TWI803647B - 繞射光學元件、投影裝置及測量裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明是有關於一種繞射光學元件，具備基材、設置於前述基材的其中一面上並對入射光發揮預定的繞射作用的凹凸部、及設置於前述基材與前述凹凸部之間的反射防止層，構成前述凹凸部之凸部的第1介質與構成前述凹凸部之凹部的第2介質在前述入射光的波長帶中的有效折射率差Δn為0.70以上，前述入射光從前述基材的法線方向入射時從前述凹凸部出射的繞射光的出射角度範圍θout 為60°以上，在前述入射光的波長帶上的自前述凹凸部於前述出射角度範圍內出射的繞射光對入射到前述凹凸部的總光量的總效率為65%以上。

Description

繞射光學元件、投影裝置及測量裝置
發明領域 本發明是有關於一種生成預定圖案之光點的繞射光學元件、以及具備有該繞射光學元件的投影裝置及測量裝置。
發明背景 目前已有將預定之光照射於測量對象之被測定物，並檢測因該被測定物而散射之光，藉此進行該被測定物之位置或形狀等之測量的裝置(參照例如專利文獻1等)。在像這樣的測量裝置中，為了將特定的光之圖案照射於測量對象，可以使用繞射光學元件。
繞射光學元件已知有例如對基板表面進行凹凸加工而得到的繞射光學元件。在這樣的凹凸構成的情況下，可以利用充填凹部的材料(例如折射率=1之空氣)與凸部材料之折射率差來賦與所期望的光路長度差並讓光繞射。
作為繞射光學元件的其他的例子，藉由和凸部材料不同且不是空氣之折射率材料來充填凹部(更具體來說是凹部及凸部上表面)的構成也是已知的。該構成因為並未露出凹凸表面，所以可以抑制因附著物造成的繞射效率之變動。例如，在專利文獻2中，也顯示有提供折射率不同的其他透明材料，以填埋用以產生二維的光點之凹凸圖案的繞射光學元件。
可是，在光學裝置中，有使用近紅外光等肉眼無法看見之光的裝置。可列舉例如：在智慧型手機等中使用於臉部認證或相機裝置之對焦的遙測裝置、與遊戲機等連接並為了捕捉使用者之動作而使用的遙測裝置、在車輛等中為了檢測周邊物體而使用的LIDAR(LIGHT Detecting and Ranging，光學雷達)裝置等。
又，在這些光學裝置中，有要求以相對於入射光的行進方向差異較大的出射角來照射光的情況。例如，在智慧型手機等中所具備之具有廣視角的相機裝置的對焦用途、或在VR(Virtual Reality；虛擬實境)的頭戴式裝置(headset)之具有對應於人的能見角的顯示畫面的裝置中檢測顯示於該顯示裝置之障礙物或手指等周邊物體的用途等中，會有期望對60°以上、100°以上、或120°以上之較寬廣的角度範圍照射光的情況。
在利用繞射光學元件，而設為欲在如上述之寬廣的角度範圍出射光的情況下，在形成凹凸構造方面，必須將間距設得較細小。特別是在針對如近紅外光之長波長的入射光而考慮出射角度範圍較大的凹凸構造的情況下，為了得到所期望之光路長度差，有讓凸部變得更高的傾向。再者，亦可將凸部的高度替換為凹部的深度。
若將繞射光學元件的凹凸部的間距設得較細小或增加高度，高寬比(例如「凸部的高度/凸部的寬度」)也隨之變大。若高寬比變大，因為能夠對行進於凹凸部的光形成界面之凹凸部的整個表面中的側壁(凸部側面)的面積比率也增加，所以會使在凸部側面上之反射等的影響變大，而有產生不期望之零級光的疑慮。一般而言，從人眼安全的觀點來看，是視為若照射強的零級光即不佳。
關於繞射光學元件中的零級光的減少技術，在例如專利文獻3中已揭示有設置有2個繞射光學元件(DOE：Diffractive Optical Element)的構成。專利文獻3中所記載之技術是藉由構成為使在第1繞射光學元件中產生之零級光在第2繞射光學元件中繞射，而減少零級光。 先前技術文獻 專利文獻
專利文獻1：日本特許第5174684號公報 專利文獻2：日本特許第5760391號公報 專利文獻3：日本特開2014-209237號公報
發明概要 發明欲解決之課題 作為用於減少不期望之零級光的產生並且設成可在廣範圍照射的方法，可考慮如下的作法：將充填凹部之材料(例如折射率=1的空氣)與凸部材料的折射率差設得較大。藉由將折射率差設得較大來抑制凸部的高度，可以抑制在凸部側面上的反射等的影響並減少不期望之零級光的產生。
然而，在凹部及凸部的折射率差變大之材料的組合的情況下，會有在這些材料(特別是折射率高的材料)與其他介質(基材或空氣等)的界面上的反射率變高，而光利用效率變低、或產生雜散光的問題。這些問題，在如投影裝置或測量裝置這類的產生較多的光點、或以所產生的光點來測量進行照射之光的返回光(散射光等)的情況下，會成為無法得到較高的精度的原因，因而不佳。
於是，本發明的目的在於提供一種既減少不期望之零級光的產生並且可廣範圍地進行照射，且光利用效率較高之繞射光學元件、具備有該繞射光學元件的投影裝置及測量裝置。 用以解決課題之手段
本發明之繞射光學元件的特徵在於：具備基材、設置於前述基材的其中一面上並對入射光發揮預定的繞射作用的凹凸部、及設置於前述基材與前述凹凸部之間的反射防止層，又，構成前述凹凸部之凸部的第1介質與構成前述凹凸部之凹部的第2介質在前述入射光的波長帶中的有效折射率差為0.70以上，前述入射光從前述基材的法線方向入射時從前述凹凸部出射的繞射光的出射角度範圍為60°以上，在前述入射光的波長帶上的自前述凹凸部於前述出射角度範圍內出射的繞射光對入射到前述凹凸部的總光量的總效率為65%以上。
本發明之投影裝置的特徵在於：具備光源、及前述繞射光學元件，且照射於預定的投影面之光的光量對自前述光源所出射之光的光量的比例為50%以上。
本發明之測量裝置的特徵在於：具備出射檢查光的投影部、及檢測散射光的檢測部，其中前述散射光是因從前述投影部所照射之檢查光照射於測定對象物而產生，且具備前述投影裝置來作為前述投影部。 發明效果
根據本發明，可以提供既減少不期望之零級光的產生並且可廣範圍地進行照射，且光利用效率較高的繞射光學元件、具備有該繞射光學元件的投影裝置及測量裝置。
用以實施發明之形態 以下，參照圖式來說明本發明之實施形態。圖1是第1實施形態的繞射光學元件10之截面示意圖。繞射光學元件10具備：基材11、設置於基材11的其中一面上的凹凸部12、及設置於基材11與凹凸部12之間的反射防止層13。以下，將設置於基材11與凹凸部12之間的反射防止層13稱為內表面反射防止層13。
再者，在本實施形態中未清楚紀載有光的入射方向的情況下，是設為光朝+z方向或圖中之「從下到上」前進。再者，光的行進方向並不限定於這些，亦可為朝-z方向或圖中之「從上到下」。
基材11只要是玻璃、樹脂等對使用波長具有透射性的構件即可，並無特別限制。使用波長是入射到繞射光學元件10之入射光的波長帶。以下，雖然是說明為對繞射光學元件10入射波長700~1200nm的可見光及近紅外光當中的特定的波長帶(例如850nm±20nm等)之光，但使用波長並不限定於這些。又，在沒有事先特別說明的情況下，是設為：可見光區是波長400nm~780nm，紅外區是視為近紅外區之波長780nm~2000nm，特別是波長800nm~1000nm，紫外區是設為近紫外區之波長300nm~400nm，特別是360nm~380nm。再者，可見光是該可見光區之光，紅外光是該紅外區之光，紫外光是該紫外區之光。
