JP7035671B2

JP7035671B2 - Diffractive optical element

Info

Publication number: JP7035671B2
Application number: JP2018051019A
Authority: JP
Inventors: 伸人登山
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2022-03-15
Anticipated expiration: 2038-03-19
Also published as: JP2018159923A; CN110352367B; CN110352367A

Description

本発明は、回折光学素子に関するものである。 The present invention relates to a diffractive optical element.

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, the need for sensor systems has increased, 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 with 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、ＬｉｇｈｔＳｈａｐｉｎｇＤｉｆｆｕｓｅｒ（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（ＤｉｆｆｒａｃｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＥｌｅｍｅｎｔ：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、レーザのような平行光源や、ＬＥＤのよう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 to 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. ..

回折光学素子の形態として、グレーティングセルアレイ（ＧｒａｔｉｎｇＣｅｌｌＡｒｒａｙ）と呼ばれる形態が従来用いられている（特許文献１、非特許文献１参照）。グレーティングセルアレイ型の回折光学素子では、例えば正方形の微細な単位領域（セル）がマトリックス状に配列されている。そして、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子の１つの単位領域内では、一定ピッチで面内の回転方向が一定の方向を向いた回折格子が配置されている。また、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子では、それぞれの単位領域毎に、配置されている回折格子のピッチ及び回転方向が異なっており、それらの集合体として１つの回折光学素子を構成している。この単位領域のサイズは、例えば、２０μｍ×２０μｍ程度となっている。 As a form of the diffractive optical element, a form called a grating cell array has been conventionally used (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In the grating array type diffractive optical element, for example, square minute unit regions (cells) are arranged in a matrix. Within one unit region of the grating cell array type diffractive optical element, a diffraction grating is arranged in which the in-plane rotation direction is directed to a certain direction at a constant pitch. Further, in the grating cell array type diffractive optical element, the pitch and the rotation direction of the diffraction gratings arranged are different for each unit region, and one diffractive optical element is formed as an aggregate thereof. The size of this unit region is, for example, about 20 μm × 20 μm.

回折格子では、回折角が小さくなるほど、凹凸形状の配列ピッチが大きくなる。しかし、グレーティングセルアレイの単位領域は、微細であるため、回折角が小さい回折格子のピッチが１つの単位領域のサイズを超えてしまう場合があった。この場合、その単位領域に配置されるべき回折格子が回折格子としての機能を果たすことができず、その分、回折効率の低下等が生じるおそれがあった。ピッチの大きな回折格子を十分に機能させるためには、単位領域のサイズを大きくすることが考えられる。しかし、単位領域のサイズを大きくしてしまうと、単位面積当りに配置可能な単位領域の数、すなわち、配置可能な回折格子の数が減ってしまう。その場合、小型の回折光学素子が事実上構成不可能となるおそれがあった。 In the diffraction grating, the smaller the diffraction angle, the larger the arrangement pitch of the uneven shape. However, since the unit region of the grating cell array is fine, the pitch of the diffraction grating having a small diffraction angle may exceed the size of one unit region. In this case, the diffraction grating to be arranged in the unit region cannot function as a diffraction grating, and there is a possibility that the diffraction efficiency may be lowered by that amount. In order for a diffraction grating with a large pitch to function sufficiently, it is conceivable to increase the size of the unit region. However, if the size of the unit region is increased, the number of unit regions that can be arranged per unit area, that is, the number of diffraction gratings that can be arranged decreases. In that case, there is a possibility that a small diffractive optical element cannot be substantially constructed.

特開２０１５－１７０３２０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2015-170320 Daniel Asoubar, et al. "Customized homogenization and shaping of LED light by micro cells arrays" 9 March 2015Daniel Asoubar, et al. "Customized homogenization and shaping of LED light by micro cells arrays" 9 March 2015

本発明の課題は、ピッチの大きな回折格子を配置可能であって、かつ、多数の回折格子を配置可能な回折光学素子を提供することである。 An object of the present invention is to provide a diffraction optical element capable of arranging a diffraction grating having a large pitch and arranging a large number of diffraction gratings.

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-mentioned problems by the following solution means. 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、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、複数のセルが並べて配置されており、セル毎に前記凸部（１１ａ）の並ぶピッチと面内の回転方向の配置との少なくとも一方が異なっており、同一セル内では前記凸部（１１ａ）のピッチと面内の回転方向の配置とが同一であり、前記セルの集合体としての構成により光を整形する回折光学素子（１０）であって、前記複数のセルには、前記セルの外形形状が同一形状の複数の基本セル（１０ａ）と、前記基本セル（１０ａ）とは外形形状が異なるセルであって、特定の方向の長さが前記基本セル（１０ａ）の長さよりも長く形成されて前記凸部（１１ａ）の１ピッチ分を少なくとも含む回折格子を有するセル、又は、間隔を空けて並べて配列されている複数のセルによって前記凸部（１１ａ）のピッチ及び面内の回転方向の配置が同一であって前記凸部（１１ａ）の１ピッチを含む回折格子を有するセルである、合成セル（１０ｂ）と、を含む回折光学素子（１０）である。 The first invention 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 has a lower refractive index than the high refractive index portion (11), and at least the convex portion. A diffraction grating (15) including a low refractive index portion (14) including a recess (12) formed between the portions (11a) is provided, and a plurality of cells are arranged side by side. At least one of the pitch in which the convex portions (11a) are lined up and the arrangement in the rotation direction in the plane are different, and the pitch of the convex portions (11a) and the arrangement in the rotation direction in the plane are the same in the same cell. A diffractive optical element (10) that shapes light by the configuration as an aggregate of the cells, and the plurality of cells include a plurality of basic cells (10a) having the same outer shape of the cells and the above-mentioned. It is a cell having a different outer shape from the basic cell (10a), and is formed to have a length in a specific direction longer than the length of the basic cell (10a) and includes at least one pitch of the convex portion (11a). The pitch of the convex portion (11a) and the arrangement in the rotation direction in the plane are the same by the cell having a diffraction grating or a plurality of cells arranged side by side at intervals, and one of the convex portions (11a). It is a diffractive optical element (10) including a synthetic cell (10b), which is a cell having a diffraction grating including a pitch.

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、前記合成セル（１０ｂ）は、特定数の前記基本セル（１０ａ）を組み合わせ、さらに、組み合わせた前記基本セル（１０ａ）を前記特定数に分割した形状となっていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。 In the second invention, in the diffractive optical element (10) according to the first invention, the synthetic cell (10b) is a combination of a specific number of the basic cells (10a), and further combined with the basic cell (10a). ) Is a diffractive optical element (10) having a shape divided into the specific number.

