JP7238252B2 - 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 automatic driving of automobiles, and the spread of the so-called "Internet of Things". there is There are various types of sensors, and the information they detect is also diverse. One of them is to irradiate the 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。 The light source of these sensors has a wavelength distribution, brightness, and spread according to the application. Visible light to infrared wavelengths are often used. In particular, infrared rays are not easily affected by external light, are invisible, and are widely used because they can be used to observe the inside of objects. there is As for the types of light sources, LED light sources, laser light sources, and the like are often used. For example, a laser light source with little 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 an area with a certain extent of spread. be done.

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

DOEでは、高さの異なる複数の段部を備えた多段階形状により出光効率を高めることが行われている。
従来、多段階形状の段部の段数をP、光の波長をλ、DOEの素材の屈折率をnとしたときに、段部の一段当たりの段差Lは、以下の式を満たすと、出光効率が最もよいとされていた。
L=λ/(P(n-1))
In the DOE, the light output efficiency is enhanced by a multi-stage shape having a plurality of steps with different heights.
Conventionally, when P is the number of steps in a multistep shape, λ is the wavelength of light, and n is the refractive index of the material of the DOE, the step L per step of the step satisfies the following equation. considered to be the most efficient.
L=λ/(P(n−1))

特開2015-170320号公報JP 2015-170320 A 特開2000-199813号公報Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-199813

しかし、DOEの段部の一段当たりの段差は、上記式により一義的に決めるだけではなく、段差の寸法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あることを見いだした。 However, the step per step of the DOE stepped portion is not only determined uniquely by the above formula, but also by changing the dimension of the step, the efficiency can be further improved, and unnecessary light output (for example, zero-order It has been found that in some cases the light can 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。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a diffractive optical element and a light irradiation device that can further increase the efficiency of light utilization and suppress unnecessary light output.

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 means of the following solutions. In order to facilitate understanding, reference numerals corresponding to the embodiments of the present invention are used for explanation, but the present invention is not limited to these.

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、前記凸部(11a)は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部(11a-1,11a-2,11a-3,11a-4)を備えた多段階形状を有しており、前記凸部(11a)の先端を含んで計数した段部(11a-1,11a-2,11a-3,11a-4)の段数をP、光の波長をλ、前記高屈折率部(11)の屈折率をn、1を越える係数をFとしたときに、前記段部(11a-1,11a-2,11a-3,11a-4)の一段当たりの段差Lは、L=Fλ/(P(n-1))を満たす値に構成されている回折光学素子(10)である。 A first invention is a diffractive optical element (10) for shaping light, comprising a high refractive index portion (11) in which a plurality of convex portions (11a) are arranged side by side in a cross-sectional shape; A diffraction layer (15) having a low refractive index portion (14) having a lower refractive index than the portion (11) and including a recess (12) formed at least between the protrusions (11a); The convex portion (11a) has a multi-stage shape with a plurality of steps (11a-1, 11a-2, 11a-3, 11a-4) having different heights on at least one side of its side shape. P is the number of steps (11a-1, 11a-2, 11a-3, 11a-4) counted including the tip of the projection (11a), λ is the wavelength of light, and the high refractive index When n is the refractive index of the index portion (11) and F is the coefficient exceeding 1, the step difference L per step of the step portions (11a-1, 11a-2, 11a-3, 11a-4) is A diffractive optical element (10) configured to have a value that satisfies L=Fλ/(P(n−1)).

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、前記係数Fは、1.2以下の値であること、を特徴とする回折光学素子(10)である。 A second invention is the diffractive optical element (10) according to the first invention, characterized in that the coefficient F is a value of 1.2 or less.

