JPWO2015030127A1 - 回折光学素子、投影装置及び計測装置 - Google Patents

Abstract

出射する光のパターンの設計自由度を制限することなく、０次回折光が含まれる場合であっても検出面内での光量が一様な光のパターンを出射したり、光量分布が均一な全面照射となるような光のパターンを出射できるようにする。本発明による回折光学素子は、回折作用により入射光の発散角度を変換する機能である発散角度変換機能と、回折作用により入射する光束を複数の光束に分岐させる機能である光束分岐機能とを組み合わせて、発散光の入射光を前記入射光の発散角度とは異なる発散角度を有する複数の回折光に分岐して出射する。

Description

本発明は、回折光学素子、投影装置及び計測装置に関する。

所定の光を計測対象に照射し、その計測対象によって散乱された光を検出することにより、３次元計測を行う装置がある。このような３次元計測装置として特定の光のパターンを計測対象に照射して計測対象の形状等の計測を行う計測装置（特許文献１）やタイムオブフライト法を用いた計測装置が知られている。前者の方法では、特定の光のパターンの変化を計測することで複数箇所における当該計測装置と計測対象の距離を計測する。また、タイムオブフライト法では、照明光を被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部において受光されるまでの光飛行時間（Time Of Flight）を測定することで距離情報を得る。

これらの方法において計測対象に特定の光のパターンや照明光を照射する際、回折光学素子を用いて所定の光のパターンを生成して、生成された光のパターンを照射する構成とすることができる。この場合、生成された光のパターンは、複数の回折光による所定の光量以上の光スポットの集まりとして定義される。光スポットの位置や光強度を制御することにより特定の光のパターンを形成でき、また、各光スポットが重なりをもつようにすれば照明光にもなる。

検出感度の高い検出を行おうとする場合、生成された光のパターンは、検出面内での光量が一様であることが好ましい。

ところが、回折光学素子に平行光を入射する場合、０次回折光が光量の大きい光として出射される場合がある。そのような場合には、０次回折光に対して相対的に弱い他の回折光による光スポットを認識できなくなる問題や、ゲインを高めに調節した場合においても、０次回折光による光スポットの周囲ににじみ等が発生し、周囲の他の回折光による光スポットを認識できなくなる問題が生じる。このような０次回折光の発生を抑制するための構成として、例えば特許文献２に開示されているような、複数の回折光学素子を積層する構成が知られている。

また、本発明に関連する技術として、特許文献３および特許文献４には、拡散機能と回折レンズ機能とを一体化した光学素子の例が記載されている。

日本国特表２００９−５３１６５５号公報 日本国国際公開第２００９／０９３２２８号 日本国特許第３６９４０４８号公報 日本国米国特許第６０７５６２７号明細書

しかし、複数の回折光学素子を積層する構成の場合、積層時の位置合わせの問題や、出射できる光のパターンに制限があり、光のパターンを自由に設定できない問題がある。

ところで、回折光学素子に対して発散光を入射することで０次回折光を発散光として出射させれば、０次回折光の光密度を低減できる。しかし、この場合には、他の回折光も発散光として出射されるため、投影面上で各回折光が重なり合うなど所望の光のパターンを生成できない問題があった。

なお、特許文献３および特許文献４に記載されている光学素子は、均一照明を行うためのものであって、像を拡散（diffusion）させつつ、その拡散させる範囲を広めたり狭めたり、または拡散させる範囲をずらす用途で、拡散機能を有する回折光学素子に、偏向や集光といったレンズ機能を組み合わせているだけである。そこには、光スポットを独立して認識できるような所定の光のパターンを出射させることや、その際に０次回折光の光密度を低減させようといったことは何ら考慮されていないため、特許文献３や特許文献４に記載されている構成では上記問題を解決できない。

さらに、所定の光のパターンを出射する回折光学素子に回折レンズ機能を付加させる場合、入射する発散光の発散角度が大きい場合や、出射する光の出射角度が大きいような場合には、回折光学素子を構成する凹凸の大きさが小さくなり加工が困難になる問題が生じる。そのような場合であっても、加工の困難性を回避しつつ、所定の光のパターンを出射できることが好ましい。なお、特許文献３には、回折レンズの凹凸パターンの幅が小さくなることによる加工の困難性を回避するために、凹凸の段差と幅を２倍にして高次の回折光を使用する方法が記載されているが、特定の光のパターンを出射する場合、設計のやり直しを避けるため、次数の変更を伴わずに加工の困難性を回避できることが好ましい。

また、一般的に出射される光の出射角度が大きくなると、出射される光のうち広角の成分の光量が低下する場合がある。複数の回折光からなる光束に対しても同様のことが言えるが、このような場合に、回折光の強度のみをパラメータとして設計すると十分な設計自由度が得られない場合がある。

そこで、本発明は、出射する光のパターンの設計自由度を制限することなく、検出面内での光量が一様な光のパターンを出射できる回折光学素子、投影装置及び計測装置の提供を目的とする。

さらに、本発明は、入射する発散光の発散角度が大きい場合や、出射する光の出射角度が大きい場合であっても、加工が容易な回折光学素子、投影装置及び計測装置の提供を目的とする。

また、本発明は、光量分布が均一な全面照射が可能な回折光学素子、投影装置及び計測装置の提供を目的とする。

また、所望される光量分布は一様でない場合も考えられる。そこで、本発明は、さらに所定の投影面において任意の光量分布を有する光のパターンを出射できる回折光学素子、投影装置及び計測装置の提供を目的とする。

本発明による回折光学素子は、回折作用により入射光の発散角度を変換する機能である発散角度変換機能と、回折作用により入射する光束を複数の光束に分岐させる機能である光束分岐機能とを組み合わせて、発散光の入射光を前記入射光の発散角度とは異なる発散角度を有する複数の回折光に分岐して出射することを特徴とする。

このように、発散角度変換機能と光束分岐機能とを組み合わせた構成とすることにより、分岐させた回折光をそれぞれ任意の発散角度の光束に変換して出射できることに加えて、０次回折光を発散光として出射できるので、出射する光のパターンの設計自由度を制限することなく投影面上での０次回折光の光量を低減できる。その結果、検出面内での光量が一様な光のパターンを出射できたり、０次回折光が含まれる場合であっても、光量分布が均一な全面照射ができる。また、光束分岐機能において回折光の密度分布や光強度を調整すれば、所定の投影面において任意の光量分布を有する光のパターンを出射できる。

また、本発明の回折光学素子は、入射光に位相分布を付与する凹凸パターンが形成された回折部を有し、前記凹凸パターンは、入射光の発散角度を変換する回折機能を発現する第１の位相と、入射する光束を複数の光束に分岐する回折機能を発現する第２の位相とを重畳して得られる第３の位相の面内分布を凹凸形状に変換したものであってもよい。

このような構成により、片側の面に凹凸パターンを加工するだけで上記効果を得られる。

また、前記第１の位相は、２階調以上の階調で表現されており、位相の中心からある距離以上では中心よりも階調数の少ない階調で表現されており、前記位相の中心からある距離以上で前記凹凸パターンにおける１段の高さが中心付近の１段の高さよりも大きくなっていてもよい。

このような構成により、入射光の発散角度が大きい場合であっても、凹凸形状を加工可能な幅に調整でき、加工ができなくなる問題や加工後の形状が悪い等による不要な迷光の発生を防止できる。

