(57)【要約】【課題】照明光学系を大型化させずに、所定の投影範囲に効率的かつ均一に光を照射可能にする。【解決手段】本発明による拡散素子は、入射光に位相差を付与する構造を含む層である凹凸パターン層を備え、前記凹凸パターン層は、当該拡散素子への入射光の有効径内の領域を２つ以上の領域に分割してそれぞれの領域に対して光を入射したときに異なる拡散光を出射する位相分布を有している。また、前記凹凸パターン層は、各々光が入射されると前記出射角度範囲内に拡散光を出射する基本ユニットを配列してなり、前記配列には、ユニットサイズまたはユニット内の位相分布が少なくとも異なる基本ユニットが２以上含まれていてもよい。【選択図】図２
2014167550.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の投影面に応じて定められる出射角度範囲内に光を出射する拡散素子であって、
入射光に位相差を付与する構造を含む層である凹凸パターン層を備え、
前記凹凸パターン層は、
当該拡散素子への入射光の有効径内の領域を２つ以上の領域に分割してそれぞれの領域に対して光を入射したときに異なる拡散光を出射する位相分布を有している
ことを特徴とする拡散素子。
【請求項２】
前記投影面上を水平方向および垂直方向にそれぞれ２００以上の領域に分割したとき、それぞれの領域において計測される当該拡散素子から出射される光の強度が、前記投影面上の強度の平均値の０．２５倍以上である
請求項１に記載の拡散素子。
【請求項３】
前記凹凸パターン層は、各々光が入射されると前記出射角度範囲内に拡散光を出射する基本ユニットを配列してなり、
前記配列には、ユニットサイズまたはユニット内の位相分布が少なくとも異なる基本ユニットが２以上含まれている
請求項１または請求項２に記載の拡散素子。
【請求項４】
前記投影面上の位置に対して当該拡散素子から測定される出射角度をβとし、当該拡散素子から出射される光を前記投影面に投影した場合の中心部の光量によって規格化された光量分布をＩ（β）とするとき、前記投影面の少なくとも一部で以下の式を満たす
ｃｏｓ４β＜Ｉ（β）＜１／ｃｏｓ４β
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の拡散素子。
【請求項５】
前記凹凸パターン層は、高さの異なる面を２以上有する凹凸構造を含む
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の拡散素子。
【請求項６】
前記凹凸パターン層は、曲面を有する構造を含む
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の拡散素子。
【請求項７】
発散光が入射したときに前記出射角度範囲内に光を出射する拡散素子であって、
前記凹凸パターン層は、当該拡散素子への入射光の有効径内の領域を２つ以上の領域に分割してそれぞれの領域に対して平行光を入射したときに、各領域から出射される光の光軸から外側に向かう拡散角度が入射光の光軸から外側に行くに従って小さくなる拡散光を出射する位相分布を有している
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の拡散素子。
【請求項８】
当該拡散素子から出射される拡散光群からなる光束の出射角度が７．５°以上である
請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の拡散素子。
【請求項９】
所定の投影面に光を照射するための照明光学系であって、
光が入射されると、前記投影面に応じて定められる所定の出射角度範囲内に光を出射する拡散素子を備え、
前記拡散素子は、請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の拡散素子である
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項１０】
所定の投影面に向けて検査光を出射する照明光学系と、
前記照明光学系から出射される検査光が測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する検出部とを備え、
前記照明光学系は、
光を出射する光源と、
前記光源から出射された光が入射されると、前記投影面に応じて定められる所定の出射角度範囲内に光を出射する拡散素子とを有し、
前記拡散素子は、請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の拡散素子であり、
前記検出部は、前記拡散素子から出射される光を検査光として、前記検査光が測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する
ことを特徴とする計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、拡散素子、それを用いた照明光学系および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
拡散素子は様々な光学分野に用いられている。その一つとして回折光学素子があり、拡散素子から出射される所定の光を測定対象物に照射し、測定対象物によって散乱された光を検出することにより、３次元計測を行う装置が知られている。
【０００３】
例えば、特許文献１には、所定のスポットパターンを回折光学素子によって発生させ、それを測定物に投影し、その後の測定物に投影された反射光や散乱光の変化により測定物の位置情報を得る３次元計測装置が記載されている。
【０００４】
一方、３次元計測装置の他の形態として、タイムオブフライト法を用いた装置が知られている。タイムオブフライト法は、照明光を被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部において受光されるまでの光飛行時間を測定することで距離情報を得る方法である。タイムオブフライト法で距離検出のＳ／Ｎ比を向上させるためには、所定の投影範囲に対して効率的かつ均一な光の照射が重要となる。
【０００５】
例えば、特許文献２には、タイムオブフライト法を用いた計測装置において、インテグレータロッドなどのビーム成形素子を用いることで被写体からの反射光の光量を増大させて、深さ情報の正確性を向上させる照明光学系が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特表２００９−５３０６０４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１２８４２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
回折光学素子は、光の波面を制御することによって出射光の投影範囲を制限できるので、回折光学素子を用いれば、投影面に対して効率的に光を照射できる。しかし、回折光学素子が周期性を有している場合、投影面上で特許文献１のようにスポット状のパターンとなってしまい、均一な照明が得られないことがあった。均一照明が得られないと、タイムオブフライト法や、均一照明を必要とする光学系に使用できない問題がある。
【０００８】
このような回折光学素子の周期性によって発生するスポットパターンは、レーザ光源やＬＥＤ光源など、使用する光の光量が１００ｎｍ以下の狭い波長帯域に集中しているような光源を用いる場合に特に顕著になる。また、このようなスポットパターンは、マイクロレンズアレイなどの周期性を有する素子でも同様に発生する。
【０００９】
なお、特許文献２に記載されている照明光学系のように、インテグレータロッドを用いる場合、インテグレータロッド内に導入された光線を複数回反射させる必要があり、一般的に照明光学系が大きくなる問題がある。照明光学系が大きいと、３次元計測装置全体も大きくなるため、大きさの制限のある機器に搭載できなくなる、防犯機器など目立つことが好まれない装置に取り付けできなくなるといった問題が生じる。
【００１０】
そこで、本発明は、照明光学系を大型化させずに、所定の投影範囲に効率的かつ均一に光を照射できる拡散素子、照明光学系および計測装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明による拡散素子は、所定の投影面に応じて定められる出射角度範囲内に光を出射する拡散素子であって、入射光に位相差を付与する構造を含む層である凹凸パターン層を備え、前記凹凸パターン層は、当該拡散素子への入射光の有効径内の領域を２つ以上の領域に分割してそれぞれの領域に対して光を入射したときに異なる拡散光を出射する位相分布を有していることを特徴とする。
【００１２】
また、拡散素子は、前記投影面上を水平方向および垂直方向にそれぞれ２００以上の領域に分割したとき、それぞれの領域において計測される当該拡散素子から出射される光の強度が、前記投影面上の強度の平均値の０．２５倍以上であってもよい。
【００１３】
また、前記凹凸パターン層は、各々光が入射されると前記出射角度範囲内に拡散光を出射する基本ユニットを配列してなり、前記配列には、ユニットサイズまたはユニット内の位相分布が少なくとも異なる基本ユニットが２以上含まれている構成であってもよい。
【００１４】
また、拡散素子は、前記投影面上の位置に対して当該拡散素子から測定される出射角度をβとし、当該拡散素子から出射される光を前記投影面に投影した場合の中心部の光量によって規格化された光量分布をＩ（β）とするとき、前記投影面の少なくとも一部で以下の式を満たす構成であってもよい。
ｃｏｓ４β＜Ｉ（β）＜１／ｃｏｓ４β
【００１５】
また、前記凹凸パターン層は、高さの異なる面を２以上有する凹凸構造を含んでいてもよい。ここで、１つの高さ面は、凹凸構造が形成される基板面であってもよい。
【００１６】
また、前記凹凸パターン層は、曲面を有する構造を含んでいてもよい。
【００１７】
また、拡散素子は、発散光が入射したときに前記出射角度範囲内に光を出射する拡散素子であって、前記凹凸パターン層は、当該拡散素子への入射光の有効径内の領域を２つ以上の領域に分割してそれぞれの領域に対して平行光を入射したときに、各領域から出射される光の光軸から外側に向かう拡散角度が入射光の光軸から外側に行くに従って小さくなる拡散光を出射する位相分布を有している構成であってもよい。
【００１８】
また、拡散素子は、当該拡散素子から出射される拡散光群からなる光束の出射角度が７．５°以上であってもよい。
【００１９】
