JP6069847B2 - Diffractive optical element and measuring device - Google Patents

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Description

本発明は、回折光学素子及び回折光学素子を用いた計測装置に関する。   The present invention relates to a diffractive optical element and a measuring apparatus using the diffractive optical element.

入射光の少なくとも一部を回折する回折光学素子は、様々な光学機器及び光学装置等に用いられている。例えば、光学的な3次元計測装置は、所定の光の投影パターンを測定対象物に照射し、所定の光の投影パターンの照射されている測定対象物の画像を取得することにより、3次元計測を行なう装置である。このような3次元計測装置において、回折光学素子は所定の光の投影パターンを生成するために用いられている。   A diffractive optical element that diffracts at least part of incident light is used in various optical devices and optical devices. For example, an optical three-dimensional measurement apparatus irradiates a measurement object with a projection pattern of predetermined light, and acquires an image of the measurement object irradiated with the projection pattern of light. It is a device that performs. In such a three-dimensional measuring apparatus, the diffractive optical element is used for generating a predetermined light projection pattern.

3次元計測装置では、広い範囲に光を投影することが求められており、このため、回折光学素子の回折角度が大きくなり、回折光学素子を直進透過する回折光である0次回折光の光量が大きくなりやすい傾向にある。このような0次回折光の光量は他の回折光の光量に対し高くなると、3次元計測装置の撮像画像が0次回折光の周囲でにじみ等が生じ、画像の劣化につながる可能性がある。従って、0次回折光の光量は低い方が望ましい。   In a three-dimensional measuring apparatus, it is required to project light over a wide range. For this reason, the diffraction angle of the diffractive optical element is increased, and the amount of 0th-order diffracted light that is diffracted light that passes straight through the diffractive optical element is increased. It tends to be large. If the amount of such 0th-order diffracted light is higher than the amount of other diffracted light, the captured image of the three-dimensional measuring device may be blurred around the 0th-order diffracted light, leading to image degradation. Therefore, it is desirable that the amount of 0th-order diffracted light is low.

特許文献1には、3次元計測を行う際に、計測対象物に照射される光の投影パターンとして、回折光学素子により生成されたスペックルパターンを照射する方法が開示されている。また、特許文献2には、2枚の回折光学素子を用いて0次回折光の光量を低減する方法が開示されている。   Patent Document 1 discloses a method of irradiating a speckle pattern generated by a diffractive optical element as a projection pattern of light irradiated to a measurement object when performing three-dimensional measurement. Patent Document 2 discloses a method for reducing the amount of 0th-order diffracted light using two diffractive optical elements.

特表2009−530604号公報Special table 2009-530604 gazette 特表2011−510344号公報Special table 2011-510344 gazette

特許文献2に開示されている方法は、1枚目の回折光学素子に光を入射し、1枚目の回折光学素子により回折された光を2枚目の回折光学素子に入射させ回折させるものであり、これにより、矩形の回折光のパターンを2次元的に分布させることができる。   In the method disclosed in Patent Document 2, light is incident on the first diffractive optical element, and the light diffracted by the first diffractive optical element is incident on the second diffractive optical element to be diffracted. Thus, the rectangular diffracted light pattern can be distributed two-dimensionally.

回折光学素子を3次元計測等に用いる場合、上述したように回折光学素子には回折光を広い範囲に分布させることが求められるが、2枚の回折光学素子を用いた場合、1枚目の回折光学素子の回折角度と2枚目の回折光学素子の回折角度の和が全体の回折角度となるため、回折角度が広くなり、回折光を広い範囲に分布させることができる。   When the diffractive optical element is used for three-dimensional measurement or the like, as described above, the diffractive optical element is required to distribute the diffracted light over a wide range, but when two diffractive optical elements are used, the first sheet Since the sum of the diffraction angle of the diffractive optical element and the diffraction angle of the second diffractive optical element is the entire diffraction angle, the diffraction angle is widened and the diffracted light can be distributed over a wide range.

ところで、一般的に、回折光学素子は、回折光学素子の面に対し垂直方向より入射することを前提として作製されている。しかしながら、2枚の回折光学素子を用いた場合には、2枚目の回折光学素子に入射する光は、回折光であるため回折光学素子の面に対し垂直に入射するのではなく斜め方向から入射する。このため、2枚目の回折光学素子からの回折光は所望の分布が得られず、回折光の光量にばらつきが生じ、更には、0次回折光の光量が高くなる場合がある。   By the way, in general, the diffractive optical element is manufactured on the premise that the light enters the surface of the diffractive optical element from the vertical direction. However, when two diffractive optical elements are used, the light incident on the second diffractive optical element is diffracted light, and is not incident perpendicular to the surface of the diffractive optical element but from an oblique direction. Incident. For this reason, the diffracted light from the second diffractive optical element cannot obtain a desired distribution, the amount of diffracted light varies, and the amount of 0th-order diffracted light may increase.

本発明は、上記点に鑑みたものであり、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影面において所望の回折光を得ることができ、得られた各々の回折光の光量を均一にできる回折光学素子を提供することを目的とし、更には、精密な計測を行うことのできる計測装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and in a diffractive optical element having a plurality of diffractive surfaces, desired diffracted light can be obtained on the projection surface, and the amount of light of each obtained diffracted light can be made uniform. An object of the present invention is to provide a diffractive optical element, and further to provide a measuring device capable of performing precise measurement.

本発明は、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、を有し、前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させて光スポットを分布させることにより所望の投影パターンを形成するものであって、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、前記第1の回折光学部における回折角度がθであり、前記第2の回折光学部における回折角度がθである場合、θ≦30°、θ−θ≧13.4°、であることを特徴とする。 The present invention includes a first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, a second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, Diffracted light generated when light is incident on the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is generated from the second diffractive optical part to generate a light spot. a shall form a desired projection pattern by distributing the said first diffractive optical portion and either one of the second diffractive optical portion, or both the basic unit is 2-dimensionally And when the diffraction angle in the first diffractive optical part is θ 1 and the diffraction angle in the second diffractive optical part is θ 2 , θ 1 ≦ 30 °, θ 2 −θ 1 ≧ 13.4 °.

また、本発明は、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、を有し、前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、前記第1の回折光学部における回折部の段数と、前記第2の回折光学部における回折部の段数とが等しく、前記第1の回折光学部における回折部の高さがhであり、前記第2の回折光学部における回折部の高さがhである場合、h>hであることを特徴とする。 The present invention also provides a first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, and a second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light. And diffracted light generated when light is incident on the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is generated from the second diffractive optical part. In the first diffractive optical part and the second diffractive optical part , basic units are two-dimensionally and periodically arranged, and the first diffractive optical part includes a diffractive part of the first diffractive optical part. stages and, is equal to the number of the diffraction portion in the second diffractive optical portion, the height of the diffraction portion in the first diffractive optical portion is h 1, the high diffraction portion in the second diffractive optical portion Is h 2 , h 1 > h 2 .

また、本発明は、前記第1の回折光学部で発生した回折光が前記第2の回折光学部に入射し、前記第2の回折光学部の法線方向に対する、前記第2の回折光学部の凹凸をなす2種類の媒質中における角度の平均をαとした場合、h≒hcosαであることを特徴とする。 According to the present invention, the diffracted light generated by the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and the second diffractive optical part with respect to the normal direction of the second diffractive optical part. When the average of the angles in the two types of media having the unevenness is α 0 , h 2 ≈h 1 cos α 0 .

また、本発明は、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、を有し、前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、前記第1の回折光学部における回折部の段数がm段であり、前記第2の回折光学部における回折部の段数がm段であり、m≠mであり、前記第1の回折光学部における回折部の高さがhであり、前記第2の回折光学部における回折部の高さがhである場合、h×m/(m−1)>h×m/(m−1)であることを特徴とする。 The present invention also provides a first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, and a second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light. And diffracted light generated when light is incident on the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is generated from the second diffractive optical part. In the first diffractive optical part and the second diffractive optical part , basic units are two-dimensionally and periodically arranged, and the first diffractive optical part includes a diffractive part of the first diffractive optical part. The number of stages is m 1 , the number of stages of diffractive parts in the second diffractive optical part is m 2 , m 1 ≠ m 2 , and the height of the diffractive parts in the first diffractive optical part is h 1 and the height of the diffractive part in the second diffractive optical part is h 2 , h 1 × m 1 / (M 1 -1)> h 2 × m 2 / (m 2 -1).

また、本発明は、前記第1の回折光学部で発生された回折光が前記第2の回折光学部に入射し、前記第2の回折光学部の法線方向に対する、前記第2の回折光学部の凹凸をなす2種類の媒質中における角度の平均をαとした場合、h×m/(m−1)≒{h×m/(m−1)}×cosαであることを特徴とする。 According to the present invention, the diffracted light generated by the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and the second diffractive optical element with respect to the normal direction of the second diffractive optical part. When the average of the angles in the two types of media forming the unevenness of the part is α 0 , h 2 × m 2 / (m 2 −1) ≈ {h 1 × m 1 / (m 1 −1)} × cos α It is 0 .

また、本発明は、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、を有し、前記第1の回折光学部に波長λの光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させて光スポットを分布させることにより所望の投影パターンを形成するものであって、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、前記第1の回折光学部における回折角度がθであり、前記第2の回折光学部に光が垂直に入射する場合に、波長λ/β以上、波長λ未満の波長の光に対して第2の回折光学部で発生する回折光の強度の標準偏差、または、0次回折光の強度が極小値をとることを特徴とする。ここで、β=ΔL(θ)/ΔL(0)、ΔL(θ)=h(Ncosθ11−Ncosθ12)、ΔL(0)=h(N−N)、h:第2の回折光学部の高さ、N、N:第2の回折光学部の凹凸を形成する媒質の屈折率、θ11、θ12:角度θで第2の回折光学部に入射する光の第2の回折光学部の凹凸中における角度。








The present invention also provides a first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light, and a second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light. And diffracted light generated when light having a wavelength λ is incident on the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is emitted from the second diffractive optical part. a shall form a desired projection pattern by causing to generate a distribution of light spots, the first diffractive optical portion and either one of the second diffractive optical portion, or both the basic unit Are two-dimensionally and periodically arranged, the diffraction angle in the first diffractive optical part is θ 1 , and the light is perpendicularly incident on the second diffractive optical part. lambda / beta 1 or more, at a second diffractive optical part for light of wavelengths less than the wavelength lambda The standard deviation of the intensity of the diffracted light green, or 0 intensity of diffracted light, characterized in that the minima. Here, β 1 = ΔL (θ 1 ) / ΔL (0), ΔL (θ 1 ) = h 2 (N 2 cos θ 11 −N 3 cos θ 12 ), ΔL (0) = h 2 (N 2 −N 3 ), H 2 : height of the second diffractive optical part, N 2 , N 3 : refractive index of the medium forming the irregularities of the second diffractive optical part, θ 11 , θ 12 : second at an angle θ 1 The angle of the light incident on the diffractive optical part in the irregularities of the second diffractive optical part








また、本発明は、前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが2次元的に配列されていることを特徴とする。   In addition, the present invention is characterized in that a plurality of basic units are two-dimensionally arranged in one or both of the first diffractive optical part and the second diffractive optical part.

また、本発明は、前記第1の回折光学部は一方の透明基板に有し、前記第2の回折光学部は他方の透明基板に有することを特徴とする。 Further, the present invention, the first diffractive optical part has on one of the transparent substrate, the second diffractive optical unit is characterized by Rukoto to Yusuke on the other transparent substrate.

また、本発明は、前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは一体化していることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that it is one embodied in the the one transparent substrate and the other transparent substrate.

また、本発明は、前記第1の回折光学部は透明基板の一方の面に有し、前記第2の回折光学部は前記透明基板の他方の面に有することを特徴とする。

Further, the present invention, the first diffractive optical part has on one surface of the transparent substrate, the second diffractive optical unit is characterized by Rukoto to Yusuke on the other surface of the transparent substrate.

また、本発明は、光を発する光源と、前記光を入射させ回折光が出射される前記記載の回折光学素子と、前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。   Further, the present invention provides a light source that emits light, the diffractive optical element described above that emits diffracted light when the light is incident, an imaging unit that captures an image of a measurement object irradiated with the diffracted light, It is characterized by having.

本発明における回折光学素子では、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影面において所望の回折光を得ることができ、得られた各々の回折光の光量を均一にできる。また、本発明における計測装置では、本発明の回折光学素子を用いることにより、精密で正確な計測を行なうことができる。   In the diffractive optical element of the present invention, in a diffractive optical element having a plurality of diffractive surfaces, desired diffracted light can be obtained on the projection surface, and the amount of light of each obtained diffracted light can be made uniform. In the measuring apparatus according to the present invention, precise and accurate measurement can be performed by using the diffractive optical element of the present invention.

