WO2019093146A1 - 回折光学素子 - Google Patents

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WO2019093146A1
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optical element
diffractive optical
incident
incident light
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健介 小野
亮太 村上
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Ａｇｃ株式会社
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    • G02B1/11—Anti-reflection coatings
    • G02B1/113—Anti-reflection coatings using inorganic layer materials only
    • G02B1/115—Multilayers

Definitions

  • the present invention relates to a diffractive optical element that generates a light spot of a predetermined pattern.
  • a diffractive optical element can be used to irradiate a measurement target with a specific light pattern.
  • the diffractive optical element for example, one obtained by processing the surface of a substrate to be uneven is known.
  • Patent Document 2 also shows a diffractive optical element that provides another transparent material having a different refractive index so as to fill in a concavo-convex pattern that generates a two-dimensional light spot.
  • Some optical devices use invisible light such as near infrared light.
  • a remote sensing device connected to a remote sensing device used for face authentication or focusing of a camera device in a smartphone etc., and a game machine etc.
  • the LIDAR (Light Detecting and Ranging) apparatus used etc. are mentioned.
  • optical devices it may be required to emit light at emission angles that are largely different from the traveling direction of incident light.
  • a device having a display screen corresponding to a person's viewing angle such as a focusing application of a camera device having a wide angle of view such as that provided in a smartphone or a headset of VR (Virtual Reality)
  • a wide angle range of 60 ° or more, 100 ° or more, 120 ° or more may be desired.
  • the convex portion tends to be higher in order to obtain a desired optical path length difference.
  • the height of the convex portion may be replaced with the depth of the concave portion.
  • the aspect ratio (for example, “height of convex part / width of convex part”) becomes larger accordingly.
  • the area ratio of side walls (convex side surfaces) in the entire surface of the concavo-convex part that can form an interface with light traveling in the concavo-convex part also increases. And there is a risk that unwanted zero-order light will be generated. In general, it is considered undesirable from the viewpoint of eye safety when strong zero-order light is emitted.
  • Patent Document 3 discloses a configuration in which two diffractive optical elements (DOE: Diffractive Optical Element) are provided with respect to a technique for reducing zero-order light in a diffractive optical element.
  • DOE diffractive Optical Element
  • the technique described in Patent Document 3 reduces zero-order light by configuring so that zero-order light generated by a first diffractive optical element is diffracted by a second diffractive optical element.
  • Patent No. 5174684 gazette Patent No. 5760391 JP, 2014-209237, A
  • thinning of the diffractive optical element for sensing is also desired.
  • an object of the present invention is to provide a diffractive optical element which is thin and can be irradiated over a wide range while reducing the zero-order light more.
  • the diffractive optical element according to the present invention comprises a base, and an uneven portion provided on one surface of the base and causing a predetermined diffractive action to incident light, and a space between the base and the uneven portion. Between the first medium constituting the convex portion of the uneven portion and the second medium constituting the concave portion of the uneven portion in the wavelength band of the incident light of the incident light. And an emission angle range which is an angle range indicating the spread of a light pattern formed by the diffracted light emitted from the concavo-convex portion when the incident light is incident in the normal direction of the base material. It is characterized by being 60 degrees or more.
  • the present invention it is possible to provide a diffractive optical element which is thin and can be irradiated over a wide range while further reducing zero-order light.
  • FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the diffractive optical element 10 according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of the diffractive optical element 10. Explanatory drawing which shows the example of the pattern of the light produced
  • FIG. The graph which shows the relationship between lattice depth d and the intensity of zero-order light.
  • the graph which shows the relationship between viewing angle (theta) d of the diagonal direction about 5 different refractive index materials, and the intensity
  • 5 is a schematic cross-sectional view showing another example of the diffractive optical element 10.
  • 5 is a graph showing the calculation results of the reflectance of the antireflective layer 14 of Example 1.
  • 5 is a graph showing the incident angle dependency of the reflectance of the antireflection layer 14 of Example 1 with respect to light of wavelength 850 nm.
  • 5 is a graph showing the calculation result of the reflectance of the inner surface anti-reflection layer 13 of Example 1; The graph which shows the incident angle dependence of the reflectance with respect to the light of wavelength 850nm of the internal surface anti-reflective layer 13 of Example 1.
  • FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the diffractive optical element 10 of the first embodiment.
  • the diffractive optical element 10 includes a base 11, an uneven portion 12 provided on one surface of the base 11, and an antireflective layer 13 provided between the base 11 and the uneven portion 12.
  • the antireflective layer 13 provided between the base 11 and the concavo-convex portion 12 is referred to as an inner antireflective layer 13.
  • the substrate 11 is not particularly limited as long as it is a member such as glass, resin, etc. that is transparent to the used wavelength.
  • the used wavelength is a wavelength band of incident light to the diffractive optical element 10.
  • light of a specific wavelength band for example, 850 nm ⁇ 20 nm or the like
  • near infrared light of wavelengths 700 to 1200 nm
  • the visible range is a wavelength of 400 nm to 780 nm
  • the infrared range is a wavelength of 780 nm to 2000 nm considered as a near infrared range, in particular 800 nm to 1000 nm
  • the ultraviolet range is a near ultraviolet range.
  • visible light is light in the visible range
  • infrared light is light in the infrared range
  • ultraviolet light is light in the ultraviolet range.
  • the concavo-convex portion 12 is a concavo-convex structure having a predetermined concavo-convex pattern that exerts a diffractive effect on incident light. More specifically, the concavo-convex pattern is a two-dimensional pattern in plan view of the step formed by the convex portion 121 of the concavo-convex portion 12.
  • the “plan view” is a plane viewed from the advancing method of light incident on the diffractive optical element 10, and corresponds to a plane viewed from the normal direction of the main surface of the diffractive optical element 10.
  • the concavo-convex pattern is configured such that a light spot which is each of a plurality of diffracted lights generated thereby can realize a predetermined pattern on a predetermined projection plane or the like.
  • the concavo-convex pattern that generates a plurality of light spots forming a specific light pattern on a predetermined projection plane can be obtained, for example, by Fourier transformation of the phase distribution of the light emitted from the concavo-convex pattern.
  • the direction approaching the substrate 11 as viewed from the concavo-convex portion 12 is a lower direction, and the direction separating from the substrate 11 is an upper direction. Therefore, the surface closest to the base material 11 among the upper surfaces of the steps of the uneven portion 12 is the lowermost surface, and the surface farthest from the uppermost surface.
  • a position higher than a portion (first step s1 in the figure) at the lowest position in the concavo-convex pattern (the surface of the concavo-convex shape formed by the concavo-convex portion 12 on the surface of the substrate 11)
  • the portion in the portion is called a convex portion 121
  • the portion surrounded by the convex portion 121 and which is lower than the uppermost portion (in this example, the second step s2) of the convex portion 121 is called a concave portion 122.
  • the height of the portion of the concavo-convex portion 12 which actually causes a phase difference is the height d of the convex portion 121 Or call it lattice depth d.
  • a portion of the concavo-convex portion 12 that does not cause a phase difference may be referred to as a base layer.
  • FIG. 1 shows an example of a diffractive optical element 10 provided with a binary diffraction grating, that is, a concavo-convex portion 12 constituting a two-step concavo-convex pattern.
  • the diffractive optical element 10 may be provided with a concavo-convex portion 12 which constitutes a concavo-convex pattern of three or more steps.
