JP6946632B2 - Diffractive optical element, set member of diffractive optical element and holder, light irradiation device - Google Patents

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  • Diffracting Gratings Or Hologram Optical Elements (AREA)

Description

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

ネットワークの普及によるセキュリティリスク回避のための個人認証へのニーズや、自動車の自動運転化の流れ、又は、いわゆる「モノのインターネット」の普及等、近年、センサシステムを必要とする局面が増大している。センサには色々な種類があり、検出する情報も様々であるが、その中の1つの手段として、光源から対象物に対して光を照射し、反射してきた光から情報を得るというものがある。例えば、パターン認証センサや赤外線レーダ等はその一例である。 In recent years, there has been an increase in the need for sensor systems, such as the need for personal authentication to avoid security risks due to the spread of networks, the trend toward autonomous driving of automobiles, and the spread of the so-called "Internet of Things". There is. There are various types of sensors, and the information to be detected is also various. One of the means is to irradiate an object with light from a light source and obtain information from the reflected light. .. For example, a pattern authentication sensor, an infrared radar, and the like are examples.

これらのセンサの光源は、用途に応じた波長分布や明るさ、広がりをもったものが使用される。光の波長は、可視光〜赤外線がよく用いられ、特に赤外線は外光の影響を受けにくく、不可視であり、対象物のやや内部を観察することも可能という特徴があるため、広く用いられている。また、光源の種類としては、LED光源やレーザ光源等が多く用いられる。例えば、遠いところを検知するには光の広がりが少ないレーザ光源が好適に用いられ、比較的近いところを検知する場合や、ある程度の広がりを持った領域を照射するにはLED光源が好適に用いられる。 As the light source of these sensors, one having a wavelength distribution, brightness, and spread according to the application is used. Visible light to infrared rays are often used as the wavelength of light, and infrared rays are widely used because they are not easily affected by external light, are invisible, and can observe the inside of an object. There is. Further, as a type of light source, an LED light source, a laser light source, or the like is often used. For example, a laser light source having a small spread of light is preferably used to detect a distant place, and an LED light source is preferably used to detect a relatively close place or to irradiate a region having a certain spread. Be done.

ところで、対象とする照射領域の大きさや形状は、必ずしも光源からの光の広がり(プロファイル)と一致しているとは限らず、その場合には拡散板やレンズ、遮蔽板等により光を整形する必要がある。最近では、Light Shaping Diffuser(LSD)という、光の形状をある程度整形できる拡散板が開発されている。
また、光を整形する別の手段として、回折光学素子(Diffractive Optical Element :DOE)が挙げられる。これは異なる屈折率を持った材料が周期性を持って配列している場所を光が通過する際の回折現象を応用したものである。DOEは、基本的に単一波長の光に対して設計されるものであるが、理論的には、ほぼ任意の形状に光を整形することが可能である。また、前述のLSDにおいては、照射領域内の光強度がガウシアン分布となるのに対し、DOEでは、照射領域内の光分布の均一性を制御することが可能である。DOEのこのような特性は、不要な領域への照射を抑えることによる高効率化や、光源数の削減等による装置の小型化等の点で有利となる(例えば、特許文献1参照)。
また、DOEは、レーザの様な平行光源や、LEDの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。
By the way, the size and shape of the target irradiation area do not always match the spread (profile) of the light from the light source, and in that case, the light is shaped by a diffuser plate, a lens, a shielding plate, or the like. There is a need. Recently, a diffuser called Light Shipping Diffuser (LSD), which can shape the shape of light to some extent, has been developed.
Further, as another means for shaping light, a diffractive optical element (DOE) can be mentioned. This is an application of the diffraction phenomenon when light passes through a place where materials with different refractive indexes are arranged with periodicity. The DOE is basically designed for light of a single wavelength, but in theory, it is possible to shape the light into almost any shape. Further, in the above-mentioned LSD, the light intensity in the irradiation region has a Gaussian distribution, whereas in DOE, it is possible to control the uniformity of the light distribution in the irradiation region. Such characteristics of DOE are advantageous in terms of high efficiency by suppressing irradiation of unnecessary regions and miniaturization of the device by reducing the number of light sources (see, for example, Patent Document 1).
Further, DOE can be applied to both a parallel light source such as a laser and a diffused light source such as an LED, and can be applied to a wide range of wavelengths from ultraviolet light to visible light and infrared light. ..

