JPWO2018216575A1 - 回折光学素子、投影装置及び計測装置 - Google Patents

Abstract

所定パターンの光スポットを安定的に発生できるとともに、光利用効率の高い回折光学素子、投影装置及び計測装置を提供する。本発明の回折光学素子は、透明基材と、透明基材の一方の表面に接して備えられた凹凸部と、凹凸部の凹部を充填するとともに凹凸部の凸部の上面を覆って凹凸部を平坦化する充填部とを備え、凹凸部は、透明基材の前記表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、透明基材の表面の法線方向から入射する入射光に対する、透明基材、凹凸部及び充填部のうち、少なくとも凹凸部と充填部の屈折率が異なり、入射光に対する、透明基材、凹凸部及び充填部の屈折率がいずれも２．２以下である。

Description

本発明は、所定パターンの光スポットを生成する回折光学素子、該回折光学素子を備えた投影装置及び計測装置に関する。

計測対象の被測定物に所定の光を照射し、その被測定物によって散乱された光を検出することにより、該被測定物の位置や形状等の計測を行う装置がある（例えば、特許文献１等参照）。このような計測装置において、特定の光のパターンを計測対象に照射するために、回折光学素子を使用できる。また、投影する対象に対してより均一性を高めて照射する用途でも回折拡散光学素子が用いられている（例えば、特許文献２等参照）。

所定の投影面において特定の光のパターンや均一照射を実現する光のパターンといった所定の光スポットを生成する回折光学素子は、回折光学素子からの出射光の位相分布をフーリエ変換して得られる。そのような回折光学素子は、例えば、平面視で２次元の凹凸パターンを有し、所定の凹凸パターンからなる基本ユニットを、反復フーリエ変換法等を用いて位相分布を求めて適切に配置して得られる。

回折光学素子は、例えば、基板表面を凹凸加工して得られるものが知られている。このような凹凸構成の場合、凹部を充填する材料となる空気（屈折率＝１）と凸部材料との、比較的大きな屈折率差を利用して所望の光路長差を与えて光を回折できるので、凸部の高さを比較的小さく加工できる。凸部の高さは凹部の深さと読み替えてもよい。

一方、該構成の場合、凹凸表面が外気と触れるため、汚れ、水滴、析出物等の付着により、所定パターンの光スポットを安定して発生できないおそれがあった。即ち、凹凸表面の露出が付着物により凹凸形状を変化させ、回折効率が変化してしまうからである。

回折光学素子の他の例として、凸部材料とは異なるとともに空気ではない屈折率材料で凹部（より具体的には凹部及び凸部上面）を充填する構成も知られている。該構成は、凹凸表面が露出しないため、付着物による回折効率の変動を抑制できる。例えば、特許文献３には、２次元の光スポットを発生させる凹凸パターンを埋めるように、屈折率が異なる他の透明材料を与える回折光学素子も示されている。

日本特許第５１７４６８４号公報 米国特許第６０７５６２７号明細書 日本特許第５７６０３９１号公報

しかし、空気以外の材料で凹部を充填する場合、凹部の屈折率が空気の屈折率より高いため、凹部と凸部の屈折率差が小さくなり、所定の光路長差を得るために、凸部を高くしなければならない。特に、投影装置や計測装置用として、広範囲に光を照射させるため、広い回折角度の光スポットを発生させる回折光学素子の場合、これらの屈折率差が大きくなる材料の組み合わせでなければ凸部の高さが大きくなり、加工が困難になるおそれがある。

このように、加工困難性に起因する回折の精度が低下する問題に対し、凸部材料又は凹部材料（充填材料）に屈折率の高い材料を用いることで凸部の高さを低減させる凹凸構造が考えられる。

しかし、凹部と凸部の屈折率差が大きくなる材料の組み合わせの場合、凹凸構造がなす界面、例えばこれら材料の界面やこれら材料と空気の界面における反射率が高くなり、光利用効率が低く、また、迷光が発生する問題があった。これらの問題は、投影装置や計測装置のような、多くの光スポットを発生させたり、発生させた光スポットによって照射させた光の戻り光（散乱光等）を計測したりする場合、高い精度が得られない原因となる。

そこで、本発明は、所定パターンの光スポットを安定的に発生できるとともに、光利用効率の高い回折光学素子、該回折光学素子を備えた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、２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折して複数の回折光を発生させる回折光学素子であって、透明基材と、
透明基材の一方の表面に接して備えられた凹凸部と、凹凸部の凹部を充填するとともに凹凸部の凸部の上面を覆って凹凸部を平坦化する充填部とを備え、凹凸部は、透明基材の表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、透明基材の表面の法線方向からの入射光に対する、透明基材、凹凸部及び充填部のうち、少なくとも凹凸部と充填部の屈折率が異なり、入射光に対する、透明基材、凹凸部及び充填部の屈折率をそれぞれ、ｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、いずれの値も２．２以下であることを特徴とする。

また、本発明による回折光学素子は、２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折して複数の回折光を発生させる回折光学素子であって、透明基材と、透明基材の一方の面上に備えられた凹凸部と、凹凸部の凹部を充填するとともに凹凸部の凸部の上面を覆って凹凸部を平坦化する充填部とを備え、凹凸部は、透明基材の表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、透明基材の表面の法線方向からの入射光に対する、透明基材、凹凸部及び充填部のうち、少なくとも凹凸部と充填部の屈折率が異なり、凹凸部と充填部の間又は透明基材と凹凸部の間に、屈折率調整層が備えられ、屈折率調整層は、入射側界面をなす媒質の屈折率をｎ_ｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ_０、当該屈折率調整層もしくはその各層の屈折率をｎ_ｒ、厚さをｄ_ｒとしたとき、当該屈折率調整層の両界面に対して、以下の式（Ａ）を満たす単層の屈折率調整層又は多層構造による理論反射率Ｒ＜４％を満たす１層以上の屈折率調整層でもよい。
式（Ａ）：
（ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５−α＜ｎ_ｒ＜（ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５＋α、かつ
（１−β）×λ／４＜ｎ_ｒ×ｄ_ｒ＜（１＋β）×λ／４
ただし、α＝０．２５、β＝０．６

また、本発明による回折光学素子は、２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折して複数の回折光を発生させる回折光学素子であって、透明基材と、透明基材の一方の表面に接して備えられた凹凸部と、凹凸部の凹部を充填するとともに凹凸部の凸部の上面を覆って凹凸部を平坦化する充填部とを備え、凹凸部は、透明基材の表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、凹凸部の各段は、所定の屈折率及び厚さを有する２層以上の多層膜を基本ブロックとしたとき、基本ブロックを１つ以上積み上げた多層構造からなる構成でもよい。

本発明による投影装置は、光源からの光を所定の投影面に投影する投影装置であって、光源と、光源から出射される光の照射範囲を広げるための光学素子として、上記いずれかの回折光学素子を備え、光源から出射される光の光量に対する所定の投影面に照射される光の光量の割合が５０％以上であることを特徴とする。

本発明による計測装置は、検査光を出射する投影部と、投影部から照射される検査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、投影部として、上記の投影装置を備えることを特徴とする。

本発明によれば、所定パターンの光スポットを安定的に発生できるとともに、光利用効率の高い回折光学素子、投影装置及び計測装置を提供できる。

実施形態１の回折光学素子１０の断面模式図。 透明基材１１、凹凸部１２及び充填部１３の界面反射の例を示す断面模式図。 回折光学素子１０により生成される光のパターンの例を示す説明図。 実施形態１の回折光学素子１０の凹凸部１２の例を模式的に示す図。 実施形態１の回折光学素子１０の他の例を示す断面模式図。 回折光学素子１０内における回折光の伝播の例を示す断面模式図。 凹凸部１２のピッチ別の、回折光の各次数の回折効率の計算結果を示す説明図。 実施形態２の回折光学素子５０の断面模式図。 実施形態３の回折光学素子６０の断面模式図。 実施形態３の回折光学素子６０の他の例を示す断面模式図。 実施形態３の回折光学素子６０の断面模式図。 例１の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例２の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例３の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例４の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例５の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例６の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例７の波長８００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例８の波長９００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例９の波長９００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例１０の波長６００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例１１の波長６００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例１２の回折光学素子の凹凸部構造を模式的に示す図。 例１２の波長３００〜１１００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例１２の波長３００〜１０００ｎｍにおける反射率の計算結果を示す。 例１３の回折光学素子の凹凸部構造を模式的に示す図。 例１４の回折光学素子の凹凸部構造を模式的に示す図。

以下、本発明の幾つかの実施形態を、図面を参照して説明する。
（実施形態１）
図１、２は、実施形態１の回折光学素子１０の断面模式図である。回折光学素子１０は、透明基材１１と、透明基材１１の一方の表面に接して備えられる凹凸部１２と、凹凸部１２の上面を覆って平坦化する充填部１３とを備える。

回折光学素子１０は、例えば、２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折させて複数の回折光を発生させる。ここで、凹凸パターンは、上記凹凸部１２の凸部１２１がなす段差の平面視による２次元のパターンである。「平面視」とは、回折光学素子１０に入射する光の進行方向から見た平面であり、回折光学素子１０の主面の法線方向から見た平面に相当する。凹凸パターンは、平面視において特定の凹凸パターンを有する基本ユニットが規則的に配列されてもよく、不規則な配列でもよい。凹凸パターンは、それによって発生する複数の回折光の各々である光スポットが、予め定めた投影面において所定の光のパターンを実現できるように構成されてもよい。

実施形態１において、凹凸部１２は、透明基材１１の一方の表面（図中のＳ１）に接して設けられる。また、図１に示すように、凹凸部１２は、透明基材１１の表面Ｓ１上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であるとする。ここで、平行とは、基準線や基準面に対する傾斜角が０．５°以内をいう。
凹凸部１２から見て透明基材１１に近づく方向を下方とし、透明基材１１から離れる方向を上方とする。従って、透明基材１１と凹凸部１２の界面が凹凸部１２の最下面となり、凹凸部１２の各段の上面のうち透明基材１１と最も離れる面が最上面となる。

本発明では、凹凸部を構成する部材について、凹凸部と充填部が接する面のうち最も低い部分よりも高い位置にあるものを凹凸部の凸部と呼ぶ場合がある。また、凸部に囲まれてなる凹み部分であって凸部の最上面よりも低くなる部分を凹凸部の凹部と呼ぶ場合がある。透明基材１１の表面を切削して凹凸部を得た場合は、表面の凹凸構造のうち最も低い位置にある面を、凹凸部と透明基材の境界（凹凸部の最下面であり透明基材の表面）とすればよい。

