JP6958120B2 - Diffractive optical element, light irradiation device - Google Patents

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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。 The present invention relates to a diffractive optical element 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。 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。 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。
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).
In addition, DOE can be applied to both parallel light sources such as lasers and diffused light sources such as LEDs, and can be applied to a wide range of wavelengths from ultraviolet light to visible light and infrared light. ..

DOE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.

LED光源とDOEとを組み合わせて用いる場合、LED光源からは、ある程度の広がりを持った光がDOEに到達する。したがって、DOEに入射する入射光の入射角度は、DOE上の位置によって異なるので、DOE上の位置によって、すなわち、入射角度によって、回折格子の設計を変更することが行われている。DOEの回折角度は、光の波長と回折格子のピッチとにより決まるので、DOE上の位置によって(入射角度によって)回折格子のピッチを変更した設計とすることが行われている。一方、回折格子の溝深さに関しては、2レベルのDOEの場合には、光の波長λと回折格子を構成する材料の屈折率nとからなる次の式が知られている。
溝深さ=λ/(2(n−1))
DOEにおいては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。
When the LED light source and the DOE are used in combination, the light having a certain spread reaches the DOE from the LED light source. Therefore, since the incident angle of the incident light incident on the DOE differs depending on the position on the DOE, the design of the diffraction grating is changed depending on the position on the DOE, that is, the incident angle. Since the diffraction angle of the DOE is determined by the wavelength of light and the pitch of the diffraction grating, the design is such that the pitch of the diffraction grating is changed according to the position on the DOE (depending on the incident angle). On the other hand, regarding the groove depth of the diffraction grating, in the case of two-level DOE, the following equation consisting of the wavelength λ of light and the refractive index n of the material constituting the diffraction grating is known.
Groove depth = λ / (2 (n-1))
In DOE, it is said that the light emission efficiency is the best when the groove depth obtained by the above formula is used, and conventionally, the design according to this formula has been performed.

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

しかし、DOEの溝深さに関しては、上記式により一義的に決めるだけではなく、溝深さを変更することにより、さらに効率を高めることができたり、不要な出光(例えば、0次光)を減少することができたりする場合があることを見いだした。 However, the groove depth of DOE is not only uniquely determined by the above formula, but can be further improved in efficiency by changing the groove depth, or unnecessary light emission (for example, 0th order light) can be generated. I found that it could be reduced.

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、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 and a light irradiation device capable of further improving the light utilization efficiency 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、断面形状において複数の凸部(11a)が並んで配置されている高屈折率部(11)と、前記高屈折率部(11)よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部(11a)の間に形成されている凹部(12)を含む低屈折率部(14)と、を有する回折層(15)を備え、前記凹部(12)の幅は、位置により異なっており、前記凹部(12)の幅が広くなるほど前記凹部(12)の深さが深く構成されている回折光学素子(10)である。 The first invention is a diffractive optical element (10) that shapes light, and has a high refractive index portion (11) in which a plurality of convex portions (11a) are arranged side by side in a cross-sectional shape, and the high refractive index. A diffraction layer (15) having a low refractive index portion (14) having a refractive index lower than that of the portion (11) and including a concave portion (12) formed between at least the convex portions (11a) is provided. The width of the recess (12) differs depending on the position, and the wider the width of the recess (12), the deeper the depth of the recess (12) is configured in the diffractive optical element (10).

第2の発明は、第1の発明に記載の回折光学素子(10)において、前記凹部(12)の幅が最も狭い位置における前記凹部(12)の深さLは、回折対象の光の波長をλ、前記高屈折率部(11)の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、D=Fλ/(2(n−1))の深さ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。 In the second invention, in the diffractive optical element (10) according to the first invention, the depth L of the recess (12) at the position where the width of the recess (12) is the narrowest is the wavelength of the light to be diffracted. Is λ, the refractive index of the high refractive index portion (11) is n, and when a coefficient of 0.8 or more and 1.2 or less is F, the depth is D = Fλ / (2 (n-1)). It is a diffractive optical element (10) characterized by being configured.

第3の発明は、第2の発明に記載の回折光学素子(10)において、前記係数Fは、1以上1.2以下であること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 The third invention is the diffractive optical element (10) according to the second invention, wherein the coefficient F is 1 or more and 1.2 or less.

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に記載の回折光学素子(10)において、回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 A fourth invention is a diffraction optical element (10) according to any one of the first to third inventions, wherein the wavelength λ of the light to be diffracted is 780 nm or more. The optical element (10).

第5の発明は、第1の発明から第4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、当該回折光学素子(10)は、0°よりも大きく60°以下の入射角度で入射する光を回折対象の光とすること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 The fifth invention is the diffractive optical element (10) according to any one of the first to fourth inventions, wherein the diffractive optical element (10) has an incident angle larger than 0 ° and 60 ° or less. The diffractive optical element (10) is characterized in that the light incident in the above is used as the light to be diffracted.

