TWI751307B

TWI751307B - 繞射光學元件

Info

Publication number: TWI751307B
Application number: TW107109577A
Authority: TW
Inventors: 登山伸人
Original assignee: 日商大日本印刷股份有限公司
Priority date: 2017-03-23
Filing date: 2018-03-21
Publication date: 2022-01-01
Also published as: WO2018174057A1; US11340389B2; US20200073030A1; TW201841004A

Abstract

本發明提供一種能夠配置間距較大之繞射光柵，且能夠配置多個繞射光柵之繞射光學元件。繞射光學元件10係排列配置有複數個單元，針對每個單元而凸部11a之排列間距與面內之旋轉方向之配置之至少一者不同，於相同單元內凸部11a之間距與面內之旋轉方向之配置相同，藉由作為單元之集合體之構成而對光進行整形；複數個單元包含：單元之外形形狀為相同形狀之複數個基本單元10a；及合成單元10b，該合成單元10b係外形形狀與基本單元10a不同之單元，且係特定方向之長度形成為較基本單元之長度長且具有至少包含凸部11a之1間距量之繞射光柵的單元。

Description

繞射光學元件

本發明係關於一種繞射光學元件。

近年來，為避免因網路普及所致之安全風險而要求進行個人認證、汽車自動運轉化之流行、或者所謂「物聯網」之普及等需要感測器系統之局勢增大。感測器有各種種類，所要檢測之資訊亦有各種，作為其中之1個方法，有自光源朝對象物照射光，自反射而來之光獲得資訊者。例如，其一例為圖案認證感測器或紅外線雷達等。該等感測器之光源係使用具有與用途對應之波長分佈或亮度、擴散者。光之波長較佳地使用可見光～紅外線，尤其是紅外線具有不易受外界光之影響、不可見、且亦能夠觀察對象物之稍微內部之特徵，故而被廣泛使用。又，作為光源之種類，多使用LED(light-emitting diode，發光二極體)光源或雷射光源等。例如，為了偵測較遠處而較佳地使用光之擴散較少之雷射光源，於偵測相對較近處之情形時，或為了照射具有某程度之擴散之區域而較佳地使用LED光源。且說，作為對象之照射區域之大小或形狀未必與來自光源之光之擴散(分佈)一致，於該情形時，必須藉由擴散板或透鏡、遮蔽板等對光進行整形。最近，開發有稱為光整形擴散器(Light Shaping Diffuser，LSD)之可某程度地對光之形狀進行整形之擴散板。又，作為對光進行整形之其他方法，可列舉繞射光學元件(Diffractive Optical Element：DOE)。其應用光通過具有不同之折射率之材料呈週期性排列之場所時之繞射現象。DOE基本上針對單一波長之光而設計，理論上能夠將光整形為大致任意之形狀。又，於上述LSD中，照射區域內之光強度成為高斯分佈，相對於此，於DOE中，能夠控制照射區域內之光分佈之均勻性。DOE之此種特性於如下方面有利，即，抑制了對多餘區域之照射而獲得高效率化，或削減了光源數等而使裝置小型化等(例如，參照專利文獻1)。又，DOE能夠應對如雷射之平行光源或如LED之擴散光源之任一者，且能夠適用於紫外光至可見光、紅外線為止之廣範圍之波長。作為繞射光學元件之形態，先前使用被稱為光柵單元陣列(Grating Cell Array)之形態(參照專利文獻1、非專利文獻1)。於光柵單元陣列型之繞射光學元件中，例如正方形之微細之單位區域(單元)呈矩陣狀排列。而且，於光柵單元陣列型之繞射光學元件之1個單位區域內，以固定間距配置有面內之旋轉方向朝向固定方向之繞射光柵。又，於光柵單元陣列型之繞射光學元件中，針對各單位區域之每一個，所配置之繞射光柵之間距及旋轉方向不同，作為其等之集合體而構成1個繞射光學元件。該單位區域之尺寸例如為20 μm×20 μm左右。於繞射光柵中，繞射角越小，則凹凸形狀之排列間距越大。然而，由於光柵單元陣列之單位區域微細，故而存在繞射角較小之繞射光柵之間距超過1個單位區域之尺寸之情形。於該情形時，應配置於該單位區域之繞射光柵無法發揮作為繞射光柵之功能，相應地，有產生繞射效率降低等之虞。為了使間距較大之繞射光柵充分發揮功能，考慮使單位區域之尺寸變大。然而，若使單位區域之尺寸變大，則每單位面積能夠配置之單位區域之數量，即，能夠配置之繞射光柵之數量減少。於該情形時，有實際上無法構成小型之繞射光學元件之虞。 [先前技術文獻] [專利文獻] [專利文獻1]日本專利特開2015-170320號公報 [非專利文獻] [非專利文獻1]Daniel Asoubar, et al. "Customized homogenization and shaping of LED light by micro cells arrays" 9 March 2015