また、前記第１の位相は、所定の距離離れた位置の発光点からの発散光の光を平行光に変換する回折機能を発現する位相であってもよい。

このような構成により、０次回折光の光密度を低減させつつ、特定の光のパターンを投影面上に投影できる。

また、本発明による回折光学素子は、出射される０次光の光軸と垂直な投影面において、投影面を複数の領域に分割した場合に、領域ごとの光量の平均値がある方向に増加または減少していてもよい。また、本発明による回折光学素子は、出射される０次光の光軸と垂直な投影面において、投影面を複数の領域に分割した場合に、領域ごとの回折光の密度または領域ごとの回折光の光強度平均がある方向に増加または減少していてもよい。

このような構成により、装置を傾けて配置する場合であっても、主な投影面上における光のパターンの光量分布を均一にできる。

また、本発明による投影装置は、発散光を出射する光源と、上述のいずれかの回折光学素子とを備え、前記回折光学素子は、前記光源から出射された発散光の入射光を、前記入射光の発散角度とは異なる発散角度を有する複数の回折光に分岐して出射し、前記回折光学素子によって出射された回折光によって所定の投影面上に所定の光のパターンが形成されることを特徴とする。

本発明による計測装置は、所定の光のパターンを計測対象に照射する投影装置と、前記投影装置から出射される光が測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する検出部とを備え、前記投影装置は、上述の投影装置であることを特徴とする。

本発明によれば、出射する光のパターンの設計自由度を制限することなく、０次回折光が含まれる場合であっても検出面内での光量が一様な光のパターンを出射したり、光量分布が均一な全面照射となるような光のパターンを出射できる回折光学素子、投影装置及び計測装置を提供できる。また、本発明によれば、所定の投影面において任意の光量分布を有する光のパターンを出射できる回折光学素子、投影装置及び計測装置を提供できる。さらに、本発明によれば、上記に加えて、入射する発散光の発散角度が大きい場合や、出射する光の出射角度が大きい場合であっても、加工が容易な回折光学素子、投影装置及び計測装置を提供できる。

第１の実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。 回折光学素子３０により生成される光のパターンの例を示す説明図である。 計測装置１０の配置例を示す説明図である。 回折光学素子３０が有する機能を模式的に示す説明図である。 回折光学素子３０が有する機能を模式的に示す説明図である。 回折光学素子３０が有する機能を模式的に示す説明図である。 回折光学素子３０が有する機能の他の例を模式的に示す説明図である。 回折光学素子３０が有する機能の他の例を模式的に示す説明図である。 回折光学素子３０が有する機能の他の例を模式的に示す説明図である。 回折光学素子３０の構成例を模式的に示す図である。 回折光学素子３０の構成例を模式的に示す図である。 回折部３１に形成する凹凸の形状例を示す説明図である。 発散角度変換機能を発現する位相の分布を模式的に示す説明図である。 光束分岐機能を発現する位相の分布を模式的に示す説明図である。 位相分布φ_１に対応する凹凸形状において加工幅を調整する例を示す説明図である。 位相分布φ_１に対応する凹凸形状において加工幅を調整する例を示す説明図である。 ２つの重畳する際に各位相の境界を調整する例を示す説明図である。 ２つの重畳する際に各位相の境界を調整する例を示す説明図である。 ２つの重畳する際に各位相の境界を調整する例を示す説明図である。 ２つの重畳する際に各位相の境界を調整する例を示す説明図である。 ２つの重畳する際に各位相の境界を調整する例を示す説明図である。 ２つの重畳する際に各位相の境界を調整する例を示す説明図である。 第１例における回折光学素子３０が生成する投影面上での光のパターンを示す説明図である。 第１例における回折光学素子３０の光束分岐機能が発現する位相の分布を模式的に示す説明図である。 第１例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２により形成される投影面上での光スポットの数の分布を示す説明図である。 第１例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２により形成される投影面上での光スポットの数の分布を示す説明図である。 第１例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２による投影面上の光強度分布を示す説明図である。 第１例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２による投影面上の光強度分布を示す説明図である。 第３例における回折光学素子３０から出射される各回折光により形成されるＳ２面上での光スポットの分布であり、Ｓ２面の法線方向から観察される光スポットの分布を示す説明図である。 第３例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２により形成されるＳ１面上での光スポットの分布を示す説明図である。 第３例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２によるＳ１面上の光強度分布を示す説明図である。 第３例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２によるＳ１面上の光強度分布を示す説明図である。 第３例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２によるＳ２面上の光強度分布を示す説明図である。 第３例における回折光学素子３０から出射される各回折光１２によるＳ２面上の光強度分布を示す説明図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

実施形態１．
図１は、本発明の第１の実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。本実施の形態における計測装置１０は、図１に示すように、光源２０及び回折光学素子３０を含む投影装置６０と、検出素子５０とを備えている。投影装置６０は、予め定められている投影面上に所定の光のパターンを形成する回折光１２を出射する。また、検出素子５０は、回折光１２が照射されている測定対象物４０ａ及び４０ｂからの散乱光を検出する。

回折光学素子３０は、光源２０から出射された入射光１１を入射させることにより、回折光１２を発生させる。回折光学素子３０は回折作用を有する部位を有しており、その部位に対して発散光である入射光１１が入射される。入射光１１は回折光学素子３０の回折作用によって発散角度が変化させられ、また、回折光学素子３０の回折作用によって光線が分岐されることで、複数の回折光１２となって出射される。回折光学素子３０から出射される回折光１２は、例えば各々が光スポットとなって所定の投影面上に所定の光のパターンを形成する。なお、回折光学素子３０から出射される回折光１２には、所定の光のパターンを形成すべく出射される±１次以上の回折光の他に、０次回折光が含まれる場合がある。しかし、後述するように、本実施形態の回折光学素子３０から出射される０次回折光の投影面上での光量は±１次以上の回折光の光量に比べて十分小さいものとできるため、０次回折光による投影面上での光量分布への影響は無視できるものとする。なお、０次回折光による投影面上での光量分布への影響を無視せずに、０次回折光の光量も加算した上で所望の光のパターンを設計することも可能である。

回折光１２による所定の光のパターンが測定対象物４０ａ及び４０ｂに照射した後、それら測定対象物４０ａ及び４０ｂから反射される反射光１３が検出素子５０に検出される。このとき検出素子５０により検出された情報を基に、測定対象物４０ａ及び４０ｂの３次元形状等の情報を取得できる。検出素子５０は、例えば撮像素子であってもよい。その場合、撮像素子が反射光１３による画像を撮像することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの３次元形状等の情報を取得できる。

例えば、光源２０から出射される光に所定の変調を施しておき、施した所定の変調の位相と、検出素子５０により検出される測定対象物４０ａ及び４０ｂによって反射された散乱光である反射光１３の位相との間の時間的なずれを計測することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの距離や３次元形状等の情報を取得できる。例えば、光源２０から出射される光の強度を正弦波または矩形波などで変調してもよい。

なお、３次元計測を行うためには、光スポットの数は１００以上が好ましい。回折光学素子３０から出射される回折光１２からなる光束群を１つの光束とみた場合に、その光束の光軸１２１から測定した角度を出射角度βとすると、Ｘ軸方向またはＹ軸方向のいずれかの方向において、出射角度βは７．５°以上が好ましく、１５°以上がより好ましく、３０°以上がさらに好ましい。これにより、広い範囲での計測が可能になる。また、光源２０として、レーザ光源やＬＥＤ光源などの各種光源を用いることができる。

図１に示す例では、測定対象物４０ｂが、投影装置６０の投影範囲を画する投影面の役割を果たしている。投影範囲は、検出素子５０で見えている画角の範囲すなわち検出範囲に対して±５０％以内が好ましく、±１０％以内がより好ましく、投影範囲と検出範囲が略一致することがさらに好ましい。