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(10)において、前記凹部(12)の幅と前記凹部(12)の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 In the sixth invention, in the diffractive optical element (10) according to any one of the first to fifth inventions, the width of the recess (12) and the depth of the recess (12) are in a proportional relationship. The diffractive optical element (10) is characterized in that.

第7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回折光学素子(10)と、を備え、前記回折光学素子(10)は、断面形状において複数の凸部(11a)が並んで配置されている高屈折率部(11)と、前記高屈折率部(11)よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部(11a)の間に形成されている凹部(12)を含む低屈折率部(14)と、を有する回折層(15)を備え、前記凹部(12)の幅は、位置により異なっており、前記凹部(12)の幅が広くなるほど前記凹部(12)の深さが深く構成されている光照射装置である。 A seventh invention includes a light source unit (210), a diffractive optical element (10) that is arranged at a position where light from the light source unit (210) is incident and forms light from the light source unit (210). The diffractive optical element (10) has a high refraction rate portion (11) in which a plurality of convex portions (11a) are arranged side by side in a cross-sectional shape, and a refraction coefficient higher than that of the high refraction rate section (11). The diffraction layer (15) has a low refractive index portion (14) including a concave portion (12) formed between the convex portions (11a), and the width of the concave portion (12) is large. This is a light irradiation device in which the depth of the recess (12) is deeper as the width of the recess (12) becomes wider.

第8の発明は、第7の発明に記載の光照射装置において、前記凹部(12)の幅が最も狭い位置における前記凹部(12)の深さLは、前記光源部(210)が発光する光の波長をλ、前記高屈折率部(11)の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、D=Fλ/(2(n−1))の深さに構成されていること、を特徴とする光照射装置である。 According to the eighth invention, in the light irradiation device according to the seventh invention, the light source unit (210) emits light at a depth L of the recess (12) at a position where the width of the recess (12) is the narrowest. When the wavelength of light is λ, the refractive index of the high refractive index portion (11) is n, and the coefficient of 0.8 or more and 1.2 or less is F, D = Fλ / (2 (n-1)). It is a light irradiation device characterized by being configured to a depth.

第9の発明は、第8の発明に記載の光照射装置において、前記係数Fは、1以上1.2以下であること、を特徴とする光照射装置である。 The ninth invention is the light irradiation device according to the eighth invention, wherein the coefficient F is 1 or more and 1.2 or less.

第10の発明は、第7の発明から第9の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、を特徴とする光照射装置である。 The tenth invention is the light irradiation device according to any one of the seventh to ninth inventions, wherein the wavelength λ of the light to be diffracted is 780 nm or more. be.

第11の発明は、第7の発明から第10の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、前記回折光学素子(10)に、0°よりも大きく60°以下の入射角度で回折対象の光が入射するように前記光源部(210)と前記回折光学素子(10)とが配置されていること、を特徴とする光照射装置である。 According to the eleventh invention, in the light irradiation device according to any one of the seventh to tenth inventions, the diffraction optical element (10) is diffracted at an incident angle larger than 0 ° and 60 ° or less. The light irradiation device is characterized in that the light source unit (210) and the diffractive optical element (10) are arranged so that the light of the above is incident.

第12の発明は、第7の発明から第11の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、前記凹部(12)の幅と前記凹部(12)の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする光照射装置である。 According to the twelfth invention, in the light irradiation device according to any one of the seventh to eleventh inventions, the width of the recess (12) and the depth of the recess (12) have a proportional relationship. It is a light irradiation device characterized by being present.