凹凸部12是對入射光發揮繞射作用之具有預定之凹凸圖案的凹凸構造。更具體來說，凹凸圖案是凹凸部12的凸部121形成的階層差之平面視角下的二維的圖案。再者，「平面視角」是指從入射於繞射光學元件10之光的行進方向來看的平面，相當於從繞射光學元件10的主面的法線方向來看的平面。凹凸圖案是構成為讓因其產生的複數個繞射光的每一個即光點可以在事先預定的投影面等中實現預定的圖案。
在預定的投影面中生成形成特定之光的圖案的複數個光點的凹凸圖案，是例如對來自該凹凸圖案的出射光的相位分布進行傅立葉轉換而獲得。
在本實施形態中，將從凹凸部12來看而接近於基材11的方向設為下方，且將遠離基材11的方向設為上方。從而，凹凸部12的各階層的上表面之中與基材11最接近之面成為最下表面，最遠離之面成為最上表面。
又，以下，將用於產生相位差的凹凸圖案(藉由凹凸部12在基材11的面上形成，且截面為凹凸形狀的表面)中位於比位於最低位置的部分(圖中之第1階層s1)更高的位置的部分稱為凸部121，並將成為被凸部121包圍而成之凹陷部分且變得比凸部121的最上部(在本例中為第2階層s2)更低的部分稱為凹部122。又，將從凹凸部12之中實際上產生相位差的部分的高度，更具體來說為凹凸圖案的第1階層s1到凸部121的最上部為止之距離，稱為凸部121的高度d或光柵深度d。又，以下，有時會將凹凸部12之中不使其產生相位差的部分(在圖1中，是由與凸部121的最下部相同的構件所形成，且覆蓋基材11的表面而構成第1階層s1的部位)稱為基部123(或基底層)。再者，基部123雖然是設於內表面反射防止層13與凸部121或凹部122之間，但並不一定是必須的。也就是說，基部123可有可無。
凹凸圖案的階層數是與一般的繞射光柵同樣，將構成用以對入射光產生相位差的階層差之各面視為1階層來計數。再者，在圖1中，是顯示具備凹凸部12之繞射光學元件10的例子，其中前述凹凸部12是構成二進制的繞射光柵(也就是2階層之凹凸圖案)。
在圖2中顯示繞射光學元件10的其他例子。繞射光學元件10是如圖2之(a)所示，凹凸部12的構件以外的構件(在本例中，是後述之內表面反射防止層13的最表層的構件)也可構成凹凸圖案的第1階層。再者，在那樣的情況下，也是將從凹凸圖案的第1階層s1到凸部121的最上部為止的距離設為凸部121的高度d。
圖1所示之構成雖然是構成凹部122之第2介質(空氣)至少在入射光入射的有效區域內不與內表面反射防止層13相接之構成，但亦可如圖2之(a)及圖2之(b)所示，為第2介質(空氣)在有效區域之至少一部分中與內表面反射防止層13相接之構成。再者，在後者的情況下，於凹凸部12不包含基部123。在圖2之(a)及圖2之(b)所示之例子，都是構成2階層的凹凸圖案的凹凸部12，且是具備不包含基部123的凹凸部12的繞射光學元件10之例子。在此情況下，在有效區域的至少一部分中，成為構成凹部122的第2介質(空氣)與內表面反射防止層13相接之構成。
再者，在圖2之(a)所示之例子中，是在平坦的內表面反射防止層13上形成有凹凸部12。另一方面，在圖2之(b)所示之例子中，是在表面上具有階層差的內表面反射防止層13上形成有凹凸部12。在此情況下，在功能上，會有如下之情況：可以視為將由與構成該內表面反射防止層13的構件相同的構件所形成的凸部121的一部分(具體而言是最下層)構成在平坦的內表面反射防止層13上。
在該情況下，是將包含位於凸部121之最下層的該構件之厚度量的該凸部121的高度設為凸部121的高度d(參照圖2之(c))。再者，在該情況下，內表面反射防止層13雖然是形成為在與凸部121相接之區域及與凹部122相接之區域的厚度不同之情形，但內表面反射防止層13只要是在各區域中，可以讓與該內表面反射防止層13相接之其他介質間的界面反射減少之構成就沒有問題。例如，若是圖2之(c)所示之構成，內表面反射防止層13只要是如下的構成即可：在與凸部121相接之區域中只要可以減少基材11與凸部121之間的界面反射即可，且在與凹部122相接之區域中可以減少基材11與凹部122之間的界面反射。再者，在厚度並未不同的情況下，內表面反射防止層13的要件仍是同樣的，例如，在如圖1所示之凹凸部12包含基部123的情況下，即使是形成凹部122之區域，也是只要是將與該內表面反射防止層13相接之基材11與基部123之間的界面反射減少的構成即可。又，在與凸部121相接之區域、及與凹部122相接之區域中厚度不同的情況下，其差只要是凸部121的高度d的2%以下，即不會將構成凸部的最下層的內表面反射層視為凸部的一部分。
另一方面，在該構件(圖2之(c)的α部分)有助於由凹凸部12所形成之相位差的產生的情況下，只要依照上述之定義，將在凹凸圖案中包含該構件且位於比位於最低位置的部分更高的位置的部分視為凸部121，而求出凸部121的高度或折射率(在此情況下為有效折射率)即可。
凹凸部12的材料是使用在使用波長中的折射率為1.70以上的材料。作為這樣的材料之例子，可以使用無機材料，例如Zn、Al、Y、In、Cr、Si、Zr、Ce、Ta、W、Ti、Nd、Hf、Mg、La、Nb、Bi等的氧化物、氮化物、氮氧化物、Al、Y、Ce、Ca、Na、Nd、Ba、Mg、La、Li的氟化物、碳化矽、或其等的混合物。又，也可以使用ITO等的透明導電體。又，可列舉Si、Ge、類鑽碳、於其等中含有氫等之雜質的材料等。再者，凹凸部12的材料只要是使用波長中的折射率滿足上述條件之材料即可，並不限定於無機材料。例如，作為包含有機材料之折射率為1.70以上的材料之例子，有：硫胺甲酸乙酯系樹脂、環硫化物樹脂、聚醯亞胺、使無機材料的微粒子分散於有機材料之所謂的奈米複合物材料。作為無機材料的微粒子，可列舉例如Zr、Ti、Al等的氧化物。
又，在凹部122被空氣以外的介質所充填的情況下，只要在將凸部121與凹部122的使用波長中的折射率差設為Δn時，可讓Δn成為0.70以上即可。然而，以材料的選擇性及薄型化的觀點來看，凹部122宜為空氣。
又，凹凸部12的凸部121亦可如圖3所示地為多層構造。圖3之(a)是藉由2層的多層膜而構成凸部121之例子，圖3之(b)是藉由4層多層膜而構成凸部121之例子。再者，在圖3之(a)及(b)中，是顯示凹凸部12為未包含基部123之例子，但亦可如圖3之(c)所示，在使凹凸部12包含基部123後，至少將凸部121藉由多層膜來構成。在該情況下，無論構成凸部121之最下層的構件與構成基部123的構件是否為相同的構件都無妨。
如圖3所示，凸部121是多層構造，且宜為：構成與空氣相接之面的最上層121t，為以包含於該凸部121的材料當中具有相對較低的折射率的材料即低折射率材料所構成。例如，凸部121亦可讓以低折射率材料與高折射率材料交互堆積而成之多層膜來構成為材料。此時，由於除了由內表面反射防止層13所造成之和基材11及凹凸部12的界面的反射率的減少效果以外，還藉由將凸部121的最上層121t設為低折射率材料而可以減少凸部121與空氣之界面的反射率，因此可以進一步減少總計的反射率。藉此，可以進一步提升光的利用效率。
在以多層構造來構成凸部121的情況下，只要將上述之折射率差Δn替換為依據以下所示之有效折射率ηs之差(以下，為有效折射率差)即可。在本實施形態中，多層構造之凸部121的有效折射率是如下地定義。