また、本発明による照明光学系は、所定の投影面に光を照射するための照明光学系であって、光が入射されると、前記投影面に応じて定められる所定の出射角度範囲内に光を出射する拡散素子を備え、前記拡散素子は、上述のいずれかの拡散素子であることを特徴とする。
【００２０】
また、本発明による計測装置は、所定の投影面に向けて検査光を出射する照明光学系と、前記照明光学系から出射される検査光が測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する検出部とを備え、前記照明光学系は、光を出射する光源と、前記光源から出射された光が入射されると、前記投影面に応じて定められる所定の出射角度範囲内に光を出射する拡散素子とを有し、前記拡散素子は、上述のいずれかの拡散素子であり、前記検出部は、前記拡散素子から出射される光を検査光として、前記検査光が測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、照明光学系を大型化させずに、所定の投影範囲に効率的かつ均一に光を照射できる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】第１の実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。
【図２】拡散素子の構成例を示す平面模式図である。
【図３】１つの基本ユニットが有する位相分布の例を示す説明図である。
【図４】拡散素子の構成例を示す断面模式図である。
【図５】拡散素子の他の構成例を示す模式断面図である。
【図６】拡散素子から出射される拡散光群と投影面との関係を模式的に示す説明図である。
【図７】拡散素子から出射される光の投影面上の分布である投影パターンの例およびその投影パターンをなす各光線の投影面内の位置と数との関係を示す説明図である。
【図８】発散光の光束の出射角度に応じた面積比および強度分布の比を説明するための説明図である。
【図９】回折素子の基本ユニットによる投影パターンの例を示す説明図である。
【図１０】周期性を有する拡散素子に光を入射したときの投影パターンの例を示す説明図である。
【図１１】第２の実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。
【図１２】第２の実施形態の拡散素子の構成例を示す平面模式図である。
【図１３】拡散素子からの出射光およびその強度分布の例を比較して示す説明図である。
【図１４】領域ごとにレンズの光軸を変位させた場合の出射光の例を示す説明図である。
【図１５】位相関数の例および各基本ユニットの位相分布の例を示す説明図である。
【図１６】拡散素子の他の例を示す説明図である。
【図１７】第１の例における各基本ユニットの投影パターンを示す説明図である。
【図１８】第１の例における基本ユニットの配置を示す説明図である。
【図１９】第１の例の拡散素子から出射される拡散光群の投影面上の分布（投影パターン）を示す説明図である。
【図２０】第１の例の拡散素子から出射される拡散光群による投影面上のある断面の光強度分布を示す説明図である。
【図２１】第２の例の拡散素子の面内位置に対する入射光の入射角度を示す説明図である。
【図２２】第２の例における各基本ユニットの投影パターンを示す説明図である。
【図２３】第２の例の拡散素子から出射される拡散光群の投影面上の分布（投影パターン）を示す説明図である。
【図２４】第２の例の拡散素子から出射される拡散光群による投影面上のある断面の光強度分布を示す説明図である。
【図２５】第３の例の拡散素子から出射される拡散光群の投影面上の分布（投影パターン）を示す説明図である。
【図２６】第３の例の拡散素子から出射される拡散光群による投影面上のある断面の光強度分布を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２４】
実施形態１．
図１は、本発明の第１の実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。図１に示す計測装置１００は、光源２０と、拡散素子１３０と、検出素子５０とを有している。
【００２５】
拡散素子１３０は、光源２０から出射された入射光１１を入射させると、検査光として拡散光群１２を発生させる。また、検出素子５０は、拡散素子１３０から出射された拡散光群１２からなる検査光が、測定対象物４０ａおよび４０ｂに照射されることによって生じる散乱光１３を検出する。なお、検出素子５０は、拡散素子１３０から出射された拡散光群１２が照射されている測定対象物４０ａおよび４０ｂを撮像するための撮像素子であってもよい。
【００２６】
拡散素子１３０は、複数の拡散光を発生させる拡散作用を有する部位を含んでいる。図１に示す計測装置１００では、そのような拡散作用を有する部位を含む拡散素子１３０に平行光または発散光または収束光である入射光１１を入射し、拡散素子１３０から拡散光群１２を出射させることによって、所定の照明範囲への効果的かつ均一照明を実現する。
【００２７】
拡散作用として、例えば、階段状の凹凸面または少なくとも一部で連続性を有する凹凸面による回折作用や、少なくとも一部で連続性を有する凹凸面による屈折作用を用いることができる。ここで、少なくとも一部で連続性を有する凹凸面とは、例えば、ブレーズ型回折格子が有する傾斜面や、マイクロレンズアレイやフレネルレンズアレイが有する曲面などの凹凸面の高さ変化が連続的な部位をいう。なお、不規則な不連続面による散乱作用はここでは考慮しない。
【００２８】
また、均一照明の状態として、撮像素子５０の各画素に対応する投影面の各位置における光の強度が、投影面における光強度の平均値に対して２５％以上の光強度を有していることが好ましく、５０％以上がより好ましい。このようにすることで光量の高い領域と光量の低い領域の差を小さくでき、投影範囲全体での測定ばらつきの小さい計測が可能になる。なお、光の強度を計算する際の各位置は、必ずしも撮像素子５０の画素と１対１の関係でなくてもよい。例えば、上記光の強度の条件を適用させる投影面の分割数は撮像素子５０の画素数以上であっても、画素数以下であってもよい。
【００２９】
投影面の分割数は、例えば水平方向、垂直方向に各２００以上が好ましく、水平方向に３２０以上かつ垂直方向に２４０以上がより分解能の高い計測が可能になり好ましい。撮像素子を必要としない用途に拡散素子１３０を用いる場合にも投影面を水平方向、垂直方向に各２００以上で分割することで均一照明の度合いを判断できる。なお、撮像素子を用いる場合、撮像系のコサイン４乗則によって投影面での強度に対して撮像素子で観察される光の強度が投影面上の光の強度に対してｃｏｓ４βとなることがある。このような場合には、投影面上の光の強度ではなく撮像素子で観察される光の強度の平均値を求め、各画素での強度がその２５%以上となるようにしてもよい。ここで、βは拡散素子からの光の出射角度である。
【００３０】
図１に示す例において、測定対象物４０ｂは、投影範囲を画する投影面の役割を果たしている。投影範囲は、検出素子５０で見えている画角の範囲すなわち検出範囲に対して±５０％以内が好ましく、±１０％以内がより好ましく、略一致した範囲がさらに好ましい。
【００３１】
光源２０から出射される光は、所定の変調がなされている。例えば、光源２０から出射される光の強度を正弦波または矩形波などで変調してもよい。所定の変調の位相と検出素子５０により検出される測定対象物４０ａ及び４０ｂによって反射された散乱光の位相との間の時間的なずれを計測することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの距離や３次元形状等の情報を取得できる。
【００３２】
拡散素子１３０から出射される拡散光群１２を１つの光束とみた場合、当該光束の出射角度αは７．５°以上が好ましく、１５°以上がより好ましく、３０°以上がさらに好ましい。これにより広い範囲での計測が可能になる。
【００３３】
次に、拡散素子１３０についてより具体的に説明する。図２（ａ）および図２（ｂ）は、本実施形態の拡散素子１３０の構成例を示す平面模式図である。既に説明したように、本実施形態の拡散素子１３０は、素子面内に異なる拡散作用を有する部位を２以上含む。当該部位は、図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるような、ユニットサイズが異なるまたはユニット内の位相分布が異なる２以上の基本ユニット（例えば、基本ユニットが３種類の場合として、３１ａ、３１ｂ、３１ｃなど）を含む複数の基本ユニット３１を２次元状に配列させることにより実現できる。図２において、符号３１ａ、３１ｂ、３１ｃは互いに異なる拡散作用を発現させる基本ユニットを示している。
【００３４】
図２（ａ）は、ユニットサイズが異なる２以上の基本ユニットを含む拡散素子１３０の例を示す平面模式図である。図２（ａ）に示す拡散素子１３０は、Ｘ軸方向に平均的なピッチＰｘａｖｇ、Ｙ軸方向に平均的なピッチＰｙａｖｇで複数の基本ユニット３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃなど）が２次元状に配列されている。
【００３５】
ここで、Ｘ軸方向の平均的なピッチＰｘａｖｇは、各基本ユニットのＸ軸方向のサイズをＰｘｉ（ｉ＝１〜Ｎ）としてＰｘａｖｇ＝ΣＰｘｉ／Ｎによって表わされる。なお、Ｙ軸方向についても同様である。すなわち、Ｙ軸方向の平均的なピッチＰｙａｖｇは、各基本ユニットのＹ軸方向のサイズをＰｙｉ（ｉ＝１〜Ｍ）としてＰｙａｖｇ＝ΣＰｙｉ／Ｍによって表わされる。図２（ａ）に示す例のように、サイズの異なる２以上の基本ユニットを含む複数の基本ユニット３１を２次元状に配置することで拡散素子１３０の周期性を低減している。
【００３６】
一方、図２（ｂ）は、ユニット内の位相分布が異なる２以上の基本ユニットを含む拡散素子１３０の例を示す平面模式図である。図２（ｂ）に示す拡散素子１３０は、複数の基本ユニット３１（３１ａ、３１ｂ、３１ｃなど）がＸ軸方向で同じピッチＰｘおよびＹ軸方向で同じピッチＰｙで配列されているが、そのうちの少なくとも２以上の基本ユニット３１が異なる位相分布を有することで拡散素子１３０の周期性を低減している。
【００３７】
また、図３は、１つの基本ユニット３１が有する位相分布の例を示す説明図である。図３（ａ）では、二値の位相分布を有する基本ユニット３１の例が示されている。拡散素子１３０は、例えば、面内のある領域において図３（ａ）に示す位相分布を発生させたい場合には、当該領域に、図３（ａ）において黒く塗りつぶされた領域を凸部とし、白抜きの領域を凹部とする凹凸パターンを、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材３２の表面に形成してもよい。また、入射光１１を透過させるのではなく、当該拡散素子１３０において入射光１１を反射させて所望の位相分布を有する拡散光群１２を発生させてもよい。
