおける）各サブ単位は、２πの位相シフトに対応する高さ分だけ増大される。同様に、２π以上の位相に対応する高さを有する（プロトタイプ単位セルのいずれかにおける）各サブ単位は、－２πの位相シフトに対応する高さ分だけ低減される。

たとえば、図５Ａの最も左側のプロトタイプ単位セルは、図４の単位セル２０Ｃおよび２０Ｆに対応しており、それぞれ、高さ（５／２）π、π、（３／２）π、（５／２）π、２πを有する５個のサブ単位３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅを含む。第１のサブ単位３０Ａの高さは、２π以上の位相に対応する。したがって、位相ラッピングは、図５Ｂにおけるサブ単位３０ａによって示されるように、第１のサブ単位の高さを０πの位相に対応する高さにまで低減させる。第２のサブ単位３０Ｂおよび第３のサブ単位３０Ｃのそれぞれの高さは、規定された範囲（すなわち、０π～２π）内にある位相に対応しており、このため、これらのサブ単位の高さに変化はない（図５Ｂのサブ単位３０ｂ、３０ｃを参照）。第４のサブ単位３０Ｄおよび第５のサブ単位３０Ｅのそれぞれの高さは、２π以上の位相に対応している。したがって、位相ラッピングは、図５Ｂのサブ単位３０ｄによって示されるように、第４のサブ単位の高さを（１／２）πの位相に対応する高さにまで低減させる。同様に、位相ラッピングは、図５Ｂのサブ単位３０ｅによって示されるように、第５のサブ単位の高さを０πの位相に対応する高さにまで低減させる。位相ラッピングの結果、単位セル２０Ｃおよび２０Ｆに対応する図５Ａのプロトタイプ単位セルは、図５Ｂに示すように、位相ラップされたプロトタイプ単位セル３２Ａに変換される。

同様に、単位セル２０Ｄに対応する図５Ａのプロトタイプ単位セルは、図５Ｂに示すように、位相ラップされたプロトタイプ単位セル３２Ｂに変換される。同様に、単位セル２０および２０Ｂに対応する図５Ａのプロトタイプ単位セルは、図５Ｂに示すように、位相ラップされたプロトタイプ単位セル３２Ｃに変換される。同様に、単位セル２０Ａおよび２０Ｅに対応する図５Ａのプロトタイプ単位セルは、図５Ｂに示すように、位相ラップされたプロトタイプ単位セル３２Ｄに変換される。

次に、図４の単位セル２０、２０Ａ～２０Ｆを、それぞれ、位相ラップされたプロトタイプ単位セル３２Ａ～３２Ｄに置き換える。すなわち、単位セル２０をプロトタイプ単位セル３２Ｃに置き換え、単位セル２０Ａをプロトタイプ単位セル３２Ｄに置き換え、単位セル２０Ｂをプロトタイプ単位セル３２Ｃに置き換え、単位セル２０Ｃをプロトタイプ単位セル３２Ａに置き換え、単位セル２０Ｄをプロトタイプ単位セル３２Ｂに置き換え、単位セル２０Ｅをプロトタイプ単位セル３２Ｄに置き換え、単位セル２０Ｆをプロトタイプ単位セル３２Ａに置き換える。この結果を示す図６においては、図４の単位セル２０および２０Ａ～２０Ｆは、それぞれ、位相ラップされた単位セル２０′′および２０ａ～２０ｆに変換されている。

図６の位相ラップされた単位セルに基づいたＤＯＥ設計は、別々のレベルを４個（すなわち、図４に示す単位セルのために必要とされ得るよりも少ない数）だけ用いて実現され得る。ＤＯＥ構造を折り返して元のレベル数（この例では４個）に戻すことにより、ＤＯＥのための製造プロセスを簡略化することができる。