[發明所欲解決之問題] 本發明之課題在於提供一種能夠配置間距較大之繞射光柵且能夠配置多個繞射光柵之繞射光學元件。 [解決問題之技術手段] 本發明係藉由如以下之解決手段而解決上述課題。再者，為了容易理解，而標註與本發明之實施形態對應之符號進行說明，但並不限定於此。第1發明係一種繞射光學元件(10)，其具備繞射層(15)，該繞射層(15)具有：高折射率部(11)，其於剖面形狀中排列配置有複數個凸部(11a)；及低折射率部(14)，其折射率較上述高折射率部(11)低，且包含至少形成於上述凸部(11a)之間之凹部(12)；且該繞射光學元件(10)排列配置有複數個單元，針對每個單元而上述凸部(11a)之排列間距與面內之旋轉方向之配置之至少一者不同，於相同單元內上述凸部(11a)之間距與面內之旋轉方向之配置相同，藉由作為上述單元之集合體之構成而對光進行整形；上述複數個單元包含：上述單元之外形形狀為相同形狀之複數個基本單元(10a)；及合成單元(10b)，其係外形形狀與上述基本單元(10a)不同之單元，且係特定之方向之長度形成為較上述基本單元(10a)之長度長且具有至少包含上述凸部(11a)之1間距量之繞射光柵的單元，或者係藉由空開間隔排列配列之複數個單元而具有上述凸部(11a)之間距及面內之旋轉方向之配置相同且包含上述凸部(11a)之1間距之繞射光柵的單元。第2發明係如第1發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述合成單元(10b)成為將特定數量之上述基本單元(10a)組合，進而將經組合之上述基本單元(10a)分割為上述特定數量之形狀。第3發明係如第2發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：將上述合成單元(10b)分割之方向為與上述特定方向交叉之方向，或者，為與複數個上述合成單元(10b)空開間隔而並排排列之方向交叉之方向。第4發明係如第1發明至第3發明中任一項之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述合成單元所包含(10b)之繞射光柵之上述凸部(11a)之間距大於上述基本單元(10a)所包含之繞射光柵之上述凸部(11a)之間距。第5發明係如第4發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：構成上述合成單元(10b)之繞射光柵之上述凸部(11a)之間距大於上述基本單元(10a)之外形形狀之最大長度。 [發明之效果] 根據本發明，可提供一種能夠配置間距較大之繞射光柵且能夠配置多個繞射光柵之繞射光學元件。