也就是說，將構成各個凸部121的多層膜的各層(以下稱為光柵層)的折射率設為nsr ，將厚度設為dsr ，並將利用以下之式(1)所表示之式設為有效折射率ηs。再者，r是光柵層的識別符，並取1~層數量的整數。又，分母的各個光柵層的厚度之和即Σr (dsr )相當於凸部121的高度d。
有效折射率ηs=Σr (nsr ×dsr )/Σr (dsr )…式(1)
再者，因為只要設為r=1，即可將單層構造的凸部121的折射率也利用式(1)來計算，所以也可在不區分凸部121的構件為單層或多層的情形下，將凹凸部12的「折射率差(Δn)」替換為「有效折射率差(Δn)」。
再者，成為凸部121之材料的多層膜之材料不限定於2個。例如，亦可藉由如下的多層膜來構成：由相對於凸部121的有效折射率而具有相對較高的折射率之1以上的材料、及具有相對較低的折射率之1以上的材料所形成的多層膜。在此情況下，凸部121的最上層121t只要是藉由相對於凸部121的有效折射率具有相對較低的折射率的材料所構成即可。在以下，有時會將構成凸部121之多層膜中比凸部121的有效折射率更低的折射率材料稱為低折射率材料，並將比有效折射率高的折射率材料稱為高折射率材料。
接著，根據圖4的藉由繞射光學元件10所生成的光之圖案的例示，來說明繞射光學元件10所顯現的繞射作用。繞射光學元件10是形成為相對於將光軸方向設為Z軸來入射的光束21而出射的繞射光群22為以二維方式分布。繞射光學元件10是在將與Z軸具有交點的垂直於Z軸之軸設為X軸、並將垂直於兩者之軸設為Y軸的情況下，在X軸上之最小角度θxmin 到最大角度θxmax 以及Y軸上之最小角度θymin 到最大角度θymax (皆未圖示)的角度範圍內分布光束群。
在此，X軸是成為大致平行於光點圖案之長邊，且Y軸是成為大致平行於光點圖案之短邊。再者，藉由X軸方向中的最小角度θxmin 到最大角度θxmax 、Y軸方向中的最小角度θymin 到最大角度θymax 所形成的繞射光群22的被照射範圍，是成為和光檢測範圍大致一致的範圍，其中前述光檢測範圍是與繞射光學元件10一起使用的光檢測元件的光檢測範圍。在本例中，在光點圖案中，通過以下光點且平行於Y軸的直線成為上述短邊：X方向的角度相對於Z軸為θxmax 之光點；通過以下光點且與X軸平行的直線成為上述長邊：Y方向的角度相對於Z軸為θymax 之光點。以下，將相對於繞射光學元件10為上述短邊與上述長邊的交點及位於其對角的另一交點所形成的角度設為θd ，並將此角度稱為對角方向的角度。在此，將對角方向的角度θd (以下，稱為對角的能見角θd )設為繞射光學元件10的出射角度範圍θout 。在此，出射角度範圍θout 是顯示在入射光從基材11的法線方向入射時從凹凸部12所出射之繞射光形成的光的圖案的擴散的角度範圍。再者，繞射光學元件10的出射角度範圍θout 除了設為上述之對角方向的能見角θd 以外，亦可設為例如繞射光群22所包含之2個光點所形成之角度的最大值。
繞射光學元件10宜為例如入射光從基材11的表面的法線方向入射時之出射角度範圍θout 為60°以上，較佳為70°以上。例如，在智慧型手機等所具備之相機裝置中，有視角(全角)為50~90°左右的裝置。又，作為用於自動駕駛等之LIDAR裝置，有能見角為30~70°左右的裝置。又，人類的能見角一般為120°左右，在VR的頭戴式裝置等的相機裝置中有已實現能見角70~140°的裝置。為了可以適用於這些裝置，繞射光學元件10的出射角度範圍θout 可為100°以上，亦可為120°以上。
又，繞射光學元件10產生的光點之數量亦可為4個以上，或亦可為9個以上，且亦可為100個以上，亦可為10000個以上。再者，光點的數量之上限並未被特別限定，例如亦可為1000萬點。
在圖4中，Rij 是表示投影面的分割區域。例如，亦可將繞射光學元件10構成為：在將透明面分割成複數個區域Rij 的情況下，照射於各區域Rij 的繞射光群22所產生的光點23的分布密度相對於全區域的平均值會成為±50%以內。再者，上述分布密度亦可為相對於全區域的平均值在±25%以內。當像這樣地構成時，由於可以在投影面內使光點23的分布均勻，因此在測量用途等中是理想的。在此，投影面不只是平面，也可以是曲面。又，在平面的情況下，亦可為相對於光學系統的光軸垂直的面以外傾斜的面。
圖4所示的繞射光群22所包含的各繞射光，在式(2)所示的光柵(grating)方程式中，是成為以Z軸方向為基準，而朝X方向中的角度θxo 、Y方向中的角度θyo 繞射的光。在式(2)中，mx 是X方向的繞射次數，my 是Y方向的繞射次數，λ是光束21的波長，Px 、Py 是繞射光學元件的X軸方向、Y軸方向中的間距，θxi 是X方向中對繞射光學元件的入射角度，θyi 是Y方向中對繞射光學元件的入射角度。藉由使此繞射光群22照射於螢幕(screen)或測定對象物等的投影面，即可在所照射的區域中生成複數個光點23。
sinθxo ＝sinθxi ＋mx λ/Px sinθyo ＝sinθyi ＋my λ/Py …(2)
較佳的是，在凹凸部12為N階層的階梯狀的疑似閃耀(blaze)形狀的情況下，若滿足Δnd/λ=(N-1)/N，即可以讓藉由凹凸部12所產生之光路長度差為近似於1波長量的波前，而可獲得較高的繞射效率。例如，若舉對由折射率=1.7的材料形成的凸部121、及由空氣所形成的凹部122的凹凸圖案入射近紅外光的情況為例，即成為0.7d/λ=(N-1)/N。藉此，若凸部121的高度d滿足d={(N-1)/N}×λ/0.7，即較佳。
又，圖5是顯示凸部121之高度(光柵深度)d與零級光的強度(零級效率)之間的關係的圖表。在此，顯示零級光的強度的零級效率是指從凹凸部12所出射之透射零級光的光量對入射到凹凸部12的總光光量的比例。再者，圖5之(a)是顯示光柵深度在為0.05λ~2.0λ的情況下與零級光之強度之間的關係的圖表，圖5之(b)是放大顯示其一部分的圖表。在圖5中，是在將X方向上21點、Y方向上21點之合計441點的光點照射於對角方向之NA(Numerical Aperture，數值孔徑)成為0.85(X方向及Y方向之NA0.6)的範圍的情況下的設計例子，且例示有以下之情況：將合成石英(折射率n=1.45)作為凸部121的材料的情況、及將Ta2 O5 (n=2.1)作為凸部121的材料的情況。再者，在本實施形態中，NA是以1．sin(θout /2)所表示的指標。
如圖5所示，在折射率為1.45的情況下，在實現NA0.85(出射角度範圍θout 為約116°)的構成中，設計上，不管調整多少次凸部121的高度d，零級效率都不會成為小於5%。另一方面，只要折射率為2.1，即可以藉由調整凸部121的高度d，而將零級效率抑制到1%以下等。
在此，為了針對零級以外之設計級數的繞射光來得到較高的繞射效率，並且降低零級效率，宜滿足Δn/NA≧0.7。再者，Δn/NA宜為0.7以上，較佳是1.0以上。圖6是顯示在將5種不同的折射率材料作為凸部121材料時之對角方向之能見角θd 與零級效率(極小值)之間的關係的圖表。
