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技術 回折光学素子、光照射装置

出願人 大日本印刷株式会社
発明者 登山伸人宮崎祐一吉岡英範
出願日 2017年8月29日 (2年2ヶ月経過) 出願番号 2017-164373
公開日 2018年3月8日 (1年8ヶ月経過) 公開番号 2018-036649
状態 未査定
技術分野 回折格子、ホログラム光学素子 イメージ入力
主要キーワード 部分周期 十文字形状 幾何学的条件 回折層 電子線リソグラフィ技術 認証センサ 赤外線用 回折角度θ
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図面 (20)

課題

光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子光照射装置を提供する。

解決手段

回折光学素子10は、断面形状において複数の凸部11aが並んで配置されている高屈折率部11と、高屈折率部11よりも屈折率が低く、少なくとも凸部11aの間に形成されている凹部12を含む低屈折率部14と、を有する回折層15を備え、凹部12の幅は、位置により異なっており、凹部12の幅が広くなるほど凹部12の深さが深く構成されている。

概要

背景

ネットワークの普及によるセキュリティリスク回避のための個人認証へのニーズや、自動車自動運転化の流れ、又は、いわゆる「モノインターネット」の普及等、近年、センサーシステムを必要とする局面が増大している。センサーには色々な種類があり、検出する情報も様々であるが、その中の1つの手段として、光源から対象物に対して光を照射し、反射してきた光から情報を得るというものがある。例えば、パターン認証センサーや赤外線レーダー等はその一例である。

これらのセンサーの光源は、用途に応じた波長分布や明るさ、広がりをもったものが使用される。光の波長は、可視光赤外線がよく用いられ、特に赤外線は外光の影響を受けにくく、不可視であり、対象物のやや内部を観察することも可能という特徴があるため、広く用いられている。また、光源の種類としては、LED光源レーザー光源等が多く用いられる。例えば、遠いところを検知するには光の広がりが少ないレーザー光源が好適に用いられ、比較的近いところを検知する場合や、ある程度の広がりを持った領域を照射するにはLED光源が好適に用いられる。

ところで、対象とする照射領域の大きさや形状は、必ずしも光源からの光の広がり(プロファイル)と一致しているとは限らず、その場合には拡散板レンズ遮蔽板等により光を整形する必要がある。最近では、Light ShapingDiffuser(LSD)という、光の形状をある程度整形できる拡散板が開発されている。
また、光を整形する別の手段として、回折光学素子(Diffractive Optical Element :DOE)が挙げられる。これは異なる屈折率を持った材料が周期性を持って配列している場所を光が通過する際の回折現象を応用したものである。DOEは、基本的に単一波長の光に対して設計されるものであるが、理論的には、ほぼ任意の形状に光を整形することが可能である。また、前述のLSDにおいては、照射領域内の光強度がガウシアン分布となるのに対し、DOEでは、照射領域内の光分布均一性を制御することが可能である。DOEのこのような特性は、不要な領域への照射を抑えることによる高効率化や、光源数の削減等による装置の小型化等の点で有利となる(例えば、特許文献1参照)。
また、DOEは、レーザーの様な平行光源や、LEDの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。

DOEは、nmオーダーでの微細加工が必要となり、特に長波長の光を回折するためには、高アスペクト比微細形状を形成する必要があった。そのため、DOEの製造には、従来、電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が用いられている。例えば、紫外線近赤外線領域で透明である石英板に、ハードマスクレジスト成膜後、電子線を用いてレジストに所定の形状を描画し、レジスト現像、ハードマスクのドライエッチング石英のドライエッチングを順次行って、石英板表面にパターンを形成した後、ハードマスクを除去することで所望のDOEを得ることができる。

LED光源とDOEとを組み合わせて用いる場合、LED光源からは、ある程度の広がりを持った光がDOEに到達する。したがって、DOEに入射する入射光入射角度は、DOE上の位置によって異なるので、DOE上の位置によって、すなわち、入射角度によって、回折格子の設計を変更することが行われている。DOEの回折角度は、光の波長と回折格子のピッチとにより決まるので、DOE上の位置によって(入射角度によって)回折格子のピッチを変更した設計とすることが行われている。一方、回折格子の溝深さに関しては、2レベルのDOEの場合には、光の波長λと回折格子を構成する材料の屈折率nとからなる次の式が知られている。
溝深さ=λ/(2(n−1))
DOEにおいては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。