以下，參照圖式等對用以實施本發明之最佳之形態進行說明。 (第1實施形態) 圖1係表示本發明之繞射光學元件之第1實施形態之俯視圖。圖2係表示圖1之繞射光學元件之例中之局部週期構造之一例的立體圖。圖3係於圖1中之箭頭A-A之位置將繞射光學元件切斷之剖視圖。圖4係說明繞射光學元件之圖。再者，包含圖1在內的以下所示之各圖係模式性地表示之圖，為容易理解，各部之大小、形狀適當誇張地表示。又，於以下之說明中，雖示出具體之數值、形狀、材料等進行說明，但該等可適當變更。再者，關於本發明中所使用之形狀或幾何學上之條件、及對其等之程度進行特定之用語，例如，「平行」、「正交」、「相同」等用語、長度或角度之值等，並不束縛於嚴格之意義，而包含可期待相同功能之程度之範圍地進行解釋。又，於本發明中所謂「對光進行整形」，係指藉由對光之前進方向進行控制，而使投影至對象物或對象區域之光之形狀(照射區域)為任意之形狀。例如，如圖4之例所示，準備於直接投影至平面形狀之屏幕200之情形時發出照射區域202成為圓形之光201(圖4(b))之光源部210。將藉由使該光201透過本發明之繞射光學元件10而使照射區域204成為正方形(圖4(a))或長方形、圓形(未圖示)等目標形狀的情況稱為「對光進行整形」。再者，藉由將光源部210與在光源部210發出之光通過之位置配置有至少1個之本實施形態之繞射光學元件10組合，可製成在對光進行了成形之狀態下能夠照射之光照射裝置。又，於本發明中所謂透明，係指至少使所利用之波長之光透過。例如，即便為不使可見光透過者，但只要為使紅外線透過者，則於用於紅外線用途之情形時，亦可作為透明進行處理。第1實施形態之繞射光學元件10係對光進行整形之繞射光學元件(DOE)。繞射光學元件10例如以如下方式設計：針對來自發出波長為550 nm之光之光源部210之光，使其擴散成十字形狀，具體而言，例如，以寬度為±3.3度擴散之兩條光帶交叉成±50度之形狀。第1實施形態之繞射光學元件10係由4個階段之高度不同之多階段形狀而構成。而且，繞射光學元件10係將具有不同之週期構造之複數個單位區域(亦稱為單元、或局部週期構造)矩陣狀地多個配置之光柵單元陣列型之繞射光學元件。於圖2中，抽出局部週期構造之一例進行表示。如圖3所示，繞射光學元件10具備於剖面形狀中排列配置有複數個凸部11a之高折射率部11。該高折射率部11以維持相同之剖面形狀之狀態於剖面之深度方向延伸。高折射率部11例如係藉由蝕刻處理對石英(SiO₂ 、合成石英)之形狀進行加工而製作。又，高折射率部11亦可自對石英進行加工獲得之物體進行製模而製成成形模具，利用該成形模具使電離放射線硬化性樹脂組合物硬化而構成。關於使用電離放射線硬化性樹脂組合物製造此種週期構造之物體之方法，公知有各種方法，繞射光學元件10之高折射率部11可利用該等公知之方法而適當製作。又，包含形成於凸部11a之間的凹部12及凸部11a之頂部附近之空間13之圖3之上方部分存在空氣，成為折射率較高折射率部11低之低折射率部14。藉由該等高折射率部11及低折射率部14交替地排列配置而成之週期構造，而構成具備對光進行整形之作用之繞射層15。凸部11a具有於側面形狀之一側(於圖3中，為左側)具備高度不同之4個階部之多階段形狀。具體而言，凸部11a於一側面側具有最突出之等級1階部11a-1、較等級1階部11a-1低一階之等級2階部11a-2、較等級2階部11a-2進而低一階之等級3階部11a-3、及較等級3階部11a-3進而低一階之等級4階部11a-4。又，凸部11a之側面形狀之另一側(於圖3中，為右側)成為自等級1階部11a-1至等級4階部11a-4為止連成直線上之側壁部11b。如圖1所示，於繞射光學元件10，作為微細之單位區域(單元)，係複數個基本單元10a及合成單元10b呈矩陣狀排列。基本單元10a於本實施形態中均形成為正方形，該基本單元10a排列配置有複數個。合成單元10b係外形形狀與基本單元10a不同之單元，於本實施形態中，構成為長方形。又，合成單元10b係特定方向(圖1中之上下方向)之長度形成為較基本單元10a之長度長且具有包含凸部11a之1間距量之繞射光柵之單元。於圖1中，該合成單元10b配置有2個。於本實施形態中，合成單元10b成為將特定數量即2個基本單元10a組合，進而將經組合之2個基本單元10a分割為特定數量即2個之形狀。即，合成單元10b成為將2個正方形之基本單元10a於圖中之上下方向排列組合，並將其於圖中之左右方向分割為2個之長方形形狀。關於該分割之方向，於本實施形態中，在與作為合成單元10b之長度較基本單元10a之長度長之特定方向的上下方向交叉(正交)之左右方向上進行分割。