再者，5種不同的折射率材料各自是：折射率1.45(合成石英)、1.60(聚碳酸酯系樹脂)、1.70(SiON)、1.90(HfO)、2.10(Ta2 O5 )。在圖6中，是分別求出分別對5種折射率材料來將對角方向之能見角θd 設為50.2°、68.8°、90.0°、116.0°、133.4°、163.4°時之設計方案，並相對於該等設計方案而顯示藉由嚴格耦合波分析(RCWA)所計算出之零級效率(極小值)。如圖6所示，可知有下述情形：凸部121的折射率變得越高，零級效率變得越低。再者，若將上述之對角方向的能見角θd 以NA表示，即各自成為0.424、0.565、0.707、0.848、0.918、0.0989。
又，在圖7顯示上述設計方案中的Δn/NA與零級效率(極小值)之間的關係。再者，圖7之(a)是顯示上述設計方案之全部的關係的圖表，圖7之(b)是放大顯示其一部分的圖表。
上述之各個例子是將設計波長設為850nm、將凹部設為空氣(n=1)。又，凹凸部12是使在X方向上21點、Y方向上21點之合計441點的光點產生之8階層的凹凸圖案，且該凹凸圖案中的光柵是規則配置，相鄰之光點的分離角全部相等。在表1中顯示各個例子的設計參數。
[表1]
Figure 108120068-A0304-0001
如圖7所示，若觀看零級效率與Δn/NA之間的關係，只要例如Δn/NA為0.7以上，即可以在出射角度範圍θout 為70°以上(小於165°)之所有的設計方案上將零級效率的極小值形成為小於3.0%。又，只要例如Δn/NA為0.9以上，即可以在出射角度範圍θout 為100°以上(小於165°)之許多設計方案上使零級效率的極小值為小於1.5%。又，只要例如Δn/NA為1.0以上，即可以在出射角度範圍θout 為小於165°的許多設計方案上使零級效率的極小值為小於1.0%。又，只要例如Δn/NA為1.2以上，即可以在出射角度範圍θout 為小於140°的許多設計方案上使零級效率的極小值為小於0.5%。再者，在顯示於圖5~圖7的設計方案當中，n=1.45、1.60的設計方案為比較例。再者，本實施形態之繞射光學元件10在垂直地(從基材11的法線方向)入射的入射光的情況下，從該繞射光學元件10出射之透射零級光的繞射效率(相對於入射光量之透射零級光的光量之比例)即零級效率，宜小於3.0%、較佳為小於1.5%、更佳為小於1.0%、特佳為小於0.5%、最佳為小於0.3%。
內表面反射防止層13是為了防止基材11及凹凸部12的界面反射而設置。內表面反射防止層13雖然只要是具有在基材11及凹凸部12的界面上減少至少設計波長的光的反射率的反射防止功能之構成即可，而未特別地限定，但作為一例，可列舉單層構造的薄膜、或介電多層膜等的多層膜。
例如，若內表面反射防止層13為單層之薄膜，更佳的是滿足以下條件式(3)。再者，在式(3)中，是將內表面反射防止層的材料的折射率設為nr 、將厚度設為dr ，又將成為作為對象之內表面反射防止層之入射側界面的介質的折射率設為nm 、將成為出射側界面的介質的折射率設為n0 。藉此，可以減少界面的反射率。在此，α為0.25，且β為0.6。以下，有時會將式(3)所示的條件式稱為有關於單層薄膜的第1折射率關係式。再者，α宜為0.2，較佳是0.1。又，β宜為0.4。
(n0 ×nm )0.5 -α＜nr ＜(n0 ×nm )0.5 ＋α，且 (1-β)×λ/4＜nr ×dr ＜(1＋β)×λ/4 …(3)
又，若內表面反射防止層13只要是多層膜，相對於設計波長之光，以下之式(4)所表示之反射率R宜小於1%，較佳是小於0.5%。
在內表面反射防止層13為多層膜的情況下，是考慮為：從相對於多層膜而位於入射側之具有折射率n0 的介質M1以入射角θ0 入射光，並於由各層之折射率為nr 且厚度為dr 之q層所形成之多層膜M2中透射，而往相對於多層膜位於出射側之具有折射率nm 的介質M3入射光。此時的反射率可以如式(4)來計算。再者，η0 、ηm 、ηr 是分別是考慮了斜入射的介質M1、多層膜M2、介質M3的有效折射率。
[數式1]
Figure 02_image001
…(4) 其中，
Figure 02_image003
Figure 02_image005
從而，在沒有內表面反射防止層13的情況下會成為Y=ηｍ ，而產生相對較大的反射，相對於此，若藉由內表面反射防止層13使Y接近於η0 ，即可以減少反射。特別是在垂直入射時，η0 或ηm 或ηr 是與折射率為等效。以下，有時會將式(4)所示的反射率R稱為由多層構造所形成的理論反射率。
雖然一般來說，構成凹凸部12的凸部121的構件為薄膜，且必須作為上述之多層膜的一部分來計算，但藉由如上述地設置內表面反射防止層13，即可以不取決於構成凹凸部12的凸部121的薄膜之厚度而減少反射率。再者，對於單層的內表面反射防止層13，亦可設為q=1來適用式(4)，並考慮干涉的效果。
又，在對內表面反射防止層13入射傾斜的光(波長：λ[nm])的情況下，宜滿足將光垂直地入射時之以下條件。也就是說，位於λ-200nm到λ+200nm的範圍之透射光譜的局部的最小值宜位於λ~λ+200nm的範圍內。再者，該最小值以位於λ~λ+100nm的範圍內為較佳。這是因為在傾斜的光入射的情況下，透射光譜進行短波長位移之故，藉由如此進行，可以抑制因傾斜入射而產生的內表面反射防止層13界面的透射率之減少。再者，λ相當於「設計波長」。
又，如圖8所示，繞射光學元件10亦可在基材11之與設有凹凸部12之側的面相反的面上更具備有反射防止層14。
反射防止層14是為了防止繞射光學元件10之出射側界面上的反射而設置。反射防止層14雖然只要是具有在繞射光學元件10之出射側界面上減少至少設計波長的光的反射率的反射防止功能之構成即可，而未特別地限定，但作為一例，可列舉單層構造的薄膜、及介電多層膜等的多層膜。再者，亦可將有關於內表面反射防止層13的反射率之條件直接設為有關於反射防止層14的反射率之條件。
又，在從相對於繞射光學元件10而設有凹凸部12之側(圖中的-z方向)入射光的情況下，內表面反射防止層13及反射防止層14宜針對相對於基材11的法線方向以θout /2°以內入射之設計波長的光，滿足有關於上述之反射率的條件。這是因為藉由凹凸部12所繞射之光入射到內表面反射防止層13及反射防止層14之故。再者，內表面反射防止層13及反射防止層14亦可針對相對於基材11的法線方向以θout /2°以內入射之設計波長的特定的偏振成分之光，滿足有關於上述之反射率的條件。
例如，內表面反射防止層13及反射防止層14是構成為：針對相對於基材11的法線方向以40°以內入射之設計波長的至少特定的偏振光之反射率滿足0.5%以下。再者，內表面反射防止層13及反射防止層14亦可構成為：針對以被設為出射角度範圍θout 之1/4的角度即最大出射角度(半角)的中間的角度而從繞射光學元件10出射之入射光的波長帶的至少特定的偏振光之反射率滿足0.5%以下。
又，內表面反射防止層13及反射防止層14亦可具有針對設計波長之光的反射防止功能，並且一併具有針對設計波長以外的特定波長帶之光(例如紫外光)的反射防止功能。其原因在於：在設有繞射光學元件10的裝置等中，有除了繞射光學元件10以外還具備其他光學元件的情況，而不以繞射光學元件10遮蔽該等元件使用之光。
在該情況下，內表面反射防止層13及反射防止層14亦可構成為：除了針對設計波長之光的上述條件以外，還讓針對相對於基材11的法線方向以20°以內入射之波長360~370nm之至少特定的偏振光之反射率滿足1.0%以下。
