(57)【要約】  本発明は、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実効屈折率差Δｎ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の出射角度範囲θｏｕｔが６０°以上であり、前記入射光の波長帯での前記凹凸部に入射する全光量に対する前記凹凸部から前記出射角度範囲内に出射される回折光の総合効率が、６５％以上である、回折光学素子に関する。
2019240010.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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実効屈折率差Δｎ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の出射角度範囲θｏｕｔが６０°以上であり、
前記入射光の波長帯での前記凹凸部に入射する全光量に対する前記凹凸部から前記出射角度範囲内に出射される回折光の総合効率が、６５％以上である、
回折光学素子。
【請求項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実効屈折率が１．７０以上である
請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第１の媒質は、屈折率が異なる２以上の材料によって構成される、２層以上の多層膜であり、
前記凸部における最上層が、前記多層膜を構成している部材のうち低屈折率材料により構成されている
請求項１または請求項２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記Δｎおよび前記θｏｕｔは、
Δｎ／ｓｉｎ（θｏｕｔ／２）≧１．０を満たす
請求項１から請求項３のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記入射光の波長帯での前記凹凸部における０次効率が、３．０％未満であり、
前記入射光の波長帯での前記凹凸部に入射する全光量に対する前記凹凸部から前記出射角度範囲内に出射される回折光の総合効率が、６５％以上である
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記入射光の波長帯における前記凹凸部から出射される光の全光量に対する０次光の光量が、１．０％未満である
請求項５に記載の回折光学素子。
【請求項７】
前記出射角度範囲が１４０°未満であり、
前記入射光の波長帯での前記凹凸部における０次効率が、０．５％未満であり、
前記入射光の波長帯での前記凹凸部に入射する全光量に対する前記凹凸部から前記出射角度範囲内に出射される回折光の総合効率が、７０％以上である
請求項１から請求項６のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項８】
前記第１の媒質はすべて無機材料により構成されている
請求項１から請求項７のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項９】
少なくとも前記凹部と前記反射防止層との間に、前記凸部の最下層を構成する部材と同じ部材からなる基部を備える
請求項１から請求項８のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１０】
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９のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１１】
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１０のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１２】
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１１のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１３】
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１２のうちのいずれか１項に記載の回折光学素子。
【請求項１４】
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１３に記載の回折光学素子。
【請求項１５】
光源と、
前記請求項１〜１４のいずれか１項に記載の回折光学素子を備える投影装置であって、
前記光源から出射される光の光量に対する所定の投影面に照射される光の光量の割合が５０％以上である
投影装置。
【請求項１６】
検査光を出射する投影部と、
前記投影部から照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る計測装置であって、
前記投影部として、請求項１５に記載の投影装置を備える
計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、並びにそれを備えた投影装置および計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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。【０００３】
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。【０００４】
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。【０００５】