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、前記合成セル（１０ｂ）を分割する方向は、前記特定の方向に交差する方向、又は、複数の前記合成セル（１０ｂ）が間隔を空けて並べて配列されている方向に交差する方向であること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。 In the third aspect of the invention, in the diffractive optical element (10) according to the second invention, the direction in which the synthetic cell (10b) is divided is a direction intersecting the specific direction, or a plurality of the synthetic cells ( The diffractive optical element (10) is characterized in that 10b) intersects in a direction in which they are arranged side by side at intervals.

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、前記合成セル（１０ｂ）が含む回折格子の前記凸部（１１ａ）のピッチは、前記基本セル（１０ａ）が含む回折格子の前記凸部（１１ａ）のピッチよりも大きいこと、を特徴とする回折光学素子（１０）である。 In the fourth invention, in the diffractive optical element (10) according to any one of the first invention to the third invention, the pitch of the convex portion (11a) of the diffraction grating included in the synthetic cell (10b) is set. The diffraction optical element (10) is characterized in that it is larger than the pitch of the convex portion (11a) of the diffraction grating included in the basic cell (10a).

第５の発明は、第４の発明に記載の回折光学素子（１０）において、前記合成セル（１０ｂ）が構成する回折格子の前記凸部（１１ａ）のピッチは、前記基本セル（１０ａ）の外形形状の最大長さよりも大きいこと、を特徴とする回折光学素子（１０）である。 In the fifth aspect of the invention, in the diffractive optical element (10) according to the fourth aspect, the pitch of the convex portion (11a) of the diffraction grating formed by the synthetic cell (10b) is the same as that of the basic cell (10a). The diffractive optical element (10) is characterized in that it is larger than the maximum length of the outer shape.

本発明によれば、ピッチの大きな回折格子を配置可能であって、かつ、多数の回折格子を配置可能な回折光学素子を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a diffraction optical element capable of arranging a diffraction grating having a large pitch and arranging a large number of diffraction gratings.

本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows 1st 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 diffractive optical element of FIG. 図１中の矢印Ａ－Ａ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 the diffractive optical element at the position of arrow AA in FIG. 回折光学素子を説明する図である。It is a figure explaining the diffractive optical element. 従来のグレーティングセルアレイの設計手法にしたがって、本実施形態の回折光学素子１０と同様な配光特性を備えた回折光学素子１０を設計した場合の回折格子の配置例を示す図である。It is a figure which shows the arrangement example of the diffraction grating when the diffractive optical element 10 which has the same light distribution characteristic as the diffractive optical element 10 of this embodiment is designed according to the design method of the conventional grating cell array. 図５の状態からセルの移動を行った結果の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the result of moving a cell from the state of FIG. 図６のように２つのセル（セル番号７，１４のセル）を組み合わせた状態から、さらに、組み合わせた２つセルを組み合わせた数に分割し、回折格子をそれぞれに配置し直した状態を示す図である。As shown in FIG. 6, the state in which the two cells (cells of cell numbers 7 and 14) are combined is further divided into the combined number of the combined two cells, and the diffraction gratings are rearranged in each. It is a figure. 本発明による回折光学素子の第２実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows the 2nd Embodiment of the diffractive optical element by this invention. 図８の状態からセル番号１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。It is a figure which removed the basic cell 10a of cell number 15 from the state of FIG. 8, and tentatively arranged the same diffraction grating as cell number 7 and cell number 14, although it does not actually exist at the position. 本発明による回折光学素子の第３実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows the 3rd Embodiment of the diffraction optical element by this invention. 第２実施形態の図９と同様に、第３実施形態について、図１０の状態からセル番号１，２，５，６，９，１０，１１，１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。Similar to FIG. 9 of the second embodiment, for the third embodiment, the basic cells 10a of the cell numbers 1, 2, 5, 6, 9, 10, 11, and 15 are removed from the state of FIG. Although it does not exist in the cell number 7, it is a figure which shows the same diffraction grating as the cell number 7 and the cell number 14 arranged in an array. 本発明による回折光学素子の第４実施形態を示す平面図である。It is a top view which shows the 4th Embodiment of the diffraction optical element by this invention. シミュレーションに用いた回折格子を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the diffraction grating used for the simulation. シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンを示す図である。It is a figure which shows the arrangement pattern of the synthetic cell 10b which performed the simulation. シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンをグリッドと併せて示す図である。It is a figure which shows the arrangement pattern of the synthesized cell 10b which performed the simulation together with the grid. 基本セルにおけるピッチの変化に対する回折角の変化を理想的な状態において示す図である。It is a figure which shows the change of the diffraction angle with respect to the change of the pitch in a basic cell in an ideal state. ２０μｍ角のセルにおいて２０μｍピッチの回折格子を備えた単位セルから出射する回折光の分布を示す図である。It is a figure which shows the distribution of the diffracted light emitted from the unit cell provided with the diffraction grating of the 20 μm pitch in the cell of a 20 μm square. シミュレーション結果をまとめて示す図である。It is a figure which shows the simulation result collectively. ４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction phenomenon by a four-stage (4-level) diffraction grating. ４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction phenomenon by a four-stage (4-level) diffraction grating. ４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。It is a figure explaining the diffraction phenomenon by a four-stage (4-level) diffraction grating.

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 the drawings and the like.

（第１実施形態）
図１は、本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。
図２は、図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図３は、図１中の矢印Ａ－Ａ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。 (First Embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing a first 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 arrows AA 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。 The terms used in the present invention, such as shapes and geometric conditions, and terms that specify the degree thereof, such as "parallel", "orthogonal", and "identical", 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. 4 (b)) having a circular irradiation region 202 when directly projected onto a flat screen 200 is prepared. By transmitting this 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, the 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.

第１実施形態の回折光学素子１０は、光を整形する回折光学素子（ＤＯＥ）である。回折光学素子１０は、例えば、波長が５５０ｎｍ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。
第１実施形態の回折光学素子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、異なる周期構造を持つ複数の単位領域（セル、又は、部分周期構造とも呼ぶ）をマトリックス状に多数配置した、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子である。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 first 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 550 nm, specifically, light having a width of ± 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 first embodiment is configured by a multi-step shape having four steps of different heights. The diffractive optical element 10 is a grating cell array type diffractive optical element in which a large number of unit regions (also referred to as cells or partial periodic structures) having different periodic structures are arranged in a matrix. FIG. 2 shows an example of a partial periodic structure extracted.