【００３８】
このような基本ユニットの位相分布またはユニットサイズを基本ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃの間で異ならせることで、図２（ａ）または図２（ｂ）に示すような拡散素子１３０を得られる。
【００３９】
基本ユニットの位相分布を変化させる方法として、例えば、基本ユニット内の凹凸パターンの２次元的な形状を変化させたり、凹凸パターンの高さや断面形状などを変化させてもよい。
【００４０】
なお、拡散素子１３０は、素子出射光において目的とする位相分布を発生できればよく、透明な部材の表面に凹凸パターンを形成する構造のものに限らず、例えば、凹凸パターンが形成された透明な部材の上に、この部材とは屈折率の異なる部材を貼り合わせ、表面を平坦にした構造のものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させる構造のものであってもよい。つまり、ここで、凹凸パターンとは、表面形状が凹凸である構造のみを意味するものではなく、入射光に位相差を与えることのできる構造を全て含むことを意味する。
【００４１】
また、拡散素子１３０における基本ユニット３１の数は整数である必要はなく、拡散素子１３０が有する凹凸パターン内に１つ以上の基本ユニットが含まれていればよい。例えば、凹凸パターンを有さない周辺部などの領域と凹凸パターンを有する領域との境界が基本ユニットの境界と一致していなくてもよい。
【００４２】
図３（ｂ）および図３（ｃ）は基本ユニットが有する位相分布の別の例を示すものであり、図３（ｂ）では、基本ユニットの凹凸パターンが複数の輪帯からなるフレネルレンズ構造である例を示しており、図３（ｃ）では、基本ユニットの凹凸パターンが回折格子である例を示している。図３（ｂ）のような基本ユニットの場合、基本ユニット内におけるフレネルレンズの焦点距離や、フレネルレンズの中心位置を変えることで、基本ユニット内の位相分布を変化させられる。また、ユニットサイズを変えることで、個々の基本ユニットが有する位相分布が同じユニット間でも異なる拡散作用を持たせられる。
【００４３】
また図３（ｃ）のような基本ユニットの場合、基本ユニット内における回折格子の回折光の回折角度や方位角を変えることで、基本ユニット内の位相分布を変化させられる。また、また、ユニットサイズを変えることで、個々の基本ユニットが有する位相分布が同じユニット間でも異なる拡散作用を持たせられる。
【００４４】
また、基本ユニットは屈折型のレンズであってもよい。このようなレンズをレンズアレイ化した場合にも離散的な回折光が生じ、それが干渉してスポット状のパターンとなることがあるが、基本ユニット内におけるレンズの中心、レンズの非球面形状や、基本ユニットのサイズを変化させることで、アレイ化時の周期性を低減できる。
【００４５】
図３（ａ）に示す２次元の凹凸パターンを有する回折素子や、図３（ｃ）に示すような回折格子を基本ユニットに用いると、投影面における光の強度分布を投影面の各位置ごとに細かく制御できるので好ましい。また、図３（ｂ）に示すフレネルレンズ構造を基本ユニットに用いると、均一な強度分布を得られやすく、また、屈折型のレンズでは実現が困難な強度分布が得られるので好ましい。
【００４６】
次に、拡散素子１３０の物理的な構造について説明する。図４は、拡散素子１３０の構成例を示す断面模式図である。なお、図４（ａ）は、基本ユニットが有する位相分布を異ならせることで周期性を低減させた拡散素子１３０の例を示している。また、図４（ｂ）には、基本ユニットのサイズを異ならせることで周期性を低減させた拡散素子１３０の例を示している。図４（ａ）および図４（ｂ）にはいずれも、ガラス等からなる透明基板３２の表面に凸部３３を形成することにより凹凸パターンを有する構造の拡散素子１３０が示されている。この拡散素子１３０では、透明基板３２の表面において、凸部３３の形成されていない領域が凹部３４となる。以下、便宜上、透明基板３２上で凹凸パターンを構成している層を凹凸パターン層３５という。
【００４７】
透明基板３２は、入射光に対し透明であればよく、ガラス基板の他、樹脂基板、樹脂フィルム等の種々の材料を使用できるが、ガラスや石英等の光学的等方材料は、透過光に複屈折性の影響がなく好ましい。また、透明基板３２は、例えば、空気との界面に多層膜による反射防止膜等を形成すれば、フレネル反射による光反射を低減できる。図４では、透明基板３２の片面に凹凸パターンが形成されているものを示しているが、拡散素子１３０は、透明基板３２の両面に凹凸パターンを形成してもよい。
【００４８】
また、拡散素子１３０は、拡散作用を有する面を複数有していてもよい。この場合、２つの素子からなるものであってもよいし、１つの素子が拡散作用を有する面を複数備えた構成であってもよい。拡散作用を有する面が２つ以上ある場合には各々の面によって生じる拡散方向が異なるようにしてもよい。これにより２つの面によって生じる拡散光間の干渉を低減できる。
【００４９】
また、図５は、拡散素子１３０の他の構成例を示す模式断面図である。図５に示すように、拡散素子１３０は、屈折作用を有するレンズ部３６を片側に有していてもよい。このようにすることで光源からの光束をコリメートするレンズ素子をなくすことができ、光学系を小型化できる。
【００５０】
図６は、拡散素子１３０から出射される拡散光群１２と投影面との関係を模式的に示す説明図である。拡散素子１３０は、発生する拡散光群１２による投影パターンが投影面において２次元的な分布を有するように、拡散作用を有する部位が形成されている。図６において、拡散素子１３０に入射する光束（入射光）の光軸方向をＺ軸とし、Ｚ軸と交点を持ちＺ軸に垂直な軸をＸ軸及びＹ軸とし、当該拡散素子１３０に入射光１１を入射したときに発生する拡散光群１２に含まれる各拡散光の拡散角度すなわち各拡散光とＺ軸とのなす角をθとすると、各θはＸ軸方向およびＹ軸方向において所定の角度範囲内に分布している。また、Ｘ軸方向において最大となる位置に出射される拡散光の拡散角度θを最大角度θｘｍａｘ、Ｘ軸方向において最小（−方向で最大）となる位置に出射される拡散光の拡散角度θを最小角度θｘｍｉｎ、Ｙ軸方向において最大となる位置に出射される拡散光の拡散角度θを最大角度θｙｍａｘ、Ｙ軸方向において最小（−方向で最大）となる位置に出射される拡散光の拡散角度θを最小角度θｙｍｉｎ、とすると、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により形成される拡散光群１２の照射範囲は、所望の投影範囲、本例では検出素子５０の検出範囲と略一致した範囲すなわち測定対象物４０ｂへの投影範囲となっている。
【００５１】
図６に示す例では、拡散素子１３０の投影パターンにおいて、Ｚ軸に対しＸ軸方向の角度がθｘｍａｘである拡散光を通るＹ軸に平行な直線を短辺とし、Ｚ軸に対しＹ軸方向の角度がθｙｍａｘである拡散光を通るＸ軸と平行な直線を長辺とする矩形領域が、拡散光群１２の照射範囲である。以下、上記短辺と上記長辺の交点と拡散素子を結ぶ直線とＺ軸とがなす角度をθdとし、この角度θdを対角方向の拡散角度と称する。
【００５２】
ここで、上述の出射角度αを、Ｘ軸方向における角度範囲＝｜θｘｍａｘ−θｘｍｉｎ｜÷２や、Ｙ軸方向における角度範囲＝｜θｙｍａｘ−θｙｍｉｎ｜÷２に置き換えてもよい。その場合、これら角度範囲のどちらかが７．５°以上が好ましく、１５°以上がより好ましく、３０°以上がさらに好ましい。
【００５３】
次に、本実施形態の拡散素子１３０の設計方法について説明する。設計の手順としては、Ｘ軸方向でθｘｍｉｎからθｘｍａｘの範囲内、Ｙ軸方向でθｙｍｉｎ、θｙｍａｘの範囲内となる出射光を出射する基本ユニットを１つ以上設計する段階と、設計した基本ユニットを配置する段階とがあり、以下ではその各々に関して説明する。
【００５４】
まず、基本ユニットの設計方法について説明する。ここでは、１つ以上の基本ユニットを各々、Ｘ軸方向でθｘｍｉｎからθｘｍａｘの範囲内、Ｙ軸方向でθｙｍｉｎ、θｙｍａｘの範囲内となる出射光を出射するように設計する。設計する基本ユニットの数は、基本ユニットのサイズを異ならせることで周期性を低減させる場合には１つであってもよいが、基本ユニットの位相分布を異ならせることで周期性を低減させる場合には２つ以上とする。
【００５５】
まず、ある１つの基本ユニット３１に対して平面波が入射する場合を考え、当該基本ユニット３１によって与えられる電場をＵ（ｘ，ｙ）とする。この電場Ｕ（ｘ，ｙ）を平面波展開し、Ｘ軸方向の波数がｋｘ、Ｙ軸方向の波数がｋｙとなる角スペクトルの成分をＡ（ｋｘ，ｋｙ）とすると、電場Ｕ（ｘ，ｙ）は以下の式（１）のように記述できる。このとき、当該基本ユニット３１を透過後の光の電場分布は、以下の式（１）により電場Ｕ（ｘ，ｙ）のフーリエ変換によって得られる。
【００５６】
【数１】
2014167550.tif 000003
【００５７】
式（１）における角スペクトル成分Ａ（ｋｘ，ｋｙ）の出射方向の光軸に対するＸ成分の角度をθｘ、Ｙ成分の角度をθｙとした時、ｋｘ＝２π／λ×ｓｉｎθｘ、ｋｙ＝２π／λ×ｓｉｎθｙである。したがって、光の強度である｜Ｕ（ｘ，ｙ）｜２が、Ｘ軸方向でθｘｍｉｎからθｘｍａｘの範囲内、Ｙ軸方向でθｙｍｉｎ、θｙｍａｘの範囲内において値を有するように、式（１）でＡ（ｋｘ，ｋｙ）を設計すればよい。
【００５８】
例えば、図３（ａ）に示すような回折素子を基本ユニットとする場合、当該基本ユニットの具体的な位相分布は、反復フーリエ変換法等の手法を用いて得てもよい。より詳細に説明すると、当該拡散素子１３０における基本ユニット３１の位相分布と当該拡散素子１３０により発生する回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の位相分布の逆フーリエ変換により、当該基本ユニット３１における位相分布を得られる。
【００５９】