充填部１３は、凹凸部１２の凹部１２２を隙間なく充填するとともに凹凸部１２の凸部１２１の上面を覆って凹凸部１２を平坦化する。充填部１３は、透明基材１１の表面Ｓ１に接する部分を有する。
凹凸部１２の段数は、一般的な回折格子と同様、入射光に対して位相差を生じさせる段差を構成する各面を１段として数える。凹凸部１２では、例えば、透明基材１１側から光が入射すると仮定し、凹部の底面、即ち充填部１３が透明基材１１と接する部分を１段目とする。そして、凸部１２１の各段を２段目以降として数える。尚、図１に示す例は、透明基材１１の表面Ｓ１上に、最大で４段の段を構成する凹凸部１２を有する回折光学素子である。

以下、透明基材１１の表面Ｓ１の法線方向からの入射光に対する、透明基材１１、凹凸部１２及び充填部１３の屈折率をそれぞれ、ｎ１１、ｎ１２、ｎ１３と記す。尚、凹凸部１２の屈折率ｎ１２及び充填部１３の屈折率ｎ１３は平均屈折率でよい。

これら部材の屈折率は、次の関係を満たす。第１に、少なくともｎ１２≠ｎ１３である。ここでは、ｎ１２＞ｎ１３とするが、ｎ１２＜ｎ１３でもよい。更に、凹凸部１２の加工容易性の観点から、｜ｎ１２−ｎ１３｜≧０．２が好ましく、｜ｎ１２−ｎ１３｜≧０．３がより好ましく、｜ｎ１２−ｎ１３｜≧０．４５が更に好ましい。ここでいう「屈折率」は、入射光のうち最も光強度が高い波長近傍における屈折率に相当し、例えば、当該波長に対して±２０ｎｍの範囲や、±１０ｎｍの範囲、更には最も光強度が高い波長で設定してもよい。

凹凸部１２及び充填部１３の材料として、無機材料や有機材料、有機無機ハイブリッド材料を使用できる。有機材料としては、シリコーン樹脂やポリイミド樹脂を用いると高い耐熱性が得られ好ましい。無機材料としては、Ｚｎ、Ａｌ、Ｙ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｌａ等の酸化物、窒化物、酸窒化物、Ａｌ、Ｙ、Ｃｅ、Ｃａ、Ｎａ、Ｎｄ、Ｂａ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｌｉのフッ化物、シリコンカーバイド、又は、これらの混合物、ＩＴＯ等の透明導電体、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンドライクカーボン、これらに水素等の不純物を含有させたもの等が使用できる。

一般的な樹脂材料の屈折率は、大きい場合でも１．７程度であって、凹凸部１２と充填部１３の屈折率差を大きくできない場合がある。それに伴い凹凸部１２の段差が高くなると、屈折率差に対する凹凸部１２と充填部１３の光路長差の感度が高くなり、その結果、回折効率の感度が高くなる。従って、凹凸部１２と充填部１３の両方が樹脂材料の場合、温度依存性を考慮すると２つの材料の屈折率変動の温度依存性が近いことが好ましい。より具体的には、凹凸部１２と充填部１３が接する面のうち最も高い部分と低い部分の差を高さｄ、２つの材料の屈折率差をΔｎとし、０℃から５０℃に変動した場合のΔｎｄの変動値が、２０℃におけるΔｎｄの５％以下が好ましく、３％以下がより好ましい。また、回折光学素子がより厳しい環境下で用いられる場合、−２０℃から６０℃に変動した場合のΔｎｄの変動値が、２０℃におけるΔｎｄの５％以下が好ましく、３％以下がより好ましい。また、各温度における２０℃における各回折効率からの回折効率の変動が１０%以下となることが好ましく、５％以下がより好ましく、３％以下がより好ましい。一般的には各回折効率の次数の中で０次回折効率の変動が最も大きくなるので、回折効率変動を０次回折効率で評価してもよい。

例えば、２０℃における光路長差をＬ、温度変化によるＬの変化量をδＬ、Δｎの変化量をδΔｎ、ｄの変化量をδｄとした場合、Ｌ＋δＬ＝（Δｎ＋δΔｎ）（ｄ＋δｄ）となる。Ｌ＝Δｎ×ｄであり、２次の微小量を無視すると、δＬ＝（ｄ／Ｌ）δｄ＋ｄδΔｎである。従って、Δｎが小さくなるとｄが大きくなり、同じδΔｎが生じた場合、δＬの変化が大きくなる。このδＬの係数に相当する（ｄ／Ｌ）が上記でいう「感度」に相当する。

また、凹凸部１２と充填部１３の組み合わせが有機材料と無機材料である場合も、２つの材料の温度変化に対する屈折率変動の挙動が大きく異なる。この場合も、２つの材料及び高さｄを調整することで０℃から５０℃に変動した場合、更に、−２０℃から６０℃に変動した場合のΔｎｄの値が上記条件を満たすとよい。
また、透明基材１１として、ガラス等、入射光に対して透明な部材を使用できる。このような透明材料の屈折率は、一般的には１．３以上である。

表１に、２段、即ち、バイナリの回折格子をなす凹凸部１２を仮定した、３部材の屈折率ｎ１１、ｎ１２及びｎ１３の組み合わせに対する反射による損失の計算結果例を示す。

表１において反射率の計算は、２つの屈折率の異なる媒質に対して光が界面に対して垂直に入射した場合を想定している。また、薄膜による干渉の効果はここでは考慮していない。つまり、図２に示すような透明基材１１と凹凸部１２の２つの材料の界面で生じる反射率Ｒ１２、透明基材１１と充填部１３の２つの材料の界面で生じる反射率Ｒ１３及び凹凸部１２と充填部１３の２つの材料の界面で生じる反射率Ｒ２３のそれぞれを、式（１）を用いて計算した。

また、各界面で生じる反射率の合計Ｒ_ａｌｌは、式（２）を用いて計算した。ここでＡは、上部から透明基材１１の表面Ｓ１を観察した際に、該表面Ｓ１の入射光の有効領域内において凹凸部１２又は充填部１３のうち屈折率がより高い部材が透明基材１１と接する面積の割合を表す。ここで、入射光の有効領域とは、入射光の光強度が１／ｅ^２以上の領域、即ち、入射光のうち最も高い（位置の）光強度を１００％とした場合、１３％以上の光強度を示す光が照射させる領域とする。実施形態１では、波長９５０ｎｍにおける屈折率がｎ１２＞ｎ１３であるとして凹凸部１２が透明基材１１と接する面積の割合をＡとする。

Ｒ１２＝（ｎ１１−ｎ１２）^２／（ｎ１１＋ｎ１２）^２
Ｒ１３＝（ｎ１１−ｎ１３）^２／（ｎ１１＋ｎ１３）^２
Ｒ２３＝（ｎ１２−ｎ１３）^２／（ｎ１２＋ｎ１３）^２ ・・・（１）
Ｒ_ａｌｌ＝Ａ×（Ｒ１２＋Ｒ２３）＋（１−Ａ）×Ｒ１３ ・・・（２）

表１において、グループ１は、ｎ１１＜ｎ１３＜ｎ１２及びＡ＝５０％として、屈折率差｜ｎ１２−ｎ１３｜を０．１から０．７まで略０．１刻みで変化させた場合の反射率の見積もりである。また、グループ２は、ｎ１３＜ｎ１１＜ｎ１２及びＡ＝５０％として、屈折率差｜ｎ１２−ｎ１３｜を０．１から０．７まで略０．１刻みで変化させた場合の反射率の見積もりである。また、グループ３は、グループ２の屈折率の組み合わせでＡ＝４０％とした場合の反射率の見積もりである。また、グループ０は、比較例として、充填部１３を有しない構成、即ち凹部１２２が空気で充填されており、石英基板を直接加工した場合の、界面反射の計算結果である。

表１より、グループ１とグループ２を比較すると、略同一の屈折率差でもグループ２の方が、反射率Ｒ_ａｌｌが小さい。また、同じ屈折率関係を有するグルー２とグループ３を比較すると、同じ屈折率差でもグループ３の方が、反射率Ｒ_ａｌｌが小さい。
従って、透明基材１１、凹凸部１２及び充填部１３の屈折率を、ｎ１３＜ｎ１１＜ｎ１２を満たすように調整すると、凹部１２２（充填部１３）と凸部１２１の屈折率差が同一の場合に、より反射率を低減でき好ましい。また、Ａ＜５０％となるように有効領域内における凸部１２１の面積比を調整する、より具体的には凹凸部１２及び充填部１３のうち高屈折率材料を用いた部材の割合を低減すると、反射率を低減でき好ましい。

また、グループ０との比較により、透明基材１１、凹凸部１２及び充填部１３の材料の屈折率として、グループ０の反射率Ｒ_ａｌｌ＝３．４％を下回る組み合わせを選択するとよい。表１の例では、ｎ１１、ｎ１２、ｎ１３のすべてが、２．２以下が好ましく、２．０以下がより好ましく、１．８以下が更に好ましい。

表１は、凹凸部１２が２段の回折格子の見積もりであるが、多段の凹凸部１２、即ち３段以上の回折格子を構成する凹凸部１２の場合、凹凸部１２における凸部１２１の占める面積比が５０％以上になる場合が多い。このため、ｎ１２＞ｎ１３かつ凹凸部１２が（３段以上の）多段の場合、Ａが５０％以上となって反射量が大きくなる傾向がある。そのような場合、ｎ１１、ｎ１２、ｎ１３のすべてが、１．９６以下が好ましく、１．８以下がより好ましい。一方、多段でもｎ１２＜ｎ１３の場合、ｎ１１、ｎ１２、ｎ１３のすべてが、２．１以下が好ましく、１．９以下がより好ましい。

また、透明基材１１と充填部１３の関係としては、透明基材１１との界面での反射を抑制する観点から、特にｎ１２＞ｎ１３の場合、｜ｎ１１−ｎ１３｜≦０．３が好ましく、｜ｎ１１−ｎ１３｜≦０．２がより好ましい。ｎ１３＞ｎ１２の場合は、｜ｎ１１−ｎ１２｜≦０．３が好ましく、｜ｎ１１−ｎ１２｜≦０．２がより好ましい。