本實施形態之繞射光學元件10係以先前之光柵單元陣列為基本形態，於其中配置有合成單元10b，成為於此方面與先前之光柵單元陣列不同之形態。於圖1中，僅關於合成單元10b，由點圖案之差異而表示出各階部之高度之差異。因此，圖1中之P1、P2表示各繞射光柵中之1間距。另一方面，關於其他基本單元10a，亦設置有相同之4個階段之高低差，但由於亦存在狹窄之間距之部分，故而關於該等僅由斜線表現，直線間之間隔部分以4個表示1間距。如圖1所示，合成單元10b所包含之繞射光柵之凸部11a之間距P1、P2大於基本單元10a所包含之繞射光柵之凸部11a之間距。又，構成合成單元10b之繞射光柵之凸部11a之間距P1、P2大於基本單元10a之外形形狀之最大長度。因此，即便根據先前之光柵單元陣列之設計方法，欲將合成單元10b所包含之繞射光柵直接配置於基本單元10a之上，亦無法將凸部11a之間距P1、P2配置於1個基本單元10a內。然而，於本實施形態之繞射光學元件10中，由於將合成單元10b之特定方向(圖1中之上下方向)之長度構成為較長，故而能夠於該範圍內配置間距較大為P1、P2之繞射光柵。以下，對於該繞射光柵之配置及合成單元10b之構成方法更具體地進行說明。圖5係表示根據先前之光柵單元陣列之設計方法，設計具備與本實施形態之繞射光學元件10相同之配光特性之繞射光學元件10之情形時的繞射光柵之配置例之圖。如該圖5之設計先前係藉由程式而半自動地進行設計。於圖5中，為了方便說明，對各單元一併記載1～16之編號。再者，此處，為了簡單，而藉由4×4＝16個單元進行說明，但其通常構成為更大之行列數。例如，藉由200×200＝40000個單元而構成4 mm見方之繞射光學元件10。於圖5中，於單元編號7、14中，僅包含2～3段左右。於本實施形態之4等級之繞射光柵中，以4段成為1間距，故而於圖5之狀態中，於單元編號7、14內不包含1間距量之繞射光柵。於如此配置之繞射光柵不滿1間距之狀態下，相應之單元無法作為繞射光柵而發揮功能。於該情形時，不僅此種區域(單元)本身成為實質上無用之區域，而且向該單元本來應承擔之方向出射之光亦無法正確地出光，因此先前會導致繞射效率降低。針對如圖5中之單元編號7、14之單元，即無法包含凸部11a之1間距量之單元，進行轉換成上文說明之合成單元10b之處理。再者，該轉換處理可藉由設計程式而自動或半自動化。又，設計者自身亦可利用人工作業進行以下之轉換處理。藉由任一轉換處理，只要能夠構成如上文之圖1所示之合成單元10b，則所獲得之結果相同。首先，藉由先前之光柵單元陣列之設計方法進行如圖5之基本設計之後，進行單元之移動(場所交換)處理。圖6係表示自圖5之狀態進行單元之移動之結果之一例的圖。於該例中，將單元編號11與單元編號14交換場所而重新配置。此處，場所交換之目的係將具有不包含1間距量、即大至無法將1間距之長度控制在基本單元10a內之程度的繞射光柵之單元(此處為單元編號7、14之單元)排列配置，以若將該等連接則成為長度超過1間距之長度之單元的方式進行配置。此處，排列配置之單元(單元編號7、14之單元)必須於最接近該等單元內之繞射光柵之凸部11a排列之方向的方向排列。只要滿足該條件，則排列之位置並不限定於圖6之例。例如，亦可將單元編號14配置於單元編號7之下。圖7係表示自如圖6般將2個單元(單元編號7、14之單元)組合之狀態，進而將經組合之2個單元分割為組合之數量，分別重新配置繞射光柵之狀態之圖。此處，關於分割合成單元之方向，於與將2個單元排列之方向(特定之方向：圖中之上下方向)交叉之方向即圖中之左右方向進行分割。藉此，可使1個合成單元之面積與基本單元之面積相同，並且使合成單元之特定之方向(圖中之上下方向)之長度為2倍。然後，將新出現之圖中之上下方向上較長之2個合成單元之各者重新作為單元編號4、14而分配，分別配置與原來之單元編號4、14相同之繞射光柵。藉此，於作為新出現之合成單元之單元編號4、14之各者，間距較長之繞射光柵能夠包含1間距而構成。又，由於基本單元10a與合成單元10b之面積相同，故而各單元所承載之光之光量不會產生變化。如以上所說明，根據第1實施形態，繞射光學元件10中設置有將複數個單元合成及分割而構成之合成單元10b，故而能夠配置間距較大之繞射光柵。又，繞射光學元件10中，可將基本單元10a之尺寸設為與先前相同，故而能夠配置多個繞射光柵，且能夠進行與先前相同之光之成形。 (第2實施形態) 圖8係表示本發明之繞射光學元件之第2實施形態之俯視圖。第2實施形態之繞射光學元件10除了合成單元10b之構成與第1實施形態不同以外，形成與第1實施形態相同之構成。