第1の実施の形態における計測装置の構造図Structure diagram of the measuring device in the first embodiment 第1の実施の形態における回折光学素子の構成図Configuration diagram of diffractive optical element in first embodiment 回折光学素子により生じる光スポットの説明図Explanatory drawing of light spot generated by diffractive optical element 第1の実施の形態における回折光学素子の説明図Explanatory drawing of the diffractive optical element in the first embodiment 第1の回折光学部及び第2の回折光学部の構造図Structure diagram of first diffractive optical part and second diffractive optical part 他の第1の回折光学部及び第2の回折光学部の構造図Structure of other first diffractive optical part and second diffractive optical part 回折光学素子に入射する光の入射角度の説明図Explanatory drawing of incident angle of light incident on diffractive optical element 第1の実施の形態における回折光学素子の回折光の説明図Explanatory drawing of the diffracted light of the diffractive optical element in the first embodiment 第1の実施の形態における第2の回折光学部の説明図Explanatory drawing of the 2nd diffractive optical part in 1st Embodiment 第1の実施の形態における他の回折光学素子の回折光の説明図Explanatory drawing of the diffracted light of the other diffractive optical element in 1st Embodiment 第2の実施の形態における回折光学素子の構成図Configuration diagram of diffractive optical element in second embodiment 第2の実施の形態における他の回折光学素子の構成図(1)Configuration of another diffractive optical element in the second embodiment (1) 第2の実施の形態における他の回折光学素子の構成図(2)Configuration of another diffractive optical element in the second embodiment (2) 第2の実施の形態における他の回折光学素子の構成図(3)Configuration diagram of another diffractive optical element according to the second embodiment (3) 第2の実施の形態における他の回折光学素子の構成図(4)Configuration of another diffractive optical element in the second embodiment (4) 実施例1及び4に用いられる一方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of one diffractive optical part used for Examples 1 and 4 実施例1及び4に用いられる他方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of the other diffractive optical part used for Examples 1 and 4 実施例1及び4における回折光学素子により形成される光スポットLight spots formed by the diffractive optical elements in Examples 1 and 4 実施例2、3及び5に用いられる一方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of one diffractive optical part used for Example 2, 3 and 5 実施例2、3及び5に用いられる他方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of the other diffractive optical part used for Example 2, 3 and 5 実施例2、3及び5における回折光学素子により形成される光スポットLight spots formed by the diffractive optical elements in Examples 2, 3 and 5 実施例6に用いられる一方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of one diffraction optical part used for Example 6 実施例6に用いられる他方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of the other diffractive optical part used for Example 6 実施例6における回折光学素子により形成される光スポットLight spot formed by the diffractive optical element in Example 6 実施例7に用いられる一方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of one diffraction optical part used for Example 7 実施例7に用いられる他方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of the other diffractive optical part used for Example 7 実施例7における回折光学素子により形成される光スポットLight spot formed by the diffractive optical element in Example 7 実施例8に用いられる一方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of one diffraction optical part used for Example 8 実施例8に用いられる他方の回折光学部の説明図Explanatory drawing of the other diffractive optical part used for Example 8 実施例8における回折光学素子により形成される光スポットLight spot formed by the diffractive optical element in Example 8

発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。   Modes for carrying out the invention will be described below. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.

〔第1の実施の形態〕
(計測装置)
図1に基づき本実施の形態における計測装置について説明する。図1は、本実施の形態における計測装置の構成の一例を示す。本実施の形態における計測装置10は、光源20、回折光学素子30及び撮像素子50を有している。回折光学素子30は、後述する本実施の形態における回折光学素子であり、光源20から出射された光束(入射光)11を入射させることにより、回折光12を発生させる。また、撮像素子50は、回折光12により生じた光スポットの投影パターンが照射されている測定対象物40a及び40bを撮像するためのものである。
[First Embodiment]
(Measurement device)
A measuring apparatus according to the present embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 1 shows an example of the configuration of a measuring apparatus according to the present embodiment. The measurement apparatus 10 in the present embodiment includes a light source 20, a diffractive optical element 30, and an image sensor 50. The diffractive optical element 30 is a diffractive optical element in the present embodiment, which will be described later, and generates a diffracted light 12 by causing a light beam (incident light) 11 emitted from the light source 20 to enter. The imaging element 50 is for imaging the measurement objects 40 a and 40 b irradiated with the projection pattern of the light spot generated by the diffracted light 12.

回折光学素子30は、複数の回折光12を発生させるものであり、この回折光12により生じた光スポットにより、所望の投影パターンが形成される。従って、この投影パターンを測定対象物40a及び40bに照射し、投影パターンが照射された状態の画像を撮像素子50により撮像することにより、測定対象物40a及び40bの3次元形状等の情報が取得される。尚、3次元計測を行なうためには、光スポットの数は100以上であることが好ましく、また、回折光学素子30は、最大の回折角度θxmin、θxmaxが30°以上となるように、即ち、回折角度が30°以上の回折光を発生させることができるように形成されていることが好ましい。 The diffractive optical element 30 generates a plurality of diffracted lights 12, and a desired projection pattern is formed by a light spot generated by the diffracted lights 12. Therefore, information such as the three-dimensional shapes of the measurement objects 40a and 40b is obtained by irradiating the measurement objects 40a and 40b with the projection pattern and taking an image of the projection pattern irradiated with the imaging device 50. Is done. In order to perform three-dimensional measurement, the number of light spots is preferably 100 or more, and the diffractive optical element 30 has a maximum diffraction angle θ xmin , θ xmax of 30 ° or more. That is, it is preferably formed so that diffracted light having a diffraction angle of 30 ° or more can be generated.

(回折光学素子)
次に、本実施の形態における回折光学素子30について説明する。図2に示されるように、本実施の形態における回折光学素子30は、第1の回折光学部110と第2の回折光学部120とを有している。尚、本実施の形態における回折光学素子30は、第1の回折光学部110と第2の回折光学部120とを有するものであるが、第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120について、各々第1の回折光学部110となる回折光学素子及び第2の回折光学部120となる回折光学素子等と記載する場合がある。第1の回折光学部110は、光束11を入射させることにより回折光111a、111b、111c、・・・のn個の回折光群111を発生させる回折光学素子である。第2の回折光学部120は、回折光111a、111b、111c、・・・のn個の回折光群111を入射させることにより、n個の回折光群121a、121b、121c・・・を発生させる回折光学素子である。これにより、回折光の数を増やすことができ、回折角の大きな回折光を発生させることができる。従って、投影面140の広い範囲に回折光の光スポットを分布させることができる。尚、本実施の形態では、入射光となる光束11の光軸101方向をZ軸とし、光束11の光軸101に対し垂直方向をX軸、Y軸とする。尚、X軸とY軸とは直交するものとする。
(Diffraction optical element)
Next, the diffractive optical element 30 in the present embodiment will be described. As shown in FIG. 2, the diffractive optical element 30 in the present embodiment includes a first diffractive optical unit 110 and a second diffractive optical unit 120. Note that the diffractive optical element 30 in the present embodiment includes the first diffractive optical unit 110 and the second diffractive optical unit 120, but the first diffractive optical unit 110 and the second diffractive optical unit are included. 120 may be described as a diffractive optical element that becomes the first diffractive optical part 110, a diffractive optical element that becomes the second diffractive optical part 120, and the like. The first diffractive optical unit 110 is a diffractive optical element that generates n 1 diffracted light groups 111 of diffracted light 111a, 111b, 111c,. The second diffractive optical part 120 makes n 2 diffracted light groups 121a, 121b, 121c,... Incident by causing n 1 diffracted light groups 111 of diffracted light 111a, 111b, 111c,. Is a diffractive optical element that generates Thereby, the number of diffracted light can be increased and diffracted light with a large diffraction angle can be generated. Therefore, the light spot of the diffracted light can be distributed over a wide range of the projection surface 140. In the present embodiment, the direction of the optical axis 101 of the light beam 11 serving as incident light is the Z axis, and the direction perpendicular to the optical axis 101 of the light beam 11 is the X axis and the Y axis. Note that the X axis and the Y axis are orthogonal to each other.

本実施の形態における回折光学素子を形成している第1の回折光学部110と第2の回折光学部120は、ともに回折光を発生させるものであり、この点においては同様のものである。よって、第1の回折光学部110となる回折光学素子及び第2の回折光学部120となる回折光学素子について、図3において回折光学素子230として説明する。   Both the first diffractive optical part 110 and the second diffractive optical part 120 forming the diffractive optical element in the present embodiment generate diffracted light, and are similar in this respect. Therefore, the diffractive optical element that becomes the first diffractive optical part 110 and the diffractive optical element that becomes the second diffractive optical part 120 will be described as a diffractive optical element 230 in FIG.

図3に示すように、回折光学素子230に入射光となる光束210を入射させることにより、回折光群211が発生する。回折光群211のうち、光軸101に対する回折角度が最大となる回折光211aの回折角度をθとし、これを回折角度範囲θとする。また、このときの回折範囲の中心の光軸101に対する角度(中心角度)θは0°とする。尚、光軸101に対して回折光211aと反対の位置の近傍に、回折角度がθとなる回折光211bが発生するが、θとθの差が大きい場合、例えば、θとθとの差が3°以上ある場合には、回折角度範囲θ=(θ+θ)/2とし、中心角度θ=(θ−θ)/2としてもよい。 As shown in FIG. 3, a diffracted light group 211 is generated by causing a light beam 210 as incident light to enter the diffractive optical element 230. Among diffracted beam group 211, the diffraction angle of the diffracted light 211a for the diffraction angle with respect to the optical axis 101 becomes maximum and theta a, to do this the diffraction angle range theta x. At this time, the angle (center angle) θ 0 with respect to the optical axis 101 at the center of the diffraction range is set to 0 °. In the case in the vicinity of a position opposite to the diffracted light 211a with respect to the optical axis 101, although the diffracted light 211b that diffraction angle becomes theta b occurs, the difference between the theta a and theta b is large, for example, a theta a When the difference from θ b is 3 ° or more, the diffraction angle range θ x = (θ a + θ b ) / 2 and the center angle θ 0 = (θ a −θ b ) / 2 may be used.

また、光軸101に対し回折光211aの反対側には回折光が発生しない場合、即ち、光軸101に対し回折光211aが発生している側にのみ回折光群が発生する場合も考えられる。このような場合、光軸101に最も近い回折光の回折角度がθであるとすると、回折角度範囲θ=(θ−θ)/2とし、中心角度θ=(θ+θ)/2としてもよい。 Further, a case where diffracted light is not generated on the opposite side of the diffracted light 211a with respect to the optical axis 101, that is, a case where a diffracted light group is generated only on the side where the diffracted light 211a is generated with respect to the optical axis 101 can be considered. . In such a case, assuming that the diffraction angle of the diffracted light closest to the optical axis 101 is θ c , the diffraction angle range θ x = (θ a −θ c ) / 2 and the center angle θ 0 = (θ a + θ c ) / 2.

本実施の形態では、この回折角度範囲θについては、第1の回折光学部110における回折角度範囲をθ、第2の回折光学部120における回折角度範囲をθ、本実施の形態における回折光学素子30における回折角度範囲をθと記載する。 In the present embodiment, for this diffraction angle range θ x , the diffraction angle range in the first diffractive optical unit 110 is θ 1 , the diffraction angle range in the second diffractive optical unit 120 is θ 2 , and A diffraction angle range in the diffractive optical element 30 is described as θ.

次に、回折光学素子230についてより詳細に説明する。入射光となる光束210を回折光学素子230に入射させることにより、回折光211が発生する。この回折光211は、数1に示すグレーティング方程式において、Z軸方向を基準として、X方向における角度θ、Y方向における角度θに回折された光である。数1に示す式において、mはX方向の回折次数であり、mはY方向の回折次数であり、λは光束210の波長であり、P、Pは後述する回折光学素子の基本ユニットのX軸方向、Y軸方向におけるピッチである。この回折光12をスクリーンまたは測定対象物等の投影面に照射させることにより、照射された領域に複数の光スポットが生成される。 Next, the diffractive optical element 230 will be described in more detail. The incident light beam 210 is incident on the diffractive optical element 230 to generate diffracted light 211. The diffracted light 211 is light diffracted to an angle θ x in the X direction and an angle θ y in the Y direction with reference to the Z-axis direction in the grating equation shown in Equation 1. In the formula shown in Formula 1, m x is the diffraction order in the X direction, m y is the diffraction order of the Y-direction, lambda is the wavelength of the light beam 210, P x, P y is the diffractive optical element to be described later It is the pitch in the X-axis direction and Y-axis direction of the basic unit. By irradiating the diffracted light 12 onto a projection surface such as a screen or a measurement object, a plurality of light spots are generated in the irradiated region.

Figure 0006069847
ここで、数1に示す式は、入射光が回折光学素子に対し垂直に入射する場合における式である。図1において、入射光11が回折光学素子30に対して垂直に入射している状態を示しているが、光源がレーザ光源等の場合には、回折光学素子30からの反射光が戻り光となりレーザ光源等に入射することを防ぐため、回折光学素子30に垂直な方向より傾けた方向より入射光11を入射させてもよい。レーザ光源等に戻り光が入射すると干渉の影響によりレーザの発振が不安定となる場合があるからである。
Figure 0006069847
Here, the equation shown in Equation 1 is an equation in the case where incident light is incident on the diffractive optical element perpendicularly. In FIG. 1, the incident light 11 is perpendicularly incident on the diffractive optical element 30, but when the light source is a laser light source or the like, the reflected light from the diffractive optical element 30 becomes return light. In order to prevent the light from entering a laser light source or the like, the incident light 11 may be incident from a direction inclined from the direction perpendicular to the diffractive optical element 30. This is because if the return light enters the laser light source or the like, the laser oscillation may become unstable due to the influence of interference.

