JP7035671B2 - 回折光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子に関するものである。

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

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

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

回折光学素子の形態として、グレーティングセルアレイ（Ｇｒａｔｉｎｇ Ｃｅｌｌ Ａｒｒａｙ）と呼ばれる形態が従来用いられている（特許文献１、非特許文献１参照）。グレーティングセルアレイ型の回折光学素子では、例えば正方形の微細な単位領域（セル）がマトリックス状に配列されている。そして、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子の１つの単位領域内では、一定ピッチで面内の回転方向が一定の方向を向いた回折格子が配置されている。また、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子では、それぞれの単位領域毎に、配置されている回折格子のピッチ及び回転方向が異なっており、それらの集合体として１つの回折光学素子を構成している。この単位領域のサイズは、例えば、２０μｍ×２０μｍ程度となっている。

回折格子では、回折角が小さくなるほど、凹凸形状の配列ピッチが大きくなる。しかし、グレーティングセルアレイの単位領域は、微細であるため、回折角が小さい回折格子のピッチが１つの単位領域のサイズを超えてしまう場合があった。この場合、その単位領域に配置されるべき回折格子が回折格子としての機能を果たすことができず、その分、回折効率の低下等が生じるおそれがあった。ピッチの大きな回折格子を十分に機能させるためには、単位領域のサイズを大きくすることが考えられる。しかし、単位領域のサイズを大きくしてしまうと、単位面積当りに配置可能な単位領域の数、すなわち、配置可能な回折格子の数が減ってしまう。その場合、小型の回折光学素子が事実上構成不可能となるおそれがあった。

特開２０１５－１７０３２０号公報 Daniel Asoubar, et al. "Customized homogenization and shaping of LED light by micro cells arrays" 9 March 2015

本発明の課題は、ピッチの大きな回折格子を配置可能であって、かつ、多数の回折格子を配置可能な回折光学素子を提供することである。

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

第１の発明は、断面形状において複数の凸部（１１ａ）が並んで配置されている高屈折率部（１１）と、前記高屈折率部（１１）よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部（１１ａ）の間に形成されている凹部（１２）を含む低屈折率部（１４）と、を有する回折層（１５）を備え、複数のセルが並べて配置されており、セル毎に前記凸部（１１ａ）の並ぶピッチと面内の回転方向の配置との少なくとも一方が異なっており、同一セル内では前記凸部（１１ａ）のピッチと面内の回転方向の配置とが同一であり、前記セルの集合体としての構成により光を整形する回折光学素子（１０）であって、前記複数のセルには、前記セルの外形形状が同一形状の複数の基本セル（１０ａ）と、前記基本セル（１０ａ）とは外形形状が異なるセルであって、特定の方向の長さが前記基本セル（１０ａ）の長さよりも長く形成されて前記凸部（１１ａ）の１ピッチ分を少なくとも含む回折格子を有するセル、又は、間隔を空けて並べて配列されている複数のセルによって前記凸部（１１ａ）のピッチ及び面内の回転方向の配置が同一であって前記凸部（１１ａ）の１ピッチを含む回折格子を有するセルである、合成セル（１０ｂ）と、を含む回折光学素子（１０）である。

第２の発明は、第１の発明に記載の回折光学素子（１０）において、前記合成セル（１０ｂ）は、特定数の前記基本セル（１０ａ）を組み合わせ、さらに、組み合わせた前記基本セル（１０ａ）を前記特定数に分割した形状となっていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第３の発明は、第２の発明に記載の回折光学素子（１０）において、前記合成セル（１０ｂ）を分割する方向は、前記特定の方向に交差する方向、又は、複数の前記合成セル（１０ｂ）が間隔を空けて並べて配列されている方向に交差する方向であること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第４の発明は、第１の発明から第３の発明までのいずれかに記載の回折光学素子（１０）において、前記合成セル（１０ｂ）が含む回折格子の前記凸部（１１ａ）のピッチは、前記基本セル（１０ａ）が含む回折格子の前記凸部（１１ａ）のピッチよりも大きいこと、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第５の発明は、第４の発明に記載の回折光学素子（１０）において、前記合成セル（１０ｂ）が構成する回折格子の前記凸部（１１ａ）のピッチは、前記基本セル（１０ａ）の外形形状の最大長さよりも大きいこと、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