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。【０００６】
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。【０００７】
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。【０００８】
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。【０００９】
回折光学素子における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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】日本国特許第５１７４６８４号公報
【特許文献２】日本国特許第５７６０３９１号公報
【特許文献３】日本国特開２０１４−２０９２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
望まない０次光の発生を低減しつつ広範囲に照射可能にするための方法として、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大きくすることが考えられる。屈折率差を大きくして凸部の高さを抑えることで、凸部側面での反射等の影響を抑えて望まない０次光の発生を低減できる。【００１２】
しかし、凹部と凸部の屈折率差が大きくなる材料の組み合わせの場合、これら材料（特に屈折率が高い材料）と他の媒質（基材や空気等）との界面における反射率が高くなり、光利用効率が低くなったり、迷光が発生する問題がある。これらの問題は、投影装置や計測装置のような、多くの光スポットを発生させたり、発生させた光スポットによって照射させた光の戻り光（散乱光等）を計測したりする場合、高い精度が得られない原因となるため好ましくない。【００１３】
そこで、本発明は、望まない０次光の発生を低減しつつ広範囲に照射可能で、かつ光利用効率の高い回折光学素子、該回折光学素子を備えた投影装置及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】
【００１４】
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実効屈折率差が、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の出射角度範囲が６０°以上であり、前記入射光の波長帯での前記凹凸部に入射する全光量に対する前記凹凸部から前記出射角度範囲内に出射される回折光の総合効率が、６５％以上であることを特徴とする。【００１５】
本発明による投影装置は、光源と、前記回折光学素子を備える投影装置であって、前記光源から出射される光の光量に対する所定の投影面に照射される光の光量の割合が５０％以上であることを特徴とする。【００１６】
本発明による計測装置は、検査光を出射する投影部と、前記投影部から照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る計測装置であって、前記投影部として、前記投影装置を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、望まない０次光の発生を低減しつつ広範囲に照射可能で、かつ光利用効率の高い回折光学素子、該回折光学素子を備えた投影装置及び計測装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】図１は第１の実施形態の回折光学素子１０の断面模式図。
【図２】図２は回折光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図３】図３は回折光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図４】図４は回折光学素子１０により生成される光のパターンの例を示す説明図。
【図５】図５は格子深さｄと０次光の強さ（０次効率）との関係を示すグラフ。
【図６】図６は異なる５つの屈折率材料についての対角方向の視野角θｄと０次効率（極小値）との関係を示すグラフ。
【図７】図７は異なる５つの屈折率材料についてのΔｎ／ＮＡと０次効率（極小値）との関係を示すグラフ。
【図８】図８は回折光学素子１０の他の例を示す断面模式図。
【図９】図９は例１の回折光学素子１０の反射率の計算結果を示すグラフ。
【図１０】図１０は例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。
【図１１】図１１は例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。
【図１２】図１２は例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。
【図１３】図１３は回折光学素子１０により出射された回折光を説明するための模式図。
【図１４】図１４は例１、例２および比較例１の各例の０次効率の計算結果を示すグラフ。
【図１５】図１５は例１、例２および比較例１の各例の総合効率の計算結果を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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。
【００２０】
なお、本実施形態において光の入射方向が明記されていない場合、＋ｚ方向または図中の「下から上」に光が進むものとする。なお、光の進行方向はこれらに限定されず、−ｚ方向や図中の「上から下」であってもよい。
【００２１】