DOEは、nmオーダーでの微細加工が必要となり、特に長波長の光を回折するためには、高アスペクト比の微細形状を形成する必要があった。そのため、DOEの製造には、従来、電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が用いられている。例えば、紫外線〜近赤外線領域で透明である石英板に、ハードマスクやレジストを成膜後、電子線を用いてレジストに所定の形状を描画し、レジスト現像、ハードマスクのドライエッチング、石英のドライエッチングを順次行って、石英板表面にパターンを形成した後、ハードマスクを除去することで所望のDOEを得ることができる。 DOE requires microfabrication on the order of nm, and particularly in order to diffract light having a long wavelength, it is necessary to form a fine shape having a high aspect ratio. Therefore, electron beam lithography technology using an electron beam has been conventionally used for manufacturing DOE. For example, after forming a hard mask or resist on a quartz plate that is transparent in the ultraviolet to near-infrared region, a predetermined shape is drawn on the resist using an electron beam, and resist development, dry etching of the hard mask, and drying of quartz are performed. A desired DOE can be obtained by sequentially performing etching to form a pattern on the surface of the quartz plate and then removing the hard mask.

DOEでは、高さの異なる複数の段部を備えた多段階形状により出光効率を高めることが行われている。
しかし、多段階形状の改良による出光効率の向上に限らず、さらなる効率向上が望まれている。
In DOE, the light emission efficiency is improved by a multi-step shape having a plurality of steps having different heights.
However, not only the improvement of the light emission efficiency by the improvement of the multi-step shape but also the further improvement of the efficiency is desired.

特開2015−170320号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-170320

本発明の課題は、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、保持具、光照射装置を提供することである。 An object of the present invention is to provide a diffractive optical element, a holder, and a light irradiation device capable of further improving the efficiency of light utilization and suppressing unnecessary light emission.

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。 The present invention solves the above problems by the following solutions. In addition, in order to facilitate understanding, the description will be given with reference numerals corresponding to the embodiments of the present invention, but the present invention is not limited thereto.

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

第2の発明は、第1の発明に記載の回折光学素子(10)において、素子表面の少なくとも一部が曲面に構成されていること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 The second invention is the diffractive optical element (10) according to the first invention, wherein at least a part of the element surface is formed on a curved surface.

第3の発明は、第1の発明又は第2の発明に記載の回折光学素子(10)において、素子表面の少なくとも一部は、複数の平面を組み合わせて構成されていること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 The third invention is characterized in that, in the diffractive optical element (10) according to the first invention or the second invention, at least a part of the element surface is formed by combining a plurality of planes. This is a diffractive optical element (10).

第4の発明は、第1の発明から第3の発明までのいずれか1項に記載の回折光学素子(10)を保持する保持具であって、前記回折光学素子(10)の素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態となるように保持する保持具である。 The fourth invention is a holder for holding the diffractive optical element (10) according to any one of the first to third inventions, and is the surface of the element surface of the diffractive optical element (10). It is a holder that holds at least a part of the element surface at an angle with respect to the surface of the element at another part.

第5の発明は、光源部(210)と、前記光源部(210)からの光が入射する位置に配置され、前記光源部(210)からの光を成形する第1の発明から第3の発明までのいずれか1項に記載の回折光学素子(10)と、を備える光照射装置である。 A fifth aspect of the present invention is a third aspect of the invention, wherein the light source unit (210) is arranged at a position where the light from the light source unit (210) is incident, and the light from the light source unit (210) is formed. A light irradiation device including the diffractive optical element (10) according to any one of the items up to the present invention.

第6の発明は、第5の発明に記載の光照射装置であって、前記光源部(210)は、前記第1の法線(N1)に平行な平行光を照射すること、を特徴とする光照射装置である。 A sixth aspect of the present invention is the light irradiation device according to the fifth aspect, wherein the light source unit (210) irradiates parallel light parallel to the first normal line (N1). It is a light irradiation device.

本発明によれば、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、保持具、光照射装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a diffractive optical element, a holder, and a light irradiation device capable of further improving the efficiency of light utilization and suppressing unnecessary light emission.