また、回折光学素子１０全体としての反射率は、１０％以下が好ましい。より具体的に、該反射率は６％以下が好ましく、４％以下がより好ましく、３％以下が更に好ましい。このとき、透明基材１１、凹凸部１２及び充填部１３での各界面での反射の合計、即ち３部材積層構造による反射率を８％以下にするのが好ましい。より具体的に、該反射率は、４％以下が好ましく、２％以下がより好ましく、１％以下が更に好ましい。ここで、３部材積層構造による反射率は、上記のＲ_ａｌｌで評価してもよいが、更に干渉を考慮し、後述の式（７）で示す多層構造による理論反射率で評価してもよい。

次に、回折光学素子１０が発現する回折作用について、図３の回折光学素子１０により生成される光のパターンの例示に基づき説明する。回折光学素子１０は、光軸方向をＺ軸として入射する光束２１に対して出射される回折光群２２が２次元に分布するように形成される。回折光学素子１０は、Ｚ軸と交点を持ちＺ軸に垂直な軸をＸ軸及びＹ軸とした場合、Ｘ軸上における最小角度θｘ_ｍｉｎから最大角度θｘ_ｍａｘ及びＹ軸上における最小角度θｙ_ｍｉｎから最大角度θｙ_ｍａｘ（いずれも不図示）の角度範囲内に光束群が分布する。

ここでＸ軸は光スポットパターンの長辺に略平行でＹ軸は光スポットパターンの短辺に略平行となる。Ｘ軸方向における最小角度θｘ_ｍｉｎから最大角度θｘ_ｍａｘ、Ｙ軸方向における最小角度θｙ_ｍｉｎから最大角度θｙ_ｍａｘにより形成される回折光群２２の照射される範囲は、回折光学素子１０と一緒に用いられる光検出素子における光検出範囲と略一致した範囲となる。本例では、光スポットパターンにおいて、Ｚ軸に対しＸ方向の角度がθｘ_ｍａｘである光スポットを通るＹ軸に平行な直線が上記短辺となり、Ｚ軸に対しＹ方向の角度がθｙ_ｍａｘである光スポットを通るＸ軸と平行な直線が上記長辺となる。以下、上記短辺と上記長辺の交点と回折光学素子を結ぶ直線とＺ軸とがなす角度をθ_ｄとし、この角度を対角方向の角度と称する。

回折光学素子１０は、例えば、入射光が透明基材１１の表面Ｓ１の法線方向から入射したときに発生する複数の回折光の各々（光スポット）がなす対角方向の角度θ_ｄが７．５°以上でもよく、また１５°以上でもよい。また、回折光学素子１０は、発生させる光スポットの数が４以上でもよく、また９以上でもよく、１００以上でもよく、１００００以上でもよい。光スポットの数の上限は、特に限定されないが、例えば、１０００万点でもよい。

また、通常、回折光学素子の凹凸構造は、断面がバイナリ形状やブレーズ形状等であるが、回折光学素子の凹凸構造の断面が連続的なブレーズ形状以外で形成される場合や、断面がブレーズ形状でも製造上のバラツキがある場合、所望の回折光の他に迷光が発生するおそれがある。しかし、このような迷光は、設計段階において意図するものではないため、上記角度範囲内に分布する光スポットには含まないものとする。

また、図３において、Ｒ_ｉｊは投影面の分割領域を示す。例えば、回折光学素子１０は、透明面を複数の領域Ｒ_ｉｊに分割した場合、各領域Ｒ_ｉｊに照射される回折光群２２による光スポット２３の分布密度が全領域の平均値に対して±５０％以内となるように構成されてもよい。上記分布密度は、全領域の平均値に対して±２５％以内でもよい。このように構成すると、投影面内で光スポット２３の分布を均一にできるので、計測用途等において好適である。ここで投影面は、平面だけでなく曲面でもよい。また、平面の場合も、光学系の光軸に対して垂直な面以外に傾斜した面でもよい。

図３に示す回折光群２２に含まれる各回折光は、式（３）に示すグレーティング方程式において、Ｚ軸方向を基準として、Ｘ方向における角度θ_ｘｏ、Ｙ方向における角度θ_ｙｏに回折される光となる。式（３）において、ｍ_ｘはＸ方向の回折次数であり、ｍ_ｙはＹ方向の回折次数であり、λは光束２１の波長であり、Ｐ_ｘ、Ｐ_ｙは後述する回折光学素子の基本ユニットのＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチであり、θ_ｘｉはＸ方向における回折光学素子への入射角度、θ_ｙｉはＹ方向における回折光学素子への入射角度である。この回折光群２２をスクリーン又は測定対象物等の投影面に照射させることにより、照射された領域に複数の光スポット２３が生成される。

ｓｉｎθ_ｘｏ＝ｓｉｎθ_ｘｉ＋ｍ_ｘλ／Ｐ_ｘ
ｓｉｎθ_ｙｏ＝ｓｉｎθ_ｙｉ＋ｍ_ｙλ／Ｐ_ｙ ・・・（３）

このような所定の条件を満たす回折光群２２を出射する回折光学素子１０として、反復フーリエ変換法等により設計された回折光学素子を使用できる。より具体的に、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、２次元的に配列させた回折光学素子を使用できる。このような回折光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニットにおけるフーリエ変換により得られる。

回折光学素子１０は、図４（ａ）に示すように、透明基材１１上に、凹凸部１２を構成する基本ユニット３１が、Ｘ軸方向にピッチＰ_ｘ、Ｙ軸方向にピッチＰ_ｙで２次元状に周期的に配列されてもよい。基本ユニット３１は、例えば、図４（ｂ）や図４（ｃ）に示すような位相分布を有する。図４（ｂ）に示す例では、黒塗りの領域が凸部１２１、白抜きの領域が凹部１２２となるように凹凸パターンを形成する。図４（ｃ）に示す例は、８段の位相差を有する位相分布の例であり、塗りつぶしの各パターンが凹凸部１２の各段に対応するように凹凸パターンを形成する。凹凸部１２は、位相分布を発生できればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材（透明基材１１）の表面に凹凸パターンを形成した構造も含まれる。回折光学素子１０としては、凹凸パターンが形成された透明な部材（透明基材１１）の上に、この部材とは屈折率の異なる部材（充填部１３）を貼り合わせ、表面を平坦化した構造だけでなく、透明な部材において屈折率を変化させた構造でもよい。つまり、凹凸パターンは、表面形状が凹凸である場合のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えられる構造も含む。

また、回折光学素子１０に基本ユニット３１を２次元状に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、凹凸パターン内に１つ以上の基本ユニットが含まれれば凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と必ずしも一致しなくてもよい。また、基本ユニット３１は一種類に限らず複数種でもよい。
また、ここまで２次元状の周期構造を有する回折光学素子について説明したが、回折光学素子１０は、２次元に光を拡散させる非周期的な凹凸構造でもよく、更には１次元方向に光を回折させる凹凸構造、レンズ機能を有するフレネルレンズ構造を有する凹凸構造でもよい。透明基材１１と凹凸部１２の界面及び凹凸部１２の各段の上面が互いに平行でなくても、上記で示した屈折率の関係を満たすことにより、凹凸部がなす界面における屈折率差に伴う反射率の低減効果が得られる。
凹凸部１２がＮ段の階段状の疑似ブレーズ形状の場合、凹凸部１２と充填部１３が接する面のうち最も高い部分と低い部分の差を高さｄとしたとき、ｄ×（ｎ１２−ｎ１３）／λ＝（Ｎ−１）／Ｎを満たすと凸部１２１と凹部１２２（充填部１３）によって発生する光路長差が１波長分の波面を近似したものにでき、高い回折効率が得られ好ましい。

また、凹凸部１２の形状に関わらず、凹凸部１２の各段の高さについて、透明基材１１から凹凸部１２と充填部１３の界面までの距離を、入射光の全波長域に含まれる波長のうち所定の設計波長の半波長の整数倍となる光路長に設定するとよい。当該条件は全ての段に適用されなくてもよい。即ち、凹凸部１２のいずれかの段において、透明基材１１から当該段の上面までの距離が、設計波長の半波長の整数倍の光路長に相当する構成が好ましい。これは、半波長の整数倍の光路長となる層は光学的には無作用の層となるためである。特に、２以上の段において光路長を半波長の整数倍にするとよい。例えば、凹凸部の段数が４段以上である場合、半数以上の段において光路長を半波長の整数倍にしてもよい。ここで、半波長の整数倍とは、整数をｍとして、０．５ｍ−０．１５＜ｎ_ｒ×ｄ_ｒ／λ＜０．５ｍ＋０．１５を満たすものをいう。ｎ_ｒは光路長の算出対象とした媒質の屈折率であり、ここでは凹凸部１２の屈折率ｎ１２である。ｄ_ｒは光路長の算出対象とした媒質の高さであり、ここでは凹凸部１２の各段の高さである。尚、設計波長は、入射光のうち最も光強度の高い波長でもよい。
また、凹凸部１２の形状に関わらず、加工容易性の観点から、凹凸の高さｄが低い方が好ましい。従って、｜ｎ１２−ｎ１３｜の値は、０．２以上が好ましく、０．３以上がより好ましく、０．４５以上が更に好ましい。

また、図１では充填部１３が露出しているが、図５（ａ）のように充填部１３の上面をもう１つの基材（１１−２）によって封止した構造でもよい。このとき、各基材（１１−１，１１−２）と空気との界面に反射防止膜を成膜してもよい。第２の透明基材１１−２を設けずに、空気と接する充填部１３の上面に反射防止膜を成膜してもよい。また、図５（ｂ）のように回折光学素子１０は回折作用を有する凹凸パターン層（凹凸部１２）が１つに限らず、凹凸パターン層（凹凸部）を複数有してもよい。この場合、２つの回折光学素子を積層した構成でもよいし、図５（ｂ）に示すような２つの凹凸部（１２−１、１２−２）を、充填部１３を介して一体化させた構成でもよい。

上記説明では、凹凸部１２と他媒質の界面の反射率に基づいた構成を説明したが、実際の回折光学素子は、反射光も凹凸構造の回折作用によって複数の反射回折光に分岐されるため反射光の光量の測定が難しい場合がある。この場合、反射光の光量の評価を透過光の光量によって評価してもよい。透過光の光量は、回折光学素子の入射面と対向する出射面から出射される光を、素子に対して隣接させた積分球等の受光素子に受光させ、その光量を測定し評価できる。例えば、透過光の光量を、入射光の光量に対する受光量の割合である前方透過率により評価してもよい。このとき、透過光の光量は、入射光の光量から、透明基材１１、凹凸部１２、充填部１３の界面で生じる反射だけでなく、素子の吸収、入射側素子界面で生じる反射、出射側素子界面で生じる反射を除いたものになる。
また、例えば、透過光の光量を、後述する各回折光に関するグレーティング方程式を用いた理論値を用いて評価してもよい。この場合も、回折光学素子において、透明基材１１、凹凸部１２、充填部１３の界面による反射以外に、素子内の吸収や素子界面の反射が発生しないものとする。