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。
【００２２】
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向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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
また、以下では、位相差を生じさせるための凹凸パターン（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、凸部１２１の最下部と同じ部材からなり、基材１１の表面を覆って第１段ｓ１を構成している部位）を基部１２３（または下地層）と呼ぶ場合がある。なお、基部１２３は、内面反射防止層１３と凸部１２１または凹部１２２との間に設けられるが、必ずしも必須でない。すなわち基部１２３はあってもなくてもよい。
【００２６】
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。
【００２７】
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、図２の（ａ）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。
【００２８】
図１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の（ａ）および図２の（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には基部１２３は含まれない。図２の（ａ）および（ｂ）に示す例は、いずれも２段の凹凸パターンを構成する凹凸部１２であって、基部１２３を含まない凹凸部１２を備える回折光学素子１０の例である。この場合、有効領域の少なくとも一部において、凹部１２２を構成する第２の媒質（空気）は内面反射防止層１３と接する構成となる。
【００２９】
なお、図２の（ａ）に示す例では、平坦な内面反射防止層１３の上に凹凸部１２が形成されている。一方、図２の（ｂ）に示す例では、表面に段差を有する内面反射防止層１３の上に凹凸部１２が形成されている。この場合、機能上は、平坦な内面反射防止層１３の上に、該内面反射防止層１３を構成している部材と同じ部材からなる凸部１２１の一部（具体的には最下層）が構成されているとみなすことができる場合がある。
【００３０】
その場合、凸部１２１の最下層に位置する該部材の厚さ分を含む当該凸部１２１の高さを、凸部１２１の高さｄとする（図２の（ｃ）参照）。なお、その場合において、内面反射防止層１３は、凸部１２１と接する領域と凹部１２２と接する領域とで厚さが異なることになるが、内面反射防止層１３は、各領域において、当該内面反射防止層１３と接する他媒質間の界面反射を低減できる構成であれば問題ない。例えば、図２の（ｃ）に示す構成であれば、内面反射防止層１３は、凸部１２１と接する領域では基材１１と凸部１２１との間の界面反射が低減できればよく、凹部１２２と接する領域では基材１１と凹部１２２との間の界面反射が低減できる構成であればよい。なお、厚さが異ならない場合においても内面反射防止層１３の要件は同様であり、例えば、図１に示すような凹凸部１２が基部１２３を含む場合には、凹部１２２が形成される領域であっても、当該内面反射防止層１３と接している基材１１と基部１２３との間の界面反射を低減する構成であればよい。また凸部１２１と接する領域と凹部１２２と接する領域とで厚さが異なる場合、その差が凸部１２１の高さｄの２％以下であれば凸部の最下層を構成する内面反射層が凸部の一部とはみなされない。
【００３１】
一方、該部材（図２の（ｃ）中のα部分）が凹凸部１２による位相差の発生に寄与する場合には、上述した定義に従い、凹凸パターンにおいて、当該部材を含めて、最も低い位置にある部分よりも高い位置にある部分を凸部１２１とみなして、凸部１２１の高さや屈折率（この場合、実効屈折率）を求めればよい。
【００３２】
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、Ｂｉ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、チオウレタン系樹脂、エピスルフィド樹脂、ポリイミド、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などの酸化物が挙げられる。
【００３３】
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。
【００３４】
また、凹凸部１２の凸部１２１は、図３に示すように多層構造であってもよい。図３の（ａ）は２層の多層膜によって凸部１２１が構成された例であり、図３の（ｂ）は４層の多層膜によって凸部１２１が構成された例である。なお、図３の（ａ）および（ｂ）では凹凸部１２が基部１２３を含まない例が示されているが、図３の（ｃ）に示すように、凹凸部１２が基部１２３を含んだ上で、少なくとも凸部１２１が多層膜により構成されていてもよい。その場合において、凸部１２１の最下層を構成する部材と基部１２３を構成する部材とが同じ部材であるか否かは問わない。
【００３５】
図３に示されるように、凸部１２１は、多層構造であって、かつ空気と接する面を構成する最上層１２１ｔが当該凸部１２１に含まれる材料の中で相対的に低い屈折率を有する材料である低屈折率材料で構成されていることがより好ましい。例えば、凸部１２１は、低屈折率材料と高屈折率材料とを交互に積み上げた多層膜を材料に構成されていてもよい。このとき、内面反射防止層１３による基材１１と凹凸部１２との界面における反射率の低減効果に加えて、凸部１２１の最上層１２１ｔを低屈折率材料とすることで凸部１２１と空気との界面における反射率を低減できるので、トータルの反射率をさらに低減できる。これにより、光の利用効率をさらに向上できる。