  • members other than the members of the concavo-convex portion 12 in the present example, members of the outermost layer of the internal reflection preventing layer 13 described later. It is also possible to configure the steps. Also in such a case, the distance from the first step s1 of the concavo-convex pattern to the top of the convex portion 121 is taken as the height d of the convex portion 121.
  • the configuration shown in FIGS. 1 and 2A is a configuration in which the second medium (air) constituting the recess 122 does not contact the internal reflection preventing layer 13 at least in the effective area where incident light is incident.
  • the second medium (air) may be in contact with the internal reflection preventing layer 13 in at least a part of the effective area. In the latter case, the uneven layer 12 does not include the underlayer.
  • the material of the concavo-convex portion 12 has a refractive index of 1.70 or more at the used wavelength.
  • examples of such materials include inorganic materials such as oxides of Zn, Al, Y, In, Cr, Si, Zr, Ce, Ta, W, Ti, Nd, Hf, Mg, La, Nb, etc.
  • Nitride, oxynitride, fluoride of Al, Y, Ce, Ca, Na, Nd, Ba, Mg, La, Li, silicon carbide, or a mixture thereof can be used.
  • transparent conductors such as ITO can also be used.
  • Si, Ge, diamond like carbon, those in which an impurity such as hydrogen is contained in these, and the like can be mentioned.
  • the material of the uneven portion 12 is not limited to the inorganic material as long as the refractive index at the used wavelength satisfies the above condition.
  • a material containing an organic material and having a refractive index of 1.70 or more there is a so-called nanocomposite material in which fine particles of an inorganic material are dispersed in the organic material.
  • the fine particles of the inorganic material include oxides such as Zr, Ti and Al.
  • ⁇ n may be 0.70 or more, where ⁇ n is the refractive index difference at the used wavelength of the protrusion 121 and the recess 122.
  • the recess 122 is preferably air.
  • the diffractive optical element 10 is formed such that the diffracted light group 22 emitted to the light beam 21 incident with the optical axis direction as the Z axis is two-dimensionally distributed.
  • the diffractive optical element 10 has an intersection with the Z axis and an axis perpendicular to the Z axis is the X axis and the Y axis, the minimum angle ⁇ x min on the X axis to the maximum angle ⁇ x max and the minimum angle ⁇ y min on the Y axis
  • the luminous flux groups are distributed within an angle range of maximum angle ⁇ y max (all not shown).
  • the X axis is substantially parallel to the long side of the light spot pattern
  • the Y axis is substantially parallel to the short side of the light spot pattern.
  • a straight line parallel to the X axis passing through a certain light spot is the long side.
  • the angle ⁇ d in the diagonal direction (hereinafter, referred to as a diagonal viewing angle ⁇ d ) is taken as the emission angle range ⁇ out of the diffractive optical element 10.
  • the emission angle range ⁇ out is an angle range which indicates the spread of the light pattern formed by the diffracted light emitted from the concavo-convex portion 12 when the incident light is incident in the normal direction of the substrate 11.
  • the emission angle range ⁇ out of the diffractive optical element 10 is, for example, the maximum value of the angle formed by two light spots included in the diffracted light group 22 in addition to the viewing angle ⁇ d in the diagonal direction. Good.
  • the outgoing angle range ⁇ out when the incident light is incident from the normal direction of the surface of the substrate 11 is preferably 70 ° or more.
  • a camera apparatus provided in a smartphone or the like
  • a LIDAR device used for automatic driving and the like there is a device having a viewing angle of about 30 to 70 °.
  • the viewing angle of human beings is generally about 120 °, and some camera devices such as a headset of VR realize a viewing angle of 70 to 140 °.
  • the emission angle range ⁇ out of the diffractive optical element 10 may be 100 ° or more, and may be 120 ° or more.
  • the number of light spots to be generated may be 4 or more, 9 or more, 100 or more, or 10000 or more.
  • the upper limit of the number of light spots is not particularly limited, but may be, for example, 10,000,000.
  • R ij indicates a divided area of the projection plane.
  • the distribution density of the light spots 23 by the diffracted light group 22 irradiated to each region R ij is ⁇ the average value of all the regions. It may be configured to be within 50%. The distribution density may be within ⁇ 25% of the average value of the entire area. With this configuration, the distribution of the light spots 23 can be made uniform in the projection plane, which is suitable for measurement applications and the like.
  • the projection plane may be not only a plane but also a curved surface. Also in the case of a flat surface, it may be a surface other than the surface perpendicular to the optical axis of the optical system.
  • Each diffraction light contained in the diffraction light group 22 shown in FIG. 3 is diffracted at an angle ⁇ xo in the X direction and an angle ⁇ yo in the Y direction with reference to the Z axis direction in the grating equation shown in equation (1) It becomes light.
  • m x is a diffraction order in the X direction
  • m y is a diffraction order in the Y direction
  • ⁇ is a wavelength of the light flux
  • P x and P y are X of the diffractive optical element described later.
  • a plurality of light spots 23 are generated in the irradiated area by irradiating the diffracted light group 22 on a projection surface such as a screen or a measurement object.
  • This is preferable because high diffraction efficiency can be obtained.
  • ⁇ (N-1) / N ⁇ ⁇ ⁇ It becomes 0.7d. From this, it is preferable that the height d of the convex portion 121 satisfy d ⁇ (N-1) / N ⁇ ⁇ ⁇ / 0.7.
  • FIG. 4 is a graph which shows the relationship between height (lattice depth) d of the convex part 121, and the intensity
  • FIG. 4 (a) is a graph showing the relationship with the intensity of zero-order light when the grating depth is 0.05 ⁇ to 2.0 ⁇
  • FIG. 4 (b) is a partially enlarged view FIG. In FIG.
  • NA is an index represented by 1 ⁇ sin ( ⁇ max / 2).
  • the height d of the convex portion 121 is adjusted by design in the configuration that achieves NA 0.85 (the emission angle range ⁇ out is about 116 °). However, the zero-order light does not fall below 5%. On the other hand, when the refractive index is 2.1, the light amount of zero-order light can be suppressed to 1% or less by adjusting the height d of the convex portion 121.
  • ⁇ n / NA is preferably 0.7 or more, more preferably 1.0 or more.
  • Figure 5 is a graph showing five different refractive index materials when the convex portion 121 material, the relationship between the viewing angle theta d and 0-order light intensity in the diagonal direction (0-order light minimum value).
  • the five different refractive index materials have refractive indices of 1.45 (quartz), 1.60 (polycarbonate resin), 1.70 (SiON), 1.90 (HfO), and 2.10 (Ta 2 O), respectively. 5 ).
  • the viewing angles ⁇ d in the diagonal direction are 50.2 °, 68.8 °, 90.0 °, 116.0 °, 133.4 °, 163.
  • Design solutions for 4 ° are obtained, and the intensity (minimum value) of zero-order light calculated by exact coupled wave analysis (RCWA) is shown for the design solutions.
  • RCWA exact coupled wave analysis
  • FIG. 6 shows the relationship between ⁇ n / NA in the above design solution and the intensity (minimum value) of zero-order light.
  • FIG. 6 (a) is a graph showing all the relationships of the design solutions
  • FIG. 6 (b) is a graph showing a part of the design solution in an enlarged manner.
  • the design wavelength is 850 nm
  • the concavo-convex portion 12 is an eight-step concavo-convex pattern that generates a total of 441 light spots of 21 points in the X direction and 21 points in the Y direction. The separation angles of the light spots are all equal. Table 1 shows design parameters of each example.