上述したように、場合によっては、マスタツールは、結果として得られる画素レイアウト設計（たとえば、図４に示されるようなランダムな高さ並進の後に結果として得られるレイアウト設計、または、図６に示されるような位相ラッピングの後に結果として得られるレイアウト設計）に基づいて準備することができる。マスタツールは、画素レイアウト設計に対応する、マルチレベルの構造化された表面を含み得る。次いで、構造化された表面を基板に（たとえば、複製によって）転写して、たとえば、大量生産規模でＤＯＥを作製することができる。

場合によっては、たとえば、アディティブリソグラフィプロセスを用いて、マスタツールの設計のためのさまざまなレベルを形成することができる。アディティブリソグラフィ技術は、複雑なマルチレベルの光学素子のためのマスタツールを作製するためのレジスト露光およびリフロープロセスを注意深く制御することを可能にする。光学設計はマルチレベルの回折構造に変換することができ、これを、さらに、複数のマスキングパターンに分割することができる。

いくつかの実現例では、アディティブリソグラフィ技術は、ウェハの上面上に（たとえば、スピンコーティングによって）レジストの第１の層を堆積させることと、第１のマスクを用いて、リソグラフィ技術、たとえば、電子ビームリソグラフィ（electron beam lithography：ＥＢＬ）によってレジスト層を選択的に露光することとを含む。次いで、レジスト層のうち露光された部分は、ウェハ表面のうち選択された領域がレジストによって覆われなくなるように現像されて除去される。次に、ウェハのうちレジストで覆われていない領域において、ウェハ表面から当該ウェハをエッチングして、第１の深さまで開口部を形成する。次いで、レジストの残りの部分が除去され得る。レジストおよびマスクの追加の層を用いて上述のステップを繰り返すことで、ＤＯＥ設計でさまざまなレベルを形成することができる。さまざまなリソグラフィプロセスとエッチングプロセスとを組合わせることにより、結果として、マスタツールに必要なさまざまなレベルに対応する複数のさまざまな深さの領域が得られる。リソグラフィステップおよびエッチングステップに用いられるさまざまなマスクの詳細は画素レイアウト設計に基づいて指定することができる。このようにして、上述した画素レイアウト設計に基づいてマスタツールを作製することができる。

たとえば、マスタツールの作製後、当該マスタツールを用いて１つ以上の（負の）サブマスタまたはレプリカを製造することができ、さらにこれらを直接的または間接的に用いて、たとえば大量生産製造プロセスの一環として、ＤＯＥを複製することができる。ＤＯＥの製造は場合によってはウェハレベルで行なわれてもよく、この場合、マスタから得られる同じサブマスタまたは他のツールを用いて、数十個、数百個、または数千個のＤＯＥが並行して複製される。場合によっては、マスタ（またはサブマスタ）の構造化された素子は液体または塑性変形可能な材料に複製され、次いで、硬化させることで寸法的に安定させ、さらに、構造化された素子（たとえば、ＤＯＥ）が除去される。これらの複製するステップ、硬化させるステップ、および除去するステップを、基板のうちさまざまな部分にわたって繰り返すことで、同じ構造化された素子のレプリカを形成する。

いくつかの実現例では、マスタツールを用いてＤＯＥ素子を複製する代わりに、画素レイアウト設計に基づいてＤＯＥ構造をＤＯＥ素子用の基板に直接エッチングすることができる。

上述の技術を用いてＤＯＥを作成することができる。たとえば、場合によっては、上述の技術に従って作製されたＤＯＥは、共通平面にわたって分布され、光学材料で構成され、周期的に反復する複数の単位セルを含む。当該複数の単位セル内の各単位セルは複数のサブ単位セルを含み、当該複数のサブ単位セルは、予め定められた動作波長の入射光に光学効果をもたらすように配置される。当該複数の単位セルのうち特定の単位セルの各々における当該複数のサブ単位セルの各々は、同じ単位セルにおける当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さとは異なるサブ単位高さを有する。当該複数の単位セルは、少なくとも１個のベース単位セルと、ベース単位セルではない他の単位セルとを含み、当該複数の単位セルのうちベース単位セルではない単位セルの各々は、当該共通平面に対する当該ベース単位セルの高さ並進バージョンである。