このような回折光学素子30としては、反復フーリエ変換法等により設計された回折光学素子を用いることができる。ここで、回折光学素子とは、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、2次元的に配列させたものである。このような回折光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニットにおけるフーリエ変換により得ることができる。このことはスカラー回折理論によって説明されている。電磁場はベクトル量であるが、等方的な媒質中ではスカラー量により表わすことができ、時間t、点Aにおけるスカラー関数u(A、t)は、数2に示す式で表わされる。 As such a diffractive optical element 30, a diffractive optical element designed by an iterative Fourier transform method or the like can be used. Here, the diffractive optical element is an element in which basic units that generate a predetermined phase distribution are arranged periodically, for example, two-dimensionally. In such a diffractive optical element, the distribution of the diffraction orders of the diffracted light in the distance can be obtained by Fourier transform in the basic unit. This is explained by scalar diffraction theory. Although the electromagnetic field is a vector quantity, it can be represented by a scalar quantity in an isotropic medium, and the scalar function u (A, t m ) at time t m and point A is represented by the equation shown in Equation 2.

Figure 0006069847
数2に示す式は、入射する光が単色光の場合を示しており、U(A)は点Aにおける複素振幅であり、ωは角周波数である。数2に示すスカラー関数は、全空間で数3に示す波動方程式を満たす。
Figure 0006069847
The expression shown in Formula 2 shows a case where the incident light is monochromatic light, U (A) is a complex amplitude at point A, and ω is an angular frequency. The scalar function shown in Equation 2 satisfies the wave equation shown in Equation 3 in the entire space.

Figure 0006069847
数2に示す式を数3に示す式に代入すると、数4に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。
Figure 0006069847
By substituting the equation shown in Equation 2 into the equation shown in Equation 3, the Helmholtz equation shown in Equation 4 can be obtained.

Figure 0006069847
ここで、kは波数であり、k=2π/λである。数3に示される式を解くことにより、空間におけるスカラー関数の分布が計算される。また、ある位相分布を与える十分に薄い平面スクリーンをΣで示し、Σ上における点をAとし、平面波がΣを透過した場合の点Aにおけるスカラー関数をキルヒホッフの境界条件を用いて、数4に示す式から計算すると、r01を点Aと点Aの距離とした場合、数5に示す式が得られる。
Figure 0006069847
Here, k is the wave number, and k = 2π / λ. By solving the equation shown in Equation 3, the distribution of the scalar function in the space is calculated. Also, a sufficiently thin flat screen giving a certain phase distribution is denoted by Σ, a point on Σ is A 1, and a scalar function at a point A 0 when a plane wave is transmitted through Σ is expressed by the Kirchhoff boundary condition as When calculated from the equation shown in FIG. 4, when r 01 is the distance between the point A 0 and the point A 1 , the equation shown in Equation 5 is obtained.

Figure 0006069847
更に、点Aにおける座標(x、y、0)、点Aにおける座標(x、y、z)とし、zが|x−x|、|y−y|よりも十分大きな値であるものとすると、r01を展開することにより、数6に示されるフラウンホーファー近似式を得ることができる。
Figure 0006069847
Further, the coordinates at the point A 0 (x 0 , y 0 , 0) and the coordinates at the point A 1 (x 1 , y 1 , z) are set, and z is | x 0 −x 1 |, | y 0 −y 1 | Assuming that the value is sufficiently larger than the above, by expanding r 01 , the Fraunhofer approximation expressed by Equation 6 can be obtained.

Figure 0006069847
これは、スクリーンによって与えられる位相分布のフーリエ変換に相当する。特に、スクリーン後における位相分布u(A)がX軸方向にピッチP、Y軸方向にピッチPの周期性を有する場合、u(A)は、下記に示す数7に示す式のように、(m、n)次の回折光が発生する。
Figure 0006069847
This corresponds to the Fourier transform of the phase distribution given by the screen. In particular, when the phase distribution u (A 1 ) after the screen has a periodicity of a pitch P x in the X-axis direction and a pitch P y in the Y-axis direction, u (A 0 ) is expressed by the following equation (7). As shown, (m, n) -order diffracted light is generated.

Figure 0006069847
この際、(m、n)次の回折光の回折効率ηmnは、周期性の基本ユニットが有する位相分布u'(x、y)を用いて、下記数8に示す式で表わされる。尚、m、nは整数、θxin及びθyinは入射光におけるX方向及びY方向におけるZ軸となす角度、θxout及びθyoutは出射光におけるX方向及びY方向におけるZ軸となす角度である。
Figure 0006069847
At this time, the diffraction efficiency η mn of the (m, n) -order diffracted light is expressed by the following formula 8 using the phase distribution u ′ (x 1 , y 1 ) of the periodic basic unit. . M and n are integers, θx in and θy in are angles formed with the Z axis in the X direction and the Y direction in the incident light, and θx out and θy out are angles formed with the Z axis in the X direction and the Y direction in the emitted light. is there.

Figure 0006069847
従って、基本ユニットの位相分布が得られれば、そのフーリエ変換によって回折光における強度分布の計算ができるため、基本ユニットの位相分布を最適化することにより、所望の分布の回折光を発生させる回折光学素子が得られる。
Figure 0006069847
Therefore, if the phase distribution of the basic unit is obtained, the intensity distribution in the diffracted light can be calculated by the Fourier transform. Therefore, by optimizing the phase distribution of the basic unit, diffractive optics that generates diffracted light with a desired distribution is obtained. An element is obtained.

次に、図4に基づき、回折光学素子230の構造について説明する。回折光学素子230は、図4(a)に示されるように、X軸方向にピッチP、Y軸方向にピッチPの基本ユニット231が2次元状に周期的に配列されている。具体的には、図4(b)に示されるような位相分布を有している。図4(b)では、黒く塗りつぶされた領域が凸部となり、白抜きの領域が凹部となるように凹凸パターンが形成されている回折光学素子230を示す。回折光学素子230は、位相分布を発生させることができればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材の表面に凹凸パターンを形成した構造のものや、凹凸パターンが形成された透明な部材の上に、この部材とは屈折率の異なる部材を貼り合わせ、表面の凹凸パターンを平坦なものとしたものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させた構造のものであってもよい。つまり、ここで、凹凸パターンとは、表面形状が凹凸である場合のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えることのできる構造のものを含むものを意味する。尚、回折光学素子230に基本ユニット231を2次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、凹凸パターン内に1つ以上の基本ユニットが含まれていれば凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と一致していなくともよい。 Next, the structure of the diffractive optical element 230 will be described with reference to FIG. In the diffractive optical element 230, as shown in FIG. 4A, basic units 231 having a pitch P x in the X-axis direction and a pitch P y in the Y-axis direction are periodically arranged in a two-dimensional manner. Specifically, it has a phase distribution as shown in FIG. FIG. 4B shows the diffractive optical element 230 in which a concavo-convex pattern is formed such that a black-out region becomes a convex portion and a white region becomes a concave portion. The diffractive optical element 230 only needs to be able to generate a phase distribution. The diffractive optical element 230 has a structure in which a concavo-convex pattern is formed on the surface of a member that transmits light, such as glass or a resin material, or a transparent member in which a concavo-convex pattern is formed. On top of this, a member having a different refractive index from this member may be bonded to form a flat surface uneven pattern, or a transparent member may have a structure in which the refractive index is changed. . That is, here, the concave / convex pattern means not only the case where the surface shape is concave / convex, but also includes those having a structure capable of giving a phase difference to incident light. When the basic units 231 are two-dimensionally arranged on the diffractive optical element 230, the number of basic units does not have to be an integral number, and if one or more basic units are included in the uneven pattern, the uneven pattern and the uneven The boundary of the area having no pattern may not coincide with the boundary of the basic unit.

図5には、回折光学素子230の一例として、ガラス等からなる透明基板232の表面に凸部233を形成することにより凹凸パターンを形成した構造の回折光学素子230の断面模式図を示す。尚、この回折光学素子230では、透明基板232の表面において、凸部233の形成されていない領域が凹部234となる。   FIG. 5 shows a schematic cross-sectional view of a diffractive optical element 230 having a structure in which a concavo-convex pattern is formed by forming convex portions 233 on the surface of a transparent substrate 232 made of glass or the like as an example of the diffractive optical element 230. In the diffractive optical element 230, a region where the convex portion 233 is not formed becomes a concave portion 234 on the surface of the transparent substrate 232.

透明基板232は、入射光に対し透明であればよく、ガラス基板の他、樹脂基板、樹脂フィルム等の種々の材料を使用できるが、ガラスや石英等の光学的等方材料は、透過光に複屈折性の影響を与えることがなく好ましい。また、透明基板232は、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を形成することにより、フレネル反射による光反射を低減できる。   The transparent substrate 232 only needs to be transparent to incident light, and various materials such as a resin substrate and a resin film can be used in addition to a glass substrate. However, optically isotropic materials such as glass and quartz can be used for transmitted light. It is preferable without affecting birefringence. In addition, the transparent substrate 232 can reduce light reflection due to Fresnel reflection, for example, by forming an antireflection film using a multilayer film at the interface with air.

また、凸部233を形成する材料としては、有機材料、無機材料、有機無機複合材料を用いることができる。凸部233を形成する方法、即ち、凸部233と凹部234からなる凹凸パターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィとエッチングにより形成する方法や、型によって凹凸パターンを転写する射出成形やインプリントによる方法等を用いることができる。また、凸部233は単一の材料により形成されている必要はなく、例えば、無機材料からなる多層膜により凸部233を形成してもよい。更に、凸部233の表面には表面反射を低減するための反射防止膜を設けた構造や、反射防止構造を形成してもよい。   Moreover, as a material which forms the convex part 233, an organic material, an inorganic material, and an organic inorganic composite material can be used. As a method of forming the convex portion 233, that is, a method of forming a concave / convex pattern comprising the convex portion 233 and the concave portion 234, a method of forming by photolithography and etching, an injection molding or imprinting that transfers the concave / convex pattern by a mold, and the like. A method or the like can be used. Moreover, the convex part 233 does not need to be formed of a single material, and for example, the convex part 233 may be formed of a multilayer film made of an inorganic material. Furthermore, a structure provided with an antireflection film for reducing surface reflection or an antireflection structure may be formed on the surface of the convex portion 233.

また、図6に示されるように、回折光学素子230は、表面に凸部233が形成されている透明基板232の凸部233が形成されている側に、透明基板235を設け、透明基板232と透明基板235との間に、凸部233を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂236を埋め込んだものである。尚、透明基板235を設けることなく、透明基板232の凸部233が形成されている側に、凸部233を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂236を形成し、透明樹脂236の表面を平坦化したものであってもよい。   As shown in FIG. 6, the diffractive optical element 230 is provided with a transparent substrate 235 on the side of the transparent substrate 232 on which the convex portions 233 are formed, on the side where the convex portions 233 are formed. The transparent resin 236 having a refractive index different from the refractive index of the material forming the convex portion 233 is embedded between the transparent substrate 235 and the transparent substrate 235. In addition, without providing the transparent substrate 235, the transparent resin 236 having a refractive index different from the refractive index of the material forming the convex portion 233 is formed on the side of the transparent substrate 232 where the convex portion 233 is formed, The surface of 236 may be flattened.

このような回折光学素子230は、反復フーリエ変換法等の手法を用いて作製できる。より詳細に説明すると、回折光学素子における基本ユニット231の位相分布と回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の電場分布を逆フーリエ変換することにより、基本ユニット231における位相分布を得ることができる。   Such a diffractive optical element 230 can be manufactured using a technique such as an iterative Fourier transform method. More specifically, since the phase distribution of the basic unit 231 in the diffractive optical element and the electric field distribution of the diffracted light are in a Fourier transform relationship, the phase distribution in the basic unit 231 is obtained by inverse Fourier transforming the electric field distribution of the diffracted light. Can be obtained.

また、回折光学素子230を作製する際には、回折光の強度分布のみ制限条件となり、位相の条件が含まれないため、基本ユニット231の位相分布は任意なものとなる。反復フーリエ変換法では、回折光の光強度分布の逆フーリエ変換より基本ユニットの位相分布の情報を抽出し、得られた位相分布を基本ユニットの位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。これにより、フーリエ変換の結果と、所定の回折光の光強度の分布との差分が評価値となり、上記計算を繰り返すことにより、評価値が最小となるような回折光学素子の位相分布を最適な設計として得ることができる。   Further, when the diffractive optical element 230 is manufactured, only the intensity distribution of the diffracted light is a limiting condition, and the phase condition is not included. Therefore, the phase distribution of the basic unit 231 is arbitrary. In the iterative Fourier transform method, information on the phase distribution of the basic unit is extracted from the inverse Fourier transform of the light intensity distribution of the diffracted light, the obtained phase distribution is used as the phase distribution of the basic unit, and further Fourier transform is performed. As a result, the difference between the Fourier transform result and the light intensity distribution of the predetermined diffracted light becomes the evaluation value, and by repeating the above calculation, the phase distribution of the diffractive optical element that minimizes the evaluation value is optimized. Can be obtained as a design.