又，上述反射率亦可替換為入射直進光(基材11的法線方向之光)時的零級光的反射率。在該情況下，亦可按每個光路(例如按通過凹部的光路與通過凸部的光路)，且按與其他介質的界面來求出該反射率。此時，在凸部121或反射層為多層膜構造的情況下，只要將發揮這些所期望之功能的多層膜構造作為一個介質來求出與基材11或空氣之界面的反射率即可。在本實施形態中，更佳的是例如凹凸部12與其他介質(基材11或空氣)之界面的反射率的合計(總計反射率)滿足上述之條件。這樣的反射率可以由例如從基材11側進入凹凸部12之直進光的光量、及從凹凸部12脫離到空氣層之直進光的光量之差來求出。
又，在上述中，雖然是藉由RCWA計算出透射零級光的光量，但透射零級光的光量也可以藉由將設計波長之已進行準直的雷射光入射至繞射光學元件10，並測定直進透射光的光量來評價。
在上述各實施形態中，對入射光的波長並沒有特別限定，例如亦可為紅外光(具體來說是波長包含在780nm~1020nm的範圍之光)。由於在處理波長比可見光更長的光的情況下，特別是為了將光路長度差設得較大而有使凹凸變高的傾向，因此上述各實施形態的繞射光學元件會更有效果。
又，由於各實施形態的繞射光學元件可以使光有效率地擴散，因此可以使用在例如投影機之類的投影裝置上。又，各實施形態的繞射光學元件可以作為例如在該投影裝置中配置於光源與預定的投影面之間，且用於將來自光源的光投影至預定的投影面之擴散元件來使用。又，各實施形態的繞射光學元件也可以使用於用以將檢查光照射於預定的投影範圍之光的投影裝置上，其中該投影裝置是包含於如三維測量裝置、或認證裝置等照射光來檢測被對象物散射之光的裝置中。此外，各實施形態的繞射光學元件亦可使用於如抬頭顯示器(head‐up display)之類的投影裝置之中間螢幕(中間像生成用的光學元件)上。在該情況下，該繞射光學元件亦可作為如下的中間螢幕來使用：例如在該投影裝置中，配置於出射構成中間像之光的光源與疊像鏡(combiner)之間，且用於將來自光源之光且為構成中間像之光投影到疊像鏡。
在該等裝置中，較理想的是藉由在繞射光學元件中減少反射率的效果，而使照射在預定的投影面之光的光量相對於從光源出射之光的光量的比例為50%以上。再者，更佳的是，宜使照射在預定的投影面的設計級數之繞射光的光量相對於從光源出射之光的光量的比例(相當於後述之總效率)為65%以上，較佳為70%以上。 實施例
(例1) 本例是如圖3之(c)所示之繞射光學元件10的例子之形式而包含基部123之凹凸部12且是具有構成多層構造之2階層的凹凸圖案之凹凸部12的繞射光學元件10的例子。然而，在本例中，是如圖8所示，於基材11之與形成有凹凸部12的面相反的面上更具備反射防止層14。又，設計波長是850nm，凹部122是空氣(n=1)。
又，本例之繞射光學元件10是將凹凸圖案設計成從凹凸部12出射之繞射光群之出射角度範圍θout (更具體地說，是對角的能見角θd )成為50°、68°、90°、102°、116°、134°、164°。再者，例1A為θd =50°、例1B為θd =68°、例1C為θd =90°、例1D為θd =102°、例1E為θd =116°、例1F為θd =134°、例1G為θd =164°。其中，例1F及例1G為參考例。在各個例子中，凹凸圖案中的光柵是規則配置，且相鄰之光點的分離角是設為全部相等。
又，在本例中，基材11的材料是使用折射率為1.514的玻璃基板。又，凹凸部12的材料使用了由折射率為2.192的Ta2 O5 及折射率為1.463的SiO2 所形成的2層的多層膜。又，內表面反射防止層13的材料是使用由同樣的SiO2 及Ta2 O5 所形成的4層的介電質多層膜。又，反射防止層14的材料是使用由同樣的SiO2 及Ta2 O5 所形成的6層的介電質多層膜。在表2中顯示本例之繞射光學元件10即例1A~例1G的具體的構成。再者，如表2所示，在本例中凸部121以外的構成是全部共通，在例1A~例1G中僅凸部121的構成不同。
[表2]
Figure 108120068-A0304-0002
本例的製造方法是如下所述。首先，在玻璃基板上成膜反射防止層14，前述反射防止層14是由SiO2 及Ta2 O5 所形成的6層的介電質多層膜。各層的材料及厚度是如表2所述。
接著，在玻璃基板之與成膜有反射防止層14之側相反的相反側的面上成膜內表面反射防止層13，前述內表面反射防止層13是由SiO2 及Ta2 O5 所形成的4層的介電質多層膜。各層的材料及厚度是如表2所述。之後，以預定之膜厚來成膜由Ta2 O5 及SiO2 所形成的2層的介電質多層膜，來作為包含基部123的凹凸部12的材料。例如，若是例1A，成膜形成為基部123及凸部121的光柵層中的最下層之膜厚548nm的Ta2 O5 膜，並在其上積層形成為凸部121的光柵層中的最上層之膜厚146nm的SiO2 膜。
之後，藉由光刻及蝕刻來將由已成膜之由SiO2 及Ta2 O5 所形成的2層的多層膜加工成2階層的凹凸構造。各個例子中的凸部121的高度(光柵深度)是494~507nm(參照表2之凸部材料的厚度的合計)。再者，凸部121的高度d(膜厚)亦可藉由以階差計或SEM(Scanning Electron Microscope，掃描式電子顯微鏡)所進行之截面觀察來測定。藉此，可得到本例之繞射光學元件10即例1A~例1G。
圖9顯示本例之反射防止層14的反射率的計算結果。再者，圖9之(a)是波長350nm~950nm之波長範圍中的反射率的計算結果，圖9之(b)是其中之波長800nm~900nm之波長範圍中的反射率的計算結果。再者，在圖9中，是顯示在入射角也就是對基材11的法線方向之入射光的角度為0°、20°、40°的情況下的計算結果。在斜入射中是分成P偏振及S偏振。
又，在圖10中，顯示本例之反射防止層14對波長850nm之光的反射率的入射角相關性。如圖10所示，本例之反射防止層14是相對於以入射角為55°以內入射之波長850nm的光而實現P偏振及S偏振皆為反射率小於2.5%。又，本例之反射防止層14是相對於以入射角為45°以內入射之波長850nm的P偏振光而實現反射率小於1.0%。
又，在圖11中，顯示本例之內表面反射防止層13的反射率的計算結果。再者，圖11之(a)是波長350nm~950nm之波長範圍中的反射率的計算結果，圖11之(b)是其中之波長800nm~900nm之波長範圍中的反射率的計算結果。再者，在圖11中，是顯示在入射角也就是對基材11之法線方向的入射光的角度為0°、20°、30°的情況下的計算結果。在斜入射中是分成P偏振及S偏振。
又，在圖12中，顯示本例之內表面反射防止層13對波長850nm之光的反射率的入射角相關性。如圖12所示，本例之內表面反射防止層13是相對於以入射角為35°以內入射之波長850nm的光而實現P偏振及S偏振皆為反射率小於2.5%。又，本例之反射防止層14是相對於以入射角為35°以內入射之波長850nm的P偏振光而實現反射率小於0.1%。再者，雖然省略了對35°以上之入射角的內表面反射防止層13及反射防止層14的反射率，但可以從因應於入射角之各個介質的有效折射率來使用上述式(4)進行計算。
又，在表3顯示例1A~例1G中的光學特性的詳細資料。在表3中顯示有各個例子的出射光的X方向、Y方向及對角之相當於出射範圍的FOV(Field Of View，視角)[°]、NA、凸部121的光柵深度[nm]、凸部121材料的有效折射率、總效率[%]、零級效率[%]。
