TWI772387B

TWI772387B - 繞射光學元件

Info

Publication number: TWI772387B
Application number: TW107109121A
Authority: TW
Inventors: 登山伸人
Original assignee: 日商大日本印刷股份有限公司
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-03-16
Publication date: 2022-08-01
Also published as: JP7476933B2; TW201839430A; WO2018169093A1; JP2022168217A

Abstract

本發明提供一種可進而減少0次繞射光之繞射光學元件。

繞射光學元件10係具備繞射層15，該繞射層15具有於剖面形狀中並排配置有複數個凸部11a之高折射率部11、及折射率低於高折射率部11且至少包含形成於凸部11a之間之凹部12之低折射率部14；凸部11a為鋸齒形狀、或藉由多階之輪廓形狀模仿鋸齒形狀而成之形狀，且鋸齒形狀或藉由多階之輪廓形狀模仿而成之鋸齒形狀之繞射光學元件10之相對於薄片面傾斜之斜面具有朝向凸部11a凹陷之凹狀曲面。

Description

繞射光學元件

本發明係關於一種繞射光學元件。

近年來，對於用於避免網路普及帶來之安全風險之個人認證之需求、汽車之自動駕駛化之流程、或所謂之「物聯網」之普及等需要感測器系統之形勢擴大。感測器中存在各種種類，檢測之資訊亦多種多樣，但作為其中之1個方法，存在自光源對於對象物照射光，並自反射而來之光獲得資訊之方法。例如，其一例為圖案認證感測器或紅外線雷達等。

該等感測器之光源使用具有與用途對應之波長分佈或明亮度、廣度者。光之波長經常使用可見光~紅外線，尤其紅外線因具有不易受到外界光之影響且不可見，亦可觀察對象物之略微內部之特徵，故而被廣泛使用。又，作為光源之種類，經常使用LED(Light emitting diode，發光二極體)光源或雷射光源等。例如，於對遠處進行偵測時，適當使用光之廣度較少之雷射光源，於對相對近處進行偵測之情形時或對具有某一程度之廣度之區域進行照射時，適當使用LED光源。

然而，作為對象之照射區域之大小或形狀未必限定於與來自光源之光之廣度(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，正在開發被稱為光整形擴散片(LSD，Light Shaping Diffuser)之可某種程度將光之形狀整形之擴散板。

又，作為對光進行整形之另一方法，可列舉繞射光學元件 (Diffractive Optical Element：DOE)。其應用了光通過週期性排列有具有不同折射率之材料之場所時之繞射現象。DOE係基本上針對單一波長之光而設計，但理論上可將光整形成幾乎任意之形狀。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，可控制照射區域內之光分佈之均一性。DOE之此種特性於抑制對無用區域之照射所帶來之高效率化或光源數之削減等所帶來之裝置小型化等之方面變得有利(例如，參照專利文獻1)。

又，DOE可應用於如雷射之平行光源或如LED之擴散光源之任一者，又，可應用於紫外線光至可見光、紅外線之寬廣範圍之波長。

於使用DOE使光均一地照射至特定區域之情形時，存在0次繞射光例如聚集於照射區域之中央附近而成為阻礙之情形。尤其於光源為雷射之情形時，該傾向增強。先前，若欲減少0次繞射光，則所需之1次繞射光亦會隨之減少。因此，要求一面抑制所需之1次繞射光減少，一面減少0次繞射光。

藉由使DOE之格子面鋸齒形狀(blaze)化，可使特定波長以特定之次數高效率集中繞射，且先前以來進行藉由階梯狀之多階形狀模仿該鋸齒形狀而構成(例如專利文獻1)。

然而，若僅設為鋸齒形狀(blaze)之形狀，則無用之0次繞射光仍然較多，期待進而減少0次繞射光。

[先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本專利特開平09-230121號公報

本發明之課題在於提供一種可進而減少0次繞射光之繞射光學元件。

本發明藉由如下之解決方法解決上述課題。再者，為了容易理解，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)，其係對光進行整形者，且具備繞射層(15)，該繞射層(15)具有：高折射率部(11)，其並排配置有複數個凸部(11a)；及低折射率部(14)，其係折射率低於上述高折射率部(11)，且至少包含形成於上述凸部(11a)之間之凹部(12)；上述凸部(11a)具有藉由高度不同之複數個階部形成之多階形狀，上述高折射率部(11)於每單位面積中，最深之面之面積最大，最上位面之下一階之面之面積最小。

第2發明係如第1發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述高折射率部(11)係最上位面之面積為上述高折射率部之最下位面之面積之0.6~0.9倍。

第3發明係如第1或第2發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述高折射率部(11)於每單位面積中，自最深之面朝向最上位面之下一階之面，各階部之面積逐次減少。

第4發明係一種繞射光學元件(10)，其係對光進行整形者，且具備繞射層(15)，該繞射層(15)具有：高折射率部(11)，其於剖面形狀中並排配置有複數個凸部(11a)；及低折射率部(14)，其係折射率低於上述高折射率部(11)，且至少包含形成於上述凸部(11a)之間之凹部(12)；上述凸部(11a)係鋸齒形狀或藉由多階之輪廓形狀模仿鋸齒形狀而成之形狀，鋸齒形狀或藉由多階之輪廓形狀模仿之鋸齒形狀之相對於該繞射光學元件(10) 之薄片面傾斜之斜面具有朝向上述凸部(11a)凹陷之凹狀曲面。

第5發明係如第4發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述凸部(11a)於其側面形狀之至少一側具有藉由高度不同之複數個階部模仿上述鋸齒形狀而成之多階形狀，並藉由上述階部之高度與寬度之至少一者根據部位不同而模仿上述凹狀曲面。

第6發明係如第4或第5發明之繞射光學元件，其特徵在於：上述凸部於其側面形狀之至少一側具有藉由高度不同之複數個階部模仿上述鋸齒形狀而成之多階形狀，且於每單位面積中，最深之面之面積最大，最上位面之下一階之面之面積最小。

第7發明係如第5或第6發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述階部之每一階之高度固定，藉由上述階部之寬度根據部位不同而模仿上述凹狀曲面。