本発明によれば、ピッチの大きな回折格子を配置可能であって、かつ、多数の回折格子を配置可能な回折光学素子を提供することができる。

本発明による回折光学素子の第１実施形態を示す平面図である。 図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。 図１中の矢印Ａ－Ａの位置で回折光学素子を切断した断面図である。 回折光学素子を説明する図である。 従来のグレーティングセルアレイの設計手法にしたがって、本実施形態の回折光学素子１０と同様な配光特性を備えた回折光学素子１０を設計した場合の回折格子の配置例を示す図である。 図５の状態からセルの移動を行った結果の一例を示す図である。 図６のように２つのセル（セル番号７，１４のセル）を組み合わせた状態から、さらに、組み合わせた２つセルを組み合わせた数に分割し、回折格子をそれぞれに配置し直した状態を示す図である。 本発明による回折光学素子の第２実施形態を示す平面図である。 図８の状態からセル番号１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。 本発明による回折光学素子の第３実施形態を示す平面図である。 第２実施形態の図９と同様に、第３実施形態について、図１０の状態からセル番号１，２，５，６，９，１０，１１，１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。 本発明による回折光学素子の第４実施形態を示す平面図である。 シミュレーションに用いた回折格子を模式的に示す図である。 シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンを示す図である。 シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンをグリッドと併せて示す図である。 基本セルにおけるピッチの変化に対する回折角の変化を理想的な状態において示す図である。 ２０μｍ角のセルにおいて２０μｍピッチの回折格子を備えた単位セルから出射する回折光の分布を示す図である。 シミュレーション結果をまとめて示す図である。 ４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。 ４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。 ４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について図面等を参照して説明する。

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

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

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

第１実施形態の回折光学素子１０は、光を整形する回折光学素子（ＤＯＥ）である。回折光学素子１０は、例えば、波長が５５０ｎｍの光を発光する光源部２１０からの光に対して十文字形状、具体的には、例えば、±５０度に、幅が±３．３度で広がる光の帯が２本公差した形状に光を広げるように設計されている。
第１実施形態の回折光学素子１０は、４段階の高さの異なる多段階形状により構成されている。そして、回折光学素子１０は、異なる周期構造を持つ複数の単位領域（セル、又は、部分周期構造とも呼ぶ）をマトリックス状に多数配置した、グレーティングセルアレイ型の回折光学素子である。図２では、部分周期構造の一例を抽出して示している。

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

高屈折率部１１は、例えば、クオーツ（ＳｉＯ_２、合成石英）をエッチング処理により形状を加工されて作られている。また、高屈折率部１１は、クオーツを加工した物から型取りを行って成形型を作成し、この成形型を利用して電離放射線硬化性樹脂組成物を硬化して構成してもよい。電離放射線硬化性樹脂組成物を用いてこのような周期構造の物を製造する方法は、様々な手法が公知であり、回折光学素子１０の高屈折率部１１は、それら公知の手法を利用して、適宜作製することができる。

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

凸部１１ａは、側面形状の一方側（図３では、左側）に、高さの異なる４つの段部を備えた多段階形状を有している。具体的には、凸部１１ａは、最も突出したレベル１段部１１ａ－１と、レベル１段部１１ａ－１よりも一段低いレベル２段部１１ａ－２と、レベル２段部１１ａ－２よりもさらに一段低いレベル３段部１１ａ－３と、レベル３段部１１ａ－３よりもさらに一段低いレベル４段部１１ａ－４とを一側面側に有している。また、凸部１１ａの側面形状の他方側（図３では、右側）は、レベル１段部１１ａ－１からレベル４段部１１ａ－４まで直線上につながる側壁部１１ｂとなっている。

図１に示すように、回折光学素子１０には、微細な単位領域（セル）として、複数の基本セル１０ａと、合成セル１０ｂとがマトリックス状に配列されている。
基本セル１０ａは、本実施形態では、いずれも正方形に形成されており、この基本セル１０ａは、複数並べて配置されている。

合成セル１０ｂは、基本セル１０ａとは外形形状が異なるセルであり、本実施形態では、長方形に構成されている。また、合成セル１０ｂは、特定の方向（図１中の上下方向）の長さが基本セル１０ａの長さよりも長く形成されており、凸部１１ａの１ピッチ分を含む回折格子を有するセルである。図１中には、この合成セル１０ｂは２つ配置されている。
合成セル１０ｂは、本実施形態では、特定数として２つの基本セル１０ａを組み合わせ、さらに、組み合わせた２つの基本セル１０ａを特定数である２つに分割した形状となっている。すなわち、合成セル１０ｂは、正方形の基本セル１０ａを２つ図中の上下方向に並べて組合せ、これを図中の左右方向に２つに分割した長方形形状となっている。この分割する方向は、本実施形態では、合成セル１０ｂの長さが基本セル１０ａの長さよりも長い特定の方向としての上下方向に交差（直交）する左右方向に分割している。
本実施形態の回折光学素子１０は、従来のグレーティングセルアレイを基本形態として、その中に合成セル１０ｂが配置されている点で、従来のグレーティングセルアレイと異なった形態となっている。