いくつかの実現例では、当該ベース単位セルの当該高さ並進バージョンの各々は、当該動作波長でのそれぞれの位相シフトに対応している。たとえば、場合によっては、当該それぞれの位相シフトの各々は、当該動作波長での（１／２）πのそれぞれの整数倍である。場合によっては、当該同じ単位セルにある当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さは、当該動作波長での（１／２）πの整数倍に等しいそれぞれの位相シフトに対応する分だけ異なっている。

いくつかの実現例では、ＤＯＥは、場合によっては、共通平面上に分布され、光学材料で構成される複数の単位セルを含む。当該複数の単位セル内の各単位セルは複数のサブ単位セルを含み、当該複数のサブ単位セルは、予め定められた動作波長の入射光に光学効果をもたらすように配置される。当該複数の単位セルのうち特定の単位セルの各々における当該複数のサブ単位セルの各々は、同じ単位セルにおける当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さとは異なるサブ単位高さを有する。当該複数の単位セルは、少なくとも１個のベース単位セルと、ベース単位セルではない他の単位セルとを含み、当該複数の単位セルのうちベース単位セルではない単位セルの各々は、当該共通平面に対する当該ベース単位セルの高さ並進バージョンの位相ラップバージョンである。

場合によっては、当該回折光学素子におけるサブ単位のうちいずれか２個のサブ単位間の高さの差は、当該動作波長での２π以下のそれぞれの位相シフトに対応する。さらに、場合によっては、当該それぞれの位相シフトの各々は、当該動作波長での（１／２）πのそれぞれの整数倍である。いくつかの実現例では、当該同じ単位セルにある当該複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さは、当該動作波長での（１／２）πの整数倍に等しいそれぞれの位相シフトに対応する分だけ異なっている。

ＤＯＥのいくつかの実現例では、光学効果は、実質的に拡散照明の産物である。場合によっては、動作波長は電磁スペクトルの赤外線部分にある。光学材料は、たとえば、シリコン、酸化シリコン、サファイア、溶融シリカ、または、光学効果をもたらすのに適した材料特性を有する任意の金属、誘電体、もしくはポリマーであり得る。

上記ＤＯＥのうちの特定の１個のＤＯＥにおける複数のサブ単位の高さは、たとえば、整数個の離散レベルにわたり得る。いくつかの実現例では、当該複数のサブ単位の高さは、共通平面に対して４個の離散レベルにわたっている。他の実現例では、当該複数のサブ単位の高さは、共通平面に対して８個または１６個の離散レベルにわたっている。いくつかの実現例は、他の数の離散レベルを組込んでもよい。

いくつかの実現例では、本開示で説明されるようなＤＯＥは、たとえば、動作波長λで光を発するかまたは検知するように動作可能であるデバイスを含む光学システムまたは光電子システムに一体化されてもよい。図７に示すように、モジュール４００は、基板４０２と、基板４０２に結合されるかまたは一体化される発光構成要素４０４とを含む。発光構成要素４０４は、たとえば、レーザ（たとえば、垂直共振器型面発光レーザ）、発光ダイオード、またはレーザダイオードを含んでもよい。発光構成要素４０４によって生成される光（たとえば、赤外線または可視線）４０６は、筐体を通り、さらに、光学デバイス４０８（たとえば、本開示に記載されるＤＯＥ）に伝達される。光学デバイス４０８は、修正された光４１０がモジュール４００から外に伝達されるように、光４０６と相互作用するように動作可能である。たとえば、モジュール４００は、光学デバイス４０８を用いて、構造化された光、拡散された光、またはパターン化された光のうちの１つ以上を生成し得る。筐体は、たとえば、発光構成要素４０４および／または基板４０２を光学デバイス４０８から分離するスペーサ４１２を含んでもよい。