また、図２は、回折光学素子３０により生成される光のパターンを模式的に示す説明図である。なお、図２には、入射光１１の主光線と、投影面上において認識される光スポット１４の分布が示されている。投影面を複数の領域Ｒ_ｉｊに分割した場合、各領域Ｒ_ｉｊに照射される回折光１２による光スポット１４の分布密度は全領域の平均値に対して±５０％以内が好ましく、±２５以内％がより好ましい。これにより、投影面内で光スポット１４の分布を均一にでき、各領域Ｒ_ｉｊにおいてバラツキの少ない計測を行うことができる。

また、図３は、計測装置１０の配置例を示す説明図である。計測装置１０は、測定対象物に対して正面の位置に配置されない場合もある。例えば、図３に示すように、測定対象物の上方に計測装置１０が配置されることも考えられる。このような図３における面Ｓ２上での計測が主となる場合、面Ｓ２上に投影される光のパターンにおいて、光スポット１４の分布密度や光強度を一様に分布させる方が好ましい場合がある。そのような場合、計測装置１０の正面となる面Ｓ１上に投影される光のパターンにおける光スポット１４の分布密度や光強度に対して、傾斜をかける、すなわちある方向に向かって分布密度や光強度が増加するまたは減少するようにしてもよい。より具体的には、計測装置１０の傾き角すなわち計測装置１０から出射される光束の光軸１２１と、投影が主にされる投影面Ｓ２の法線４１とのなす角度をαとすると、傾き角αが０となる投影面Ｓ１を仮定し、その投影面Ｓ１を複数の領域に分割した場合に、各領域における光の強度の平均値がある方向に増加または減少するように、光スポット１４を形成する回折光の分布密度や光強度を調整してもよい。

例えば、光のパターンにおける光スポット１４の分布密度や光強度に用いる傾斜の一例として、関数で近似できるような傾斜を用いることができ、例えば１次関数や２次関数の傾斜としてもよい。

一例として、図３に示すように、計測装置の傾き角α、回折光学素子３０から出射される光束の出射角度βに対して、回折光学素子３０から出射される光束の光軸１２１から任意の角度ξにおける面Ｓ２までの距離をＬ１、面Ｓ１までの距離を（Ｌ１＋Ｌ２）とすると、以下の式（１）が成り立つ。

Ｌ１／（Ｌ１＋Ｌ２）＝（１−ｔａｎαｔａｎβ）／（１＋ｔａｎαｔａｎξ）・・・式（１）

光のパターンにおける光スポット１４の分布密度や光強度は距離の２乗に反比例するので、このような場合、面Ｓ１上における光スポット１４の分布密度や光強度が、１／｛（１−ｔａｎαｔａｎβ）／（１＋ｔａｎαｔａｎξ）｝^２に比例するように調整するのが好ましい。また、面Ｓ２が傾いていることによる照射面積の補正を行い、面Ｓ１上における光スポット１４の分布密度や光強度が、１／｛ｃｏｓ（ξ−α）×（１−ｔａｎαｔａｎβ）／（１＋ｔａｎαｔａｎξ）｝^２に比例するように調整してもよい。

また、ある方向に向かって光スポットの分布密度や光強度が増加（または減少）するのものとして、中心からある方向に向かって増加（または減少）し、その反対方向に向かっても増加（または減少）するように調整してもよい。
例えば、測定対象物が中心から水平方向に離れるにしたがって中心の配置よりも後方に配置される凸面の形状を有する測定対象物の場合、後方に配置される測定対象物への光の照射密度は照射光の広がりにより下がってしまう。このような照射密度の低下を補正するために、光軸に対して垂直な面に投影した場合の光量分布が（光軸に一致する）中心から水平方向に離れるに従って増加するように調整してもよい。このとき、垂直方向の光量分布は一定にできる。
また、例えば、測定対象物が中心から水平方向に離れるにしたがって中心の配置よりも前方に配置される凹面の形状を有する測定対象物の場合、前方に配置される測定対象物への光の照射密度は照射光の広がりが狭まることにより上がってしまう。このような照射密度の上昇を補正するために、光軸に対して垂直な面に投影した場合の光量分布が（光軸に一致する）中心から水平方向に離れるに従って減少するように調整してもよい。このとき、垂直方向の光量分布は一定にできる。
これに限らず、測定対象物の配置に対してその測定対象物に照射される光量変動が小さくなるように、照射面を設定しその面に対して光量分布が均一になるよう調整してもよい。

次に、回折光学素子３０の機能を説明する。回折光学素子３０は、入射光を所定の方向に出射される複数の回折光に分岐させる光束分岐機能と、出射光を入射光とは異なる発散角度を有する光束に変換する発散角度変換機能の少なくとも２つの機能を有している。

図４Ａは、回折光学素子３０が有する２つの機能を組み合わせてなる機能の例を模式的に示す説明図である。なお、図４Ａに示す機能は、図４Ｂに示す発散角度変換機能と、図４Ｃに示す光束分岐機能とを組み合わせたものである。図４Ｂは回折光学素子３０が有する機能のうちの発散角度変換機能の例を示す模式図であり、図４Ｃは回折光学素子３０が有する機能のうちの光束分岐機能の例を示す模式図である。

図４Ｂには、発散角度変換機能の例として、発散光である入射光１１ｂが入射されると、入射光１１ｂの発散角度を変換し回折光１２ｂとして出射する例が示されている。また、図４Ｃには、光束分岐機能の例として、平行光で入射した入射光１１ｃを、複数の回折光１２ｃに分岐して出射する例が示されている。図４Ｂに示す発散角度変換機能と図４Ｃに示す光束分岐機能とを合わせれば、図４Ａに示す機能となる。

図４Ａに示す回折光学素子３０は、発散光の入射光１１ａを複数の回折光１２ａに分岐するとともに、複数の回折光１２ａを各々入射光１１ａとは異なる発散角度を有する光束に変換して出射する。なお、図４Ａには、発散光である入射光１１ａに対して、複数の回折光１２ａがそれぞれ平行光となる例が示されている。このように、各回折光１２ａを平行光として出射することで、投影面上で光スポットを独立して認識できるような光のパターンを出射できる。なお、出射される各回折光は、平行光に限らず、投影面上で光スポットを独立して認識できる光量分布となれば発散光であってもよい。ここで、「光スポットとして独立して認識できる」とは、光スポット間の重なりが小さい状態であり、２つの光スポットの半径の和が２つの光スポットの中心間の距離もよりも小さい状態のことである。ここで、「光スポットの半径」とは光スポットの中心と光スポットの中心強度の１／ｅ^２の強度となる位置の間の長さのことである。投影面上には所望の光スポット以外に不要な回折光による迷光が生じる場合があるが、迷光は一般的に強度が弱いため目視によってその明暗により所望のスポット光と迷光を分けてもよい。また、各スポットの強度分布を取り、あるしきい値を設けて、そのしきい値より強度の小さい光を迷光としてもよい。

ところで、図４Ｂに示す発散角度変換機能において、０次回折光１２ｄは入射光１１と同一の発散角度を有する光束として出射される。すると、０次回折光は投影面上で広がった光束として投影されるため光密度が低下する。したがって、投影面上のある点上の０次回折光は平行光として出射される場合に比べて光強度が低下する。このような効果は図４Ａに示す回折光学素子３０、すなわち光束分岐機能を足し合わせた後の回折光学素子３０においても得られる。したがって、本実施形態の回折光学素子３０は、平行光が入射する場合に比べて投影面上の各領域Ｒ_ｉｊにおける０次回折光の光強度を低減できる。

なお、図４Ａ乃至４Ｃに示す例は、各回折光１２ａすなわち±１次以上の回折光を平行光として出射することで、投影面上に光スポットを独立して認識できる光のパターンを形成する例であるが、発散角度変換機能が行う発散角度の変化を調整することで投影範囲全面の照明もできる。なお、発散角度の変化の調整は、光源２０と回折光学素子３０との距離を変化させることによって行ってもよい。例えば、投影装置６０が、光源２０と回折光学素子３０との距離を変化させられる駆動部を備えていてもよい。