実施形態１の回折光学素子の場合、前方透過率は入射光から、（Ａ）基材、凹凸部、充填部の界面による反射、（Ｂ）基材、凹凸部、充填部を構成する部材の吸収、の２つの要因以外にも、（Ｃ）回折光が素子界面から出射されず素子内を伝播する成分を考慮する必要がある。この成分は例えば、図６において実線の矢印のように、素子内のいずれかの界面で全反射される光線であり、例えば式（３）を用いて計算できる。式（３）において、光線のＺ方向のベクトル成分は（１−ｓｉｎ^２θ_ｘｏ−ｓｉｎ^２θ_ｙｏ）^０．５となるが、カッコ内が負の値になる場合、Ｚ成分の伝播ベクトル成分が虚数になり空気中には出射されない成分であると判断してもよい。厳密には、素子内を伝播する回折光は素子界面で全反射され、凹凸部に再入射して、素子内で再度回折される場合があるが、以下では簡単のためにそのような擾乱がないとする。

具体例として、２１点の回折光（光スポット）を発生させる回折光学素子を考える。回折光学素子の凹凸パターンの基本ユニットは高速フーリエ変換を繰り返し行い計算する。図７（ａ）は、回折光学素子の凹凸パターンとして、基本ユニットが直角に交わる２つの軸方向にそれぞれ３．６μｍピッチで配列した場合の、ｘ方向（横軸）及びｙ方向（縦軸）の各次数による回折効率を示した。本例の場合、入射光の波長を９５０ｎｍとし、黒塗りの次数の光は、図６の実線矢印で示すような回折光となり、出射側素子界面で全反射されて回折光学素子の外に出射できない。このとき、反射や吸収による損失がないとした場合、実施形態１の回折光学素子では、前方へ透過する光の光量は９２．３％となる。また、図７（ａ）に示すようにこの例では２１点の合計の回折効率は８５．２％である。

また、図７（ｂ）は、回折光学素子の凹凸パターンとして、基本ユニットが直角に交わる２つの軸方向にそれぞれ６．６μｍピッチで配列した場合の、ｘ方向及びｙ方向の各次数による回折効率を示した。各次数の回折効率及び黒塗りの意味は、図７（ａ）と同じである。本例において、反射や吸収による損失がないとした場合、実施形態１の回折光学素子では、前方へ透過する光の光量は９５．４％となる。また、図７（ｂ）に示すようにこの例では２１点の合計の回折効率は８５．２％である。

前述のように前方透過率は、積分球等の受光素子で評価できる。このとき、図６の実線で示すような出射側素子界面での全反射による素子内を伝播する成分は、素子側面から出射される光を受光装置で計測して評価できる。回折光学素子に吸収がないとした場合、回折光学素子としての反射率を、入射光量から前方透過率と回折光学素子側面から出射する光量を差分した値で評価してもよい。

以上のように、前方透過率は回折次数の設計によって値が変化する場合があり、特に広角の回折光を出射する回折光学素子の場合、顕著になりやすい。また、透明基材、凹凸部、充填部の界面による反射率が低い場合、相対的に前方透過率を大きくできる。従って、反射光量の評価の指標としての前方透過率は、８０％以上であればよく、８５％以上が好ましく、９０％以上がより好ましく、９５％以上が更に好ましい。また、回折光学素子が他の機能層を含む場合があるが、上記の前方透過率は１つの凹凸部のみを含む単純な構造を想定した。一方、他の機能層を有する回折光学素子の場合、他の機能層による吸収や反射によるロスを計算して除去し、前方透過率を評価してもよい。また、透明基材、凹凸部及び充填部の界面以外で生じる反射、吸収によるロスを計算して評価し、それを除去してもよい。また、設計回折光以外に１０％程度の不要回折光が発生する場合があるので、設計回折光の合計の回折効率が７０％以上であればよく、７５％以上が好ましく、８０％以上がより好ましく、８５％以上が更に好ましい。

（実施形態２）
図８は、実施形態２の回折光学素子５０の断面模式図である。回折光学素子５０は、透明基材５１と、透明基材５１の一方の表面に接して備わる凹凸部５２と、凹凸部５２の上面を覆って平坦化する充填部５３とを備える。
凹凸部５２は、少なくとも入射光の有効領域内において透明基材５１の表面を覆う第１の層５２３を含む。これにより、充填部５３が少なくとも有効領域内において透明基材５１と接しない構成である。凹凸部５２は、第１の層５２３の上面が１段目である。

また、凹凸部５２の部材と透明基材５１の部材は異なるものとする。以下、透明基材５１の表面Ｓ１の法線方向からの入射光に対する、透明基材５１、凹凸部５２及び充填部５３の屈折率をそれぞれ、ｎ５１、ｎ５２、ｎ５３と記す。実施形態２においても、ｎ５２及びｎ５３は平均屈折率でよい。
表２に、２段の凹凸部５２を仮定したときの３部材の屈折率の組み合わせに対する反射による損失の計算結果例を示す。

表２における反射率の計算の前提条件は、表１の条件と同様である。その上で、図８に示す透明基材５１と凹凸部５２の２つの材料の界面で生じる反射率Ｒ５２、凹凸部５２と充填部５３の２つの材料の界面で生じる反射率Ｒ５３のそれぞれを、式（４）を用いて計算した。また、各界面で生じる反射率の合計Ｒ_ａｌｌは式（５）を用いて計算した。各部材の屈折率は波長９５０ｎｍの光に対する屈折率を用いた。

Ｒ５２＝（ｎ５１−ｎ５２）^２／（ｎ５１＋ｎ５２）^２
Ｒ５３＝（ｎ５２−ｎ５３）^２／（ｎ５２＋ｎ５３）^２ ・・・（４）
Ｒ_ａｌｌ＝Ｒ５２＋Ｒ５３ ・・・（５）

表２において、グループ４は、ｎ５３＜ｎ５１＜ｎ５２として、屈折率差｜ｎ５２−ｎ５３｜を０．１から略０．７まで略０．１刻みで変化させた場合の反射率の見積もりである。また、グループ５は、ｎ５２＜ｎ５１＜ｎ５３として、屈折率差｜ｎ５２−ｎ５３｜を略０．１から略０．７まで略０．１刻みで変化させた場合の反射率の見積もりである。グループ０は、表１と同様である。

表２において、グループ０との比較により、回折光学素子５０は、例えば、反射率Ｒ_ａｌｌが３．４％以下となる屈折率ｎ５１、ｎ５２及びｎ５３の組み合わせが好ましい。より具体的には、ｎ５２＞ｎ５３の場合、ｎ５１、ｎ５２、ｎ５３のすべては、１．９６以下が好ましく、１．８以下がより好ましい。また、ｎ５２＜ｎ５３の場合、ｎ５１、ｎ５２、ｎ５３のすべては、２．１以下が好ましく、１．９以下がより好ましい。

更に、略同一の屈折率差となる条件下では、グループ４よりグループ５が優れている。従って、グループ５のような、ｎ５２＜ｎ５１＜ｎ５３の関係を満たすと好ましい。更に、本実施形態においても、透明基材５１との界面での反射を抑制する観点から、｜ｎ５１−ｎ５２｜≦０．３が好ましく、｜ｎ５１−ｎ５２｜≦０．２がより好ましい。

他の点は、実施形態１と同様である。ただし、実施形態１の説明中の符号は、対応する部材の符号に読み替えるものとする。例えば、部材間の屈折率関係を含む他の点（高さｄや屈折率変動の温度依存性等）であれば、ｎ１１をｎ５１、ｎ１２をｎ５２、ｎ１３をｎ５３に読み替えればよい。高さｄは、実施形態１と同様、凹凸部５２と充填部５３が接する面のうち最も高い部分と低い部分の差である高さを用いる。この場合、高さｄは、第１の層５２３の厚さを含まない高さとなる。

（実施形態３）
図９は、実施形態３の回折光学素子６０の断面模式図である。回折光学素子６０は、透明基材６１と、透明基材６１の一方の面上に備わる凹凸部６２と、凹凸部６２の上面を覆って平坦化する充填部６３とを備える。回折光学素子６０は、更に、凹凸部６２と充填部６３の間又は透明基材６１と凹凸部６２の間に、屈折率調整層を備える。

図９に示す例では、透明基材６１と凹凸部６２の間に、屈折率調整層６４が設けられる。また、凹凸部６２と充填部６３の間であって、少なくとも光の透過する領域の一部の領域に、屈折率調整層６５が設けられる。図９では、回折光学素子６０が屈折率調整層６４、６５の両方を有する例を示すが、回折光学素子６０は、屈折率調整層６４のみ、又は屈折率調整層６５のみを有する構成でもよい。

以下、透明基材６１の表面Ｓ１の法線方向からの入射光に対する、透明基材６１、凹凸部６２及び充填部６３の屈折率をそれぞれ、ｎ６１、ｎ６２、ｎ６３と記す。実施形態３においても、ｎ６２及びｎ６３は平均屈折率でよい。
屈折率調整層は、透明基材６１、凹凸部６２、充填部６３のいずれかの屈折率が高いと特に有効であり、例えば、ｎ６１、ｎ６２、ｎ６３のいずれかが１．７以上であると、凹凸構造がなす界面反射の抑制に特に適応でき効果的である。ｎ６１、ｎ６２、ｎ６３のいずれかは、１．９以上がより好ましく、２．１以上が更に好ましい。
屈折率調整層６４、６５は、後述する条件を満たせば、単層でもよく、多層でもよい。屈折率調整層６５は、単層の薄膜がより好ましい。

また、凸部６２１の段数が増える等により、回折光学素子の凹凸構造のピッチが狭くなる場合、凹凸部６２に対して、回折効率を維持できる精度での屈折率調整層６５の成膜が難しくなる場合がある。これは、ピッチが狭い場合、屈折率調整層６５の部材が凸部６２１の側面等に成膜されることで生じる散乱の影響が大きくなるためである。従って、凹凸構造のピッチを狭くしないために屈折率調整層６５を有する構成として凸部６２１が２段の凹凸部６２を用いてもよい。

