(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できるようにする。【解決手段】本発明の照明光学系は、平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子を備え、回折光学素子の凹凸パターン層に発散光または収束光を入射して、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させる。また、照明光学系は、回折光学素子と、回折光学素子の光入射側または光出射側に設けられる拡散素子とを備え、回折光学素子に拡散素子が変換した発散光を入射する、または、回折光学素子から出射される２次元の分布を有する回折光群に含まれる各回折光を拡散素子で発散光に変換することにより、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させてもよい。【選択図】図１
2014035920.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子を備え、
前記回折光学素子の凹凸パターン層に発散光または収束光を入射して、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させる
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項２】
前記回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ＞０．５Δθを満たす
請求項１に記載の照明光学系。
【請求項３】
前記回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角が１６°よりも小さい請求項１または請求項２に記載の照明光学系。
【請求項４】
平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子と、
平行光が入射されると、入射された平行光を発散光に変換する拡散素子とを備え、
前記拡散素子は、前記回折光学素子の光入射側または光出射側に設けられ、
前記回折光学素子に前記拡散素子が変換した発散光を入射する、または、前記回折光学素子から出射される２次元の分布を有する回折光群に含まれる各回折光を前記拡散素子で発散光に変換することにより、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させる
ことを特徴とする照明光学系。
【請求項５】
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の照明光学系であって、所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光を出射する光源、または、光源から出射された光を所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光にして出射する素子を含む照明光学系と、
前記照明光学系から出射される発散光の回折光群が、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た
ことを特徴とする計測装置。
【請求項６】
平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されており、
前記凹凸パターン層は、発散光または収束光が入射されると、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させ、
前記凹凸パターン層は、入射される発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ＞０．５Δθを満たす発散光の回折光群を発生させる
ことを特徴とする回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、照明光学系、計測装置及びそれに用いられる回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
所定の光を測定対象物に照射し、所定の光が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ある。このような３次元計測装置の一つ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比を向上させるには、所定の投影範囲に効率的かつ均一な光の照射が必要となる。
【０００３】
特許文献１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。また、特許文献２には、拡散板と回折光学素子とアキシコンとを用いて均一な照明を実現する３次元マッピング装置について記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−１２８４２５号公報
【特許文献２】特表２００９−５３１６５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１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。
【０００６】
また、特許文献２に記載されている３次元マッピング装置は、拡散板と回折光学素子とを組み合わせているが、回折光学素子を、拡散板による拡散を減らすため、または拡散板から照射される光の光強度分布を補正するために用いており、回折光学素子によって光の照射範囲を広げようというものではない。
【０００７】
また、特許文献２に記載された方法では、散乱角の大きな拡散板を用いると、スペックルが発生しやすくなる問題がある。
【０００８】
また、所定の投影範囲への光照射技術に関して、例えば、凹レンズを用いて入射される光の照射範囲を広げれば、所定の投影範囲に光を照射できる。しかし、レンズを用いて光の照射範囲を広げる方法では、光源から丸い形状の光ビームが出射される場合、投影範囲の形状によっては、投影範囲の周辺（例えば、投影範囲が矩形であれば、その上下左右の領域）に無駄な照射が行われることになり、光の利用効率が低下する問題がある。また、レンズを用いて光の照射範囲を広げただけでは、入射された光の強度分布がそのまま照射光の強度分布となるので、強度分布を均一するためには光を成形する必要があり、そのためにレンズ系が大きくなる問題がある。
【０００９】
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照明光学系、計測装置及びそれに用いられる回折光学素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明による照明光学系は、平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子を備え、回折光学素子の凹凸パターン層に発散光または収束光を入射して、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させることを特徴とする。
【００１１】
また、照明光学系は、回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ＞０．５Δθを満たすように構成されていてもよい。
【００１２】
また、照明光学系は、回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角が１６°よりも小さくてもよい。
【００１３】
また、本発明による照明光学系は、平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子と、平行光が入射されると、入射された平行光を発散光に変換する拡散素子とを備え、拡散素子は、回折光学素子の光入射側または光出射側に設けられ、回折光学素子に拡散素子が変換した発散光を入射する、または、回折光学素子から出射される２次元の分布を有する回折光群に含まれる各回折光を拡散素子で発散光に変換することにより、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させてもよい。
【００１４】