図５Ａは、回折光学素子３０が有する２つの機能を組み合わせてなる機能の他の例を模式的に示す説明図である。なお、図５Ａに示す機能は、図５Ｂに示す発散角度変換機能と、図５Ｃに示す光束分岐機能とを組み合わせたものである。図５Ｂは回折光学素子３０が有する機能のうちの発散角度変換機能の例を示す模式図であり、図５Ｃは回折光学素子３０が有する機能のうちの光束分岐機能の例を示す模式図である。

図５Ｂには、発散角度変換機能の例として、発散光である入射光１１ｂが入射されると、入射光１１ｂの発散角度を変換し回折光１２ｂとして出射する例が示されている。なお、図５Ｃに示す光束分岐機能は図４Ｃと同様である。図５Ｂに示す発散角度変換機能と図５Ｃに示す光束分岐機能とを合わせれば、図５Ａに示す機能となる。

図５Ｂに示す発散角度変換機能においても、０次回折光１２ｄは入射光１１ｂと同一の発散角度を有する光束として出射される。したがって、投影面上のある点上の０次回折光は平行光として出射される場合に比べて光強度が低下する。このような効果は光束分岐機能を足し合わせた後の回折光学素子３０においても得られるため、本例においても、平行光が入射する場合に比べて回折光学素子３０によって生じる投影面上の各領域Ｒ_ｉｊにおける０次回折光の光強度を低減できる。

図５Ａに示す回折光学素子３０は、図４Ａと同様、発散光の入射光１１ａを複数の回折光１２ａに分岐するとともに、複数の回折光１２ａを各々入射光１１ａとは異なる発散角度を有する光束に変換して出射する。ただし、図５Ａに示す例では、複数の回折光１２ａがそれぞれ発散光となっている。さらに、図５Ａに示す例では、発散光となる複数の回折光１２ａが隣り合う回折光との重なりを有しており、投影面全面を照明できるようになっている。

このとき、図５Ａにおいて回折光１２ａのそれぞれの発散角度は、図５Ｃにおいて分岐された回折光１２ｃのなかのある回折光の周辺の回折光とのなす角の０．５倍以上が好ましい。これにより、投影面全面を隙間なく照明できる。一方、回折光１２ａのそれぞれの発散角度が大きすぎると投影範囲外に照明される光量が増え、光の利用効率が落ちる。したがって、分岐される回折光１２ａすなわち０次以外の回折光１２ａのそれぞれの発散角度は０．１°以上５°以下が好ましく、０．５°以上２．５°以下がより好ましい。

また、全面照射する場合、各領域Ｒ_ｉｊにおける回折光１２の平均の光強度は全領域の平均値に対して±５０％以内が好ましく、±２５％がより好ましい。このようにすれば、投影面内で光を均一に照射でき、各領域Ｒ_ｉｊにおいてバラツキの少ない計測ができる。また、検出素子５０が大きい画角のレンズを用いているような場合、レンズのコサイン４乗則によって検出素子５０上で光の強度がｃｏｓ^４ξに従って低下する場合がある。このような場合、各領域Ｒ_ｉｊにおける回折光１２の平均の光強度が検出素子５０上で中心にあたる領域の平均値に１／ｃｏｓ^４ξを乗じた値の±５０％以内となるようにしてもよく、１／ｃｏｓ^４ξを乗じた値の±２５％以内となるようにするのがより好ましい。

また、所望の光のパターンにおいて、本例のように光スポットに重なりをもたせることにより均一照射を行う場合、各回折光の出射方向の分布として、光軸方向から離れるに従って回折光の密度をあげてもよい。これは一般に、同じ強度を有する回折光１２を光軸に垂直な投影面に対して投影する場合、出射方向つまり光軸からの角度ξに対してｃｏｓ^４ξである面積で積算した強度が低下するためである。これは、以下の３つの要因による。第１に、回折光学素子から投影面上の光軸の位置までの距離と、出射方向ξに出射された光束が投影面に至るまでの距離の比がｃｏｓξになることにより、光束の密度がその２乗のｃｏｓ^２ξとなるためである。第２に、出射方向ξに垂直な面と投影面に投影された面の面積比がｃｏｓξに比例するためである。第３に、回折光学において、隣り合う次数の回折光同士のなす角がおおよそ均一である回折光を発生させる場合、λを波長、ｍを回折次数、Ｐを光束分岐機能の周期のピッチとすると、グレーティング方程式からｓｉｎξ＝ｍλ／Ｐが成り立つことから、回折光における次の次数との角度間隔Δξは、ｓｉｎ（ξ＋Δξ）＝（ｍ＋１）λ／Ｐから求めることができる。Δξの２次以上の項を無視すると上記の式はｓｉｎξ＋Δξｃｏｓξ＝（ｍ＋１）λ／Ｐで近似できるため、元の式との差分を取るとΔξ＝λ／Ｐ／ｃｏｓξが成り立つ。したがって、中心付近の回折光の角度間隔Δξ＝λ／Ｐと比較して、角度ξ付近の回折角は１／ｃｏｓξ倍大きくなっており、その分ｃｏｓξに比例して密度が下がるためである。

したがって、上記による影響が無視できない場合、回折光１２のそれぞれの光強度を投影範囲の周辺部となるに従って大きくなるように設計する必要があるが、回折光１２の出射角度が大きくなるような場合、設計の光強度に対して実際の回折光の光強度が低下する場合がある。このような場合、回折光１２の密度が投影範囲の周辺で大きくなるように回折光の分岐方法を調整することで投影面の周辺部においてある面積における平均的な光量を大きくできる。この点は、投影面が光軸に対して傾いているような場合においても同様である。

上記のように、発散角度変換機能と光束分岐機能の２つの機能を組み合わせれば、分岐させた回折光をそれぞれ平行光または発散角度の小さな光束に変換して出射できるだけでなく、０次回折光を発散光として出射できるので、各領域における０次回折光の光量を低減できる。しかし、元々の０次回折光の光量が大きすぎると発散光として出射させた場合でも投影面上での光強度が大きくなる場合がある。このため、発生する０次回折光の入射光量に対する比は５％以下が好ましく、１％以下がより好ましい。また、入射する入射光の発散角度が小さいと投影面上の０次回折光の広がりが小さくなるため、入射する入射光の発散角度は１°以上が好ましく、５°以上がより好ましい。したがって、発散角度変換機能としては１°以上の光束を平行光束にできるのが好ましく、５°以上の光束を平行光束にできるのがより好ましい。

図６Ａ及び６Ｂは、回折光学素子３０の構成例を模式的に示す図である。なお、図６Ａは回折光学素子３０の構成例を示す模式平面図であり、図６Ｂは回折光学素子３０の構成例を示す模式断面図である。本実施形態の回折光学素子３０は、回折作用により所定の光のパターンを出射する回折部３１を有する。より具体的には、入射光１１に、所定の光のパターンを生成する複数の回折光１２に分岐する回折作用を発現する位相分布を付与する回折部３１を有する。回折部３１は、素子面内全面に配置されていてもよいし、図６Ａに示すように周辺部３２を有する構成としてもよい。周辺部３２を有する構成の場合、周辺部３２を透過する入射光１１が光のパターン内に迷光として照射されることがあるため、周辺部３２は遮光材によって遮光されるか、別の回折部や拡散部などを設けて光を回折または拡散させて投影範囲に強い迷光が照射されないようにするのが好ましい。また、周辺部３２を、光を直進透過させる構成とする場合には、入射する光束径に対して回折部３１を十分に大きくし、周辺部３２に光が照射されないようにするのが好ましい。また、周辺部３２を透過する光を遮光する遮光枠を回折光学素子３０に取り付けることで迷光が発生しないようにしてもよい。