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_２、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ている。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て構成してもよい。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 is 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 quartz object to form a molding die, and using this molding die to cure the ionizing radiation curable resin composition. 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 configured 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 step portions having different heights on one side of the side surface shape (left side in FIG. 3). 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 of the side surface shape of the convex portion 11a (on the right side in FIG. 3) 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１に示すように、回折光学素子１０には、微細な単位領域（セル）として、複数の基本セル１０ａと、合成セル１０ｂとがマトリックス状に配列されている。
基本セル１０ａは、本実施形態では、いずれも正方形に形成されており、この基本セル１０ａは、複数並べて配置されている。 As shown in FIG. 1, in the diffractive optical element 10, a plurality of basic cells 10a and synthetic cells 10b are arranged in a matrix as fine unit regions (cells).
In the present embodiment, the basic cells 10a are all formed in a square shape, and a plurality of the basic cells 10a are arranged side by side.

合成セル１０ｂは、基本セル１０ａとは外形形状が異なるセルであり、本実施形態では、長方形に構成されている。また、合成セル１０ｂは、特定の方向（図１中の上下方向）の長さが基本セル１０ａの長さよりも長く形成されており、凸部１１ａの１ピッチ分を含む回折格子を有するセルである。図１中には、この合成セル１０ｂは２つ配置されている。
合成セル１０ｂは、本実施形態では、特定数として２つの基本セル１０ａを組み合わせ、さらに、組み合わせた２つの基本セル１０ａを特定数である２つに分割した形状となっている。すなわち、合成セル１０ｂは、正方形の基本セル１０ａを２つ図中の上下方向に並べて組合せ、これを図中の左右方向に２つに分割した長方形形状となっている。この分割する方向は、本実施形態では、合成セル１０ｂの長さが基本セル１０ａの長さよりも長い特定の方向としての上下方向に交差（直交）する左右方向に分割している。
本実施形態の回折光学素子１０は、従来のグレーティングセルアレイを基本形態として、その中に合成セル１０ｂが配置されている点で、従来のグレーティングセルアレイと異なった形態となっている。 The synthetic cell 10b is a cell having an outer shape different from that of the basic cell 10a, and is formed in a rectangular shape in the present embodiment. Further, the synthetic cell 10b is a cell having a length in a specific direction (vertical direction in FIG. 1) longer than the length of the basic cell 10a and having a diffraction grating including one pitch of the convex portion 11a. be. In FIG. 1, two synthetic cells 10b are arranged.
In the present embodiment, the synthetic cell 10b has a shape in which two basic cells 10a are combined as a specific number, and the combined two basic cells 10a are further divided into two, which is a specific number. That is, the composite cell 10b has a rectangular shape in which two square basic cells 10a are arranged side by side in the vertical direction in the figure and combined, and the cells are divided into two in the horizontal direction in the figure. In the present embodiment, the division direction is divided into a left-right direction in which the length of the composite cell 10b intersects (orthogonally) in the vertical direction as a specific direction longer than the length of the basic cell 10a.
The diffractive optical element 10 of the present embodiment has a form different from that of the conventional grating cell array in that the synthetic cell 10b is arranged in the conventional grating cell array as a basic form.

図１において、各段部の高さの違いを、合成セル１０ｂについてのみ、ドットパターンの違いにより示した。よって、図１中のＰ１，Ｐ２は、それぞれの回折格子における１ピッチを表している。一方、他の基本セル１０ａについても、同様な４段階の高低差が設けられているが、狭いピッチの部分もあるので、これらについては単に斜線のみで表現しており、直線間の間隔部分が４つで１ピッチを表している。 In FIG. 1, the difference in height of each step portion is shown by the difference in dot pattern only for the composite cell 10b. Therefore, P1 and P2 in FIG. 1 represent one pitch in each diffraction grating. On the other hand, the other basic cells 10a are also provided with the same four-step height difference, but since there are also narrow pitch parts, these are expressed only by diagonal lines, and the space between the straight lines is the space between the straight lines. Four represent one pitch.

図１に示すように、合成セル１０ｂが含む回折格子の凸部１１ａのピッチＰ１，Ｐ２は、基本セル１０ａが含む回折格子の凸部１１ａのピッチよりも大きい。また、合成セル１０ｂが構成する回折格子の凸部１１ａのピッチＰ１，Ｐ２は、基本セル１０ａの外形形状の最大長さよりも大きい。したがって、従来のグレーティングセルアレイの設計手法にしたがって、合成セル１０ｂが含む回折格子を基本セル１０ａの上にそのまま配置しようとしても、凸部１１ａのピッチＰ１，Ｐ２を１つの基本セル１０ａ内に配置することができなかった。しかし、本実施形態の回折光学素子１０では、合成セル１０ｂの特定方向（図１における上下方向）の長さを長く構成したので、この範囲内に、ピッチがＰ１，Ｐ２と大きな回折格子を配置することが可能となっている。以下、この回折格子の配置及び合成セル１０ｂの構成手法について、より具体的に説明する。 As shown in FIG. 1, the pitches P1 and P2 of the convex portions 11a of the diffraction grating included in the synthetic cell 10b are larger than the pitch of the convex portions 11a of the diffraction grating included in the basic cell 10a. Further, the pitches P1 and P2 of the convex portions 11a of the diffraction grating formed by the synthetic cell 10b are larger than the maximum length of the outer shape of the basic cell 10a. Therefore, even if the diffraction grating included in the synthesis cell 10b is to be arranged as it is on the basic cell 10a according to the conventional design method of the grating cell array, the pitches P1 and P2 of the convex portions 11a are arranged in one basic cell 10a. I couldn't. However, in the diffractive optical element 10 of the present embodiment, since the length of the synthetic cell 10b in the specific direction (vertical direction in FIG. 1) is long, a diffraction grating having a large pitch of P1 and P2 is arranged within this range. It is possible to do. Hereinafter, the arrangement of the diffraction grating and the method of constructing the synthetic cell 10b will be described more specifically.