また、本発明による計測装置は、上述のいずれかの照明光学系であって、所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光を出射する光源、または、光源から出射された光を所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光にして出射する素子を含む照明光学系と、照明光学系から出射される発散光の回折光群が、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たことを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による回折光学素子は、平行光が入射されると２次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されており、凹凸パターン層は、発散光または収束光が入射されると、主光線が２次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させ、凹凸パターン層は、入射される発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ＞０．５Δθを満たす発散光の回折光群を発生させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
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】
【００１７】
【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】回折光学素子３０の構成例を示す平面模式図である。
【図３】回折光学素子３０の構成例を示す断面模式図である。
【図４】回折光学素子３０の光スポットパターンの一例を示す説明図である。
【図５】回折光学素子３０から出射される回折光群１２の例を示す説明図である。
【図６】回折光学素子３０の光スポットパターンの例およびその光スポットパターンについて投影面内の位置と光スポットの数との関係を示す説明図である。
【図７】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】回折光学素子３０の他の例を示す模式図である。
【図９】例１の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１０】例２の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１１】例３の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１２】例４の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１３】例５の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１４】例６の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１５】例７の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１６】例８の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１７】例９の計測装置における回折光学素子の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１８】例１０の計測装置における回折光学素子３０の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。
【図１９】各例のパラメータをまとめて示す説明図である。
【図２０】例１〜７，９，１０の水平方向の放射照度の分布をまとめて示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。図１は、本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１０は、光源２０と、回折光学素子３０と、検出素子５０とを有している。
【００１９】
回折光学素子３０は、光源２０から出射された光束１１を入射させると、検査光として回折光群１２を発生させる。また、検出素子５０は、回折光学素子３０から出射された回折光群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、回折光学素子３０から出射された回折光群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。
【００２０】
回折光学素子３０は、平行光が入射されると複数の回折光を発生させる回折作用を有する部位を含んでいる。図１に示す計測装置では、そのような回折作用を有する部位を含む回折光学素子３０に発散光または収束光を入射し、回折光学素子３０から回折光群１２として発散光の光束群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。
【００２１】
なお、収束光を入射する場合には、回折光学素子３０がない場合に収束光の最小ビーム径の位置が回折光学素子３０と測定対象物（図１に示す例では、一番手前にある測定対象物４０ａ）の間に位置するようにすればよい。すなわち、測定対象物に投影される時点で光が進行方向に対して広がりを有する収束光を入射すればよい。これにより測定対象物４０ａ及び４０ｂに照射される光は発散光となる。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
回折光学素子３０から出射される回折光群１２を１つの光束とみた場合、当該光束の出射角度αは１５°以上であれば好ましく、３０°以上であればより好ましい。これにより広い範囲での計測が可能になる。
【００２５】
次に、本実施形態の回折光学素子３０についてより具体的に説明する。図２は、本実施形態の回折光学素子３０の構成例を示す平面模式図である。本実施形態の回折光学素子３０は、回折作用を有する部位を有するが、その部位には、図２（ａ）に示されるように、Ｘ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙの基本ユニット３１が２次元状に周期的に配列されている。なお、図２（ａ）は、回折光学素子３０の一例を示す平面模式図であり、図２（ｂ）は、回折光学素子３０が備える基本ユニット３１が有する位相分布の例を示す説明図である。図２（ｂ）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。回折光学素子３０は、例えば、図２（ｂ）に示す位相分布を発生させるべく、図２（ｂ）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基本ユニット３１として、そのような基本ユニット３１の凹凸パターンの周期構造を、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材３２の表面に形成したものであってもよい。また、光束１１を通過させるのではなく、回折光学素子において光束１１を反射させて回折光群１２を発生させてもよい。
【００２６】
なお、回折光学素子３０は、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。
【００２７】
なお、回折光学素子３０における基本ユニット３１の数は整数である必要はなく、回折光学素子３０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。
【００２８】
図３は、回折光学素子３０の構成例を示す断面模式図である。図３には、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回折光学素子３０が示されている。この回折光学素子３０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。
【００２９】
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３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、回折光学素子３０は、透明基板３２の両面に凹凸パターンを形成してもよい。
【００３０】