図６Ｂに示すように、回折部３１には、２段以上の凹凸からなる凹凸パターンが形成されており、この凹凸パターンに含まれる凹凸によって発生する位相分布によって回折作用を発生させる。図６Ｂには、ガラス基板等の透明な部材３３の表面に複数の凸部３４または凹部３５を形成することにより、全体として２段以上の凹凸からなる凹凸パターンを形成する回折光学素子３０の例が示されている。

なお、回折光学素子３０は、位相分布を発生できればよく、透明な部材３３の表面に凹凸パターンを形成する構造のものに限らず、例えば、凹凸パターンが形成された透明な部材３３の上に、この部材３３とは屈折率の異なる部材を貼り合わせ、表面を平坦にした構造のものや、更には、透明な部材３３において屈折率を変化させる構造のものであってもよい。つまり、ここで、凹凸パターンとは、表面形状が凹凸である構造のみを意味するものに限らず、入射光に位相分布を与えることのできる構造を全て含むことを意味する。

また、ここでの位相とは、光の位相であり光の電場の位相項を示している。光の位相はある点を基準とした光路差ΔＬに対して２π／λを乗じたものである。光路差ΔＬは２つの異なる屈折率を有する媒質の凹凸や屈折率に分布があるような媒質を通過する場合に生じる。例えば、屈折率差がΔｎとなる２つの媒質を組み合わせてなる凹凸があり、座標（ｘ，ｙ）における一方の媒質による凸部の高さがｄ（ｘ，ｙ）となる場合には座標（ｘ，ｙ）における光路差はΔＬ（ｘ，ｙ）＝Δｎｄ（ｘ，ｙ）によって求められる。また、厚さがｄの媒質を透過する場合でその面内に屈折率分布Δｎ（ｘ，ｙ）を有するような場合には面内の各座標における光路差はΔＬ（ｘ，ｙ）＝Δｎ（ｘ，ｙ）ｄによって求められる。また、下記で位相の重畳について説明を行うがコサインやサインの位相項に対して２πを足したものは同一とみなせるため、ある２つの位相を重畳した場合、その値が２πを超えるような場合には２πの剰余を取り、その値が２πΔＬ／λとなるように光路差を設計できる。

次に、回折光学素子３０の回折部３１に形成する凹凸の形状に関して、図７Ａから図７Ｃを参照して説明する。図７Ａは、回折部３１に形成する凹凸の形状例を示す説明図であって、回折部３１に形成する凹凸の形状の一部を、８階調のモノクロ画像で示す説明図である。なお、図７Ａにおいて、黒色は凸部３４を表し、白色は凹部３５の底辺すなわち最も低い部位を表し、黒が濃いほど凸部３４の段数が多いことを表している。図７Ａに示されている凹凸の形状は、図７Ｂに示す発散角度変換機能を発現する位相と、図７Ｃに示す光束分岐機能を発現する位相とを重畳して得られた位相分布を凹凸形状に変換したものである。なお、位相分布から凹凸形状への変換は、位相分布によって示される位相の境界と媒質の屈折率とを基に各座標において必要とされる凹凸の高さを求めることにより行えばよい。

図７Ｂは、重畳したうちの一方の位相である発散角度変換機能を発現する位相の分布を８階調で表現した説明図である。なお、図７Ｂでは、網掛けの濃さにより位相の大小を表しており、網掛けが濃いほど白の部分との位相差が大きいことを表わしている。図７Ｂに示すように、発散角度変換機能を発現する位相の分布は、フレネル形状の回折レンズによって発現される位相分布であってもよい。以下、発散角度変換機能を発現する位相の分布を位相分布φ_１と記す。

位相分布φ_１は、レンズ機能により発現される位相分布であって、一般に位相関数で表される。例えば、位相分布φ_１が回転対称の場合、以下の式（２）に示す位相関数で表わされる。

式（２）において、ａ_ｉは位相関数の係数、ｒは中心からの距離、Ａは定数項を表わしている。なお、発生させる位相分布に非点収差などの収差成分を持たせたい場合には、位相分布φ_１は回転対称ではなくなる。その場合、位相分布φ_１は、ｘｙ座標内で以下の式（３）に示すようなｘとｙの多項式による位相関数で表すことができる。式（３）において、ｂ_ｉは位相関数の係数、Ｂは定数項を表わしている。ここで、式（２）に示す位相関数においてｒ＝０の位置や、式（３）の（ｘ，ｙ）＝（０，０）の位置を位相の中心と呼び、設計の際に回折光学素子３０における入射光の光軸の位置を位相の中心と一致させて設計を行う。

入射および出射方向の単位ベクトルをｑ_ｉ、ｑ_ｏ、入射点における境界の法線ベクトルをε、入射媒質の屈折率をｎ_ｉ、出射媒質の屈折率をｎ_ｏとすると、以下の式（４）に示す関係式が成り立つため、式（４）を使って光線の追跡ができる。

したがって、光線追跡法によってフレネル形状の回折レンズを設計し、位相関数を求めれば位相分布φ_１を得られる。なお、式（４）においてｍは回折光の回折次数、演算子の「×」はベクトル積を表わしている。また、位相関数から凹凸の形状に変換（量子化）するには、位相関数の２πの剰余の値が、凹凸によって発生する光路差に２π／λを乗じたものとなるようにすればよい。ここで、λは入射する光の波長である。

また、フレネル形状の回折レンズの凸部の間隔であるピッチＰ（ｒ）は、以下の式（５）によって近似的に計算できる。したがって、フレネル形状の回折レンズをＮ段の疑似ブレーズ形状とする場合は、位置ｒにおける加工幅はＰ（ｒ）／Ｎによって近似できる。

図７Ｃは、重畳したうちの他方の位相である光束分岐機能を発現する位相の分布を２値画像で表現した説明図である。図７Ｃに示すように、光束分岐機能を発現する位相の分布は、分岐用回折光学素子、すなわち光が入射すると複数の主光線をもつ光束を出射する回折光学素子によって発現される位相の分布であればよい。より具体的には、出射した光束が複数の回折光に分岐して所定の投影面上に所望の光のパターンを照射するように設計された分岐用回折光学素子によって発現される位相の分布であればよい。以下、光束分岐機能を発現する位相の分布を位相分布φ_２と記す。