回折光学素子の設計アルゴリズムは、上記以外にも、Bernard Kress,Patrick Meyrueis著、「デジタル回折光学」(丸善)等に記載されているように各種ある。また、フーリエ変換の方法としては、高速フーリエ変換アルゴリズム等を用いることができる。   In addition to the above, there are various design algorithms for diffractive optical elements as described in Bernard Kress, Patrick Meyrueis, “Digital Diffraction Optics” (Maruzen). As a Fourier transform method, a fast Fourier transform algorithm or the like can be used.

(第1の回折光学部と第2の回折光学部との関係)
次に、第1の回折光学部110と第2の回折光学部120との関係について説明する。本実施の形態においては、光束11は第1の回折光学部110の面に略垂直に入射するが、第2の回折光学部120には、第1の回折光学部110の回折光が入射するため、第2の回折光学部120の面の法線に対し傾いた角度より光が入射する。
(Relationship between the first diffractive optical part and the second diffractive optical part)
Next, the relationship between the first diffractive optical unit 110 and the second diffractive optical unit 120 will be described. In this embodiment, the light beam 11 is incident on the surface of the first diffractive optical unit 110 substantially perpendicularly, but the diffracted light of the first diffractive optical unit 110 is incident on the second diffractive optical unit 120. Therefore, light is incident at an angle inclined with respect to the normal line of the surface of the second diffractive optical unit 120.

図7に基づき回折光学素子230の透明基板232の表面に高さhの凸部233が形成されている場合について、より詳細に説明する。図7(a)に示すように、回折光学素子230の面に対して垂直に光213a及び213bを入射させた場合、凸部233を透過する光213bと凹部234を通る光213aとにおいて、凸部233の高さhと凸部233を形成している材料と空気等の屈折率差の積の位相差が生じる。一方、図7(b)に示すように、回折光学素子230の面の法線に対して角度φで光214a及び214bを入射させた場合、凸部233を透過する光214bの光路はh/cosφとなり、これに対応する光214aの光路はh/cosφとなる。ここで、φは、凸部233に光214bを角度φで入射させた際に凸部233内部において屈折する角度である。よって、光路h/cosφと凸部233を形成している材料の屈折率の積と、光路h/cosφと空気等の屈折率の積との差の位相差が生じる。また、φavg=(φ+φ)/2とすると、平均的には、光路h/cosφavgと凸部233を形成している材料と空気等の屈折率差の積の位相差が生じる。尚、本実施の形態では、第1の回折光学部110では、図7(a)に示すように光が入射し、第2の回折光学部120では、図7(b)に示すように光が入射する。 Based on FIG. 7, the case where the convex part 233 of the height h is formed in the surface of the transparent substrate 232 of the diffractive optical element 230 is demonstrated in detail. As shown in FIG. 7A, when light 213a and 213b is incident perpendicularly to the surface of the diffractive optical element 230, the light 213b that passes through the convex portion 233 and the light 213a that passes through the concave portion 234 are convex. There is a phase difference between the product of the height h of the portion 233 and the material forming the convex portion 233 and the refractive index difference of air or the like. On the other hand, as shown in FIG. 7B, when the light 214a and 214b are incident at an angle φ 0 with respect to the normal line of the surface of the diffractive optical element 230, the optical path of the light 214b transmitted through the convex portion 233 is h. / cos [phi 1, and the optical path of the light 214a corresponding thereto becomes h / cos [phi 0. Here, φ 1 is an angle at which the light 214 b is incident on the convex portion 233 at an angle φ 0 and is refracted inside the convex portion 233. Therefore, there occurs a phase difference between the product of the refractive index of the material forming the optical path h / cos φ 1 and the convex portion 233 and the product of the optical path h / cos φ 0 and the refractive index of air or the like. Further, if φ avg = (φ 0 + φ 1 ) / 2, an average phase difference of the product of the optical path h / cos φ avg and the material forming the convex portion 233 and the refractive index difference of air or the like is generated. . In the present embodiment, light is incident on the first diffractive optical unit 110 as shown in FIG. 7A, and light is incident on the second diffractive optical unit 120 as shown in FIG. 7B. Is incident.

このように、回折光学素子230に入射する光の入射する光の角度により位相差は変化し、回折光学素子230の面の法線に対する角度(入射角度)が大きくなればなるほど位相差が大きくなる。一般的な回折光学素子の場合では、光を垂直入射させることを前提として作製されているため、回折光学素子に入射する光の入射角度が大きくなればなるほど、所望の回折光が得られなくなる。   Thus, the phase difference changes depending on the angle of the incident light of the light incident on the diffractive optical element 230, and the phase difference increases as the angle (incident angle) with respect to the normal of the surface of the diffractive optical element 230 increases. . In the case of a general diffractive optical element, it is manufactured on the assumption that light is incident perpendicularly. Therefore, as the incident angle of light incident on the diffractive optical element increases, desired diffracted light cannot be obtained.

また、回折光学素子230の凹凸パターンが屈折率の異なる2種類の材料により形成されている場合には、2種類の材料の界面における光の入射角度及び出射角度をφ、φとした場合、φavg=(φ+φ)/2とすると、平均的には、光路h/cosφavgと凸部233を形成している材料と空気等の屈折率差の積の位相差が生じる。ここで、φ、φは、2種類の媒質の屈折率をN、Nとすると、スネルの法則、N×sinφ=N×sinφより算出される。 Further, when the concavo-convex pattern of the diffractive optical element 230 is formed of two types of materials having different refractive indexes, the incident angle and the outgoing angle of light at the interface between the two types of materials are φ 2 and φ 3. , Φ avg = (φ 2 + φ 3 ) / 2, on average, a phase difference of the product of the optical path h / cos φ avg , the material forming the convex portion 233 and the refractive index difference of air or the like is generated. Here, φ 2 and φ 3 are calculated from Snell's law, N 2 × sin φ 2 = N 3 × sin φ 3 , where N 2 and N 3 are the refractive indexes of the two types of media.

例えば、凸部233を形成している材料の屈折率Nを1.5とし、凹部234となる部分は大気等であり屈折率が1である場合、入射角度φに対応するφ、1/cosφ、1/cosφavg、ΔL(φ)/ΔL(0)=ΔL(φ)/{h(N−1)}の値を表1に示す。尚、ΔL(φ)/{h(N−1)}は光が垂直に入射した場合に対する光が角度φで入射した場合の位相差の変調を示すものであり、光路差ΔL(φ)=h(Ncosφ−cosφ)とした場合の値である。ここで、凹凸パターンが屈折率の異なる2種類の材料により形成されている場合には、光路差ΔL(φ)=h(Ncosφ−Ncosφ)、ΔL(0)=h(N−N)を用いればよい。また、1/cosφavgを平均的な位相差の変調として示したが、表1に示すように光路差から計算される位相差の変調であるΔL(φ)/{h(N−1)}の値は1/cosφavg近い値となるため、位相差の変調として1/cosφavgとΔL(φ)/{h(N−1)}のどちらを用いてもよい。 For example, when the refractive index N of the material forming the convex portion 233 is 1.5, the portion to be the concave portion 234 is the atmosphere and the refractive index is 1, φ 1 corresponding to the incident angle φ 0 , 1 Table 1 shows values of / cosφ 0 , 1 / cosφ avg , ΔL (φ 0 ) / ΔL (0) = ΔL (φ 0 ) / {h (N−1)}. ΔL (φ 1 ) / {h (N−1)} represents the modulation of the phase difference when the light is incident at an angle φ 0 with respect to the case where the light is incident vertically, and the optical path difference ΔL (φ 0 ) = h (N cos φ 1 −cos φ 0 ). Here, when the concavo-convex pattern is formed of two types of materials having different refractive indexes, the optical path difference ΔL (φ 0 ) = h (N 2 cos φ 2 −N 3 cos φ 3 ), ΔL (0) = h (N 2 -N 3 ) may be used. Also, 1 / cos φ avg is shown as an average phase difference modulation. As shown in Table 1, ΔL (φ 0 ) / {h (N−1), which is a phase difference modulation calculated from the optical path difference. since the values of the near 1 / cosφ avg}, 1 / cosφ avg and ΔL (φ 0) as a modulation of the phase difference / {h (N-1) which may be used in}.

Figure 0006069847
例えば、回折光学素子230における入射光の入射角度φ=30°の場合では、回折光学素子230に光が垂直に入射する場合に対し、最大で15%の位相差の変調を受ける。このような位相差の変調は基本ユニット231における位相分布の変調となり、回折光学素子の面に垂直に入射する光を前提に作製された回折光学素子における所望の回折光の光量等のずれが生じる。このように入射角度φが大きくなると、回折光学素子を透過する0次回折光の光量が変化し、出射された回折光の光量のバラツキが生じる。このことは、2枚の回折光学素子を用いた場合には、必然的に生じる問題である。
Figure 0006069847
For example, in the case where the incident angle φ 0 = 30 ° of incident light in the diffractive optical element 230, the phase difference is modulated by a maximum of 15% as compared with the case where light enters the diffractive optical element 230 vertically. Such modulation of the phase difference results in modulation of the phase distribution in the basic unit 231, and a shift in the amount of desired diffracted light in a diffractive optical element manufactured on the premise of light incident perpendicularly to the surface of the diffractive optical element occurs. . Thus the incident angle phi 0 is greater, the 0 amount of diffracted light transmitted through the diffractive optical element is changed, the variation of the light amount of the emitted diffraction light is generated. This is a problem that inevitably arises when two diffractive optical elements are used.

(本実施の形態の説明1)
本実施の形態における回折光学素子は、図8に示すように、第1の回折光学部110における回折角度範囲θを第2の回折光学部120における回折角度範囲θよりも小さくしたもの、即ち、θ≦θとしたものである。第2の回折光学部120に入射する光の入射角度を小さくし、第2の回折光学部120の面に垂直に入射する状態に近づけることにより、光量バラツキのない回折光を得ることができる。これにより広い範囲に略均一な光量の回折光を発生させることのできる回折光学素子30を得ることができる。本実施の形態では、回折角度範囲θは30°以下であることが好ましく、更には、15°以下であることが好ましい。
(Description 1 of this embodiment)
As shown in FIG. 8, the diffractive optical element in the present embodiment has a diffraction angle range θ 1 in the first diffractive optical unit 110 smaller than a diffraction angle range θ 2 in the second diffractive optical unit 120, That is, θ 1 ≦ θ 2 . By reducing the incident angle of the light incident on the second diffractive optical unit 120 and bringing it closer to the state of being incident perpendicular to the surface of the second diffractive optical unit 120, it is possible to obtain diffracted light with no variation in the amount of light. Thereby, the diffractive optical element 30 capable of generating diffracted light with a substantially uniform light amount in a wide range can be obtained. In the present embodiment, the diffraction angle range θ 1 is preferably 30 ° or less, and more preferably 15 ° or less.

(本実施の形態の説明2)
また、図9(a)に示すように、第2の回折光学部120において透明基板122の表面に形成される凸部123の高さhを入射光の入射角度φに対応して低くし、所望の光路差となるように形成してもよい。即ち、第2の回折光学部120は、第1の回折光学部110により発生した回折光の回折角度で第2の回折光学部120に光が入射するように設計されていれば、前述した問題は生じない。よって、第1の回折光学部110により発生した回折光の回折角度範囲θ以下となる角度を角度αとし、この角度αで第2の回折光学部120に光が入射することとして第2の回折光学部120を作製することにより、上記問題は解消される。
(Description 2 of the present embodiment)
Further, as shown in FIG. 9A, the height h 2 of the convex part 123 formed on the surface of the transparent substrate 122 in the second diffractive optical part 120 is lowered corresponding to the incident angle φ 0 of incident light. However, it may be formed to have a desired optical path difference. That is, if the second diffractive optical unit 120 is designed so that light is incident on the second diffractive optical unit 120 at a diffraction angle of the diffracted light generated by the first diffractive optical unit 110, the above-described problem occurs. Does not occur. Therefore, an angle that is equal to or smaller than the diffraction angle range θ 1 of the diffracted light generated by the first diffractive optical unit 110 is defined as an angle α, and the light is incident on the second diffractive optical unit 120 at this angle α. By producing the diffractive optical part 120, the above problem is solved.