図４は、回折光学素子３０の光スポットパターンの一例を示す説明図である。回折光学素子３０は、平行光を入射した場合に、発生する回折光群１２による光スポットが投影面において２次元的な分布を有するように、回折作用を有する部位が形成されている。換言すると、平行光を入射した場合に回折作用により光が２方向以上の方向に分離して出射されるように、回折作用を有する部位が形成されている。図４において黒い丸印で示した箇所は、回折光学素子３０に平行光１１’が入射した場合の回折光学素子３０から出射される各回折光の光スポット１２１の位置を表している。本発明では、このような平行光が入射したときの光スポット１２１の分布を回折光学素子３０の光スポットパターンという。
【００３１】
図４において、回折光学素子３０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、当該回折光学素子３０に平行光１１’を入射したときに発生する回折光群１２に含まれる各回折光の回折角度すなわち各回折光と回折格子法線とのなす角を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軸方向において最小となる位置に出射される回折光の回折角度θを最小角度θｘｍｉｎ、Ｘ軸方向において最大となる位置に出射される回折光の回折角度θを最大角度θｘｍａｘ、Ｙ軸方向において最小となる位置に出射される回折光の回折角度θを最小角度θｙｍｉｎ、Ｙ軸方向において最大となる位置に出射される回折光の回折角度θを最大角度θｙｍａｘ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により形成される回折光群１２の照射範囲は、所望の投影範囲すなわち検出素子５０の検出範囲と略一致した範囲となっている。
【００３２】
図４に示す例では、回折光学素子３０の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軸に平行な直線を短辺とし、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軸と平行な直線を長辺とする矩形領域が、回折光群１２の照射範囲である。以下、上記短辺と上記長辺の交点（例えば、図中におけるＰd）と回折光学素子を結ぶ直線とＺ軸とがなす角度をθdとし、この角度θdを対角方向の回折角度と称する。
【００３３】
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１５°以上であれば好ましく、３０°以上であればより好ましい。
【００３４】
また、通常、回折光学素子３０の断面は、凹凸形状やブレーズ形状等により形成されるが、回折光学素子３０の断面が連続的なブレーズ形状以外の形状で形成される場合や、断面がブレーズ形状であっても製造上のバラツキを有している場合には、所望の回折光の他に迷光が発生する場合がある。しかしながら、このような迷光は、設計段階において意図しているものではなく、所望の回折光ではないため、上記角度範囲内に分布している光には含まないものとする。
【００３５】
回折光学素子３０は、迷光の光強度が、所望の回折光における光強度の平均に対し、７０％以下となるように形成されていることが好ましい。また、回折光学素子３０は、入射する光量に対する所望の投影範囲に出射される回折光の光量の和が５０％以上となるように形成されていることが好ましい。これにより、高い光利用効率で投影光を形成できる。
【００３６】
次に、本実施形態の回折光学素子３０の設計方法を具体的に説明する。図４では、回折光学素子３０に平行光１１’が入射した場合に出射される回折光群１２と、これにより生成される光スポット１２１群との関係を示した。このとき、各回折光は、以下の式（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に回折される光として示される。
【００３７】
【数１】
2014035920.tif 000003
【００３８】
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１１の波長であり、Ｐｘ、Ｐｙは回折光学素子に形成される基本ユニットの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。
【００３９】
平行光を入射した場合、当該回折光学素子３０から出射される回折光群１２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と、図４に示すように、照射された領域に複数の光スポット１２１が生成される。
【００４０】
このような複数の光スポット１２１を生成できる回折光群１２を出射する回折光学素子３０は、反復フーリエ変換法等により設計できる。すなわち、所定の位相分布を生じさせる基本ユニット３１を周期的に配置した構成とする本実施形態の回折光学素子３０においては、遠方における回折光の回折次数の分布を、基本ユニット３１におけるフーリエ変換により得ることができる。このことはスカラー回折理論によって次のように説明される。
【００４１】
電磁場はベクトル量であるが、等方的な媒質中ではスカラー量により表わすことができる。ここで、時間ｔｍ、点Ａにおけるスカラー関数ｕ（Ａ、ｔｍ）は、以下の式（２）で表わされる。なお、式（２）は、入射する光が単色光の場合を示しており、Ｕ（Ａ）は点Ａにおける複素振幅であり、ωは角周波数である。
【００４２】
【数２】
2014035920.tif 000004
【００４３】
また、式（２）に示すスカラー関数は、全空間で以下の式（３）に示す波動方程式を満たす。
【００４４】
【数３】
2014035920.tif 000005
【００４５】
式（２）に示すスカラー関数を式（３）に示す波動方程式に代入すると、以下の式（４）に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。
【００４６】
【数４】
2014035920.tif 000006
【００４７】
ここで、ｋは波数であり、ｋ＝２π／λである。式（３）に示される波動方程式を解くことにより、空間におけるスカラー関数の分布が計算される。
【００４８】
また、ある位相分布を与える十分に薄い平面スクリーンをΣで示し、Σ上における点をＡ１とし、平面波がΣを透過した場合の点Ａ０におけるスカラー関数をキルヒホッフの境界条件を用いて、上述の式（４）に示す式から計算すると、ｒ０１を点Ａ０と点Ａ１の距離とした場合、以下の式（５）が得られる。
【００４９】
【数５】
2014035920.tif 000007
【００５０】
更に、点Ａ０における座標を（ｘ０、ｙ０、０）、点Ａ１における座標を（ｘ１、ｙ１、ｚ）とし、ｚが｜ｘ０−ｘ１｜、｜ｙ０−ｙ１｜よりも十分大きな値であるものとすると、ｒ０１を展開することにより、以下の式（６）に示されるフラウンホーファー近似式を得ることができる。
【００５１】
【数６】
2014035920.tif 000008
【００５２】
式（６）に示すフラウンホーファー近似式は、スクリーンによって与えられる位相分布のフーリエ変換に相当する。特に、スクリーン後における位相分布ｕ（Ａ１）がＸ軸方向にピッチＰｘ、Ｙ軸方向にピッチＰｙの周期性を有する場合、ｕ（Ａ０）は、上述の式（１）のように、（ｍｘ、ｍｙ）次の回折光が発生する。
【００５３】
この際、（ｍｘ、ｍｙ）次の回折光の回折効率ηｍｎは、周期性の基本ユニットが有する位相分布ｕ’（ｘ１、ｙ１）を用いて、以下の式（７）で表わされる。なお、ｍｘ、ｍｙは整数である。
【００５４】
【数７】
2014035920.tif 000009
【００５５】
したがって、基本ユニットの位相分布が得られれば、そのフーリエ変換によって回折光における強度分布の計算ができるため、基本ユニットの位相分布の最適化により、所望の分布の回折光を発生させる回折光学素子が得られる。
【００５６】
このように、本実施の形態における回折光学素子３０は、反復フーリエ変換法等の手法を用いて作製できる。より詳細に説明すると、当該回折光学素子３０における基本ユニット３１の位相分布と当該回折光学素子３０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、回折光の電場分布の逆フーリエ変換により、基本ユニット３１における位相分布を得ることができる。
【００５７】
また、回折光学素子３０を作製する際には、回折光の強度分布のみ制限条件となり、位相の条件が含まれないため、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３１の位相分布を最適な設計として得られる。
【００５８】
回折光学素子の設計アルゴリズムは、上記以外にも、Ｂｅｒｎａｒｄ Ｋｒｅｓｓ，Ｐａｔｒｉｃｋ  Ｍｅｙｒｕｅｉｓ著、「デジタル回折光学」（丸善）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ることができる。