また、屈折率調整層６４、６５として単層の薄膜を用いる場合、条件式（６）を満たすとよい。式（６）において、対象とする屈折率調整層の材料の屈折率をｎ_ｒ、厚さをｄ_ｒ、また対象とする屈折率調整層の入射側界面をなす媒質の屈折率をｎ_ｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ_０とした。これにより、界面の反射率を低減できる。ここで、αは０．２５、βは０．６である。以下、式（６）に示す条件式を、単層薄膜に関する第１の屈折率関係式と呼ぶ場合がある。尚、αは、０．２がより好ましく、０．１が更に好ましい。また、βは、０．４がより好ましい。

（ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５−α＜ｎ_ｒ＜（ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５＋α、かつ
（１−β）×λ／４＜ｎ_ｒ×ｄ_ｒ＜（１＋β）×λ／４ ・・・（６）

表３に、屈折率調整層がない場合と比較して、単層の屈折率調整層６４を設けた場合の反射率の計算結果の例を示す。表３は、λ＝９５０ｎｍ、透明基材６１の屈折率ｎ６１＝１．５１３（ガラス基板）、凹凸部６２の屈折率ｎ６２＝２．１４３（ＴｉＯ_２）を仮定して（ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５＝１．８とし、その上でα≦０．２５及びβ≦０．６の条件下のｎ_ｒ及びｎ_ｒ×ｄ_ｒに対する反射率の計算結果である。

ここで、屈折率調整層の作用について説明する。屈折率ｎ_０を有する媒質Ｍ１から入射角θ_０で光が入射し、各層の屈折率がｎ_ｒで厚さがｄ_ｒであるｑ層からなる多層膜Ｍ２を透過し、屈折率ｎ_ｍを有する媒質Ｍ３へ光が入射する場合を考える。このときの反射率は、式（７）のように計算できる。尚、η_０、η_ｍ、η_ｒはそれぞれ、斜入射を考慮した媒質Ｍ１、多層膜Ｍ２、媒質Ｍ３の実効屈折率である。

従って、屈折率調整層がない場合はＹ＝η_ｍとなり、比較的大きく反射が発生するのに対して、屈折率調整層によってＹをη_０に近づけられると、反射を低減できる。特に、垂直入射の時は、η_０やη_ｍやη_ｒは屈折率と等価である。屈折率調整層は、Ｒ＜４％を満たすと好ましく、Ｒ＜２％を満たすとより好ましく、Ｒ＜１％を満たすと更に好ましい。以下では、式（７）に示す反射率Ｒを、多層構造による理論反射率と呼ぶ場合がある。
一般的に、凹凸部６２を構成する部材は薄膜であり、上記の多層膜の一部として計算する必要があるが、上述したように屈折率調整層を設けることで、凹凸部６２を構成する薄膜の厚さに依存せずに反射率を低減できる。単層の屈折率調整層に対しても、ｑ＝１として式（７）を適用し、干渉の効果を考慮してもよい。

また、屈折率調整層へ回折光学素子の法線方向に対して斜めの光（波長：λ［ｎｍ］）が入射する場合、透明基材６１、屈折率調整層６４及び凹凸部６２からなる界面、及び／又は、凹凸部６２、屈折率調整層６５及び充填部６３からなる界面に対して垂直に光を入射した際に、次の条件を満たすと好ましい。即ち、λ−２００ｎｍからλ＋２００ｎｍの範囲にある透過率スペクトルの局所的な最小値が、λ〜λ＋２００ｎｍの範囲にあると好ましい。該最小値は、λ〜λ＋１００ｎｍの範囲にあるとより好ましい。これは、斜めの光が入射する場合、透過率スペクトルが短波長シフトするためであり、こうすることで、斜入射によって生じる屈折率調整層界面の透過率の低減を抑制できる。なお、λは「設計波長」に相当する。

また、回折光学素子６０において、垂直に入射する光に対する透明基材６１、凹凸部６２及び充填部６３のいずれかの屈折率は、１．７以上が好ましい。
回折光学素子６０は、実施形態２と同様、凹凸部６２が第１の層６２３を有する例を示すが、凹凸部６２は、実施形態１の凹凸部１２のように、第１の層を有さなくてもよい。この場合、充填部６３は、透明基材６１と接してもよいし、接しなくてもよい（図１０（ａ），（ｂ）参照）。また、屈折率調整層６４、６５とが接してもよい（図１０（ｂ）参照）。

これら実施形態１〜３においては、いずれも、凹凸構造への付着物に起因する回折効率の変動を防止できるとともに、回折作用を発現させる凹凸構造がなす界面での反射による回折効率の低減を抑制できる。従って、所定パターンの光スポットを安定的に発生できるとともに、光利用効率の高い回折光学素子が得られる。

（実施形態４）
図１１（ａ）は、実施形態４の回折光学素子７０の断面模式図である。回折光学素子７０は、透明基材７１と、透明基材７１の一方の表面に接して備わる凹凸部７２と、凹凸部７２の上面を覆って平坦化する充填部７３とを備える。
図１１（ｂ）は図１１（ａ）の要部拡大図である。図１１（ｂ）に示すように、凹凸部７２の各段（ただし、高さを有する段に限る）は、２層以上の薄膜構造を基本ブロック（図中の７２４）とする多層構造である。また、基本ブロックは１種類に限らず、複数種類でもよい。

ここで、基本ブロック７２４は、これを構成する各層の屈折率をｎ_ｒ、厚さをｄ_ｒとしたｑ層からなる多層膜としたとき、上述の多層構造による理論反射率Ｒ＜４％を満たすように構成される。基本ブロック７２４は、Ｒ＜２％を満たすとより好ましく、Ｒ＜１％を満たすと更に好ましい。
理論反射率Ｒを求める際、凹凸部７２から見て入射側界面を構成する部材（透明基材７１又は充填部７３）の屈折率をｎ_０、凹凸部７２から見て出射側界面を構成する部材（透明基材７１又は充填部７３）の屈折率をｎ_ｍとすればよい。

図１１（ｂ）に、凸部７２１の各段に識別用の番号を付したときに、ｉ番に相当する段及びｊ番に相当する段の断面を示した。本例におけるｉ番の段は２段構成であり、ｊ番の段は１段構成である。この場合、ｉ番の段は基本ブロック７２４が２つ積み上げられた構成になる。また、ｊ番の段は基本ブロック７２４が１つ積み上げられた構成になる。図中には、ｉ番の段を構成する基本ブロック７２４として、“ｂ（ｉ−２）”及び“ｂ（ｉ−１）”が例示される。また、ｊ番の段を構成する基本ブロック７２４として“ｂ（ｊ−１）”が例示される。これら３つの基本ブロックはいずれも同じ構成である。即ち、２段以上の段は基本ブロック７２４の繰り返し構造である。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）では、基本ブロック７２４同士で境界を図示するが、基本ブロック７２４同士の境界が同一部材である場合、境界は存在しない。この場合、凸部７２１の各段の高さとなる平面と同一高さにある水準を仮想的な境界としてもよい。また、式（７）に従って理論反射率を求めて、理論反射率がＲ＜４％の厚さになる水準を仮想的な境界としてもよい。

以下、透明基材７１の表面Ｓ１の法線方向からの入射光に対する、透明基材７１、凹凸部７２及び充填部７３の屈折率をそれぞれ、ｎ７１、ｎ７２、ｎ７３と記す。本実施形態においても、ｎ７２及びｎ７３は平均屈折率でよい。
また、図１１（ａ）は、凹凸部７２が、実施形態１と同様、第１の層を含まない例を示す。しかし、これに限らず、凹凸部７２は、第１の層（不図示）を有してもよい。この場合、第１の層（１段目）を含む全ての段において、基本ブロック７２４を１つ以上積み上げた多層構造とすればよい。即ち、凹凸部７２の段のうち高さを有する段の各々が、基本ブロック７２４を１つ以上積み上げた多層構造からなればよい。
実施形態４によれば、凹凸部７２の凸部７２１自体に、透明基材７１と充填部７３間の屈折率差を調整する屈折率調整層としての機能を持たせることにより、凹凸構造がなす界面の反射をより低減できる。

上記各実施形態において、入射光の波長は特に限定されないが、例えば、赤外光（具体的には、波長が７８０〜１０２０ｎｍの範囲に含まれる光）でもよい。可視光よりも長波長の光を取り扱う場合、特に、光路長差を大きくするために凹凸が高くなる傾向にあるので、上記各実施形態の回折光学素子はより効果的である。
また、各実施形態の回折光学素子は、光を効率よく拡散できるので、例えばプロジェクタのような投影装置に使用できる。また、各実施形態の回折光学素子は、例えば、該投影装置において、光源と所定の投影面との間に配置される、光源からの光を所定の投影面に投影するための拡散素子として使用できる。また、各実施形態の回折光学素子は、３次元計測装置や、認証装置等のように、光を照射して対象物によって散乱された光を検知する装置に含まれる、検査光を所定の投影範囲に照射するための光の投影装置にも使用できる。更に、各実施形態の回折光学素子は、ヘッドアップディスプレイのような投影装置の中間スクリーン（中間像生成用の光学素子）にも使用できる。その場合、該回折光学素子は、例えば、該投影装置において、中間像を構成する光を出射する光源とコンバイナーとの間に配置され、光源からの光であって中間像を構成する光を、コンバイナーに投影するための中間スクリーンとしても使用できる。

これら各装置においては、回折光学素子において反射率が低減される効果により、光源から出射される光の光量に対する所定の投影面に照射される光の光量の割合が５０％以上であると好ましい。

（例１）
本例は、図１に示す実施形態１の回折光学素子１０の例である。ただし、例１では、凹凸部１２の段数を８段（凸部の段数としては７段）とする。また、透明基材１１の部材として石英基板、凹凸部１２の部材としてＴｉＯ_２、充填部１３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。素子、及び凹凸部が配置される領域は２ｍｍ角であり、その中に図４（ｃ）に示す基本ユニットが配置されている。

まず、石英基板上にＴｉＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等によりＴｉＯ_２を８段の凹凸構造へ加工し、透明基材１１上に凹凸部１２を得る。その後、該凹凸部１２の凹部１２２を充填するとともに凸部１２１の上面を覆うように、凹凸構造の上にＳｉＯ_２を成膜する。成膜後、ＳｉＯ_２の表面を研磨して平坦化する。
表４に、例１の凹凸部１２の具体的構成を示す。表4において凹凸部の各段の高さ＝０の段（例えば、１段目）は、凸部が設けられない領域、即ち透明基材と充填部とが接する領域を表す。