いくつかの実現例では、発光構成要素は、入射光をＤＯＥの単位セルに向けるように装着されており、当該発光構成要素は、動作波長の入射光を発するように、かつ、光学効果をもたらすように、動作可能である。

いくつかの実現例では、図７のモジュール４００は光検知モジュール（たとえば、周囲光センサ）であり、構成要素４０４は感光性構成要素（たとえば、フォトダイオード、画素、イメージセンサ）であり、光４０６はモジュール４００に入射し、光４１０は光学デバイス４０８によって修正される。たとえば、光学デバイス４０８（たとえば、本開示に記載されるＤＯＥ）は、パターン化された光を感光性構成要素４０４上に集束させ得る。いくつかの実現例では、モジュール４００は、発光構成要素および光検知構成要素の両方を含み得る。いくつかの実現例では、感光性構成要素は、シーンまたはオブジェクトからの反射光を収集するように動作可能であり、反射光は、シーンまたはオブジェクトを光学効果で照らすことによって生成される。たとえば、モジュール４００が光を発し、当該光がモジュール４００の環境と相互に作用し、次いでモジュール４００によって再び受取られてもよく、これにより、モジュール４００が、たとえば、近接センサとして、または３次元マッピングデバイスとして機能することが可能となる。上述のモジュールは、たとえば、飛行時間型カメラまたはアクティブステレオカメラの一部であってもよい。当該モジュールは、システム、たとえば、携帯電話、ラップトップ、テレビ、ウェアラブルデバイス、または自動車に一体化されてもよい。

光学デバイス４０８（たとえば、本開示に記載されるＤＯＥ）は、本開示に記載されるような光学デバイス４０８を含まないモジュールと比較して、モジュール４００に対して利点を提供し得る。たとえば、光学デバイス４０８およびモジュール４００の光学特性を向上させ得る。

本明細書に記載される（たとえば、ＤＯＥの設計および／または製造に関する）主題および機能的動作のさまざまな局面は、デジタル電子回路において、または、コンピュータソフトウェア、ファームウェア、もしくはハードウェアにおいて、または、これらの１つ以上の組合せにおいて、実現され得る。したがって、本明細書に記載される主題のいくつかの局面は、１つ以上のコンピュータプログラムプロダクトとして、すなわち、データ処理装置によって実行するための、またはデータ処理装置の動作を制御するための、コンピュータ可読媒体上で符号化されるコンピュータプログラム命令の１つ以上のモジュールとして、実現され得る。コンピュータ可読媒体は、機械可読記憶装置、機械可読記憶基板、メモリデバイス、機械可読伝搬信号をもたらす物質の組成、またはこれらの１つ以上の組合わせであり得る。当該装置は、ハードウェアに加えて、当該コンピュータプログラムのための実行環境を作成するコード、たとえばプロセッサファームウェアを構成するコード、を含み得る。