[表3]
Figure 108120068-A0304-0003
在此，是將總效率[%]定義為於所設計之級數產生的繞射光的繞射效率之和。例如，是設為出射如圖13所示的繞射光。在圖中，黑圓點表示所設計之級數的繞射光，白圓圈及帶陰影的圓圈表示未被設計之級數的繞射光。再者，帶陰影的圓圈是表示未被設計之級數的繞射光中的零級光。在那樣的情況下，即使在FOV內，也是在未加上以白圈圈表示的繞射光之和的情形下，將FOV內之以黑圓點表示的繞射光的繞射效率之和設為總效率。又，零級效率(零級光透射率)是表示如以帶陰影的圓圈所示之入射光原樣直接進行直進透射的成分即透射零級光的光量相對於該入射光的光量之比例。再者，表3所示之總效率及零級效率是依據表2的構成並藉由RCWA進行計算。
如表3所示，在各個例子中已實現總效率為65%以上(更具體地說是66%以上)且零級效率為小於1%(更具體地說是小於0.40%)。
(例2) 本例是如圖2之(a)所示之繞射光學元件10的例子之形式而不包含基部123的凹凸部12且是具有構成多層構造之2階層的凹凸圖案之凹凸部12的繞射光學元件10的例子。然而，在本例中，也是如圖8所示，於基材11之與形成有凹凸部12的面相反的面上更具備反射防止層14。再者，更具體地說，是如圖2之(b)及圖2之(c)所示，在本例中，是設為如下之構成：雖然內表面反射防止層13的一部分構成凸部121的最下層，但因為構成凸部121的一部分的該構件是厚度10nm以下，所以不會視為凸部121的一部分而是視為內表面反射防止層13的一部分。又，設計波長是850nm，凹部122是空氣(n=1)。
又，在本例中，也是將凹凸圖案設計成從凹凸部12出射之繞射光群之出射角度範圍θout (更具體地說，是對角的能見角θd )成為50°、68°、90°、102°、116°、134°、164°。再者，例2A為θd =50°、例2B為θd =68°、例2C為θd =90°、例2D為θd =102°、例2E為θd =116°、例2F為θd =134°、例2G為θd =164°。其中，例2G為參考例。
在本例中，於凹凸部12的材料使用了由折射率為2.192的Ta2 O5 及折射率為1.463的SiO2 所形成的4層的多層膜。又，於內表面反射防止層13的材料是使用由同樣的SiO2 所形成的單層的反射防止膜。再者，其他要點是和例1同樣。在表4中顯示本例之繞射光學元件10即例2A~例2G的具體的構成。再者，如表4所示，在本例中凸部121以外的構成是全部共通，在例2A~例2G中僅凸部121的構成不同。
[表4]
Figure 108120068-A0304-0004
本例的製造方法是如下所述。首先，在玻璃基板上成膜與例1同樣的反射防止層14。各層的材料及厚度是如表4所述。
接著，在玻璃基板之與成膜有反射防止層14之側相反的相反側的面上，使作為內表面反射防止層13而發揮功能的SiO2 膜成膜成厚度成為145nm。之後，以預定之膜厚來成膜由Ta2 O5 及SiO2 所形成的4層的介電質多層膜，來作為凹凸部12的材料。再者，各個例子之凹凸部12的各層的構成及膜厚是如表4所述。
之後，藉由光刻及蝕刻來將由已成膜之由SiO2 及Ta2 O5 所形成的4層的多層膜加工成2階層的凹凸構造。各個例子中的凸部121的高度(光柵深度)是525~531nm(參照表4之凸部材料的厚度的合計)。再者，凸部121的高度d(膜厚)亦可藉由以階差計或SEM所進行之截面觀察來測定。藉此，可得到本例之繞射光學元件10即例2A~例2G。
在表5顯示例2A~例2G中的光學特性的詳細資料。在表5中顯示有各個例子的出射光的X方向、Y方向及對角之相當於出射範圍的FOV[°]、NA、凸部121的光柵深度[nm]、凸部121材料的有效折射率、總效率[%]、零級效率[%]。再者，表5所示之總效率及零級效率是依據表4的構成並藉由RCWA進行計算。
[表5]
Figure 108120068-A0304-0005
如表5所示，在各個例子中已實現總效率為70%以上且零級效率為小於1%(更具體地說是小於0.40%)。
(比較例1) 本例是例1的比較例。本比較例是相對於已作為例1而顯示之繞射光學元件10的各個例子，具有由相同的構件所形成之基材11、反射防止層14、內表面反射防止層13，並且是設計成成為相同的出射範圍的繞射光學元件的例子。然而，與例1比較，不同之點在於：凸部121是以單層(更具體地說是僅由折射率為2.192的Ta2 O5 所形成的單層)來構成。也就是說，本比較例與例1比較，是成為如下的構成：在凸部121的最上層並未設置例1之凸部121的材料中的低折射率材料(SiO2 )。再者，在本例中，也是設計波長為850nm、凹部122為空氣(n=1)。其他要點是和例1同樣。在表6中顯示本比較例之繞射光學元件即比較例1A~比較例1G的具體的構成。再者，如表6所示，在本例中也是凸部121以外的構成全部共通，在比較例1A~比較例1G中僅凸部121的構成不同。
[表6]
Figure 108120068-A0304-0006
又，在表7顯示比較例1A~比較例1G中的光學特性的詳細資料。在表7中顯示有各個例子的出射光的X方向、Y方向及對角之相當於出射範圍的FOV[°]、NA、凸部121的光柵深度[nm]、凸部121材料的有效折射率、總效率[%]、零級效率[%]。再者，表7所示之總效率及零級效率是依據表6的構成並藉由RCWA進行計算。
[表7]
Figure 108120068-A0304-0007
如表7所示，可知：在各個例子中，雖然已將零級效率抑制成小於1%(更具體地說是小於0.3%)，但總效率是成為小於65%(更具體地說是小於64%)，與例1相比繞射效率較差。
將在上述所示之各個例子的零級效率量與總效率總結並顯示於圖14及圖15的圖表中。再者，圖14是將例1、例2及比較例1中的各個例子的零級效率以和NA之關係來顯示的圖表，圖15是將例1、例2及比較例1中的各個例子的總效率，以和NA的關係來顯示的圖表。
如圖14及圖15所示，根據本例，在出射角度範圍θout 為50°以上(NA為0.3以上)的繞射光學元件中，可以實現：設計波長中的零級效率小於1.0%，並且設計波長中的總效率為65%以上。又，根據本例，在出射角度範圍θout 為50°以上且為130°以下(更具體地說是NA為0.3~0.65)的繞射光學元件中，可以實現：設計波長中的零級效率小於0.5%(更具體地說是小於0.4%)，並且設計波長中的總效率為65%以上。
又，根據將凸部121設為4層以上的多層構造之例2，在出射角度範圍θout 為50°以上且為140°以下(更具體地說是NA為0.3~0.65)的繞射光學元件中，可以實現：設計波長中的零級效率為0.5%以下(更具體地說是0.4%以下)，並且設計波長中的總效率為70%以上。又，根據例2，在出射角度範圍θout 為50°以上且為130°以下(更具體地說是NA為0.3~0.60)的繞射光學元件中，可以實現：設計波長中的零級效率小於0.2%，並且設計波長中的總效率為70%以上。
又，上述的效果是將凸部121的高度抑制成設計波長850nm中的光柵深度為600nm以下(更具體地說是550nm以下)並且是可實現的。從而，本發明也可以有助於光學元件的薄型化。 產業上之可利用性