本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows the embodiment of the diffraction optical element by this invention. 図1の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。It is a perspective view which shows an example of the partial periodic structure in the example of the diffraction optical element of FIG. 図2中の矢印G−G’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。It is sectional drawing which cut | cut the diffractive optical element at the position of the arrow GG'in FIG. 回折光学素子を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction optical element. 本発明による回折光学素子10と光源201との関係を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically the relationship between the diffraction optical element 10 and the light source 201 by this invention. 入射角と回折角について説明する図である。It is a figure explaining the incident angle and the diffraction angle. シミュレーション解析の結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the result of the simulation analysis. Tin=0°について、シミュレーション解析結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation analysis result about Tin = 0 °. 第1の領域10Aと第2の領域10Bとにおける角度の関係を説明する図である。It is a figure explaining the relationship of the angle in the 1st region 10A and the 2nd region 10B.

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described with reference to drawings and the like.

(実施形態)
図1は、本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。
図2は、図1の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図3は、図2中の矢印G−G’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。
図4は、回折光学素子を説明する図である。
なお、図1を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
(Embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a diffractive optical element according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an example of a partial periodic structure in the example of the diffractive optical element of FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the diffractive optical element cut at the position of the arrow GG'in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a diffractive optical element.
In addition, each figure shown below including FIG. 1 is a diagram schematically shown, and the size and shape of each part are exaggerated as appropriate for easy understanding.
Further, in the following description, specific numerical values, shapes, materials and the like will be described, but these can be changed as appropriate.

なお、本発明において用いる、形状や幾何学的条件、及び、それらの程度を特定する用語、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。 Note that the terms used in the present invention that specify the shape and geometric conditions and their degrees, such as terms such as "parallel", "orthogonal", and "same", and length and angle values, are used. Without being bound by the strict meaning, we will interpret it including the range where similar functions can be expected.

また、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状(照射領域)が任意の形状となるようにすることをいう。例えば、図4の例に示されるように、平面形状のスクリーン200に直接投影した場合に照射領域202が円形となる光201(図4(b))を発光する光源部210を用意する。この光201を、本発明の回折光学素子10を透過させることにより、照射領域204を正方形(図4(a))や、長方形、円形(図示せず)等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。
なお、光源部210と、光源部210が発光する光が通過する位置に少なくとも1つ配置された、本実施形態の回折光学素子10とを組み合わせることにより、光を成形した状態で照射可能な光照射装置とすることができる。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。
Further, in the present invention, "shaping the light" means that the shape of the light projected on the object or the target area (irradiation area) becomes an arbitrary shape by controlling the traveling direction of the light. To say. For example, as shown in the example of FIG. 4, a light source unit 210 that emits light 201 (FIG. 4B) whose irradiation region 202 becomes circular when directly projected onto a flat screen 200 is prepared. By transmitting the light 201 through the diffractive optical element 10 of the present invention, the irradiation region 204 can be made into a desired shape such as a square (FIG. 4 (a)), a rectangle, or a circle (not shown). It is called "shaping the light".
By combining the light source unit 210 and the diffractive optical element 10 of the present embodiment, which is arranged at least one at a position where the light emitted by the light source unit 210 passes, light that can be irradiated in a molded state. It can be an irradiation device.
Further, in the present invention, the term "transparent" means a substance that transmits light of at least the wavelength to be used. For example, even if it does not transmit visible light, if it transmits infrared rays, it shall be treated as transparent when used for infrared applications.