また、例１では、回折光学素子によって２１点の回折光（光スポット）を発生できる位相差を付与している。回折光学素子の凹凸パターンの基本ユニットは、高速フーリエ変換を繰り返し行い計算した。例１では、そのような基本ユニットを直角に交わる２つの軸方向にそれぞれ３．６μｍピッチで配列して凹凸パターンを得る。当該計算によって得られた回折光の各次数における、入射光に対する回折効率分布は、図７（ａ）のとおりである。従って、入射側界面及び回折光学素子内での反射や吸収による損失がないとする場合、例１の回折光学素子の前方透過率は、９２．３％となる。

例１の石英基板及びＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＴｉＯ_２の屈折率は２．１４３である。また、凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略１７２ｎｍとした。ここで、λは例１の設計波長である９５０ｎｍである。

図１２に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例１の各光路（より具体的には、凹凸部の各段に相当する領域）の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。各光路の反射率は、式（７）を用いて計算した。図１２より、例１の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長の光における反射率の最大が１２．６％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が７．２％である。従って、当該反射（透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例１の前方透過率は、９２．３％×（１００％−７．２％）＝８５．６％となる。

（例２）
本例も、図１に示す実施形態１の回折光学素子１０の例である。例２でも、凹凸部１２の段数を８段とする。また、透明基材１１の部材としてガラス基板、凹凸部１２の部材としてＴｉＯ_２、充填部１３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。
例２の回折光学素子の製造方法は例１と同様である。また、凹凸部の各段の具体的構成も例１と同様である。表５に、例２の凹凸部１２の具体的構成を示す。

例２のガラス基板の屈折率は１．５１３であり、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７、ＴｉＯ_２の屈折率は２．１４３である。各屈折率は、λ＝９５０ｎｍの光における値である。
図１３に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例２の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１３より、例２の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が１１．５％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が６．５％である。従って、当該反射（透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例２の前方透過率は、８６．３％となる。

（例３）
本例も、図１に示す実施形態１の回折光学素子１０の例である。例３でも、凹凸部１２の段数を８段とする。また、透明基材１１の部材としてガラス基板、凹凸部１２の部材としてＺｎＯ_２、充填部１３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。
例３の回折光学素子の製造方法は例１と同様である。ただし、例３の凹凸部１２の各段の具体的構成は表６のとおりとする。設計波長λを含む他の点は例１と同様である。

例１３のガラス基板の屈折率は１．５１３であり、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７、ＺｎＯ_２の屈折率は１．９０５である。また、例３では、凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略２６２ｎｍとした。

図１４に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例３の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１４より、例３の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が４．９％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が２．１％である。従って、当該反射（透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例３の前方透過率は、９０．３％となる。

（例４）
本例は、図８に示す実施形態２の回折光学素子５０の例である。ただし、例４では、凹凸部５２の段数を第１の層５２３を含めて８段とする。また、透明基材５１の部材としてガラス基板、凹凸部５２の部材としてＺｎＯ_２、充填部１３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。
まず、ガラス基板上にＺｎＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等により成膜したＺｎＯ_２を、ガラス基板の表面に対し８つの段を有する凹凸構造へ加工し、透明基材５１上に透明基材５１の表面を覆って備えられる凹凸部５２を得る。その後、該凹凸部５２の凹部５２２を充填するとともに凸部５２１の上面を覆うように、凹凸構造の上にＳｉＯ_２を成膜する。成膜後、ＳｉＯ_２の表面を研磨して平坦化する。
表７に、例４の凹凸部５２の具体的構成を示す。尚、他の点は例１と同様である。

例４のガラス基板の屈折率は１．５１３であり、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＺｎＯ_２の屈折率は１．９０５である。また、例４でも凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略２６２ｎｍとした。

図１５に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例４の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１５より、例４の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が５．９％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が５．２％である。従って、当該反射（透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例４の前方透過率は、８７．５％となる。

（例５）
本例も、図８に示す実施形態２の回折光学素子５０の例である。例５でも、凹凸部５２の段数を第１の層５２３を含めて８段とする。また、透明基材５１の部材としてガラス基板、凹凸部５２の部材としてＺｎＯ_２、充填部１３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。
例５の回折光学素子の製造方法は例４と同様である。ただし、例５の凹凸部５２の各段の具体的構成は表８のとおりとする。尚、例４と比べて第１の層５２３の厚さが異なる。

例５のガラス基板の屈折率は１．５１３であり、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＺｎＯ_２の屈折率は１．９０５である。また、例５でも凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略２６２ｎｍとした。
図１６に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例５の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１６より、例５の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が２．１％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が０．８％である。従って、当該反射（透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例５の前方透過率は、９１．６％となる。このとき、各光路の光路長は、表８に示すとおり、凹凸部の各段で半波長の整数倍に近い値となる。

（例６）
本例は、図９に示す実施形態３の回折光学素子６０の例である。ただし、例６では、屈折率調整層６５は含まれない。また、凹凸部６２の段数を第１の層６２３を含めて８段とする。また、透明基材６１の部材として石英基板、凹凸部６２の部材としてＴｉＯ_２、充填部６３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。また、屈折率調整層６４の部材として、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の多層膜を用いる。

まず、石英基板上に、屈折率調整層６４となるＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の多層膜と、凹凸部６２となるＴｉＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等により、成膜したうちの上位層のＴｉＯ_２を、該基板の表面に対し８つの段を有する凹凸構造へ加工し、透明基材６１上に、屈折率調整層６４と、更に該屈折率調整層６４の表面を覆って備わる凹凸部６２を得る。その後、該凹凸部６２の凹部６２２を充填するとともに凸部６２１の上面を覆うように、凹凸構造の上にＳｉＯ_２を成膜する。成膜後、ＳｉＯ_２の表面を研磨して平坦化する。
表９に、例６の凹凸部６２、６４の具体的構成を示す。

また、例６では、回折光学素子によって２１点の回折光（光スポット）を発生させる位相差を付与している。回折光学素子の凹凸パターンの基本ユニットは、高速フーリエ変換を繰り返し行い計算した。例６では、そのような基本ユニットを直角に交わる２つの軸方向にそれぞれ６．６μｍピッチで配列して凹凸パターンを得る。当該計算によって得られた回折光の各次数における、入射光に対する回折効率分布は、図７（ｂ）のとおりである。従って、入射側界面及び回折光学素子内での反射や吸収による損失がないとする場合、例６の回折光学素子の前方透過率は、９５．４％となる。

例６の石英基板及びＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＴｉＯ_２の屈折率は２．１４３である。また、凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略１７２ｎｍとした。ここで、λ＝９５０ｎｍである。例６では、透明基材、凹凸部及び充填部の部材並びに凹凸部の凸部の高さを例１と同様にした。その上で、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２の多層膜からなる屈折率調整層６４を、多層構造による理論反射率Ｒ＜４％を満たす構成にした。

図１７に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例６の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１７より、例６の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が５．０％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が３．８％である。従って、当該反射（透明基材、屈折率調整層（６４）、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例６の前方透過率は、９５．４％×（１００％−３．８％）＝９１．８％となる。

（例７）
本例も、図９に示す実施形態３の回折光学素子６０の例である。ただし、例７では、屈折率調整層６４は含まれない。また、凹凸部６２の段数を第１の層６２３を含めて８段とする。また、透明基材６１の部材として石英基板、凹凸部６２の部材としてＴｉＯ_２、充填部６３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。また、屈折率調整層６４の部材として、ＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物を用いる。

まず、石英基板上に、凹凸部６２となるＴｉＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等により、成膜したうちの上位層のＴｉＯ_２を、該基板の表面に対し８つの段を有する凹凸構造へ加工し、透明基材６１上に、透明基材６１の表面を覆って備えられる凹凸部６２を得る。その後、該凹凸部６２上に、ＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物からなる屈折率調整層６５を成膜する。その後、屈折率調整層６５を介在させた状態で該凹凸部６２の凹部６２２を充填するとともに凸部６２１（より具体的には凸部６２１上に設けられた屈折率調整層６５）の上面を覆うように、屈折率調整層６５の成膜後の凹凸構造の上にＳｉＯ_２を成膜する。成膜後、ＳｉＯ_２の表面を研磨して平坦化する。
表１０に、例７の凹凸部６２及び屈折率調整層６５の具体的構成を示す。尚、他の点は例６と同様である。

例７の石英基板及びＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＴｉＯ_２の屈折率は２．１４３である。また、凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略１７２ｎｍとした。ここで、λ＝９５０ｎｍである。例７でも、透明基材、凹凸部及び充填部の部材並びに凹凸部の凸部の高さを例１と同様にした。その上で、ＺｒＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の混合物からなる屈折率調整層６５を、単層薄膜に関する第１の屈折率関係式（上記の式（６））を満たす構成にした。

図１８に、波長８００〜１０００ｎｍにおける例７の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１８より、例７の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が３．９％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が３．６％である。従って、当該反射（透明基材、凹凸部、屈折率調整層（６５）及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例７の前方透過率は、９５．４％×（１００％−３．６％）＝９１．９％となる。

（例８）
本例も、図９に示す実施形態３の回折光学素子６０の例である。ただし、例８では、凹凸部６２の段数を第１の層６２３を含めて８段とする。また、透明基材６１の部材として石英基板、凹凸部６２の部材としてＴｉＯ_２、充填部６３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。また、屈折率調整層６４の部材としてＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の多層膜、屈折率調整層６４の部材としてＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物を、それぞれ用いる。

まず、石英基板上に、屈折率調整層６４となるＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の多層膜と、凹凸部６２となるＴｉＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等により、成膜したうちの上位層のＴｉＯ_２を、該基板の表面に対し８つの段を有する凹凸構造へ加工し、透明基材６１上に、屈折率調整層６４と、更に該屈折率調整層６４の表面を覆って備わる凹凸部６２を得る。その後、該凹凸部６２上に、ＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物からなる屈折率調整層６５を成膜する。その後、屈折率調整層６５を介在させた状態で該凹凸部６２の凹部６２２を充填するとともに凸部６２１（より具体的には凸部６２１上に設けられた屈折率調整層６５）の上面を覆うように、屈折率調整層６５の成膜後の凹凸構造の上にＳｉＯ_２を成膜する。成膜後、ＳｉＯ_２の表面を研磨して平坦化する。
表１１に、例８の凹凸部６２、屈折率調整層６４、６５の具体的構成を示す。他の点は例６と同様である。