図５は、従来のグレーティングセルアレイの設計手法にしたがって、本実施形態の回折光学素子１０と同様な配光特性を備えた回折光学素子１０を設計した場合の回折格子の配置例を示す図である。
この図５のような設計は、従来からプログラムにより半自動的に設計が行われるものである。図５中には、説明の便宜上、各セルに１～１６の番号を併記した。なお、ここでは、簡単のため、４×４＝１６個のセルにより説明を行うが、これは通常、より大きな行列数に構成されている。例えば、２００×２００＝４００００個のセルにより４ｍｍ角の回折光学素子１０を構成する。
図５において、セル番号７，１４では、２～３段程度しか含まれていない。本実施形態の４レベルの回折格子では、４段で１ピッチとなるので、図５の状態では、セル番号７，１４内には、１ピッチ分の回折格子が含まれていない。このように配置される回折格子が１ピッチに満たない状態では、該当するセルは、回折格子として機能することができない。この場合、このような領域（セル）自体が実質的に無駄な領域となるだけでなく、本来そのセルが担うべきであった向きへ出光する光が正しく出光できなくなり、従来は回折効率の低下を招いていた。 FIG. 5 is a diagram showing an arrangement example of a diffraction grating when a diffractive optical element 10 having the same light distribution characteristics as the diffractive optical element 10 of the present embodiment is designed according to a conventional grating cell array design method. ..
The design as shown in FIG. 5 is conventionally semi-automatically designed by a program. In FIG. 5, for convenience of explanation, numbers 1 to 16 are also shown in each cell. Here, for the sake of simplicity, 4 × 4 = 16 cells will be described, but this is usually configured with a larger number of matrices. For example, a 4 mm square diffractive optical element 10 is composed of 200 × 200 = 40,000 cells.
In FIG. 5, cell numbers 7 and 14 include only about 2 to 3 stages. In the four-level diffraction grating of the present embodiment, the four stages have one pitch. Therefore, in the state of FIG. 5, the cell numbers 7 and 14 do not include the diffraction grating for one pitch. When the diffraction gratings arranged in this way are less than one pitch, the corresponding cell cannot function as a diffraction grating. In this case, not only such a region (cell) itself becomes a substantially useless region, but also the light emitted in the direction that the cell should originally carry cannot be emitted correctly, and the diffraction efficiency is conventionally lowered. Was invited.

図５におけるセル番号７，１４のようなセル、すなわち、凸部１１ａの１ピッチ分を含むことができていないセルについては、先に説明した合成セル１０ｂに変換する処理を行う。なお、この変換処理は、設計プログラムにより自動又は半自動化することができる。また、設計者自身が手作業で以下の変換処理を行ってもよい。いずれの変換処理によっても、先の図１に示したような合成セル１０ｂが構成可能であれば、得られる結果は同じである。
先ず、図５のような基本設計を従来のグレーティングセルアレイの設計手法により行った後、セルの移動（場所交換）処理が行われる。 A cell such as cell numbers 7 and 14 in FIG. 5, that is, a cell that cannot include one pitch of the convex portion 11a, is converted into the composite cell 10b described above. This conversion process can be automated or semi-automated by a design program. Further, the designer himself may manually perform the following conversion process. If the composite cell 10b as shown in FIG. 1 can be configured by any of the conversion processes, the obtained result is the same.
First, the basic design as shown in FIG. 5 is performed by the conventional grating cell grating design method, and then the cell movement (location exchange) process is performed.

図６は、図５の状態からセルの移動を行った結果の一例を示す図である。
この例では、セル番号１１とセル番号１４とを場所交換して配置し直した。ここで、場所交換の狙いは、１ピッチ分が含まれていない、すなわち、１ピッチの長さが基本セル１０ａ内に収まらない程度に大きい回折格子を含むセル（ここでは、セル番号７，１４のセル）を並べて配置し、これら繋げると１ピッチの長さを超える長さのセルとなるように配置することである。ここで、並べて配置するセル（セル番号７，１４のセル）は、これらのセル内における回折格子の凸部１１ａが並ぶ方向に最も近い方向に並べる必要がある。この条件を満たせば、並べる位置は、図６の例に限らない。例えば、セル番号７の下にセル番号１４を配置するようにしてもよい。 FIG. 6 is a diagram showing an example of the result of moving the cell from the state of FIG.
In this example, the cell number 11 and the cell number 14 are rearranged by exchanging places. Here, the aim of the place exchange is a cell containing a diffraction grating that does not include one pitch, that is, the length of one pitch does not fit in the basic cell 10a (here, cell numbers 7 and 14). The cells) are arranged side by side, and when they are connected, they are arranged so as to be a cell having a length exceeding the length of one pitch. Here, the cells arranged side by side (cells of cell numbers 7 and 14) need to be arranged in the direction closest to the direction in which the convex portions 11a of the diffraction grating are arranged in these cells. If this condition is satisfied, the arrangement position is not limited to the example of FIG. For example, the cell number 14 may be arranged under the cell number 7.

図７は、図６のように２つのセル（セル番号７，１４のセル）を組み合わせた状態から、さらに、組み合わせた２つセルを組み合わせた数に分割し、回折格子をそれぞれに配置し直した状態を示す図である。
ここで、合成セルを分割する方向は、２つのセルを並べた方向（特定の方向：図中の上下方向）に交差する方向である図中の左右方向に分割する。これにより、１つの合成セルの面積を基本セルの面積と同じとしながら、合成セルの特定の方向（図中の上下方向）の長さを２倍にすることができる。そして新たにできた図中の上下方向に長い２つの合成セルのそれぞれを、新たにセル番号４，１４として割り振り直して、それぞれに、元のセル番号４，１４と同じ回折格子を配置する。これにより、新たにできた合成セルであるセル番号４，１４のそれぞれには、ピッチの長い回折格子が１ピッチ分を含んで構成可能である。また、基本セル１０ａと合成セル１０ｂとは、その面積が同じであるので、それぞれのセルが担う光の光量に変化は生じない。 In FIG. 7, from the state where two cells (cells of cell numbers 7 and 14) are combined as shown in FIG. 6, the two combined cells are further divided into a combined number, and the diffraction grating is re-arranged in each. It is a figure which shows the state which was made.
Here, the direction in which the composite cell is divided is divided into the left-right direction in the figure, which is the direction in which the two cells intersect in the direction in which the two cells are arranged (specific direction: the vertical direction in the figure). As a result, the length of the composite cell in a specific direction (vertical direction in the figure) can be doubled while the area of one composite cell is the same as the area of the basic cell. Then, each of the two vertically long composite cells in the newly created figure is newly reassigned as cell numbers 4 and 14, and the same diffraction grating as the original cell numbers 4 and 14 is arranged in each. As a result, each of the newly created synthetic cells, cell numbers 4 and 14, can be configured to include a diffraction grating having a long pitch for one pitch. Further, since the basic cell 10a and the synthetic cell 10b have the same area, the amount of light carried by each cell does not change.

