JP6836117B2 - 回折光学素子、光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子、光照射装置に関するものである。

ネットワークの普及によるセキュリティリスク回避のための個人認証へのニーズや、自動車の自動運転化の流れ、又は、いわゆる「モノのインターネット」の普及等、近年、センサーシステムを必要とする局面が増大している。センサーには色々な種類があり、検出する情報も様々であるが、その中の１つの手段として、光源から対象物に対して光を照射し、反射してきた光から情報を得るというものがある。例えば、パターン認証センサーや赤外線レーダー等はその一例である。

これらのセンサーの光源は、用途に応じた波長分布や明るさ、広がりをもったものが使用される。光の波長は、可視光〜赤外線がよく用いられ、特に赤外線は外光の影響を受けにくく、不可視であり、対象物のやや内部を観察することも可能という特徴があるため、広く用いられている。また、光源の種類としては、ＬＥＤ光源やレーザー光源等が多く用いられる。例えば、遠いところを検知するには光の広がりが少ないレーザー光源が好適に用いられ、比較的近いところを検知する場合や、ある程度の広がりを持った領域を照射するにはＬＥＤ光源が好適に用いられる。

ところで、対象とする照射領域の大きさや形状は、必ずしも光源からの光の広がり（プロファイル）と一致しているとは限らず、その場合には拡散板やレンズ、遮蔽板等により光を整形する必要がある。最近では、Ｌｉｇｈｔ Ｓｈａｐｉｎｇ Ｄｉｆｆｕｓｅｒ（ＬＳＤ）という、光の形状をある程度整形できる拡散板が開発されている。
また、光を整形する別の手段として、回折光学素子（Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ：ＤＯＥ）が挙げられる。これは異なる屈折率を持った材料が周期性を持って配列している場所を光が通過する際の回折現象を応用したものである。ＤＯＥは、基本的に単一波長の光に対して設計されるものであるが、理論的には、ほぼ任意の形状に光を整形することが可能である。また、前述のＬＳＤにおいては、照射領域内の光強度がガウシアン分布となるのに対し、ＤＯＥでは、照射領域内の光分布の均一性を制御することが可能である。ＤＯＥのこのような特性は、不要な領域への照射を抑えることによる高効率化や、光源数の削減等による装置の小型化等の点で有利となる（例えば、特許文献１参照）。
また、ＤＯＥは、レーザーの様な平行光源や、ＬＥＤの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。

ＤＯＥは、ｎｍオーダーでの微細加工が必要となり、特に長波長の光を回折するためには、高アスペクト比の微細形状を形成する必要があった。そのため、ＤＯＥの製造には、従来、電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が用いられている。例えば、紫外線〜近赤外線領域で透明である石英板に、ハードマスクやレジストを成膜後、電子線を用いてレジストに所定の形状を描画し、レジスト現像、ハードマスクのドライエッチング、石英のドライエッチングを順次行って、石英板表面にパターンを形成した後、ハードマスクを除去することで所望のＤＯＥを得ることができる。

特開２０１５−１７０３２０号公報

ＤＯＥは、光を効率よく整形することが可能であるが、ＤＯＥと空気界面（又は、ＤＯＥと屈折率が異なる材料との界面）において、屈折率が急激に変化することによる界面反射が起こってしまう。この界面反射は、光の利用効率を低下させてしまう。
界面反射を回避するためには、例えば、誘電体多層膜のような反射防止膜を形成するという手法が考えられるが、一般的にコストアップにつながる場合が多かった。また、反射防止膜をＤＯＥの微細形状に沿って均一に形成することが困難な場合が多かった。