  • the emission angle range ⁇ out is 70 ° or more (less than 165 °).
  • the minimum value of 0th-order light can be made less than 3.0% in all the design solutions. Also, for example, if ⁇ n / NA is 0.9 or more, the minimum value of 0th-order light can be made less than 1.5% in many design solutions where the output angle range ⁇ out is 100 ° or more (less than 165 °). .
  • the minimum value of zeroth-order light can be made less than 1.0% in many design solutions where the emission angle range ⁇ out is less than 165 °.
  • the minimum value of zeroth-order light can be made less than 0.5% at many design solutions where the emission angle range ⁇ out is less than 140 °.
  • the light amount of zero-order light emitted from the diffractive optical element 10 is preferably less than 3.0%, and less than 1.5%. Is more preferably less than 0.5%, and particularly preferably less than 0.3%.
  • the internal reflection preventing layer 13 is provided to prevent interface reflection between the base 11 and the uneven portion 12.
  • the internal reflection preventing layer 13 is not particularly limited as long as it has an antireflective function to reduce the reflectance of light of at least the design wavelength at the interface between the base 11 and the concavo-convex portion 12. Examples include thin films and multilayer films such as dielectric multilayer films.
  • the refractive index of the material of the inner reflection preventing layer is n r
  • the thickness is d r
  • the refractive index of the medium forming the incident side interface of the inner reflection preventing layer to be treated is n m
  • the refractive index of the medium forming the side interface is n 0 .
  • ⁇ is 0.25 and ⁇ is 0.6.
  • the conditional expression shown in Formula (2) may be called the 1st refractive index relational expression regarding a single layer thin film.
  • 0.2 is more preferable
  • 0.1 is more preferable.
  • ⁇ is more preferably 0.4.
  • the reflectance R represented by the following formula (3) is preferably less than 1% with respect to light of the design wavelength. More preferable.
  • the reflectance R shown to Formula (3) may be called the theoretical reflectance by multilayer structure.
  • the member constituting the concavo-convex portion 12 is a thin film, and it is necessary to calculate as a part of the above multilayer film, but the concavo-convex portion 12 is configured by providing the internal reflection preventing layer 13 as described above.
  • the reflectance can be reduced independently of the thickness of the thin film.
  • oblique light (wavelength: ⁇ [nm]) is incident on the internal reflection preventing layer 13, it is preferable that the following condition is satisfied when light is perpendicularly incident. That is, it is preferable that the local minimum value of the transmittance spectrum in the range of ⁇ -200 nm to ⁇ + 200 nm be in the range of ⁇ to ⁇ + 200 nm. The minimum value is more preferably in the range of ⁇ to ⁇ + 100 nm. This is because when the oblique light is incident, the transmittance spectrum is shifted by a short wavelength, which makes it possible to suppress the reduction of the transmittance of the interface of the inner reflection preventing layer 13 caused by the oblique incidence.
  • ⁇ corresponds to the “design wavelength”.
  • the diffractive optical element 10 may further include an anti-reflection layer 14 on the surface of the base 11 opposite to the surface on which the uneven portion 12 is provided.
  • the antireflection layer 14 is provided to prevent reflection at the exit side interface of the diffractive optical element 10.
  • the antireflective layer 14 is not particularly limited as long as it has an antireflective function to reduce the reflectance of light of at least the design wavelength at the exit side interface of the diffractive optical element 10, but a thin film of a single layer structure or And multilayer films such as dielectric multilayer films.
  • the condition on the reflectance of the inner reflection preventing layer 13 may be the condition on the reflectance of the reflection preventing layer 14 as it is.
  • the internal reflection preventing layer 13 and the reflection preventing layer 14 are normal to the substrate 11.
  • the condition regarding the above-mentioned reflectance may be satisfied. This is because the light diffracted by the concavo-convex portion 12 is incident on the inner reflection preventing layer 13 and the reflection preventing layer 14.
  • the internal reflection preventing layer 13 and the reflection preventing layer 14 have the above-described reflectance with respect to light of a specific polarization component of a design wavelength incident within ⁇ max / 2 ° with respect to the normal direction of the base material 11 You may meet the condition about.
  • the internal reflection preventing layer 13 and the reflection preventing layer 14 have a reflectance of at least 0.5% with respect to at least specific polarized light of a design wavelength incident within 40 ° with respect to the normal direction of the substrate 11 Configured as.
  • the internal reflection preventing layer 13 and the reflection preventing layer 14 reflect light emitted from the diffractive optical element 10 at an angle of 1 ⁇ 4 of the emission angle range ⁇ out , that is, an angle intermediate to the maximum emission angle (half angle).
  • the rate may be configured to satisfy 0.5% or less.
  • the internal reflection preventing layer 13 and the reflection preventing layer 14 have an anti-reflection function for light of a design wavelength, and an anti-reflection function for light (for example, ultraviolet light) of a specific wavelength band other than the design wavelength. It is also good.
  • other optical elements may be provided in addition to the diffractive optical element 10, and the light used by them is not blocked by the diffractive optical element 10.
  • the inner surface anti-reflection layer 13 and the anti-reflection layer 14 have at least a specific wavelength of 360 to 370 nm incident within 20.degree.
  • the reflectance for polarized light may be configured to satisfy 1.0% or less.
  • the light quantity of the zero-order light is calculated by RCWA
  • the light quantity of the zero-order light is determined by entering the collimated laser light of the design wavelength into the diffractive optical element 10 and measuring the light quantity of the straight transmission light. It can also be evaluated by
  • Table 2 shows a specific configuration of the uneven portion 12 of this example.
  • the antireflection layer 14 which is a six-layer dielectric multilayer film made of SiO 2 and Ta 2 O 5 is formed.
  • the material and thickness of each layer are as shown in Table 2.
  • an internal anti-reflection layer 13 is formed, which is a four-layer dielectric multilayer film made of SiO 2 and Ta 2 O 5 .
  • the material and thickness of each layer are as shown in Table 2.
  • a film of Ta 2 O 5 which is a material of the concavo-convex portion 12 is formed, and the Ta 2 O 5 film is processed into an eight-step concavo-convex structure by photolithography and etching.
  • the height of one step in the uneven structure is 95 nm.
  • the film thickness is measured by cross-sectional observation with a step gauge or SEM (Scanning Electron Microscope). Thereby, the diffractive optical element 10 of this example is obtained.
  • FIG. 8 (a) shows the calculation result of reflectance in the wavelength range of 350 nm to 950 nm
  • FIG. 8 (b) shows the calculation result of reflectance in the wavelength range of 800 nm to 900 nm.
  • FIG. 8 shows calculation results in the case where the incident angle is 0 °, 20 °, and 40 ° with respect to the incident angle, that is, the normal direction of the substrate 11.
  • the oblique incidence is divided into p-polarization and s-polarization.
  • FIG. 9 shows the incident angle dependency of the reflectance of the antireflection layer 14 of the present example with respect to light of wavelength 850 nm.
  • the antireflection layer 14 of this example achieves a reflectance of less than 2.5% for both P-polarized light and S-polarized light with respect to light having a wavelength of 850 nm incident at an incident angle of 55 ° or less.
  • the reflection preventing layer 14 of the present example realizes a reflectance of less than 1.0% with respect to P-polarized light having a wavelength of 850 nm incident at an incident angle of 45 ° or less.
  • FIG. 9 (a) is the calculation result of the reflectance in the wavelength range of 350 nm to 950 nm
  • FIG. 9 (b) is the calculation result of the reflectance in the wavelength range of 800 nm to 900 nm.