位相分布φ_２は、例えば、所望の光のパターンの出射方向に、ある次数の回折光が出射されるように分岐用回折光学素子を設計することにより得られる。このとき、例えば各回折光の強度を調整すれば、投影面上における光量分布を変えられる。また、各回折光の強度の調整に加えて、または各回折光の強度の調整とは別に、ある出射角度範囲に出射される光の密度を調整することによっても、投影面上における光量分布を変えられる。なお、位相分布φ_２を得る具体的な方法としては、例えば、文献「Ｂｅｒｎａｒｄ Ｋｒｅｓｓ，Ｐａｔｒｉｃｋ Ｍｅｙｒｕｅｉｓ著，”デジタル回折光学”，丸善，２００５年」等に記載されている反復フーリエ変換法を用いた方法が挙げられる。すなわち、投影面上における黒化度分布や光強度分布を定め、そのような黒化度分布や光強度分布が得られるような位相分布を反復フーリエ変換法を用いて計算することによって、位相分布φ_２を得てもよい。本実施形態の回折光学素子３０における位相分布φ_２を得る場合、例えば、投影面上に投影させたい光スポット１４の位置を黒化度分布や光強度分布に反映しつつ、各方向へと向かう光線の密度や各光線の光強度をパラメータに用いて、反復フーリエ変換を行えばよい。なお、図７Ｃには位相分布φ_２が２値の位相で表現される例が示されているが、位相分布φ_２が表す位相は３値以上であってもよい。すなわち、位相分布φ_２を凹凸形状に変換した際に、該凹凸の形状は、２段の凹凸に限らず、３段以上の凹凸を含んでいてもよい。上記で示した分岐用回折光学素子の設計方法、すなわち投影面上に投影させたい光スポット１４の位置を黒化度分布や光強度分布に反映しつつ、各方向へと向かう光線の密度や各光線の光強度をパラメータに用いて、反復フーリエ変換を行う方法によれば、光のパターンを自由に設定できるので、所定の投影面において任意の光量分布を有する光のパターンを出射できる回折光学素子を容易に得られる。例えば、出射される０次光の光軸と垂直な投影面において領域ごとの光量の平均値がある方向に増加または減少する光のパターンを出射する回折光学素子も容易に得られる。なお、上記の分岐用回折光学素子の設計方法は、本実施形態の回折光学素子３０以外にも、光束分岐機能を利用して所定の投影面に所定の光のパターンを照射したい回折光学素子であれば好適に適用可能である。

図７Ａに示す回折部３１の凹凸の形状は、位相分布φ_１により表される位相と、位相分布φ_２によって表される位相とを重畳して得られた位相分布を凹凸形状に変換したものである。回折部３１の凹凸の形状によって発現される位相分布をφとすると、位相分布φは、φ＝φ_１＋φ_２で表される。ただし、位相分布φは、２つの位相を重畳した結果、値が２πを超えた位相については既に説明したように２πの剰余の値をとったものとされる。したがって、回折部３１の凹凸の形状は、面内の各点におけるφ_１＋φ_２の２πの剰余が、回折部３１の凹凸によって発生する光路差に２π／λ（λは入射する波長）を乗じたものとなるようにすればよい。

ところで、発散角度変換機能により発現される位相の分布である位相分布φ_１は、一般的に素子の中心から遠ざかるに従ってピッチＰ（ｒ）が小さくなる。特に、入射光の発散角度が大きいような場合には、凹凸形状における加工幅となるＰ（ｒ）／Ｎが小さくなりすぎる場合がある。加工幅が小さくなりすぎると、加工ができない場合や、加工ができたとしても加工の形状が悪く不要な迷光の原因にある場合がある。

このような場合の対処法として、Ｐ（ｒ）／Ｎが閾値Ｄよりも小さくなる場合には、疑似ブレーズの段数Ｎを減らしてもよい。図８Ａ及び８Ｂは、位相分布φ_１に対応する凹凸形状である疑似ブレーズの段数Ｎを周辺部付近で減らすことにより、加工幅を調整する例を示す説明図である。なお、図８Ａは加工幅を調整する前の位相分布φ_１に対応する凹凸の形状を模式的に示す断面図であり、図８Ｂは加工幅を調整した後の位相分布φ_１に対応する凹凸の形状を模式的に示す断面図である。図８Ｂに示すように、周辺部付近における加工幅としてＰ（ｒ）／Ｎを求めた結果、閾値Ｄよりも小さかった場合には、疑似ブレーズの段数Ｎを小さくしてもよい。図８Ｂには、周辺部付近の凹凸形状を、凹部３５の底辺部分を最下段とする８段の疑似ブレーズであったものから４段の疑似ブレーズに変更した例が示されている。疑似ブレーズの段数Ｎを下げるには、具体的には位相分布φ_１において該当する領域の位相を表現する階調数を下げればよい。

閾値Ｄの値は、例えば２μｍ以下としてもよい。なお、一般に疑似ブレーズの段数が多いほど回折効率が高くなるため、Ｄは１μｍ以下がより好ましく、０．５μｍ以下がさらに好ましい。このようにして加工幅を調整することにより、重畳後の回折部３１の凹凸形状を、加工が可能な形状にできる。

また、上記とは別の加工の問題として、位相分布φ_１により表される位相と、位相分布φ_２によって表される位相とを重畳した結果、回折部３１の位相分布φにおいて加工幅が小さくなる領域が生じる場合がある。このような例を図９Ａから図９Ｃに示す。図９Ａは位相分布φ_１により表される位相の分布を一部切り出して示す模式図であり、図９Ｂは図９Ａと同じ領域において位相分布φ_２により表される位相の分布を示す模式図である。なお、図９Ａから図９Ｆにおいて網掛け表示が異なる領域は位相が異なることを表している。

図９Ｃは、図９Ａに示す位相と図９Ｂに示す位相とを重畳させて得られる位相であって回折部３１によって発現される位相の分布を示す模式図である。図９Ｃにおいて矢印が示す領域は、２つの位相を重畳した結果、凹凸の形状が加工可能な幅よりも小さくなってしまった領域の例である。このような領域は、加工形状の劣化を起こす可能性があるため無い方が好ましい。このような領域を減らすために、例えば図９Ｄから図９Ｆに示すように、２つの位相を重畳する際に２つの位相の境界を共有させる処理を施してもよい。位相の境界を共有させる方法として、例えば、各位相分布において、位相を、加工可能な多面体形状のメッシュ領域で近似してもよい。具体的には、各位相分布において、位相の境界が、共通に設定したメッシュ領域におけるメッシュ辺に載るように位相の分布を変更すればよい。これにより、２つの位相の境界を共有させられる。図９Ｄに示す例では、一辺の長さが加工幅の閾値Ｄである矩形のメッシュ領域を使って図９Ａに示した位相を近似している。また、図９Ｅに示す例では、同じメッシュ領域を使って図９Ｂに示した位相を近似している。このように、各々の位相分布において位相の境界を一致させた上で２つの位相を重畳すれば、図９Ｆに示すように、加工幅の小さい領域を無くすことができる。このとき、図９Ｅに示す位相分布φ_２により表される位相の境界に合わせてメッシュ領域を先に設定した上で、そのメッシュ領域の位置において、図９Ｄに示す位相分布φ_１により表される位相を近似する、というように一方の位相分布の境界に他方の位相分布の境界を調整してもよい。

メッシュ領域におけるメッシュの大きさ、すなわち個々の網目の一辺の大きさが大きいと位相の近似が悪くなり、不要な回折光を発生させるため、メッシュの大きさは１μｍ以下が好ましい。また、フォトリソグラフィを用いる工程を使って加工を行う場合、フォトリソグラフィに用いるフォトマスク上において２つの位相の境界が共有されたものとしてもよい。すなわち、フォトマスク上に形成するパターン形状をメッシュ領域を使って近似してもよい。

なお、上記説明では、透明な部材３３の一方の面に、発散角度変換機能を発現する位相と、光束分岐機能を発現する位相とを重畳して得られる位相分布φを凹凸形状に変換した凹凸パターンを形成する例を示したが、位相を重畳させずに、一方の面に発散角度変換機能を発現する位相の分布を凹凸形状に変換した凹凸パターンを形成し、他方の面に光束分岐機能を発現する位相の分布を凹凸形状に変換した凹凸パターンを形成してもよい。なお、その場合には光束分岐機能の後に発散角度変換機能が発現するように凹凸パターンを配置する。すなわち、入射側に光束分岐機能を発現する位相の分布を凹凸形状に変換した凹凸パターンを形成し、出射側に発散角度変換機能を発現する位相の分布を凹凸形状に変換した凹凸パターンを形成する。

（例１）
第１例は、発散光の入射光に対して、複数の平行光の回折光を出射して投影面上に所定の光のパターンを投影する回折光学素子３０の例である。

光線追跡計算によって距離５ｍｍの位置の発光点からの光を平行光とするフレネル形状の回折レンズを計算した結果、式（２）に示した位相関数の係数として以下の表１に示す値を得る。