概要

光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、光照射装置を提供する。回折光学素子10は、断面形状において複数の凸部11aが並んで配置されている高屈折率部11と、高屈折率部11よりも屈折率が低く、少なくとも凸部11aの間に形成されている凹部12を含む低屈折率部14と、を有する回折層15を備え、凹部12の幅は、位置により異なっており、凹部12の幅が広くなるほど凹部12の深さが深く構成されている。

目的

本発明の課題は、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、光照射装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
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請求項1

光を整形す回折光学素子であって、断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む低屈折率部と、を有する回折層を備え、前記凹部の幅は、位置により異なっており、前記凹部の幅が広くなるほど前記凹部の深さが深く構成されている回折光学素子。

請求項2

請求項1に記載の回折光学素子において、前記凹部の幅が最も狭い位置における前記凹部の深さLは、回折対象の光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、D=Fλ/(2(n−1))の深さに構成されていること、を特徴とする回折光学素子。

請求項3

請求項2に記載の回折光学素子において、前記係数Fは、1以上1.2以下であること、を特徴とする回折光学素子。

請求項4

請求項1から請求項3までのいずれかに記載の回折光学素子において、回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、を特徴とする回折光学素子。

請求項5

請求項1から請求項4までのいずれかに記載の回折光学素子において、当該回折光学素子は、0°よりも大きく60°以下の入射角度入射する光を回折対象の光とすること、を特徴とする回折光学素子。

請求項6

請求項1から請求項5までのいずれかに記載の回折光学素子において、前記凹部の幅と前記凹部の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする回折光学素子。

請求項7

光源部と、前記光源部からの光が入射する位置に配置され、前記光源部からの光を成形する回折光学素子と、を備え、前記回折光学素子は、断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む低屈折率部と、を有する回折層を備え、前記凹部の幅は、位置により異なっており、前記凹部の幅が広くなるほど前記凹部の深さが深く構成されている光照射装置

請求項8

請求項7に記載の光照射装置において、前記凹部の幅が最も狭い位置における前記凹部の深さLは、前記光源部が発光する光の波長をλ、前記高屈折率部の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、D=Fλ/(2(n−1))の深さに構成されていること、を特徴とする光照射装置。

請求項9

請求項8に記載の光照射装置において、前記係数Fは、1以上1.2以下であること、を特徴とする光照射装置。

請求項10

請求項7から請求項9までのいずれかに記載の光照射装置において、回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、を特徴とする光照射装置。

請求項11

請求項7から請求項10までのいずれかに記載の光照射装置において、前記回折光学素子に、0°よりも大きく60°以下の入射角度で回折対象の光が入射するように前記光源部と前記回折光学素子とが配置されていること、を特徴とする光照射装置。

請求項12

請求項7から請求項11までのいずれかに記載の光照射装置において、前記凹部の幅と前記凹部の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする光照射装置。

技術分野

0001

本発明は、回折光学素子光照射装置に関するものである。

背景技術

0002

ネットワークの普及によるセキュリティリスク回避のための個人認証へのニーズや、自動車自動運転化の流れ、又は、いわゆる「モノインターネット」の普及等、近年、センサーシステムを必要とする局面が増大している。センサーには色々な種類があり、検出する情報も様々であるが、その中の1つの手段として、光源から対象物に対して光を照射し、反射してきた光から情報を得るというものがある。例えば、パターン認証センサーや赤外線レーダー等はその一例である。

0003

これらのセンサーの光源は、用途に応じた波長分布や明るさ、広がりをもったものが使用される。光の波長は、可視光赤外線がよく用いられ、特に赤外線は外光の影響を受けにくく、不可視であり、対象物のやや内部を観察することも可能という特徴があるため、広く用いられている。また、光源の種類としては、LED光源レーザー光源等が多く用いられる。例えば、遠いところを検知するには光の広がりが少ないレーザー光源が好適に用いられ、比較的近いところを検知する場合や、ある程度の広がりを持った領域を照射するにはLED光源が好適に用いられる。