また、拡散素子１３０を作製する際には、回折光の強度分布のみが制限条件となり、位相の条件は含まれないため、基本ユニット３１の位相分布は任意なものとなる。反復フーリエ変換法では、所望の回折光の光強度分布の逆フーリエ変換より、基本ユニット３１の位相分布の情報を抽出し、得られた位相分布を当該基本ユニット３１の位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。フーリエ変換の結果と所望の回折光の光強度の分布との差分を評価値として、上記計算を繰り返すことにより、評価値が最小となるような基本ユニットの位相分布を最適な設計値として得ればよい。
【００６０】
なお、回折素子の設計アルゴリズムは、上記以外にも、文献「Ｂｅｒｎａｒｄ Ｋｒｅｓｓ，Ｐａｔｒｉｃｋ  Ｍｅｙｒｕｅｉｓ著、小舘香椎子，他訳、”デジタル回折光学”、丸善出版、２００５年３月」等に記載されているように各種ある。また、フーリエ変換の方法としては、高速フーリエ変換アルゴリズム等を用いてもよい。
【００６１】
次に、回折光の光量分布について説明する。例えば、上述の式（１）における角スペクトルＡ（ｋｘ，ｋｙ）がある波数範囲で一定である場合、投影面上の回折光の密度分布は光軸から測定した角度βに対してｃｏｓ４βに比例する。これは、角スペクトルが一定である場合、これらの回折光を平面に投影すると光軸から離れた回折光ほど飛行距離が大きくなり、ピンクッション型の歪を形成するためである。また、そのような拡散光を発生させる拡散素子１３０に対して発散光を入射して均一な照明を行うと、拡散光群１２の投影面上の強度分布は光軸から測定した角度βに対してｃｏｓ４βに比例する。このような強度分布の現象について、以下、基本ユニット３１が周期的な配置となっている場合を例にとって示す。
【００６２】
図７は、隣り合う次数の回折光同士のなす角がおおよそ均一である拡散素子から出射される光の投影面上の分布である投影パターンの例およびその投影パターンをなす各光線の投影面内の位置と数との関係を示す説明図である。なお、図７（ａ）では、基本ユニットのＸ軸方向におけるピッチＰｘが５０．７μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが４７．６μｍであり、回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）がＸ軸方向に−３２次〜３２次、Ｙ軸方向に−２４次〜２４次となる６５×４９点の回折光を発生させる拡散素子に対して波長８３０ｎｍの平行光の入射光１１を入射した場合に、ｚ＝２０００ｍｍの位置における投影面４０ｃ上に発現する光の分布（投影パターン）を示している。また、図７（ｂ）は、投影面４０ｃを１５３．８ｍｍ×１１５．４ｍｍの長方形領域を単位とする複数の領域に分割し、光軸から測定した角度βに対して各長方形領域に含まれる光線の数すなわち投影された回折光の個数を、光軸付近の長方形領域に含まれる光線の数すなわち投影された回折光で規格化した値を示している。なお、図７（ｂ）では、同時にβ＝０°，５°，１０°，１５°，２０°，２５°，３０°におけるｃｏｓ４βを示している。
【００６３】
図７（ａ）に示すように、投影面４０ｃ上における回折による拡散光群による光の分布にはピンクッション型の歪が生じているのがわかる。また、図７（ｂ）に示すように、回折光の個数の分布すなわち密度分布がｃｏｓ４βの値と略一致していることがわかる。
【００６４】
このような強度分布を補正する方法の１つとして、投影面４０ｃにおける中心部分の回折光の数に対する、角度βにおける回折光の数の比であるＣｓ（β）を、少なくとも投影面の一部でＣｓ（β）＞ｃｏｓ４βとしてもよい。また、他の方法として、中心部の回折光の強度に対する、角度βにおける回折光の強度の比であるＣｐ（β）を、少なくとも投影面の一部でＣｐ(β)＞ｃｏｓ４βとしてもよい。また、これらの方法を組み合わせてもよい。回折光の数や強度は平均値として前述の式を満たすようにしてもよく、このような場合、投影範囲をいくつかの領域に分け、この領域の中の回折光の数や強度の平均値を考えてもよい。
【００６５】
投影範囲をいくつかの領域に分ける際の分割数は３×３の領域以上が好ましい。なお、１１×１１以上がより光量の傾向を把握できるのでより好ましい。また、分割数を、撮像素子の画素数に対して水平方向、垂直方向で１／１０以下になるようにすると局所的な光量の変動の影響を低減できるので好ましい。
【００６６】
また、検出素子５０がレンズなどの光学素子を含んでいる場合、コサイン４乗則によって画角の大きい位置から検出素子５０に検出される光量が減少するという問題が生じる。このような場合、投影面上の光量分布が１／ｃｏｓ４βを満たすようにすると検出素子５０上で検出される光の強度分布が均一になる。したがって、ｃｏｓ４β＜Ｃｓ（β）＜１／ｃｏｓ４β、ｃｏｓ４β＜Ｃｐ（β）＜１／ｃｏｓ４β、の少なくとも１つを満たすとより好ましい。これにより拡散素子１３０に光を入射し、該拡散素子１３０によって生じる発散光の光束群である拡散光群１２を投影面４０ｃに投影した場合の中心部の光量によって規格化された光量分布Ｉ（β）が投影面の少なくとも一部でｃｏｓ４β＜Ｉ（β）＜１／ｃｏｓ４βを満たすことができる。
【００６７】
図８は、発散光の光束の出射角度に応じた面積比および強度分布の比を説明するための説明図である。図８に示すように、例えば、拡散素子１３０から距離ｚの位置にある平面の投影面４０ｃに向かって出射角度βで発散光の光束Ａが出射されたとする。また、同様に、当該拡散素子１３０から投影面４０ｃに向かって出射角度０°で発散光の光束Ｂが出射されたとする。光束Ａ、Ｂは、ともに広がり角φｏを有する光束である。また、光束Ａの投影面４０ｃまでの距離をｚＡとする。なお、光束Ａ、Ｂについては、出射角度と広がり角とを規定するだけで、ここでは実際の光束が複数の回折光の光束群であるか１つの回折光であるかは特に問わない。
【００６８】
このとき、（１）投影面４０ｃに照射される光束Ａ、Ｂの進行方句に垂直な面の面積比（Ｓ０／Ｓ２）は（ｚ／ｚＡ）２＝（ｃｏｓβ）２に比例する。また、（２）光束Ａについて、進行方向に垂直な面と投影面に投影された面の面積比（Ｓ２／Ｓ１）はｃｏｓβに比例する。また、（３）拡散素子１３０が、隣り合う次数の回折光同士のなす角がおおよそ均一である拡散光群１２を発生させる場合、グレーティング方程式からｓｉｎθ＝ｍλ／Ｐが成り立つことから、拡散光群１２における次の次数との角度間隔Δθは、ｓｉｎ（θ＋Δθ）＝（ｍ＋１）λ／Ｐから求めることができる。Δθの２次以上の項を無視すると上記の式はｓｉｎθ＋Δθｃｏｓθ＝（ｍ＋１）λ／Ｐで近似できるため、元の式との差分を取るとΔθ＝λ／Ｐ／ｃｏｓθが成り立つ。従って、中心付近の回折光の角度間隔Δθ＝λ／Ｐと比較して、角度β付近の回折角は１／ｃｏｓβ倍大きくなっており、その分ｃｏｓβに比例して密度が下がることがわかる。
【００６９】
上記の（１）〜（３）を要因として、等間隔の次数分布を持つ回折による拡散光群の個数分布は光軸から測定した角度βに対してｃｏｓ４βに比例することがわかる。従って、発生させる拡散光群１２に含まれる回折光の次数分布を、中心付近に照射される回折による拡散光群の個数に対する同サイズの他の部分に照射される回折による拡散光群の個数の比が、角度βに関わらず１に近づくように調整すれば、全面で均一な照明を行うことができる。
【００７０】
なお、図７に示すように、平行光を入射したときの回折による拡散光群の個数分布がｃｏｓ４βに比例する場合、ｃｏｓ４βに比例して回折光の個数が変化することから、例えば入射光を発散光にすることで広げたとしても強度分布はｃｏｓ４βに比例する結果となる。
【００７１】
上記の説明は、周期性を有さない当該拡散素子１３０にも成立する。この場合、波数ｋｘ〜ｋｘ＋２π／Ｐｘと波数ｋｙ〜ｋｙ＋２π／Ｐｙの範囲にある回折光の強度を、後述の式（３）におけるηｍｎと置き換えれば上記と同様に考えることができる。
【００７２】
次に、設計した基本ユニットの配置方法について説明する。以下では、図３（ａ）に示すような回折素子を基本ユニットとして用いる場合を例に説明する。
【００７３】
基本ユニットの配置として、異なる投影パターンとなる光束群を出射する２つ以上の基本ユニットを入射光の有効径内に配置するのが好ましい。ここで、基本ユニットが出射する光束群の投影パターンを異ならせるためには上述したように２つの方法がある。これら２つの方法を、基本ユニットの配置方法において表現すると次のようになる。すなわち、１つは異なる凹凸パターンを有する基本ユニットを入射光の有効径内に配置する方法であり、１つはユニット単位で見ると相似の凹凸パターンであるが、各基本ユニットを配置するピッチが少なくとも入射光の有効径内で変化するように配置する方法である。
【００７４】
以下、各配置方法について説明する。まず、凹凸パターンの異なる基本ユニットを配置する方法について説明する。
【００７５】
図９は、回折素子の基本ユニットによる投影パターンの例を示す説明図である。回折素子の基本ユニットによる投影パターンは、図９（ｂ）のように明暗の模様となるため、投影範囲内のすべてに光を照射できない場合がある。このような場合、異なる明暗のパターンを投影する基本ユニットを複数用いることで投影面内を均一に照明することが可能になる。例えば、図９（ｂ）に示す投影パターンを有する基本ユニットと、図９（ｃ）に示す投影パターンを有する基本ユニットとを、図２（ｂ）に示すように入射光の有効径内に配置することで投影面上の投影パターンは図９（ａ）に示すような、図９（ｂ）の投影パターンと図９（ｃ）の投影パターンを重ね合わせたものとなる。この場合、面内の凹凸パターンのピッチ、すなわち基本ユニットのサイズは同一であっても異なっていてもよい。なお、ピッチを異ならせる場合には、例えば、図２（ａ）のような配置になる。
【００７６】
図２（ａ）のようにピッチを異ならせる場合、投影パターンが異なっていれば各基本ユニットのサイズは任意の値をとることができるが、基本ユニットのサイズが小さくなるとその分２次元的な凹凸の加工幅が小さくなり加工が難しくなる。一方で、基本ユニットのサイズが大きくなると有効径内に対して１つの基本ユニットが占める面積の割合が大きくなるので入射光の光量分布のばらつきを低減する効果が少なくなる。したがって、凹凸パターンのピッチ、すなわち基本ユニットのサイズとしては、１０μｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１００μｍ以上２．５ｍｍ以下がより好ましい。
【００７７】
次に、ユニット単位で見ると相似の凹凸パターンであるが、その凹凸パターンのピッチが少なくとも入射光の有効径内で変化するように配置する方法について説明する。回折素子の基本ユニットに平行光が入射した場合、当該基本ユニットによる出射光の電場分布は上述の式（１）で計算することができる。そして、式（１）の積分範囲はＸ軸方向で０〜Ｐｘｉ、Ｙ軸方向で０〜Ｐｙｉとなるので、θｘ方向、θｙ方向に出射される光線は、以下の式（２）のように書き換えることができる。なお、式（２）において、ｍ’ｘおよびｍ’ｙは変数であり、λは入射光の波長である。