表１に示す値の係数を有する位相関数で表される位相分布φ_１は、光軸から３ｍｍの位置で３１°の入射角度の光束を平行光にし、光軸から１．５ｍｍの位置で１６．７°の入射角度の光束を平行光にするものである。本例では、求めた位相関数の係数から、位相分布φ_１により表される位相を８段の疑似ブレーズの位相とする。すなわち、Ｎ＝８とする。ただし、８段の疑似ブレーズとした場合に、加工幅とされるＰ（ｒ）／Ｎの値が４００ｎｍ以下となる領域については、加工幅が閾値である４００ｎｍを超えるように４段の疑似ブレーズの位相とする。

次に、平行光を入射したときに投影面上での光のパターンが図１０に示すパターンとなる回折光を出射する分岐用回折光学素子の位相分布を反復フーリエ変換を用いて計算したところ、図１１に示す位相分布を得る。なお、図１０には、光軸から水平方向に±４０．２°、垂直方向に±３２．４°の範囲に投影される２０万点の光のスポットから形成される光のパターンが示されている。また、図１１には、１ｍｍ角の範囲の位相の分布が示されている。なお、画像の解像度の都合で見えにくいが、図１１に示す位相分布は２値の位相分布である。図１１に示す位相分布を、ピッチ１ｍｍで３ｍｍ×６ｍｍの平面内に配置したものを位相分布φ_２とする。

次に、位相分布φ_１によって表される位相と、位相分布φ_２によって表される位相とを重畳して、回折部３１により発現される位相分布φを得る。得られた位相分布φを凹凸形状に変換して回折部３１の凹凸形状を得る。本例では、１段が２３０ｎｍ、最大段数が８段の凹凸形状を得る。

厚み０．５２５ｍｍの石英ガラスを洗浄後、フォトリソグラフィとエッチング加工を繰り返し、表面が前述の凹凸形状となるように石英ガラスを加工する。これにより、石英ガラスの表面に１段が２３０ｎｍで最大８段の凹凸からなる凹凸パターンを形成する。

３ｍｍ×６ｍｍの素子の外周部を不透明な枠によって固定し、素子に対して発光点が５ｍｍ離れた位置となるように８５０ｎｍのレーザ光を照射する。素子からの出射光は平行光の回折光群となり、投影面上に投影される光のパターンは図１０に示すものとなる。なお、レーザ光源の光束の広がり角のＦＷＨＭ（ｆｕｌｌ ｗｉｄｔｈ ａｔ ｈａｌｆ ｍａｘｉｍｕｍ，半値全幅）は水平方向で１０°、垂直方向で３０°である。

本例の回折光学素子３０を、上述した入射の条件で図１の計測装置における回折光学素子３０として用いる。

上記の構成で、１０００ｍｍの位置に光を投影する場合を考える。０次回折光は発散光として出射されるため、光源から５ｍｍに位置する素子における光束の大きさに対して、１０００ｍｍの位置における０次回折光の大きさは（１０００／５）^２となる。したがって、入射光に対して０．５％の０次回折光が発生するとして、投影面における単位面積あたりの光量は素子上における入射光の光量の０．００５×（５／１０００）^２＝１．２５×１０^−７倍となる。一方、分岐される回折光、すなわち±１次以上の回折光は平行光として出射されるため投影面におけるこれら回折光の大きさは素子における光束の大きさと同程度となる。発生する±１次以上の回折光の全ての光量を足し合わせたものが入射光の７０％であるとすると、発生する±１次以上の回折光の各スポットの光量の平均値は入射光の光量の０．７／２０００００＝３．５×１０^−６であり、０次回折光に対して十分大きな値となっており十分なＳ／Ｎを得ることができる。

また、投影面における±４５°の投影範囲を２１×２１の領域に分割した際に、水平方向における光スポットの個数、より具体的には±１次以上の回折光の個数を角度に対してプロットしたものを図１２Ａに示し、各領域の個数の分布を図１２Ｂに示す。本実施例の回折光学素子は投影面上の光スポットの平均的な個数が一様になるように回折角度の大きい次数の回折光の個数を増やしており、その結果、図１２Ｂに示すように投影面において一様なスポット数が得られている。

（例２）
第２例は、発散光の入射光に対して、入射光の発散角度とは異なる複数の発散光の回折光を出射して投影面を全面照射する回折光学素子３０の例である。なお、回折光学素子３０自体は第１例と同じものである。

第１例で示した回折光学素子３０を、発光点が４．５ｍｍ離れた位置となるように８５０ｎｍのレーザ光を照射する。レーザ光源の光束の広がり角のＦＷＨＭは第１例の場合と同じであり、水平方向で１０°、垂直方向で３０°である。位相分布φ_１を発現する発散角度変換機能によって光軸から３ｍｍの位置に照射される光束は２．３°の発散角度を有する発散光として出射され、位相分布φ_２を発現する光束分岐機能によって主光線が図１０に示す光のパターンを形成する各光スポット１４の位置に照射される回折光として出射される。その結果、各回折光により照射される光スポット１４は広がりを有し、投影面全面に光が照射される。

本例の回折光学素子３０を、上述した入射の条件で図１の計測装置における回折光学素子３０として用いる。

上記の構成で、１０００ｍｍの位置に光を投影する場合を考える。０次回折光は発散光として出射されるため、光源から４．５ｍｍに位置する素子における光束の大きさに対して、１０００ｍｍの位置における０次回折光の大きさは（１０００／４．５）^２となる。したがって、入射光に対して０．５％の０次回折光が発生するとして、投影面における単位面積あたりの光量は素子上における入射光の光量の０．００５×（４．５／１０００）^２＝１．０１×１０^−７倍となる。一方、分岐される回折光、すなわち±１次以上の回折光は水平方向に±４０．２°、垂直方向に±３２．４°の範囲に投影される。投影面における面積は２．１×１０^６ｍｍ^２であり、入射光の回折光学素子上のＦＷＨＭ内の光束の面積は１．８４ｍｍ^２である。ここで、発生する±１次以上の回折光の全ての光量を足し合わせたものが入射光の７０％であるとすると、投影面におけるこれら各回折光の光量の平均値は入射光の光量の０．７×１．８４／２．１×１０^６＝６．１×１０^−７であり、０次回折光に対して十分大きな値となっており０次回折光が生じることによる±１次以上の回折光の光量分布への影響は小さい。

また、光線追跡を用いて、投影面における±４５°の投影範囲を１００１×１００１の領域に分割した際に、水平方向における±１次以上の回折光の強度を角度に対して計算したものを図１３Ａに示し、各領域の強度の分布を図１３Ｂに示す。本実施例の回折光学素子は投影面上の光スポットの平均的な個数が一様になるように回折角度の大きい次数の回折光の個数を増やしており、その結果、図１３Ｂに示すように投影面において一様な強度分布が得られている。

（例３）
第３例は、均一照明したい投影面に対して傾いて設置される計測装置１０およびそれに用いられる回折光学素子３０の例である。

図３を参照して本例の計測装置１０を説明する。本例の計測装置１０は４５°上方から測定対象物を照射する配置となっている。すなわち、α＝４５°である。

また、本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０は、光軸から水平方向に±３７．８°、垂直方向に±３０．４°の範囲に光スポット１４を投影する。本例において、水平方向のβ＝３７．８°であり、垂直方向のβ＝３０．４°である。そのような条件で、回折光学素子３０を、図３のＳ２面における光の光量分布が均一となる光のパターンを出射するように設計する。Ｓ２面の法線方向から観察されるＳ２面上の光スポット１４の分布を図１４に示す。図１４において光スポット１４の存在する範囲が台形となっているが、これは検出素子５０の検出範囲をＳ２面に投影するとＳ２面が斜めになっていることによりＳ２面上の検出範囲が台形となるためである。また、このような光スポットをＳ１面に投影すると光スポットの分布は図１５のようになる。光スポットの数は１０１２１点である。