  • FIG. 10 shows calculation results in the case where the incident angle is 0 °, 20 °, and 30 ° with respect to the incident angle, that is, the normal direction of the substrate 11.
  • FIG. 11 shows the incident angle dependency of the reflectance of the internal reflection preventing layer 13 of the present example with respect to light of wavelength 850 nm.
  • the internal reflection preventing layer 13 of this example achieves a reflectance of less than 2.5% for both P polarized light and S polarized light with respect to light having a wavelength of 850 nm incident at an incident angle of 35 ° or less.
  • the reflection preventing layer 14 of the present example realizes a reflectance of less than 0.1% with respect to P-polarized light having a wavelength of 850 nm incident at an incident angle of 35 ° or less.
  • the effective refractive index of each medium according to the incident angle is used according to the above equation (3). It can be calculated.
  • the amount of zero-order light generated from the concavo-convex portion 12 of the diffractive optical element 10 of this example is 0.25% when calculated by RCWA. Therefore, assuming that there is no loss due to reflection or absorption at the incident side interface and in the diffractive optical element, the light quantity of zero-order light emitted from the diffractive optical element of this example when light of wavelength 850 nm is vertically incident is , Less than 0.22%.
  • Example 2 This example is an example of the diffractive optical element 10 shown in FIG.
  • the concavo-convex portion 12 is an eight-step concavo-convex pattern that generates a total of 121 light spots of 11 points in the X direction and 11 points in the Y direction.
  • the specific configuration of the uneven portion 12 of this example is the same as in Example 1 and is described in Table 2.
  • the preparation method is also the same as in Example 1. Further, the light amount of zero-order light generated from the concavo-convex portion 12 of the diffractive optical element 10 of this example was calculated by RCWA to be 0.08%.
  • the light quantity of zero-order light emitted from the diffractive optical element of this example when light of wavelength 850 nm is vertically incident is , Less than 0.07%.
  • Example 3 This example is an example of the diffractive optical element 10 shown in FIG.
  • the concavo-convex portion 12 is an eight-step concavo-convex pattern that generates a total of 961 light spots of 31 points in the X direction and 31 points in the Y direction.
  • the specific configuration of the uneven portion 12 of this example is the same as in Example 1 and is described in Table 2.
  • the preparation method is also the same as in Example 1. Further, the light amount of zero-order light generated from the concavo-convex portion 12 of the diffractive optical element 10 of this example was calculated by RCWA to be 0.08%.
  • the light quantity of zero-order light emitted from the diffractive optical element of this example when light of wavelength 850 nm is vertically incident is , Less than 0.07%.
  • Example 4 This example is an example of the diffractive optical element 10 shown in FIG.
  • the design wavelength is 780 nm
  • the concavo-convex portion 12 is an eight-step concavo-convex pattern that generates a total of 441 light spots of 21 points in the X direction and 21 points in the Y direction.
  • the specific configuration of the concavo-convex portion 12 of this example is the same as in Example 1 and is described in Table 3.
  • the preparation method is also the same as in Example 1. Moreover, it was 0.32% when the light quantity of the zero-order light which generate
  • the light quantity of zero-order light emitted from the diffractive optical element of this example when light with a wavelength of 780 nm is vertically incident is , Less than 0.28%.
  • Example 5 This example is an example of the diffractive optical element 10 shown in FIG.
  • the design wavelength is 1550 nm
  • the concavo-convex portion 12 is an eight-step concavo-convex pattern that generates a total of 441 light spots of 21 points in the X direction and 21 points in the Y direction.
  • the specific configuration of the uneven portion 12 of this example is the same as in Example 1 and is described in Table 4.