0004

ところで、対象とする照射領域の大きさや形状は、必ずしも光源からの光の広がり(プロファイル)と一致しているとは限らず、その場合には拡散板レンズ遮蔽板等により光を整形する必要がある。最近では、Light ShapingDiffuser(LSD)という、光の形状をある程度整形できる拡散板が開発されている。
また、光を整形する別の手段として、回折光学素子(Diffractive Optical Element :DOE)が挙げられる。これは異なる屈折率を持った材料が周期性を持って配列している場所を光が通過する際の回折現象を応用したものである。DOEは、基本的に単一波長の光に対して設計されるものであるが、理論的には、ほぼ任意の形状に光を整形することが可能である。また、前述のLSDにおいては、照射領域内の光強度がガウシアン分布となるのに対し、DOEでは、照射領域内の光分布均一性を制御することが可能である。DOEのこのような特性は、不要な領域への照射を抑えることによる高効率化や、光源数の削減等による装置の小型化等の点で有利となる(例えば、特許文献1参照)。
また、DOEは、レーザーの様な平行光源や、LEDの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。

0005

DOEは、nmオーダーでの微細加工が必要となり、特に長波長の光を回折するためには、高アスペクト比微細形状を形成する必要があった。そのため、DOEの製造には、従来、電子線を用いた電子線リソグラフィ技術が用いられている。例えば、紫外線近赤外線領域で透明である石英板に、ハードマスクレジスト成膜後、電子線を用いてレジストに所定の形状を描画し、レジスト現像、ハードマスクのドライエッチング石英のドライエッチングを順次行って、石英板表面にパターンを形成した後、ハードマスクを除去することで所望のDOEを得ることができる。

0006

LED光源とDOEとを組み合わせて用いる場合、LED光源からは、ある程度の広がりを持った光がDOEに到達する。したがって、DOEに入射する入射光入射角度は、DOE上の位置によって異なるので、DOE上の位置によって、すなわち、入射角度によって、回折格子の設計を変更することが行われている。DOEの回折角度は、光の波長と回折格子のピッチとにより決まるので、DOE上の位置によって(入射角度によって)回折格子のピッチを変更した設計とすることが行われている。一方、回折格子の溝深さに関しては、2レベルのDOEの場合には、光の波長λと回折格子を構成する材料の屈折率nとからなる次の式が知られている。
溝深さ=λ/(2(n−1))
DOEにおいては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。

先行技術

0007

特開2015−170320号公報

発明が解決しようとする課題

0008

しかし、DOEの溝深さに関しては、上記式により一義的に決めるだけではなく、溝深さを変更することにより、さらに効率を高めることができたり、不要な出光(例えば、0次光)を減少することができたりする場合があることを見いだした。

0009

本発明の課題は、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、光照射装置を提供することである。

課題を解決するための手段

0010

本発明は、以下のような解決手段により、前記課題を解決する。なお、理解を容易にするために、本発明の実施形態に対応する符号を付して説明するが、これに限定されるものではない。

0011

第1の発明は、光を整形する回折光学素子(10)であって、断面形状において複数の凸部(11a)が並んで配置されている高屈折率部(11)と、前記高屈折率部(11)よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部(11a)の間に形成されている凹部(12)を含む低屈折率部(14)と、を有する回折層(15)を備え、前記凹部(12)の幅は、位置により異なっており、前記凹部(12)の幅が広くなるほど前記凹部(12)の深さが深く構成されている回折光学素子(10)である。

0012

第2の発明は、第1の発明に記載の回折光学素子(10)において、前記凹部(12)の幅が最も狭い位置における前記凹部(12)の深さLは、回折対象の光の波長をλ、前記高屈折率部(11)の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、D=Fλ/(2(n−1))の深さに構成されていること、を特徴とする回折光学素子(10)である。

0013

第3の発明は、第2の発明に記載の回折光学素子(10)において、前記係数Fは、1以上1.2以下であること、を特徴とする回折光学素子(10)である。

0014

第4の発明は、第1の発明から第3の発明までのいずれかに記載の回折光学素子(10)において、回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、を特徴とする回折光学素子(10)である。