【００３６】
凸部１２１を多層構造で構成する場合、上記の屈折率差Δｎは、以下に示す実効屈折率ηｓに基づく差（以下、実効屈折率差）と読み替えればよい。本実施形態では、多層構造の凸部１２１における実効屈折率を次のように定義する。
【００３７】
すなわち、各凸部１２１を構成している多層膜の各層（以下、格子層という）の屈折率をｎｓｒ、厚さをｄｓｒとして、以下の式（１）で表されるものを実行屈折率ηｓとする。尚、ｒは格子層の識別子であり、１〜層数分の整数をとる。また、分母の各格子層の厚さの和であるΣｒ（ｄｓｒ）は凸部１２１の高さｄに相当する。
【００３８】
実効屈折率ηｓ＝Σｒ（ｎｓｒ×ｄｓｒ）  ／Σｒ（ｄｓｒ）  ・・・式（１）
【００３９】
なお、ｒ＝１とすれば、単層構造の凸部１２１の屈折率も式（１）で計算できるため、凸部１２１の部材が単層か多層かを区別せずに、凹凸部１２の「屈折率差（Δｎ）」を「実効屈折率差（Δｎ）」と読み替えることも可能である。
【００４０】
なお、凸部１２１の材料となる多層膜の材料は２つに限定されない。例えば、凸部１２１の実効屈折率に対して、相対的に高い屈折率を有する１以上の材料と、相対的に低い屈折率を有する１以上の材料とからなる多層膜により構成されていてもよい。この場合、凸部１２１の最上層１２１ｔは、凸部１２１の実効屈折率に対して相対的に低い屈折率を有する材料により構成されていればよい。以下では、凸部１２１を構成する多層膜において凸部１２１の実効屈折率よりも低い屈折率材料を低屈折率材料、実効屈折率よりも高い屈折率材料を高屈折率材料と呼ぶ場合がある。
【００４１】
次に、回折光学素子１０が発現する回折作用について、図４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軸とし、両者に垂直な軸を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。
【００４２】
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、回折光学素子１０に対して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。
【００４３】
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６０°以上がよく、７０°以上が好ましい。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。
【００４４】
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。
【００４５】
図４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。
【００４６】
図４に示す回折光群２２に含まれる各回折光は、式（２）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（２）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。
【００４７】
ｓｉｎθｘｏ＝ｓｉｎθｘｉ＋ｍｘλ／Ｐｘ
ｓｉｎθｙｏ＝ｓｉｎθｙｉ＋ｍｙλ／Ｐｙ
・・・（２）
【００４８】
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、０．７ｄ／λ＝（Ｎ−１）／Ｎ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。
【００４９】
また、図５は、凸部１２１の高さ（格子深さ）ｄと０次光の強さ（０次効率）との関係を示すグラフである。ここで、０次光の強さを示す０次効率は、凹凸部１２に入射する全光光量に対して凹凸部１２から出射される透過０次光の光量の割合をいう。尚、図５の（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５の（ｂ）はその一部を拡大して示すグラフである。図５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ＮＡ（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ  Ａｐｅｒｔｕｒｅ）が０．８５（Ｘ方向およびＹ方向のＮＡ０．６）となる範囲に照射する場合の設計例であって、合成石英（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（θｏｕｔ／２）で表される指標である。
【００５０】
図５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次効率が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次効率を１％以下等に抑えることができる。
【００５１】
ここで、０次以外の設計次数の回折光について高い回折効率を得つつ、０次効率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６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次効率（極小値）との関係を示すグラフである。
【００５２】