  • the preparation method is also the same as in Example 1.
  • the amount of zero-order light generated from the concavo-convex portion 12 of the diffractive optical element 10 of this example is 0.03% when calculated by RCWA.
  • the light quantity of zero-order light emitted from the diffractive optical element of this example when light with a wavelength of 780 nm is vertically incident is , Less than 0.03%.
  • the present invention is suitably applicable to applications in which the irradiation range of a predetermined light pattern formed by a diffraction grating is broadened while reducing zero-order light.

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Abstract

薄型で、かつ０次光をより低減させながら広範囲に照射できる回折光学素子を提供する。　本発明の回折光学素子は、基材と、基材の一方の面上に設けられ、入射光に対して所定の回折作用を発現させる凹凸部と、基材と凹凸部との間に備えられる反射防止層とを備え、凹凸部の凸部を構成する第１の媒質と凹部を構成する第２の媒質の入射光の波長帯における屈折率差が０．７０以上であり、入射光が基材の法線方向から入射したときに凹凸部から出射される回折光が形成する光パターンの広がりを示す範囲である出射角度範囲が６０°以上である。

Description

回折光学素子
　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。
　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（例えば、屈折率＝１の空気）と凸部材料との屈折率差を利用して所望の光路長差を与えて光を回折する。
　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２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。
　ところで、光学装置の中には、近赤外光などの目に見えない光を使用するものがある。例えば、スマートフォン等において顔認証やカメラ装置の焦点合わせに用いられるリモートセンシング装置、ゲーム機等と接続されてユーザの動きを捉えるために用いられるリモートセンシング装置、車両等において周辺物体を検知するために用いられるＬＩＤＡＲ（Light Detecting and Ranging）装置などが挙げられる。
　また、これら光学装置の中には、入射光の進行方向に対して大きく異なる出射角で光を照射させることが求められる場合がある。例えば、スマートフォンなどに具備されるような広い画角を有するカメラ装置の焦点合わせ用途や、ＶＲ（Virtual Reality）のヘッドセットのような人の視野角に対応した表示画面を有する装置において該表示装置に表示させる障害物や指などの周辺物体を検知する用途等では、６０°以上や、１００°以上や、１２０°以上といった広い角度範囲への光照射が望まれる場合がある。
　回折光学素子を利用して、上記のような広い角度範囲に光を出射しようとした場合、凹凸構造を形成する上で、ピッチを細かくする必要がある。特に、近赤外光のような長波長の入射光に対して出射角度範囲が大きい凹凸構造を考えた場合、所望の光路長差を得るために、凸部がより高くなる傾向がある。尚、凸部の高さは凹部の深さと読み替えてもよい。
　回折光学素子の凹凸部のピッチを細かくしたり、高さが増すと、それにしたがってアスペクト比（例えば、「凸部の高さ／凸部の幅」）も大きくなる。アスペクト比が大きくなると、凹凸部を進行する光に対して界面をなしうる凹凸部の全表面中の側壁（凸部側面）の面積比率も増えるため、凸部側面での反射等の影響が大きくなり、望まない０次光が発生するおそれがある。一般に、強い０次光が照射されるとアイセーフの観点から好ましくないとされている。
　回折光学素における０次光の低減技術に関して、例えば、特許文献３には、２つの回折光学素子（ＤＯＥ：Diffractive Optical element）を設けた構成が開示されている。特許文献３に記載の技術は、第１の回折光学素子で発生した０次光を、第２の回折光学素子で回折するように構成することにより、０次光を低減させている。
特許第５１７４６８４号公報 特許第５７６０３９１号公報 特開２０１４－２０９２３７号公報
　センサーを隠匿したいといった意匠的な要望や、センサーを設ける筐体全体の薄型化および小型化の要望から、センシングを行うための回折光学素子に対しても薄型化が望まれている。
　そこで、本発明は、薄型で、かつ０次光をより低減させながら広範囲に照射できる回折光学素子の提供を目的とする。
　本発明による回折光学素子は、基材と、前記基材の一方の面上に設けられ、入射光に対して所定の回折作用を発現させる凹凸部と、前記基材と前記凹凸部との間に備えられる反射防止層とを備え、前記凹凸部の凸部を構成する第１の媒質と、前記凹凸部の凹部を構成する第２の媒質の、前記入射光の波長帯における屈折率差が、０．７０以上であり、前記入射光が前記基材の法線方向から入射したときに前記凹凸部から出射される回折光が形成する光パターンの広がりを示す角度範囲である出射角度範囲が６０°以上であることを特徴とする。
　本発明によれば、薄型で、かつ０次光をより低減させながら広範囲に照射できる回折光学素子を提供できる。
第１の実施形態の回折光学素子１０の断面模式図。 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により生成される光のパターンの例を示す説明図。 格子深さｄと０次光の強さとの関係を示すグラフ。 異なる５つの屈折率材料についての対角方向の視野角θｄと０次光の強度（０次光極小値）との関係を示すグラフ。 異なる５つの屈折率材料についてのΔｎ／ＮＡと０次光の強さ（最小値）との関係を示す。 回折光学素子１０の他の例を示す断面模式図。 例１の反射防止層１４の反射率の計算結果を示すグラフ。 例１の反射防止層１４の波長８５０ｎｍの光に対する反射率の入射角依存性を示すグラフ。 例１の内面反射防止層１３の反射率の計算結果を示すグラフ。 例１の内面反射防止層１３の波長８５０ｎｍの光に対する反射率の入射角依存性を示すグラフ。
　以下、本発明の実施形態を、図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態の回折光学素子１０の断面模式図である。回折光学素子１０は、基材１１と、基材１１の一方の面上に設けられる凹凸部１２と、基材１１と凹凸部１２との間に設けられる反射防止層１３とを備える。以下、基材１１と凹凸部１２との間に設けられる反射防止層１３を、内面反射防止層１３と呼ぶ。
　基材１１は、ガラス、樹脂等、使用波長に対して透過性のある部材であれば特に限定されない。使用波長は、回折光学素子１０への入射光の波長帯である。以下、回折光学素子１０に、波長７００～１２００ｎｍの可視光および近赤外光のうちの特定の波長帯（例えば、８５０ｎｍ±２０ｎｍ等）の光が入射する、として説明するが、使用波長はこれらに限定されない。また、とくにことわりがなく説明する場合、可視域は波長４００ｎｍ～７８０ｎｍであり、赤外域は近赤外領域とされる波長７８０ｎｍ～２０００ｎｍ、特に波長８００ｎｍ～１０００ｎｍであり、紫外域は近紫外領域とされる波長３００ｎｍ～４００ｎｍ、特に３６０ｎｍ～３８０ｎｍであるとする。尚、可視光は該可視域の光であり、赤外光は該赤外域の光であり、紫外光は該紫外域の光である。
　凹凸部１２は、入射光に対して回折作用を発現する所定の凹凸パターンを有する凹凸構造である。凹凸パターンは、より具体的には、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。尚、「平面視」とは、回折光学素子１０に入射する光の進行方法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、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、予め定めた投影面等において所定のパターンを実現できるように構成される。
　所定の投影面において特定の光のパターンをなす複数の光スポットを生成する凹凸パターンは、例えば、当該凹凸パターンからの出射光の位相分布をフーリエ変換して得られる。
　本実施形態では、凹凸部１２から見て基材１１に近づく方向を下方とし、基材１１から離れる方向を上方とする。したがって、凹凸部１２の各段の上面のうち基材１１と最も近い面が最下面となり、最も離れる面が最上面となる。