ここで、角度αで第2の回折光学部120に入射した回折光が、第2の回折光学部120の凹凸を形成する2種類の媒質中で第2の回折光学部120の法線方向と角度α、角度αをなし、αavg=(α+α)/2とすると、前述のように回折光が第2の回折光学部120に垂直に入射する場合に対して1/cosαavgの位相差の変調を受ける。また、第1の回折光学部の回折角度範囲である角度θで第2の回折光学部120に回折光が入射する場合は、回折光が第2の回折光学部120の凹凸を形成する2種類の媒質中で第2の回折光学部120の法線方向と角度θ11、角度θ12をなし、θ1avg=(θ11+θ12)/2とすると、回折光が第2の回折光学部120に垂直に入射する場合に対して1/cosθ1avgの位相差の変調が発生する。第1の回折光学部110によって発生する回折光が付与されうる垂直入射に対する最大の位相差の変調が1/cosθ1avgとなるため、1/cosαavg=1/2cosθ1avgを満たす角度αで第2の回折光学部120に光が入射することとして第2の回折光学部120を作製することで、垂直入射で第2の回折光学部120に光が入射することとして第2の回折光学部120を作製する場合に対し、第2の回折光学部で発生する位相差の変調を半分にすることができる。ここで、上記の関係を満たす角度αavgを以下ではαとする。 Here, the diffracted light incident on the second diffractive optical unit 120 at an angle α is in the normal direction of the second diffractive optical unit 120 in the two types of media forming the irregularities of the second diffractive optical unit 120. Assuming that the angle α 1 and the angle α 2 are formed and α avg = (α 1 + α 2 ) / 2, 1 / cos α as compared with the case where the diffracted light is incident on the second diffractive optical unit 120 as described above. It undergoes modulation of the phase difference of avg . In addition, when diffracted light is incident on the second diffractive optical unit 120 at an angle θ 1 that is a diffraction angle range of the first diffractive optical unit, the diffracted light forms irregularities of the second diffractive optical unit 120 2. When the normal direction of the second diffractive optical unit 120 and the angle θ 11 and the angle θ 12 are formed in a kind of medium, and θ 1avg = (θ 11 + θ 12 ) / 2, the diffracted light becomes the second diffractive optical unit. A phase difference modulation of 1 / cos θ 1 avg is generated with respect to the case where the light is incident perpendicularly to 120. Since the modulation of the maximum phase difference with respect to normal incidence diffracted light generated by the first diffractive optical portion 110 can be applied is 1 / cosθ 1avg, 1 / cosα avg = 1 / 2cosθ 1avg meet at an angle α second By making the second diffractive optical part 120 as light is incident on the diffractive optical part 120, the second diffractive optical part 120 is assumed to be incident on the second diffractive optical part 120 at normal incidence. Compared with the case of manufacturing, the modulation of the phase difference generated in the second diffractive optical part can be halved. Here, an angle α avg satisfying the above relationship is defined as α 0 below.

従って、第2の回折光学部120として、具体的には、h=hcosαとなるように形成する。尚、高さhは第1の回折光学部110における凸部の高さである。このため、第2の回折光学部120における凸部123の高さhは、光が垂直に入射する第1の回折光学部110における凸部の高さhよりも低くなる。即ち、高さhと高さhとの関係は、下記(1)に示す式となり、更には、下記(2)に示す式であることが好ましい。

>h・・・・・・・・・・・・・(1)
≒hcosα・・・・・・・・(2)

尚、「≒」は、本実施の形態においては、約±2%の範囲内であることを意味するものであり、これは後述する例3における値に基づくものである。
Therefore, specifically, the second diffractive optical part 120 is formed so that h 2 = h 1 cos α 0 . The height h 1 is the height of the convex portion in the first diffractive optical unit 110. Therefore, the height h 2 of the convex portion 123 of the second diffractive optical portion 120 is lower than the height h 1 of the protrusions in the first diffractive optical portion 110 on which light is incident perpendicularly. That is, the relationship between the height h 1 and the height h 2 is an expression shown in the following (1), and more preferably an expression shown in the following (2).

h 1 > h 2 (1)
h 2 ≈h 1 cos α 0 (2)

Note that “≈” means in the present embodiment that it is within a range of about ± 2%, which is based on the value in Example 3 described later.

また、上記(1)(2)に示す式は、第1の回折光学部110における回折部の段数と第2の回折光学部120における回折部の段数が等しい場合であり、第1の回折光学部110における回折部の段数と第2の回折光学部120における回折部の段数が異なっている場合には、第1の回折光学部110における回折部の段数をm、最下段から最上段までの高さをhとし、第2の回折光学部120における回折部の段数をm、最下段から最上段までの高さをhとした場合には、下記(3)に示す式となり、更には、下記(4)に示す式であることが好ましい。例えば、図9(b)に示すように、第1の回折光学部110を階段形状で近似する場合、階段形状の稜線を結んだ線の高さに凹凸材料の屈折率差を乗じたものが設計波長となるようにするとよい。この場合、一段の高さがh/(m−1)となるので、稜線を結んだ線の高さはh×m/(m−1)となり、この値が設計波長に比例する。また、第2の回折光学部120についても同様である。

×m/(m−1)>h×m/(m−1)・・・・・・・・・・・・(3)
×m/(m−1)≒{h×m/(m−1)}×cosα・・・・(4)

また、視点を変えてみると、第2の回折光学部120の設計を下記(5)に示す式を満たすように作製することが好ましい。

Max(θ、θ−θ)<α≦θ+θ・・・・・・(5)

Max(θ、θ−θ)とは、θとθ−θのうちどちらか大きい方を示すものであり、第2の回折光学部120を作製する際に用いる第2の回折光学部120に入射する光の入射角度である。尚、第2の回折光学部120を作製する際には、第2の回折光学部120に角度αで光を入射させた際に、0次光の光量が最小となるように最適化を行なう。または、第2の回折光学部120から出射される回折光群の光量分布が極小値となるように最適化を行なう。
The equations (1) and (2) are obtained when the number of diffractive parts in the first diffractive optical part 110 is equal to the number of diffractive parts in the second diffractive optical part 120. When the number of diffractive parts in the unit 110 is different from the number of diffractive parts in the second diffractive optical part 120, the number of diffractive parts in the first diffractive optical part 110 is m 1 , from the bottom to the top. the height and h 1, the number of the diffraction portion in the second diffractive optical portion 120 m 2, in the case where the height from the bottom to the top was h 2 becomes a formula shown below (3) Furthermore, the following formula (4) is preferable. For example, as shown in FIG. 9B, when the first diffractive optical unit 110 is approximated by a staircase shape, the height of the line connecting the staircase-shaped ridge lines is multiplied by the refractive index difference of the uneven material. The design wavelength should be set. In this case, since the height of one step is h 1 / (m 1 −1), the height of the line connecting the ridge lines is h 1 × m 1 / (m 1 −1), and this value is the design wavelength. Proportional. The same applies to the second diffractive optical unit 120.

h 1 × m 1 / (m 1 −1)> h 2 × m 2 / (m 2 −1) (3)
h 2 × m 2 / (m 2 −1) ≈ {h 1 × m 1 / (m 1 −1)} × cos α 0 (4)

Further, when the viewpoint is changed, it is preferable that the design of the second diffractive optical unit 120 is manufactured so as to satisfy the expression shown in the following (5).

Max (θ 0 , θ 0 −θ 1 ) <α ≦ θ 0 + θ 1 (5)

Max (θ 0 , θ 0 −θ 1 ) indicates the larger one of θ 0 and θ 0 −θ 1 , and is the second used when the second diffractive optical unit 120 is manufactured. This is the incident angle of light incident on the diffractive optical unit 120. When the second diffractive optical unit 120 is manufactured, optimization is performed so that the amount of zero-order light is minimized when light is incident on the second diffractive optical unit 120 at an angle α. . Alternatively, optimization is performed so that the light amount distribution of the diffracted light group emitted from the second diffractive optical unit 120 becomes a minimum value.

このように、第2の回折光学部120を形成することにより、入射角度範囲θはMax(α−Max(θ、θ−θ)、θ+θ−α)へと低減される。αの値としては0≦α≦θとすると好ましく、αavg≒αを満たすαとすると、第2の回折光学部120に対する入射角の広がりの影響を実質的に半分にできるのでより好ましい。 Thus, by forming the second diffractive optical portion 120, the incident angle range theta 1 is reduced to the Max (α-Max (θ 0 , θ 0 -θ 1), θ 0 + θ 1 -α) The The value of α is preferably 0 ≦ α ≦ θ 1, and more preferably α satisfying α avg ≈α 0 , since the influence of the spread of the incident angle on the second diffractive optical unit 120 can be substantially halved. .

ところで、光の電場の位相項は入射光の波長をλとして2πΔL(φ)/λに依存する。ここで、波長λ、入射角度αで回折部が最適化されているとして、ΔL(α)/ΔL(0)=βとすると、入射角度が0度の場合の位相項は2πΔL(α)/(βλ)となる。したがって入射角度が0度の場合、λ=λ/βとすると最適化された位相項である2πΔL(α)/λと同じものが得られる。つまり、入射角度αで回折部が最適化されているということは、λよりも短波長の波長λにおいて最適設計がなされていると言い換えることもできる。したがって、第2の回折光学部120の分光を行った際に入射光111の波長よりも短波長の波長において、第2の回折光学部120の0次回折光の光量が極小値を有する、または、第2の回折光学部120から出射される回折光群121a、121b、121c・・・等の光量分布が極小値を有するように作製される。このとき、β=1/cosα、β=ΔL(θ)/ΔL(0)として、回折光学素子が最適化される波長が入射光の波長λに対して、λ/β≦λ<λである波長λにおいて前述の最適化特性を満たすと好ましく、λ≒λ/βを満たすとより好ましい。また、以上のような第2の回折光学部120の設計は、図8に示すようなθ≦θの場合に適用でき、更には、図10に示すようにθ>θの場合にも適用することもできる。 By the way, the phase term of the electric field of light depends on 2πΔL (φ 0 ) / λ, where λ is the wavelength of incident light. Here, assuming that the diffraction section is optimized at the wavelength λ and the incident angle α, and ΔL (α) / ΔL (0) = β, the phase term when the incident angle is 0 degree is 2πΔL (α) / (Βλ). Therefore, when the incident angle is 0 degree, if λ 0 = λ / β, the same phase term 2πΔL (α) / λ that is the optimized phase term is obtained. That is, the fact that the diffractive portion is optimized at the incident angle α can also be said to be optimally designed at a wavelength λ 0 shorter than λ. Therefore, when the spectrum of the second diffractive optical unit 120 is dispersed, the light amount of the 0th-order diffracted light of the second diffractive optical unit 120 has a minimum value at a wavelength shorter than the wavelength of the incident light 111, or The light quantity distribution of the diffracted light groups 121a, 121b, 121c,... Emitted from the second diffractive optical unit 120 is produced so as to have a minimum value. At this time, β 0 = 1 / cos α 0 , β 1 = ΔL (θ 1 ) / ΔL (0), and the wavelength at which the diffractive optical element is optimized is λ / β 1 ≦ with respect to the wavelength λ of the incident light. It is preferable that the above optimization characteristics are satisfied at a wavelength λ 0 where λ 0 <λ, and more preferable that λ 0 ≈λ / β 0 is satisfied. Further, the design of the second diffractive optical unit 120 as described above can be applied to the case of θ 1 ≦ θ 2 as shown in FIG. 8, and further, the case of θ 1 > θ 2 as shown in FIG. It can also be applied to.

尚、0次回折光は波長依存性や角度依存性によって他の回折光と比べて大きな値となることがあるため、回折光群の光量分布を評価する際に0次回折光を含めると回折光群の光量分布の正確な評価ができなくことがある。したがって、第2の回折光学部120から出射される各回折光の光量が、例えば0次回折光の10分の1以下であるように、0次回折光の光量に比べて小さな場合には光量分布を評価する際に0次回折光を除いてもよい。   Note that the 0th-order diffracted light may have a larger value than other diffracted lights due to wavelength dependency and angle dependency. Therefore, if the 0th-order diffracted light is included when evaluating the light amount distribution of the diffracted light group, the diffracted light group It is sometimes impossible to accurately evaluate the light amount distribution. Therefore, when the light amount of each diffracted light emitted from the second diffractive optical unit 120 is smaller than the light amount of the 0th-order diffracted light, for example, 1/10 or less of the 0th-order diffracted light, the light amount distribution is When evaluating, the 0th-order diffracted light may be excluded.

〔第2の実施の形態〕
次に、第2の実施の形態について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、第1の回折光学部と第2の回折光学部とを一体化した構造のもの、また、一枚の基板の一方の面に第1の回折光学部となる凸部を形成し他方の面に第2の回折光学部となる凸部を形成したものである。これにより、第1の回折光学部と第2の回折光学部との位置合せが不要となり、回折光学素子が小型化される。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment will be described. The diffractive optical element in the present embodiment has a structure in which the first diffractive optical part and the second diffractive optical part are integrated, and the first diffractive optical part on one surface of one substrate And a convex portion that becomes the second diffractive optical portion is formed on the other surface. Thereby, alignment between the first diffractive optical part and the second diffractive optical part becomes unnecessary, and the diffractive optical element is miniaturized.