第8發明係如第7發明之繞射光學元件(10)，其特徵在於：於將x軸設定成上述凸部(11a)並排之方向，將上述斜面升高之方向設為x軸之正方向，設定與該繞射光學元件(10)之薄片面正交之y軸，將上述凸部(11a)突出之方向設為y軸之正方向，將包含上述凸部(11a)之前端在內計數所得之階部之總階數設為L，將每一階之寬度之減少率設為f，將以上述凹部(12)之最低位置作為0計數時之對象之階部之階數設為l v，將上述階部之每一階之高度以h設為固定值，將階0之寬度比率設為C時，藉由多階形狀所模仿之上述凹狀曲面之剖面中之成為階0之凹頂點與各凸部之頂點之軌跡之曲線係，於將x座標相對於間距之比率設為S，且x'=0.5×f×l v²+C×l v S=P/{tw+Σ x'i} Σ設為i=0~L-1時，階梯形狀之頂部x,y座標以x=0.5×f×l v²+C×l v y=l v×h表示。

第9發明係如第1至第8發明中任一項之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述高折射率部(11)形成繞射格子，該繞射格子具有自形成有凹凸形狀之面之法線方向觀察，上述凸部(11a)與上述凹部(12)之交界包含曲線與將複數個線段連接而成之摺線之至少一者之圖案。

第10發明係如第1至第8發明中任一項之繞射光學元件(10)，其特徵在於：上述高折射率部(11)形成光柵單元陣列型(亦成為「Grating Cell Arry型」或「GCA型」)之繞射格子，該光柵單元陣列型之繞射格子係自形成有凹凸形狀之面之法線方向觀察，形成為將並排配置有同一凹凸形狀之單位單元平鋪複數個而成之格子狀圖案。

根據本發明，可抑制一次光之繞射效率之降低，並減少零次光。

10:繞射光學元件

11:高折射率部

11a:凸部

11a-0:level 0階

11a-1:level 1階

11a-2:level 2階

11a-3:level 3階

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

A:位置

AP:光圈

B:位置

C:位置

D:位置

d0:寬度

d1:寬度

d2:寬度

d3:寬度

d4:寬度

d5:寬度

d6:寬度

d7:寬度

E:區域

F:區域

h:每一階之高度

L:總階數

L0:斜面

level-0:階-0

level-1:階-1

level-2:階-2

level-3:階-3

level-4:階-4

level-5:階-5

level-6:階-6

level-7:階-7

LS:光源

M:功率計

S:感測器

圖1A係表示自薄片面之法線方向觀察所得之繞射格子之凹凸形狀形成為凸部與凹部之交界包含曲線之規則或不規則圖案的繞射光學元件之例之俯視圖。

圖1B係表示自薄片面之法線方向觀察所得之繞射格子之凹凸形狀形成為將並排配置有相同凹凸形狀之單位單元平鋪複數個而成之格子狀圖案的繞射光學元件之例之俯視圖。

圖2A係表示圖1A所示之不規則型之繞射光學元件之例中的部分週期構造之一例之立體圖。

圖2B係表示圖1B所示之GCA型之繞射光學元件之例中的部分週期構造之一例之立體圖。

圖3係於圖2A中之箭頭G-G'之位置將繞射光學元件切斷後之剖視圖。

圖4(a)、(b)係說明繞射光學元件之圖。

圖5係對繞射光學元件10中之凸部11a之凹狀曲面進行說明之圖。

圖6A(a)-(d)係將本實施形態之繞射光學元件10與先前形態比較表示之圖。

圖6B(b)、(c)係將原本之設計圖案之曲線與圖6A之圖重疊表示之圖。

圖7係表示具有8階之多階形狀之繞射光學元件10之圖。

圖8係說明凹狀曲面之剖面中之曲線與多階形狀之圖。

圖9係表示8階之剖面形狀之具體例之圖。於圖9中一併記載x、y之值。

圖10係表示4階之剖面形狀之具體例之圖。於圖10中一併記載x、y之值。

圖11(a)、(b)係說明0次繞射光之強度測定方法之圖。

圖12係表示比較例之繞射光學元件之圖。

圖13係表示針對本發明之繞射光學元件10與比較例測定0次繞射光之強度所得之結果之圖。

圖14係表示使每一階之高度變化之實施例2之形狀之圖。

圖15係將模擬之結果總結之圖。

圖16係表示以16階模仿鋸齒形狀之例之圖。

圖17係設為f=-0.02、t=0.8，並設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距時之使C變化時之零次光強度之曲線圖。