　また、以下では、凹凸パターン（基材１１の面上に凹凸部１２によって形成される、断面が凹凸形状の表面）において最も低い位置にある部分（図中の第１段ｓ１）よりも高い位置にある部分を、凸部１２１と呼び、凸部１２１に囲まれてなる凹み部分であって凸部１２１の最上部（本例では、第２段ｓ２）よりも低くなる部分を凹部１２２と呼ぶ。また、凹凸部１２のうち実際に位相差を生じさせる部分の高さ、より具体的には凹凸パターンの第１段ｓ１から凸部１２１の最上部までの距離を、凸部１２１の高さｄまたは格子深さｄと呼ぶ。また、以下では、凹凸部１２のうち位相差を生じさせない部分（図１において基材１１の表面を覆って第１段ｓ１を構成している層）を下地層と呼ぶ場合がある。
　凹凸パターンの段数は、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。尚、図１には、バイナリの回折格子すなわち２段の凹凸パターンを構成する凹凸部１２を備える回折光学素子１０の例が示されている。
　図２に、回折光学素子１０の他の例を示す。回折光学素子１０は、例えば、図２（ａ）に示すように、３段以上の凹凸パターンを構成する凹凸部１２を備えてもよい。また、回折光学素子１０は、図２（ｂ）に示すように、凹凸部１２の部材以外の部材（本例では、後述する内面反射防止層１３の最表層の部材）が、凹凸パターンの１段目を構成することも可能である。尚、そのような場合も、凹凸パターンの第１段ｓ１から凸部１２１の最上部までの距離を、凸部１２１の高さｄとする。
　図１および図２（ａ）に示す構成は、少なくとも入射光が入射する有効領域内において、凹部１２２を構成する第２の媒質（空気）が内面反射防止層１３と接しない構成であるが、図２（ｂ）に示すように、有効領域の少なくとも一部において、第２の媒質（空気）が内面反射防止層１３と接する構成であってもよい。なお、後者の場合、凹凸部１２には下地層は含まれない。
　凹凸部１２の材料は、使用波長における屈折率が１．７０以上のものを用いる。そのような材料の例としては、無機材料、例えば、Ｚｎ、Ａｌ、Ｙ、Ｉｎ、Ｃｒ、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃｅ、Ｔａ、Ｗ、Ｔｉ、Ｎｄ、Ｈｆ、Ｍｇ、Ｌａ、Ｎｂなどの酸化物、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、または、これらの混合物を使用できる。また、ＩＴＯなどの透明導電体も使用できる。また、Ｓｉ、Ｇｅ、ダイヤモンドライクカーボン、これらに水素などの不純物を含有させたものなどが挙げられる。尚、凹凸部１２の材料は、使用波長における屈折率が上記条件を満たすものであれば、無機材料に限定されない。例えば、有機材料を含み屈折率が１．７０以上の材料の例としては、有機材料に無機材料の微粒子を分散させた、いわゆるナノコンポジット材料がある。無機材料の微粒子としては、例えば、Ｚｒ、Ｔｉ、Ａｌなどの酸化物があげられる。
　また、凹部１２２が空気以外の媒質で充填される場合は、凸部１２１と凹部１２２の使用波長における屈折率差をΔｎとしたとき、Δｎが０．７０以上となればよい。ただし、材料の選択性および薄型化の観点から、凹部１２２は空気が好ましい。
　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θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘ及びＹ軸上における最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘ（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。尚、Ｘ軸方向における最小角度θｘｍｉｎから最大角度θｘｍａｘ、Ｙ軸方向における最小角度θｙｍｉｎから最大角度θｙｍａｘ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θｘｍａｘ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θｙｍａｘ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その対角にある他の交点とがなす角度をθｄとし、この角度を対角方向の角度と称する。ここで、対角方向の角度θｄ（以下、対角の視野角θｄという）は、回折光学素子１０の出射角度範囲θｏｕｔとされる。ここで、出射角度範囲θｏｕｔは、入射光が基材１１の法線方向から入射した時に凹凸部１２から出射される回折光が形成する光のパターンの広がりを示す角度範囲である。尚、回折光学素子１０の出射角度範囲θｏｕｔは、上記の対角方向の視野角θｄとする以外に、例えば、回折光群２２に含まれる２つの光スポットがなす角度の最大値としてもよい。
　回折光学素子１０は、例えば、入射光が基材１１の表面の法線方向から入射したときの出射角度範囲θｏｕｔが７０°以上がよい。例えば、スマートフォン等に備えられるカメラ装置には、画角（全角）が５０～９０°程度のものがある。また、自動運転等に用いられるＬＩＤＡＲ装置としては、視野角が３０～７０°程度のものがある。また、人間の視野角は一般に１２０°程度であり、ＶＲのヘッドセット等のカメラ装置には、視野角７０～１４０°を実現したものがある。これらの装置に適用できるように、回折光学素子１０の出射角度範囲θｏｕｔは１００°以上でもよく、１２０°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。尚、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。
　図３において、Ｒｉｊ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Ｒｉｊに分割した場合、各領域Ｒｉｊ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。尚、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（１）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θｘｏ、Ｙ方向における角度θｙｏに回折される光となる。式（１）において、ｍｘはＸ方向の回折次数であり、ｍｙはＹ方向の回折次数であり、λは光束２１の波長であり、Ｐｘ、Ｐｙは後述する回折光学素子のＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチであり、θｘｉはＸ方向における回折光学素子への入射角度、θｙｉ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をスクリーンまた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。
ｓｉｎθｘｏ＝ｓｉｎθｘｉ＋ｍｘλ／Ｐｘ
ｓｉｎθｙｏ＝ｓｉｎθｙｉ＋ｍｙλ／Ｐｙ
　・・・（１）
　凹凸部１２がＮ段の階段状の疑似ブレーズ形状の場合、Δｎｄ／λ＝（Ｎ－１）／Ｎを満たすと凹凸部１２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。例えば、屈折率＝１．７の材料からなる凸部１２１と空気からなる凹部１２２の凹凸パターンに近赤外光が入射する場合を例にとると、｛（Ｎ－１）／Ｎ｝×λ＝０．７ｄとなる。これより、凸部１２１の高さｄが、ｄ＜｛（Ｎ－１）／Ｎ｝×λ／０．７を満たすとよい。
　また、図４は、凸部１２１の高さ（格子深さ）ｄと０次光の強さとの関係を示すグラフである。尚、図４（ａ）は格子深さが０．０５λ～２．０λである場合の０次光の強さとの関係を示すグラフであり、図４（ｂ）はその一部を拡大して示すグラフである。図４では、Ｘ方向に２１点、Ｙ方向に２１点の合計４４１点の光スポットを、対角方向のＮＡ０．８５（Ｘ方向およびＹ方向のＮＡ０．６）の範囲に照射する場合の設計例であって、合成シリカ（屈折率ｎ＝１．４５）を凸部１２１の材料とした場合と、Ｔａ２Ｏ５（ｎ＝２．１）を凸部１２１の材料とした場合とを例示している。尚、本実施形態において、ＮＡは、１・ｓｉｎ（θｍａｘ／２）で表される指標である。
　図４に示すように、屈折率が１．４５の場合、ＮＡ０．８５（出射角度範囲θｏｕｔは約１１６°）を実現する構成では、設計上、凸部１２１の高さｄをいくら調整しても０次光が５％未満にはならない。一方、屈折率が２．１であれば、凸部１２１の高さｄを調整することで、０次光の光量を１％以下等に抑えることができる。
　ここで、高い回折効率を得つつ、０次光を低減するためには、Δｎ／ＮＡ≧０．７を満たすと良い。尚、Δｎ／ＮＡは、０．７以上がよく、１．０以上がより好ましい。図５は、５つの異なる屈折率材料を凸部１２１材料としたときの、対角方向の視野角θｄと０次光の強度（０次光極小値）との関係を示すグラフである。
　尚、５つの異なる屈折率材料は、それぞれ屈折率１．４５（石英）、１．６０（ポリカーボネート系樹脂）、１．７０（ＳｉＯＮ）、１．９０（ＨｆＯ）、２．１０（Ｔａ２Ｏ５）である。図５では、５つの屈折率材料それぞれに対して、対角方向の視野角θｄを５０．２°、６８．８°、９０．０°、１１６．０°、１３３．４°、１６３．４°としたときの設計解をそれぞれ求め、それら設計解に対して厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）により算出された０次光の強さ（極小値）を示している。図５に示すように、凸部１２１の屈折率が高くなるほど、０次光の光量が高くなることがわかる。尚、上記の対角方向の視野角θｄをＮＡで表すと、それぞれ０．４２４、０．５６５、０．７０７、０．８４８、０．９１８、０．０９８９となる。
　また、図６に、上記設計解におけるΔｎ／ＮＡと０次光の強さ（最小値）との関係を示す。尚、図６（ａ）は上記設計解の全ての関係を示すグラフであり、図６（ｂ）はその一部を拡大して示すグラフである。