図11に示す回折光学素子は、透明基板302の一方の面には、第1の回折光学部の凸部303を形成することにより、凸部303の形成されていない領域の凹部304と凸部303により凹凸パターンを形成し、透明基板302の他方の面には、第2の回折光学部の凸部305を形成することにより、凸部305の形成されていない領域の凹部306と凸部305により凹凸パターンを形成したものである。   In the diffractive optical element shown in FIG. 11, the convex portion 303 of the first diffractive optical portion is formed on one surface of the transparent substrate 302 so that the concave portion 304 and the convex portion of the region where the convex portion 303 is not formed are formed. The concave / convex pattern is formed by 303, and the convex portion 305 of the second diffractive optical part is formed on the other surface of the transparent substrate 302, whereby the concave portion 306 and the convex portion 305 in the region where the convex portion 305 is not formed. Thus, a concavo-convex pattern is formed.

また、図12から図15は、第1の回折光学部310と第2の回折光学部320とを接着材等により接着し接合した構造の回折光学素子である。第1の回折光学部310は、透明基板312の表面に凸部313を形成することにより、凸部313の形成されていない領域の凹部314と凸部313により凹凸パターンを形成したものである。また、第2の回折光学部320は、透明基板322の表面に凸部323を形成することにより、凸部323の形成されていない領域の凹部324と凸部323により凹凸パターンを形成したものである。尚、本実施の形態における第1の回折光学部310等は、第1の実施の形態における第1の回折光学部110に相当し、第2の回折光学部320等は、第1の実施の形態における第2の回折光学部120に相当する。   12 to 15 show a diffractive optical element having a structure in which a first diffractive optical part 310 and a second diffractive optical part 320 are bonded and bonded with an adhesive or the like. The first diffractive optical part 310 is formed by forming a convex part 313 on the surface of the transparent substrate 312 to form a concave / convex pattern by the concave part 314 and the convex part 313 in a region where the convex part 313 is not formed. In addition, the second diffractive optical unit 320 is formed by forming a convex portion 323 on the surface of the transparent substrate 322 to form a concave / convex pattern by the concave portion 324 and the convex portion 323 in the region where the convex portion 323 is not formed. is there. The first diffractive optical unit 310 and the like in the present embodiment correspond to the first diffractive optical unit 110 in the first embodiment, and the second diffractive optical unit 320 and the like correspond to those in the first embodiment. This corresponds to the second diffractive optical part 120 in the embodiment.

図12に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されていない面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されていない面とを対向させ、対向している面同士を接着剤340により接合したものである。   The diffractive optical element shown in FIG. 12 opposes the surface where the convex portion 313 is not formed in the first diffractive optical portion 310 and the surface where the convex portion 323 is not formed in the second diffractive optical portion 320. The surfaces are joined together with an adhesive 340.

また、図13に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されている面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤340により接合したものである。   In the diffractive optical element shown in FIG. 13, the surface on which the convex portion 313 is formed in the first diffractive optical portion 310 and the surface on which the convex portion 323 is formed in the second diffractive optical portion 320 face each other. The surfaces facing each other are joined by an adhesive 340.

また、図14に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されていない面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤340により接合したものである。   In the diffractive optical element shown in FIG. 14, the surface where the convex portion 313 is not formed in the first diffractive optical portion 310 and the surface where the convex portion 323 is formed in the second diffractive optical portion 320 are opposed to each other. The surfaces facing each other are joined by an adhesive 340.

また、図15に示す回折光学素子は、第1の回折光学部310において凸部313が形成されていない面と第2の回折光学部320において凸部323が形成されている面とを対向させ、対向している面同士の周囲を接着剤340により接合したものである。   In the diffractive optical element shown in FIG. 15, the surface where the convex portion 313 is not formed in the first diffractive optical portion 310 and the surface where the convex portion 323 is formed in the second diffractive optical portion 320 are opposed to each other. The periphery of the opposing surfaces is joined by an adhesive 340.

次に、実施例について説明する。例1〜例10に示される回折光学素子の構成についてまとめたものを表2〜表4に示す。尚、本願においては、例1〜例8が実施例1〜8であり、例9、例10が比較例1、2である。例1〜例10では、第1の回折光学部及び第2の回折光学部における透明基板として石英を用いており、入射する光束の波長λを830nmとする。表2では第1の回折光学部によって発生するスポット数n、発生させる次数のうちX方向で最大、最小の次数、Y方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるX方向、Y方向のピッチP、P、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θを示しており、同時にX軸上における回折光の回折角度、Y軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。 Next, examples will be described. Tables 2 to 4 summarize the configurations of the diffractive optical elements shown in Examples 1 to 10. In the present application, Examples 1 to 8 are Examples 1 to 8, and Examples 9 and 10 are Comparative Examples 1 and 2. In Examples 1 to 10, quartz is used as the transparent substrate in the first diffractive optical part and the second diffractive optical part, and the wavelength λ of the incident light beam is 830 nm. In Table 2, the number of spots n 1 generated by the first diffractive optical unit, the maximum and minimum orders in the X direction among the generated orders, the maximum and minimum orders in the Y direction, the X direction and the Y direction in which the basic units are arranged. Pitches P x and P y , the number of steps of the diffraction section, and the height of each step. Further, the diffraction angle θ 1 obtained in such a configuration is shown, and at the same time, the maximum possible value of the diffraction angle of the diffracted light on the X axis and the diffraction angle of the diffracted light on the Y axis is shown. .

Figure 0006069847
表3には、第2の回折光学部によって発生するスポット数n、発生させる次数のうちX方向で最大、最小の次数、Y方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるX方向、Y方向のピッチP、P、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θを示しており、同時にX軸上における回折光の回折角度、Y軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。第2の回折光学部では、所定の入射角で光束が入射した場合に発生する位相差を基準として設計されており、そのときの入射角を設計入射角φとして示している。設計入射角φから計算される1/cosφavgおよびλcosφavgの値を同時に示しており、第2の回折光学部に光束を入射した場合に、分光測定をすると波長λcosφavgにおいて、波長λ、入射角φで入射場合と類似の特性を示す。
Figure 0006069847
Table 3 shows the number of spots n 2 generated by the second diffractive optical unit, the maximum and minimum orders in the X direction among the generated orders, the maximum and minimum orders in the Y direction, and the X direction in which the basic units are arranged. Y-direction pitches P x and P y , the number of steps of the diffractive portion, and the height of each step are shown. Further, the diffraction angle θ 2 obtained in such a configuration is shown, and at the same time, the maximum possible value of the diffraction angle of the diffracted light on the X axis and the diffraction angle of the diffracted light on the Y axis is shown. . The second diffractive optical unit is designed with reference to a phase difference generated when a light beam is incident at a predetermined incident angle, and the incident angle at that time is indicated as a designed incident angle φ. The values of 1 / cosφ avg and λcosφ avg calculated from the design incident angle φ are shown at the same time. When a light beam is incident on the second diffractive optical part, when the spectroscopic measurement is performed, at the wavelength λcosφ avg , the wavelength λ is incident. The characteristic similar to the case of incidence is shown at an angle φ.

Figure 0006069847
表4には、2つの回折部を透過した光束の回折角度θを示しており、同時にX軸上における回折光の回折角度、Y軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。
Figure 0006069847
Table 4 shows the diffraction angle θ of the light beam that has passed through the two diffracting sections, and also shows the maximum value that can be taken by the diffraction angle of the diffracted light on the X axis and the diffraction angle of the diffracted light on the Y axis. Yes.

Figure 0006069847
例1〜例10に示される回折光学素子の特性値についてまとめたものを表5及び表6に示す。表5及び表6には第1の回折光学部に強度1の光束が入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ、標準偏差σを計算によって求めたものを示す。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μで除算した標準偏差σの値をパーセントで表示しており、これを第1の回折光学部による光量ばらつきと呼ぶ。
Figure 0006069847
Tables 5 and 6 summarize the characteristic values of the diffractive optical elements shown in Examples 1 to 10. Tables 5 and 6 show the values obtained by calculating the average value μ 1 and the standard deviation σ 1 of the intensity of diffracted light obtained when a light beam with intensity 1 is incident on the first diffractive optical part. In the calculation, the reflection generated by the interface of the diffraction part is not taken into consideration. Further, the value of the standard deviation σ 1 divided by the average value μ 1 is displayed as a percentage, and this is referred to as a light amount variation due to the first diffractive optical unit.

また、第2の回折光学部に強度1の光束が所定の入射角度で入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ、標準偏差σを計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μで除算した標準偏差σの値をパーセントで表示しており、これを第2の回折光学部120による光量ばらつきと呼ぶ。さらに、回折光学素子の光量ばらつきをσ={(σ/μ+(σ/μ0.5によって求めている。また、各々の入射角度における第2の回折光学部120の0次回折光の光量を示している。 In addition, an average value μ 2 and standard deviation σ 2 of the intensity of diffracted light obtained when a light beam having intensity 1 is incident on the second diffractive optical part at a predetermined incident angle are shown by calculation. In the calculation, the reflection generated by the interface of the diffraction part is not taken into consideration. Further, the value of the standard deviation σ 2 divided by the average value μ 2 is displayed as a percentage, and this is referred to as variation in the amount of light by the second diffractive optical unit 120. Furthermore, the light quantity variation of the diffractive optical element is obtained by σ = {(σ 1 / μ 1 ) 2 + (σ 2 / μ 2 ) 2 } 0.5 . In addition, the light amount of the 0th-order diffracted light of the second diffractive optical unit 120 at each incident angle is shown.

また、回折光学素子によって発生する回折光のうち、設計によって発生させる回折光のスポットを回折光学素子から所定の位置はなれたスクリーン上で計測した場合の計算結果について示している。スクリーンの位置を計測位置として示しており、スクリーン上における座標(X、Y)を用いて長方形の計測範囲を示している。また、回折光学素子の位置から測定した計測範囲の対角方向の角度を計測範囲角度として示している。スポット計測の際に、計測範囲をX方向に9分割し、Y方向に9分割した面積が均一となる計測領域内のスポットを計測している。表4及び表5では、X座標、Y座標が最も小さくなる計測領域をR(1、1)、X座標、Y座標が最も大きくなる計測領域をR(9、9)とした場合に、中心領域R(5、5)のスポット、周辺領域R(1、1)、R(1、9)、R(9、1)、R(9、9)のスポット数の平均値、領域R(1、1)〜R(9、9)におけるスポット数の最大値、最小値を示している。   In addition, the calculation result when the spot of the diffracted light generated by design among the diffracted light generated by the diffractive optical element is measured on a screen at a predetermined position away from the diffractive optical element is shown. The position of the screen is shown as a measurement position, and a rectangular measurement range is shown using coordinates (X, Y) on the screen. Further, the angle in the diagonal direction of the measurement range measured from the position of the diffractive optical element is shown as the measurement range angle. At the time of spot measurement, the measurement range is divided into nine in the X direction, and the spot in the measurement region where the area divided into nine in the Y direction is uniform is measured. In Tables 4 and 5, when the measurement area where the X coordinate and Y coordinate are the smallest is R (1, 1), and the measurement area where the X coordinate and Y coordinate is the largest is R (9, 9), The average value of the number of spots in the region R (5, 5), the peripheral region R (1, 1), R (1, 9), R (9, 1), R (9, 9), the region R (1 1) to the maximum number and minimum value of the number of spots in R (9, 9).

また、表7は、例3〜例5に示される回折光学素子において、第2の回折光学素子に対して光が垂直に入射した場合に、表7に記載の各波長で第2の回折光学部に強度1の光束が所定の入射角度で入射する際に得られる回折光の強度の平均値μ、標準偏差σを計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、各々の波長における第2の回折光学部120の0次回折光の光量を示している。 Table 7 shows the second diffractive optics at each wavelength shown in Table 7 when the light is perpendicularly incident on the second diffractive optical element in the diffractive optical elements shown in Examples 3 to 5. The figure shows that the average value μ 2 and standard deviation σ 2 of the intensity of diffracted light obtained when a light beam with intensity 1 is incident on the part at a predetermined incident angle are calculated. In the calculation, the reflection generated by the interface of the diffraction part is not taken into consideration. In addition, the light amount of the 0th-order diffracted light of the second diffractive optical unit 120 at each wavelength is shown.

Figure 0006069847
Figure 0006069847

Figure 0006069847
Figure 0006069847

Figure 0006069847
(実施例1)
実施例1は、表2〜5における例1に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ≦θを満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図16(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図16(b)に示す。
Figure 0006069847
Example 1
Example 1 is a diffractive optical element shown in Example 1 in Table 2-5, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 is theta 1 ≦ theta An example when 2 is satisfied is shown. A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 16B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図17(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図17(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図18に示す。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 17B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. Diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm among the light transmitted through the first diffractive optical element 110 and the second diffractive optical part 120 of the first embodiment. The light spot distribution is shown in FIG.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲12.5°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角12.5°の光束に対して3.9%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき5.2%とあわせて、回折光学素子全体として最大6.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.538となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 12.5 °, and as shown in Table 5, the second diffractive optical unit 120 3.9 with respect to a light beam having an incident angle of 12.5 °. % Of the light amount variation occurs, and together with the light amount variation of 5.2% by the first diffractive optical unit 110, the light amount variation of the maximum diffractive optical element is 6.5%. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.538.