第3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、前記凸部(11a)は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部(11a-1,11a-2,11a-3,11a-4)を備えた多段階形状を有しており、前記凸部(11a)の先端を含んで計数した段部(11a-1,11a-2,11a-3,11a-4)の段数をP、光の波長をλ、前記高屈折率部(11)の屈折率をn、1を越える係数をFとしたときに、前記段部(11a-1,11a-2,11a-3,11a-4)の一段当たりの段差Lは、L=Fλ/(P(n-1))を満たす値に構成されている光照射装置である。 A third aspect of the present invention is a light source section (210); a diffraction optical element (10) arranged at a position where light from the light source section (210) is incident and shaping the light from the light source section (210); The diffractive optical element (10) has a high refractive index portion (11) in which a plurality of convex portions (11a) are arranged in a row in a cross-sectional shape, and a refractive index higher than that of the high refractive index portion (11) and a low refractive index portion (14) including recesses (12) formed at least between the protrusions (11a), wherein the protrusions (11a) are At least one side of the side shape has a multi-stage shape having a plurality of steps (11a-1, 11a-2, 11a-3, 11a-4) with different heights, and the convex portion ( 11a) the number of steps (11a-1, 11a-2, 11a-3, 11a-4) counted including the tip, P is the wavelength of light, λ is the refractive index of the high refractive index portion (11) is n, and the coefficient exceeding 1 is F, the step difference L per step of the steps (11a-1, 11a-2, 11a-3, 11a-4) is L=Fλ/(P(n -1) It is a light irradiation device that is configured to have a value that satisfies.

第4の発明は、第3の発明に記載の光照射装置において、前記係数Fは、1.2以下の値であること、を特徴とする光照射装置である。 A fourth invention is the light irradiation device according to the third invention, characterized in that the coefficient F is a value of 1.2 or less.

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 that can further increase the efficiency of light utilization and suppress unnecessary light output.

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。1 is a plan view showing an embodiment of a diffractive optical element according to the present invention; FIG. 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。2 is a perspective view showing an example of a partial periodic structure in the example of the diffractive optical element of FIG. 1; FIG. 図2中の矢印G-G’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view of the diffractive optical element cut at the position of arrows G-G' in FIG. 2; 回折光学素子を説明する図である。It is a figure explaining a diffraction optical element. 本実施形態の回折光学素子10を、従来の回折光学素子100と並べて各段部の高さの違いを示した図である。FIG. 10 is a diagram showing the difference in height between steps of the diffractive optical element 10 of the present embodiment and the conventional diffractive optical element 100 side by side. 波長λ=500nmにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。FIG. 6 is a diagram collectively showing the simulation results of the comparative example and the simulation results of the present embodiment at wavelength λ=500 nm. 波長λ=500nmにおいて、計数F=1.025の場合の差分値を示したグラフである。It is a graph showing a difference value when the count F=1.025 at a wavelength λ=500 nm. 波長λ=500nmにおいて、計数F=1.05の場合の差分値を示したグラフである。10 is a graph showing difference values at a wavelength λ=500 nm and a count F=1.05. 波長λ=500nmにおいて、計数F=1.1の場合の差分値を示したグラフである。It is a graph showing a difference value when the count F=1.1 at the wavelength λ=500 nm. 波長λ=500nmにおいて、計数F=1.2の場合の差分値を示したグラフである。It is a graph showing a difference value when the count F=1.2 at the wavelength λ=500 nm. 波長λ=500nmにおいて、計数F=1.3の場合の差分値を示したグラフである。10 is a graph showing difference values at a wavelength λ=500 nm and a count F=1.3. 波長λ=850nmにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。波長λ=850nmについては、-1次回折光の結果は省略した。FIG. 6 is a diagram collectively showing the simulation results of the comparative example and the simulation results of the present embodiment at a wavelength λ=850 nm; For the wavelength λ=850 nm, the result of −1st order diffracted light is omitted. 波長λ=850nmにおいて、計数F=1.025の場合の差分値を示したグラフである。10 is a graph showing difference values at a wavelength λ=850 nm and a count F=1.025; 波長λ=850nmにおいて、計数F=1.05の場合の差分値を示したグラフである。10 is a graph showing difference values at a wavelength λ=850 nm and a count F=1.05; 波長λ=850nmにおいて、計数F=1.1の場合の差分値を示したグラフである。10 is a graph showing difference values at a wavelength λ=850 nm and a count F=1.1. 波長λ=850nmにおいて、計数F=1.2の場合の差分値を示したグラフである。It is a graph showing a difference value when the count F=1.2 at the wavelength λ=850 nm. 波長λ=850nmにおいて、計数F=1.3の場合の差分値を示したグラフである。10 is a graph showing difference values at a wavelength λ=850 nm and a count F=1.3.

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。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.