尚、５つの異なる屈折率材料は、それぞれ屈折率１．４５（合成石英）、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６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次効率（極小値）を示している。図６に示すように、凸部１２１の屈折率が高くなるほど、０次効率が低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。
【００５３】
また、図７に、上記設計解におけるΔｎ／ＮＡと０次効率（最小値）との関係を示す。尚、図７の（ａ）は上記設計解の全ての関係を示すグラフであり、図７の（ｂ）はその一部を拡大して示すグラフである。
【００５４】
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。
【００５５】
【表１】
2019240010.tif 000003
【００５６】
図７に示すように、０次効率と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次効率の極小値を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次効率の極小値を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次効率の極小値を１．０％未満とできる。また、例えば、Δｎ／ＮＡが１．２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次効率の極小値を０．５％未満とできる。尚、図５〜図７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（基材１１の法線方向から）入射した場合に当該回折光学素子１０から出射される透過０次光の回折効率（入射光量に対する透過０次光の光量の割合）である０次効率が、３．０％未満が好ましく、１．５％未満がより好ましく、１．０％未満がさらに好ましく、０．５％未満がとくに好ましく、０．３％未満が最も好ましい。
【００５７】
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。
【００５８】
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（３）を満たすとより好ましい。尚、式（３）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（３）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。
【００５９】
（ｎ０×ｎｍ）０．５−α＜ｎｒ＜（ｎ０×ｎｍ）０．５＋α、かつ
（１−β）×λ／４＜ｎｒ×ｄｒ＜（１＋β）×λ／４
・・・（３）
【００６０】
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（４）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。
【００６１】
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（４）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。
【００６２】
【数１】
2019240010.tif 000004
【００６３】
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（４）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。
【００６４】
一般的に、凹凸部１２の凸部１２１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の凸部１２１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（４）を適用し、干渉の効果を考慮してもよい。
【００６５】
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。
【００６６】
また、図８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。
【００６７】
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。
【００６８】
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θｏｕｔ／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θｏｕｔ／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。
【００６９】
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％以下を満たすように構成されてもよい。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
また、上記の反射率は、直進光（基材１１の法線方向の光）を入射したときの０次光の反射率と読み替えてもよい。その場合、当該反射率を、光路ごと（例えば、凹部を通る光路と凸部を通る光路ごと）に、かつ他媒質との界面ごとに求めてもよい。このとき、凸部１２１や反射層が多層膜構造である場合には、それら所望の機能を発現する多層膜構造をひとつの媒質として基材１１や空気との界面における反射率を求めればよい。本実施形態において、例えば、凹凸部１２と他媒質（基材１１や空気）との界面における反射率の合計（トータル反射率）が、上記の条件を満たしているとさらに好ましい。このような反射率は、例えば、基材１１側から凹凸部１２に入る直進光の光量と、凹凸部１２から空気層に抜ける直進光の光量との差から求めることができる。