【００５９】
また、回折光学素子３０は、回折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つの素子が回折作用を有する面を複数備えた構成であってもよい。回折作用を有する面が２つ以上ある場合には各々の面によって生じる回折光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回折光間の干渉を低減できる。
【００６０】
次に、本実施形態の計測装置１０における回折光学素子３０への入射光の状態について説明する。図５（ａ）は、平行光である入射光１１’が入射した場合の回折光学素子３０から出射される回折光群１２の例を模式的に示す模式図である。回折光学素子３０に平行光１１’が入射した場合、回折光学素子３０が備える基本ユニット３１の周期構造である凹凸パターンの回折作用によって入射光１１’は複数の光束に分割され、図５（ａ）に示すように、複数の回折光１２２となって出射される（図中の符号１２２−１、１２２−２参照）。したがって投影面４０ｃの光量分布は離散的なものとなる。
【００６１】
一方、図５（ｂ）は、発散光である入射光１１が入射した場合の回折光学素子３０から出射される回折光群１２の例を模式的に示す模式図である。回折光学素子３０に発散光である入射光１１を入射した場合、図５（ａ）に示した各回折光１２２を主光線とする発散光の回折光が発生する。なお、図５（ｂ）では本例で発生する発散光の各回折光の主光線１２３を一点鎖線で示している（図中の符号１２３−１、１２３−２参照）。本例で発生する各回折光は、発散することで広がりながら投影面４０ｃに照射される。入射光１１の広がり角φと回折光学素子３０の光スポットパターンにおける光スポット間隔を調整し、各回折光が互いに重なり合うようにすれば、投影面４０ｃの光量分布は連続的なものとなる。
【００６２】
ここで、連続的な光量分布とは、図５（ａ）に示されるような離散的な光量分布を有する各回折光１２２との対比表現として用いており、有限な面積によって積算された光量を計測した場合にその光量分布が連続的であることを示している。例えば、光源としてレーザなどを用いる場合、回折光群１２に含まれる各回折光同士が干渉することでスペックルが生じ投影面上で細かい光量の明暗が生じることがある。このように、実際にはスペックルの影響により厳密に連続的とはいえない光量分布となる場合であっても、有限な面積によって積算された光量分布が離散的なものでなければ連続とみなすことができる。光量の積算を行う有限な面積としては、計測装置の水平および垂直方向の解像度に対応する水平および垂直方向の長さを有する長方形の面積とするのが好ましい。
【００６３】
また、本回折光学素子３０は、各回折光の光量の積算値に対して投影範囲に入射される光量の積算値の比が０．７よりも大きいことが好ましく、かつ、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比が０．１５より大きいことが好ましい。
【００６４】
入射光１１の広がり角φは、図５（ｂ）における回折光群１２に含まれる隣り合う各回折光の主光線１２３すなわち平行光１１’が入射したときに発生する回折光群１２に含まれる隣り合う各回折光１２２とのなす角をΔθとすると、Δθの０．５倍よりも大きいと好ましく、Δθの０．７倍よりも大きいとより好ましく、Δθよりも大きいとさらに好ましい。これは、Δθに対して入射する光束の広がり角φが小さすぎると、隣り合う回折光との間の光の重なりが不十分になり光量の不均一が生じるためである。なお、本発明における入射光１１の広がり角φは、入射光の光量分布がガウス分布として中心の強度に対して強度が１／ｅ２となる光線の広がり角のことをいう。なお、図５（ｂ）では、１つの回折光の主光線１２３−１とそれと隣り合う他の回折光の主光線１２３−２とのなす角Δθのみを記しているが、回折光群１２内で隣り合う各回折光の主光線１２３とのなす角Δθが均一でない場合は、角度範囲内に分布している回折光群１２内における各Δθの最大値を当該回折光群１２におけるΔθの値とみなしてもよい。なお、各Δθの算出対象とする回折光には、角度範囲内に分布しない回折光すなわち製造上のバラツキによって発生する迷光等は含めない。
【００６５】
また、入射光１１の広がり角φは回折光学素子３０によって生じる対角の回折角度θｄよりも小さいことが好ましく、１６°よりも小さいとさらに好ましく、６．５°よりも小さいとさらに好ましく、５°よりも小さいとさらに好ましく、３．５°よりも小さいとさらに好ましく、１．５°よりも小さいとさらに好ましい。これは、入射光１１の広がり角φが大きすぎると、投影範囲に均一性よく光を入射させようとした場合、投影面の境界領域よりも外側に出射される光の光量が増えて効率の低下につながるためである。
【００６６】
また、半導体レーザなどから出射される光束は、ビーム整形素子などを通さない場合、半導体レーザの発光層に垂直な方向と平行な方向とで広がり角が異なる場合がある。これらの広がり角を水平方向の広がり角φｘ、垂直方向の広がり角φｙとした場合、半導体レーザからの出射光が、水平方向により大きな広がり角φｘすなわちφｘ＞φｙであるとして、水平方向の隣り合う回折光の主光線１２３とのなす角Δθｘと、垂直方向の隣り合う回折光の主光線１２３とのなす角Δθｙとを、Δθｘ＞Δθｙとなるように設計してもよい。このような場合にもΔθｘ＞０．５φｘ、Δθｙ＞０．５φｙを満たすと好ましく、Δθｘ＞０．７φｘ、Δθｙ＞０．７φｙを満たすとより好ましく、Δθｘ＞φｘ、Δθｙ＞φｙを満たすとさらに好ましい。
【００６７】
次に、回折光の光量分布について説明する。例えば、回折光の次数の分布が（−ｉ，−ｊ）、（−ｉ＋１，−ｊ）、…、（ｉ，−ｊ）、（−ｉ，−ｊ＋１）、…（ｉ，ｊ）のように、（２ｉ＋１）×（２ｊ＋１）点の均一な次数分布を持つ場合、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、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、そのような回折光を発生させる回折光学素子３０に対して発散光を入射して均一な照明を行うと、回折光群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。
【００６８】
上記の例として、図６に、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回折光学素子３０の光スポットパターンの例およびその光スポットパターンについて投影面内の位置と光スポットの数との関係を示す。なお、図６（ａ）では、基本ユニット３１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方向に−３２次〜３２次、Ｙ方向に−２４次〜２４次となる６５×４９点の回折光を発生させる回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光１１’を入射した場合に、ｚ＝２０００ｍｍの位置における投影面４０ｃ上に発現する光スポットの分布（光スポットパターン）を示している。また、図６（ｂ）は、図４にＲｉｊとして示すような、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Ｒｉｊに含まれる光スポット１２１の数すなわち投影された回折光１２２の個数を、光軸付近の長方形領域に含まれる光スポット１２１の数すなわち投影された回折光１２２で規格化した値を示している。なお、図６（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。
【００６９】
図６（ａ）に示すように、投影面４０ｃ上における回折光群１２による光スポット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６（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。すると、そのような回折光を発生させる回折光学素子３０に対して発散光を入射して均一な照明を行うと、回折光群１２の投影面上の強度分布も光軸から測定した角度βに対してｃｏｓ４βに比例することになる。
【００７０】
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、図４に示すように投影範囲をいくつかの領域Ｒｉｊ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。