図１において、各段部の高さの違いを、合成セル１０ｂについてのみ、ドットパターンの違いにより示した。よって、図１中のＰ１，Ｐ２は、それぞれの回折格子における１ピッチを表している。一方、他の基本セル１０ａについても、同様な４段階の高低差が設けられているが、狭いピッチの部分もあるので、これらについては単に斜線のみで表現しており、直線間の間隔部分が４つで１ピッチを表している。

図１に示すように、合成セル１０ｂが含む回折格子の凸部１１ａのピッチＰ１，Ｐ２は、基本セル１０ａが含む回折格子の凸部１１ａのピッチよりも大きい。また、合成セル１０ｂが構成する回折格子の凸部１１ａのピッチＰ１，Ｐ２は、基本セル１０ａの外形形状の最大長さよりも大きい。したがって、従来のグレーティングセルアレイの設計手法にしたがって、合成セル１０ｂが含む回折格子を基本セル１０ａの上にそのまま配置しようとしても、凸部１１ａのピッチＰ１，Ｐ２を１つの基本セル１０ａ内に配置することができなかった。しかし、本実施形態の回折光学素子１０では、合成セル１０ｂの特定方向（図１における上下方向）の長さを長く構成したので、この範囲内に、ピッチがＰ１，Ｐ２と大きな回折格子を配置することが可能となっている。以下、この回折格子の配置及び合成セル１０ｂの構成手法について、より具体的に説明する。

図５は、従来のグレーティングセルアレイの設計手法にしたがって、本実施形態の回折光学素子１０と同様な配光特性を備えた回折光学素子１０を設計した場合の回折格子の配置例を示す図である。
この図５のような設計は、従来からプログラムにより半自動的に設計が行われるものである。図５中には、説明の便宜上、各セルに１～１６の番号を併記した。なお、ここでは、簡単のため、４×４＝１６個のセルにより説明を行うが、これは通常、より大きな行列数に構成されている。例えば、２００×２００＝４００００個のセルにより４ｍｍ角の回折光学素子１０を構成する。
図５において、セル番号７，１４では、２～３段程度しか含まれていない。本実施形態の４レベルの回折格子では、４段で１ピッチとなるので、図５の状態では、セル番号７，１４内には、１ピッチ分の回折格子が含まれていない。このように配置される回折格子が１ピッチに満たない状態では、該当するセルは、回折格子として機能することができない。この場合、このような領域（セル）自体が実質的に無駄な領域となるだけでなく、本来そのセルが担うべきであった向きへ出光する光が正しく出光できなくなり、従来は回折効率の低下を招いていた。

図５におけるセル番号７，１４のようなセル、すなわち、凸部１１ａの１ピッチ分を含むことができていないセルについては、先に説明した合成セル１０ｂに変換する処理を行う。なお、この変換処理は、設計プログラムにより自動又は半自動化することができる。また、設計者自身が手作業で以下の変換処理を行ってもよい。いずれの変換処理によっても、先の図１に示したような合成セル１０ｂが構成可能であれば、得られる結果は同じである。
先ず、図５のような基本設計を従来のグレーティングセルアレイの設計手法により行った後、セルの移動（場所交換）処理が行われる。

図６は、図５の状態からセルの移動を行った結果の一例を示す図である。
この例では、セル番号１１とセル番号１４とを場所交換して配置し直した。ここで、場所交換の狙いは、１ピッチ分が含まれていない、すなわち、１ピッチの長さが基本セル１０ａ内に収まらない程度に大きい回折格子を含むセル（ここでは、セル番号７，１４のセル）を並べて配置し、これら繋げると１ピッチの長さを超える長さのセルとなるように配置することである。ここで、並べて配置するセル（セル番号７，１４のセル）は、これらのセル内における回折格子の凸部１１ａが並ぶ方向に最も近い方向に並べる必要がある。この条件を満たせば、並べる位置は、図６の例に限らない。例えば、セル番号７の下にセル番号１４を配置するようにしてもよい。