本開示の趣旨の範囲内でさまざまな変更がなされてもよい。したがって、他の実現例も添付の特許請求の範囲内にある。

Claims

回折光学素子であって、
共通平面上に分布され、光学材料で構成され、周期的に反復する複数の単位セルを含み、前記複数の単位セル内の各単位セルは複数のサブ単位セルを含み、前記複数のサブ単位セルは、予め定められた動作波長の入射光に光学効果をもたらすように配置され、前記複数の単位セルのうち特定の単位セルの各々における前記複数のサブ単位セルの各々は、同じ単位セルにおける前記複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さとは異なるサブ単位高さを有し、
前記複数の単位セルは、少なくとも１個のベース単位セルと、ベース単位セルではない他の単位セルとを含み、前記複数の単位セルのうちベース単位セルではない単位セルの各々は、前記共通平面に対する前記ベース単位セルの高さ並進バージョンである、回折光学素子。
前記ベース単位セルの前記高さ並進バージョンの各々は、前記動作波長でのそれぞれの位相シフトに対応する、請求項１に記載の回折光学素子。
前記それぞれの位相シフトの各々は、前記動作波長での（１／２）πのそれぞれの整数倍である、請求項２に記載の回折光学素子。
複数の前記サブ単位高さは、前記共通平面に対して４個の離散レベルにわたっている、請求項１または２に記載の回折光学素子。
複数の前記サブ単位高さは、前記共通平面に対して８個の離散レベルにわたっている、請求項１または２に記載の回折光学素子。
複数の前記サブ単位高さは、前記共通平面に対して１６個の離散レベルにわたっている、請求項１または２に記載の回折光学素子。
前記同じ単位セルにある前記複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さは、前記動作波長での（１／２）πの整数倍に等しいそれぞれの位相シフトに対応する分だけ異なっている、請求項１に記載の回折光学素子。
前記光学効果は、実質的に拡散照明である、請求項１から７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
回折光学素子であって、
共通平面上に分布され、光学材料で構成される複数の単位セルを含み、前記複数の単位セル内の各単位セルは複数のサブ単位セルを含み、前記複数のサブ単位セルは、予め定められた動作波長の入射光に光学効果をもたらすように配置され、前記複数の単位セルのうち特定の単位セルの各々における前記複数のサブ単位セルの各々は、同じ単位セルにおける前記複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さとは異なるサブ単位高さを有し、
前記複数の単位セルは、少なくとも１個のベース単位セルと、ベース単位セルではない他の単位セルとを含み、前記複数の単位セルのうちベース単位セルではない単位セルの各々は、前記共通平面に対する前記ベース単位セルの高さ並進バージョンの位相ラップバージョンである、回折光学素子。
前記回折光学素子におけるサブ単位のうちいずれか２個のサブ単位間の高さの差は、前記動作波長での２π以下のそれぞれの位相シフトに対応する、請求項９に記載の回折光学素子。
前記それぞれの位相シフトの各々は、前記動作波長での（１／２）πのそれぞれの整数倍である、請求項１０に記載の回折光学素子。
複数の前記サブ単位高さは、前記共通平面に対して４個の離散レベルにわたっている、請求項９から１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
複数の前記サブ単位高さは、前記共通平面に対して８個の離散レベルにわたっている、請求項９から１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
複数の前記サブ単位高さは、前記共通平面に対して１６個の離散レベルにわたっている、請求項９から１１のいずれか１項に記載の回折光学素子。
前記同じ単位セルにある前記複数のサブ単位セルのうち隣接するサブ単位セルのそれぞれの高さは、前記動作波長での（１／２）πの整数倍に等しいそれぞれの位相シフトに対応する分だけ異なっている、請求項９に記載の回折光学素子。
前記光学効果は、実質的に拡散照明である、請求項９から１５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
モジュールであって、
発光構成要素と、
請求項１から１６のいずれか１項に記載の回折光学素子とを含み、前記発光構成要素は、前記入射光を前記複数の単位セルに向けるように装着され、前記発光構成要素は、前記動作波長の前記入射光を発するように動作可能である、モジュール。
前記発光構成要素は、発光ダイオード、レーザダイオード、または垂直共振器型面発光レーザのうち少なくとも１つを含む、請求項１７に記載のモジュール。
デバイスであって、
感光性構成要素と、
請求項１７または１８に記載のモジュールとを含み、前記感光性構成要素は、シーンまたはオブジェクトからの反射光を収集するように動作可能であり、前記反射光は、前記シーンまたは前記オブジェクトを前記光学効果で照らすことによって生成される、デバイス。
前記動作波長が電磁スペクトルの赤外線部分にある、請求項１から１９のいずれか１項に記載の回折光学素子、モジュール、またはデバイス。