また、ＤＯＥは、一般的にある決まった方向からの入射光に対して所望の整形を光に行うことができるように設計される。レーザー光源を用いる場合は、ＤＯＥ面（ＤＯＥの周期構造が存在する面、又は、その裏面）に対して通常、垂直入射されることが多い。また、ＬＥＤ等の拡散光源を用いる場合は、光源の拡散プロファイルを元にして、ＤＯＥ平面（回折格子の周期構造を含む面）に対して斜めに光が入ることを考慮した設計がＤＯＥに対して行われる。
しかし、ＤＯＥを実際に使用する場合には、設計に用いた拡散プロファイル通りの角度で光が入射するとは限らず、装置の組み付け精度や光源の性能ぶれ等の影響で入射角が変化することがある。従来のＤＯＥでは、入射角が設計時の角度からずれると、回折光（出射光）の特性（例えば、配光特性）が大きく変化する傾向にあった。そのため、ＤＯＥ及びＤＯＥを備えた光照射装置の設計マージンが狭くなる傾向にあり、実用化が困難であったり、装置の高額化が懸念されたりしていた。

本発明の課題は、光の利用効率が高く、また、光の入射角がずれた場合であっても、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができる回折光学素子、光照射装置を提供することである。

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

第１の発明は、光を整形する回折光学素子であって、断面形状において複数の凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ等の形状）が並んで配置されている高屈折率部（１１，２１，３１）と、前記高屈折率部（１１，２１，３１）よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ等の形状）の間に形成されている凹部（１２）を含む低屈折率部（１４）と、を有する回折層（１５，２５，３５）を備え、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ）の側面形状は、前記回折層（１５，２５，３５）を含む平面に対して傾いた傾斜部（１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，３１ｂ）を少なくとも一部に備える回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第２の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１０，２０，３０）において、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ）の側面形状は、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ）の先端部（１１ｅ，２１ｅ，３１ｅ）から根元部（１１ｆ，２１ｆ，３１ｆ）に向かって前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ）の幅が広がる向きに傾斜した第１の傾斜部（１１ｂ，２１ｂ，３１ｂ）を備えること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第３の発明は、第２の発明に記載の回折光学素子（３０）において、前記第１の傾斜部（３１ｂ）から前記根元部（３１ｆ）に向かって前記回折層（３５）に垂直な向きに延在する垂直部（３１ｈ）を備えること、を特徴とする回折光学素子（３０）である。

第４の発明は、第２の発明に記載の回折光学素子（１０，２０）において、前記第１の傾斜部（１１ｂ，２１ｂ）から前記根元部（１１ｆ，２１ｆ）に向かって前記凸部（１１ａ，２１ａ）の幅が狭くなる向きに傾斜した第２の傾斜部（１１ｃ，２１ｃ）と、前記第２の傾斜部（１１ｃ，２１ｃ）からさらに前記根元部（１１ｆ，２１ｆ）に向かって前記凸部（１１ａ，２１ａ）の幅が広がる向きに傾斜した第３の傾斜部（１１ｄ，２１ｄ）と、を備えること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０）である。

第５の発明は、第４の発明に記載の回折光学素子（１０，２０）において、前記第２の傾斜部（１１ｃ，２１ｃ）と前記第３の傾斜部（１１ｄ，２１ｄ）とが繋がるくびれ部分の幅は、前記凸部（１１ａ，２１ａ）の先端部（１１ｅ，２１ｅ）の幅よりも広いこと、を特徴とする回折光学素子（１０，２０）である。

第６の発明は、第１の発明から第５の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（２０）において、前記凸部（２１ａ）の先端部（２１ｅ）は、複数の頂点（２１ｇ）を有すること、を特徴とする回折光学素子（２０）である。

第７の発明は、第１の発明から第６の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）において、前記凹部（１２）の底部分（１２ａ）は、前記凸部（１１ａ）の突出する方向に突出していること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第８の発明は、第１の発明から第７の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０，２０，３０）において、前記高屈折率部（１１，２１，３１）は、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第９の発明は、第１の発明から第８の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０，２０，３０）において、前記低屈折率部（１４）は、空気であること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第１０の発明は、第１の発明から第９の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０，２０，３０）において、透明基材（４１）と、前記回折層（１５，２５，３５）と、前記回折層（１５，２５，３５）を被覆する被覆層（４２，４３）とが、この順番で積層されていること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第１１の発明は、第１の発明から第１０の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０）において、前記回折層（１５，２５，３５）は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折すること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第１２の発明は、第１１の発明に記載の回折光学素子（１０，２０，３０）において、前記凸部（１１ａ，２１ａ，３１ａ）の高さは６５０ｎｍ以上であること、を特徴とする回折光学素子（１０，２０，３０）である。