以上説明したように、第１実施形態によれば、回折光学素子１０は、複数のセルを合成及び分割して構成した合成セル１０ｂを設けたので、ピッチの大きな回折格子を配置可能である。また、回折光学素子１０は、基本セル１０ａについては、そのサイズを従来と同様にすることができるので、多数の回折格子を配置可能であって、従来と同様な光の成形を行うことが可能である。 As described above, according to the first embodiment, the diffractive optical element 10 is provided with the synthetic cell 10b formed by synthesizing and dividing a plurality of cells, so that a diffraction grating having a large pitch can be arranged. Further, since the size of the basic cell 10a of the diffractive optical element 10 can be made the same as the conventional one, a large number of diffraction gratings can be arranged and the same light molding as the conventional one can be performed. Is.

（第２実施形態）
図８は、本発明による回折光学素子の第２実施形態を示す平面図である。
第２実施形態の回折光学素子１０は、合成セル１０ｂの構成が第１実施形態と異なる他は、第１実施形態と同様な構成をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。 (Second Embodiment)
FIG. 8 is a plan view showing a second embodiment of the diffractive optical element according to the present invention.
The diffractive optical element 10 of the second embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the configuration of the synthetic cell 10b is different from that of the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and duplicate description will be omitted as appropriate.

第２実施形態の回折光学素子１０では、合成セル１０ｂを繋げた１つのセルとせずに、間隔を空けて並べて配列されている複数のセルによって構成している点が、第１実施形態と異なっている。そして、この間隔を空けて並べて配列されている複数のセルは、凸部１１ａのピッチ及び面内の回転方向の配置が同一であって凸部１１ａの１ピッチを含む回折格子を有している。
図８の例では、２つの合成セル１０ｂは、それらの間にセル番号１５の基本セル１０ａを挟んで間隔を空けて並べて配列されている。この合成セル１０ｂのそれぞれのセル、すなわち、間を空けて並べて配列されたセル番号７同士、及びセル番号１４同士には、それらの組合せで同一のピッチ及び回転方向に配置された同一の回折格子が配置されている。これを図９を用いてより分かりやすく説明する。 The diffractive optical element 10 of the second embodiment is different from the first embodiment in that it is composed of a plurality of cells arranged side by side at intervals, instead of being one cell in which the synthetic cells 10b are connected. ing. The plurality of cells arranged side by side at this interval have a diffraction grating in which the pitch of the convex portion 11a and the arrangement in the rotation direction in the plane are the same and include one pitch of the convex portion 11a. ..
In the example of FIG. 8, the two synthetic cells 10b are arranged side by side with a space between them with the basic cell 10a of cell number 15 interposed therebetween. In each cell of the synthetic cell 10b, that is, the cell numbers 7 arranged side by side with a gap and the cell numbers 14 have the same diffraction grating arranged in the same pitch and rotation direction in the combination thereof. Is arranged. This will be described in a more understandable manner with reference to FIG.

図９は、図８の状態からセル番号１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。
第２実施形態の回折光学素子１０は、合成セル１０ｂを並べずに、間隔を空けて配置しているが、その間隔を空けて配置した回折格子は、回折格子の間が抜けた形ではあるものの、両者の間には、連続した関係、すなわち、両者は、同一の回折格子の一部をそれぞれ構成している。回折格子は、このように途中の部分が欠落していても、全体として同一の回折格子を構成していれば、回折格子としての所望の性能を発揮できる。よって、第２実施形態の回折光学素子１０は、第１実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。 In FIG. 9, the basic cell 10a of the cell number 15 is removed from the state of FIG. 8, and the same diffraction gratings as the cell numbers 7 and 14 are arranged and shown, although they do not actually exist at the position. It is a figure.
The diffraction optical elements 10 of the second embodiment are arranged at intervals without arranging the synthetic cells 10b, but the diffraction gratings arranged at intervals are in a form in which the diffraction gratings are spaced apart. However, there is a continuous relationship between the two, that is, they each form part of the same diffraction grating. Even if the part in the middle of the diffraction grating is missing, the desired performance as the diffraction grating can be exhibited as long as the same diffraction grating is formed as a whole. Therefore, the diffractive optical element 10 of the second embodiment can exhibit the same operation and effect as that of the first embodiment.

（第３実施形態）
図１０は、本発明による回折光学素子の第３実施形態を示す平面図である。
第３実施形態の回折光学素子１０についても、合成セル１０ｂの構成が第１実施形態と異なる他は、第１実施形態と同様な構成をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。 (Third Embodiment)
FIG. 10 is a plan view showing a third embodiment of the diffractive optical element according to the present invention.
The diffractive optical element 10 of the third embodiment has the same configuration as that of the first embodiment except that the configuration of the synthetic cell 10b is different from that of the first embodiment. Therefore, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the first embodiment described above, and duplicate description will be omitted as appropriate.

先に説明した第１実施形態及び第２実施形態では、ピッチの大きな回折格子において凸部１１ａが並ぶ向きが基本セル１０ａの辺の延在する向きに近い向きにあることから、正方形の基本セル１０ａを図中上下、又は、左右に並べたり、間隔を空けて配置したりすることで、大きなピッチを包含可能であった。しかし、回折格子の面内における回転方向は、このように都合よくなるとは限らず、例えば、基本セル１０ａの対角線方向に近い向きに凸部１１ａが並ぶ場合も多数存在する。そのような場合には、上述した第１実施形態及び第２実施形態を応用しただけでは、対応できないおそれがある。
第３実施形態では、例えば、基本セル１０ａの対角線方向に近い向きに凸部１１ａが並ぶ場合に有効な形態である。 In the first embodiment and the second embodiment described above, since the direction in which the convex portions 11a are lined up in the diffraction grating having a large pitch is close to the extending direction of the sides of the basic cell 10a, the square basic cell By arranging the 10a vertically or horizontally in the figure or arranging them at intervals, it was possible to include a large pitch. However, the rotation direction in the plane of the diffraction grating is not always convenient in this way, and for example, there are many cases where the convex portions 11a are arranged in a direction close to the diagonal direction of the basic cell 10a. In such a case, there is a possibility that it cannot be dealt with only by applying the above-mentioned first embodiment and the second embodiment.
In the third embodiment, for example, it is an effective embodiment when the convex portions 11a are arranged in a direction close to the diagonal direction of the basic cell 10a.