【００７３】
また、上記では、透過０次光の光量をＲＣＷＡによって算出したが、透過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。
【００７４】
上記各実施形態において、入射光の波長は特に限定されないが、例えば、赤外光（具体的には、波長が７８０ｎｍ〜１０２０ｎｍの範囲に含まれる光）でもよい。可視光よりも長波長の光を取り扱う場合、とくに、光路長差を大きくするために凹凸が高くなる傾向にあるので、上記各実施形態の回折光学素子はより効果的である。
【００７５】
また、各実施形態の回折光学素子は、光を効率よく拡散できるので、例えばプロジェクタのような投影装置に使用できる。また、各実施形態の回折光学素子は、例えば、該投影装置において、光源と所定の投影面との間に配置される、光源からの光を所定の投影面に投影するための拡散素子として使用できる。また、各実施形態の回折光学素子は、３次元計測装置や、認証装置などのように、光を照射して対象物によって散乱された光を検知する装置に含まれる、検査光を所定の投影範囲に照射するための光の投影装置にも使用できる。さらに、各実施形態の回折光学素子は、ヘッドアップディスプレイのような投影装置の中間スクリーン（中間像生成用の光学素子）にも使用できる。その場合、該回折光学素子は、例えば、該投影装置において、中間像を構成する光を出射する光源とコンバイナーとの間に配置され、光源からの光であって中間像を構成する光を、コンバイナーに投影するための中間スクリーンとしても使用できる。
【００７６】
これら各装置においては、回折光学素子において反射率が低減される効果により、光源から出射される光の光量に対する所定の投影面に照射される光の光量の割合が５０％以上であると好ましい。なお、より好ましくは、光源から出射される光の光量に対して、所定の投影面に照射される設計次数の回折光の光量の割合（後述する総合効率に相当）が６５％以上であるとよく、７０％以上であるとより好ましい。
【実施例】
【００７７】
（例１）
本例は、図３の（ｃ）に示す回折光学素子１０の例のように基部１２３を含む凹凸部１２であって多層構造の２段の凹凸パターンを構成する凹凸部１２を有する回折光学素子１０の例である。ただし、本例では、図８に示すように、基材１１の凹凸部１２が形成されている面と反対の面にさらに反射防止層１４を備える。また、設計波長は８５０ｎｍ、凹部１２２は空気（ｎ＝１）である。【００７８】
また、本例の回折光学素子１０は、凹凸部１２から出射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５０°、６８°、９０°、１０２°、１１６°、１３４°、１６４°となるように凹凸パターンを設計した。なお、例１Ａがθｄ＝５０°、例１Ｂがθｄ＝６８°、例１Ｃがθｄ＝９０°、例１Ｄがθｄ＝１０２°、例１Ｅがθｄ＝１１６°、例１Ｆがθｄ＝１３４°、例１Ｇがθｄ＝１６４°である。ただし、例１Ｆおよび例１Ｇは参考例である。各例において、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。【００７９】
また、本例において、基材１１の材料には、屈折率が１．５１４のガラス基板を用いた。また、凹凸部１２の材料に屈折率が２．１９２のＴａ２Ｏ５および屈折率が１．４６３のＳｉＯ２からなる２層の多層膜を用いた。また、内面反射防止層１３の材料には、同様のＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる４層の誘電体多層膜を用いた。また、反射防止層１４の材料には、同様のＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる６層の誘電体多層膜を用いた。表２に、本例の回折光学素子１０である例１Ａ〜例１Ｇの具体的構成を示す。なお、表２に示すように、本例において凸部１２１以外の構成は全て共通であり、例１Ａ〜例１Ｇでは凸部１２１の構成のみが異なる。【００８０】
【表２】
2019240010.tif 000005
【００８１】
本例の製造方法は次の通りである。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。【００８２】
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、基部１２３を含む凹凸部１２の材料として、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２からなる２層の誘電体多層膜を所定の膜厚で成膜する。例えば、例１Ａであれば、基部１２３および凸部１２１の格子層における最下層となる膜厚５４８ｎｍのＴａ２Ｏ５膜を成膜し、その上に、凸部１２１の格子層における最上層となる、膜厚１４６ｎｍのＳｉＯ２膜を積層する。【００８３】
その後、成膜されたＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる２層の多層膜をフォトリソグラフィおよびエッチングによって２段の凹凸構造へ加工する。各例における凸部１２１の高さ（格子深さ）は、４９４〜５０７ｎｍである（表２の凸部材料の厚さの合計を参照）。なお、凸部１２１の高さｄ（膜厚）は段差計やＳＥＭ（Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ）による断面観察によっても測定可能である。これにより、本例の回折光学素子１０である例１Ａ〜例１Ｇを得る。【００８４】