例８の石英基板及びＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＴｉＯ_２の屈折率は２．１４３であり、ＺｒＯ_２とＡｌ_２Ｏ_３の混合物の屈折率は１．７８である。また、凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略１７２ｎｍとした。ここで、λ＝９５０ｎｍである。例８では、透明基材、凹凸部及び充填部の部材並びに凹凸部の凸部の高さを例１と同様にした。その上で、例６の屈折率調整層６４及び例７の屈折率調整層６５の両方を備える構成とした。

図１９に、波長９００〜１０００ｎｍにおける例８の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。計算方法は例１と同様である。図１９より、例８の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が０．２％であり、各光路を透過する光の反射率の平均値が０．１％である。従って、当該反射（透明基材、屈折率調整層（６４）、凹凸部、屈折率調整層（６５）及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例８の前方透過率は、９５．３％となる。

（例９）
本例は、図１１に示す実施形態４の回折光学素子７０の例である。ただし、例９では、凹凸部７２の段数を８段とする。また、透明基材７１の部材として石英基板、凹凸部７２の部材としてＴｉＯ_２とＳｉＯ_２からなる多層膜、充填部７３の部材としてＳｉＯ_２を、それぞれ用いる。
例９の凹凸部７２は、基板側から順にＴｉＯ_２，ＳｉＯ_２，ＴｉＯ_２がそれぞれ８５ｎｍ，２９ｎｍ，９３ｎｍの膜厚で積層される３層からなる多層膜を基本ブロックとする。

まず、石英基板上に、凹凸部７２となるＴｉＯ_２とＳｉＯ_２からなる多層膜を成膜する。ここでは、最も高い段の構成となるように成膜する。その後、フォトリソグラフィにより多層膜を７段の凹凸構造へ加工し、透明基材７１上に凹凸部７２を得る。その後、該凹凸部７２の凹部７２２を充填するとともに凸部７２１の上面を覆うように、凹凸構造の上にＳｉＯ_２を成膜する。成膜後、ＳｉＯ_２の表面を研磨して平坦化する。
表１２に、例９の凹凸部７２の具体的構成を示す。他の点は例６と同様である。

尚、表１２において破線は基本ブロックを表す。例９の石英基板及びＳｉＯ_２の屈折率は１．４５７であり、ＴｉＯ_２の屈折率は２．１４３である。また、凸部の１段の高さを、光路長差がλ／８に近づくよう略１７２ｎｍとした。ここで、λ＝９５０ｎｍである。

図２０に、波長９００〜１０００ｎｍにおける例９の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。各光路の反射率は、式（７）を用いて計算した。図２０より、例９の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長における反射率の最大が０．４％であり、各光路を透過する光の反射率の平均が０．２％である。従って、高次回折光の出射側界面での全反射と透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射とを考慮した例９の前方透過率は、９５．４％×（１００％−０．２％）＝９５．２％となる。高次回折光の全反射や吸収がないと仮定すると、例９の前方透過率は、９９%以上となる。

（例１０）
本例は、図１に示す実施形態１の回折光学素子１０の例である。ただし、例１０では、凹凸部１２の段数を２段、即ちバイナリの凹凸構造とする。また、透明基材１１の部材としてガラス基板、凹凸部１２の部材としてＳｉＯ_２、充填部１３の部材として樹脂を、それぞれ用いる。
まず、ガラス基板上に厚さ２．１３μｍのＳｉＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等により該ＳｉＯ_２を２段の凹凸構造へ加工し、透明基材１１上に凹凸部１２を得る。その後、該凹凸部１２の凹部１２２を充填するとともに凸部１２１の上面を覆って表面が平坦化されるように、凹凸構造の上に樹脂を塗布する。
表１３に、例１０の凹凸部１２の具体的構成を示す。

また、例１０の凹凸構造は、水平、垂直方向に１段の凸部（ＳｉＯ_２部位）と凹部（樹脂部位）とが所定のピッチで並んだ基本ユニット３１が２次元に配置され、当該凹凸構造によって合計９つの光スポットが生じる。光軸に垂直な平面方向から見た場合、凹凸構造の樹脂側（屈折率の高い側）の面積が基本ユニット３１中４５％である（Ａ＝０．４５）。例１０のガラス基板の屈折率は１．５１５であり、ＳｉＯ_２の屈折率は１．４５０である。また、樹脂の屈折率は表１４のとおりである。例１０では、凸部の１段の高さを２．１３μｍとした。各屈折率は、λ＝９５０ｎｍの光における値である。

図２１に、波長６００〜１０００ｎｍにおける例１０の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。各光路の反射率は、式（７）を用いて計算した。図２１より、例１０の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長帯（９５０ｎｍ±２０ｎｍ）における反射率の最大が０．９％であり、各光路を透過する光の反射率の平均が０．６％である。また、高次回折光の全反射や吸収がないと仮定すると、例１０の前方透過率は、９８．４％である。
また、各温度での０次回折効率の変動を計算すると、２０℃での０次回折効率を１とした場合、５０℃で１．０６、０℃で０．９６となり、変動が１０％未満となる。

（例１１）
本例も、図１に示す実施形態１の回折光学素子１０の例である。ただし、例１１では、凹凸部１２の段数を２段の凹凸構造とする。また、透明基材１１の部材としてガラス基板、凹凸部１２の部材としてＴｉＯ_２、充填部１３の部材としてシリコーン樹脂を、それぞれ用いる。
まず、ガラス基板上に厚さ６８９ｎｍのＴｉＯ_２を成膜する。その後、フォトリソグラフィ等により該ＴｉＯ_２を１段の凹凸構造へ加工し、透明基材１１上に凹凸部１２を得る。その後、該凹凸部１２の凹部１２２を充填するとともに凸部１２１の上面を覆って表面が平坦化されるように、凹凸構造の上にシリコーン樹脂を塗布する。
表１５に、例１１の凹凸部１２の具体的構成を示す。他の点は例１０と同様である。

また、例１１の凹凸構造は、水平、垂直方向に１段の凸部（ＴｉＯ_２部位）と凹部（樹脂部位）とが所定のピッチで並んだ基本ユニット３１が２次元的に配置され、当該凹凸構造によって合計９つの光スポットが生じる。なお、光軸に垂直な平面方向から見た場合、凹凸構造の樹脂側（屈折率の高い側）の面積が基本ユニット３１中４５％である（Ａ＝０．４５）。
例１１のガラス基板の屈折率は１．５１５であり、ＴｉＯ_２及び樹脂の屈折率は表１６のとおりである。例１１では、凸部の１段の高さを、光路長が、設計波長である９５０ｎｍの半波長の整数倍となるように６８９ｎｍとした。

図２２に、波長６００〜１０００ｎｍにおける例１１の各光路の垂直入射に対する反射率の計算結果を示す。各光路の反射率は、式（７）を用いて計算した。図２２より、例１１の回折光学素子は、９５０ｎｍ波長帯（９５０ｎｍ±２０ｎｍ）における反射率の最大が３．５％であり、各光路を透過する光の反射率の平均が１．８％である。また、垂直入射の波長９５０ｎｍの光に対して、当該反射（透明基材、凹凸部及び充填部の積層構造による反射）と、高次回折光の出射側界面での全反射とを考慮した例１１の前方透過率は、８４．６％である。

また、凹凸部の２段目（ＴｉＯ_２部位）を通る光路の反射率がλ＝９５０ｎｍ等において小さくなっているが、これはｎｄ／λが０．４７であり、ｎｄが半波長の整数倍に近い値であることによる。
また、各温度での０次回折効率の変動を計算すると、２０℃での０次回折効率を１とした場合、５０℃で０．９５、０℃で１．０３となり、変動が１０％未満となる。

（例１２）
本例にかかる凹凸構造を図２３に示す。例１２では、凹凸部８２の段数を２段の凹凸構造とする。また、透明基材８１の部材としてガラス基板、凹凸部８２の部材としてＴａ_２Ｏ_５、充填部８３の部材としてメチルシロキサン高分子を、それぞれ用いた。
まず、ガラス基板上に４層からなる屈折率調整層８４を成膜し、その上に厚さ６９５ｎｍのＴａ_２Ｏ_５を成膜した。その後、フォトリソグラフィ等により該Ｔａ_２Ｏ_５を１段の凹凸構造へ加工し、深さ５９５ｎｍの凹凸部８２を得た。その後、該凹凸部８２の凹部８２２を充填するとともに凸部８２１の上面を覆って表面が平坦化されるように、凹凸構造の上にメチルシロキサン高分子を塗布し硬化した。

図２４に、例１２の屈折率調整硬８４の具体的構成と理論反射率を計算したものを示した。図２４にあるように理論反射率は９００〜１１００ｎｍの波長帯で反射率が４％以下となっている。
また、例１２の凹凸構造は、水平、垂直方向に１段の凸部（Ｔａ_２Ｏ_５部位）と凹部（樹脂部位）とがピッチ３μｍで並んだ基本ユニットが２次元的に配置され、当該凹凸構造によって合計９つの光スポットが生じる。

例１２のガラス基板の屈折率は１．５１５であり、波長９３３ｎｍにおける各材料の屈折率はＳｉＯ_２が１．４５６、Ｔａ_２Ｏ_５が２．１９６、メチルシロキサン高分子が１．３８６であった。なお、透明基材８１の凹凸部と対抗する面には反射防止層８５が形成されており、その構成及び理論反射率を図２５Ｃに示す。
波長９３３ｎｍにおいて例１２の回折効率を測定した結果を表１７に示す。７５%以上の合計の回折効率が得られており、温度変動も１％以下ということがわかった。

（例１３）
本例にかかる凹凸構造を図２６に示す。例１３では、凹凸部９２の段数を２段の凹凸構造とする。また、透明基材９１の部材としてガラス基板、凹凸部９２の部材としてＴａ_２Ｏ_５、充填部９３の部材としてエポキシ樹脂を、それぞれ用いた。
まず、ガラス基板上に４層からなる屈折率調整層９４を成膜し、その上に厚さ５１５ｎｍのＴａ_２Ｏ_５を成膜した。その後、フォトリソグラフィ等により該Ｔａ_２Ｏ_５を１段の凹凸構造へ加工し、深さ５１５ｎｍの凹凸部９２を得た。その後、該凹凸部９２の凹部９２２を充填するとともに凸部９２１の上面を覆って表面が平坦化されるように、凹凸構造の上にエポキシ樹脂を塗布し硬化した。