圖18係設為C=0.25、t=0.8，並設為繞射格子之繞射角成為15°且設為3284nm間距時之使f變化時之零次光強度之曲線圖。

圖19係設為f=-0.02、C=0.25，並設為繞射格子之繞射角成為15°且設為3284nm間距時之使t變化時之零次光強度之曲線圖。

圖20係設為f=-0.02、t=0.8，並設為繞射格子之繞射角成為15°且設為3284nm間距時之使C變化時之零次光強度之曲線圖。

圖21係設為C=0.18、t=0.8，並設為繞射格子之繞射角成為15°且設為3284nm間距時之使f變化時之零次光強度之曲線圖。

圖22係設為f=-0.02、C=0.18，並設為繞射格子之繞射角成為15°且設為3284nm間距時之使t變化時之零次光強度之曲線圖。

圖23係表示具有連結本發明之頂點之軌跡為凹狀曲面之構成之繞射光學元件之剖面形狀與模擬結果之圖。

圖24係表示具有作為理論構造之頂點呈直線狀並排之構成之繞射光學元件之剖面形狀與模擬結果之圖。

圖25係表示具有與本發明相反之連結頂點之軌跡為凸狀曲面之構成之繞射光學元件之剖面形狀與模擬結果之圖。

圖26(a)、(b)係為了進行比較而將先前構造之繞射光學元件與本發明之繞射光學元件並排表示之俯視圖。

圖27A係表示圖26中所示之各面相對於圖26(a)之基於先前之理想設計之4-level(4-階)繞射光學元件之面積之比率之圖。

圖27B係表示各面相對於基於先前之理想設計之8-level(8-階)繞射光學元件之面積之比率之圖。

圖28A係表示圖26中所示之各面相對於圖26(b)之本發明之4-level繞射光學元件之面積之比率之圖。

圖28B係表示各面相對於本發明之8-level繞射光學元件之面積之比率之圖。

圖29係基於圖26(a)、(b)之資料實際製造繞射光學元件並對零次光進行測定所得之實測值之結果。

圖30係表示3種繞射光學元件之面積比率之圖。

圖31係自薄片面之法線方向觀察理想設計之繞射光學元件之圖。

圖32係自薄片面之法線方向觀察type(類型)1之繞射光學元件之圖。

圖33係自薄片面之法線方向觀察type2之繞射光學元件之圖。

圖34係以數值表示3種繞射光學元件之模擬結果之圖。

圖35係以曲線圖表示3種繞射光學元件之模擬結果之圖。

圖36係表示自雷射顯微鏡獲取之黑白(灰度)圖像之例之圖。

圖37係表示使自雷射顯微鏡獲取之黑白圖像2值化所得之結果之圖。

圖38係表示將level-3塗色之例之圖。

圖39係表示將level-2塗色之例之圖。

圖40係表示將level-1塗色之例之圖。

圖41係表示將level-0塗色之例之圖。

以下，參照圖式等對用以實施本發明之最佳實施形態進行說明。

(實施形態)

於本實施形態中，作為1例，可應用於如圖1A所示之具有乍一看呈不規則之凹凸形狀之圖案之繞射光學元件。於以下之說明中，將該圖1A所示之類型之繞射光學元件亦稱為不規則型。但，亦存在該不規則之圖案藉由繞射光學元件之目標出射圖案而成為規則圖案之情形，因此不規則型之稱呼係方便起見之稱呼，並不限定於不規則。又，於圖1A中，不規則型之圖案係包含曲線，但亦存在包含藉由繞射光學元件之目標出射圖案而成為直線或將包含曲線之線段連接而成之摺線之圖案之情形。因此，關於不規則型之繞射格子之圖案，自形成有高折射率部(下述)之凹凸形狀之面之法線方向觀察，凸部與凹部之交界包含曲線與將複數個線段連接而成之摺線之至少一者。

於本實施形態中，作為另一例，可應用於如圖1B所示般形成為將並排配置有相同凹凸形狀之單位單元平鋪複數個而成之格子狀圖案之繞射光學元件。於以下之說明中，將該圖1B所示之類型之繞射光學元件亦稱為光柵單元陣列(Grating Cell Array)型或GCA型。光柵單元陣列型之繞射光學元件係構成於每個單位單元中，藉由繞射格子而繞射之光之方向及角度不同，且藉由將大量單位單元平鋪而獲得所需之光學特性之繞射光學元件。即，於光柵單元陣列型之繞射光學元件中，高折射率部於自形成有凹凸形狀之面之法線方向觀察，被劃分成格子狀，於該區間內沿特定方向延伸之相同形狀之凸部於與上述特定之延伸方向正交之方向上並排配置，於各區間內，凸部之寬度及延伸方向不同。

圖2A係表示圖1A所示之不規則型之繞射光學元件之例中之部分週期構造之一例的立體圖。

圖2B係表示圖1B所示之GCA型之繞射光學元件之例中之部分週期構造之一例的立體圖。

圖3係於圖2B中之箭頭G-G'之位置將繞射光學元件切斷後之剖視圖。

於以下之說明中，由於需要解釋GCA型特有之剖面形狀，因此主要舉不規則型為例來進行說明。但，關於GCA型，若於圖2B中所示之箭頭G-G'之位置切斷，則亦成為相同之剖面形狀，如上所述，可同樣地應用本發明。

圖4係說明繞射光學元件之圖。

再者，包含圖1在內，以下所示之各圖係模式性地表示之圖，且為了容易理解，各部之大小、形狀適當誇張表示。

又，於以下之說明中，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條件、及特定出該等程度之用語、例如「平行」、「正交」、「相同」等用語或長度或角度之值等，並不拘於嚴格之意義，而為包含可期待相同功能之程度之範圍進行解釋。

又，於本發明中，所謂「對光進行整形」係指藉由控制光之行進方向而使投影於對象物或對象區域之光之形狀(照射區域)成為任意之形狀。例如，如圖4之例所示，準備光源部210，該光源部210係發出於直接投影於平面形狀之屏幕200時照射區域202成為圓形之光201(圖4(b))。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(未作圖示)等目標形狀稱為「對光進行整形」。

再者，藉由將光源部210與於光源部210所發出之光通過之位置至少配置有1個之本實施形態之繞射光學元件10進行組合，可製成能夠以對光進行整形後之狀態照射之光照射裝置。

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，假設即便不會使可見光透過，但只要使紅外線透過，則於用於紅外線用途之情形時，亦作為透明來進行處理。

本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例如係以如下方式進行設計：針對來自發出波長為500nm之光之光源部210之光，使光擴散成十字形狀，具體而言，例如使光擴散成於±50度內以寬度為±3.3度擴散之2條光帶交叉而成之形狀。

本實施形態之繞射光學元件10於圖1A、圖1B所示之A、B、C、D之各個位置深度不同。即，繞射光學元件10係藉由4階段之高度不同之多階形狀構成。並且，繞射光學元件10通常具有具備不同週期構造之複數個區域(部分週期構造：例如圖1A、圖1B之E、F區域)。於圖2A、圖2B中，提取表示部分週期構造之一例。

如圖3所示，繞射光學元件10具備於剖面形狀中並排配置有複數個凸部11a之高折射率部11。於GCA型之繞射光學元件中，該高折射率部11維持相同剖面形狀並直接於剖面之進深方向延伸。另一方面，於不規則型之繞射光學元件中，若剖面位置改變，則剖面形狀變化，而成為多種多樣之剖面形狀之繞射格子大量排列之形態。再者，於不規則型中，用以對繞射格子之形狀進行特定之剖面、即用以對影響繞射光之繞射現象之繞射格子之具體形狀進行特定之剖面構造必須設為於與自薄片面之法線方向觀察時之凸部與凹部之交界所描繪之線(曲線或直線)正交之方向上切斷之剖面中之剖面構造。