図９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９の（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の（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９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。【００８５】
また、図１０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１０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。【００８６】
また、図１１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１１の（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１１の（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１１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。斜入射ではＰ偏光とＳ偏光とに分けている。【００８７】
また、図１２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１２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（４）を用いて計算できる。【００８８】
また、表３に、例１Ａ〜例１Ｇにおける光学特性の詳細データを示す。表３には、各例の出射光のＸ方向、Ｙ方向および対角の出射範囲に相当するＦＯＶ（Ｆｉｅｌｄ  Ｏｆ  Ｖｉｅｗ）［°］、ＮＡ、凸部１２１の格子深さ［ｎｍ］、凸部１２１材料の実効屈折率、総合効率［％］、０次効率［％］が示されている。【００８９】
【表３】
2019240010.tif 000006
【００９０】
ここでは、総合効率［％］を、設計された次数に生じた回折光の回折効率の和と定義する。例えば、図１３に示すような回折光が出射されたとする。図中において、黒丸が設計された次数の回折光を表し、白丸および網かけの丸が設計されていない次数の回折光を表す。なお、網かけの丸は設計されていない次数の回折光のうち０次光を表す。そのような場合、ＦＯＶ内であっても白丸で示される回折光の和は加えずに、ＦＯＶ内の黒丸で示される回折光の回折効率の和を、総合効率とする。また、０次効率（０次光透過率）は、網かけの丸で示されるような、入射光の光量に対して該入射光がそのまま直進透過した成分である透過０次光の光量の割合を表す。なお、表３に示す総合効率および０次効率は表２の構成に基づきＲＣＷＡにより計算した。【００９１】
表３に示すように、各例で総合効率が６５％以上（より具体的には、６６％以上）かつ０次効率が１％未満（より具体的には０．４０％未満）を実現している。【００９２】
（例２）
本例は、図２の（ａ）に示す回折光学素子１０の例のように基部１２３を含まない凹凸部１２であって多層構造の２段の凹凸パターンを構成する凹凸部１２を有する回折光学素子１０の例である。ただし、本例でも、図８に示すように、基材１１の凹凸部１２が形成されている面と反対の面にさらに反射防止層１４を備える。なお、より具体的には、図２の（ｂ）および図２の（ｃ）に示すように、本例では、内面反射防止層１３の一部が凸部１２１の最下層を構成しているが、凸部１２１の一部を構成する該部材は厚さが１０ｎｍ以下のため、凸部１２１の一部とはみなさず内面反射防止層１３の一部とみなすものとする。また、設計波長は８５０ｎｍ、凹部１２２は空気（ｎ＝１）である。【００９３】
また、本例においても、凹凸部１２から出射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５０°、６８°、９０°、１０２°、１１６°、１３４°、１６４°となるように凹凸パターンを設計した。なお、例２Ａがθｄ＝５０°、例２Ｂがθｄ＝６８°、例２Ｃがθｄ＝９０°、例２Ｄがθｄ＝１０２°、例２Ｅがθｄ＝１１６°、例２Ｆがθｄ＝１３４°、例２Ｇがθｄ＝１６４°である。ただし、例２Ｇは参考例である。【００９４】
本例において、凹凸部１２の材料には、屈折率が２．１９２のＴａ２Ｏ５と屈折率が１．４６３のＳｉＯ２とからなる４層の多層膜を用いた。また、内面反射防止層１３の材料には、同様のＳｉＯ２からなる単層の反射防止膜を用いた。なお、他の点は例１と同様である。表４に、本例の回折光学素子１０である例２Ａ〜例２Ｇの具体的構成を示す。なお、表４に示すように、本例において凸部１２１以外の構成は全て共通であり、例２Ａ〜例２Ｇでは凸部１２１の構成のみが異なる。【００９５】
【表４】
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【００９６】
本例の製造方法は次の通りである。まず、ガラス基板上に、例１と同様の反射防止層１４を成膜する。各層の材料および厚さは表４の通りである。【００９７】
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、内面反射防止層１３として機能するＳｉＯ２膜を厚さ１４５ｎｍとなるように成膜する。その後、凹凸部１２の材料として、Ｔａ２Ｏ５およびＳｉＯ２からなる４層の誘電体多層膜を所定の膜厚で成膜する。なお、各例の凹凸部１２の各層の構成および膜厚は表４の通りである。【００９８】
その後、成膜されたＳｉＯ２およびＴａ２Ｏ５からなる４層の多層膜をフォトリソグラフィおよびエッチングによって２段の凹凸構造へ加工する。各例における凸部１２１の高さ（格子深さ）は、５２５〜５３１ｎｍである（表４の凸部材料の厚さの合計を参照）。なお、凸部１２１の高さｄ（膜厚）は段差計やＳＥＭによる断面観察によっても測定可能である。これにより、本例の回折光学素子１０である例２Ａ〜例２Ｇを得る。【００９９】