本実施形態の回折光学素子10は、光を整形する回折光学素子(DOE)である。回折光学素子10は、例えば、波長が500nmの光を発光する光源部210からの光に対して十文字形状、具体的には、例えば、±50度に、幅が±3.3度で広がる光の帯が2本公差した形状に光を広げるように設計されている。
本実施形態の回折光学素子10は、図1に示したA,B,C,Dのそれぞれの位置において深さが異なっている。すなわち、回折光学素子10は、4段階の高さの異なる多段階形状により構成されている。そして、回折光学素子10は、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域(部分周期構造:例えば、図1のE,F領域)を有している。図2では、部分周期構造の一例を抽出して示している。
回折光学素子10は、図3に示すように、断面形状において複数の凸部11aが並んで配置されている高屈折率部11を備えている。この高屈折率部11は、同じ断面形状を維持したまま、断面の奥行き方向に延在している。
The diffractive optical element 10 of the present embodiment is a diffractive optical element (DOE) that shapes light. The diffractive optical element 10 has a cross-shaped shape with respect to light from a light source unit 210 that emits light having a wavelength of, for example, 500 nm, specifically, light that spreads at ± 50 degrees and a width of ± 3.3 degrees. It is designed to spread the light in the shape of two bands.
The diffractive optical element 10 of the present embodiment has a different depth at each position of A, B, C, and D shown in FIG. That is, the diffractive optical element 10 is configured by a multi-step shape having four steps of different heights. The diffractive optical element 10 usually has a plurality of regions having different periodic structures (partial periodic structure: for example, E and F regions in FIG. 1). In FIG. 2, an example of the partial periodic structure is extracted and shown.
As shown in FIG. 3, the diffractive optical element 10 includes a high refractive index portion 11 in which a plurality of convex portions 11a are arranged side by side in a cross-sectional shape. The high refractive index portion 11 extends in the depth direction of the cross section while maintaining the same cross-sectional shape.

高屈折率部11は、例えば、クオーツ(SiO、合成石英)をエッチング処理により形状を加工されて作られたものであってもよい。また、高屈折率部11は、クオーツを加工した物から型取りを行って成形型を作成し、この成形型を利用して電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化したものであってもよい。電離放射線硬化性樹脂組成物を用いてこのような周期構造の物を製造する方法は、様々な手法が公知であり、回折光学素子10の高屈折率部11は、それら公知の手法を利用して、適宜作製することができる。 The high-refractive index portion 11 may be made by, for example, processing the shape of quartz (SiO 2 , synthetic quartz) by etching. Further, the high-refractive index portion 11 may be formed by molding from a processed product of quartz to prepare a molding mold, and the ionizing radiation curable resin composition may be cured by using this molding mold. Various methods are known for producing a product having such a periodic structure using an ionizing radiation curable resin composition, and the high refractive index portion 11 of the diffractive optical element 10 utilizes these known methods. Can be appropriately produced.

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。 Further, air is present in the upper portion of FIG. 3 including the concave portion 12 formed between the convex portions 11a and the space 13 near the top of the convex portion 11a, and the refractive index is higher than that of the high refractive index portion 11. Is a low refractive index portion 14. A diffraction layer 15 having an action of shaping light is formed by a periodic structure in which these high refractive index portions 11 and low refractive index portions 14 are arranged alternately.

凸部11aは、側面形状の一方側(図3では、左側)に、高さの異なる4つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部11aは、最も突出したレベル1段部11a−1と、レベル1段部11a−1よりも一段低いレベル2段部11a−2と、レベル2段部11a−2よりもさらに一段低いレベル3段部11a−3と、レベル3段部11a−3よりもさらに一段低いレベル4段部11a−4とを一側面側に有している。また、凸部11aの側面形状の他方側(図3では、右側)は、レベル1段部11a−1からレベル4段部11a−4まで直線上につながる側壁部11bとなっている。 The convex portion 11a has a multi-step shape having four stepped portions having different heights on one side (left side in FIG. 3) of the side surface shape. Specifically, the convex portion 11a is from the most protruding level 1 step portion 11a-1, the level 2 step portion 11a-2 which is one step lower than the level 1 step portion 11a-1, and the level 2 step portion 11a-2. Also has a level 3 step portion 11a-3 which is one step lower and a level 4 step portion 11a-4 which is one step lower than the level 3 step portion 11a-3 on one side surface side. Further, the other side (right side in FIG. 3) of the side surface shape of the convex portion 11a is a side wall portion 11b that connects the level 1 step portion 11a-1 to the level 4 step portion 11a-4 in a straight line.