高折射率部11例如亦可藉由蝕刻處理對石英(SiO₂、合成石英)進行加工而形成。又，高折射率部11亦可為採集對石英進行加工而成之物體之形狀而製作成形模，並利用該成形模使游離輻射硬化性樹脂組合物硬化而成者。使用游離輻射硬化性樹脂組合物製造此種週期構造之物體之方法已知有多種方法，繞射光學元件10之高折射率部11可利用該等公知之方法適當製作。

又，包含形成於凸部11a之間之凹部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，而成為折射率低於高折射率部11之低折射率部14。藉由該等高折射率部11及低折射率部14交替地並排配置之週期構造，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個階部之多階形狀。具體而言，凸部11a於一側面側具有最突出之階3階部11a-3、較階3階部11a-3低一階之階2階部11a-2、較階2階部11a-2進而低一階之階1階部11a-1、及較階1階部11a-1進而低一階之階0階部11a-0。又，凸部11a之側面形狀之另一側(於圖3中為右側)成為自階3階部11a-3至階0階部11a-0於直線上相連之側壁部11b。

此處，本實施形態之凸部11a係藉由多階之輪廓形狀模仿鋸齒形狀而成之形狀，藉由多階之輪廓形狀模仿之鋸齒形狀之相對於繞射光學元件10之薄片面傾斜之斜面具有朝向凸部11a凹陷之凹狀曲面。此處，所謂「藉由多階之輪廓形狀模仿」，於本實施形態中表示以連結各階部之角部分之線假性地構成凹狀曲面，但並不限定於角部分，可為連結階部之面之中央之線，亦可為連結邊部分之線。又，「模仿」之語句表示假性地構成凹狀曲面。於本實施形態中，就宏觀來看，表示成為凹狀曲面，就微觀來看，表示構成為階梯狀。換一種表達亦可成為「近似」。於至此為止所說明之例中，對4階之形態進行了說明，因此成為相對粗糙地模仿之形態，若設為下述16階或進而其以上之階數，則可製成更準確地模仿之形狀。

圖6A係將本實施形態之繞射光學元件10與先前形態進行比較表示之圖。圖6A(a)表示於圖6A(b)中之箭頭H-H之位置將先前之繞射光學元件切斷所得之剖面。圖6A(b)係自薄片面之法線方向觀察先前之繞射光學元件之俯視圖。圖6A(c)係自薄片面之法線方向觀察本實施形態之繞射光學元件10之俯視圖。圖6A(d)係將圖6A(b)與圖6A(c)重疊表示之圖。

於先前之繞射光學元件中，如圖5中兩點鏈線所示，各階部之每一階之深度(高度)固定，又，寬度亦變得固定。因此，於圖5所示之剖面中，將先前之繞射光學元件之各階部之角部分連結而成之斜面L0成為平面(於剖面中成為直線)。

相對於此，於本實施形態之繞射光學元件10中，將各階部之角部分連接而成之斜面L成為朝向凸部11a凹陷之凹狀曲面(於剖面中成為凹狀曲線)。為了模仿上述凹狀曲面，可改變各階部之深度(高度)，亦可改變各階部之寬度，亦可將該等兩者組合。然而，若考慮到藉由蝕刻處理製造階部之製造方法，則最簡單地進行製造之方法係改變各階部之寬度之方法。

因此，本實施形態之繞射光學元件10為了模仿上述凹狀曲面，而使各階部之寬度隨著凹部之深度變淺而逐漸變窄。因此，如圖5及圖6所示，凸部11a之寬度整體變窄。

於不規則型之繞射光學元件10中，如圖1A所示，於設計上，凸部與凹部之交界所描繪之線成為曲線之部分較多。並且，亦如先前所說明，對繞射光學元件之光學特性造成影響之剖面構造係與該曲線正交之方向(法線方向)之剖面中之剖面構造。然而，於實際之繞射光學元件10中，製作成藉由微細之摺線形狀、尤其如圖6A所示之將正交之2方向之直線連接而成之摺線形狀使凸部與凹部之交界所描繪之線近似曲線之形狀之情形較多。其主要取決於製造上之情況。

於該情形時，若於例如如圖6A(a)所示般切斷之剖面中對圖5所示之剖面構造進行研究，則各階之寬度受到切斷位置之影響而較原本之應作為剖面構造進行研究之寬度變寬或變窄，從而無法進行正確之研究。

圖6B係將原本之設計圖案之曲線與圖6A之圖重疊表示之圖。圖6B(b)係將理想設計圖案之曲線重疊於圖6A(b)上之圖，圖6B(c)係將理想設計圖案之曲線與本實施形態之設計圖案之曲線重疊於圖6A(c)上之圖。再者，於圖6B(c)上，實線為理想設計圖案之曲線，虛線為本實施形態之設計圖案之曲線。

於圖6B中明確示出各階部之寬度隨著凹部之深度變淺而逐漸變窄之情況。如此，於在實際製作之繞射光學元件中對各階部之寬度進行研究之情形時，如圖6B般藉由連結頂點之曲線獲得設計上之曲線，並以與該曲線正交之方向之剖面形狀或寬度尺寸進行研究較為重要。

於至此為止之說明中，示出了4階之多階形狀之例，但該階數亦可更多。

圖7係表示具有8階之多階形狀之繞射光學元件10之圖。

若以如上方式使階數增多，則模仿凹狀曲面之精度變高。

此處，鋸齒形狀之斜面設為模仿凹狀曲面而成之形狀，並對該曲面之形狀進行說明。

圖8係說明凹狀曲面之剖面中之曲線與多階形狀之圖。

設置如圖8所示之x-y正交座標。即，將x軸設定為凸部11a並排之方向，將斜面升高之方向設為x軸之正方向，設定與繞射光學元件10之薄片面正交之y軸，將凸部11a突出之方向設定為y軸之正方向。