【００７８】
【数２】
2014167550.tif 000004
【００７９】
ここで、ｍ’ｘおよびｍ’ｙは、特に高速フーリエ変換でフーリエ変換を計算するような場合、整数値をとる。ｍ’ｘおよびｍ’ｙが整数値の場合、上述の式（２）により回折光のＸ軸方向とＹ軸方向の最小の角度間隔は、ｍ’ｘ，ｍ’ｙを１としてａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｘｉ）、ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｙｉ）となり、波長λに比べてピッチが十分大きいような場合、λ／Ｐｘｉ、λ／Ｐｙｉとなる。
【００８０】
また、上述の式（１）においてＵ（ｘ，ｙ）は、基本ユニットを透過後の電場を表しており、基本ユニットの凹凸パターンを反映するものであるが、基本ユニットをＸ軸方向にＰ’ｘｉ／Ｐｘｉ倍、Ｐ’ｙｉ／Ｐｙｉ倍に伸長した凹凸パターンとする場合、基本ユニットのピッチの変化によってθｘ方向、θｙ方向に出射されていた光線は、以下の式（２ｂ−２）および式（２ｂ−２）に示すようにθ’ｘ方向、θ’ｙ方向に出射されることになる。このとき、回折光のＸ軸方向とＹ軸方向の最小の角度間隔はａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ’ｘｉ）、ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐ’ｙｉ）となり、波長λに比べてピッチが十分大きいような場合、λ／Ｐ’ｘｉ、λ／Ｐ’ｙｉとなる。
【００８１】
【数３】
2014167550.tif 000005
【００８２】
したがって、基本ユニットのサイズの変化によって出射光の角度間隔を変調することができる。図９（ｄ）は、このような変調の効果を模式的に示している。このような変調を行うことで、サイズの異なる基本ユニット間で各光線を異なる位置に投影でき、それらが重畳されることで投影面を均一に照明できる。
【００８３】
ところで、上述の式（２ｂ−１）においてθ’ｘ＝θｘ＋Δθｘ、Ｐ’ｘｉ＝Ｐｘｉ＋ΔＰｘｉとすると、式（２ｂ−１）はΔθｘ、ΔＰｘｉの１次の量を取って、Δθｘ≒−ｍ’ｘλΔＰｘｉ／（ｃｏｓθ’ｘＰｘｉ２）＝−ｔａｎθ’ｘΔＰｘｉ／Ｐｘｉと近似できる。この値の絶対値が角度間隔であるλ／Ｐｘｉの半値程度であれば角度間隔の中央値に光線を投影でき、投影面上で均一化が可能になる。Δθｘはθｘに依存し、θｘ＝０の近傍では、Δθｘ＝（−λ／Ｐｘｉ）×（ΔＰｘｉ／Ｐｘｉ）となり最大のΔθｘとなる。したがって、ΔＰｘｉ／Ｐｘｉの範囲としては、ΔＰｘｉ／Ｐｘｉ＜０．５が好ましい。基本ユニットが複数あるような場合には、ＰｘｉをＰｘａｖｇと置き換えてもよい。基本ユニットの平均的なピッチとしては上記と同様に１０μｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１００μｍ以上２．５ｍｍ以下がより好ましい。また、以上の説明は式（２ｂ−２）に基づき、Ｙ軸方向のピッチに対しても適応できる。
【００８４】
投影パターンが異なる基本ユニットの数が多いほど重ね合わせの効果が大きくなり、より均一な出射光を得られる。したがって、入射光の有効径内に含まれる異なる投影パターンを投影する基本ユニットの数は、２つ以上が好ましく、４つ以上がより好ましく、９つ以上がさらに好ましい。また、入射光がガウス分布などの強度分布を有する場合、入射光に対して複数の基本ユニットを作用させることで入射光の強度分布が出射光に影響する度合いを小さくできる。したがって、投影パターンが同一であるか否かにかかわらず、入射光の有効径内に含まれる基本ユニットの数は２つ以上が好ましく、４つ以上がより好ましく、９つ以上がさらに好ましい。
【００８５】
なお、図３（ａ）に示すような回折素子を基本ユニットとして用いる場合、一般的に表面の凹凸形状は複雑であり、基本ユニットの境界が判断しづらい場合がある。しかし、上記の設計は入射光の有効径内を２つ以上の領域に分割し、各々の領域で異なる投影パターンが得られる設計である。したがって、上記基本ユニットの数に関する条件を言い換えると、本実施形態の拡散素子１３０は、入射光の有効径内で異なる投影パターンが得られる領域を有する素子と言える。このとき、少なくとも入射光の有効径内を２以上の領域に分割し、各々の領域で異なる投影パターンが得られればよく、有効径内で４つ以上の領域に分割した際にそれぞれで異なる投影パターンが得られるとより好ましく、有効径内で９つ以上の領域に分割した際にそれぞれで異なる投影パターンが得られるとさらに好ましい。
【００８６】
なお、これまで回折素子を基本ユニットとして用いる場合を例に説明したが、図３（ｂ）に示すようなフレネルレンズ構造を基本ユニットとして用いる場合には、Φ＝Σａｉｒ２ｉで表わされる位相関数Φを用いて幾何光学による光線追跡を行うことでフレネルレンズから出射される光をＸ軸方向でθｘｍｉｎ、θｘｍａｘ、Ｙ軸方向でθｙｍｉｎ、θｙｍａｘとなる範囲に収めることができる。ここで、ｒはフレネルレンズの中心からの距離である。フレネルレンズの各輪帯のピッチＦｐはＦｐ＝２π／（∂Φ／∂ｒ）で求めることができる。このようなピッチＦｐの凹凸がある場合に、入射角θｉｎで入射した光の１次の回折光の回折角度θｏｕｔはｓｉｎθｏｕｔ＝ｓｉｎθｉｎ＋λ／ｐによって求めることができる。したがって基本ユニットの端部におけるＸ軸方向における輪帯のピッチＦｐｘｍｉｎとＹ軸方向における輪帯のピッチＦｐｙｍｉｎがそれぞれ、ｓｉｎ｜θｘｍａｘ｜＝ｓｉｎθｉｎ＋λ／Ｆｐｘｍｉｎ、ｓｉｎ｜θｙｍａｘ｜＝ｓｉｎθｉｎ＋λ／Ｆｐｙｍｉｎを満たすようにすればよい。
【００８７】
このように、基本ユニットから出射される光がＸ軸方向でθｘｍｉｎ、θｘｍａｘ、Ｙ軸方向でθｙｍｉｎ、θｙｍａｘとなる範囲に収まるよう設計する点は、他の基本ユニットでも同様である。
【００８８】
ところで、単一の基本ユニット３１がＸ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙの周期で２次元的に配置されている場合、出射光束は離散的なものとなり、そのような拡散素子では（ｍｘ、ｍｙ）次の離散的な回折光が発生する。この際、（ｍｘ、ｍｙ）次の回折光の回折効率ηｍｎは、以下の式（３）で表わされる。尚、ｍｘ、ｍｙは整数である。
【００８９】
【数４】
2014167550.tif 000006
【００９０】
このとき、（ｍｘ、ｍｙ）次の回折光の出射角度は、以下の式（４）のように表せる。なお、式（４）では、θｘｉをＸ軸方向における拡散素子への入射角度、θｙｉをＹ軸方向における拡散素子への入射角度、θｘｏをＸ軸方向における拡散素子からの出射角度、θｙｏをＹ軸方向における拡散素子からの出射角度としている。また、式（４）において、ｍｘ、ｍｙは整数である。
【００９１】
【数５】
2014167550.tif 000007
【００９２】
図１０は、同一のフレネルレンズ構造を有する基本ユニットが周期的に配置された拡散素子に光を入射したときの投影パターンの例を示す説明図である。図１０では、各基本ユニットのサイズが４０μｍ×３０μｍであり、出射角度が水平方向で３０°、垂直方向で２４°となるフレネルレンズを周期的に配置した拡散素子に光を入射した場合の投影パターンを示している。フレネルレンズ単体であれば離散的な投影パターンにはならないが、周期性が生じることで投影面上で干渉し、その結果、図１０に示すような離散的な投影パターンとなっている。
【００９３】
上記のように同一の投影パターンを有する基本ユニットが周期的に配置されると、素子全体による投影パターンは離散的になる。このため、図３（ｂ）に示すようなフレネルレンズ構造を基本ユニットとして配置する場合には、フレネルレンズの焦点距離、基本ユニットの中心に対するフレネルレンズの中心位置などを変化させることで、基本ユニットが有する投影パターンを変化させ、周期性を低減させる。この場合、図２（ｂ）に示すような基本ユニットの配置としてもよい。また、基本ユニットの大きさを変化させて、図２（ａ）に示すような配置としてもよい。
【００９４】
フレネルレンズの焦点距離、基本ユニットの中心に対するフレネルレンズの中心位置などを変化させる場合、変化量が大きい程周期性の低減がより可能になるが、投影範囲の外に出射される光量が増える場合があるので、これらの変化量はそれぞれのパラメータについて、全基本ユニットでの平均値に対して±５０%以内が好ましく、±２０％以内がより好ましい。また、基本ユニットのサイズの変化量は、ΔＰｘｉ／Ｐｘｉ＜０．５となるようにすると好ましい。また、基本ユニットの平均的なピッチは上記と同様に１０μｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１００μｍ以上２．５ｍｍ以下がより好ましい。
【００９５】
また、図３（ｃ）に示すような回折格子によって基本ユニットを構成するような場合には次のようにする。回折格子の凹凸のピッチをｐとするとき、入射角θｉｎで入射した光の１次の回折光の回折角度θｏｕｔはｓｉｎθｏｕｔ＝ｓｉｎθｉｎ＋λ／ｐによって求められる。したがって、上記の式で計算される光線が投影範囲内に収まるようにすればよい。なお、図３（ｃ）に示すような回折格子の場合、１種類の基本ユニットだけでは投影面全体に対して光を投影することができないため、異なる回折角度、回折方向を有する複数種類の回折格子を基本ユニットとして配置する。配置は、図２（ａ）に示すようにピッチを変化させる配置であっても、図２（ｂ）に示すようなピッチを変化させない配置であってもよい。
【００９６】
また、屈折レンズを基本ユニットとして用いるような場合にも屈折レンズの焦点距離、基本ユニットの中心に対する屈折レンズの中心位置などを変化させることで、基本ユニットが有する投影パターンを変化させられる。この場合も、変化量が大きい程周期性の低減がより可能になるが、投影範囲の外に出射される光量が増える場合があるので、これらの変化量はそれぞれのパラメータについて、全基本ユニットでの平均値に対して±５０%以内が好ましく、±２０％以内となるとより好ましい。また、基本ユニットのサイズを変化させることで、基本ユニットが有する投影パターンを変化させてもよく、その場合のサイズの変化量は、ΔＰｘｉ／Ｐｘｉ＜０．５となるようにすると好ましい。また、基本ユニットの平均的なピッチは上記と同様に１０μｍ以上５ｍｍ以下が好ましく、１００μｍ以上２．５ｍｍ以下がより好ましい。