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

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

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

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

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

シミュレーション解析の変動パラメータとして、Tinを0°から60°まで10°刻みで変化させた。また、回折角Tdを5°から60°まで5°刻みで変化させた。これらTinとTdとの組み合せについて、シミュレーション解析を行った。
回折効率の解析シミュレーションには、厳密結合波理論(RCWA(rigorous coupled−wave analysis)に基づいた演算を用いた。RCWAは、数学的には、行列の固有値問題と一次方程式を解くことに帰着されるので、原理的な困難さはない。また、このRCWAに基づいた電磁場解析のシミュレーション結果と現実とでは、現物における形状エラー等を除けば、基本的に合致する。
As a variation parameter of the simulation analysis, Tin was changed from 0 ° to 60 ° in 10 ° increments. Further, the diffraction angle Td was changed from 5 ° to 60 ° in 5 ° increments. A simulation analysis was performed on the combination of these Tin and Td.
Diffraction efficiency analysis simulation used operations based on rigorous coupled-wave analysis (RCWA). RCWA is mathematically reduced to solving matrix eigenvalue problems and linear equations. Therefore, there is no difficulty in principle. Further, the simulation result of the electromagnetic field analysis based on this RCWA and the reality basically match except for the shape error in the actual product.

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

以上の条件により、シミュレーションを行った結果について説明する。
図7は、シミュレーション解析の結果をまとめた図である。
図7に示したシミュレーション出光値は、入力光を1としたときの、各方向における出光値を示している。
図7中の0th、1stは、それぞれ、0次回折光、1次回折光を示す。通常の利用方法では、1次回折光が大きい方が望ましく、また、0次回折光が少ない方が望ましい。
The result of the simulation under the above conditions will be described.
FIG. 7 is a diagram summarizing the results of simulation analysis.
The simulated light emission value shown in FIG. 7 shows the light emission value in each direction when the input light is 1.
0th and 1st in FIG. 7 indicate 0th-order diffracted light and 1st-order diffracted light, respectively. In the usual usage, it is desirable that the first-order refracted light is large, and it is desirable that the zero-order diffracted light is small.

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

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

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

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

(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。
(Transformed form)
Not limited to the embodiments described above, various modifications and changes are possible, and these are also within the scope of the present invention.

(1)実施形態において、回折光学素子は、保持具を用いずに、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されているようにしてもよい。 (1) In the embodiment, the diffractive optical element has been described with reference to an example in which at least a part of the element surface is formed at an angle with respect to the element surface of another portion without using a holder. .. Not limited to this, for example, the diffractive optical element may be held so that at least a part of the element surface is held at an angle with respect to the element surface of another portion.

(2)実施形態において、回折光学素子は、複数の平面を組み合わせて構成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、直線と曲線を組み合わせて構成してもよい。 (2) In the embodiment, the diffractive optical element has been described with reference to an example in which a plurality of planes are combined. Not limited to this, for example, the diffractive optical element may be configured by combining a straight line and a curved line.

(3)実施形態において、回折光学素子は、高屈折率部のみで構成されている簡単な形態として示した。これに限らず例えば、高屈折率部を形成するための透明基材を設けてもよいし、低屈折率部14を樹脂により構成してもよいし、回折層を被覆する被覆層を設けてもよい。 (3) In the embodiment, the diffractive optical element is shown as a simple form composed of only a high refractive index portion. Not limited to this, for example, a transparent base material for forming the high refractive index portion may be provided, the low refractive index portion 14 may be made of resin, or a coating layer for covering the diffraction layer may be provided. May be good.

(4)実施形態において、回折光学素子は、波長が500nmの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、波長780nm以上の赤外線を回折するものであってもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。 (4) In the embodiment, the diffractive optical element has been described with reference to an example in which the diffractive optical element is designed to diffract light having a wavelength of 500 nm. Not limited to this, for example, the diffractive optical element may diffract infrared rays having a wavelength of 780 nm or more, and may diffract light of any wavelength such as visible light as well as infrared light. The present invention may be applied.

(5)各実施形態において、光照射装置は、波長が500nmの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源部が波長780nm以上の赤外光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源部を光照射装置に適用してもよい。 (5) In each embodiment, the light irradiation device has been described with reference to an example in which the light irradiation device is designed to diffract light having a wavelength of 500 nm. Not limited to this, for example, the light source unit may emit infrared light having a wavelength of 780 nm or more, and the light source unit that emits light of any wavelength, such as visible light, is not limited to infrared light. It may be applied to an irradiation device.

なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。 The embodiments and modifications can be used in combination as appropriate, but detailed description thereof will be omitted. Moreover, the present invention is not limited to each of the embodiments described above.