第１３の発明は、光源（Ｌ）と、前記光源（Ｌ）が発光する光が通過する位置に少なくとも１つ配置された、請求項１から請求項１２までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０，２０，３０）と、を備える光照射装置である。

第１４の発明は、第１３の発明に記載の光照射装置において、前記光源（Ｌ）は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を発光できること、を特徴とする光照射装置である。

本発明によれば、光の利用効率が高く、また、光の入射角がずれた場合であっても、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができる回折光学素子、光照射装置を提供することができる。

本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。 図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。 図２中の矢印Ｅ−Ｅ’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。 凸部１１ａを拡大して示した図である。 第２実施形態の回折光学素子２０を図３と同様な断面で示した図である。 凸部２１ａを拡大して示した図である。 第３実施形態の回折光学素子３０を図３と同様な断面で示した図である。 凸部３１ａを拡大して示した図である。 比較例の回折光学素子を図３等と同様に示した断面図である。 評価の状況を示す図である。 本発明の回折光学素子が比較例の回折光学素子よりも反射光が少なくなる理由を説明する図である。 入射角度の変化と回折光との関係を単純化して模式的に示した図である。 回折光学素子を説明する図である。 回折光学素子の変形形態として、透明基材を設けている例、及び、被覆層を設けている例を示す図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

（第１実施形態）
図１は、本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。
図２は、図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図３は、図２中の矢印Ｅ−Ｅ’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。
なお、図１を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。

なお、本発明において用いる、形状や幾何学的条件、及び、それらの程度を特定する用語、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。また、この明細書における「平面視」とは、回折光学素子の板面に対し垂直方向であって、微細形状が形成されている側から視認することを意味する。すなわち、回折光学素子の回折層を有する面に対して垂直方向から視認することに相当する（図２中のＺ軸のプラス側から視認した状態であって、図１のような平面図が視認されることになる）。

また、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状（照射領域）が任意の形状となるようにすることをいう。例えば、図１３の例に示されるように、平面形状のスクリーン２００に直接投影した場合に照射領域２０２が円形となる光２０１（図１３（ｂ））を用意する。この光２０１を、本発明の回折光学素子１０を透過させることにより、照射領域２０４が正方形（図１３（ａ））や、長方形、円形（図示せず）等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。

第１実施形態の回折光学素子１０は、光を整形する回折光学素子（ＤＯＥ）である。回折光学素子１０は、波長が９８０ｎｍの赤外レーザーに対して十文字形状、具体的には±５０度に、幅が±３．３度で広がる光の帯が２本公差した形状に光を広げるように設計されている。回折光学素子１０は、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域（部分周期構造：例えば、図１のＡ〜Ｄ領域）を有している。図２では、部分周期構造の一例を抽出して示している。
回折光学素子１０は、図３に示すように、断面形状において複数の凸部１１ａが並んで配置されている高屈折率部１１を備えている。この高屈折率部１１は、同じ断面形状を維持したまま、断面の奥行き方向に延在している。

高屈折率部１１は、例えば、クオーツ（ＳｉＯ_２、合成石英）をドライエッチング処理により形状を加工して作られたものであってもよいし、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであってもよい。このような周期構造の製造方法は、様々な手法が公知であり、それら公知の手法によって、適宜作成することができる。そして、以下に説明する本願に特徴的な傾斜部等の形状は、主にドライエッチング処理の各種条件を調整することによって実現されるものである。

また、凸部１１ａの間に形成されている凹部１２及び凸部１１ａの頂部付近の空間１３を含む図３の上方の部分は、空気が存在しており、高屈折率部１１よりも屈折率が低い低屈折率部１４となっている。これら高屈折率部１１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層１５が構成されている。