本發明可以理想地適用於以下用途：減低零級光並且使藉由繞射光柵形成之預定的光圖案的照射範圍變廣。
雖然參照特定的實施態樣而詳細地說明了本發明，但是對所屬技術領域的通常知識者來說很清楚的是，可以在不脫離本發明的精神與範圍的情形下添加各種的變更或修正。 本申請是依據2018年6月11日申請之日本專利申請案2018-110909之發明，並且將其內容收入在此作為參照。
10‧‧‧繞射光學元件 11‧‧‧基材 12‧‧‧凹凸部 121‧‧‧凸部 121t‧‧‧最上層 122‧‧‧凹部 123‧‧‧基部 13‧‧‧內表面反射防止層 14‧‧‧反射防止層 21‧‧‧光束 22‧‧‧繞射光群 23‧‧‧光點 s1‧‧‧第1階層 s2‧‧‧第2階層 α‧‧‧部分 d‧‧‧光柵深度(高度) θd‧‧‧能見角 Rij‧‧‧分割區域 FOV‧‧‧視角 X、Y、Z、+z、-z ‧‧‧方向
圖1是第1實施形態之繞射光學元件10的截面示意圖。 圖2是顯示繞射光學元件10的其他例子的截面示意圖。 圖3是顯示繞射光學元件10的其他例子的截面示意圖。 圖4是顯示藉由繞射光學元件10所生成的光的圖案之例子的說明圖。 圖5是顯示光柵深度d與零級光的強度(零級效率)之間的關係的圖表。 圖6是顯示關於不同的5種折射率材料的對角方向之能見角θd 與零級效率(極小值)之間的關係的圖表。 圖7是顯示關於不同的5種折射率材料的Δn/NA與零級效率(極小值)之間的關係的圖表。 圖8是顯示繞射光學元件10的其他例子的截面示意圖。 圖9是顯示例1之繞射光學元件10的反射率的計算結果的圖表。 圖10是顯示例1之反射防止層14對波長850nm之光的反射率之入射角相關性的圖表。 圖11是顯示例1之內表面反射防止層13的反射率之計算結果的圖表。 圖12是顯示例1之內表面反射防止層13對波長850nm之光的反射率之入射角相關性的圖表。 圖13是用於說明由繞射光學元件10出射之繞射光的示意圖。 圖14是顯示例1、例2及比較例1的各個例子的零級效率之計算結果的圖表。 圖15是顯示例1、例2及比較例1的各個例子的總效率之計算結果的圖表。
10‧‧‧繞射光學元件
11‧‧‧基材
12‧‧‧凹凸部
121‧‧‧凸部
121t‧‧‧最上層
122‧‧‧凹部
123‧‧‧基部
13‧‧‧內表面反射防止層
d‧‧‧光柵深度(高度)

Claims (16)

  1. 一種繞射光學元件，具備：基材；凹凸部，設置於前述基材的其中一面上並對入射光發揮預定的繞射作用；及反射防止層，設置於前述基材與前述凹凸部之間，構成前述凹凸部之凸部的第1介質與構成前述凹凸部之凹部的第2介質在前述入射光的波長帶中的有效折射率差△n為0.70以上，前述入射光從前述基材的法線方向入射時從前述凹凸部出射的繞射光的出射角度範圍θout為60°以上，在前述入射光的波長帶上的自前述凹凸部於前述出射角度範圍內出射的繞射光對入射到前述凹凸部的總光量的總效率為65%以上。
  2. 如請求項1之繞射光學元件，其中前述第2介質為空氣，前述第1介質在前述入射光的波長帶中的有效折射率為1.70以上。
  3. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前述第1介質是藉由折射率不同的2種以上的材料所構成之2層以上的多層膜，且前述凸部中的最上層是以構成前述多層膜的構件當中的較低折射率材料所構成。
  4. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前述△n及前述θout滿足：△n/sin(θout/2)≧1.0。
  5. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中在 前述入射光的波長帶上的前述凹凸部中的零級效率小於3.0%，且在前述入射光的波長帶上的自前述凹凸部於前述出射角度範圍內出射的繞射光對入射到前述凹凸部的總光量的總效率為65%以上。
  6. 如請求項5之繞射光學元件，其中前述入射光的波長帶中的零級光的光量對自前述凹凸部出射之光的總光量小於1.0%。
  7. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前述出射角度範圍小於140°，且在前述入射光的波長帶上的前述凹凸部中的零級效率小於0.5%，在前述入射光的波長帶上的自前述凹凸部於前述出射角度範圍內出射的繞射光對入射到前述凹凸部的總光量的總效率為70%以上。
  8. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前述第1介質全部都是以無機材料所構成。
  9. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中至少在前述凹部與前述反射防止層之間具備基部，且前述基部是由與構成前述凸部的最下層的構件相同的構件所形成。
  10. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前述反射防止層是介電質多層膜，且對相對於前述基材的法線方向而以前述出射角度範圍的1/4的角度從元件所出射之前述入射光的波長帶的至少特定的偏振光的反射率為0.5%以下。
  11. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前 述反射防止層對相對於前述基材的法線方向而在40°以內入射到該反射防止層的前述入射光的波長帶的至少特定的偏振光的反射率為0.5%以下。
  12. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中前述入射光是波長700nm~1200nm當中的至少一部分的波長帶的光，前述反射防止層對相對於前述基材的法線方向而在20°以內入射到該反射防止層的波長360~370nm之至少特定的偏振光的反射率為1.0%以下。
  13. 如請求項1或2之繞射光學元件，其中在前述基材之與設有前述凹凸部之側相反的相反側的表面上具備第2反射防止層。
  14. 如請求項13之繞射光學元件，其中前述第2反射防止層對相對於前述基材的法線方向而以前述出射角度範圍的1/4的角度從元件所出射之前述入射光的波長帶的至少特定的偏振光的反射率為0.5%以下。
  15. 一種投影裝置，具備光源、及如前述請求項1至14中任一項之繞射光學元件，且照射於預定的投影面之光的光量對自前述光源所出射之光的光量的比例為50%以上。
  16. 一種測量裝置，具備出射檢查光的投影部、及檢測散射光的檢測部，其中前述散射光是因從前述投影部所照射之檢查光照射於測定對象物而產生，且具備如請求項15之投影裝置來作為前述投影部。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3671293A1 (en) * 2018-12-21 2020-06-24 Thomson Licensing An optical device comprising at least one diffraction grating having a grating pitch above the wavelength