【００７１】
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。したがって、ｃｏｓ４β＜Ｃｓ（β）＜１／ｃｏｓ４β、ｃｏｓ４β＜Ｃｐ（β）＜１／ｃｏｓ４β、をそれぞれ満たすとより好ましい。これにより回折光学素子３０に発散光または収束光を入射し、該回折光学素子３０によって生じる発散光の光束群である回折光群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。
【００７２】
図７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７に示すように、例えば、当該回折光学素子３０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、当該回折光学素子３０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までの距離はｒである。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。
【００７３】
（１）このとき、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／ｒ）２＝（ｃｏｓβ）２に比例する。
【００７４】
（２）また、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。
【００７５】
（３）また、回折光学素子３０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回折光群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、回折光群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。したがって、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。
【００７６】
上記の（１）〜（３）を要因として、等間隔の次数分布を持つ回折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。したがって、発生させる回折光群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。
【００７７】
なお、図６に示すように、平行光を入射したときの回折光群の個数分布がｃｏｓ４βに比例する場合、ｃｏｓ４βに比例してスポットの個数が変化することから、これ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。
【００７８】
既に説明したように、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も同様の機能を与えることができる。例えば、回折光学素子３０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。
【００７９】
入射光１１を発散光または収束光とする方法として、当該回折光学素子３０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回折光学素子３０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。
【００８０】
また、入射光１１を発散光または収束光とする方法以外に、回折光学素子３０に対して平行光を入射して出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。また、回折光学素子３０に対して発散光または収束光が入射される場合にも、回折光学素子３０の出射側にこれらの素子を配置させてもよい。出射側に配置される素子が、回折光学素子３０から出射される回折光群１２に含まれる各回折光を、所定の広がり角を有する発散光または収束光に変換させることによって、回折光学素子３０への入射光を所定の広がり角を有する発散光または収束光を入射させた場合と同様の効果を得られる。
【００８１】
また、図８（ａ）〜図８（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回折光学素子３０を一体化して形成してもよい。図８（ａ）に示す例は、凹レンズ３６ａと回折光学素子３０を一体化したものであり、透明基板３２の１つの面に回折機能を付与する凹凸パターン層３５を形成し、他の面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８（ｂ）に示す例は、凸レンズ型のフレネルレンズ３６ｂと回折光学素子３０を一体化したものであり、透明基板３２の１つの面に回折機能を付与する凹凸パターン層３５を形成し、他の面に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８（ｃ）に示す例は、拡散板と回折光学素子３０を一体化したものであり、透明基板３２の１つの面に回折機能を付与する凹凸パターン層３５を形成し、他の面に発散機能を付与する拡散板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回折光学素子３０を一体化する場合、回折光学素子３０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。
【００８２】
なお、図８（ａ）〜図８（ｃ）では１つの面に回折機能を付与し、他の面に発散機能または収束機能を付与する例を示しているが、回折機能と、発散機能または収束機能とを１つの面で重畳させる構成としてもよい。これは、回折機能を持たせるために必要な位相分布と発散機能を持たせるために必要な位相分布を足し合わせ、それに合わせた凹凸パターンを形成することで実現できる。重畳された位相分布は図２（ａ）に示すように周期的な基本ユニットを有さない構造となる。回折機能の位相分布は重畳された位相分布から発散機能の位相分布の差を取ることで解析が可能である。この場合にも入射光１１は平行光を使用できる。
【実施例】
【００８３】
以下、上述した計測装置１０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計測装置は、水平方向に±３１°、垂直方向に±２４°の範囲の距離計測を行うものである。ｚ＝２０００ｍｍの位置における投影範囲は、水平方向に２４００ｍｍ、垂直方向に１８００ｍｍとなる。また、各例では、隣り合う回折光の主光線間の角度Δθと０次回折光に対する１次回折光の角度とがおおよそ一致するため、Δθの値として、Ｘ方向またはＹ方向の１次回折光の回折角度のうち大きい方を採用している。ここで、例１から例８は実施例であり、例９と例１０は比較例である。
【００８４】
（例１）
まず、例１の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−１次〜１次、Ｙ方向に−１次〜１次の間に分布している。
【００８５】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域すなわち位相分布を発現させる領域は、４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが２．４μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが３．０μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【００８６】
図９（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図９（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図９（ａ）には、光スポットが縦に３列、横に３列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。
【００８７】
本例の回折光学素子３０の製造方法は以下のとおりである。まず、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う工程を複数回繰り返して、石英基板３２の表面に凹凸パターンを形成する。これにより、波長が８３０ｎｍの光において、１次回折光のＸ方向における回折角度が１２°、Ｙ方向における回折角度が１６°となる本例における回折光学素子３０を作製する。