(実施形態)
図1は、本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。
図2は、図1の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図3は、図2中の矢印G-G’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。
図4は、回折光学素子を説明する図である。
なお、図1を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。
(embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing an embodiment of a diffractive optical element according to the invention.
2 is a perspective view showing an example of a partial periodic structure in the example of the diffractive optical element of FIG. 1. FIG.
FIG. 3 is a cross-sectional view of the diffractive optical element taken along arrows GG' in FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a diffractive optical element.
In addition, each figure shown below including FIG. 1 is a schematic diagram, and the size and shape of each part are shown exaggerated appropriately for easy understanding.
Also, in the following description, specific numerical values, shapes, materials, and the like are shown and 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。 It should be noted that the terms used in the present invention to specify shapes and geometric conditions, and their degree, for example, terms such as "parallel", "perpendicular", "identical", length and angle values, etc. Without being bound by a strict meaning, it is interpreted to include the extent to 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。
In the present invention, "to shape light" means to control the traveling direction of the light so that the shape of the light projected onto the target object or target region (irradiation region) has an arbitrary shape. Say. For example, as shown in the example of FIG. 4, a light source unit 210 is prepared that emits light 201 (FIG. 4B) that forms a circular irradiation area 202 when directly projected onto a planar screen 200 . By transmitting this light 201 through the diffractive optical element 10 of the present invention, the irradiation area 204 can be made into a desired shape such as a square (FIG. 4A), a rectangle, a circle (not shown), or the like. It is said to "shape light".
In addition, by combining the light source unit 210 and at least one diffractive optical element 10 of the present embodiment, which is arranged at a position through which the light emitted by the light source unit 210 passes, light can be irradiated in a shaped state. It can be an irradiation device.
In the present invention, the term "transparent" refers to a material that transmits at least the light of the wavelength used. For example, even if a material does not transmit visible light, if it transmits infrared light, it is 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500nmの光を発光する光源部210からの光に対して十文字形状、具体的には、例えば、±50度に、幅が±3.3度で広がる光の帯が2本公差した形状に光を広げるように設計されている。
第1実施形態の回折光学素子10は、図1に示したA,B,C,Dのそれぞれの位置において深さが異なっている。すなわち、回折光学素子10は、4段階の高さの異なる多段階形状により構成されている。そして、回折光学素子10は、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域(部分周期構造:例えば、図1のE,F領域)を有している。図2では、部分周期構造の一例を抽出して示している。
回折光学素子10は、図3に示すように、断面形状において複数の凸部11aが並んで配置されている高屈折率部11を備えている。この高屈折率部11は、同じ断面形状を維持したまま、断面の奥行き方向に延在している。
The diffractive optical element 10 of the first embodiment is a diffractive optical element (DOE) that shapes light. For example, the diffractive optical element 10 has a cross shape with respect to the light from the light source unit 210 that emits light with a wavelength of 500 nm. It is designed to spread the light in two intersecting bands.
The diffractive optical element 10 of the first embodiment has different depths at positions A, B, C, and D shown in FIG. That is, the diffractive optical element 10 has a multi-stage shape with four different heights. The diffractive optical element 10 usually has a plurality of regions having different periodic structures (partial periodic structures: regions E and F in FIG. 1, for example). FIG. 2 extracts and shows an example of the partial periodic structure.
As shown in FIG. 3, the diffractive optical element 10 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. The high refractive index portion 11 extends in the depth direction of the cross section while maintaining the same cross-sectional shape.

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

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。 3, including the recesses 12 formed between the protrusions 11a and the spaces 13 near the tops of the protrusions 11a, air exists and has a higher refractive index than the high refractive index portion 11. is low refractive index portion 14. The periodic structure in which the high refractive index portions 11 and the low refractive index portions 14 are alternately arranged constitutes the diffraction layer 15 having the function of shaping light.

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-stage shape with four steps having different heights on one side (the left side in FIG. 3) of the side shape. Specifically, the convex portion 11a has a level 1 stepped portion 11a-1 that protrudes most, a level 2 stepped portion 11a-2 that is one step lower than the level 1 stepped portion 11a-1, and a level 2 stepped portion 11a-2. It has a level 3 stepped portion 11a-3 which is one step lower than the level 3 stepped portion 11a-3 and a level 4 stepped portion 11a-4 which is one step lower than the level 3 stepped portion 11a-3. The other side (the right side in FIG. 3) of the side surface shape of the convex portion 11a is a side wall portion 11b that linearly connects from the level 1 stepped portion 11a-1 to the level 4 stepped portion 11a-4.