図４は、凸部１１ａを拡大して示した図である。
凸部１１ａの側面形状は、回折層１５を含む平面Ｐに対して傾いた傾斜部を複数備えている。具体的には、凸部１１ａには、第１の傾斜部１１ｂと、第２の傾斜部１１ｃと、第３の傾斜部１１ｄとが設けられている。

第１の傾斜部１１ｂは、凸部１１ａの先端部１１ｅから根元部１１ｆに向かって凸部１１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。この第１の傾斜部１１ｂの斜面を含めて、斜面とは、曲面により構成されているものを主に示し、これを説明する。しかし、これらの斜面は、平面により構成されている部分を含んでいてもよい。

第２の傾斜部１１ｃは、第１の傾斜部１１ｂから根元部１１ｆに向かって凸部１１ａの幅が狭くなる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

第３の傾斜部１１ｄは、第２の傾斜部１１ｃからさらに根元部１１ｆに向かって凸部１１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

また、凹部１２の底部分１２ａは、凸部１１ａの突出する方向に突出して構成されている。なお、根元部１１ｆは、曲面に構成されて、凹部１２の底部分１２ａに繋がっている。

例えば、９８０ｎｍのレーザー光に対し、材質を石英とし、長辺±５０°×短辺±３．３°に広がる矩形の拡散形状を２−ｌｅｖｅｌで設計する場合には、回折格子の最適深さは１０８７ｎｍ、最も細かい形状のパターン幅は２５０ｎｍとなり、最大アスペクト比は４を越える。
これらの設計は、例えば厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）アルゴリズムを用いたＧｒａｔｉｎｇＭＯＤ（Ｒｓｏｆｔ社製）や、反復フーリエ変換アルゴリズム（ＩＦＴＡ）を用いたＶｉｒｔｕａｌｌａｂ（ＬｉｇｈｔＴｒａｎｓ社製）などの各種シミュレーションツールを用いて行うことができる。
また、凸部１１ａの高さは、６５０ｎｍ以上であることが望ましい。これは、波長７８０ｎｍ、屈折率１．６で計算した場合、２−ｌｅｖｅｌでは６５０ｎｍ、４−ｌｅｖｅｌでは９７５ｎｍ、８−ｌｅｖｅｌでは１１３７ｎｍの凸部１１ａの高さが必要になるからである。

上述した様に、先端部１１ｅから、第１の傾斜部１１ｂと、第２の傾斜部１１ｃと、第３の傾斜部１１ｄとが繋がって設けられていることにより、凸部１１ａは、その幅が、先端部１１ｅから根元部１１ｆに向かって広がっていき、次に狭まっていき、第２の傾斜部１１ｃと第３の傾斜部１１ｄとの境界部分で幅が最も狭くなって、くびれ部分が形成され、第３の傾斜部１１ｄで幅が広がって根元部１１ｆに達する。したがって、凸部１１ａは、全体としてみれば、略矩形形状に突出した部位であるが、その断面形状を詳細にみると、向きが異なる複数の斜面を組み合わせて構成されている。

第１実施形態の回折光学素子１０の作用及び効果については、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（第２実施形態）
図５は、第２実施形態の回折光学素子２０を図３と同様な断面で示した図である。
第２実施形態の回折光学素子２０は、凸部２１ａの形状が第１実施形態の回折光学素子１０と異なる他は、第１実施形態と同様な形態をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
回折光学素子２０は、凸部２１ａを有する高屈折率部２１と、凹部１２及び空間１３を含む低屈折率部１４とを備え、高屈折率部２１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層２５が構成されている。

凸部２１ａは、形状が異なる他は、第１実施形態の凸部１１ａと同様である。以下、凸部２１ａの形状について説明する。
図６は、凸部２１ａを拡大して示した図である。
凸部２１ａの側面形状は、回折層２５を含む平面Ｐに対して傾いた傾斜部を複数備えている。具体的には、凸部２１ａには、第１の傾斜部２１ｂと、第２の傾斜部２１ｃと、第３の傾斜部２１ｄとが設けられている。