【００８８】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが２０．０°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例では、図９（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図９（ｂ）に、ｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【００８９】
図９（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図９（ｂ）には、外周部から中心部に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図９（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．１５である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．１７である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．７３Ｗである。
【００９０】
（例２）
次いで、例２の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−２次〜２次、Ｙ方向に−１次〜１次の間に分布している。
【００９１】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが４．０μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが３．０μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【００９２】
図１０（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１０（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１０（ａ）には、光スポットが縦に３列、横に５列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【００９３】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が２０°、Ｙ方向における回折角度が１６°である。
【００９４】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが１６．０°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１０（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１０（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【００９５】
図１０（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１０（ｂ）には、照射範囲の外周形状が角部を面取りされた横長の長方形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１０（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．１８である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．２０である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．７７Ｗである。
【００９６】
（例３）
次いで、例３の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−４次〜４次、Ｙ方向に−３次〜３次の間に分布している。
【００９７】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが７．１μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが７．０μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【００９８】
図１１（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１１（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１１（ａ）には、光スポットが縦に７列、横に９列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【００９９】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が６．７°、Ｙ方向における回折角度が６．９°である。
【０１００】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが６．９°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１１（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１１（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１０１】
図１１（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１１（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１１（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．３０である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．３４である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．８６Ｗである。
【０１０２】
（例４）
次いで、例４の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−８次〜８次、Ｙ方向に−６次〜６次の間に分布している。
【０１０３】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが１３．５μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが１２．９μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【０１０４】
図１２（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１２（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１２（ａ）には、光スポットが縦に１３列、横に１７列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【０１０５】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が３．５°、Ｙ方向における回折角度が３．７°である。
【０１０６】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが３．７°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１２（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１２（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１０７】
図１２（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１２（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１２（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．３８である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．４０である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．８９Ｗである。