ここで、レベル1段部11a-1とレベル2段部11a-2との段差、レベル2段部11a-2とレベル3段部11a-3との段差、レベル3段部11a-3とレベル4段部11a-4との段差の3箇所の段差L(図5参照)は、以下の式により得られる値としている。
L=Fλ/(P(n-1))
上記式において、凸部11aの先端を含んで計数した段部の段数をP、光の波長をλ、高屈折率部11の屈折率をn、1を越える係数をFとする。
なお、計数Fは、1を越える値であることが必要であるが、1.2以下であることが望ましい。これは、Fが1.2を越えると、一次回折光の出光が低下して、光の利用効率が下がるからである。
本実施形態では、P=4、λ=500nm、n=1.5、F=1.025であり、L=256.25nmを一段分の段差としている。
Here, the level difference between the level 1 step portion 11a-1 and the level 2 step portion 11a-2, the step difference between the level 2 step portion 11a-2 and the level 3 step portion 11a-3, the level 3 step portion 11a-3 and the level The three stepped portions L (see FIG. 5) of the stepped portion 11a-4 are values obtained by the following equations.
L=Fλ/(P(n−1))
In the above formula, P is the number of steps counted including the tip of the convex portion 11a, λ is the wavelength of light, n is the refractive index of the high refractive index portion 11, and F is the coefficient exceeding 1.
Note that the count F must be a value exceeding 1, but is preferably 1.2 or less. This is because when F exceeds 1.2, the light output of the 1st-order diffracted light decreases, and the light utilization efficiency decreases.
In this embodiment, P=4, λ=500 nm, n=1.5, F=1.025, and L= 256.25 nm as one step.

この値は、従来から知られている以下の式に、計数Fを乗じたものである。
L0=λ/(P(n-1))
この従来の値に、P=4、λ=500nm、n=1.5を代入すると、L0=250nmであり、本実施形態の回折光学素子10の場合よりも小さな値となる。従来の回折光学素子では、このL0の値を一段当たりの段差として用いていた。
This value is obtained by multiplying the following formula, which is conventionally known, by a factor F.
L0=λ/(P(n−1))
Substituting P=4, λ=500 nm, and n=1.5 into these conventional values yields L0= 250 nm, which is smaller than in the case of the diffractive optical element 10 of this embodiment. In a conventional diffractive optical element, this value of L0 is used as a step per step.

図5は、本実施形態の回折光学素子10を、従来の回折光学素子100と並べて各段部の高さの違いを示した図である。
図5に示すように、本実施形態の回折光学素子10は、従来の回折光学素子100と比べて、各段部の一段当たりの段差が計数Fの分だけ一様に長くなっている。
FIG. 5 is a diagram showing the height difference between the stepped portions of the diffractive optical element 10 of this embodiment and the conventional diffractive optical element 100 side by side.
As shown in FIG. 5, in the diffractive optical element 10 of this embodiment, the steps per step of each step are uniformly longer by the factor F compared to the conventional diffractive optical element 100 .

次に、本実施形態の回折光学素子10と従来の回折光学素子100とについて、シミュレーションを行った結果を示し、出光効率と不要光とについて説明する。
回折効率の解析シミュレーションには、厳密結合波理論(RCWA(rigorous coupled-wave analysis)に基づいた演算を用いた。RCWAは、数学的には、行列の固有値問題と一次方程式を解くことに帰着されるので、原理的な困難さはない。また、このRCWAに基づいた電磁場解析のシミュレーション結果と現実とでは、現物における形状エラー等を除けば、基本的に合致する。
Next, the results of simulations performed on the diffractive optical element 10 of this embodiment and the conventional diffractive optical element 100 will be shown, and light output efficiency and unnecessary light will be described.
The analysis simulation of the diffraction efficiency used calculations based on rigorous coupled-wave analysis (RCWA).RCWA is mathematically reduced to solving a matrix eigenvalue problem and a linear equation. Moreover, the simulation result of the electromagnetic field analysis based on this RCWA basically agrees with the reality, except for the shape error in the actual product.