　上記の各例は、設計波長を８５０ｎｍ、凹部を空気（ｎ＝１）としている。また、凹凸部１２は、Ｘ方向に２１点、Ｙ方向に２１点の合計４４１点の光スポットを発生させる８段の凹凸パターンであり、該凹凸パターンにおける格子は規則配置であって、隣り合う光スポットの分離角は全て等しい。表１に各例の設計パラメータを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　図６に示すように、０次光の強さとΔｎ／ＮＡとの関係を見ると、例えば、Δｎ／ＮＡが０．７以上であれば、出射角度範囲θｏｕｔが７０°以上（１６５°未満）の設計解全てで０次光の極小値を３．０％未満にできる。また、例えば、Δｎ／ＮＡが０．９以上であれば、出射角度範囲θｏｕｔが１００°以上（１６５°未満）の設計解の多くで０次光の極小値を１．５％未満とできる。また、例えば、Δｎ／ＮＡが１．０以上であれば、出射角度範囲θｏｕｔが１６５°未満の設計解の多くで０次光の極小値を１．０％未満とできる。また、例えば、Δｎ／ＮＡが１．０以上であれば、出射角度範囲θｏｕｔが１４０°未満の設計解の多くで０次光の極小値を０．５％未満とできる。尚、図４～図６に示す設計解のうち、ｎ＝１．４５、１．６０の設計解は比較例である。
　尚、本実施形態の回折光学素子１０は、入射光を垂直に入射した場合に当該回折光学素子１０から出射される０次光の光量が、３．０％未満が好ましく、１．５％未満がより好ましく、０．５％未満がさらに好ましく、０．３％未満がとくに好ましい。
　内面反射防止層１３は、基材１１と凹凸部１２の界面反射を防止するために設けられる。内面反射防止層１３は、基材１１と凹凸部１２の界面において少なくとも設計波長の光の反射率を低減する反射防止機能を有するものであれば、特に限定されないが、一例として、単層構造の薄膜や、誘電多層膜などの多層膜が挙げられる。
　例えば、内面反射防止層１３が単層の薄膜であれば、以下の条件式（２）を満たすとより好ましい。尚、式（２）において、内面反射防止層の材料の屈折率をｎｒ、厚さをｄｒ、また対象とする内面反射防止層の入射側界面をなす媒質の屈折率をｎｍ、出射側界面をなす媒質の屈折率をｎ０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（２）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がさらに好ましい。また、βは、０．４がより好ましい。
（ｎ０×ｎｍ）０．５－α＜ｎｒ＜（ｎ０×ｎｍ）０．５＋α、かつ
（１－β）×λ／４＜ｎｒ×ｄｒ＜（１＋β）×λ／４
　・・・（２）
　また、内面反射防止層１３が多層膜であれば、設計波長の光に対し、以下の式（３）で示される反射率Ｒが１％未満であるとよく、０．５％未満であるとより好ましい。
　内面反射防止層１３が多層膜の場合は、多層膜に対して入射側に位置する屈折率ｎ０を有する媒質Ｍ１から入射角θ０で光が入射し、各層の屈折率がｎｒで厚さがｄｒであるｑ層からなる多層膜Ｍ２を透過し、多層膜に対して出射側に位置する屈折率ｎｍを有する媒質Ｍ３へ光が入射するとして考える。このときの反射率は、式（３）のように計算できる。尚、η０、ηｍ、ηｒ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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　したがって、内面反射防止層１３がない場合はＹ＝ηｍとなり、比較的大きく反射が発生するのに対して、内面反射防止層１３によってＹをη０に近づけられると、反射を低減できる。とくに垂直入射の時は、η０やηｍやηｒは屈折率と等価である。以下では、式（３）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１２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、上述したように内面反射防止層１３を設けることで、凹凸部１２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。尚、単層の内面反射防止層１３に対して、ｑ＝１として式（３）を適用し、干渉の効果を考慮してもよい。
　また、内面反射防止層１３に斜めの光（波長：λ［ｎｍ］）が入射する場合には、垂直に光を入射した際に次の条件を満たすと好ましい。すなわち、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。尚、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内面反射防止層１３界面の透過率の低減を抑制できる。尚、λは「設計波長」に相当する。
　また、図７に示すように、回折光学素子１０は、基材１１の凹凸部１２が設けられている側の面と反対の面上に反射防止層１４をさらに備えていてもよい。
　反射防止層１４は、回折光学素子１０の出射側界面における反射を防止するために設けられる。反射防止層１４は、回折光学素子１０の出射側界面において少なくとも設計波長の光の反射率を低減する反射防止機能を有するものであれば、特に限定されないが、一例として、単層構造の薄膜や、誘電多層膜などの多層膜が挙げられる。尚、内面反射防止層１３の反射率に関する条件はそのまま反射防止層１４の反射率に関する条件としてもよい。
　また、回折光学素子１０に対して凹凸部１２が設けられた側（図中の－ｚ方向）から光が入射する場合、内面反射防止層１３および反射防止層１４は、基材１１の法線方向に対してθｍａｘ／２°以内で入射する設計波長の光に対して、上記の反射率に関する条件を満たすとよい。これは、凹凸部１２によって回折された光が内面反射防止層１３および反射防止層１４に入射するためである。なお、内面反射防止層１３および反射防止層１４は、基材１１の法線方向に対してθｍａｘ／２°以内で入射する設計波長の特定の偏光成分の光に対して、上記の反射率に関する条件を満たしてもよい。
　例えば、内面反射防止層１３および反射防止層１４は、基材１１の法線方向に対して４０°以内で入射する設計波長の少なくとも特定の偏光光に対する反射率が、０．５％以下を満たすように構成される。尚、内面反射防止層１３および反射防止層１４は、出射角度範囲θｏｕｔの１／４の角度すなわち最大出射角度（半角）の中間とされる角度で回折光学素子１０から出射される光に対する反射率が、０．５％以下を満たすように構成されてもよい。
　また、内面反射防止層１３および反射防止層１４は、設計波長の光に対する反射防止機能とともに、設計波長以外の特定の波長帯の光（例えば、紫外光）に対する反射防止機能を併せて有してもよい。回折光学素子１０が設けられる装置等において、回折光学素子１０以外に他の光学素子を備える場合があり、それらが使用する光を回折光学素子１０で遮断しないためである。
　その場合、内面反射防止層１３および反射防止層１４は、設計波長の光に対する上記条件に加えて、基材１１の法線方向に対して２０°以内で入射する波長３６０～３７０ｎｍの少なくとも特定の偏光光に対する反射率が１．０％以下を満たすように構成されてもよい。
　また、上記では、０次光の光量をＲＣＷＡによって算出したが、０次光の光量は、設計波長のコリメートされたレーザー光を回折光学素子１０に入射し、直進透過光の光量を測定することによっても評価できる。
（例１）
　本例は、図２に示す回折光学素子１０の例である。ただし、本例では、設計波長を８５０ｎｍ、凹部を空気（ｎ＝１）とした。また、凹凸部１２は、Ｘ方向に２１点、Ｙ方向に２１点の合計４４１点の光スポットを発生させる８段の凹凸パターンであり、該凹凸パターンにおける格子は規則配置であって、隣り合う光スポットの分離角は全て等しいとした。また、本例の回折光学素子１０は、凹凸部１２から出社される回折光群による出射角度範囲θｏｕｔ（より具体的には、対角の視野角θｄ）が１１０°となるように凹凸パターンを設計した。また、基材１１の材料には屈折率が１．５１のガラス基板を用い、凹凸部１２の材料には屈折率が２．１９のＴａ２Ｏ５を用いた。表２に、本例の凹凸部１２の具体的構成を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
　まず、ガラス基板上に、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる６層の誘電体多層膜である反射防止層１４を成膜する。各層の材料および厚さは表２の通りである。
　次いで、ガラス基板の反射防止層１４を成膜した側と反対側の面に、ＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる４層の誘電体多層膜である内面反射防止層１３を成膜する。各層の材料および厚さは表２の通りである。その後、凹凸部１２の材料であるＴａ２Ｏ５を成膜し、該Ｔａ２Ｏ５膜をフォトリソグラフィおよびエッチングによって８段の凹凸構造へ加工する。当該凹凸構造において１段の高さは９５ｎｍである。膜厚は段差計やＳＥＭ（Scanning Electron Microscope）による断面観察によって測定される。
これにより、本例の回折光学素子１０を得る。
　図８に、本例の反射防止層１４の反射率の計算結果を示す。なお、図８（ａ）は、波長３５０ｎｍ～９５０ｎｍの波長範囲における反射率の計算結果であり、図８（ｂ）はそのうちの波長８００ｎｍ～９００ｎｍの波長範囲における反射率の計算結果である。なお、図８では、入射角すなわち基材１１の法線方向に対する入射光の角度が０°、２０°、４０°の場合の計算結果を示している。斜入射ではＰ偏光とＳ偏光とに分けている。
　また、図９に、波長８５０ｎｍの光に対する本例の反射防止層１４の反射率の入射角依存性を示す。図９に示すように、本例の反射防止層１４は、入射角が５５°以内で入射する波長８５０ｎｍの光に対して、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率２．５％未満を実現する。また、本例の反射防止層１４は、入射角が４５°以内で入射する波長８５０ｎｍのＰ偏光光に対して、反射率１．０％未満を実現する。