【００９７】
また、基本ユニットを設計する際の他の指針として、検出素子５０が撮像素子であるような場合、撮像素子によって分割された投影面上の各領域において、それぞれの基本ユニットによって照射される投影面の分割領域の数をＮｉ、投影面全体の分割数をＮとするとき、ΣＮｉ＞Ｎとなるようにすれば投影面全面を照明できる。基本ユニットの出射パターンに重なりが生じた方がより高い均一性が得られるので、ΣＮｉ＞１．２Ｎを満たすとより好ましい。また、素子に入射する光束の有効径を分割し、それぞれの分割領域から出射される投影パターンが投影面上に照射される分割領域の数をＭｉとするとき、ΣＭｉ＞Ｎとなるようにすればよく、ΣＭｉ＞１．２Ｎを満たすとより好ましい。撮像素子を用いない用途に対しても分割領域を用いて同様に考えることができる。
【００９８】
以上のように、各基本ユニットから出射される光をほぼ投影範囲内に出射させられれば、光利用効率の高い拡散素子が得られる。拡散素子１３０に入射される光の光量と拡散素子１３０から出射される光の全体光量の比を利用効率とした場合に、利用効率は６０％以上が好ましく、７０%以上がより好ましく、８０％以上がさらに好ましい。また、入射光の有効径内に、異なる投影パターンを有する基本ユニットを２つ以上含ませることで、基本ユニットの周期性による影響を低減でき、出射光の離散化を防げる。さらに、異なる投影パターンが重畳されることで、均一性の高い拡散素子が得られる。また、そのような拡散素子を備えることによって、小型で、精度のよい距離情報が得られる計測装置を実現できる。
【００９９】
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。図１１は、本実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。なお、以下では第１の実施形態と同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。図１１に示す計測装置２００は、光源２０と、拡散素子２３０と、検出素子５０とを有している。
【０１００】
図１に示した計測装置１００と比べて、拡散素子１３０に代わって拡散素子２３０を有している点および拡散素子への入射光１１が入射光１１’となっている点が異なる。
【０１０１】
拡散素子２３０は、光源２０から出射された入射光１１’を入射させると、検査光として拡散光群１２を発生させる。また、検出素子５０は、拡散素子２３０から出射された拡散光群１２からなる検査光が、測定対象物４０ａおよび４０ｂに照射されることによって生じる散乱光１３を検出する。なお、検出素子５０は、拡散素子２３０から出射された拡散光群１２が照射されている測定対象物４０ａおよび４０ｂを撮像するための撮像素子であってもよい。
【０１０２】
拡散素子２３０は、第１の実施形態の拡散素子１３０と同様、複数の拡散光を発生させる拡散作用を有する部位を含んでいる。ただし、本実施形態では、そのような拡散作用を有する部位を含む拡散素子２３０に発散光または収束光である入射光１１’を入射し、拡散素子２３０から拡散光群１２を出射させることによって、所定の照明範囲への均一照明を実現する。なお、投影範囲や光源からの光の変調に関しては第１の実施形態と同様である。
【０１０３】
本実施形態においても、拡散素子２３０から出射される拡散光群１２を１つの光束とみた場合、当該光束の出射角度αは７．５°以上が好ましく、１５°以上がより好ましく、３０°以上がさらに好ましい。これにより広い範囲での計測が可能になる。
【０１０４】
次に、拡散素子２３０についてより具体的に説明する。図１２は、本実施形態の拡散素子２３０の構成例を示す平面模式図である。既に説明したように、本実施形態の拡散素子２３０も、素子面内に異なる拡散作用を有する部位を２以上含む。当該部位は、図１２に示されるように、有する位相分布が異なる２以上の基本ユニット（例えば、基本ユニットが３種類の場合として、３１ａ、３１ｂ、３１ｃなど）を含む複数の基本ユニット３１を２次元状に配列させることにより実現される。
【０１０５】
本実施形態では、入射光の光軸から外側にいくに従って平行光を入射した場合の拡散角度が小さくなるように基本ユニット３１を配置する。図１２に示す例では、基本ユニット３１ａは、素子の中心付近に配置されており、入射光１１’のうち入射角度が小さい光線が照射される。また、基本ユニット３１ｂは、基本ユニット３１ａよりも素子の周辺部位に配置されており、基本ユニット３１ａに比べて入射角度が大きい光線が照射される。また、基本ユニット３１ｃは、基本ユニット３１ｂよりも素子の周辺部位に配置されており、基本ユニット３１ｂに比べて入射角度が大きい光線が照射される。ここで、各基本ユニット３１に対して平行光が入射した場合、基本ユニット３１ａから出射する出射光の出射角度は基本ユニット３１ｂから出射する出射光の出射角度よりも大きく、基本ユニット３１ｂから出射する出射光の出射角度は基本ユニット３１ｃから出射する出射光の出射角度よりも大きい。
【０１０６】
図１３は、基本ユニットの出射光の出射角度を面内位置によって調整した場合とそうでない場合の素子全体での出射光およびその強度分布の例を比較して示す説明図である。図１３（ａ）は、基本ユニットの出射光の出射角度を面内位置によって調整した場合の素子全体での出射光の例とその強度分布の例を模式的に示す説明図である。また、図１３（ｂ）は、基本ユニットの出射光の出射角度を面内位置によって調整しない場合の素子全体での出射光の例およびその強度分布の例を模式的に示す説明図である。なお、図１３（ａ）、図１３（ｂ）では、いずれも素子に対して発散光が入射する場合を示している。
【０１０７】
素子全体での出射光である拡散光群１２に含まれる各光線の出射角度は、上述の式（４）の関係を満たす。したがって、例えばＸ軸方向に関して、最大角度θｘｍａｘの出射範囲に投影する場合、各基本ユニットに入射する入射光の入射角をθｘｉとして、以下の式（５）を満たすようにすれば、図１３（ａ）に示すように各基本ユニットからの出射光が所定の投影範囲に収めることができ、光の利用効率を高くできる。
【０１０８】
【数６】
2014167550.tif 000008
【０１０９】
つまり、各基本ユニットに対して所定の入射角度の入射光が入射した場合に、最小角度θｘｍｉｎ以上、最大角度θｘｍａｘ以下の出射光が発生するように各基本ユニットの構造を決めればよい。
【０１１０】
一方、図１３（ｂ）では素子の全面に１種類の基本ユニット（本例では３１ａ）を配置した拡散素子９３０の場合の例を示しているが、この場合に、均一照明を実現するために各基本ユニットから出射される各回折光のスポット領域を広げようと発散光を入射させると、素子の周辺部に対して斜めの光線が入射するために素子からの出射光である拡散光群９２の一部が所定の投影範囲の外に照射されてしまい、光の利用効率が落ちる。
【０１１１】
本実施形態の拡散素子２３０では、一部に図１３（ａ）における基本ユニット３１ａのような出射角度が大きい基本ユニットが周期的に配置されていてもよい。なお、この場合に平行光を入射すると、周期性の影響から回折によるスポットパターンが生じ得るが、このような回折の影響を抑制する方法として、入射光の広がり角を十分に大きくすればよい。周期性による回折光は、以下の式（６）にしたがって出射される。
【０１１２】
【数７】
2014167550.tif 000009
【０１１３】
このため、回折光の間隔はＸ軸方向でａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｘ）、Ｙ軸方向でａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｙ）となる。したがって、発生する回折光のギャップを埋めるために入射光の発散角度φは、φ＞ＭＩＮ（ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｘ）、ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｙ））／２が好ましく、φ＞ＭＩＮ（ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｘ）、ａｒｃｓｉｎ（λ／Ｐｙ））がより好ましい。なお、ＭＩＮ（  ，  ）は、（）内の数値の中から最も小さい値を返す関数である。
【０１１４】
基本ユニット３１としては、第１の実施の形態と同様のものを使用できる。なお、図１２では出射角度が異なる３種類の基本ユニット３１ａ、３１ｂ、３１ｃを利用する場合を示しているが、これに限らず各入射角度に対する基本ユニットの分割数を増減させてもよい。また、ある入射角度に対して同一の凹凸パターンの基本ユニット３１を用いる場合に限らず、略同一の出射角度となる複数種類の凹凸パターンの基本ユニット３１を用いてもよい。このようにすれば、周期性の影響を低減でき、入射光の発散角度φが小さいような場合にも回折の影響を低減できる。
【０１１５】
次に、本実施形態の拡散素子２３０の設計方法について説明する。本実施形態では、まず、拡散素子２３０に対して入射する発散光１１’の入射角度を拡散素子２３０上の各位置に対して求める。発散光の発光点と拡散素子２３０の距離をｚｉｎ、拡散素子２３０上の位置を（ｘ，ｙ）とすると、光線のＸ軸方向の入射角度θｘｉとＹ軸方向の入射角度θｙｉはｓｉｎθｘｉ＝ｘ／（ｘ２＋ｙ２＋ｚｉｎ２）０．５、ｓｉｎθｙｉ＝ｙ／（ｘ２＋ｙ２＋ｚｉｎ２）０．５となる。
【０１１６】
このようにして各位置における入射角度を求めた後に、拡散素子２３０の各位置に入射角度に応じてどのような出射角度を有する基本ユニットを配置するかを決定する。各基本ユニットから出射される出射光は上述の式（１）によって計算することができる。また、上述の式（２）と同様にＸ軸方向の入射角度θｘｉとＹ軸方向の入射角度θｙｉの光束が入射した場合のＸ軸方向の出射角度θｘｏとＹ軸方向の出射角度θｙｏは、以下の式（７）のように記述できる。なお、式（７）において、ｍ’ｘおよびｍ’ｙは変数であり、λは入射光の波長である。
【０１１７】
【数８】
2014167550.tif 000010
【０１１８】
そして、各位置に配置する基本ユニット３１を、式（７）より求まるｍ’ｘ、ｍ’ｙの最小値であるｍ’ｘｍｉｎ、ｍ’ｙｍｉｎおよび最大値であるｍ’ｘｍａｘ、ｍ’ｙｍａｘに対して、上述の式（６）を満たすように設計する。これにより、効率よく光を投影範囲内に投影できる。なお、式（６）を満たせば、同じ入射角度を有する領域で同じ基本ユニットを用いてもよい。