0015

第5の発明は、第1の発明から第4の発明までのいずれかに記載の回折光学素子(10)において、当該回折光学素子(10)は、0°よりも大きく60°以下の入射角度で入射する光を回折対象の光とすること、を特徴とする回折光学素子(10)である。

0016

第6の発明は、第1の発明から第5の発明までのいずれかに記載の回折光学素子(10)において、前記凹部(12)の幅と前記凹部(12)の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする回折光学素子(10)である。

0017

第7の発明は、光源部(210)と、前記光源部(210)からの光が入射する位置に配置され、前記光源部(210)からの光を成形する回折光学素子(10)と、を備え、前記回折光学素子(10)は、断面形状において複数の凸部(11a)が並んで配置されている高屈折率部(11)と、前記高屈折率部(11)よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部(11a)の間に形成されている凹部(12)を含む低屈折率部(14)と、を有する回折層(15)を備え、前記凹部(12)の幅は、位置により異なっており、前記凹部(12)の幅が広くなるほど前記凹部(12)の深さが深く構成されている光照射装置である。

0018

第8の発明は、第7の発明に記載の光照射装置において、前記凹部(12)の幅が最も狭い位置における前記凹部(12)の深さLは、前記光源部(210)が発光する光の波長をλ、前記高屈折率部(11)の屈折率をn、0.8以上1.2以下の係数をFとしたときに、D=Fλ/(2(n−1))の深さに構成されていること、を特徴とする光照射装置である。

0019

第9の発明は、第8の発明に記載の光照射装置において、前記係数Fは、1以上1.2以下であること、を特徴とする光照射装置である。

0020

第10の発明は、第7の発明から第9の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、回折対象の光の波長λは、780nm以上であること、を特徴とする光照射装置である。

0021

第11の発明は、第7の発明から第10の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、前記回折光学素子(10)に、0°よりも大きく60°以下の入射角度で回折対象の光が入射するように前記光源部(210)と前記回折光学素子(10)とが配置されていること、を特徴とする光照射装置である。

0022

第12の発明は、第7の発明から第11の発明までのいずれかに記載の光照射装置において、前記凹部(12)の幅と前記凹部(12)の深さとは、比例関係となっていること、を特徴とする光照射装置である。

発明の効果

0023

本発明によれば、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、光照射装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0024

本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。
図1の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図2中の矢印E−E’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。
回折光学素子を説明する図である。
回折光学素子10上の位置の違いによる回折格子の設計の違いを説明する図である。
回折角度の異なる回折格子を並べて示す図である。
本実施形態の回折光学素子10の異なる位置の回折格子の断面形状を示す図である。
波長λ=800nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=800nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=800nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=800nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図17は、波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=980nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=980nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=980nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
波長λ=800nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=800nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=800nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図36の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図37の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図38の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
波長λ=980nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=980nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
波長λ=980nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図42の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図43の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図44の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。

実施例

0025

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

0026

(実施形態)
図1は、本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。
図2は、図1の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図3は、図2中の矢印E−E’の位置で回折光学素子を切断した断面図である。
図4は、回折光学素子を説明する図である。
なお、図1を含め、以下に示す各図は、模式的に示した図であり、各部の大きさ、形状は、理解を容易にするために、適宜誇張して示している。
また、以下の説明では、具体的な数値、形状、材料等を示して説明を行うが、これらは、適宜変更することができる。

0027

本発明において用いる、形状や幾何学的条件、及び、それらの程度を特定する用語、例えば、「平行」、「直交」、「同一」等の用語や長さや角度の値等については、厳密な意味に縛られることなく、同様の機能を期待し得る程度の範囲を含めて解釈することとする。

0028

また、本発明において「光を整形する」とは、光の進行方向を制御することにより、対象物又は対象領域に投影された光の形状(照射領域)が任意の形状となるようにすることをいう。例えば、図4の例に示されるように、平面形状のスクリーン200に直接投影した場合に照射領域202が円形となる光201(図4(b))を発光する光源部210を用意する。この光201を、本発明の回折光学素子10を透過させることにより、照射領域204を正方形図4(a))や、長方形、円形(図示せず)等、目的の形状とすることを、「光を整形する」いう。
なお、光源部210と、光源部210が発光する光が通過する位置に少なくとも1つ配置された、本実施形態の回折光学素子10とを組み合わせることにより、光を成形した状態で照射可能な光照射装置とすることができる。
また、本発明において透明とは、少なくとも利用する波長の光を透過するものをいう。例えば、仮に可視光を透過しないものであっても、赤外線を透過するものであれば、赤外線用途に用いる場合においては、透明として取り扱うものとする。