因此，對於發揮與上述第1實施形態相同之功能之部分標註相同之符號，適當省略重複之說明。於第2實施形態之繞射光學元件10中，與第1實施形態之不同點在於：不將合成單元10b設為相連之1個單元，而由空開間隔並排排列之複數個單元而構成。而且，空開該間隔並排排列之複數個單元具有凸部11a之間距及面內之旋轉方向之配置相同且包含凸部11a之1間距之繞射光柵。於圖8之例中，2個合成單元10b係於其等之間介隔單元編號15之基本單元10a而空開間隔並排排列。於該合成單元10b之各單元，即，空開間隔並排排列之單元編號7彼此、及單元編號14彼此，以其等之組合配置有以相同之間距及旋轉方向配置之相同之繞射光柵。使用圖9更容易理解地對該情況進行說明。圖9係自圖8之狀態將單元編號15之基本單元10a卸除，於該位置實際上不存在但假設排列與單元編號7及單元編號14相同之繞射光柵而表示之圖。第2實施形態之繞射光學元件10係將合成單元10b不並排而空開間隔配置，該空開間隔配置之繞射光柵雖然為繞射光柵之間鏤空之形狀，但是於兩者之間存在連續之關係，即，兩者分別構成相同之繞射光柵之一部分。繞射光柵即便如此中途之部分缺漏，但只要整體上構成相同之繞射光柵，則亦可發揮作為繞射光柵之所期望之性能。因此，第2實施形態之繞射光學元件10可發揮與第1實施形態相同之作用及效果。 (第3實施形態) 圖10係表示本發明之繞射光學元件之第3實施形態之俯視圖。關於第3實施形態之繞射光學元件10，亦除了合成單元10b之構成與第1實施形態不同以外，形成與第1實施形態相同之構成。因此，對於發揮與上述第1實施形態相同之功能之部分標註相同之符號，適當省略重複之說明。於上文所說明之第1實施形態及第2實施形態中，於間距較大之繞射光柵中凸部11a排列之方向處於接近基本單元10a之邊之延伸之方向的方向，故而藉由將正方形之基本單元10a於圖中上下或左右排列，或空開間隔配置，能夠包含較大之間距。然而，繞射光柵之面內之旋轉方向未必如此般良好，例如，亦存在較多之於接近基本單元10a之對角線方向之方向排列凸部11a之情形。於此種情形時，存在僅應用上述第1實施形態及第2實施形態無法應對之虞。第3實施形態係於例如在接近基本單元10a之對角線方向之方向排列凸部11a之情形時有效的形態。如圖10所示，於第3實施形態中，於傾斜方向，即於接近基本單元10a之對角線方向之方向空開間隔地配置合成單元10b。又，使合成單元10b之分割之方向為基本單元10a之對角線方向。藉此，如圖10所示，即便為於接近基本單元10a之對角線方向之方向排列凸部11a之繞射光柵，亦能夠以合成單元10b之整體包含該凸部11a之1間距以上而構成。圖11係與第2實施形態之圖9同樣地，關於第3實施形態，自圖10之狀態將單元編號1、2、5、6、9、10、11、15之基本單元10a卸除，於其位置實際上不存在但假設排列與單元編號7及單元編號14相同之繞射光柵而表示之圖。如圖11所示，2個單元編號7構成相同之繞射光柵之一部分，同樣地，2個單元編號14構成相同之繞射光柵之一部分。而且，將2個合成單元組合表示之繞射光柵均成為包含1間距以上之繞射光柵者。因此，即便為傾斜方向，第3實施形態之繞射光學元件10亦可發揮與第1實施形態及第2實施形態相同之作用及效果。 (第4實施形態) 圖12係表示本發明之繞射光學元件之第4實施形態之俯視圖。關於第4實施形態之繞射光學元件10，亦除了合成單元10b之構成與第2實施形態不同以外，形成與第2實施形態相同之構成。因此，對於發揮與上述第1實施形態及第2實施形態相同之功能之部分標註相同之符號，適當省略重複之說明。第4實施形態之繞射光學元件10係於第2實施形態中，於圖中之上下方向空開間隔配置之合成單元10b亦於圖中之左右方向空開間隔配置之例。即便為如第4實施形態之繞射光學元件10之合成單元10b之配置，亦可發揮與第1實施形態及第2實施形態相同之作用及效果。 (驗證) 以下表示進行相當於上述各實施形態之模擬之結果。圖13係模式性地表示用於模擬之繞射光柵之圖。模擬係將以圖13中之P為1間距之4段之繞射光柵作為模型。圖14係表示進行模擬之合成單元10b之配置圖案之圖。圖15係將進行模擬之合成單元10b之配置圖案與柵格一併表示之圖。模擬係以圖14(a)及圖15(a)之形態為基本單元，對如圖14(b)及圖15(b)般於圖中之縱向(與繞射光柵之段排列之方向一致之方向)連續地較長地配置之合成單元10b(相當於第1實施形態之形態，以下亦稱為縱2倍單元)、如圖14(c)及圖15(c)般於圖中之縱向(與繞射光柵之段排列之方向一致之方向)空開間隔配置之合成單元10b(相當於第2實施形態之形態，以下亦稱為縱向鏤空單元)、及如圖14(d)及圖15(d)般於圖中之縱向(與繞射光柵之段排列之方向一致之方向)與左右方向(與繞射光柵之段排列之方向正交之方向)之各方向空開間隔配置之合成單元10b(相當於第4實施形態之形態，以下亦稱為縱橫鏤空單元)進行。