【０１１９】
各基本ユニットの設計および配置の例として、素子の面上を、例えば入射角度が０°〜５°、５°〜１０°、１０°〜１５°、１５°以上となる領域に分割し、各領域に対して上述の式（６）を満たす基本ユニットを設計し、配置してもよい。この場合、入射角度が大きい領域では入射角度が小さい領域よりも基本ユニットの出射角度は小さくなる。入射角度の分割は２以上が好ましく、４つ以上がより好ましい。例えば、入射角度の分割数が２以上であれば、入射角度に応じて少なくとも２種以上の出射角を有する基本ユニット３１を設計すればよい。
【０１２０】
他の例として、各位置もしくは入射角度に応じて分割された各領域ごとに、基本ユニット内の屈折レンズやフレネルレンズの光軸を入射光の光軸方向に変位させる方法がある。図１４は、屈折レンズを例に、領域ごとにレンズの光軸を変位させた場合の出射光の例を示す説明図である。なお、図１４（ａ）では、入射光が斜めに入射する位置に配される屈折レンズの光軸を入射光の光軸側に変位させた例において発散光が入射したときの出射光の例を模式的に示している。また、図１４（ｂ）では、図１４（ａ）に示す例において平行光が入射したときの出射光の例を模式的に示している。
【０１２１】
図１４（ａ）および図１４（ｂ）には、入射光が斜めに入射する位置に配される屈折レンズの光軸が入射光の光軸側に変位している例が示されている。図１４（ａ）において一点鎖線で示しているように、本例の拡散素子２３０に発散光１１’を入射すると、斜めに入射する光束の中心が入射光の光軸と一致した方向に出射される。このようにして、一点鎖線となる光線を中心にして投影範囲に対して光を投影できる。なお、そのような屈折レンズの中心位置の変位量は光線追跡を用いて計算できる。
【０１２２】
また、図１４（ｂ）に示すように、本例の拡散素子２３０は、入射光の光軸よりも外側に配置されている基本ユニット３１ｂに平行光を入射した場合の拡散角度ζｂと、入射光の光軸を含む位置に配置されている基本ユニット３１ａに平行光を入射した場合の拡散角度ζａとを比べると、ζｂ＜ζａとなっているのがわかる。同様に、入射光の光軸よりも外側に配置されている基本ユニット３１ｃに平行光を入射した場合の拡散角度ζｃと、入射光の光軸を含む位置に配置されている基本ユニット３１ａに平行光を入射した場合の拡散角度ζａとを比べると、ζｃ＜ζａとなっているのがわかる。なお、屈折レンズやフレネルレンズ構造の基本ユニットの場合、上記「入射光の光軸から外側にいくに従って、平行光を入射した場合の入射光の光軸に対して外側に向かう方向の拡散角度が小さくなるように」との条件における拡散角度は、図１４（ｂ）中のζ記号に付した矢印で示すように、入射光の光軸に対して外側に向かう方向の角度を言う。
【０１２３】
また、他の例として、入射光を平行光にする位相関数Φ（ｘ，ｙ）と、平行光が入射した場合に投影範囲内に光を照射する各基本ユニットの位相分布Ψｉ（ｘ−ｘｉ＿ｃｅｎｔｅｒ，ｙ−ｙｉ＿ｃｅｎｔｅｒ）を和算する方法がある。位相関数Φ（ｘ，ｙ）は入射光の光軸を中心としたフレネルレンズの位相分布であり、例えば図１５（ａ）に示すものである。図１５（ａ）では２値の位相となっているが、４値以上の位相を有するのが回折効率を高くできるので好ましい。また、基本ユニットの位相分布Ψｉは、例えば、各基本ユニットの中心座標（ｘｉ＿ｃｅｎｔｅｒ，ｙｉ＿ｃｅｎｔｅｒ）を中心にして図３（ａ）、図３（ｂ）、図３（ｃ）などの各種の位相分布を使用できる。図１５（ａ）は位相関数Φの例を示す説明図であり、図１５（ｂ）は素子上での各基本ユニットの位相分布Ψｉの例を示す説明図である。なお、図１５（ｂ）では、図３（ａ）に示す位相分布を有する基本ユニットを２次元的に配置した例を模式的に示している。図１５（ｂ）中の破線は、基本ユニットの境界位置を表している。なお、基本ユニットの位相分布Ψｉは１種類だけに限らない。また、図１５（ａ）および図１５（ｂ）では、位相関数Φの位相分布と、平行光入射時の各基本ユニットの位相分布Ψｉとを別々に示しているが、実際の素子上の位相波面は、図１５（ａ）と図１５（ｂ）を重ね合わせたものになる。入射光が斜めに入射した場合、各基本ユニットは、位相関数Φ（ｘ，ｙ）によって発生する位相により、図１４（ａ）に一点鎖線で示すように、入射光の光軸と一致した方向に光線を出射できる。また、基本ユニットの位相分布Ψｉ（ｘ−ｘｉ＿ｃｅｎｔｅｒ，ｙ−ｙｉ＿ｃｅｎｔｅｒ）によって投影範囲に対して光を投影できる。
【０１２４】
以上のような設計方法に従って各基本ユニットを設計することによって、２つ以上の異なる出射パターンの光束を投影面上で重ね合わせることができるので、より均一な投影光を得られる。なお、本実施形態の拡散素子２３０においても、第１の実施形態と同様に、投影面４０ｃ上における拡散光群１２による光の分布にはピンクッション型の歪等を考慮して、拡散光群１２の投影面上の強度分布を補正するのが好ましい。強度分布の補正は、各基本ユニットの設計の段階で計算により行ってもよいし、実際に投影させた結果から補正量を計算し、設計値にフィードバックさせてもよいし、これらを組み合わせて用いてもよい。
【０１２５】
また、本実施形態においても基本ユニットの境界が判断しづらい場合がある。しかし、本実施形態の拡散素子２３０は、平行光を入射した際に、素子の光軸から離れる方向をプラス方向としたとき、プラス方向の出射角度が素子から離れるに従って小さくなる素子と言える。この性質は、図１４に示す例に限らず、本実施形態の拡散素子２３０が共通して有している性質である。
【０１２６】
また、本実施形態における拡散素子２３０への入射光１１’は、測定対象物に投影される時点で進行方向に対して広がりを有するものであれば収束光であってもよい。例えば、拡散素子２３０と投影面４０ｃの間に集光位置を有するような収束光であれば、入射光１１’とできる。なお、凹凸パターン層３５に入射する光が収束光となる場合、当該拡散素子２３０に平行光を入射した場合の面内の基本ユニットの拡散角度の分布が、入射光の光軸から外側にいくに従って、平行光を入射した場合の入射光の光軸に対して内側に向かう方向の拡散角度が小さくなるように、各基本ユニット３１を配置すればよい。
【０１２７】
入射光１１’を発散光または収束光とする方法として、当該拡散素子２３０の入射側にレンズやフレネルレンズなどの回折レンズを配して当該拡散素子２３０への入射光１１’の広がり角φを調整してもよい。また、回折レンズ以外にも、所定の拡散角を有する拡散板を用いてもよい。また、回折光学素子やホログラム素子を用いてもよい。
【０１２８】
また、入射光１１’を発散光または収束光とする方法以外に、拡散素子２３０の入射側に拡散板などの光の広がり角を変化させる素子を配置してもよい。そのような場合には、入射光１１’を平行光とできる。また、拡散素子２３０に対して発散光または収束光が入射される場合にも、拡散素子２３０の入射側にこれらの素子を配置させて入射光１１’の広がり角を調整できるようにしてもよい。
【０１２９】
また、図１６（ａ）〜図１６（ｃ）に示すように、そのような発散機能または収束機能を有する素子と拡散素子２３０を一体化して形成してもよい。図１６（ａ）に示す例は、凹レンズ３６ａと拡散素子２３０を一体化したものであり、透明基板３２の１つの面（出射側）に上述したような領域ごとに異なる拡散作用を有する凹凸パターン層３５を形成し、他の面（入射側）に発散機能を付与する凹レンズ３６ａを形成している。また、図１６（ｂ）に示す例は、凸レンズ型のフレネルレンズ３６ｂと拡散素子２３０を一体化したものであり、入射側の面に図１６（ａ）の凹レンズ３６ａに代わり、収束機能を付与する凸レンズ型のフレネルレンズ３６ｂを形成している。また、図１６（ｃ）に示す例は、拡散板と拡散素子２３０を一体化したものであり、入射側の面に図１６（ａ）の凹レンズ３６ａに代わり、拡散板３６ｃを形成している。発散機能または収束機能を有する素子と拡散素子２３０を一体化する場合、拡散素子２３０への入射光１１’は平行光を用いてもよい。上記の凹レンズ３６ａ、フレネルレンズ３６ｂ、拡散板３６ｃは透明基板３２を加工して形状を付与してもよく、透明基板３２上に透明基板３２とは異なる透明材料を加工して設けてもよい。
【０１３０】
また、上記各実施形態では、所定の出射角度範囲内への均一照明を実現する拡散素子を測定装置に適用した例を示したが、本発明の拡散素子の適用先は測定装置に限らない。例えば、所定の出射角度範囲内に光を照射することにより部材を加工する加工機等にも適用可能である。
【実施例】
【０１３１】
以下、上述した拡散素子１３０および２３０について具体的な数値等を用いて説明する。なお、以下の各例における拡散素子は、水平方向に±３０°、垂直方向に±２３．４°の範囲を所望の照射範囲とするものである。ここで、例１および例２は実施例であり、例３は比較例である。
【０１３２】
（例１）
以下、第１の例について示す。本例の拡散素子１３０は、石英を２段の凹凸形状に加工したものであり、４ｍｍ×３ｍｍ領域内に基本ユニット３１が２次元的に配置されているものである。本例では、各基本ユニット３１として、図３（ａ）に示した例のように２次元の凹凸構造を有する回折素子を用い、その配置は図２（ａ）に示すような面内でピッチが異なるものとなっている。
【０１３３】
各基本ユニットは、上述の式（１）によって計算される出射角度の範囲が水平方向に±３０°、垂直方向に±２３．４°となるよう設計されている。具体的には、各基本ユニットは、フーリエ変換した際に図１７（ａ）から図１７（ｉ）に示す９つの投影パターンのいずれかとなる光を出射する位相分布を有している。これらの投影パターンは、いずれも１万点のドットパターンから成り立っている。本例では、計算機によって乱数を発生させることで９つの異なる投影パターンを設計している。なお、いずれの投影パターンも、それぞれの中心よりも周辺でスポット数が２倍以上となるようにスポットの発生確率に傾斜が付与されている。また、本例では、投影パターンから基本ユニットの位相分布を求める方法として反復フーリエ変換による方法を用いた。
【０１３４】