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、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 and a light irradiation device capable of further improving the light utilization efficiency 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E−E’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 EE'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. 回折光学素子10上の位置の違いによる回折格子の設計の違いを説明する図である。It is a figure explaining the difference in the design of the diffraction grating due to the difference in the position on the diffraction optical element 10. 回折角度の異なる回折格子を並べて示す図である。It is a figure which shows side-by-side diffraction gratings with different diffraction angles. 本実施形態の回折光学素子10の異なる位置の回折格子の断面形状を示す図である。It is a figure which shows the cross-sectional shape of the diffraction grating of the diffraction optical element 10 of this embodiment at a different position. 波長λ=800nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is a figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 800 nm and the incident angle 15 degrees. 波長λ=800nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is a figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 800 nm and the incident angle 15 degrees. 波長λ=800nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is a figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 800 nm and the incident angle 30 degrees. 波長λ=800nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is a figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 800 nm and the incident angle 30 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 0.8λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 1.5λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 15 degrees. 図17は、波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。FIG. 17 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 0.8 λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 1.5λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=980nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 980 nm, the incident angle 15 degrees. 波長λ=980nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 980 nm, the incident angle 15 degrees. 波長λ=980nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 980 nm, the incident angle 30 degrees. 波長λ=980nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result of the wavelength λ = 980 nm, the incident angle 30 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 0.8λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1.5λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 15 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 0.8λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1.5λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。It is a graph which shows the influence of the depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 30 degrees. 波長λ=800nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result which changed the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, 60 ° for the wavelength λ = 800 nm and the pitch 0.8λ. 波長λ=800nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result which changed the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, 60 ° for the wavelength λ = 800 nm and the pitch 1λ. 波長λ=800nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result which changed the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, 60 ° for the wavelength λ = 800 nm and the pitch 1.5λ. 図36の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。It is the figure which showed the result of FIG. 36 in a graph and arranged side by side. 図37の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。It is the figure which showed the result of FIG. 37 in a graph and arranged side by side. 図38の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。It is the figure which showed the result of FIG. 38 in a graph and arranged side by side. 波長λ=980nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result which changed the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, 60 ° for the wavelength λ = 980 nm and the pitch 0.8λ. 波長λ=980nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result which changed the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, 60 ° for the wavelength λ = 980 nm and the pitch 1λ. 波長λ=980nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。It is the figure which summarized the simulation result which changed the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, 60 ° for the wavelength λ = 980 nm and the pitch 1.5λ. 図42の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。It is the figure which showed the result of FIG. 42 in a graph and arranged side by side. 図43の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。It is the figure which showed the result of FIG. 43 in a graph and arranged side by side. 図44の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。It is a figure which showed the result of FIG. 44 in a graph, side by side.

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E−E’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 EE'in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a diffractive optical element.
It should be noted that each of the figures 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.

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。 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 strictly defined. Without being bound by meaning, we will interpret it including the range in which similar functions can be expected.

また、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状(照射領域)が任意の形状となるようにすることをいう。例えば、図4の例に示されるように、平面形状のスクリーン200に直接投影した場合に照射領域202が円形となる光201(図4(b))を発光する光源部210を用意する。この光201を、本発明の回折光学素子10を透過させることにより、照射領域204を正方形(図4(a))や、長方形、円形(図示せず)等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。
なお、光源部210と、光源部210が発光する光が通過する位置に少なくとも1つ配置された、本実施形態の回折光学素子10とを組み合わせることにより、光を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980nmの赤外レーザー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。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。 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 an infrared laser having a wavelength of 980 nm, specifically, two bands of light having a width of ± 3.3 degrees at ± 50 degrees. Designed to spread light in shape. The diffractive optical element 10 usually has a plurality of regions having different periodic structures (partial periodic structure: for example, regions A to D in FIG. 1). In FIG. 2, an example of the partial periodic structure is extracted and shown.

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。 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。 The high-refractive index portion 11 may be formed by processing the shape of quartz (SiO 2 , synthetic quartz) by dry etching, or may be obtained by curing an ionizing radiation-curable resin composition. There may be. Various methods are known for manufacturing such a periodic structure, and the methods can be appropriately produced by these known methods.

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.

図5は、回折光学素子10上の位置の違いによる回折格子の設計の違いを説明する図である。
例えば、図5(a)のように、同じ光源部210からの光であっても、位置Fに入射する光の入射角度は、位置Gに入射する光の入射角度よりも小さい。この入射角度の違いに合せて、位置Fと位置Gとで回折格子の回折角度を最適な値に設計することにより、どちらの位置においても同じ方向へ光を出射させることができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a difference in the design of the diffraction grating due to the difference in the position on the diffraction optical element 10.
For example, as shown in FIG. 5A, the incident angle of the light incident on the position F is smaller than the incident angle of the light incident on the position G even if the light is emitted from the same light source unit 210. By designing the diffraction angle of the diffraction grating to an optimum value at the position F and the position G according to the difference in the incident angle, light can be emitted in the same direction at either position.

図5(b)は、回折光学素子10に垂直に光が入射する場合を示している。
この場合、回折光学素子10の回折角度θは、光の波長をλ、回折格子のピッチをPとすると、以下の式により決められる。
sin(θ)=mλ/P
θ=asin(mλ/P)
ただし、mは、0、±1、±2・・・とする。
また、図5(c)は、回折光学素子10に入射角θiで光が入射する場合を示している。
この場合、回折光学素子10の回折角度θは、以下の式により決められる。
sin(θ)−sin(θi)=mλ/P
θ=asin(mλ/P+sin(θi))
ただし、mは、0、±1、±2・・・とする。
よって、光の波長が光源部210により決まるので、所望の回折角度となるようにするためには、上記式にしたがって、回折格子のピッチPを変更すればよい。回折角度が大きい回折格子ではピッチが狭くなり、回折角度が小さい回折格子ではピッチが広くなる。
FIG. 5B shows a case where light is vertically incident on the diffractive optical element 10.
In this case, the diffraction angle θ of the diffraction optical element 10 is determined by the following equation, where λ is the wavelength of light and P is the pitch of the diffraction grating.
sin (θ) = mλ / P
θ = asin (mλ / P)
However, m is 0, ± 1, ± 2, ....
Further, FIG. 5C shows a case where light is incident on the diffractive optical element 10 at an incident angle θi.
In this case, the diffraction angle θ of the diffraction optical element 10 is determined by the following equation.
sin (θ) -sin (θi) = mλ / P
θ = asin (mλ / P + sin (θi))
However, m is 0, ± 1, ± 2, ....
Therefore, since the wavelength of light is determined by the light source unit 210, the pitch P of the diffraction grating may be changed according to the above equation in order to obtain a desired diffraction angle. A diffraction grating with a large diffraction angle has a narrow pitch, and a diffraction grating with a small diffraction angle has a wide pitch.