本例の回折光学素子３０では、位相分布φ_１として、第１例および第２例と同じ距離５ｍｍの位置の発光点からの光を平行光にする位相分布を用いる。

一方、位相分布φ_２として、平行光を入射したときに図３のＳ１面において光のパターンが図１５に示すものとなる光のパターンを出射する分岐用回折光学素子の位相分布を、反復フーリエ変換法によって計算する。なお、得られた位相分布を、ピッチ１ｍｍで３ｍｍ×６ｍｍの平面内に配置したものを、位相分布φ_２とする。

次に、位相分布φ_１によって表される位相と、位相分布φ_２によって表される位相とを重畳して、回折部３１の位相分布φを得る。そして、得られた位相分布φを凹凸形状に変換して、回折部３１の凹凸形状を得る。本例では、１段が２３０ｎｍ、最大段数が８段の凹凸形状を得る。なお、素子の外形は４ｍｍ×７ｍｍであり、３ｍｍ×６ｍｍの周辺の部分はピッチ１μｍの回折格子とし、投影範囲に迷光が照射されないようにする。

厚み０．５２５ｍｍの石英ガラスを洗浄後、フォトリソグラフィとエッチング加工を繰り返し、表面が前述の凹凸形状となるように石英ガラスを加工する。これにより、石英ガラスの表面に１段が２３０ｎｍで最大８段の凹凸からなる凹凸パターンを形成する。

このようにして得た回折光学素子３０に対して、発光点が４ｍｍ離れた位置となるように８５０ｎｍのレーザ光を照射する。レーザ光源の光束の広がり角のＦＷＨＭは、水平方向で３０°、垂直方向で１０°である。位相分布φ_１を発現する発散角度変換機能によって光軸から３ｍｍの位置に照射される光束は４．９°の発散角度を有する発散光として出射され、位相分布φ_２を発現する光束分岐機能によって主光線がＳ１面において図１５に示す光のパターンを形成する各光スポット１４の位置に照射される回折光として出射される。その結果、各回折光により照射される光スポット１４は広がりを有し、投影面全面に光が照射される。

上記の構成で、１０００ｍｍの位置に光を投影する場合を考える。０次回折光は発散光として出射されるため、光源から４ｍｍに位置する素子における光束の大きさに対して、１０００ｍｍの位置における０次回折光の大きさは（１０００／４）^２となる。したがって、入射光に対して０．５％の０次回折光が発生するとして、投影面における単位面積あたりの光量は素子上における入射光の光量の０．００５×（４／１０００）^２＝８×１０^−８倍となる。一方、分岐される回折光、すなわち±１次以上の回折光は水平方向に±４０．２°、垂直方向に±３２．４°の範囲に投影される。投影面における面積は１．８×１０^６ｍｍ^２であり、入射光の回折光学素子上のＦＷＨＭ内の光束の面積は１．８４ｍｍ^２であるので、発生する±１次以上の回折光の全ての光量を足し合わせたものが入射光の７０％であるとすると、投影面におけるこれら各回折光の光量の平均値は入射光の光量の０．７×１．８４／１．８×１０^６＝７．２×１０^−７であり、０次回折光に対して十分大きな値となっており０次回折光生じることによる±１次以上の回折光の光量分布への影響は小さい。

また、光線追跡を用いて、Ｓ１面における２０００ｍｍ×２０００ｍｍの投影範囲を１００１×１００１の領域に分割した際に、垂直方向における±１次以上の回折光の強度を計算したものを図１６Ａに示し、各領域の強度の分布を図１６Ｂに示す。図１６Ｂの横軸を角度に換算したものは１／｛ｃｏｓ（φ−α）×（１−ｔａｎαｔａｎβ）／（１＋ｔａｎαｔａｎξ）｝^２に比例している。またＳ２面における２０００ｍｍ×２０００ｍｍの投影範囲を１００１×１００１の領域に分割した際に、垂直方向における±１次以上の回折光の強度を計算したものを図１７Ａに示し、各領域の強度の分布を図１７Ｂに示す。本実施例の回折光学素子はＳ２面上の光スポットの平均的な個数が一様になるように回折角度の大きい次数の回折光の個数を増やしており、その結果、図１７Ｂに示すようにＳ２面において一様な強度分布が得られている。

本出願を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１３年９月２日出願の日本特許出願（特願２０１３-１８１３１０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

本発明は、所定の投影範囲に所定の光のパターンを出射したい用途や、全面照射したい用途に好適に適用可能である。特に、入射する光の発散角度が大きい場合に、光の利用効率を落とさずに所定の光のパターンを照射したり、全面照射した場合に好適に適用可能である。

１０ 計測装置
１１、１１ａ、１１ｂ、１１ｃ 入射光
１２、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 回折光
１３ 反射光
１４ 光スポット
２０ 光源
３０ 回折光学素子
３１ 回折部
３２ 周辺部
４０ａ、４０ｂ、測定対象物
５０ 検出素子
６０ 投影装置

Claims (9)

1. 回折作用により入射光の発散角度を変換する機能である発散角度変換機能と、回折作用により入射する光束を複数の光束に分岐させる機能である光束分岐機能とを組み合わせて、発散光の入射光を前記入射光の発散角度とは異なる発散角度を有する複数の回折光に分岐して出射する
   ことを特徴とする回折光学素子。
2. 入射光に位相分布を付与する凹凸パターンが形成された回折部を有し、
   前記凹凸パターンは、入射光の発散角度を変換する回折機能を発現する第１の位相と、入射する光束を複数の光束に分岐する回折機能を発現する第２の位相とを重畳して得られる第３の位相の面内分布を凹凸形状に変換したものである
   請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記第１の位相は、２階調以上の階調で表現されており、位相の中心からある距離以上では中心よりも階調数の少ない階調で表現されており、
   前記位相の中心からある距離以上で前記凹凸パターンにおける１段の高さが中心付近の１段の高さよりも大きくなっている
   請求項２に記載の回折光学素子。
4. 前記第１の位相は、所定の距離離れた位置の発光点からの発散光の光を平行光に変換する回折機能を発現する位相である
   請求項２または請求項３に記載の回折光学素子。
5. 出射される０次光の光軸と垂直な投影面において、投影面を複数の領域に分割した場合に、領域ごとの光量の平均値がある方向に増加または減少している
   請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
6. 出射される０次光の光軸と垂直な投影面において、投影面を複数の領域に分割した場合に、領域ごとの回折光の密度または領域ごとの回折光の光強度平均がある方向に増加または減少している
   請求項５に記載の回折光学素子。
7. 発散光を出射する光源と、
   請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載の回折光学素子とを備え、
   前記回折光学素子は、前記光源から出射された発散光の入射光を、前記入射光の発散角度とは異なる発散角度を有する複数の回折光に分岐して出射し、
   前記回折光学素子によって出射された回折光によって所定の投影面上に所定の光のパターンが形成される
   ことを特徴とする投影装置。
8. 所定の光のパターンを計測対象に照射する投影装置と、
   前記投影装置から出射される光が測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する検出部とを備え、
   前記投影装置は、請求項７に記載の投影装置である
   ことを特徴とする計測装置。
9. 出射される０次光の光軸と垂直な投影面において、投影面を複数の領域に分割した場合に、領域ごとの光量の平均値がある方向に増加または減少している
   ことを特徴とする回折光学素子。

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