圖16係將基本單元中之相對於間距之變化之繞射角之變化於理想狀態下表示之圖。圖16所示之繞射角為本來之繞射角，即成為設計目標之繞射角。此處，模擬係使用Synopsys公司製造之Rsoft-BeamPROP模擬器。其係藉由光束傳播法而進行之模擬，關於光束傳播法，例如，於丸善出版/小館香椎子、神谷武志監修「繞射光學元件之數值解析與其應用」中敍述。於光柵單元陣列中，如圖13之4段之光柵通常如圖14(a)般決定單元區域，且根據光柵之旋轉方向、間距而特定出繞射角之方向。各個光柵單元於將目標繞射角設為θ時，成為由間距＝波長÷sin(θ)表示之間距。圖16中圖示有間距與繞射角，其表示了光柵週期得以充分地重複之理想情形。圖17係表示於20 μm見方之單元中自具備20 μm間距之繞射光柵之單位單元出射之繞射光之分佈的圖。圖17(a)係由深淺表示繞射光之分佈之圖，顏色較深之部分為光量較多之部分。圖17(b)係將圖17(a)之分佈之中央位置D-D中之亮度分佈曲線化所得之圖。如上文已說明般，若光柵間距變大，則可由一個單元表現之間距週期數受限。例如，於圖14(b)之正方形之單元之1邊為20 μm之情形時，若光柵間距為20 μm則成為1週期，若光柵間距為40 μm則成為0.5週期。於單元之1邊為20 μm之正方形且光柵間距為20 μm之情形時，其繞射光並非如圖17所示為單一之繞射角，而是於本來之繞射角2.43°附近以面形式分佈繞射光。此處，將以面形式分佈之繞射光之x方向-1°至+5°為止之面之重心設為繞射角。圖18係將模擬結果彙總表示之圖。於圖18中，將相對於間距之理想繞射角與藉由上述重心而求出之繞射角一併表示。觀察圖18可知，於20 mm見方之基本單元(圖14(a))之情形時，若間距成為40 μm則理想繞射角偏離。可知，於相對於20 μm見方之單元為縱向2倍單元(圖14(b))、縱向鏤空單元(圖14(c))、縱橫鏤空單元(圖14(d))中，雖自理想繞射角偏離但相對於20 μm見方之單元(圖14(a))之偏離量而言，偏離量較小。 (關於合成單元之作用) 圖19A、圖19B、圖19C係說明4段(4-level)之繞射光柵之繞射現象之圖。繞射光成為如圖19A(a)所示之由sin(繞射角θ)＝波長λ/間距定義之繞射角。繞射光之含義係若如圖19A(b)所示般將入射光設為平面波，則透過繞射光柵之介質中，使得光之速度變慢(1/折射率)量，故而上方出現之相位面成為階段狀，進而可近似為繞射角度之面。圖19A(c')係連續地於波面入射之情形，可形成具有繞射角之傾斜方向之光之波面。圖19B(d)表示圖19A(c)之局部之繞射光柵，相位面之範圍變窄，但可知如圖19(d')所示可形成與圖19(c')相同之連續波面。圖19B(e)表示連續之繞射光柵且於中途不使光透過之情形，於照射連續波面之情形時，可知如圖19B(e')所示波面整齊。圖19C(f)表示不連續之繞射光柵且於中途形成有不使光透過之部分之情形。於該情形時，於照射連續波面之情形時，如圖19C(f')所示，無法獲得a部之波面與b部之波面之連續性，而無法成為繞射光。如此，理論上亦可說明上文所說明之各實施形態之合成單元之有用性。 (變化形態) 並不限定於以上所說明之實施形態，能夠進行各種變化或變更，其等亦為本發明之範圍內。 (1)於各實施形態中，作為合成單元10b，列舉將2個單元合成及分割而構成之例進行了說明。並不限定於此，例如，亦可將3個以上之單元合成及分割而構成合成單元。合成之單元之數量越多，越可增加特定方向之長度，而能夠配置更長之間距之繞射光柵。 (2)於各實施形態中，為了容易理解，合成單元之形狀設為長方形或直角等腰三角形，但該等之形狀例如亦可設為梯形，能夠適當變更。 (3)於各實施形態中，列舉4段(4等級)之繞射光柵為例進行了說明。並不限定於此，例如，可為2等級，亦可為16等級，關於段數並無任何限制。 (4)於各實施形態中，例示可見光作為繞射對象之波長，但並不限定於此，例如，繞射對象之光可為紅外光，亦可為紫外光。又，關於光源，亦可為LED，還可為雷射。 (5)於各實施形態中，基本單元10a係列舉正方形之例進行了說明。並不限定於此，例如，可將基本單元之形狀設為長方形，亦可設為三角形或六邊形等多邊形形狀。再者，第1實施形態～第3實施形態及變化形態亦可適當組合使用，但詳細之說明省略。又，本發明並不受以上所說明之各實施形態限定。