図6は、回折角度の異なる回折格子を並べて示す図である。
図6(a)の回折格子の方が、図6(b)の回折格子よりも回折角度が大きい、すなわち、ピッチが狭くなっている。
ここで、回折格子を構成する材料の屈折率(高屈折率部11の屈折率)をnとしたとき、溝深さ(凹部の深さ)Dについて次の式が知られている。
D=λ/(2(n−1))
先にも述べたように、従来は、回折光学素子においては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。
したがって、従来の回折光学素子では、図6に示すように、回折角度が異なっても、すなわち、回折格子のピッチが異なっても、溝深さは一定であった。
FIG. 6 is a diagram showing side-by-side diffraction gratings having different diffraction angles.
The diffraction grating of FIG. 6A has a larger diffraction angle than the diffraction grating of FIG. 6B, that is, the pitch is narrower.
Here, when the refractive index of the material constituting the diffraction grating (refractive index of the high refractive index portion 11) is n, the following equation is known for the groove depth (depth of the recess) D.
D = λ / (2 (n-1))
As described above, conventionally, in a diffractive optical element, it is considered that the light emission efficiency is the best when the groove depth obtained by the above formula is used, and conventionally, the design is performed according to this formula. Was there.
Therefore, in the conventional diffraction optical element, as shown in FIG. 6, the groove depth is constant even if the diffraction angle is different, that is, the pitch of the diffraction grating is different.

しかし、DOEの溝深さに関しては、上記式により一義的に決めるだけではなく、溝深さを変更することにより、さらに効率を高めることができたり、不要な出光(例えば、0次光)を減少することができたりする場合があることを本願の出願人は見いだした。以下、本実施形態の回折光学素子10における溝深さに関して説明する。 However, the groove depth of DOE is not only uniquely determined by the above formula, but can be further improved by changing the groove depth, or unnecessary light emission (for example, 0th-order light) can be generated. The applicant of the present application has found that it may be reduced. Hereinafter, the groove depth in the diffractive optical element 10 of the present embodiment will be described.

図7は、本実施形態の回折光学素子10の異なる位置の回折格子の断面形状を示す図である。
本実施形態の回折光学素子10は、位置により光源部210からの光の入射角度が異なることに対応して、位置により回折格子のピッチが異なるように設計されている。そして、このピッチの変化は、溝幅(凹部の幅)の変化をもたらす。すなわち、凸部11aの幅と、凹部12の幅(溝幅)との比率は、例えば、1:1とする等と、予め決めておくものであるので、ピッチと凹部12の幅(溝幅)とは比例関係にあり、ピッチが増加すれば、溝幅も増加する。
図7に示す例では、ピッチP1よりもピッチP2が広く、さらにピッチP2よりもピッチP3が広くなっており、これに対応して、溝幅W1よりも溝幅W2が広く、さらに、溝幅W2よりも溝幅W3が広くなっている。ここで、ピッチP1の回折格子は、回折光学素子10において最もピッチが狭い回折格子であって、光源部210からの距離が最も遠い位置に配置されている。このピッチP1は、先に示した、回折角度=asin(λ/P)の式により決まるピッチに設定されており、溝深さD1は、D1=λ/(2(n−1))によって決まる深さに設定されている。
FIG. 7 is a diagram showing a cross-sectional shape of a diffraction grating at different positions of the diffraction optical element 10 of the present embodiment.
The diffractive optical element 10 of the present embodiment is designed so that the pitch of the diffraction grating differs depending on the position in response to the different incident angles of light from the light source unit 210 depending on the position. Then, this change in pitch brings about a change in the groove width (width of the recess). That is, since the ratio of the width of the convex portion 11a to the width of the concave portion 12 (groove width) is determined in advance, for example, 1: 1, the pitch and the width of the concave portion 12 (groove width). ), And as the pitch increases, so does the groove width.
In the example shown in FIG. 7, the pitch P2 is wider than the pitch P1 and the pitch P3 is wider than the pitch P2. Correspondingly, the groove width W2 is wider than the groove width W1 and the groove width is further widened. The groove width W3 is wider than W2. Here, the diffraction grating having a pitch P1 is the diffraction grating having the narrowest pitch in the diffraction optical element 10, and is arranged at a position farthest from the light source unit 210. This pitch P1 is set to a pitch determined by the equation of diffraction angle = asin (λ / P) shown above, and the groove depth D1 is determined by D1 = λ / (2 (n-1)). It is set to depth.