JPWO2020196620A1 (zh) * 2019-03-27 2020-10-01
TWI820663B (zh) * 2022-03-31 2023-11-01 國家中山科學研究院 高繞射效率和寬頻譜介電光柵結構

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0643311A (ja) * 1992-07-22 1994-02-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 回折光学素子及びその製造方法
JP2002169010A (ja) * 2000-12-04 2002-06-14 Minolta Co Ltd 回折光学素子
US20120038934A1 (en) * 2010-08-10 2012-02-16 Asahi Glass Company, Limited Diffractive optical element and measuring device
US20130182327A1 (en) * 2010-08-06 2013-07-18 Asahi Glass Company, Limited Diffractive optical element and measurement device
US20130250421A1 (en) * 2012-03-26 2013-09-26 Asahi Glass Company, Limited Transmission diffraction element
US20190178468A1 (en) * 2016-01-08 2019-06-13 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Diffractive optical element and light irradiation apparatus

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2007043036A1 (en) 2005-10-11 2007-04-19 Prime Sense Ltd. Method and system for object reconstruction
US8050461B2 (en) 2005-10-11 2011-11-01 Primesense Ltd. Depth-varying light fields for three dimensional sensing
US20110096182A1 (en) 2009-10-25 2011-04-28 Prime Sense Ltd Error Compensation in Three-Dimensional Mapping
US9330324B2 (en) 2005-10-11 2016-05-03 Apple Inc. Error compensation in three-dimensional mapping
WO2007105215A2 (en) 2006-03-14 2007-09-20 Prime Sense Ltd. Depth-varying light fields for three dimensional sensing
JP5174684B2 (ja) 2006-03-14 2013-04-03 プライムセンス リミテッド スペックル・パターンを用いた三次元検出
JP5280654B2 (ja) * 2006-09-21 2013-09-04 日本板硝子株式会社 透過型回折格子、並びに、それを用いた分光素子及び分光器
US8384997B2 (en) 2008-01-21 2013-02-26 Primesense Ltd Optical pattern projection
CN101984767B (zh) 2008-01-21 2014-01-29 普莱姆森斯有限公司 用于使零级减少的光学设计
US20100208346A1 (en) 2009-02-13 2010-08-19 Britten Jerald A Multilayer Dielectric Transmission Gratings Having Maximal Transmitted Diffraction Efficiency
JP5724213B2 (ja) * 2010-05-13 2015-05-27 セイコーエプソン株式会社 検出装置
JP5760391B2 (ja) 2010-11-02 2015-08-12 旭硝子株式会社 回折光学素子及び計測装置
JP5948948B2 (ja) 2011-03-03 2016-07-06 旭硝子株式会社 回折光学素子及び計測装置
US9052512B2 (en) * 2011-03-03 2015-06-09 Asahi Glass Company, Limited Diffractive optical element and measuring apparatus
US20160025993A1 (en) 2014-07-28 2016-01-28 Apple Inc. Overlapping pattern projector
JP7077524B2 (ja) * 2016-01-08 2022-05-31 大日本印刷株式会社 回折光学素子、及び光照射装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH0643311A (ja) * 1992-07-22 1994-02-18 Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> 回折光学素子及びその製造方法
JP2002169010A (ja) * 2000-12-04 2002-06-14 Minolta Co Ltd 回折光学素子
US20130182327A1 (en) * 2010-08-06 2013-07-18 Asahi Glass Company, Limited Diffractive optical element and measurement device
US20120038934A1 (en) * 2010-08-10 2012-02-16 Asahi Glass Company, Limited Diffractive optical element and measuring device
US20130250421A1 (en) * 2012-03-26 2013-09-26 Asahi Glass Company, Limited Transmission diffraction element
US20190178468A1 (en) * 2016-01-08 2019-06-13 Dai Nippon Printing Co., Ltd. Diffractive optical element and light irradiation apparatus

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