表５に、例２Ａ〜例２Ｇにおける光学特性の詳細データを示す。表５には、各例の出射光のＸ方向、Ｙ方向および対角の出射範囲に相当するＦＯＶ［°］、ＮＡ、凸部１２１の格子深さ［ｎｍ］、凸部１２１材料の実効屈折率、総合効率［％］、０次効率［％］が示されている。なお、表５に示す総合効率および０次効率は表４の構成に基づきＲＣＷＡにより計算した。【０１００】
【表５】
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【０１０１】
表５に示すように、各例で総合効率が７０％以上かつ０次効率が１％未満（より具体的には０．４０％未満）を実現している。【０１０２】
（比較例１）
本例は、例１の比較例である。本比較例は、例１として示した回折光学素子１０の各例に対して、同じ部材による基材１１、反射防止層１４、内面反射防止層１３を有し、かつ同じ出射範囲となるように設計された回折光学素子の例である。ただし、例１と比較して、凸部１２１が単層（より具体的には、屈折率が２．１９２のＴａ２Ｏ５のみからなる単層）で構成されている点が異なる。すなわち、本比較例は、例１と比較して、凸部１２１の最上層に例１の凸部１２１の材料における低屈折率材料（ＳｉＯ２）を設けない構成となっている。なお、本例においても、設計波長は８５０ｎｍ、凹部１２２は空気（ｎ＝１）である。他の点は例１と同様である。表６に、本比較例の回折光学素子である比較例１Ａ〜比較例１Ｇの具体的構成を示す。なお、表６に示すように、本例においても、凸部１２１以外の構成は全て共通であり、比較例１Ａ〜比較例１Ｇでは凸部１２１の構成のみが異なる。【０１０３】
【表６】
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【０１０４】
また、表７に、比較例１Ａ〜比較例１Ｇにおける光学特性の詳細データを示す。表７には、各例の出射光のＸ方向、Ｙ方向および対角の出射範囲に相当するＦＯＶ［°］、ＮＡ、凸部１２１の格子深さ［ｎｍ］、凸部１２１材料の実効屈折率、総合効率［％］、０次効率［％］が示されている。なお、表７に示す総合効率および０次効率は表６の構成に基づきＲＣＷＡにより計算した。【０１０５】
【表７】
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【０１０６】
表７に示すように、各例では、０次効率が１％未満（より具体的には０．３％未満）に抑えられているが、総合効率が６５％未満（より具体的には、６４％未満）となっており、例１と比べて回折効率が悪いことがわかる。【０１０７】
図１４および図１５のグラフに上記で示した各例の０次効率量と総合効率とをまとめて示す。なお、図１４は、例１、例２および比較例１における各例の０次効率を、ＮＡとの関係で示すグラフであり、図１５は、例１、例２および比較例１における各例の総合効率を、ＮＡとの関係で示すグラフである。【０１０８】
図１４および図１５に示すように、本例によれば、出射角度範囲θｏｕｔが５０°以上（ＮＡが０．３以上）の回折光学素子において、設計波長における０次効率が１．０％未満であり、かつ設計波長における総合効率が６５％以上を実現できる。また、本例によれば、出射角度範囲θｏｕｔが５０°以上かつ１３０°以下（より具体的には、ＮＡが０．３〜０．６５）の回折光学素子において、設計波長における０次効率が０．５％未満（より具体的には０．４％未満）であり、かつ設計波長における総合効率が６５％以上を実現できる。【０１０９】
また、凸部１２１を４層以上の多層構造とした例２によれば、出射角度範囲θｏｕｔが５０°以上かつ１４０°以下（より具体的には、ＮＡが０．３〜０．６５）の回折光学素子において、設計波長における０次効率が０．５％未満（より具体的には０．４％未満）であり、かつ設計波長における総合効率が７０％以上を実現できる。また、例２によれば、出射角度範囲θｏｕｔが５０°以上かつ１３０°以下（より具体的には、ＮＡが０．３〜０．６０）の回折光学素子において、設計波長における０次効率が０．２％未満であり、かつ設計波長における総合効率が７０％以上を実現できる。【０１１０】
また、上記の効果は、設計波長８５０ｎｍにおける格子深さが６００ｎｍ以下（より具体的には５５０ｎｍ以下）というように、凸部１２１の高さを抑えつつ実現可能である。したがって、本発明は光学素子の薄型化にも寄与できる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
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。【０１１２】
本発明を詳細に、また特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、様々な変更や修正を加えることができることは、当業者にとって明らかである。
本出願は、２０１８年６月１１日出願の日本特許出願２０１８−１１０９０９に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。
【符号の説明】
【０１１３】
１０  回折光学素子
１１  基材
１２  凹凸部
１２１  凸部
１２２  凹部
１２３  基部
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
【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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【国際調査報告】
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