シミュレーションは、以下の条件により行った。
波長λ:500nm及び850nm
高屈折率部の屈折率n:1.5
低屈折率部の屈折率:1.0
ピッチ:2λ、3λ、4λ、6λ、8λ、10λの6種
多段階のレベル数P:4
The simulation was performed under the following conditions.
Wavelength λ: 500 nm and 850 nm
Refractive index n of high refractive index portion: 1.5
Refractive index of low refractive index part: 1.0
Pitch: 6 types of 2λ, 3λ, 4λ, 6λ, 8λ, 10λ Number of multi-stage levels P: 4

各段部の一段当たりの段差は、以下のように本実施形態の回折光学素子10と従来の回折光学素子100との間に違いを係数Fにより設けている。
本実施形態:L=Fλ/(P(n-1))
従来:L0=λ/(P(n-1))
また、本実施形態については、計数Fを、1.025、1.05、1.1の3種類とした。
The step per step of each step portion is provided by a coefficient F to differentiate between the diffractive optical element 10 of this embodiment and the conventional diffractive optical element 100 as follows.
This embodiment: L = Fλ / (P (n-1))
Conventional: L0=λ/(P(n-1))
Also, in this embodiment, the coefficient F is set to three types of 1.025, 1.05, and 1.1.

以上の条件により、シミュレーションを行った結果について説明する。
図6は、波長λ=500nmにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。
図6のシミュレーション出光値とは、入力光を1としたときの、各方向における出光値を示している。
図6中の0th、1st、-1stは、それぞれ、0次回折光、1次回折光、-1次回折光をそれぞれ示す。通常の利用方法では、1次回折光が大きい方が望ましく、また、0次回折光及び-1次回折光が少ない方が望ましい。
また、図6中には、比較例と本実施形態との差異が明確になるように、これらの間の差分値を示している。差分値は,本実施形態の数値から比較例の数値を差し引いて求めた値を示しており、したがって、1次回折光でみれば数値が大きくなるほど良好な結果であり、0次回折光及び-1次回折光でみれば数値が小さくなるほど良好な結果と判断できる。
The results of the simulation performed under the above conditions will be described.
FIG. 6 is a diagram collectively showing the simulation results of the comparative example and the simulation results of the present embodiment at wavelength λ=500 nm.
The simulated light output value in FIG. 6 indicates the light output value in each direction when the input light is set to 1. In FIG.
0th, 1st, and -1st in FIG. 6 indicate 0th-order diffracted light, 1st-order diffracted light, and -1st-order diffracted light, respectively. In normal usage, it is desirable that the 1st-order diffracted light is large, and that the 0th-order diffracted light and the −1st-order diffracted light are small.
Further, in FIG. 6, difference values between the comparative example and the present embodiment are shown so as to clarify the difference between them. The difference value indicates a value obtained by subtracting the numerical value of the comparative example from the numerical value of the present embodiment. Therefore, when looking at the first-order diffracted light, the larger the numerical value, the better the result. In terms of diffracted light, the smaller the numerical value, the better the result.

この差分値をより分かりやすくするために、グラフ化して示した図を、図7から図9に示す。
図7は、波長λ=500nmにおいて、計数F=1.025の場合の差分値を示したグラフである。
図8は、波長λ=500nmにおいて、計数F=1.05の場合の差分値を示したグラフである。
図9は、波長λ=500nmにおいて、計数F=1.1の場合の差分値を示したグラフである。
図10は、波長λ=500nmにおいて、計数F=1.2の場合の差分値を示したグラフである。
図11は、波長λ=500nmにおいて、計数F=1.3の場合の差分値を示したグラフである。
In order to make the difference values easier to understand, graphs are shown in FIGS. 7 to 9. FIG.
FIG. 7 is a graph showing difference values for a wavelength λ=500 nm and a count F=1.025.
FIG. 8 is a graph showing difference values at a wavelength λ=500 nm and a count F=1.05.
FIG. 9 is a graph showing difference values when the count F=1.1 at the wavelength λ=500 nm.
FIG. 10 is a graph showing difference values when the count F=1.2 at the wavelength λ=500 nm.
FIG. 11 is a graph showing difference values at a wavelength λ=500 nm and a count F=1.3.