ここで、上述したように、溝深さD1は、D1=λ/(2(n−1))としたが、この溝深さは、厳密にこの数式により求められる値に一致することを意味するものではない。すなわち、回折光学素子の作製には、必ず寸法のばらつきが発生するものであり、そのようなばらつき程度の数値的な幅をも含むものである。具体的には、高い加工技術を用いて慎重に作製しても、±10%程度の誤差は生じるものであり、生産性を重視した加工技術を用いる場合には、±15%程度の誤差も生じる場合がある。したがって、上記数式により得られる数値には±15%の範囲をも含むものとして捉えるべきものである。
このことは、本実施形態に限るものではなく、特許請求の範囲においても、同様に±15%の誤差範囲を含むものである。
Here, as described above, the groove depth D1 is set to D1 = λ / (2 (n-1)), which means that the groove depth exactly matches the value obtained by this mathematical formula. It's not something to do. That is, in the production of the diffractive optical element, dimensional variation always occurs, and the numerical width of such variation is also included. Specifically, even if it is carefully manufactured using high processing technology, an error of about ± 10% will occur, and if a processing technology that emphasizes productivity is used, an error of about ± 15% will occur. May occur. Therefore, the numerical value obtained by the above formula should be regarded as including the range of ± 15%.
This is not limited to this embodiment, and also includes an error range of ± 15% in the claims.

また、ピッチP2の位置では、溝幅W2が溝幅W1より広くなっていることに対応して、溝深さD2が、溝深さD1よりも深く設定されている。
同様に、ピッチP3の位置では、溝幅W3が溝幅W2より広くなっていることに対応して、溝深さD3が、溝深さD2よりも深く設定されている。
さらに、溝幅と溝深さとの関係は、比例関係になっている。
Further, at the position of the pitch P2, the groove depth D2 is set deeper than the groove depth D1 in response to the groove width W2 being wider than the groove width W1.
Similarly, at the position of the pitch P3, the groove depth D3 is set deeper than the groove depth D2 in response to the groove width W3 being wider than the groove width W2.
Further, the relationship between the groove width and the groove depth is proportional.

次に、溝深さを上記従来の数式に基づいた設計値から変更したときの出光値の変化を、ピッチを0.8λ、1λ、1.5λ、2λ、3λの4種類、かつ、入射角15度、及び入射角30度の2種類についてシミュレーションを行った結果を示す。なお、シミュレーションは、波長λ=800nmと、波長λ=980nmとの2種類について行った。
図8及び図9は、波長λ=800nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図10及び図11は、波長λ=800nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図8から図11のシミュレーションは、光の波長λ=800nm、回折格子を構成する材料の屈折率n=1.5として行った。したがって、溝深さD=λ/(2(n−1))=800nmが従来の標準とされている設計値となる。この値を本明細書中では、設計値と呼び、図8から図11中には、この設計値に対する深さの設計値比を深さとともに示している。よって、設計値比が1.0より大きいと、設計値よりも溝深さが深いことを表している。なお、これら及び後述のシミュレーション結果の表中の数値は、入射光の光量を1としたときの出光値を示している。
Next, the change in the light emission value when the groove depth is changed from the design value based on the above-mentioned conventional mathematical formula has four types of pitches of 0.8λ, 1λ, 1.5λ, 2λ, and 3λ, and the incident angle. The results of simulations for two types, 15 degrees and an incident angle of 30 degrees, are shown. The simulation was performed for two types, a wavelength λ = 800 nm and a wavelength λ = 980 nm.
8 and 9 are diagrams summarizing the simulation results at a wavelength of λ = 800 nm and an incident angle of 15 degrees.
10 and 11 are diagrams summarizing the simulation results at a wavelength of λ = 800 nm and an incident angle of 30 degrees.
The simulations of FIGS. 8 to 11 were performed with the wavelength of light λ = 800 nm and the refractive index n = 1.5 of the material constituting the diffraction grating. Therefore, the groove depth D = λ / (2 (n-1)) = 800 nm is the design value that is the conventional standard. This value is referred to as a design value in the present specification, and the ratio of the depth to the design value is shown together with the depth in FIGS. 8 to 11. Therefore, when the design value ratio is larger than 1.0, it means that the groove depth is deeper than the design value. The numerical values in these and the table of the simulation results described later indicate the light output value when the amount of incident light is 1.