0029

本実施形態の回折光学素子10は、光を整形する回折光学素子(DOE)である。回折光学素子10は、例えば、波長が980nmの赤外レーザーに対して十文字形状、具体的には、例えば、±50度に、幅が±3.3度で広がる光の帯が2本公差した形状に光を広げるように設計されている。回折光学素子10は、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域(部分周期構造:例えば、図1のA〜D領域)を有している。図2では、部分周期構造の一例を抽出して示している。

0030

回折光学素子10は、図3に示すように、断面形状において複数の凸部11aが並んで配置されている高屈折率部11を備えている。この高屈折率部11は、同じ断面形状を維持したまま、断面の奥行き方向に延在している。

0031

高屈折率部11は、例えば、クオーツ(SiO2、合成石英)をドライエッチング処理により形状を加工して作られたものであってもよいし、電離放射線硬化性樹脂組成物硬化したものであってもよい。このような周期構造の製造方法は、様々な手法が公知であり、それら公知の手法によって、適宜作成することができる。

0032

また、凸部11aの間に形成されている凹部12及び凸部11aの頂部付近の空間13を含む図3の上方の部分は、空気が存在しており、高屈折率部11よりも屈折率が低い低屈折率部14となっている。これら高屈折率部11及び低屈折率部14が交互に並んで配置された周期構造により、光を整形する作用を備える回折層15が構成されている。

0033

図5は、回折光学素子10上の位置の違いによる回折格子の設計の違いを説明する図である。
例えば、図5(a)のように、同じ光源部210からの光であっても、位置Fに入射する光の入射角度は、位置Gに入射する光の入射角度よりも小さい。この入射角度の違いに合せて、位置Fと位置Gとで回折格子の回折角度を最適な値に設計することにより、どちらの位置においても同じ方向へ光を出射させることができる。

0034

図5(b)は、回折光学素子10に垂直に光が入射する場合を示している。
この場合、回折光学素子10の回折角度θは、光の波長をλ、回折格子のピッチをPとすると、以下の式により決められる。
sin(θ)=mλ/P
θ=asin(mλ/P)
ただし、mは、0、±1、±2・・・とする。
また、図5(c)は、回折光学素子10に入射角θiで光が入射する場合を示している。
この場合、回折光学素子10の回折角度θは、以下の式により決められる。
sin(θ)−sin(θi)=mλ/P
θ=asin(mλ/P+sin(θi))
ただし、mは、0、±1、±2・・・とする。
よって、光の波長が光源部210により決まるので、所望の回折角度となるようにするためには、上記式にしたがって、回折格子のピッチPを変更すればよい。回折角度が大きい回折格子ではピッチが狭くなり、回折角度が小さい回折格子ではピッチが広くなる。

0035

図6は、回折角度の異なる回折格子を並べて示す図である。
図6(a)の回折格子の方が、図6(b)の回折格子よりも回折角度が大きい、すなわち、ピッチが狭くなっている。
ここで、回折格子を構成する材料の屈折率(高屈折率部11の屈折率)をnとしたとき、溝深さ(凹部の深さ)Dについて次の式が知られている。
D=λ/(2(n−1))
先にも述べたように、従来は、回折光学素子においては、上記式により求められる溝深さにすると、出光効率が最もよいとされており、従来は、この数式にしたがった設計が行われていた。
したがって、従来の回折光学素子では、図6に示すように、回折角度が異なっても、すなわち、回折格子のピッチが異なっても、溝深さは一定であった。

0036

しかし、DOEの溝深さに関しては、上記式により一義的に決めるだけではなく、溝深さを変更することにより、さらに効率を高めることができたり、不要な出光(例えば、0次光)を減少することができたりする場合があることを本願の出願人は見いだした。以下、本実施形態の回折光学素子10における溝深さに関して説明する。