10 回折光学素子
10A 第1の領域
10B 第2の領域
11 高屈折率部
11a 凸部
11a−1 レベル1段部
11a−2 レベル2段部
11a−3 レベル3段部
11a−4 レベル4段部
11b 側壁部
12 凹部
13 空間
14 低屈折率部
15 回折層
100 回折光学素子
200 スクリーン
201 光
202 照射領域
204 照射領域
210 光源部
10 Diffractive optical element 10A 1st region 10B 2nd region 11 High refractive index portion 11a Convex portion 11a-1 Level 1 stage portion 11a-2 Level 2 stage portion 11a-3 Level 3 stage portion 11a-4 Level 4 stage portion 11b Side wall 12 Recess 13 Space 14 Low refractive index 15 Diffractive layer 100 Diffractive optical element 200 Screen 201 Light 202 Irradiation area 204 Irradiation area 210 Light source

Claims (6)

光を整形する回折光学素子であって、
少なくとも光を整形する使用状態において、
素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている、
又は、
素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されている、回折光学素子であって、
周期構造を有して平面状に構成され、入射側から入射した光を反対側の出射側から回折光として出射する第1の領域と、
周期構造を有して平面状に構成され前記第1の領域に対して角度を成して構成されている、又は、周期構造を有して平面状に構成され前記第1の領域に対して角度を成した状態で保持されており、入射側から入射した光を反対側の出射側から回折光として出射する第2の領域と、
を備え、
当該回折光学素子は、力を加えない自由状態では、全体としてみると平坦なシート状に形成されているものであり、
前記第2の領域は、前記第1の領域に隣接して一部材で繋がっており、
前記第1の領域における法線である第1の法線と前記第2の領域における法線である第2の法線とのなす角度βは、20°以上40°以下であること、
を特徴とする回折光学素子。
A diffractive optical element that shapes light
At least in the state of use that shapes the light
At least a part of the element surface is formed at an angle with respect to the element surface of another part.
Or
A diffractive optical element in which at least a part of the element surface is held at an angle with respect to the element surface of another part.
A first region having a periodic structure and being configured in a plane shape, and emitting light incident from the incident side as diffracted light from the emitting side on the opposite side, and
It has a periodic structure and is formed in a plane shape and is formed at an angle with respect to the first region, or has a periodic structure and is formed in a plane shape and is formed in a plane shape with respect to the first region. A second region that is held at an angle and emits light incident from the incident side as diffracted light from the opposite emitting side,
With
The diffractive optical element is formed in the form of a flat sheet as a whole in a free state in which no force is applied.
The second region is adjacent to the first region and is connected by a single member.
The angle β formed by the first normal, which is the normal in the first region, and the second normal, which is the normal in the second region, is 20 ° or more and 40 ° or less.
A diffractive optical element characterized by.
請求項1に記載の回折光学素子において、
素子表面の少なくとも一部が曲面に構成されていること、
を特徴とする回折光学素子。
In the diffractive optical element according to claim 1,
At least a part of the element surface is curved.
A diffractive optical element characterized by.
請求項1又は請求項2に記載の回折光学素子において、
素子表面の少なくとも一部は、複数の平面を組み合わせて構成されていること、
を特徴とする回折光学素子。
In the diffractive optical element according to claim 1 or 2.
At least a part of the element surface shall be composed of a combination of multiple planes.
A diffractive optical element characterized by.
請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の回折光学素子と、
前記回折光学素子を保持する保持具と、
を備える回折光学素子及び保持具のセット部材であって、
前記保持具は、前記回折光学素子の素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態となるように保持する回折光学素子及び保持具のセット部材
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3 ,
A holder for holding the diffractive optical element and
It is a set member of a diffractive optical element and a holder including the above.
The holder is a set member of the diffractive optical element and the holder that holds at least a part of the element surface of the diffractive optical element at an angle with respect to the element surface of another portion.
光源部と、
前記光源部からの光が入射する位置に配置され、前記光源部からの光を成形する請求項1から請求項3までのいずれか1項に記載の回折光学素子と、
を備える光照射装置。
Light source and
The diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3, which is arranged at a position where the light from the light source unit is incident and forms the light from the light source unit.
A light irradiation device including.
請求項5に記載の光照射装置であって、
前記光源部は、前記第1の法線に平行な平行光を照射すること、
を特徴とする光照射装置。
The light irradiation device according to claim 5.
The light source unit irradiates parallel light parallel to the first normal.
A light irradiation device characterized by.
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