【０１０８】
（例５）
次いで、例５の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−１６次〜１６次、Ｙ方向に−１２次〜１２次の間に分布している。
【０１０９】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが２６．２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが２４．８μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【０１１０】
図１３（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１３（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１３（ａ）には、光スポットが縦に２５列、横に３３列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【０１１１】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が１．８°、Ｙ方向における回折角度が１．９°である。
【０１１２】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが１．９°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１３（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１３（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１１３】
図１３（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１３（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１３（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．４０である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．４３である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．９０Ｗである。
【０１１４】
（例６）
次いで、例６の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−３２次〜３２次、Ｙ方向に−２４次〜２４次の間に分布している。
【０１１５】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが５１．５μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが４８．５μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【０１１６】
図１４（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１４（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１４（ａ）には、光スポットが縦に４９列、横に６５列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【０１１７】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が０．９°、Ｙ方向における回折角度が１．０°である。
【０１１８】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが１．０°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１４（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１４（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１１９】
図１４（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１４（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１４（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．３９である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．４３である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．９０Ｗである。
【０１２０】
（例７）
次いで、例７の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−１６次〜１６次、Ｙ方向に−１２次〜１２次の間に分布している。
【０１２１】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが２６．２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが２４．８μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【０１２２】
図１５（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１５（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１５（ａ）には、光スポットが縦に２５列、横に３３列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【０１２３】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が１．８°、Ｙ方向における回折角度が１．９°である。
【０１２４】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが１．４°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１５（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１５（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１２５】
図１５（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布は振動的に変化している。なお、図１５（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されているが、光量が変化する境界領域の形状がきれいな丸ではなくジグザク線で描いた丸のようになっており、中心から周辺までの間の変化量の比率が一定でない分布が示されている。なお、細かな視点で見れば中心から周辺までの間の変化量の比率が一定でなくても、近隣領域間での光の強度差はそれほど大きくないため、平均すれば一様に中心に向かうにつれて光量が大きくなっている分布とみなせる。図１５（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．３４である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．４４である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．８４Ｗである。
【０１２６】
（例８）
次いで、例８の計測装置１０について説明する。本例の計測装置１０が備える回折光学素子３０により発生する回折光の次数（ｍｘ、ｍｙ）は、Ｘ方向に−１６次〜１６次、Ｙ方向に−１２次〜１２次の間に分布している。
【０１２７】