第１の傾斜部２１ｂは、凸部２１ａの先端部２１ｅから根元部２１ｆに向かって凸部２１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。ただし、第２実施形態の第１の傾斜部２１ｂは、第１実施形態の第１の傾斜部１１ｂよりも曲率が大きくなっている。

第２の傾斜部２１ｃは、第１の傾斜部２１ｂから根元部２１ｆに向かって凸部２１ａの幅が狭くなる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

第３の傾斜部２１ｄは、第２の傾斜部２１ｃからさらに根元部２１ｆに向かって凸部２１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。なお、根元部２１ｆは、曲面に構成されて、凹部１２の底部分１２ａに繋がっている。

第２実施形態の凸部２１ａの先端部２１ｅは、２つの頂点２１ｇを有している。よって、先端部２１ｅの中央部は、２つの頂点２１ｇの間になって窪んだ形状となっている。

上述したように、先端部２１ｅから、第１の傾斜部２１ｂと、第２の傾斜部２１ｃと、第３の傾斜部２１ｄとが繋がって設けられていることにより、凸部２１ａは、その幅が、先端部２１ｅから根元部２１ｆに向かって広がっていき、次に狭まっていき、第２の傾斜部２１ｃと第３の傾斜部２１ｄとの境界部分で幅が最も狭くなって、くびれ部分が形成され、第３の傾斜部２１ｄで幅が広がって根元部２１ｆに達する。したがって、凸部２１ａは、全体としてみれば、略矩形形状に突出した部位であるが、その断面形状を詳細にみると、向きが異なる複数の斜面を組み合わせて構成されている。
さらに、第２実施形態の凸部２１ａの先端部２１ｅは、２つの頂点２１ｇを有し、先端部２１ｅの中央部は、窪んだ形状となっている。

なお、第２実施形態の回折光学素子２０の形状は、第１実施形態の回折光学素子１０の逆版形状となっている。よって、第２実施形態の回折光学素子２０の作製は、第１実施形態の回折光学素子１０を作製した後、この回折光学素子１０から型取りを行って逆版１を作製する。そして、この逆版１をさらに型取りして逆版２を作製し、この逆版２を用いて、電離放射線硬化型樹脂による賦型を行って、回折光学素子２０が得られる。

第２実施形態の回折光学素子２０の作用及び効果についても、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（第３実施形態）
図７は、第３実施形態の回折光学素子３０を図３と同様な断面で示した図である。
第３実施形態の回折光学素子３０は、凸部３１ａの形状が第１実施形態の回折光学素子１０と異なる他は、第１実施形態と同様な形態をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。
回折光学素子３０は、凸部３１ａを有する高屈折率部３１と、凹部１２及び空間１３を含む低屈折率部１４とを備え、高屈折率部３１及び低屈折率部１４が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層３５が構成されている。

凸部３１ａは、形状が異なる他は、第１実施形態の凸部１１ａと同様である。以下、凸部３１ａの形状について説明する。
図８は、凸部３１ａを拡大して示した図である。
凸部２１ａの側面形状は、第１の傾斜部３１ｂと、垂直部３１ｈとを有している。

第１の傾斜部３１ｂは、凸部３１ａの先端部３１ｅから根元部３１ｆに向かって凸部３１ａの幅が広がる向きに傾斜した曲面により構成された斜面である。

垂直部３１ｈは、第１の傾斜部３１ｂから根元部３１ｆに向かって回折層３５を含む平面Ｐに対して垂直な向きに延在する平面である。垂直部３１ｈは、そのまま根元部３１ｆまで延在している。なお、根元部３１ｆは、曲面に構成されて、凹部１２の底部分１２ａに繋がっている。