図12は、波長λ=850nmにおいて、比較例のシミュレーション結果と、本実施形態のシミュレーション結果とをまとめて示した図である。波長λ=850nmについては、-1次回折光の結果は省略した。
図13は、波長λ=850nmにおいて、計数F=1.025の場合の差分値を示したグラフである。
図14は、波長λ=850nmにおいて、計数F=1.05の場合の差分値を示したグラフである。
図15は、波長λ=850nmにおいて、計数F=1.1の場合の差分値を示したグラフである。
図16は、波長λ=850nmにおいて、計数F=1.2の場合の差分値を示したグラフである。
図17は、波長λ=850nmにおいて、計数F=1.3の場合の差分値を示したグラフである。
FIG. 12 is a diagram collectively showing the simulation results of the comparative example and the simulation results of the present embodiment at wavelength λ=850 nm. For the wavelength λ=850 nm, the result of −1st order diffracted light is omitted.
FIG. 13 is a graph showing difference values for a wavelength λ=850 nm and a count F=1.025.
FIG. 14 is a graph showing difference values for a wavelength λ=850 nm and a count F=1.05.
FIG. 15 is a graph showing difference values when the count F=1.1 at the wavelength λ=850 nm.
FIG. 16 is a graph showing difference values when the count F=1.2 at the wavelength λ=850 nm.
FIG. 17 is a graph showing difference values when the count F=1.3 at the wavelength λ=850 nm.

図7から図11を見ると、1次回折光は、大部分において、本実施形態について改善がみられないが、計数F=1.025の場合のピッチが7λを越える範囲において、一次回折光が増加(差分値がプラス)しており、この範囲で使用することにより、1次回折光について、効率の向上が可能である。
また、0次回折光及び-1次回折光については、ピッチが3λ以上の範囲において、いずれの計数Fについても従来よりも出光値が減少(差分値がマイナス)しており、これら不要光を減らすためには有効であることがわかる。
さらに、係数Fが1.2を越えると、1次回折光の出光値が大幅に低下してしまうことがわかる。よって、1次回折光の出光効率を維持する観点から、係数Fは、1.2以下とすることが望ましい。
Looking at FIGS. 7 to 11, the first-order diffracted light is mostly not improved in this embodiment, but in the range where the pitch exceeds 7λ when the coefficient F=1.025, the first-order diffracted light is It increases (the difference value is positive), and by using it within this range, it is possible to improve the efficiency of the first-order diffracted light.
In addition, for the 0th-order diffracted light and the -1st-order diffracted light, the light output value is smaller than the conventional value (the difference value is negative) for all the coefficients F in the range of the pitch of 3λ or more. It is found to be effective for
Furthermore, it can be seen that when the coefficient F exceeds 1.2, the light output value of the first-order diffracted light is greatly reduced. Therefore, from the viewpoint of maintaining the light output efficiency of the first-order diffracted light, it is desirable that the coefficient F is 1.2 or less.

また、波長λ=850nmにおいては、係数Fが1.2を越えると、0次回折光が増加(差分値がプラス)となってしまい望ましくない。よって、波長λ=850nmにおいても、係数Fは、1.2以下とすることが望ましい。 Also, at the wavelength λ=850 nm, if the coefficient F exceeds 1.2, the 0th-order diffracted light increases (the difference value is positive), which is undesirable. Therefore, it is desirable that the coefficient F is 1.2 or less even at the wavelength λ=850 nm.

以上説明したように、本実施形態によれば、従来から知られている一段当たりの段差よりもさらに段差を大きく設定した。これにより、特定の条件下においては、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。これは、従来から知られている設計セオリーでは到底得られないものである。 As described above, according to the present embodiment, the step is set to be larger than the conventionally known step per step. As a result, under specific conditions, it is possible to further increase the light utilization efficiency and suppress unnecessary light emission. This is something that can never be obtained with conventionally known design theories.

(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)
Various modifications and changes are possible without being limited to the embodiments described above, and they 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 embodiments, the diffractive optical element is shown as a simple form composed only of the high refractive index portion. Not limited to this, for example, a transparent base material for forming the high refractive index portion may be provided, the low refractive index portion 14 may be made of resin, or a coating layer may be provided to cover the diffraction layer. good too.

(2)実施形態において、回折光学素子は、波長が500nmの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、波長780nm以上の赤外線を回折するものであってもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。 (2) In the embodiments, an example was given in which the diffractive optical element was designed to diffract light with a wavelength of 500 nm. Not limited to this, for example, the diffractive optical element may be one that diffracts infrared light with a wavelength of 780 nm or more, and is not limited to infrared light, and may be one that diffracts light of any wavelength, such as visible light. The present invention may be applied.

(3)各実施形態において、光照射装置は、波長が500nmの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源部が波長780nm以上の赤外光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源部を光照射装置に適用してもよい。 (3) In each embodiment, the light irradiation device has been described with an example designed to diffract light with a wavelength of 500 nm. For example, the light source unit may emit infrared light having a wavelength of 780 nm or more. You may apply to an irradiation apparatus.