図12は、波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図13は、波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図14は、波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図15は、波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図16は、波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角15度の場合には、ピッチが2λ、3λにおいて、溝深さを設計値比1.1の深さにすると、出光値は減るものの、0次光を減らすことができる。これにより、0次光が迷光等となって悪影響を与えるような場合には、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることが有効であるといえる。
FIG. 12 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 0.8 λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 13 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 14 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 1.5 λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 15 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 16 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 15 degrees.
In the case of an incident angle of 15 degrees, if the pitch is 2λ and 3λ and the groove depth is set to a depth of 1.1, the emission value can be reduced, but the 0th-order light can be reduced. As a result, when the 0th-order light becomes stray light or the like and has an adverse effect, it can be said that it is effective to make the groove depth deeper than the design value at a position having a wide pitch (wide groove width).

図17は、波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図18は、波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図19は、波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図20は、波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図21は、波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角30度の場合には、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることにより、出光値が上昇し、かつ、0次光が減少する範囲が存在している。特に、ピッチ1.5λでは、その傾向が顕著である。
FIG. 17 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 0.8 λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 18 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 19 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 1.5 λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 20 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 800 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 21 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 800 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 30 degrees.
When the incident angle is 30 degrees, there is a range in which the light emission value increases and the 0th-order light decreases by making the groove depth deeper than the design value at a position with a wide pitch (wide groove width). doing. In particular, at a pitch of 1.5λ, this tendency is remarkable.

図22及び図23は、波長λ=980nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図24及び図25は、波長λ=980nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図22から図25のシミュレーションは、光の波長λ=980nm、回折格子を構成する材料の屈折率n=1.5として行った。したがって、溝深さD=λ/(2(n−1))=980nmが従来の標準とされている設計値となる。この値を本明細書中では、設計値と呼び、図22から図25中には、この設計値に対する深さの設計値比を深さとともに示している。よって、設計値比が1.0より大きいと、設計値よりも溝深さが深いことを表している。
22 and 23 are diagrams summarizing the simulation results at a wavelength of λ = 980 nm and an incident angle of 15 degrees.
24 and 25 are diagrams summarizing the simulation results at a wavelength of λ = 980 nm and an incident angle of 30 degrees.
The simulations of FIGS. 22 to 25 were performed with the wavelength of light λ = 980 nm and the refractive index n = 1.5 of the material constituting the diffraction grating. Therefore, the groove depth D = λ / (2 (n-1)) = 980 nm is the design value that is the conventional standard. This value is referred to as a design value in the present specification, and in FIGS. 22 to 25, the ratio of the design value of the depth to the design value is shown together with the depth. Therefore, when the design value ratio is larger than 1.0, it means that the groove depth is deeper than the design value.

図26は、波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図27は、波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図28は、波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図29は、波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図30は、波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角15度の場合には、λ=800nmの場合と同様に、ピッチが2λ、3λにおいて、溝深さを設計値比1.1の深さにすると、出光値は減るものの、0次光を減らすことができる。これにより、0次光が迷光等となって悪影響を与えるような場合には、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることが有効であるといえる。
FIG. 26 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 980 nm, the pitch is 0.8 λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 27 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 28 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1.5 λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 29 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 980 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 15 degrees.
FIG. 30 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 15 degrees.
In the case of an incident angle of 15 degrees, as in the case of λ = 800 nm, when the pitch is 2λ and 3λ and the groove depth is set to a depth of 1.1 compared to the design value, the emission value decreases, but the 0th order light Can be reduced. As a result, when the 0th-order light becomes stray light or the like and has an adverse effect, it can be said that it is effective to make the groove depth deeper than the design value at a position having a wide pitch (wide groove width).

図31は、波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図32は、波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図33は、波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図34は、波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図35は、波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角30度の場合には、λ=800nmの場合と同様に、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることにより、出光値が上昇し、かつ、0次光が減少する範囲が存在している。特に、ピッチ1.5λでは、その傾向が顕著である。
FIG. 31 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 980 nm, the pitch is 0.8 λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 32 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 33 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 1.5 λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 34 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength is λ = 980 nm, the pitch is 2λ, and the incident angle is 30 degrees.
FIG. 35 is a graph showing the effect of depth on the light emission value when the wavelength λ = 980 nm, the pitch is 3λ, and the incident angle is 30 degrees.
When the incident angle is 30 degrees, the light emission value is increased and the light emission value is increased by making the groove depth deeper than the design value at a position where the pitch is wide (the groove width is wide), as in the case of λ = 800 nm. There is a range in which the 0th order light is reduced. In particular, at a pitch of 1.5λ, this tendency is remarkable.