10‧‧‧繞射光學元件10a‧‧‧基本單元10b‧‧‧合成單元11‧‧‧高折射率部11a‧‧‧凸部11a-1‧‧‧等級1階部11a-2‧‧‧等級2階部11a-3‧‧‧等級3階部11a-4‧‧‧等級4階部11b‧‧‧側壁部12‧‧‧凹部13‧‧‧空間14‧‧‧低折射率部15‧‧‧繞射層200‧‧‧屏幕201‧‧‧光202‧‧‧照射區域204‧‧‧照射區域210‧‧‧光源部P‧‧‧間距P1‧‧‧間距P2‧‧‧間距

圖1係表示本發明之繞射光學元件之第1實施形態之俯視圖。圖2係表示圖1之繞射光學元件之例中之局部週期構造之一例的立體圖。圖3係於圖1中之箭頭A-A之位置將繞射光學元件切斷之剖視圖。圖4係說明繞射光學元件之圖。圖5係表示根據先前之光柵單元陣列之設計方法，設計具備與本實施形態之繞射光學元件10相同之配光特性之繞射光學元件10之情形時之繞射光柵之配置例的圖。圖6係表示自圖5之狀態進行單元之移動之結果之一例的圖。圖7係表示自如圖6般將2個單元(單元編號7、14之單元)組合之狀態，進而，將經組合之2個單元分割為組合之數量，分別重新配置繞射光柵之狀態之圖。圖8係表示本發明之繞射光學元件之第2實施形態之俯視圖。圖9係自圖8之狀態將單元編號15之基本單元10a卸除，於該位置實際上不存在但假設排列與單元編號7及單元編號14相同之繞射光柵而表示之圖。圖10係表示本發明之繞射光學元件之第3實施形態之俯視圖。圖11係與第2實施形態之圖9相同地，關於第3實施形態，自圖10之狀態將單元編號1、2、5、6、9、10、11、15之基本單元10a卸除，於該位置實際上不存在但假設排列與單元編號7及單元編號14相同之繞射光柵而表示之圖。圖12係表示本發明之繞射光學元件之第4實施形態之俯視圖。圖13係模式性地表示用於模擬之繞射光柵之圖。圖14係表示進行模擬之合成單元10b之配置圖案之圖。圖15係將進行模擬之合成單元10b之配置圖案與柵格一併表示之圖。圖16係將基本單元中之相對於間距之變化之繞射角之變化於理想狀態下表示之圖。圖17係表示於20 μm見方之單元中自具備20 μm間距之繞射光柵之單位單元出射之繞射光之分佈的圖。圖18係將模擬結果彙總表示之圖。圖19A係說明4段(4-level)之繞射光柵之繞射現象之圖。圖19B係說明4段(4-level)之繞射光柵之繞射現象之圖。圖19C係說明4段(4-level)之繞射光柵之繞射現象之圖。