図１０に示すように、第３実施形態では、斜め方向、すなわち、基本セル１０ａの対角線方向に近い方向に合成セル１０ｂを間隔を空けて配置した。また、合成セル１０ｂの分割の向きを、基本セル１０ａの対角線方向とした。これにより、図１０に示すように、基本セル１０ａの対角線方向に近い方向に凸部１１ａが並ぶ回折格子であっても、その１ピッチ以上を合成セル１０ｂの全体で含めて構成することが可能である。 As shown in FIG. 10, in the third embodiment, the composite cells 10b are arranged at intervals in the diagonal direction, that is, in the direction close to the diagonal direction of the basic cell 10a. Further, the direction of division of the composite cell 10b was set to the diagonal direction of the basic cell 10a. As a result, as shown in FIG. 10, even in a diffraction grating in which the convex portions 11a are arranged in a direction close to the diagonal direction of the basic cell 10a, it is possible to include one pitch or more of the diffraction grating in the entire composite cell 10b. Is.

図１１は、第２実施形態の図９と同様に、第３実施形態について、図１０の状態からセル番号１，２，５，６，９，１０，１１，１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。
図１１に示すように、２つのセル番号７は、同一の回折格子の一部を構成しており、同様に、２つのセル番号１４は、同一の回折格子の一部を構成している。そして、２つの合成セルを組み合わせて表される回折格子は、いずれも、１ピッチ以上の回折格子を含んだものとなっている。よって、斜め方向であっても、第３実施形態の回折光学素子１０は、第１実施形態及び第２実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。 FIG. 11 shows the same as in FIG. 9 of the second embodiment, in the third embodiment, the basic cells 10a of the cell numbers 1, 2, 5, 6, 9, 10, 11 and 15 are removed from the state of FIG. Although it does not actually exist at that position, it is a diagram showing the same diffraction gratings as cell number 7 and cell number 14 arranged in an array.
As shown in FIG. 11, the two cell numbers 7 form a part of the same diffraction grating, and similarly, the two cell numbers 14 form a part of the same diffraction grating. Each of the diffraction gratings represented by combining the two synthetic cells includes a diffraction grating having one pitch or more. Therefore, the diffractive optical element 10 of the third embodiment can exhibit the same operations and effects as those of the first embodiment and the second embodiment even in the oblique direction.

（第４実施形態）
図１２は、本発明による回折光学素子の第４実施形態を示す平面図である。
第４実施形態の回折光学素子１０についても、合成セル１０ｂの構成が第２実施形態と異なる他は、第２実施形態と同様な構成をしている。よって、前述した第１実施形態及び第２実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。 (Fourth Embodiment)
FIG. 12 is a plan view showing a fourth embodiment of the diffractive optical element according to the present invention.
The diffractive optical element 10 of the fourth embodiment has the same configuration as that of the second embodiment except that the configuration of the synthetic cell 10b is different from that of the second embodiment. Therefore, the same reference numerals are given to the portions that perform the same functions as those of the first embodiment and the second embodiment described above, and duplicate description will be omitted as appropriate.

第４実施形態の回折光学素子１０は、第２実施形態において、図中の上下方向に間を空けて配置されていた合成セル１０ｂが、図中の左右方向においても間を空けて配置されている例である。第４実施形態の回折光学素子１０のような合成セル１０ｂの配置としても、第１実施形態及び第２実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。 In the diffractive optical element 10 of the fourth embodiment, in the second embodiment, the synthetic cells 10b arranged with a gap in the vertical direction in the drawing are arranged with a gap in the left and right direction in the drawing. This is an example. Even with the arrangement of the synthetic cell 10b such as the diffractive optical element 10 of the fourth embodiment, the same operations and effects as those of the first embodiment and the second embodiment can be obtained.

（検証）
上記の各実施形態に相当するシミュレーションを行った結果を以下に示す。
図１３は、シミュレーションに用いた回折格子を模式的に示す図である。
シミュレーションは、図１３中のＰを１ピッチとした４段の回折格子をモデルとしている。
図１４は、シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンを示す図である。
図１５は、シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンをグリッドと併せて示す図である。
シミュレーションは、図１４（ａ）及び図１５（ａ）の形態を基本セルとして、図１４（ｂ）及び図１５（ｂ）のように図中の縦方向（回折格子の段が並ぶ方向と一致する方向）に連続して長く配置した合成セル１０ｂ（第１実施形態に相当する形態であり、以下、縦２倍セルとも呼ぶ）と、図１４（ｃ）及び図１５（ｃ）のように図中の縦方向（回折格子の段が並ぶ方向と一致する方向）に間を空けて配置した合成セル１０ｂ（第２実施形態に相当する形態であり、以下、縦抜きセルとも呼ぶ）と、図１４（ｄ）及び図１５（ｄ）のように図中の縦方向（回折格子の段が並ぶ方向と一致する方向）と左右方向（回折格子の段が並ぶ方向と直交する方向）とのそれぞれの方向について間を空けて配置した合成セル１０ｂ（第４実施形態に相当する形態であり、以下、縦横抜きセルとも呼ぶ）とについて行った。 (inspection)
The results of simulations corresponding to each of the above embodiments are shown below.
FIG. 13 is a diagram schematically showing a diffraction grating used in the simulation.
The simulation is modeled on a four-stage diffraction grating in which P in FIG. 13 is one pitch.
FIG. 14 is a diagram showing an arrangement pattern of the simulated synthetic cell 10b.
FIG. 15 is a diagram showing the arrangement pattern of the simulated composite cell 10b together with the grid.
The simulation uses the modes of FIGS. 14 (a) and 15 (a) as the basic cells, and coincides with the vertical direction (direction in which the steps of the diffraction grid are lined up) in the figure as shown in FIGS. 14 (b) and 15 (b). Synthetic cells 10b (a form corresponding to the first embodiment, hereinafter also referred to as a vertical double cell) arranged continuously and long in the direction in which the cells are formed, as shown in FIGS. 14 (c) and 15 (c). Synthetic cells 10b (a form corresponding to the second embodiment, hereinafter also referred to as a vertical cell) arranged at intervals in the vertical direction (direction corresponding to the direction in which the steps of the diffraction grid are lined up) in the figure. As shown in FIGS. 14 (d) and 15 (d), the vertical direction (direction corresponding to the direction in which the steps of the diffraction grid are lined up) and the left-right direction (direction orthogonal to the direction in which the steps of the diffraction grid are lined up) in the figure are This was performed on a synthetic cell 10b (a form corresponding to the fourth embodiment, hereinafter also referred to as a vertical / horizontal punched cell) arranged with a gap in each direction.