さらに、入射角度の影響を調べるために、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させてシミュレーションを行った。このシミュレーションは、ピッチを0.8λ、1λ、1.5λの3種類について、入射角度を上記範囲で変化させている。なお、深さについては、設計値比で0.7から1.3の範囲で変化させて行った。なお、シミュレーションは、波長λ=800nmと、波長λ=980nmとの2種類について行った。
図36は、波長λ=800nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図37は、波長λ=800nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図38は、波長λ=800nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図39は、図36の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図40は、図37の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図41は、図38の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
Further, in order to investigate the influence of the incident angle, the simulation was performed by changing the incident angle to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 °. In this simulation, the incident angle is changed in the above range for three types of pitches of 0.8λ, 1λ, and 1.5λ. The depth was changed in the range of 0.7 to 1.3 in terms of the design value ratio. The simulation was performed for two types, a wavelength λ = 800 nm and a wavelength λ = 980 nm.
FIG. 36 is a diagram summarizing the simulation results in which the incident angles were changed to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 ° for the wavelength λ = 800 nm and the pitch 0.8λ.
FIG. 37 is a diagram summarizing the simulation results in which the incident angles are changed to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 ° for the wavelength λ = 800 nm and the pitch 1λ.
FIG. 38 is a diagram summarizing the simulation results in which the incident angles were changed to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 ° for the wavelength λ = 800 nm and the pitch 1.5λ.
FIG. 39 is a graph showing the results of FIG. 36 side by side.
FIG. 40 is a graph showing the results of FIG. 37 side by side.
FIG. 41 is a graph showing the results of FIG. 38 side by side.

図42は、波長λ=980nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図43は、波長λ=980nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図44は、波長λ=980nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図45は、図42の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図46は、図43の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図47は、図44の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
FIG. 42 is a diagram summarizing the simulation results in which the incident angles were changed to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 ° for the wavelength λ = 980 nm and the pitch 0.8λ.
FIG. 43 is a diagram summarizing the simulation results in which the incident angles were changed to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 ° for the wavelength λ = 980 nm and the pitch 1λ.
FIG. 44 is a diagram summarizing the simulation results in which the incident angles were changed to 0 °, 15 °, 30 °, and 60 ° for the wavelength λ = 980 nm and the pitch 1.5λ.
FIG. 45 is a graph showing the results of FIG. 42 side by side.
FIG. 46 is a graph showing the results of FIG. 43 side by side.
FIG. 47 is a graph showing the results of FIG. 44 side by side.

図36から図47に示されるように、入射角度が大きくなるほど、溝深さが深くなることによって0次光を抑える効果が高くなっている。よって、これらの結果から、垂直入射よりも斜めに光が入射する場合の方が、溝幅が広い位置において、溝深さを設計値よりも深くすることにより得られる、光の利用効率を高める効果が高く、かつ、不要な0次光を抑える効果が高いことがわかる。具体的には、回折光学素子10入射させる光は、0°よりも大きく60°以下の入射角度で入射するようにするとよいといえる。 As shown in FIGS. 36 to 47, the larger the incident angle, the deeper the groove depth, and the higher the effect of suppressing the 0th-order light. Therefore, from these results, when light is incident at an angle rather than vertically incident, the light utilization efficiency obtained by making the groove depth deeper than the design value at a position where the groove width is wide is improved. It can be seen that the effect is high and the effect of suppressing unnecessary 0th-order light is high. Specifically, it can be said that the light incident on the diffractive optical element 10 should be incident at an incident angle larger than 0 ° and 60 ° or less.

以上説明したように、本実施形態によれば、溝幅が広い位置において、溝深さを設計値よりも深くしたので、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。 As described above, according to the present embodiment, since the groove depth is made deeper than the design value at the position where the groove width is wide, it is possible to further improve the light utilization efficiency and suppress unnecessary light emission. can.

(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、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。 (1) 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 a 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.

(2)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。 (2) In the embodiment, the diffractive optical element has been described with reference to an example designed to diffract an infrared laser having a wavelength of 980 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.

(3)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。 (3) In each embodiment, the light irradiation device has been described with reference to an example in which the light source emits an infrared laser having a wavelength of 980 nm. Not limited to this, for example, the light source may emit infrared light having a wavelength of 780 nm or more, and the light source is not limited to infrared light but emits light of any wavelength such as visible light. May be applied to.