10‧‧‧繞射光學元件

10a‧‧‧基本單元

10b‧‧‧合成單元

11a-1‧‧‧等級1階部

11a-2‧‧‧等級2階部

11a-3‧‧‧等級3階部

11a-4‧‧‧等級4階部

P1‧‧‧間距

P2‧‧‧間距

Claims

一種繞射光學元件，其具備繞射層，該繞射層具有：高折射率部，其於剖面形狀中排列配置有複數個凸部；及低折射率部，其折射率較上述高折射率部低，且包含至少形成於上述凸部之間之凹部；且將複數個單元排列配置，針對每個單元而上述凸部之排列間距與面內之旋轉方向之配置之至少一者不同，於相同單元內上述凸部之間距與面內之旋轉方向之配置相同，藉由作為上述單元之集合體之構成而對光進行整形，上述複數個單元包含：上述單元之外形形狀為相同形狀之複數個基本單元；及合成單元，其係外形形狀與上述基本單元不同之單元，且係特定方向之長度形成為較上述基本單元之長度長，且具有上述特定方向之長度至少包含上述凸部之1間距量之繞射光柵的單元，或者係藉由空開間隔並排排列之複數個單元而具有上述凸部之間距及面內之旋轉方向之配置相同且包含上述凸部之1間距之繞射光柵的單元，上述合成單元成為將特定數量之上述基本單元組合，進而將經組合之上述基本單元分割為上述特定數量之形狀。
如請求項1之繞射光學元件，其中於上述合成單元係作為空開間隔地並排排列之複數個單元而構成之情形時，上述合成單元之上述凸部之形狀係於成為間隔部分之位置上述凸部之形狀假想地連續且空間上之週期相同之構造。
如請求項1或2之繞射光學元件，其中將上述合成單元分割之方向為與上述特定方向交叉之方向，或者，為與複數個上述合成單元空開間隔並排排列之方向交叉之方向。
一種繞射光學元件，其具備繞射層，該繞射層具有：高折射率部，其於剖面形狀中排列配置有複數個凸部；及低折射率部，其折射率較上述高折射率部低，且包含至少形成於上述凸部之間之凹部；且將複數個單元排列配置，針對每個單元而上述凸部之排列間距與面內之旋轉方向之配置之至少一者不同，於相同單元內上述凸部之間距與面內之旋轉方向之配置相同，藉由作為上述單元之集合體之構成而對光進行整形，上述複數個單元包含：上述單元之外形形狀為相同形狀之複數個基本單元；及合成單元，其係外形形狀與上述基本單元不同之單元，且係特定方向之長度形成為較上述基本單元之長度長，且具有上述特定方向之長度至少包含上述凸部之1間距量之繞射光柵的單元，或者係藉由空開間隔並排排列之複數個單元而具有上述凸部之間距及面內之旋轉方向之配置相同且包含上述凸部之1間距之繞射光柵的單元，上述合成單元所包含之繞射光柵之上述凸部之間距大於上述基本單元所包含之繞射光柵之上述凸部之間距。
如請求項4之繞射光學元件，其中構成上述合成單元之繞射光柵之上述凸部之間距大於上述基本單元之外形形狀之最大長度。