図７は、図６のように２つのセル（セル番号７，１４のセル）を組み合わせた状態から、さらに、組み合わせた２つセルを組み合わせた数に分割し、回折格子をそれぞれに配置し直した状態を示す図である。
ここで、合成セルを分割する方向は、２つのセルを並べた方向（特定の方向：図中の上下方向）に交差する方向である図中の左右方向に分割する。これにより、１つの合成セルの面積を基本セルの面積と同じとしながら、合成セルの特定の方向（図中の上下方向）の長さを２倍にすることができる。そして新たにできた図中の上下方向に長い２つの合成セルのそれぞれを、新たにセル番号４，１４として割り振り直して、それぞれに、元のセル番号４，１４と同じ回折格子を配置する。これにより、新たにできた合成セルであるセル番号４，１４のそれぞれには、ピッチの長い回折格子が１ピッチ分を含んで構成可能である。また、基本セル１０ａと合成セル１０ｂとは、その面積が同じであるので、それぞれのセルが担う光の光量に変化は生じない。

以上説明したように、第１実施形態によれば、回折光学素子１０は、複数のセルを合成及び分割して構成した合成セル１０ｂを設けたので、ピッチの大きな回折格子を配置可能である。また、回折光学素子１０は、基本セル１０ａについては、そのサイズを従来と同様にすることができるので、多数の回折格子を配置可能であって、従来と同様な光の成形を行うことが可能である。

（第２実施形態）
図８は、本発明による回折光学素子の第２実施形態を示す平面図である。
第２実施形態の回折光学素子１０は、合成セル１０ｂの構成が第１実施形態と異なる他は、第１実施形態と同様な構成をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

第２実施形態の回折光学素子１０では、合成セル１０ｂを繋げた１つのセルとせずに、間隔を空けて並べて配列されている複数のセルによって構成している点が、第１実施形態と異なっている。そして、この間隔を空けて並べて配列されている複数のセルは、凸部１１ａのピッチ及び面内の回転方向の配置が同一であって凸部１１ａの１ピッチを含む回折格子を有している。
図８の例では、２つの合成セル１０ｂは、それらの間にセル番号１５の基本セル１０ａを挟んで間隔を空けて並べて配列されている。この合成セル１０ｂのそれぞれのセル、すなわち、間を空けて並べて配列されたセル番号７同士、及びセル番号１４同士には、それらの組合せで同一のピッチ及び回転方向に配置された同一の回折格子が配置されている。これを図９を用いてより分かりやすく説明する。

図９は、図８の状態からセル番号１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。
第２実施形態の回折光学素子１０は、合成セル１０ｂを並べずに、間隔を空けて配置しているが、その間隔を空けて配置した回折格子は、回折格子の間が抜けた形ではあるものの、両者の間には、連続した関係、すなわち、両者は、同一の回折格子の一部をそれぞれ構成している。回折格子は、このように途中の部分が欠落していても、全体として同一の回折格子を構成していれば、回折格子としての所望の性能を発揮できる。よって、第２実施形態の回折光学素子１０は、第１実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。

（第３実施形態）
図１０は、本発明による回折光学素子の第３実施形態を示す平面図である。
第３実施形態の回折光学素子１０についても、合成セル１０ｂの構成が第１実施形態と異なる他は、第１実施形態と同様な構成をしている。よって、前述した第１実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

先に説明した第１実施形態及び第２実施形態では、ピッチの大きな回折格子において凸部１１ａが並ぶ向きが基本セル１０ａの辺の延在する向きに近い向きにあることから、正方形の基本セル１０ａを図中上下、又は、左右に並べたり、間隔を空けて配置したりすることで、大きなピッチを包含可能であった。しかし、回折格子の面内における回転方向は、このように都合よくなるとは限らず、例えば、基本セル１０ａの対角線方向に近い向きに凸部１１ａが並ぶ場合も多数存在する。そのような場合には、上述した第１実施形態及び第２実施形態を応用しただけでは、対応できないおそれがある。
第３実施形態では、例えば、基本セル１０ａの対角線方向に近い向きに凸部１１ａが並ぶ場合に有効な形態である。

図１０に示すように、第３実施形態では、斜め方向、すなわち、基本セル１０ａの対角線方向に近い方向に合成セル１０ｂを間隔を空けて配置した。また、合成セル１０ｂの分割の向きを、基本セル１０ａの対角線方向とした。これにより、図１０に示すように、基本セル１０ａの対角線方向に近い方向に凸部１１ａが並ぶ回折格子であっても、その１ピッチ以上を合成セル１０ｂの全体で含めて構成することが可能である。