(実施例2)
実施例2は、表2〜4、6における例2に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ≦θを満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上設計によって発生させる回折光の光スポットの分布を図19(b)に示す。
(Example 2)
Example 2 is a diffractive optical element shown in Example 2 in Table 2~4,6, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 is theta 1 An example in which ≦ θ 2 is satisfied is shown. A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 19B shows the distribution of the light spot of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 20B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light enters the diffractive portion vertically. Of the light transmitted through the first diffractive optical element 110 and the second diffractive optical part 120, the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm. The light spot distribution is shown in FIG.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲17.6°に光束が出射され、表6に示すように、第2の回折光学部120では入射角17.6°の光束に対して7.6%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき5.2%とあわせて、回折光学素子全体として最大9.2%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 17.6 °. As shown in Table 6, the second diffractive optical unit 120 outputs 7.6 light with respect to a light beam having an incident angle of 17.6 °. % Of the light amount variation occurs, and together with the light amount variation of 5.2% by the first diffractive optical unit 110, the light amount variation of the entire diffractive optical element as a whole is 9.2%. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.215.

(実施例3)
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図19、20、21は実施例2と同じとなるが、回折光学部120の1段高さは表2、3となる。
(Example 3)
Since the figure shows the design pattern and the spot position, FIGS. 19, 20, and 21 are the same as those in the second embodiment, but the one-step height of the diffractive optical unit 120 is as shown in Tables 2 and 3.

実施例3は、表2〜4、6、7における例3に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ≦θを満たし、第2の回折光学部120の設計入射角を12.5°とする場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図19(b)に示す。 Example 3 is a diffractive optical element shown in Example 3 in Table 2~4,6,7, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 An example in which θ 1 ≦ θ 2 is satisfied and the design incident angle of the second diffractive optical unit 120 is 12.5 ° is shown. A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 19B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。2つの回折部を透過した光束のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。また、第2の回折光学部120は入射角12.5°で光量ばらつき、0次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長816nmにおいて光量ばらつき、0次回折光が最小となる。尚、β=ΔL(θ)/ΔL(0)=1.03であり、λ/β=803nmであるので、これは波長λ/βから波長λの範囲である。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 20B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light enters the diffractive portion vertically. FIG. 21 shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm among the light beams transmitted through the two diffracting portions. Further, the second diffractive optical unit 120 is designed so that the light intensity varies at an incident angle of 12.5 ° and the 0th-order diffracted light is minimized, and when performing spectroscopy using a vertically incident light beam, the light intensity at a wavelength of 816 nm. Variation and zero-order diffracted light are minimized. Since β 1 = ΔL (θ 1 ) / ΔL (0) = 1.03 and λ / β 1 = 803 nm, this is in the range of wavelength λ / β 1 to wavelength λ.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲17.6°に光束が出射され、表6に示すように、第2の回折光学部120では入射角17.6°の光束に対して3.9%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき5.2%とあわせて、回折光学素子全体として最大6.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 17.6 °, and as shown in Table 6, the second diffractive optical unit 120 3.9 with respect to a light beam having an incident angle of 17.6 °. % Of the light amount variation occurs, and together with the light amount variation of 5.2% by the first diffractive optical unit 110, the light amount variation of the maximum diffractive optical element is 6.5%. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.215.

(実施例4)
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図16、17、18は実施例1と同じとなるが、回折光学部120の1段高さは表2、3となる。
Example 4
Since the figure shows the design pattern and the spot position, FIGS. 16, 17, and 18 are the same as those in the first embodiment, but the one-step height of the diffractive optical unit 120 is as shown in Tables 2 and 3.

実施例4は、表2〜5、7における例4に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ>θであり、第2の回折光学部120が入射角度18.5°で設計されている場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図17(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図17(b)に示す。 Example 4 is a diffractive optical element shown in Example 4 in Table 2~5,7, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 is theta 1 > a theta 2, showing an example of a case where the second diffractive optical portion 120 is designed at an incident angle of 18.5 °. A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 17B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図16(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図16(b)に示す。2つの回折部を透過した光束のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図18に示す。また、第2の回折光学部120は入射角18.5°で光量ばらつき、0次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長800nmにおいて光量ばらつき、0次回折光が最小となる。尚、β=ΔL(θ)/ΔL(0)=1.07であり、λ/β=773nmであるので、これは波長λ/βから波長λの範囲である。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 16B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. FIG. 18 shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm among the light beams transmitted through the two diffractive portions. Further, the second diffractive optical unit 120 is designed so that the amount of light varies at an incident angle of 18.5 ° and the 0th-order diffracted light is minimized, and when performing spectroscopy using a vertically incident light beam, the amount of light is at a wavelength of 800 nm. Variation and zero-order diffracted light are minimized. Since β 1 = ΔL (θ 1 ) / ΔL (0) = 1.07 and λ / β 1 = 773 nm, this is in the range of wavelength λ / β 1 to wavelength λ.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲25.9°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角25.9°の光束に対して6.1%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大6.1%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.538となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 25.9 °. As shown in Table 5, the second diffractive optical unit 120 is 6.1 for a light beam having an incident angle of 25.9 °. % Of light intensity variation occurs, and together with the light intensity variation of 0.4% by the first diffractive optical unit 110, the light intensity variation of the maximum diffractive optical element as a whole is 6.1%. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.538.

(実施例5)
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図19、20、21は実施例2と同じとなるが、回折光学部120の1段高さは表2、3となる。
(Example 5)
Since the figure shows the design pattern and the spot position, FIGS. 19, 20, and 21 are the same as those in the second embodiment.

実施例5は、表2〜4、6、7における例5に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ>θであり、第2の回折光学部120が入射角度27.2°で設計されている場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。 Example 5 is a diffractive optical element shown in Example 5 in Table 2~4,6,7, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 An example is shown in which θ 1 > θ 2 and the second diffractive optical section 120 is designed with an incident angle of 27.2 °. A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 20B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light enters the diffractive portion vertically.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図19(b)に示す。2つの回折部を透過した光束のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。また、第2の回折光学部120は入射角27.2°で光量ばらつき、0次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長765nmにおいて光量ばらつき、0次回折光が最小となる。尚、β=ΔL(θ)/ΔL(0)=1.16であり、λ/β=714nmであるので、これは波長λ/βから波長λの範囲である。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 19B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. FIG. 21 shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm among the light beams transmitted through the two diffracting portions. The second diffractive optical unit 120 is designed so that the amount of light varies at an incident angle of 27.2 ° and the 0th-order diffracted light is minimized. When performing spectroscopy using a vertically incident light beam, the amount of light at a wavelength of 765 nm is used. Variation and zero-order diffracted light are minimized. Since β 1 = ΔL (θ 1 ) / ΔL (0) = 1.16 and λ / β 1 = 714 nm, this is in the range of wavelength λ / β 1 to wavelength λ.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲37.6°に光束が出射され、表6に示すように、第2の回折光学部120では入射角37.6°の光束に対して8.5%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大8.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 37.6 °, and as shown in Table 6, the second diffractive optical unit 120 uses 8.5 for a light beam having an incident angle of 37.6 °. % Of light intensity variation occurs, and together with the light intensity variation of 0.4% by the first diffractive optical unit 110, the light intensity variation of the entire diffractive optical element is 8.5% at maximum. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.215.

(実施例6)
実施例6は、表2〜5における例6に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ≦θを満たし、第1の回折光学部110によって発生するスポット数nと第2の回折光学部120によって発生するスポット数nがn≦nを満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図22(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図22(b)に示す。
(Example 6)
Example 6 is a diffractive optical element shown in Example 6 in Table 2-5, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 is theta 1 ≦ theta 2 is satisfied, and the number n 1 of spots generated by the first diffractive optical unit 110 and the number of spots n 2 generated by the second diffractive optical unit 120 satisfy n 1 ≦ n 2 . A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 22B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図23(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図23(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図24に示す。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 23B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. Diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm among the light transmitted through the first diffractive optical element 110 and the second diffractive optical part 120 of the first embodiment. The light spot distribution is shown in FIG.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲2.6°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角2.6°の光束に対して3.0%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.5%とあわせて、回折光学素子全体として最大3.1%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.768となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 2.6 °. As shown in Table 5, the second diffractive optical unit 120 generates 3.0 light beam with respect to an incident angle of 2.6 °. % Of light intensity variation occurs, and together with the light intensity variation of 0.5% by the first diffractive optical unit 110, the light intensity variation of the maximum diffractive optical element is 3.1%. The ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.768.

(実施例7)
実施例7は、表2〜5における例7に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ≦θを満たし、第1の回折光学部110によって発生するスポット数nと第2の回折光学部120によって発生するスポット数nがn≦nを満たす場合で、第1の回折光学部110と第2の回折光学部120がそれぞれ2段の回折部からなる場合の例を示す。第1の回折光学部110と第2の回折光学部120から出射される投影パターンは0次回折光を中心に点対称なものとなっている。第1の回折光学部110の基本ユニットを図25(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図25(b)に示す。
(Example 7)
Example 7 is a diffractive optical element shown in Example 7 in Table 2-5, the diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 is theta 1 ≦ theta 2 was filled, in the case where the number of spots n 2 generated by the spot number n 1 and a second diffractive optical portion 120 generated by the first diffractive optical portion 110 satisfies n 1n 2, the first diffractive optical portion An example is shown in which 110 and the second diffractive optical part 120 are each composed of two stages of diffractive parts. The projection patterns emitted from the first diffractive optical part 110 and the second diffractive optical part 120 are symmetrical with respect to the 0th-order diffracted light. A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 25B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図26(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって第1の回折光学部を形成した基板の裏面に加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図26(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図27に示す。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed on the back surface of the substrate on which the first diffractive optical part is formed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffraction part stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 26B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. Diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm among the light transmitted through the first diffractive optical element 110 and the second diffractive optical part 120 of the first embodiment. The light spot distribution is shown in FIG.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲2.6°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角2.6°の光束に対して5.8%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.5%とあわせて、回折光学素子全体として最大5.8%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.768となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 2.6 °, and as shown in Table 5, the second diffractive optical unit 120 receives a light beam having an incident angle of 2.6 ° with respect to a light beam of 5.8. %, And a maximum of 5.8% of the light intensity variation of the entire diffractive optical element occurs together with the light quantity variation of 0.5% by the first diffractive optical unit 110. The ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.768.

(実施例8)
実施例8は、表2〜4、6における例8に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部110の回折角度θと第2の回折光学部120の回折角度θがθ≦θを満たし、第1の回折光学部110によって発生するスポット数nと第2の回折光学部120によって発生するスポット数nがn≦nを満たす場合の例を示す。第1の回折光学部110の基本ユニットを図28(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図28(b)に示す。
(Example 8)
Example 8 is a diffractive optical element shown in Example 8 in Table 2~4,6, diffraction angle theta 2 of the diffraction angle theta 1 and the second diffractive optical portion 120 of the first diffractive optical portion 110 is theta 1 An example is shown in which ≦ θ 2 is satisfied, and the number of spots n 1 generated by the first diffractive optical unit 110 and the number of spots n 2 generated by the second diffractive optical unit 120 satisfy n 1 ≦ n 2 . A basic unit of the first diffractive optical section 110 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 28B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図29(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図29(b)に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、2つの第1の回折光学部110及び第2の回折光学部120を透過した光のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図30に示す。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 29B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. Of the light transmitted through the first diffractive optical element 110 and the second diffractive optical part 120, the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm. The light spot distribution is shown in FIG.

第1の回折光学部110によって回折角度範囲3.5°に光束が出射され、表6に示すように、第2の回折光学部120では入射角3.5°の光束に対して2.5%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部110による光量ばらつき0.5%とあわせて、回折光学素子全体として最大2.5%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.581となる。   The first diffractive optical unit 110 emits a light beam in a diffraction angle range of 3.5 °. As shown in Table 6, the second diffractive optical unit 120 generates 2.5 light beams with an incident angle of 3.5 °. % Of the light amount variation occurs, and together with the light amount variation of 0.5% by the first diffractive optical unit 110, the light amount variation of the maximum diffractive optical element is 2.5%. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.581.

(比較例1)
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図16、17、18は実施例2と同じとなるが、回折光学部120の1段高さは表2、3となる。
(Comparative Example 1)
Since the figure shows the design pattern and the spot position, FIGS. 16, 17 and 18 are the same as those in the second embodiment, but the one-step height of the diffractive optical unit 120 is as shown in Tables 2 and 3.

比較例1は、表2〜5における例9に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部の回折角度θと第2の回折光学部の回折角度θがθ>θを満たす場合で場合の例を示す。第1の回折光学部の基本ユニットを図17(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図17(b)に示す。 Comparative Example 1 is the diffractive optical element shown in Example 9 in Tables 2 to 5, where the diffraction angle θ 1 of the first diffractive optical part and the diffraction angle θ 2 of the second diffractive optical part satisfy θ 1 > θ 2 . An example of the case when it satisfies is shown. FIG. 17A shows the basic unit of the first diffractive optical part. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 17B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion.

第2の回折光学部120の基本ユニットを図16(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図16(b)に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、554.3mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図18に示す。 A basic unit of the second diffractive optical section 120 is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 16B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. FIG. 18 shows a light spot distribution of diffracted light generated by the design on the screen at a position of 554.3 mm among the light transmitted through the diffractive optical element of this comparative example.