第３実施形態の回折光学素子３０の作用及び効果についても、他の実施形態及び比較例と比べた評価結果を参照しながら後述する。

（各実施形態の作用及び効果）
次に、上記各実施形態の作用と効果について、比較例と比較しながら説明する。
各実施形態の回折光学素子の作用及び硬化を確認するために、本発明の構成を適用していない比較例を用意した。
図９は、比較例の回折光学素子を図３等と同様に示した断面図である。
比較例の回折光学素子５０は、各実施形態の回折光学素子が備えている傾斜部を備えず、略完全な矩形形状として構成されている。なお、比較例の回折光学素子５０は、各実施形態の回折光学素子と同じく、波長が９８０ｎｍの赤外レーザーに対して具体的には±５０度に、幅が±３．３度で広がる光の帯が２本公差した十文字形状に光を広げるように設計されている。

図１０は、評価の状況を示す図である。
第１実施形態の回折光学素子１０から第３実施形態の回折光学素子３０と、比較例の回折光学素子５０の、合計４種類の回折光学素子に対して、図１０に示すような状況で回折光の形状と反射光の確認を行った。
スクリーンＳとしては、市販のコピー用紙を用いた。
赤外線カメラＣＡＭ１，ＣＡＭ２は、９８０ｎｍの波長を検出できるＲａｄｉａｎｔ Ｚｅｍａｘ社のＰｒｏｍｅｔｒｉｃを用いた。赤外線カメラＣＡＭ１，ＣＡＭ２には、ノイズを防ぐため可視光カットフィルターを取り付けて測定した。
光源Ｌは、波長９８０ｎｍの赤外レーザーをＤＯＥ（回折光学素子１０から第３実施形態の回折光学素子３０、及び比較例の回折光学素子５０）に対し１度傾けて照射するように設定した。なお、この光源Ｌと、光源Ｌが発光する光が通過する位置に上記回折光学素子１０〜３０のいずれかが配置されることにより、光照射装置が構成されている。
この条件で、回折光学素子（ＤＯＥ）の表面で反射する光、及び、スクリーンＳに投影される光を、それぞれ赤外線カメラＣＡＭ１，ＣＡＭ２で観察し、比較を行った。
また、赤外レーザーの入射角度を１±１度で変動させたときのスクリーン投影形状の変動についても確認した。その結果を表１に示す。

表１の結果を見ると、１度入射による投影形状については、第１実施形態から第３実施形態のように傾斜部を設けたものでも、比較例と同等の結果が得られていることがわかる。
次に、表１の１度入射によるＤＯＥ反射光の弱さについては、第１実施形態から第３実施形態の方が、比較例よりも良好な結果、すなわち、反射光が弱いという結果が得られている。この結果について説明する。
図１１は、本発明の回折光学素子が比較例の回折光学素子よりも反射光が少なくなる理由を説明する図である。
図１１では、断面形状の位置に合せて、見かけの屈折率の変化をグラフとして併記している。図１１（ａ）は、比較例の回折光学素子５０の場合であり、図１１（ｂ）は、第１実施形態の回折光学素子１０の場合を示している。

比較例の回折光学素子５０では、形状の変化が急激になるので、見かけ上の屈折率も急激に変化しているのに対して、第１実施形態の回折光学素子１０では、傾斜部が設けられていることから、形状の変化が急激ではなく、したがって、見かけ上の屈折率の変化も緩やかな変化となっている。屈折率が変化している界面で反射が発生するので、第１実施形態の回折光学素子１０では、見かけ上の屈折率の変化が緩やかになっていることにより、界面の反射が抑制されているのである。なお、この現象は、第２実施形態の回折光学素子２０及び第３実施形態の回折光学素子３０においても同様である。ただし、表１の結果を見て分かるように、反射光の抑制効果は、第１実施形態の回折光学素子１０が最も高い。これは、第３実施形態の回折光学素子３０よりも第１実施形態の回折光学素子１０の方が、傾斜部が多く形成されているからである。また、第２実施形態の回折光学素子２０と第１実施形態の回折光学素子１０とでは、両者は、逆版形状の関係（反転した対称形状）にあるので傾斜部の数は同じである。しかし、第１実施形態の回折光学素子１０では、凹部１２の底部分１２ａが、凸部１１ａの突出する方向に突出していることにより、見かけ上の屈折率の変化を緩やかにする作用を、凹部の底部分１２ａでも得られることが有利に働いているからである。