將包含凸部11a之前端在內計數所得之階部之總階數設為L。又，將每一階之寬度之減少率設為f。進而，將以凹部之最低位置為0計數時之對象之階部之階數設為l v，將各階部之每一階之高度設為h並設為固定值，將階0之寬度比率定義為C。如此，藉由多階形狀模仿之凹狀曲面之剖面中之曲線(成為階0之凹頂點與各凸部之頂點之軌跡之曲線)由以下之式所表示。

於將x座標相對於間距之比率設為S，x'=0.5×f×l v²+C×l v S=P/{tw+Σ x'i} Σ設為i=0~L-1時，階梯形狀之頂部x,y座標以如下方式表示。

x=S×(0.5×f×l v²+C×l v) y=l v×h

再者，於將多階形狀之階數設為n、將最上位階之寬度設為tw時，間距係將0.5×f×(n-1)2+C×(n-1)+tw標準化而成者。

又，所謂階0之寬度比率C，表示作為凹部之最低位置之階0之寬度相對於先前之各階部之寬度固定之情形時之每一階之寬度之比率。

此處，關於將各階部之每一階之高度設為h，若相對於理論值ht設為h=ht×1.05~h=ht×1.15，則可獲得良好之結果。再者，理論值ht=波長/{level數(折射率-1)}。

又，以間距之比率並以如下方式定義各階部(level)之寬度d0~d7。

di=C+i×f

其中，i為0~6之整數。

此處，f<0。

又，於最大繞射角為10°以上之繞射光學元件中，-20

C/f

-6，較理想為於設為-16

C/f

-10.5 -0.0275

f

-0.0125時，0.13

C

0.4，於C為該範圍之情形時，較理想為-0.0225

f

-0.0125。

於相對於作為最深之面之0 level之寬度而將最上位之寬度之比率設為t時，較理想為0.5

t

0.9，0.6

t

0.8。

以下，例示具體例。

圖9係表示8階之剖面形狀之具體例之圖。於一併記載於圖9中之下方之表中一併記載x'、y之值。該x'表示對階梯構造之剖面進行觀察時之頂部之橫向位置，y表示縱向位置，係於圖9中作為曲線圖而表示之剖面形狀(階梯構造)之座標資料(頂點座標)。再者，於以下之圖中，與曲線圖一併記載之表中之值表示曲線圖中之座標資料。

於圖9之例中，成為波長850nm，間距=3284nm(繞射角15°)，8 level，f=-0.02，C=0.25，t=0.8，h=850/8＊1.1＊(n-1)，n=1.5。於該情形時，成為C/f=-12.5。

根據基於x'=0.5×f×l v²+C×l v

之式，0 level至最上位level之寬度成為1.4542，各level之寬度成為根據x值導出之寬度×3284/1.4542。此時之零次光強度充分地小至0.15776%。

於圖10之例中，成為波長850nm，間距=3284nm(繞射角15°)，4 level，f=-0.02，C=0.2，t=0.8，h=850/4＊1.1(n-1.0)，n=1.5。於該情形時，成為C/f=-10。

根據基於x'=0.5×f×l v²+C×l v

之式，0 level至最上位level之寬度成為0.662，各level之寬度成為根據x值導出之寬度×3284/0.662。此時之零次光充分地小至0.2803%。

繼而，實際製作上述實施形態與比較例，並示出對0次繞射光之強度進行實測所得之結果。

圖11係說明0次繞射光之強度測定方法之圖。

於測定0次繞射光之強度時，首先，如圖11(a)所示，於使光源LS發出之特定波長之光通過繞射光學元件10後，進而藉由光圈AP僅使0次繞射光通過之特定範圍之光到達至感測器S，藉由功率計M測量存在繞射光學元件10之情形時之強度。

繼而，如圖11(b)所示，僅將繞射光學元件10自圖11(a)之狀態中去除，測量不存在繞射光學元件10之情形時之強度。0次繞射光之強度可藉由(存在繞射光學元件10之情形時之強度)/(不存在繞射光學元件10之情形時之強度)而求出。

再者，用於測定之光源LS設為雷射光源與鹵素光源之2種，波長設為850nm。

藉由上述方法針對本發明之繞射光學元件10，測定0次繞射光之強度。再者，作為本發明之繞射光學元件10，分別測定圖3、5所示之4 level者及圖7、8所示之8 level者。

本發明之繞射光學元件10之4 level品之每一階之高度h=470nm。該值相當於h=ht×1.106。又，設為C=0.1825，f=-0.02。再者，間距如圖1及圖6所示般視部位而多種多樣，因此難以特定。

再者，於本發明之繞射光學元件10中，連接各階部之線於剖面中成為凹狀之曲線。

又，為了與本發明之繞射光學元件10進行比較，比較例亦準備4 level品與8 level品。

圖12係表示比較例之繞射光學元件之圖。

作為比較例，如圖12所示，連接各階部之線於剖面中為直線。並且，關於比較例，亦準備4 level與8 level之2種。每一階之高度h設為與本發明品相同。

圖13係表示針對本發明之繞射光學元件10與比較例測定0次繞射光之強度所得之結果圖。於圖13中，圓形標記及方形標記所表示之資料表示雷射光源之資料，曲線所表示之資料表示鹵素光源之資料。

如圖13所示，無論是雷射光源抑或是鹵素光源，與比較例相比，本發明之0次繞射光之強度均大幅下降。因此，於實際品中證明若相當於鋸齒形狀之斜面之部分構成為凹狀曲面，則可降低0次繞射光之強度。

繼而，為了更詳細地研究本發明之效果而進行了模擬。

繞射效率之解析模擬使用基於嚴格耦合波分析(RCWA(rigorous coupled-wave analysis)之運算。RCWA於數學上歸結於解開矩陣之固有值間題與一次方程式，因此不存在原理上之困難。又，於基於該RCWA之電磁場分析之模擬結果與現實中，若將現物中之形狀錯誤等排除，則基本上一致。