第1の回折光学部によって回折角度範囲25.9°に光束が出射され、表5に示すように、第2の回折光学部120では入射角25.9°の光束に対して8.3%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大8.3%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.538となる。   The first diffractive optical unit emits a light beam in a diffraction angle range of 25.9 °. As shown in Table 5, the second diffractive optical unit 120 is 8.3% with respect to the light beam having an incident angle of 25.9 °. In other words, the maximum diffractive optical element has a light amount variation of 8.3% in combination with the light amount variation of 0.4% by the first diffractive optical unit. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.538.

(比較例2)
図は設計上のパターンとスポット位置を表しているので図19、20、21は実施例2と同じとなるが、回折光学部120の1段高さは表2、3となる。
(Comparative Example 2)
Since the figure shows the design pattern and the spot position, FIGS. 19, 20, and 21 are the same as those in the second embodiment, but the one-step height of the diffractive optical unit 120 is as shown in Tables 2 and 3.

比較例2は、表2〜4、6における例10に示す回折光学素子であり、第1の回折光学部の回折角度θと第2の回折光学部の回折角度θがθ>θを満たす場合の例を示す。第1の回折光学部の基本ユニットを図20(a)に示す。このような基本ユニットを表2に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図20(b)に示す。 Comparative Example 2 is the diffractive optical element shown in Example 10 in Tables 2 to 4 and 6, and the diffraction angle θ 1 of the first diffractive optical part and the diffraction angle θ 2 of the second diffractive optical part are θ 1 > θ. An example when 2 is satisfied is shown. The basic unit of the first diffractive optical part is shown in FIG. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffractive part steps, and the height of one step shown in Table 2 are obtained. FIG. 20B shows the light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light enters the diffractive portion vertically.

第2の回折光学部の基本ユニットを図19(a)に示す。このような基本ユニットを表3に示すピッチP、P、回折部段数、1段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図19(b)に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、342.8mmの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図21に示す。 FIG. 19A shows the basic unit of the second diffractive optical part. Such a basic unit is processed by photolithography and etching so that the pitches P x , P y , the number of diffracting section stages, and the height of one stage shown in Table 3 are obtained. FIG. 19B shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm when the light is vertically incident on such a diffractive portion. FIG. 21 shows a light spot distribution of the diffracted light generated by the design on the screen at a position of 342.8 mm among the light transmitted through the diffractive optical element of this comparative example.

第1の回折光学部によって回折角度範囲37.6°に光束が出射され、表6に示すように、第2の回折光学部120では入射角37.6°の光束に対して14.9%の光量ばらつきが生じ、第1の回折光学部による光量ばらつき0.4%とあわせて、回折光学素子全体として最大14.9%の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると0.215となる。   The first diffractive optical part emits a light beam in a diffraction angle range of 37.6 °. As shown in Table 6, the second diffractive optical part 120 is 14.9% of the light beam having an incident angle of 37.6 °. The light intensity variation of 14.9% at the maximum occurs in the entire diffractive optical element, together with the light intensity variation of 0.4% by the first diffractive optical unit. Further, the ratio of the number of spots in the peripheral area and the central area on the screen is 0.215.

(実施例9)
実施例1〜8の回折光学素子を計測装置に用いる。このようにすることで光量ばらつきが小さくでき、高い精度で計測が可能になる。また、第2の回折光学部120によって発生する0次回折光の光量を抑制でき、強い回折光による画像の劣化を抑制できる。
Example 9
The diffractive optical elements of Examples 1 to 8 are used for the measuring device. By doing so, the variation in the amount of light can be reduced, and measurement can be performed with high accuracy. In addition, the amount of zero-order diffracted light generated by the second diffractive optical unit 120 can be suppressed, and image degradation due to strong diffracted light can be suppressed.

以上より、実施例1〜5における回折光学素子のσの値は、比較例1及び2における回折光学素子のσの値よりも全体として小さくできる。特に、第2の回折光学部に入射する光の入射角度が大きな場合において小さくでき、均一な光量の回折光の光スポットを得ることができる。   As described above, the value of σ of the diffractive optical elements in Examples 1 to 5 can be made smaller as a whole than the value of σ of the diffractive optical elements in Comparative Examples 1 and 2. In particular, when the incident angle of the light incident on the second diffractive optical part is large, it can be reduced, and a light spot of diffracted light with a uniform light amount can be obtained.

尚、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。   In addition, although the form which concerns on implementation of this invention was demonstrated, the said content does not limit the content of invention.

10 計測装置
11 光束(入射光)
12 回折光(出射光)
20 光源
30 回折光学素子
40a 測定対象物
40b 測定対象物
50 撮像素子
101 光軸
110 第1の回折光学部
111 回折光群(第1の回折光学部による)
120 第2の回折光学部
121a、121b、121c 回折光群(第1の回折光学部及び第2の回折光学部による)
230 回折光学素子(第1の回折光学部、第2の回折光学部となる)
231 基本ユニット
232 透明基板
233 凸部
10 Measuring device 11 Luminous flux (incident light)
12 Diffracted light (emitted light)
20 Light source 30 Diffractive optical element 40a Measurement object 40b Measurement object 50 Imaging element 101 Optical axis 110 First diffractive optical part 111 Diffracted light group (by first diffractive optical part)
120 Second diffractive optical part 121a, 121b, 121c Diffracted light group (by first diffractive optical part and second diffractive optical part)
230 Diffractive optical element (becomes first diffractive optical part and second diffractive optical part)
231 Basic unit 232 Transparent substrate 233 Convex part

Claims (10)

入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、
を有し、
前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させて光スポットを分布させることにより所望の投影パターンを形成するものであって、
前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、
前記第1の回折光学部における回折角度がθであり、前記第2の回折光学部における回折角度がθである場合、
θ≦30°、
θ−θ≧13.4°、
であることを特徴とする回折光学素子。
A first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
A second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
Have
Diffracted light generated when light is incident on the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is generated from the second diffractive optical part to distribute light spots. a shall form a desired projection pattern by,
In either one or both of the first diffractive optical part and the second diffractive optical part, basic units are two-dimensionally and periodically arranged,
When the diffraction angle in the first diffractive optical part is θ 1 and the diffraction angle in the second diffractive optical part is θ 2 ,
θ 1 ≦ 30 °,
θ 2 −θ 1 ≧ 13.4 °,
A diffractive optical element characterized by the above.
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、
を有し、
前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、
前記第1の回折光学部における回折部の段数と、前記第2の回折光学部における回折部の段数とが等しく、
前記第1の回折光学部における回折部の高さがhであり、前記第2の回折光学部における回折部の高さがhである場合、
>h
であることを特徴とする回折光学素子。
A first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
A second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
Have
Diffracted light generated by entering light into the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is generated from the second diffractive optical part,
In the first diffractive optical part and the second diffractive optical part , basic units are two-dimensionally and periodically arranged,
The number of diffractive parts in the first diffractive optical part is equal to the number of diffractive parts in the second diffractive optical part,
If the height of the diffraction portion in the first diffractive optical portion is h 1, the height of the diffraction portion in the second diffractive optical portion is h 2,
h 1 > h 2
A diffractive optical element characterized by the above.
前記第1の回折光学部で発生した回折光が前記第2の回折光学部に入射し、前記第2の回折光学部の法線方向に対する、前記第2の回折光学部の凹凸をなす2種類の媒質中における角度の平均をαとした場合、
≒hcosα
である請求項2に記載の回折光学素子。
Two types of diffracted light generated by the first diffractive optical part are incident on the second diffractive optical part, and form irregularities of the second diffractive optical part with respect to the normal direction of the second diffractive optical part. When the average angle in the medium is α 0 ,
h 2 ≈h 1 cos α 0
The diffractive optical element according to claim 2.
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、
を有し、
前記第1の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、
前記第1の回折光学部における回折部の段数がm段であり、前記第2の回折光学部における回折部の段数がm段であり、
≠mであり、
前記第1の回折光学部における回折部の高さがhであり、前記第2の回折光学部における回折部の高さがhである場合、
×m/(m−1)>h×m/(m−1)
であることを特徴とする回折光学素子。
A first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
A second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
Have
Diffracted light generated by entering light into the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and diffracted light is generated from the second diffractive optical part,
In the first diffractive optical part and the second diffractive optical part , basic units are two-dimensionally and periodically arranged,
The number of the diffractive portion of the first diffractive optical part is the m 1 stage, the number of stages of the diffraction portion in the second diffractive optical part is m 2-stage,
m 1 ≠ m 2 and
If the height of the diffraction portion in the first diffractive optical portion is h 1, the height of the diffraction portion in the second diffractive optical portion is h 2,
h 1 × m 1 / (m 1 -1)> h 2 × m 2 / (m 2 -1)
A diffractive optical element characterized by the above.
前記第1の回折光学部で発生された回折光が前記第2の回折光学部に入射し、前記第2の回折光学部の法線方向に対する、前記第2の回折光学部の凹凸をなす2種類の媒質中における角度の平均をαとした場合、
×m/(m−1)≒{h×m/(m−1)}×cosα
である請求項4に記載の回折光学素子。
The diffracted light generated by the first diffractive optical part is incident on the second diffractive optical part, and the concave and convex parts of the second diffractive optical part with respect to the normal direction of the second diffractive optical part are formed 2 When the average angle in a kind of medium is α 0 ,
h 2 × m 2 / (m 2 −1) ≈ {h 1 × m 1 / (m 1 −1)} × cos α 0
The diffractive optical element according to claim 4.
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第1の回折光学部と、
入射する光に対して2次元的な回折光を発生させる第2の回折光学部と、
を有し、
前記第1の回折光学部に波長λの光を入射することにより発生した回折光を前記第2の回折光学部に入射させ、前記第2の回折光学部より回折光を発生させて光スポットを分布させることにより所望の投影パターンを形成するものであって、
前記第1の回折光学部及び前記第2の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、基本ユニットが2次元的に、かつ、周期的に配列されており、
前記第1の回折光学部における回折角度がθであり、
前記第2の回折光学部に光が垂直に入射する場合に、波長λ/β以上、波長λ未満の波長の光に対して第2の回折光学部で発生する回折光の強度の標準偏差、または、0次回折光の強度が極小値をとることを特徴とする回折光学素子。
ここで、β=ΔL(θ)/ΔL(0)、
ΔL(θ)=h(Ncosθ11−Ncosθ12)、
ΔL(0)=h(N−N)、
:第2の回折光学部の高さ、
、N:第2の回折光学部の凹凸を形成する媒質の屈折率、
θ11、θ12:角度θで第2の回折光学部に入射する光の第2の回折光学部の凹凸中における角度。
A first diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
A second diffractive optical unit that generates two-dimensional diffracted light with respect to incident light;
Have
Diffracted light generated by entering light of wavelength λ into the first diffractive optical unit is incident on the second diffractive optical unit, and diffracted light is generated from the second diffractive optical unit to generate a light spot. a shall form a desired projection pattern by distributing,
In either one or both of the first diffractive optical part and the second diffractive optical part, basic units are two-dimensionally and periodically arranged,
The diffraction angle in the first diffractive optical part is θ 1 ,
A standard deviation of the intensity of the diffracted light generated in the second diffractive optical unit with respect to light having a wavelength of λ / β 1 or more and less than the wavelength λ when light enters the second diffractive optical unit vertically. Or a diffractive optical element characterized in that the intensity of the 0th-order diffracted light has a minimum value.
Here, β 1 = ΔL (θ 1 ) / ΔL (0),
ΔL (θ 1 ) = h 2 (N 2 cos θ 11 −N 3 cos θ 12 ),
ΔL (0) = h 2 (N 2 −N 3 ),
h 2 : height of the second diffractive optical part,
N 2 , N 3 : refractive index of the medium that forms the irregularities of the second diffractive optical part,
θ 11 , θ 12 : angles in the concave and convex portions of the second diffractive optical part of light incident on the second diffractive optical part at an angle θ 1 .
前記第1の回折光学部は一方の透明基板に有し、前記第2の回折光学部は他方の透明基板に有する請求項1から6のいずれかに記載の回折光学素子。   The diffractive optical element according to claim 1, wherein the first diffractive optical part is provided on one transparent substrate, and the second diffractive optical part is provided on the other transparent substrate. 前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは一体化している請求項7に記載の回折光学素子。   The diffractive optical element according to claim 7, wherein the one transparent substrate and the other transparent substrate are integrated. 前記第1の回折光学部は透明基板の一方の面に有し、前記第2の回折光学部は前記透明基板の他方の面に有する請求項1から6のいずれかに回折光学素子。   The diffractive optical element according to claim 1, wherein the first diffractive optical part is provided on one surface of the transparent substrate, and the second diffractive optical part is provided on the other surface of the transparent substrate. 光を発する光源と、
前記光を入射させ回折光が出射される請求項1から9のいずれかに記載の回折光学素子と、
前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
を有することを特徴とする計測装置。
A light source that emits light;
The diffractive optical element according to claim 1, wherein the light is incident and diffracted light is emitted;
An imaging unit that captures an image of the measurement object irradiated with the diffracted light;
A measuring apparatus comprising:
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