次に、表１の入射角度変動による投影形状の変化の少なさについても、第１実施形態から第３実施形態の方が、比較例よりも良好な結果、すなわち、反射光が弱いという結果が得られている。この結果について説明する。
図１２は、入射角度の変化と回折光との関係を単純化して模式的に示した図である。
図１２（ａ）は、比較例の回折光学素子５０に設計位置である垂直方向からの光が入射したときの光の回折状態を示している。回折光学素子５０に対して垂直に入射した光は、１次光として左右に均等に回折する。
図１２（ｂ）は、比較例の回折光学素子５０に設計位置からずれた位置から光が入射したときの光の回折状態を示している。回折光学素子５０に対し光が斜めから入射すると、この図１２（ｂ）のように、光の均等性が崩れてしまう。回折光学素子の光学設計は、通常は、図１２（ａ）のような単純形状をベースになされているため、光の入射状態が変化してしまうと、回折光学素子全体としての光の回折状態が変化してしまう。
図１２（ｃ）は、第１実施形態の回折光学素子１０に設計位置である垂直方向からの光が入射したときの光の回折状態を示している。断面形状の一部に傾斜部を設けた回折光学素子１０でも、垂直に入射した光は、１次光として左右に均等に回折する。
図１２（ｄ）は、第１実施形態の回折光学素子１０に設計位置からずれた位置から光が入射したときの光の回折状態を示している。断面形状の一部に傾斜部を設けた回折光学素子１０では、光の入射方向が多少変動しても、光に対して垂直な面が必ず一部存在することになり、回折光の分布に影響を与えにくい。したがって、表１のように、投影形状の変化が少ないという結果が得られる。
なお、入射角度変動による投影形状の変化の少なさについて、第３実施形態の回折光学素子３０が、比較例の回折光学素子５０よりも良好な結果が得られているものの、他の実施形態よりも悪い結果が得られている。これは、第３実施形態の回折光学素子３０が、垂直部３１ｈを備えていることから、入射角度の影響を受ける部位が多いからである。

以上説明したように、第１実施形態から第３実施形態の回折光学素子１０，２０，３０によれば、凸部に傾斜部を備えたので、界面で反射してしまう光を少なくすることができ、光の利用効率を高めることができる。
また、第１実施形態から第３実施形態の回折光学素子１０，２０，３０によれば、凸部に傾斜部を備えたので、装置の組み付け精度や光源の性能ぶれ等の影響で入射角が変化することがあっても影響を受けにくく、回折光への影響が少なく安定して所望の回折光を得ることができる。

（変形形態）
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。

（１）第１実施形態及び第２実施形態において、第２の傾斜部と第３の傾斜部とが繋がる部分におけるくびれ部分の幅は、先端部と略同等か、若干狭い例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、第２の傾斜部と第３の傾斜部とが繋がる部分におけるくびれ部分の幅は、凸部の先端部の幅よりも広く形成してもよい。

（２）各実施形態において、回折光学素子は、高屈折率部のみで構成されている簡単な形態として示した。これに限らず例えば、高屈折率部を形成するための透明基材を設けてもよいし、回折層を被覆する被覆層を設けてもよい。
図１４は、回折光学素子の変形形態として、透明基材を設けている例、及び、被覆層を設けている例を示す図である。
図１４（ａ）では、透明基材４１の上に、第１実施形態で示した回折光学素子１０が形成されており、この全体が回折光学素子として構成されている。このように、透明基材４１を設けることにより、樹脂賦型を利用した製造方法を用いることができ、製造を容易に行える。
図１４（ｂ）では、図１４（ａ）の形態に加えて、被覆層４２をそのまま積層した形態とし、この全体が回折光学素子として構成されている。このような形態とすることにより、被覆層４２を設けたことにより、凸形状を保護することができる。
図１４（ｃ）では、図１４（ａ）の形態に加えて、凹部にまで入り込む透明樹脂により被覆層４３を形成し、この全体が回折光学素子として構成されている。この場合、被覆層４３を形成する透明樹脂は、低屈折率部とするために、高屈折率部よりも屈折率の低い樹脂を用いる。このような形態とすることにより、凸形状をより効果的に保護することができる。