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
11 高屈折率部
11a 凸部
12 凹部
13 空間
14 低屈折率部
15 回折層
200 スクリーン
201 光
202 照射領域
204 照射領域
210 光源部
10 Diffractive optical element 11 High refractive index part 11a Convex part 12 Concave part 13 Space 14 Low refractive index part 15 Diffractive layer 200 Screen 201 Light 202 Irradiation area 204 Irradiation area 210 Light source part

Claims (10)

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矩形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矩形の凹部を含む低屈折率部と、
を有する回折層を備え、
前記凹部の幅は、位置により異なっており、
前記凹部の幅が最も狭い位置における前記凹部の深さDは、回折対象の光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、
D=Fλ/(2(n−1))
の深さに構成されており、
前記凹部の幅が広くなるほど前記凹部の深さが深く構成されている回折光学素子。
A diffractive optical element that shapes light
A high-refractive index portion in which a plurality of rectangular convex portions are arranged side by side in a cross-sectional shape,
A low refractive index portion having a lower refractive index than the high refractive index portion and including at least a rectangular concave portion formed between the convex portions.
With a diffractive layer having
The width of the recess varies depending on the position.
The depth D of the recess at the position where the width of the recess is the narrowest is λ for the wavelength of the light to be diffracted, n for the refractive index of the high refractive index portion, and F for a coefficient of 0.8 or more and 1.2 or less. When you do
D = Fλ / (2 (n-1))
It is composed of the depth of
A diffractive optical element in which the depth of the recess is deeper as the width of the recess is wider.
請求項に記載の回折光学素子において、
前記係数Fは、1以上1.2以下であること、
を特徴とする回折光学素子。
In the diffractive optical element according to claim 1,
The coefficient F is 1 or more and 1.2 or less.
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、
回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、
を特徴とする回折光学素子。
In the diffractive optical element according to claim 1 or 2.
The wavelength λ of the light to be diffracted shall be 780 nm or more.
A diffractive optical element characterized by.
請求項1から請求項までのいずれかに記載の回折光学素子において、
当該回折光学素子は、0°よりも大きく60°以下の入射角度で入射する光を回折対象の光とすること、
を特徴とする回折光学素子。
In the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 3.
The diffractive optical element uses light that is incident at an incident angle of 60 ° or less, which is larger than 0 °, as the light to be diffracted.
A diffractive optical element characterized by.
請求項1から請求項までのいずれかに記載の回折光学素子において、
前記凹部の幅と前記凹部の深さとは、比例関係となっていること、
を特徴とする回折光学素子。
In the diffractive optical element according to any one of claims 1 to 4.
The width of the recess and the depth of the recess are in a proportional relationship.
A diffractive optical element characterized by.
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整形する回折光学素子と、
を備え、
前記回折光学素子は、
断面形状において複数の矩形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矩形の凹部を含む低屈折率部と、
を有する回折層を備え、
前記凹部の幅は、位置により異なっており、
前記凹部の幅が最も狭い位置における前記凹部の深さDは、前記光源部が発光する光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、
D=Fλ/(2(n−1))
の深さに構成されており、
前記凹部の幅が広くなるほど前記凹部の深さが深く構成されている光照射装置。
Light source and
A diffractive optical element that is arranged at a position where the light from the light source unit is incident and shapes the light from the light source unit.
With
The diffractive optical element is
A high-refractive index portion in which a plurality of rectangular convex portions are arranged side by side in a cross-sectional shape,
A low refractive index portion having a lower refractive index than the high refractive index portion and including at least a rectangular concave portion formed between the convex portions.
With a diffractive layer having
The width of the recess varies depending on the position.
The depth D of the recess at the position where the width of the recess is the narrowest is λ for the wavelength of light emitted by the light source unit, n for the refractive index of the high refractive index unit, and a coefficient of 0.8 or more and 1.2 or less. When is set to F
D = Fλ / (2 (n-1))
It is composed of the depth of
A light irradiation device in which the depth of the recess is deeper as the width of the recess is wider.
請求項に記載の光照射装置において、
前記係数Fは、1以上1.2以下であること、
を特徴とする光照射装置。
In the light irradiation device according to claim 6,
The coefficient F is 1 or more and 1.2 or less.
A light irradiation device characterized by.
請求項6又は請求項7に記載の光照射装置において、
回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、
を特徴とする光照射装置。
In the light irradiation device according to claim 6 or 7.
The wavelength λ of the light to be diffracted shall be 780 nm or more.
A light irradiation device characterized by.
請求項から請求項までのいずれかに記載の光照射装置において、
前記回折光学素子に、0°よりも大きく60°以下の入射角度で回折対象の光が入射するように前記光源部と前記回折光学素子とが配置されていること、
を特徴とする光照射装置。
In the light irradiation device according to any one of claims 6 to 8.
The light source unit and the diffractive optical element are arranged so that the light to be diffracted is incident on the diffractive optical element at an incident angle larger than 0 ° and 60 ° or less.
A light irradiation device characterized by.
請求項から請求項までのいずれかに記載の光照射装置において、
前記凹部の幅と前記凹部の深さとは、比例関係となっていること、
を特徴とする光照射装置。
In the light irradiation device according to any one of claims 6 to 9.
The width of the recess and the depth of the recess are in a proportional relationship.
A light irradiation device characterized by.
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