図２４に、例１３の屈折率調整硬９４の具体的構成と理論反射率を計算したものを示した。図２４にあるように理論反射率は９００〜１１００ｎｍの波長帯で反射率が４％以下となっている。
また、例１３の凹凸構造は、水平、垂直方向に１段の凸部（Ｔａ_２Ｏ_５部位）と凹部（樹脂部位）とがピッチ３μｍで並んだ基本ユニットが２次元的に配置され、当該凹凸構造によって合計９つの光スポットが生じる。

例１３のガラス基板の屈折率は１．５１５であり、波長９３３ｎｍにおける各材料の屈折率はＳｉＯ_２が１．４５６、Ｔａ_２Ｏ_５が２．１９６、エポキシ樹脂が１．５００であった。なお、透明基材９１の凹凸部と対抗する面には反射防止層９５が形成されており、その構成及び理論反射率を図２５に示す。
波長９３３ｎｍにおいて例１３の回折効率を測定した結果を表１８に示す。７５%以上の合計の回折効率が得られており、温度変動も１％以下ということがわかった。

（例１４）
本例にかかる凹凸構造を図２７に示す。例１４では、凹凸部１０２の段数を２段の凹凸構造とする。また、透明基材１０１の部材としてガラス基板、凹凸部１０２の部材としてＴａ_２Ｏ_５、充填部１０３の部材としてシリコーン樹脂を、それぞれ用いた。
まず、ガラス基板上に４層からなる屈折率調整層１０４を成膜し、その上に厚さ７１５ｎｍのＴａ_２Ｏ_５を成膜した。その後、フォトリソグラフィ等により該Ｔａ_２Ｏ_５を１段の凹凸構造へ加工し、深さ６１５ｎｍの凹凸部１０２を得た。その後、該凹凸部１０２の凹部１０２２を充填するとともに凸部１０２１の上面を覆って表面が平坦化されるように、凹凸構造の上にシリコーン樹脂を塗布し、第２のガラス基材１０６と積層、硬化した。第２のガラス基材１０６はその表層に反射防止層１０７を有している。

図２４に、例１４の屈折率調整硬１０４の具体的構成と理論反射率を計算したものを示した。図２４にあるように理論反射率は９００〜１１００ｎｍの波長帯で反射率が４％以下となっている。
また、例１４の凹凸構造は、水平、垂直方向に１段の凸部（Ｔａ_２Ｏ_５部位）と凹部（樹脂部位）とがピッチ３μｍで並んだ基本ユニットが２次元的に配置され、当該凹凸構造によって合計９つの光スポットが生じる。

例１４のガラス基板の屈折率は１．５１５であり、波長９３３ｎｍにおける各材料の屈折率はＳｉＯ_２が１．４５６、Ｔａ_２Ｏ_５が２．１９６、シリコーン樹脂が１．５０２であった。なお、透明基材１０１の凹凸部と対抗する面には反射防止層１０５が形成されており、その構成及び理論反射率を図Ｃに示す。反射防止層１０７の光学特性も同様である。
波長９３３ｎｍにおいて例１４の回折効率を測定した結果を表１９に示す。７５%以上の合計の回折効率が得られており、温度変動も１％以下ということがわかった。

特定の範囲に光の損失を抑えて効率よく拡散させる用途や所定パターンを光の損失を抑えて照射する用途を有する光学素子や装置であれば、好適に適用可能である。

なお、２０１７年５月２６日に出願された日本特許出願２０１７−１０４６６８号の明細書、特許請求の範囲、図面、及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

１０、５０、６０、７０：回折光学素子、１１、５１、６１、７１：透明基材、１２、５２、６２、７２：凹凸部、１２１、５２１、６２１、７２１：凸部、１２２、５２２、６２２、７２２：凹部、５２３、６２３：第１の層、７２４：基本ブロック、１３、５３、６３、７３：充填部、６４、６５：屈折率調整層、２１：光束、２２：回折光群、２３：光スポット、３１：基本ユニット、１１−１：第１の透明基材、１１−２：第２の透明基材、１２−１：第１の凹凸部、１２−２：第２の凹凸部

Claims (21)

1. ２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折して複数の回折光を発生させる回折光学素子であって、
   透明基材と、前記透明基材の一方の表面に接して備えられた凹凸部と、前記凹凸部の凹部を充填するとともに前記凹凸部の凸部の上面を覆って前記凹凸部を平坦化する充填部とを備え、
   前記凹凸部は、前記透明基材の前記表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、前記透明基材の前記表面の法線方向から入射する前記入射光に対する、前記透明基材、前記凹凸部及び前記充填部のうち、少なくとも前記凹凸部と前記充填部の屈折率が異なり、前記入射光に対する、前記透明基材、前記凹凸部及び前記充填部の屈折率をそれぞれ、ｎ１、ｎ２、ｎ３としたとき、いずれの値も２．２以下であることを特徴とする回折光学素子。
2. ｜ｎ２−ｎ３｜≧０．２である、請求項１に記載の回折光学素子。
3. 前記入射光が前記法線方向から入射して発生する複数の回折光の各々である光スポットがなす対角方向の角度が７．５°以上である、請求項１又は２に記載の回折光学素子。
4. 前記入射光が前記法線方向から入射して発生する複数の回折光の各々である光スポットの数が４以上である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折光学素子。
5. ｜ｎ１−ｎ３｜≦０．３である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の回折光学素子。
6. ｎ３＜ｎ１＜ｎ２、又は、ｎ２＜ｎ１＜ｎ３の関係を満たす、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回折光学素子。
7. 前記充填部の一部は、入射光の有効領域内において前記透明基材に接しており、
   前記有効領域内において、前記凹凸部と前記充填部のうち屈折率の高い部材が前記透明基材と接する界面の面積に対する、前記凹凸部及び前記充填部が前記透明基材と接する界面の面積の割合をＡとしたとき、Ａ＜５０％を満たす、請求項１〜６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
8. 前記凹凸部は、少なくとも入射光の有効領域内において前記透明基材の表面を覆う第１の層を含み、前記充填部は、前記透明基材に接することなく、前記凹凸部を平坦化する、請求項１〜７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
9. ｎ２＞ｎ３であってｎ１、ｎ２及びｎ３がいずれも１．９６以下であるか、又は、ｎ２＜ｎ３であってｎ１、ｎ２及びｎ３がいずれも２．１以下である、請求項１〜８のいずれか１項に記載の回折光学素子。
10. 前記凹凸部のいずれかの段において、前記透明基材から当該段の上面までの距離が、前記入射光の全波長域に含まれる波長のうち所定の設計波長の半波長の整数倍の光路長に相当する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の回折光学素子。
11. 前記凹凸部の段数は４段以上であり、
    前記凹凸部の段数のうち半数以上の段において、前記透明基材から当該段の上面までの距離が、前記入射光の全波長域に含まれる波長のうち所定の設計波長の半波長の整数倍の光路長に相当する、請求項１０に記載の回折光学素子。
12. ２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折して複数の回折光を発生させる回折光学素子であって、
    透明基材と、前記透明基材の一方の面上に備えられた凹凸部と、前記凹凸部の凹部を充填するとともに前記凹凸部の凸部の上面を覆って前記凹凸部を平坦化する充填部とを備え、
    前記凹凸部は、前記透明基材の表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、前記透明基材の前記表面の法線方向から入射する前記入射光に対する、前記透明基材、前記凹凸部及び前記充填部のうち、少なくとも前記凹凸部と前記充填部の屈折率が異なり、前記凹凸部と前記充填部の間又は前記透明基材と前記凹凸部の間に、屈折率調整層を備え、
    前記屈折率調整層は、入射側界面をなす媒質の屈折率をｎ_ｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ_０、当該屈折率調整層もしくはその各層の屈折率をｎ_ｒ、厚さをｄ_ｒとしたとき、当該屈折率調整層の両界面に対して、以下の式（Ａ）を満たす単層の屈折率調整層又は多層構造による理論反射率Ｒ＜４％を満たす１層以上の屈折率調整層である、ことを特徴とする回折光学素子。
    式（Ａ）：
    （ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５−α＜ｎ_ｒ＜（ｎ_０×ｎ_ｍ）^０．５＋α、かつ
    （１−β）×λ／４＜ｎ_ｒ×ｄ_ｒ＜（１＋β）×λ／４
    ただし、α＝０．２５、β＝０．６
13. 前記凹凸部と前記充填部の間及び前記透明基材と前記凹凸部の間に、前記屈折率調整層が備えられている、請求項１２に記載の回折光学素子。
14. 前記入射光に対する、前記透明基材、前記凹凸部及び前記充填部のいずれかの屈折率の値が、１．７以上である、請求項１２又は１３に記載の回折光学素子。
15. ２次元の位相分布を発生させる凹凸パターンを有し、入射光を２次元に回折して複数の回折光を発生させる回折光学素子であって、
    透明基材と、前記透明基材の一方の表面に接して備えられた凹凸部と、前記凹凸部の凹部を充填するとともに前記凹凸部の凸部の上面を覆って前記凹凸部を平坦化する充填部とを備え、前記凹凸部は、前記透明基材の表面上に２段以上の段を構成するとともに、各段の上面が互いに平行であり、前記凹凸部の各段のうち少なくとも高さを有する段は、所定の屈折率及び厚さを有する２層以上の多層膜を基本ブロックとしたとき、前記基本ブロックを１つ以上積み上げてなることを特徴とする回折光学素子。
16. 前記基本ブロックは、多層構造における理論反射率Ｒ＜４％を満たす、請求項１５に記載の回折光学素子。
17. 前記入射光の少なくとも有効領域内における前方透過率が８０％以上である、請求項１〜１６のいずれか１項に記載の回折光学素子。
18. 前記入射光の少なくとも有効領域内における反射率が１０％以下である、請求項１〜１７のいずれか１項に記載の回折光学素子。
19. 前記入射光は、波長が７８０〜１０２０ｎｍの範囲に含まれる光である、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の回折光学素子。
20. 光源からの光を所定の投影面に投影する投影装置であって、
    光源と、前記光源から出射される光の照射範囲を広げるための光学素子として、前記請求項１〜１９のいずれか１項に記載の回折光学素子を備え、
    前記光源から出射される光の光量に対する所定の投影面に照射される光の光量の割合が５０％以上であることを特徴とする投影装置。
21. 検査光を出射する投影部と、前記投影部から照射される検査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、前記投影部として、請求項２０に記載の投影装置を備えることを特徴とする計測装置。

Images