図１６は、基本セルにおけるピッチの変化に対する回折角の変化を理想的な状態において示す図である。
図１６に示す回折角が、本来の回折角、すなわち、設計狙いとなる回折角である。
ここで、シミュレーションは、Synopsys社製のRsoft-BeamPROPシミュレータを用いている。これは、ビーム伝播法によるシミュレーションであり、ビーム伝播法については、例えば、丸善出版・小舘香椎子、神谷武志監修「回折光学素子の数値解析とその応用」に述べられている。 FIG. 16 is a diagram showing a change in diffraction angle with respect to a change in pitch in a basic cell in an ideal state.
The diffraction angle shown in FIG. 16 is the original diffraction angle, that is, the diffraction angle that is the design target.
Here, the simulation uses an Rsoft-Beam PROP simulator manufactured by Synopsys. This is a simulation by the beam propagation method, and the beam propagation method is described in, for example, "Numerical analysis of diffractive optical elements and its application" supervised by Maruzen Publishing Co., Ltd., Kaoriko Kodate, and Takeshi Kamiya.

グレーティングセルアレイでは、図１３のような４段のグレーティングが、通常図１４（ａ）のようにセル領域が決定され、グレーティングの回転方向、ピッチにより、回折角の方向が特定される。個々のグレーティングセルは、目的の回折角をθとしたときに、ピッチ＝波長÷sin(θ)であらわされるピッチとなる。ピッチと回折角を図示したものが図１６であり、これはグレーティング周期が充分に繰り返された理想的な場合を示している。 In the grating cell array, the cell region of a four-stage grating as shown in FIG. 13 is usually determined as shown in FIG. 14 (a), and the direction of the diffraction angle is specified by the rotation direction and pitch of the grating. Each grating cell has a pitch represented by pitch = wavelength ÷ sin (θ), where θ is the target diffraction angle. FIG. 16 illustrates the pitch and diffraction angle, which shows an ideal case where the grating period is sufficiently repeated.

図１７は、２０μｍ角のセルにおいて２０μｍピッチの回折格子を備えた単位セルから出射する回折光の分布を示す図である。図１７（ａ）は、回折光の分布を濃淡で示す図であり、色が濃い部分が光量が多い部分である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の分布の中央位置Ｄ－Ｄにおける輝度分布をグラフ化した図である。
先にも説明したように、グレーティングピッチが大きくなると、一つのセルで表現できるピッチ周期数が限定される。例えば、図１４（ｂ）の正方形のセルの１辺が２０μｍの場合、グレーティングピッチが２０μｍでは１周期分、グレーティングピッチが４０μｍでは０．５周期分となる。セルの１辺が２０μｍの正方形であり、グレーティングピッチが２０μｍの場合、その回折光は、図１７に示すように単一の回折角ではなく、本来の回折角２．４３°近傍に面として回折光が分布する。
ここでは、面として分布した回折光のｘ方向－１°から＋５°までの面の重心を回折角とした。 FIG. 17 is a diagram showing the distribution of diffracted light emitted from a unit cell provided with a diffraction grating with a 20 μm pitch in a 20 μm square cell. FIG. 17A is a diagram showing the distribution of diffracted light in shades, and a dark-colored portion is a portion having a large amount of light. FIG. 17 (b) is a graph showing the luminance distribution at the center positions DD of the distribution of FIG. 17 (a).
As explained earlier, as the grating pitch increases, the number of pitch cycles that can be expressed in one cell is limited. For example, when one side of the square cell of FIG. 14B is 20 μm, the grating pitch is 20 μm for one cycle, and the grating pitch is 40 μm for 0.5 cycle. When one side of the cell is a square of 20 μm and the grating pitch is 20 μm, the diffracted light is not a single diffraction angle as shown in FIG. 17, but is diffracted as a surface near the original diffraction angle of 2.43 °. Light is distributed.
Here, the center of gravity of the surface of the diffracted light distributed as the surface from -1 ° to + 5 ° in the x direction is defined as the diffraction angle.

図１８は、シミュレーション結果をまとめて示す図である。
図１８では、ピッチに対する理想的な回折角と、上述した重心により求めた回折角とを併せて示している。
図１８を見ると、２０ｍｍ角の基本セル（図１４（ａ））の場合、ピッチが４０μｍになると理想回折角が外れることがわかる。２０μｍ角のセルに対し、縦２倍セル（図１４（ｂ））、縦抜きセル（図１４（ｃ））、縦横抜きセル（図１４（ｄ））では、理想回折角からは外れるものの２０μｍ角のセル（図１４（ａ））の外れ量に対して、外れ量が小さいことがわかる。 FIG. 18 is a diagram showing the simulation results collectively.
In FIG. 18, the ideal diffraction angle with respect to the pitch and the diffraction angle obtained from the above-mentioned center of gravity are shown together.
Looking at FIG. 18, it can be seen that in the case of a 20 mm square basic cell (FIG. 14 (a)), the ideal diffraction angle deviates when the pitch reaches 40 μm. In contrast to the 20 μm square cell, the vertical double cell (FIG. 14 (b)), the vertical punch cell (FIG. 14 (c)), and the vertical and horizontal punch cell (FIG. 14 (d)) deviate from the ideal diffraction angle but are 20 μm. It can be seen that the amount of deviation is smaller than the amount of deviation of the corner cell (FIG. 14A).