再者，本次模擬並未考慮到如圖2A所示之立體形狀，而是將如圖2B所示之一維且進深方向設為無限長度來進行運算。

模擬係藉由以下之條件而進行。

波長：850nm

高折射率部之折射率n：1.5

低折射率部之折射率：1.0

間距：2μm，4μm之2種

階數：8 level

作為比較例，首先，將以每一階之高度為理論值之高度ht=212.5nm者設為比較例1。又，將每一階之高度h=ht×1.106=235nm者設為比較例2。該高度h=ht×1.106=235nm與之前用於實測者相同。

又，作為本發明品之相當於斜面之部分成為凹狀曲面之實施例，準備2種。首先，將與先前之實測品同樣地依序寬幅地構成較深部分之寬度者設為實施例1。又，將不改變寬度並藉由使較深部分之高度依序降低而使相當於斜面之部分成為凹狀曲面之形態設為實施例2。

圖14係表示使每一階之高度變化之實施例2之形狀之圖。

如先前所說明，藉由如圖14般使每一階之高度變化，亦可模仿凹狀曲面。

圖15係將模擬之結果總結之圖。於模擬中，亦針對1次繞射光求出參考值。

根據模擬之結果亦獲得如下結果：只要為相當於斜面之部分成為凹狀曲面之形態，便可大幅減少0次繞射光。

再者，藉由多階形狀假性再現鋸齒形狀時之階數(level數)並不限定於上述4階、8階。

圖16係表示以16階模仿鋸齒形狀之例之圖。再者，若增加階數，則可接近更平滑之斜面，亦可製成可大致視作無階梯之程度者、即實質上視作曲面者。根據上述實測及模擬之結果，可謂即便於平滑之斜面之情形時，只要將斜面設為凹狀曲面，則亦可降低0次繞射光之強度。

繼而，表示用以對階0之寬度變化率C、每一階之寬度之減少率f、最上位之寬度之比率t之影響進行說明之模擬結果。

(8-level)

將波長設為850nm、繞射光學元件之折射率設為1.5對下述式所表示之8-level之構造進行模擬所得之結果示於圖17至圖19。每一階之高度之理論值成為ht=212.5nm，並設為h=ht×1.1之223.125nm。t為最上位面(level-7)相對於最下位(level-0)之寬度之比率。式與上述式相同，使用以下之式。

於將x座標相對於間距之比率設為S，x'=0.5×f×l v²+C×l v S=P/{tw+Σ x'i}Σ設為i=0~L-1時，階梯形狀之頂部x,y座標以如下方式表示。

x=S×(0.5×f×l v²+C×l v) y=l v×h

圖17係設為f=-0.02、t=0.8，並設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距時之使C變化時之零次光強度之曲線圖。得知於0.21

C

0.40之情況下，零次光較低而成為0.5%以下。

圖18係設為C=0.25、t=0.8，並設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距時之使f變化時之零次光強度之曲線圖。得知於-0.0225

f

-0.0125時，零次光較低而成為0.5%以下。

圖19係設為f=-0.02、C=0.25，並設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距之時之使t變化時之零次光強度之曲線圖。得知於t為0.5~ 0.9之情況下，零次光較小而成為0.5%以下。

根據該等結果，可求出8-level中之C/f之適當之範圍。此處，將零次光強度成為1%以下之範圍設定為C/f之適當之範圍。

根據圖17之結果得知，於0.18<C之情況下，零次光成為1%以下。於該圖17之例中，f=-0.02，因此較理想為設為C/f<-9。

又，根據圖18之結果得知，於-0.0275<f<-0.005之情況下，零次光成為1%以下。於該圖18之例中，C=0.25，因此較理想為設為-50<C/f<-9。

作為於該等2個範圍中共用之範圍，8-level中之C/f之適當之範圍為-50<C/f<-9。

(4-level)

將波長設為850nm、繞射光學元件之折射率設為1.5對下述式所表示之4-level之構造進行模擬所得之結果示於圖20至圖22。每一階之高度之理論值成為ht=425nm，並設為h=ht×1.1之467.5nm。t為最上位面(level-3)相對於最下位(level-0)之寬度之比率。式與上述式相同，並使用以下之式。

於將x座標相對於間距之比率設為S，x'=0.5×f×l v²+C×l v S=P/{tw+Σ x'i} Σ設為i=0~L=1時，階梯形狀之頂部x,y座標以如下方式表示。

x=S×(0.5×f×l v²+C×l v) y=l v×h

圖20係設為f=-0.02、t=0.8且設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距時之使C變化時之零次光強度之曲線圖。得知於0.13

C

0.33之情況下，零次光較低而成為0.5%以下。

圖21係設為C=0.18、t=0.8且設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距時之使f變化時之零次光強度之曲線圖。得知於-0.0275

f

-0.0125時，零次光較低而成為0.5%以下。

圖22係設為f=-0.02、C=0.18且設為繞射格子之繞射角成為15°之3284nm間距時之使t變化時之零次光強度之曲線圖。得知於t為0.3~0.9之情況下，零次光較小而成為0.5%以下。

根據該等結果，可求出4-level中之C/f之適當之範圍。此處，將零次光強度成為1%以下之範圍設定為C/f之適當之範圍。

根據圖20之結果得知，於0.1<C之情況下，零次光成為1%以下。於該圖20之例中，f=-0.02，因此較理想為設為-5<C/f。

又，根據圖21之結果得知，於f<0之情況下，零次光成為1%以下。於該圖21之例中，C=0.18，因此無法根據f<0之條件求出C/f之範圍，於該條件下可為任何值。

作為於該等2個範圍中共用之範圍，4-level中之C/f之適當之範圍為-5<C/f。

如上所述，8-level中之C/f之適當之範圍為-50<C/f<-9，4-level中之C/f之適當之範圍為-5<C/f。因此，作為該等所共用之範圍，可將-5<C/f<-9設定為C/f之適當之範圍。

此處，若著眼於減少率f，則減少率f具有C/f之反比例之關係。因此，若以減少率f成為分子之方式改寫上述範圍，則較理想為-0.2<f/C< -0.1之範圍。減少率f係每一階之寬度之減少率，且係無因次之值，又，認為若C固定，則面積之變化率亦較理想為上述範圍。因此，各階部之面積減少之減少率較理想為-5%以上、-20%以下之範圍。