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。 Although the embodiments and modifications can be used in combination as appropriate, detailed description thereof will be omitted. Moreover, the present invention is not limited to each embodiment described above.

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

Claims (2)

光を整形する回折光学素子であって、
断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、
前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む屈折率が1である低屈折率部と、
を有する回折層を備え、
前記凸部は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部を備えピッチ4000nm以上で並んだ多段階形状を有しており、
前記凸部の先端を含んで計数した段部の段数をP、光の波長をλ=500nm、前記高屈折率部の屈折率をn、1.025以上1.03以下の係数をFとしたときに、前記段部の一段当たりの段差Lは、
L=Fλ/(P(n-1))
を満たす値に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 protrusions are arranged side by side in a cross-sectional shape;
a low refractive index portion having a refractive index lower than that of the high refractive index portion and having a refractive index of 1 including at least concave portions formed between the convex portions;
a diffractive layer having
The convex portion has a multi-stage shape having a plurality of step portions with different heights on at least one side of the side surface shape and arranged at a pitch of 4000 nm or more,
P is the number of steps counted including the tip of the convex portion, λ=500 nm is the wavelength of light, n is the refractive index of the high refractive index portion, and F is the coefficient of 1.025 or more and 1.03 or less. Sometimes, the step L per step of the stepped portion is
L=Fλ/(P(n−1))
A diffractive optical element configured to a value that satisfies
光源部と、
前記光源部からの光が入射する位置に配置され、前記光源部からの光を成形する回折光学素子と、
を備え、
前記回折光学素子は、
断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、
前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む屈折率が1である低屈折率部と、
を有する回折層を備え、
前記凸部は、その側面形状の少なくとも一方側に、高さの異なる複数の段部を備えピッチ4000nm以上で並んだ多段階形状を有しており、
前記凸部の先端を含んで計数した段部の段数をP、光の波長をλ=500nm、前記高屈折率部の屈折率をn、1.025以上1.03以下の係数をFとしたときに、前記段部の一段当たりの段差Lは、
L=Fλ/(P(n-1))
を満たす値に構成されている光照射装置。
a light source;
a diffractive optical element arranged at a position where the light from the light source unit is incident and shaping the light from the light source unit;
with
The diffractive optical element is
a high refractive index portion in which a plurality of protrusions are arranged side by side in a cross-sectional shape;
a low refractive index portion having a refractive index lower than that of the high refractive index portion and having a refractive index of 1 including at least concave portions formed between the convex portions;
a diffractive layer having
The convex portion has a multi-stage shape having a plurality of step portions with different heights on at least one side of the side surface shape and arranged at a pitch of 4000 nm or more,
P is the number of steps counted including the tip of the convex portion, λ=500 nm is the wavelength of light, n is the refractive index of the high refractive index portion, and F is the coefficient of 1.025 or more and 1.03 or less. Sometimes, the step L per step of the stepped portion is
L=Fλ/(P(n−1))
A light irradiation device that is configured to a value that satisfies
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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JP7196406B2 (en) 2017-03-17 2022-12-27 大日本印刷株式会社 Diffractive optical element
JP2020008720A (en) * 2018-07-09 2020-01-16 大日本印刷株式会社 Reflection type optical diffraction element, manufacturing method of reflection type optical diffraction element

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002350623A (en) 2001-05-23 2002-12-04 Dainippon Printing Co Ltd Method for manufacturing diffraction optical element
JP2005084485A (en) 2003-09-10 2005-03-31 Nikon Corp Diffraction optical element
JP2009197217A (en) 2008-01-21 2009-09-03 Canon Inc Resin composition and optical element, diffractive optical element and laminated diffractive optical element molded by the same

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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH1020106A (en) * 1996-07-09 1998-01-23 Canon Inc Diffraction optical grating, projection optical system illumination optical system, optical aperture, exposure device and production of device

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002350623A (en) 2001-05-23 2002-12-04 Dainippon Printing Co Ltd Method for manufacturing diffraction optical element
JP2005084485A (en) 2003-09-10 2005-03-31 Nikon Corp Diffraction optical element
JP2009197217A (en) 2008-01-21 2009-09-03 Canon Inc Resin composition and optical element, diffractive optical element and laminated diffractive optical element molded by the same

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