（合成セルの作用について）
図１９Ａ、図１９Ｂ、図１９Ｃは、４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。
回折光は、図１９Ａ（ａ）で示されるような、ｓｉｎ（回折角θ）＝波長λ／ｐｉｔｃｈで定義される回折角となる。
回折光の意味合いは、図１９Ａ（ｂ）で示されるように、入射光を平面波とすると、回折格子の媒質中を透過すると、光の速度が（１／屈折率）分遅くなるため、上に現れる位相面が階段状となり、さらに回折角度の面として近似できる。図１９Ａ（ｃ’）は、連続的に波面を入射した場合であり、回折角を持つ斜め方向の光の波面が形成できる。
図１９Ｂ（ｄ）は、図１９Ａ（ｃ）の部分的な回折格子を示しており、位相面の範囲は狭くなるが、図１９（ｄ’）に示すように図１９（ｃ’）と同じ連続波面ができていることがわかる。
図１９Ｂ（ｅ）は、連続する回折格子で途中には光が透過しない場合を示しており、連続波面を照射した場合には、図１９Ｂ（ｅ’）に示すように波面がそろうことがわかる。
図１９Ｃ（ｆ）は、連続しない回折格子で、途中には光が透過しない部分を形成した場合を示している。この場合、連続波面を照射した場合には、図１９Ｃ（ｆ’）に示すように、ａ部の波面とｂ部の波面の連続性が得られず、回折光とはならない。
このように、理論的にも、先に説明した各実施形態の合成セルの有用性が説明できる。 (About the action of synthetic cells)
19A, 19B, and 19C are diagrams illustrating a diffraction phenomenon by a four-stage (4-level) diffraction grating.
The diffracted light has a diffraction angle defined by sin (diffraction angle θ) = wavelength λ / pitch as shown in FIG. 19A (a).
The meaning of the diffracted light is as shown in FIG. 19A (b). The phase plane that appears is stepped and can be further approximated as a plane with a diffraction angle. FIG. 19A (c') shows a case where the wavefront is continuously incident, and a wavefront of light in an oblique direction having a diffraction angle can be formed.
19B (d) shows the partial diffraction grating of FIG. 19A (c), which is the same as FIG. 19 (c') as shown in FIG. 19 (d'), although the range of the phase plane is narrowed. It can be seen that a continuous wavefront is formed.
FIG. 19B (e) shows a case where light is not transmitted in the middle of the continuous diffraction grating, and it can be seen that when the continuous wavefront is irradiated, the wavefronts are aligned as shown in FIG. 19B (e'). ..
FIG. 19C (f) shows a case where a non-continuous diffraction grating has a portion in which light does not pass through. In this case, when the continuous wavefront is irradiated, as shown in FIG. 19C (f'), the continuity between the wavefront of the a part and the wavefront of the b part cannot be obtained, and the light is not diffracted.
In this way, theoretically, the usefulness of the synthetic cell of each embodiment described above can be explained.

（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。 (Deformed 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）各実施形態において、合成セル１０ｂとして、２つのセルを合成及び分割して構成した例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、３つ以上のセルを合成及び分割して合成セルを構成してもよい。合成するセルの数が多くなるほど、特定の方向の長さを増すことができ、より長いピッチの回折格子を配置可能となる。 (1) In each embodiment, an example in which two cells are synthesized and divided as a synthetic cell 10b has been described. Not limited to this, for example, three or more cells may be combined and divided to form a combined cell. As the number of cells to be combined increases, the length in a specific direction can be increased, and a diffraction grating having a longer pitch can be arranged.

（２）各実施形態において、合成セルの形状は、分かりやすくするためもあり、長方形や直角二等辺三角形にしたが、これらの形状は、例えば、台形としてもよく、適宜変更可能である。 (2) In each embodiment, the shape of the composite cell is a rectangle or a right-angled isosceles triangle for the sake of clarity, but these shapes may be, for example, a trapezoid and can be changed as appropriate.

（３）各実施形態において、４段（４レベル）の回折格子を例に挙げて説明した。これに限らず、例えば、２レベルでもよいし、１６レベルでもよく、段数に関して何ら制限するものではない。 (3) In each embodiment, a four-stage (four-level) diffraction grating has been described as an example. Not limited to this, for example, it may be 2 levels or 16 levels, and there is no limitation on the number of stages.

（４）各実施形態において、可視光を回折対象の波長として例示したが、これに限らず、例えば、回折対象の光は、赤外光であってもよいし、紫外光であってもよい。また、光源についても、ＬＥＤであってもよいし、レーザであってもよい。 (4) In each embodiment, visible light is exemplified as the wavelength to be diffracted, but the light is not limited to this, and for example, the light to be diffracted may be infrared light or ultraviolet light. .. Further, the light source may be an LED or a laser.

（５）各実施形態において、基本セル１０ａは、正方形である例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、基本セルの形状を長方形としてもよいし、三角形や六角形等の多角形形状としてもよい。 (5) In each embodiment, the basic cell 10a has been described with an example of being a square. Not limited to this, for example, the shape of the basic cell may be a rectangle, or may be a polygonal shape such as a triangle or a hexagon.

なお、第１実施形態～第３実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。 The first to third embodiments and the modified embodiments may be used in combination as appropriate, but detailed description thereof will be omitted. Further, the present invention is not limited to each of the embodiments described above.

１０回折光学素子
１０ａ基本セル
１０ｂ合成セル
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
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 Basic cell 10b Synthetic cell 11 High refractive index part 11a Convex part 11a-1 Level 1 step part 11a-2 Level 2 step part 11a-3 Level 3 step part 11a-4 Level 4 step part 11b Side wall part 12 Recess 13 Space 14 Low refractive index part 15 Diffraction layer 200 Screen 201 Light 202 Irradiation area 204 Irradiation area 210 Light source part

Claims

A high-refractive index portion in which a plurality of 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 a concave portion formed between at least the convex portions.
With a diffractive layer having
A plurality of cells are arranged side by side, and at least one of the pitch in which the convex portions are arranged and the arrangement in the rotation direction in the plane are different for each cell, and the pitch of the convex portions and the rotation in the plane are different in the same cell. It is a diffractive optical element that has the same orientation arrangement and shapes light by the configuration as an aggregate of the cells.
The plurality of cells
A plurality of basic cells having the same outer shape of the cell,
A cell having a different outer shape from the basic cell, the cell having a diffraction grating having a length in a specific direction longer than the length of the basic cell and including at least one pitch of the convex portion, or a cell. A synthetic cell, which is a cell having a diffraction grating including the pitch of the convex portion and the arrangement in the rotation direction in the plane by a plurality of cells arranged side by side at intervals and including one pitch of the convex portion. ,
Including
The pitch of the convex portion of the diffraction grating included in the synthetic cell is larger than the pitch of the convex portion of the diffraction grating included in the basic cell.
A diffraction optical element in which the pitch of the convex portion of the diffraction grating formed by the synthetic cell is larger than the maximum length of the outer shape of the basic cell .

In the diffractive optical element according to claim 1,
The composite cell has a shape in which a specific number of the basic cells are combined and the combined basic cells are further divided into the specific number.
A diffractive optical element characterized by.

In the diffractive optical element according to claim 2,
When the synthetic cell is configured as a plurality of cells arranged side by side at intervals, the shape of the convex portion of the synthetic cell is such that the shape of the convex portion is virtual at a position of the interval portion. The structure is continuous and has the same spatial period.
A diffractive optical element characterized by.

In the diffractive optical element according to claim 2 or 3.
The direction in which the synthetic cells are divided is a direction in which they intersect in the specific direction, or a direction in which a plurality of the synthetic cells are arranged side by side at intervals.
A diffractive optical element characterized by.