0037

図7は、本実施形態の回折光学素子10の異なる位置の回折格子の断面形状を示す図である。
本実施形態の回折光学素子10は、位置により光源部210からの光の入射角度が異なることに対応して、位置により回折格子のピッチが異なるように設計されている。そして、このピッチの変化は、溝幅(凹部の幅)の変化をもたらす。すなわち、凸部11aの幅と、凹部12の幅(溝幅)との比率は、例えば、1:1とする等と、予め決めておくものであるので、ピッチと凹部12の幅(溝幅)とは比例関係にあり、ピッチが増加すれば、溝幅も増加する。
図7に示す例では、ピッチP1よりもピッチP2が広く、さらにピッチP2よりもピッチP3が広くなっており、これに対応して、溝幅W1よりも溝幅W2が広く、さらに、溝幅W2よりも溝幅W3が広くなっている。ここで、ピッチP1の回折格子は、回折光学素子10において最もピッチが狭い回折格子であって、光源部210からの距離が最も遠い位置に配置されている。このピッチP1は、先に示した、回折角度=asin(λ/P)の式により決まるピッチに設定されており、溝深さD1は、D1=λ/(2(n−1))によって決まる深さに設定されている。

0038

ここで、上述したように、溝深さD1は、D1=λ/(2(n−1))としたが、この溝深さは、厳密にこの数式により求められる値に一致することを意味するものではない。すなわち、回折光学素子の作製には、必ず寸法のばらつきが発生するものであり、そのようなばらつき程度の数値的な幅をも含むものである。具体的には、高い加工技術を用いて慎重に作製しても、±10%程度の誤差は生じるものであり、生産性重視した加工技術を用いる場合には、±15%程度の誤差も生じる場合がある。したがって、上記数式により得られる数値には±15%の範囲をも含むものとして捉えるべきものである。
このことは、本実施形態に限るものではなく、特許請求の範囲においても、同様に±15%の誤差範囲を含むものである。

0039

また、ピッチP2の位置では、溝幅W2が溝幅W1より広くなっていることに対応して、溝深さD2が、溝深さD1よりも深く設定されている。
同様に、ピッチP3の位置では、溝幅W3が溝幅W2より広くなっていることに対応して、溝深さD3が、溝深さD2よりも深く設定されている。
さらに、溝幅と溝深さとの関係は、比例関係になっている。

0040

次に、溝深さを上記従来の数式に基づいた設計値から変更したときの出光値の変化を、ピッチを0.8λ、1λ、1.5λ、2λ、3λの4種類、かつ、入射角15度、及び入射角30度の2種類についてシミュレーションを行った結果を示す。なお、シミュレーションは、波長λ=800nmと、波長λ=980nmとの2種類について行った。
図8及び図9は、波長λ=800nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図10及び図11は、波長λ=800nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図8から図11のシミュレーションは、光の波長λ=800nm、回折格子を構成する材料の屈折率n=1.5として行った。したがって、溝深さD=λ/(2(n−1))=800nmが従来の標準とされている設計値となる。この値を本明細書中では、設計値と呼び、図8から図11中には、この設計値に対する深さの設計値比を深さとともに示している。よって、設計値比が1.0より大きいと、設計値よりも溝深さが深いことを表している。なお、これら及び後述のシミュレーション結果の表中の数値は、入射光の光量を1としたときの出光値を示している。

0041

図12は、波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図13は、波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図14は、波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図15は、波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図16は、波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角15度の場合には、ピッチが2λ、3λにおいて、溝深さを設計値比1.1の深さにすると、出光値は減るものの、0次光を減らすことができる。これにより、0次光が迷光等となって悪影響を与えるような場合には、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることが有効であるといえる。

0042

図17は、波長λ=800nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図18は、波長λ=800nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図19は、波長λ=800nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図20は、波長λ=800nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図21は、波長λ=800nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角30度の場合には、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることにより、出光値が上昇し、かつ、0次光が減少する範囲が存在している。特に、ピッチ1.5λでは、その傾向が顕著である。