　また、図１０に、本例の内面反射防止層１３の反射率の計算結果を示す。なお、図９（ａ）は、波長３５０ｎｍ～９５０ｎｍの波長範囲における反射率の計算結果であり、図９（ｂ）はそのうちの波長８００ｎｍ～９００ｎｍの波長範囲における反射率の計算結果である。なお、図１０では、入射角すなわち基材１１の法線方向に対する入射光の角度が０°、２０°、３０°の場合の計算結果を示している。
　また、図１１に、波長８５０ｎｍの光に対する本例の内面反射防止層１３の反射率の入射角依存性を示す。図１１に示すように、本例の内面反射防止層１３は、入射角が３５°以内で入射する波長８５０ｎｍの光に対して、Ｐ偏光およびＳ偏光ともに反射率２．５％未満を実現する。また、本例の反射防止層１４は、入射角が３５°以内で入射する波長８５０ｎｍのＰ偏光光に対して、反射率０．１％未満を実現する。尚、３５°以上の入射角に対する内面反射防止層１３および反射防止層１４の反射率については省略しているが、入射角に応じた各媒質の実効屈折率から上記式（３）を用いて計算できる。
　また、本例の回折光学素子１０の凹凸部１２から発生する０次光の光量をＲＣＷＡによって計算すると、０．２５％であった。したがって、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、波長８５０ｎｍの光を垂直に入射した場合の本例の回折光学素子から出射される０次光の光量は、０．２２％未満となる。
（例２）
　本例は、例１と同様に図２に示す回折光学素子１０の例である。ただし、本例では、凹凸部１２は、Ｘ方向に１１点、Ｙ方向に１１点の合計１２１点の光スポットを発生させる８段の凹凸パターンである。本例の凹凸部１２の具体的構成は例１と同様で表２に記載されている。また作製方法も例１と同様である。
　また、本例の回折光学素子１０の凹凸部１２から発生する０次光の光量をＲＣＷＡによって計算すると、０．０８％であった。したがって、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、波長８５０ｎｍの光を垂直に入射した場合の本例の回折光学素子から出射される０次光の光量は、０．０７％未満となる。
（例３）
　本例は、例１と同様に図２に示す回折光学素子１０の例である。ただし、本例では、凹凸部１２は、Ｘ方向に３１点、Ｙ方向に３１点の合計９６１点の光スポットを発生させる８段の凹凸パターンである。本例の凹凸部１２の具体的構成は例１と同様で表２に記載されている。また作製方法も例１と同様である。
　また、本例の回折光学素子１０の凹凸部１２から発生する０次光の光量をＲＣＷＡによって計算すると、０．０８％であった。したがって、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、波長８５０ｎｍの光を垂直に入射した場合の本例の回折光学素子から出射される０次光の光量は、０．０７％未満となる。
（例４）
　本例は、例１と同様に図２に示す回折光学素子１０の例である。ただし、本例では、設計波長を７８０ｎｍ、凹凸部１２は、Ｘ方向に２１点、Ｙ方向に２１点の合計４４１点の光スポットを発生させる８段の凹凸パターンである。本例の凹凸部１２の具体的構成は例１と同様で表３に記載されている。また作製方法も例１と同様である。
　また、本例の回折光学素子１０の凹凸部１２から発生する０次光の光量をＲＣＷＡによって計算すると、０．３２％であった。したがって、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、波長７８０ｎｍの光を垂直に入射した場合の本例の回折光学素子から出射される０次光の光量は、０．２８％未満となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000004
（例５）
　本例は、例１と同様に図２に示す回折光学素子１０の例である。ただし、本例では、設計波長を１５５０ｎｍ、凹凸部１２は、Ｘ方向に２１点、Ｙ方向に２１点の合計４４１点の光スポットを発生させる８段の凹凸パターンである。本例の凹凸部１２の具体的構成は例１と同様で表４に記載されている。また作製方法も例１と同様である。
　また、本例の回折光学素子１０の凹凸部１２から発生する０次光の光量をＲＣＷＡによって計算すると、０．０３％であった。したがって、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、波長７８０ｎｍの光を垂直に入射した場合の本例の回折光学素子から出射される０次光の光量は、０．０３％未満となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000005
　本発明は、０次光を低減させつつ、回折格子によって形成される所定の光パターンの照射範囲を広くする用途に好適に適用可能である。
　なお、２０１７年１１月０８日に出願された日本特許出願２０１７－２１５５１０号の明細書、特許請求の範囲、図面およ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　回折光学素子
　１１　基材
　１２　凹凸部
　１２１　凸部
　１２２　凹部
　１３　内面反射防止層
　１４　反射防止層
　２１　光束
　２２　回折光群
　２３　光スポット

Claims (13)

  1. 　基材と、
    　前記基材の一方の面上に設けられ、入射光に対して所定の回折作用を発現させる凹凸部と、
    　前記基材と前記凹凸部との間に備えられる反射防止層とを備え、
    　前記凹凸部の凸部を構成する第１の媒質と、前記凹凸部の凹部を構成する第２の媒質の、前記入射光の波長帯における屈折率差が、０．７０以上であり、
    　前記入射光が前記基材の法線方向から入射したときに前記凹凸部から出射される回折光が形成する光パターンの広がりを示す角度範囲である出射角度範囲が６０°以上である
    　ことを特徴とする回折光学素子。
  2. 　前記第２の媒質が空気であり、
    　前記第１の媒質の前記入射光の波長帯における屈折率が１．７０以上である
    　請求項１に記載の回折光学素子。
  3. 　前記第１の媒質と前記第２の媒質の前記入射光の波長帯における屈折率差をΔｎ、前記出射角度範囲をθｏｕｔとしたとき、
    　Δｎ／ｓｉｎ（θｏｕｔ／２）≧１．０
    を満たす
    　請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
  4. 　前記入射光の波長帯における０次光の光量が、３．０％未満である
    　請求項１から請求項３のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  5. 　前記出射角度範囲が１００°以上であり、
    　前記入射光の波長帯における０次光の光量が、１．５％未満である
    　請求項１から請求項４のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  6. 　前記出射角度範囲が１４０°未満であり、
    　前記入射光の波長帯における０次光の光量が、０．５％未満である
    　請求項１から請求項５のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  7. 　前記第１の媒質が無機材料である
    　請求項１から請求項６のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  8. 　前記凹凸部は、少なくとも有効領域内において前記基材と接していない
    　請求項１から請求項７のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  9. 　前記反射防止層は、誘電体多層膜であり、前記基材の法線方向に対して前記出射角度範囲の１／４の角度で素子から出射される前記入射光の波長帯の少なくとも特定の偏光光に対する反射率が、０．５％以下である
    　請求項１から請求項８のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  10. 　前記反射防止層は、前記基材の法線方向に対して４０°以内で当該反射防止層に入射する前記入射光の波長帯の少なくとも特定の偏光光に対する反射率が、０．５％以下である
    　請求項１から請求項９のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  11. 　前記入射光は、波長７００ｎｍ～１２００ｎｍのうちの少なくとも一部の波長帯の光であり、
    　前記反射防止層は、前記基材の法線方向に対して２０°以内で当該反射防止層に入射する波長３６０～３７０ｎｍの少なくとも特定の偏光光に対する反射率が、１．０％以下である
    　請求項１から請求項１０のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  12. 　前記基材の前記凹凸部が設けられた側と反対側の表面上に、第２の反射防止層を備える
    　請求項１から請求項１１のうちのいずれかに記載の回折光学素子。
  13. 　前記第２の反射防止層は、前記基材の法線方向に対して前記出射角度範囲の１／４の角度で素子から出射される前記入射光の波長帯の少なくとも特定の偏光光に対する反射率が、０．５％以下である
    　請求項１２に記載の回折光学素子。
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