また、各基本ユニットは、Ｘ軸方向のピッチが２５０μｍ±４μｍ、Ｙ軸方向のピッチが２５０μｍ±４μｍとなるようにサイズが変調されて配置されている。図１８は、本例の拡散素子１３０における基本ユニットの配置を示す説明図である。本例の拡散素子１３０における基本ユニットは、図１８（ａ）に示すように配置されている。なお、図１８において、アルファベットａ〜ｉは、図１７（ａ）から図１７（ｉ）に示した各投影パターンのアルファベットを示している。なお、各パターンは、素子内にランダムに配置されている。また、図１８（ｂ）は、図１８（ａ）で示した配置の右下の一部分を拡大して示している。図１８（ｂ）に示すように、各基本ユニットは、Ｘ軸方向のピッチが２４６μｍ、２５０μｍ、２５４μｍ、Ｙ軸方向のピッチが２４６μｍ、２５０μｍ、２５４μｍのいずれかとなるように配置されている。
【０１３５】
本例の拡散素子１３０の製造方法は以下のとおりである。まず、各基本ユニットの位相分布を実現させる凹凸パターンを決定する。これにより面内の凹凸パターンが決定する。次に、透明基板３２として石英基板を用い、その石英基板３２の表面上に、決定した凹凸パターンに対応するレジストパターンを形成する。そしてそのレジストパターンに対してＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチングを行って、石英基板３２の表面に凹凸パターン層３５を形成する。
【０１３６】
図１９に示す黒色のパターンは、本例の拡散素子１３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に、光強度の検出用に設置したある面上に投影される拡散光の分布を撮影したものである。なお、設置した面は所望とする投影面よりも大きい面積を有している。図１９に示すように、本例では投影面内にスポット状のパターンは観察されず、投影面全体を照明することができている。図２０に、図１９における水平方向の断面の強度分布を示す。図２０に示す強度分布は、断面を２５００分割した際の強度となっており、強度の単位は任意である。図２０において投影面の水平方向の領域端に相当する位置２００から位置２２５０までの強度の平均値は２１５となっており、最小値は１０１であった。これにより、各領域における光の強度は平均値に対して４７％以上であることがわかる。また、投影範囲内の光の利用効率は７３％であった。
【０１３７】
（例２）
以下、第２の例について示す。本例の拡散素子２３０は、石英を２段の凹凸形状に加工したものであり、３ｍｍ×４ｍｍ領域内に基本ユニット３１が２次元的に配置されているものである。本例では、各基本ユニットとして、図３（ａ）に示した例のように２次元の凹凸構造を有する回折素子を用いた。なお、本例の拡散素子２３０は、Ｘ軸方向の出射角度の半値全幅が８°、Ｙ軸方向の出射角度の半値全幅が１６°となる入射光が入射し、当該拡散素子２３０と光源の発光点の間の距離が４ｍｍである測定装置２００に用いられる。このような配置において、本例の拡散素子２３０の面内に入射する光線の入射角度は、図２１に示すものとなる。
【０１３８】
図２１は、本例の拡散素子３０の面内における入射光の入射角度の分布を示す説明図である。なお、図２１では、面内を１２×１６の領域に分割し、それら分割された各領域につき当該領域の入射角度を示すことで素子面内における入射角度分布を表している。
【０１３９】
各基本ユニットは、図２１に示す入射角度に応じて分割された４つの領域に対して、平行光を入射したときの拡散角度が異なるように配置されている。より具体的には、図２１において太線で囲っているように、面内領域を入射角度が５°以下の第１領域と、５°以上１０°以下の第２領域と、１０°以上１５°以下の第３領域と、１５°以上の第４領域の４つの領域に分割し、各領域に配置する基本ユニットの平行光入射時の拡散角度の大小関係が、第１領域＞第２領域＞第３領域＞第４領域となるように、各領域に対して以下に示す４種類の基本ユニットのいずれかが、Ｘ軸方向のピッチが２５０μｍ、Ｙ軸方向のピッチが２５０μｍで配置されている。
【０１４０】
各基本ユニットは、具体的には、フーリエ変換した際に図２２（ａ）から図２２（ｄ）に示す４つの投影パターンのいずれかとなる光を出射する回折素子の位相分布を有している。そして、第１領域には図２２（ａ）に示す位相分布を有する基本ユニット３１が上述のピッチで配置され、第２領域には図２２（ｂ）に示す位相分布を有する基本ユニット３１が上述のピッチで配置され、第３領域には図２２（ｃ）に示す位相分布を有する基本ユニット３１が上述のピッチで配置され、第４領域には図２２（ｄ）に示す位相分布を有する基本ユニット３１が上述のピッチで配置されている。なお、図２２（ａ）〜図２２（ｄ）を比較してわかるように、図２２（ａ）に示す投影パターンが最も出射範囲が広く、図２２（ｄ）に示す投影パターンが最も出射範囲が狭くなっている。また、本例では、投影パターンから基本ユニットの位相分布を求める方法として反復フーリエ変換による方法を用いた。
【０１４１】
各領域において入射光の波長を８３０ｎｍとした場合に、Ｘ軸方向およびＹ軸方向の最大出射角度と上述の式（６）の右辺の最大値をもとめた表を以下に示す。以下の表１には、上述の式（５）から計算される各入射角度に対応した最大回折角度を最大出射角度として示している。各領域ともＸ軸方向およびＹ軸方向の最大出射角度がそれぞれ２３．４°、３０°となっており、入射光が発散光であっても投影領域内に効率よく光を投影できることがわかる。
【０１４２】
【表１】
2014167550.tif 000011
【０１４３】
本例の拡散素子２３０の製造方法は、第１の例と同様である。すなわち、まず、各基本ユニットの位相分布を実現させる凹凸パターンを決定する。これにより面内の凹凸パターンが決定した。次に、透明基板３２として石英基板を用い、その石英基板３２の表面上に、決定した凹凸パターンに対応するレジストパターンを形成した。そしてそのレジストパターンに対してＲＩＥ等のドライエッチングを行って、石英基板３２の表面に凹凸パターン層３５を形成した。
【０１４４】
図２３に示す黒色のパターンは、本例の拡散素子２３０に対して波長８３０ｎｍの発散光を入射した場合に、光強度の検出用に設置したある面上に投影される拡散光の分布を撮影したものである。図２３に示すように、本例では投影面内にスポット状のパターンは観察されず、投影面全体を照明することができている。図２４に、図２３における垂直方向の断面の強度分布を示す。図２４に示す強度分布は、断面を３０００分割した際の強度となっており、強度の単位は任意である。図２４において投影面の垂直方向の領域端に相当する位置５００から位置２５００における平均値は７７となっており、最小値は４２であり、各領域における光の強度は平均値に対して５５％以上であった。
【０１４５】
（例３）
以下、第３の例について示す。本例の拡散素子９３０は、上述の第１の例に対する比較例であって、石英を２段の凹凸形状に加工したものであり、２ｍｍ×２．５ｍｍ領域内にＸ軸方向のピッチが５０２μｍ、Ｙ軸方向のピッチが４７７μｍである単一の基本ユニット３１が２次元的かつ周期的に配置されているものである。
【０１４６】
本例の拡散素子９３０が備える各基本ユニット３１は、上述の式（１）に計算される出射角度の範囲が、実施例１と同じく水平方向に±３０°、垂直方向に±２３．４°となるように設計されている。なお、具体的には、投影面内にランダムなパターンを投影する回折素子を１つ設計し、それを基本ユニット３１として用いる。また、該基本ユニットの位相分布は反復フーリエ変換によって求めた。
【０１４７】
本例の拡散素子９３０の製造方法は、第１の例と同様である。すなわち、まず、各基本ユニットの位相分布を実現させる凹凸パターンを決定する。これにより面内の凹凸パターンが決定する。次に、透明基板３２として石英基板を用い、その石英基板３２の表面上に、決定した凹凸パターンに対応するレジストパターンを形成する。そしてそのレジストパターンに対してＲＩＥ等のドライエッチングを行って、石英基板３２の表面に凹凸パターン層３５を形成する。
【０１４８】
図２５に示す黒色のパターンは、本例の拡散素子９３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に、光強度の検出用に設置したある面上に投影される拡散光の分布を撮影したものである。図２５に示すように、本例では基本ユニットの周期性により投影面内にスポット状のパターンが発生しており、投影面の一部に光が照射されない領域が発生している。図２６に、図２５における水平方向の断面の強度分布を示す。図２６に示す強度分布は、断面を２５００分割した際の強度となっており、強度の単位は任意である。図２６において投影面の水平方向の領域端に相当する位置２００から位置２２５０までの強度の平均値は１２０となっており、最小値は２１であった。これにより、最小値を示す領域における光の強度は平均値に対して１８％であることがわかる。また、投影範囲内の光の利用効率は７２％であった。
【産業上の利用可能性】
【０１４９】
本発明は、特定の範囲に光を効率よくかつ均一に照射したい用途であれば、測定装置に限らず適用可能である。
【符号の説明】
【０１５０】
１００、２００  計測装置
１１、１１’  入射光
１２  拡散光群（検査光）
１３  散乱光
２０  光源
１３０、２３０  拡散素子
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ  測定対象物（投影面含む）
５０  検出素子
３１、３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  基本ユニット
３２  透明基板
３３  凸部
３４  凹部
３５  凹凸パターン層
３６  レンズ部
３６ａ  凹レンズ
３６ｂ  フレネルレンズ
３６ｃ  拡散板
【図１】
2014167550.tif 000012
【図２】
2014167550.tif 000013
【図３】
2014167550.tif 000014
【図４】
2014167550.tif 000015
【図５】
2014167550.tif 000016
【図６】
2014167550.tif 000017
【図７】
2014167550.tif 000018
【図８】
2014167550.tif 000019
【図９】
2014167550.tif 000020
【図１０】
2014167550.tif 000021
【図１１】
2014167550.tif 000022
【図１２】
2014167550.tif 000023
【図１３】
2014167550.tif 000024
【図１４】
2014167550.tif 000025
【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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