又，根據圖19認為於8-level中，t較理想為0.5~0.9，根據圖22認為於4-level中，t較理想為0.3~0.9。t為最上位面(level-3)相對於最下位(level-0)之寬度之比率。因此，可謂高折射率部之最上位面之面積較理想為高折射率部之最下位面之面積之0.5~0.9倍之面積。

繼而，將對具有連結本發明之頂點之軌跡為凹狀曲面之構成之繞射光學元件、具有作為理論構造之頂點呈直線狀並排之構成之繞射光學元件、及具有與本發明相反之連結頂點之軌跡為凸狀曲面之構成之繞射光學元件進行比較之模擬之結果示於圖23至圖25。於圖23至圖25之模擬中，設為f=-0.02、C=0.18、t=0.8、3248nm間距(繞射角15°)。

圖23係表示具有連結本發明之頂點之軌跡為凹狀曲面之構成之繞射光學元件之剖面形狀與模擬結果的圖。再者，於圖23至圖25中，為了容易理解剖面形狀之差異而以一點鏈線一併記載直線。

如圖23所示，於本發明之構造中，零次光成為0.26%。

圖24係表示具有作為理論構造之頂點呈直線狀並排之構成之繞射光學元件之剖面形狀與模擬結果的圖。

如圖24所示，於作為理論構造之所有階部相同之情形時，零次光成為0.88%。

圖25係表示具有與本發明相反之連結頂點之軌跡為凸狀曲面之構成之繞射光學元件之剖面形狀與模擬結果的圖。

如圖25所示，於與本發明相反之相對於鋸子之刃型斜面成為凸型之構造中，零次光成為2.90%。

根據圖23至圖25之結果確認到，於如本發明般具有連結頂點之軌跡為凹狀曲面之構成之繞射光學元件中，可減少零次光。

繼而，對可將更容易理解之本發明之構造與先前構造進行比較之方法進行說明，代替藉由上述數式確認凹狀曲面之方法。於本發明之構成中，連結頂點而成之軌跡成為凹狀曲面，因此各階之上表面之面積因階部而不同。以下著眼於該方面進行說明。

圖26係為了將先前構造之繞射光學元件與本發明之繞射光學元件進行比較而並列表示之俯視圖。圖26(a)係表示藉由先前作為理想設計而已知之方法設計之繞射光學元件之4-level之各面，且表示1面至4面之資料。圖26(b)係基於本發明之構造，將圖26(a)之形狀改良而成者。各個面係將最下位面(階0階部11a-0：參照圖3)作為0面，最上位面(階3階部11a-3)作為3面示於圖中。

圖27A係表示圖26中所示之各面相對於圖26(a)之基於先前之理想設計之4-level繞射光學元件之面積之比率的圖。

圖27B係表示各面相對於基於先前之理想設計之8-level繞射光學元件之面積之比率的圖。

圖28A係表示圖26中所示之各面相對於圖26(b)之本發明之4-level繞射光學元件之面積之比率的圖。

圖28B係表示各面相對於本發明之8-level繞射光學元件之面積之比率的圖。

圖27A、27B及圖28A、28B針對繞射光學元件(DOE)之1邊為10μm、50μm、100μm之正方形區域求出面積比率。正方形區域之大小越大，成為樣品之面越多，因此具有收斂成固定值之傾向。

觀察圖27A、27B得知，關於先前之理想設計中之各面之比率，4-level各個面大致為25%，8-level各個面為11~14%而為大致相等之比率。

另一方面，觀察圖28A、28B得知，於本發明之構造中，作為最下位面之level-0之面積最大，最上位面之下一階之面(level-2、level-6)面積最小。

圖29係基於圖26(a)、(b)之資料實際製造繞射光學元件並測定零次光所得之實測值之結果。再者，於圖29中一併記載4-level與8-level之實測值。

觀察圖29得知，4-level、8-level以本發明之構造而零次光均較先前之形態減小。

於上述圖28A之例中，若按照面積大小從大到小排列，則依序為level-0、level-1、level-3、level-2(以下稱為type1)。以下，進而列舉按照面積大小從大到小依序為level-0、level-3、level-1、level-2之例(以下稱為type2)，進而以相同條件對成為該等之基本之理想設計之形態進行比較。再者，於該比較中，使level-0至level-3之高度之差、即凹凸之深度(以下，亦稱為DOE高度)變化並亦對DOE高度之影響進行研究。再者，DOE高度通常取決於繞射對象之光之波長。

圖30係表示3種繞射光學元件之面積比率之圖。

圖32係自薄片面之法線方向觀察type1之繞射光學元件之圖。

圖33係自薄片面之法線方向觀察type2之繞射光學元件之圖。

圖34係以數值表示3種繞射光學元件之模擬結果之圖。

圖35係以曲線圖表示3種繞射光學元件之模擬結果之圖。

再者，圖34、圖35之模擬係以波長850nm並使用嚴格耦合波分析(RCWA(rigorous coupled-wave analysis))而進行。

觀察圖34及圖35得知，即便使DOE高度變化，作為本發明之type1之零次光強度亦小於理想設計之零次光強度。又，type2存在視DOE高度而零次光強度相對於理想設計較小之部分。

於上述說明中，主要基於模擬結果進行了說明，但於實際製作繞射光學元件之情形時，必須根據實物之複雜之凹凸形狀求出各階之面積比率。為了求出面積比率，要求出各階之面積，但所製作之繞射光學元件具備微小且複雜之凹凸形狀之情況較多，即便僅求出面積亦並不容易。因此，以下例示相對簡單地求出面積比率之方法之1例。再者，面積比率之求出方法亦可使用以下所示之方法以外之方法。

此處，對使用雷射顯微鏡(基恩士公司製造，VK-X250)測定DOE之各階之面積之方法進行說明。該雷射顯微鏡係高度測定精度、重複精度3σ=12nm，但只要為數十nm之精度便已充分。