（３）各実施形態において、回折光学素子は、波長が９８０ｎｍの赤外レーザーを回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折するものであってもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。

（４）各実施形態において、光照射装置は、光源が波長９８０ｎｍの赤外レーザーを発光する例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源が波長７８０ｎｍ以上の赤外光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源を光照射装置に適用してもよい。

なお、第１実施形態〜第３実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

１０ 回折光学素子
１１ 高屈折率部
１１ａ 凸部
１１ｂ 第１の傾斜部
１１ｃ 第２の傾斜部
１１ｄ 第３の傾斜部
１１ｅ 先端部
１１ｆ 根元部
１２ 凹部
１２ａ 底部分
１３ 空間
１４ 低屈折率部
１５ 回折層
２０ 回折光学素子
２１ 高屈折率部
２１ａ 凸部
２１ｂ 第１の傾斜部
２１ｃ 第２の傾斜部
２１ｄ 第３の傾斜部
２１ｅ 先端部
２１ｆ 根元部
２１ｇ 頂点
２５ 回折層
３０ 回折光学素子
３１ 高屈折率部
３１ａ 凸部
３１ｂ 第１の傾斜部
３１ｅ 先端部
３１ｆ 根元部
３１ｈ 垂直部
３５ 回折層
４１ 透明基材
４２ 被覆層
４３ 被覆層
５０ 回折光学素子
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
ＣＡＭ１ 赤外線カメラ
ＣＡＭ２ 赤外線カメラ
Ｌ 光源
Ｐ 平面
Ｓ スクリーン

Claims (12)

1. 光を整形する回折光学素子であって、
   断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、
   前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む低屈折率部と、
   を有する回折層を備え、
   前記凸部の側面形状は、
   前記凸部の先端部から根元部に向かって前記凸部の幅が広がる向きに傾斜した第１の傾斜部と、
   前記第１の傾斜部から前記根元部に向かって前記凸部の幅が狭くなる向きに傾斜した第２の傾斜部と、
   前記第２の傾斜部からさらに前記根元部に向かって前記凸部の幅が広がる向きに傾斜した第３の傾斜部と、
   を備え、
   前記第１の傾斜部と、前記第２の傾斜部と、前記第３の傾斜部とは、曲面で繋がっている回折光学素子。
2. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記第１の傾斜部から前記根元部に向かって前記回折層に垂直な向きに延在する垂直部を備えること、
   を特徴とする回折光学素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子において、
   前記第２の傾斜部と前記第３の傾斜部とが繋がるくびれ部分の幅は、前記凸部の先端部の幅よりも広いこと、
   を特徴とする回折光学素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記凸部の先端部は、複数の頂点を有すること、
   を特徴とする回折光学素子。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記凹部の底部分は、前記凸部の突出する方向に突出していること、
   を特徴とする回折光学素子。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記高屈折率部は、電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであること、
   を特徴とする回折光学素子。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記低屈折率部は、空気であること、
   を特徴とする回折光学素子。
8. 請求項１から請求項７までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   透明基材と、前記回折層と、前記回折層を被覆する被覆層とが、この順番で積層されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
9. 請求項１から請求項８までのいずれか１項に記載の回折光学素子において、
   前記回折層は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折すること、
   を特徴とする回折光学素子。
10. 請求項９に記載の回折光学素子において、
    前記凸部の高さは６５０ｎｍ以上であること、
    を特徴とする回折光学素子。
11. 光源と、
    前記光源が発光する光が通過する位置に少なくとも１つ配置された、請求項１から請求項１０までのいずれか１項に記載の回折光学素子と、
    を備える光照射装置。
12. 請求項１１に記載の光照射装置において、
    前記光源は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を発光できること、
    を特徴とする光照射装置。

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