0043

図22及び図23は、波長λ=980nm、入射角15度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図24及び図25は、波長λ=980nm、入射角30度のシミュレーション結果をまとめた図である。
図22から図25のシミュレーションは、光の波長λ=980nm、回折格子を構成する材料の屈折率n=1.5として行った。したがって、溝深さD=λ/(2(n−1))=980nmが従来の標準とされている設計値となる。この値を本明細書中では、設計値と呼び、図22から図25中には、この設計値に対する深さの設計値比を深さとともに示している。よって、設計値比が1.0より大きいと、設計値よりも溝深さが深いことを表している。

0044

図26は、波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図27は、波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図28は、波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図29は、波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図30は、波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角15度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角15度の場合には、λ=800nmの場合と同様に、ピッチが2λ、3λにおいて、溝深さを設計値比1.1の深さにすると、出光値は減るものの、0次光を減らすことができる。これにより、0次光が迷光等となって悪影響を与えるような場合には、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることが有効であるといえる。

0045

図31は、波長λ=980nm、ピッチが0.8λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図32は、波長λ=980nm、ピッチが1λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図33は、波長λ=980nm、ピッチが1.5λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図34は、波長λ=980nm、ピッチが2λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
図35は、波長λ=980nm、ピッチが3λ、入射角30度の場合の出光値に対する深さの影響を示すグラフである。
入射角30度の場合には、λ=800nmの場合と同様に、溝深さをピッチの広い(溝幅の広い)位置で設計値よりも深くすることにより、出光値が上昇し、かつ、0次光が減少する範囲が存在している。特に、ピッチ1.5λでは、その傾向が顕著である。

0046

さらに、入射角度の影響を調べるために、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させてシミュレーションを行った。このシミュレーションは、ピッチを0.8λ、1λ、1.5λの3種類について、入射角度を上記範囲で変化させている。なお、深さについては、設計値比で0.7から1.3の範囲で変化させて行った。なお、シミュレーションは、波長λ=800nmと、波長λ=980nmとの2種類について行った。
図36は、波長λ=800nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図37は、波長λ=800nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図38は、波長λ=800nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図39は、図36の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図40は、図37の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図41は、図38の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。

0047

図42は、波長λ=980nm、ピッチ0.8λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図43は、波長λ=980nm、ピッチ1λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図44は、波長λ=980nm、ピッチ1.5λについて、入射角度を0°、15°、30°、60°と変化させたシミュレーション結果をまとめた図である。
図45は、図42の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図46は、図43の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。
図47は、図44の結果をそれぞれグラフ化して並べて示した図である。

0048

図36から図47に示されるように、入射角度が大きくなるほど、溝深さが深くなることによって0次光を抑える効果が高くなっている。よって、これらの結果から、垂直入射よりも斜めに光が入射する場合の方が、溝幅が広い位置において、溝深さを設計値よりも深くすることにより得られる、光の利用効率を高める効果が高く、かつ、不要な0次光を抑える効果が高いことがわかる。具体的には、回折光学素子10入射させる光は、0°よりも大きく60°以下の入射角度で入射するようにするとよいといえる。

0049

以上説明したように、本実施形態によれば、溝幅が広い位置において、溝深さを設計値よりも深くしたので、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる。

0050

変形形態
以上説明した実施形態に限定されることなく、種々の変形や変更が可能であって、それらも本発明の範囲内である。

0051

(1)実施形態において、回折光学素子は、高屈折率部のみで構成されている簡単な形態として示した。これに限らず例えば、高屈折率部を形成するための透明基材を設けてもよいし、低屈折率部14を樹脂により構成してもよいし、回折層を被覆する被覆層を設けてもよい。

0052

(2)実施形態において、回折光学素子は、波長が980nmの赤外レーザーを回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、波長780nm以上の赤外線を回折するものであってもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。

0053

(3)各実施形態において、光照射装置は、光源が波長980nmの赤外レーザーを発光する例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源が波長780nm以上の赤外光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源を光照射装置に適用してもよい。

0054

なお、実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

0055

10回折光学素子
11高屈折率部
11a 凸部
12 凹部
13 空間
14低屈折率部
15回折層
200スクリーン
201 光
202照射領域
204 照射領域
210光源部

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