圖36係表示自雷射顯微鏡獲取之黑白(灰度)圖像之例之圖。

自該雷射顯微鏡獲取之圖像如圖36所示獲得黑白圖像。又，亦獲得於該黑白圖像中以不同顏色將各階之高度著色而成之圖像(未圖示)。只要求出該經著色之每種顏色之面積即可，但通常，即便各階部之高度為同階，高度亦微妙不同地被測定，因此存在顏色不均(色度變化)，不適合直接地求出面積比率。因此，首先進行使圖36之圖像黑白之2值化之圖像處理(圖37)。2值化例如可適當利用市售之圖像處理軟體，閾值之設定可一面觀察處理結果，一面選擇最能夠表現出顯微鏡圖像之特徵之值。

繼而，使用經2值化之圖像，一面參照另外獲得之以不同顏色對各階之高度進行著色後之圖像，一面於每一階中，利用例如中間色調之顏色(灰色)將白色區域塗色。該塗色處理例如亦可適當利用市售之圖像處理軟體。

圖38係表示將level-3塗色之例之圖。

圖39係表示將level-2塗色之例之圖。

圖40係表示將level-1塗色之例之圖。

圖41係表示將level-0塗色之例之圖。

使用針對各階塗色之圖像，對各自之經塗色之灰色之像素進行計數。關於對每種顏色之像素數進行計數之處理，例如亦可適當利用市售之圖像處理軟體。再者，於上述例中，顏色係由白、黑、灰之3種構成，故而對灰色之像素數進行計數。

例如，於圖示之例中，level-3之計數值為15167，level-2之計數值為24859，level-1之計數值為27541，level-0之計數值為29391。該數相當於面積，因此可求出面積比率。

於顯微鏡輸出之圖像中，存在各階之交界變粗之部分，推測較粗之部分成為斜面。於上述使用圖像處理之面積測定方法中，藉由進行顯微鏡輸出之圖像之2值化，斜面成為黑色而不包含於面積比率之運算中，因此，可將該斜面除外而使面積計算簡單化，該點係該測定方法之優勢。

如以上所說明，根據本實施形態，繞射光學元件10將鋸齒形狀之斜面設為凹狀曲面或設為模仿凹狀曲面之多階形狀，因此可大幅降低0次繞射光之強度。又，亦可抑制一次光之繞射效率降低。

(變化形態)

並不限定於以上說明之實施形態，可進行各種變化或變更，該等亦包含於本發明之範圍內。

(1)列舉為藉由多階形狀模仿凹狀曲面而僅使多階形狀之寬度或高度之其中一者變化之例進行了說明。並不限定於此，例如亦可使該等兩者緩慢變化。

(2)於實施形態中，繞射光學元件以僅由高折射率部構成之簡單之形態表示。並不限定於此，例如可設置用以形成高折射率部之透明基材，亦可藉由樹脂構成低折射率部14，亦可設置被覆繞射層之被覆層。

(3)於實施形態中，主要對構成為多階形狀之繞射光學元件進行了說明，但並不限定於此，例如，亦可為由多階形狀微細地形成直至達到極限為止而無法識別出多階之形狀或連續之斜面(曲面)形狀構成之繞射光學元件。

再者，實施形態及變化形態亦可適當組合使用，省略詳細之說明。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

11a-0:level 0階

11a-1:level 1階

11a-2:level 2階

11a-3:level 3階

11b:側壁部

L:總階數

L0:斜面

Claims

一種繞射光學元件，其係對光進行整形者，且具有繞射層，該繞射層具備：高折射率部，其於剖面形狀中並排配置有複數個凸部；及低折射率部，其係折射率低於上述高折射率部，且至少包含形成於上述凸部之間之凹部；上述凸部為鋸齒形狀或藉由多階之輪廓形狀模仿鋸齒形狀而成之形狀，鋸齒形狀或藉由多階之輪廓形狀模仿而成之鋸齒形狀之相對於該繞射光學元件之薄片面傾斜之斜面具有朝向上述凸部凹陷之凹狀曲面。
如請求項1之繞射光學元件，其中上述凸部於其側面形狀之至少一側具有藉由高度不同之複數個階部模仿上述鋸齒形狀而成之多階形狀，藉由上述階部之高度與寬度之至少一者根據部位不同而模仿上述凹狀曲面。
如請求項1之繞射光學元件，其中上述凸部於其側面形狀之至少一側具有藉由高度不同之複數個階部模仿上述鋸齒形狀而成之多階形狀，於每單位面積中，最深之面之面積最大，最上位面之下一階之面之面積最小。
如請求項2之繞射光學元件，其中上述階部之每一階之高度固定，藉由上述階部之寬度根據部位不同而模仿上述凹狀曲面。
如請求項4之繞射光學元件，其中於將x軸設定成上述凸部並排之方向，將上述斜面升高之方向設為x軸之正方向，設定與該繞射光學元件之薄片面正交之y軸，將上述凸部突出之方向設為y軸之正方向，將包含上述凸部之前端在內計數所得之階部之總階數設為L，將每一階之寬度之減少率設為f，將以上述凹部之最低位置為0進行計數時之對象之階部之階數設為l v，將上述階部之每一階之高度以h設為固定值，將階0之寬度比率設為C時，藉由多階形狀模仿之上述凹狀曲面之剖面中之成為階0之凹頂點與各凸部之頂點之軌跡之曲線係於將x座標相對於間距之比率設為S，且x'=0.5×f×l v²+C×l v S=P/{tw+Σ x'i} Σ設為i=0~L-1時，階梯形狀之頂部x,y座標由x=0.5×f×l v²+C×l v y=l v×h表示。
如請求項1至5中任一項之繞射光學元件，其中上述高折射率部形成繞射格子，該繞射格子具有自形成有凹凸形狀之面之法線方向觀察，上述凸部與上述凹部之交界包含曲線與將複數個線段連接而成之摺線之至少一者之圖案。
如請求項1至5中任一項之繞射光學元件，其中上述高折射率部形成光柵單元陣列型之繞射格子，該光柵單元陣列型之繞射格子係自形成有凹凸形狀之面之法線方向觀察，形成為將並排配置有同一凹凸形狀之單位單元平鋪複數個而成之格子狀圖案。