本例の回折光学素子３０の格子加工領域は４ｍｍ×４ｍｍであり、この４ｍｍ×４ｍｍ領域内に、Ｘ軸方向におけるピッチＰｘが２６．２μｍ、Ｙ軸方向におけるピッチＰｙが２４．８μｍの基本ユニット３１が２次元的に配置されている。
【０１２８】
図１６（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子３０の基本ユニット３１における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図１６（ａ）に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図１６（ａ）には、光スポットが縦に２５列、横に３３列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。
【０１２９】
本例の回折光学素子３０の製造方法は、例１における回折光学素子３０と同様である。本例の回折光学素子３０は、波長が８３０ｎｍの光に対する、１次回折光のＸ方向における回折角度が１．８°、Ｙ方向における回折角度が１．９°である。
【０１３０】
本例の計測装置１０では、上述の回折光学素子３０に対して、平行光である波長８３０ｎｍの光束を入射し、出射側に平行光を入射した場合に広がり角φが１．９°となる拡散板を配置する。本例でも図１６（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１６（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１３１】
図１６（ｂ）に示すように、本例の計測装置１０では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１６（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１６（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．４０である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．４４である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．９０Ｗである。
【０１３２】
（例９）
次に、例９の計測装置について説明する。本例の計測装置は、回折光学素子３０の代わりに単一の回折光を出射する回折光学素子を用いて、所定の投影範囲に光を照射させる。
【０１３３】
図１７（ａ）は、本例の回折光学素子に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。なお、図１７（ａ）には、１つの光スポットが領域の中心部に配された光スポットパターンが示されている。
【０１３４】
本例の計測装置では、上述の回折光学素子に広がり角φが３７．５°の波長８３０ｎｍの発散光を入射する。本例では、図１７（ａ）の単一の回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとする。図１７（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１３５】
図１７（ｂ）に示すように、本例の計測装置では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図１７（ｂ）には、照射範囲の外周形状が丸形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図１７（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．１６である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．１７である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．６７Ｗである。
【０１３６】
本例では、投影範囲の周辺に無駄な照射が多く行われるため、上述の例１から例８と比べて光の利用効率が低下しているのがわかる。また、上述の例１から例８と比べて、中心部において強い光量を得られる領域範囲が狭く、中心付近の領域における変化量も大きくなっているのがわかる。
【０１３７】
（例１０）
次いで、例１０の計測装置について説明する。本例では、上述の例５に用いた回折光学素子３０を用いる。
【０１３８】
図１８（ａ）は、本例の回折光学素子３０に対して波長８３０ｎｍの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。なお、図１８（ａ）に示す回折光の分布は、図１３（ａ）に示す回折光の分布と同じである。
【０１３９】
本例の計測装置では、上述の回折光学素子３０に対して、広がり角φが１．０°である波長８３０ｎｍの入射光を入射する。本例でも図１８（ａ）の各回折光１２２の光量の積算値を１Ｗとし、各回折光１２２の強度は一様であるとする。図１８（ｂ）に、そのときのｚ＝２０００ｍｍにおけるｘ＝−２０００ｍｍ〜２０００ｍｍ、ｙ＝−１５００ｍｍ〜１５００ｍｍの範囲に照射される光の放射照度の分布（単位：Ｗ／ｃｍ２、１マスの大きさ４０ｍｍ×３０ｍｍの長方形）を示す。
【０１４０】
図１８（ｂ）に示すように、本例の計測装置では、投影範囲内の光量の分布は振動的に変化している。なお、図１８（ｂ）には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、その領域内に明暗の縞模様（横縞）が生じている分布が示されている。図１８（ｂ）において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は０．１２である。また、ｚ＝２０００ｍｍにおける投影範囲において４隅の８０ｍｍ角領域の光量の平均値と中心部における８０ｍｍ角領域の光量の平均値の比は０．４６である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は０．８４Ｗである。
【０１４１】
本例では、回折光学素子３０に入射する光の広がり角が不十分なために、中心部においても近隣領域間での強度差の大きい強度分布となっているのがわかる。
【０１４２】
なお、図１９は、各例のパラメータをまとめて示す説明図である。また、図２０は、例１から例７、例９、例１０の水平方向の放射照度の分布をまとめて示す説明図である。なお、図２０（ａ）に、例１から例６、例９の水平方向の放射照度の分布をまとめて示し、図２０（ｂ）に、例５、例７、例１０の水平方向の放射照度の分布をまとめて示している。
【０１４３】
図２０（ａ）に示されるように、投影範囲外に漏れる光量を小さくするためには、発生させる回折光の数は、例２の回折光の数である１５点よりも大きい方がよいといえる。また、入射光の広がり角φは例２での広がり角１６°よりも小さい方が好ましい。また、図２０（ｂ）に示されるように、入射光の広がり角度φが、φ＞０．５Δθをより十分に満たす方が投影範囲に照射される光の強度分布をより均一にできる。例えば、例１０は、φ＞０．５Δθを満たしているために、水平位置が投影範囲内となる−１２００ｍｍ〜１２００ｍｍの範囲内においてほぼ１．５０Ｅ−０５以上の放射照度を維持しているものの、例５および例７に比べて近隣領域間での強度差の大きい強度分布となっている。なお、例５は、例１０に比べて近隣領域間での強度差が小さい強度分布となっている。また、例７は、例５に比べてさらに近隣領域間での強度差が小さい強度分布となっている。
【産業上の利用可能性】
【０１４４】
本発明は、測定装置に限らず、均一照明を必要とする装置であれば好適に適用可能である。特に、大きさの制限のある機器に好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１４５】
１０  計測装置
１１  入射光
１２  回折光群（検査光）
１３  散乱光
２０  光源
３０  回折光学素子
４０ａ、４０ｂ、４０ｃ  測定対象物（投影面含む）
５０  検出素子
３１  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
３６ａ  凹レンズ
３６ｂ  フレネルレンズ
３６ｃ  拡散板
１２１  光スポット
１２２  回折光
１２３  回折光の主光線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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