図１１は、第２実施形態の図９と同様に、第３実施形態について、図１０の状態からセル番号１，２，５，６，９，１０，１１，１５の基本セル１０ａを取り除き、その位置に実際には存在していないが、仮でセル番号７及びセル番号１４と同じ回折格子を配列して示した図である。
図１１に示すように、２つのセル番号７は、同一の回折格子の一部を構成しており、同様に、２つのセル番号１４は、同一の回折格子の一部を構成している。そして、２つの合成セルを組み合わせて表される回折格子は、いずれも、１ピッチ以上の回折格子を含んだものとなっている。よって、斜め方向であっても、第３実施形態の回折光学素子１０は、第１実施形態及び第２実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。

（第４実施形態）
図１２は、本発明による回折光学素子の第４実施形態を示す平面図である。
第４実施形態の回折光学素子１０についても、合成セル１０ｂの構成が第２実施形態と異なる他は、第２実施形態と同様な構成をしている。よって、前述した第１実施形態及び第２実施形態と同様の機能を果たす部分には、同一の符号を付して、重複する説明を適宜省略する。

第４実施形態の回折光学素子１０は、第２実施形態において、図中の上下方向に間を空けて配置されていた合成セル１０ｂが、図中の左右方向においても間を空けて配置されている例である。第４実施形態の回折光学素子１０のような合成セル１０ｂの配置としても、第１実施形態及び第２実施形態と同様な作用及び効果を奏することができる。

（検証）
上記の各実施形態に相当するシミュレーションを行った結果を以下に示す。
図１３は、シミュレーションに用いた回折格子を模式的に示す図である。
シミュレーションは、図１３中のＰを１ピッチとした４段の回折格子をモデルとしている。
図１４は、シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンを示す図である。
図１５は、シミュレーションを行った合成セル１０ｂの配置パターンをグリッドと併せて示す図である。
シミュレーションは、図１４（ａ）及び図１５（ａ）の形態を基本セルとして、図１４（ｂ）及び図１５（ｂ）のように図中の縦方向（回折格子の段が並ぶ方向と一致する方向）に連続して長く配置した合成セル１０ｂ（第１実施形態に相当する形態であり、以下、縦２倍セルとも呼ぶ）と、図１４（ｃ）及び図１５（ｃ）のように図中の縦方向（回折格子の段が並ぶ方向と一致する方向）に間を空けて配置した合成セル１０ｂ（第２実施形態に相当する形態であり、以下、縦抜きセルとも呼ぶ）と、図１４（ｄ）及び図１５（ｄ）のように図中の縦方向（回折格子の段が並ぶ方向と一致する方向）と左右方向（回折格子の段が並ぶ方向と直交する方向）とのそれぞれの方向について間を空けて配置した合成セル１０ｂ（第４実施形態に相当する形態であり、以下、縦横抜きセルとも呼ぶ）とについて行った。

図１６は、基本セルにおけるピッチの変化に対する回折角の変化を理想的な状態において示す図である。
図１６に示す回折角が、本来の回折角、すなわち、設計狙いとなる回折角である。
ここで、シミュレーションは、Synopsys社製のRsoft-BeamPROPシミュレータを用いている。これは、ビーム伝播法によるシミュレーションであり、ビーム伝播法については、例えば、丸善出版・小舘香椎子、神谷武志監修「回折光学素子の数値解析とその応用」に述べられている。

グレーティングセルアレイでは、図１３のような４段のグレーティングが、通常図１４（ａ）のようにセル領域が決定され、グレーティングの回転方向、ピッチにより、回折角の方向が特定される。個々のグレーティングセルは、目的の回折角をθとしたときに、ピッチ＝波長÷sin(θ)であらわされるピッチとなる。ピッチと回折角を図示したものが図１６であり、これはグレーティング周期が充分に繰り返された理想的な場合を示している。

図１７は、２０μｍ角のセルにおいて２０μｍピッチの回折格子を備えた単位セルから出射する回折光の分布を示す図である。図１７（ａ）は、回折光の分布を濃淡で示す図であり、色が濃い部分が光量が多い部分である。図１７（ｂ）は、図１７（ａ）の分布の中央位置Ｄ－Ｄにおける輝度分布をグラフ化した図である。
先にも説明したように、グレーティングピッチが大きくなると、一つのセルで表現できるピッチ周期数が限定される。例えば、図１４（ｂ）の正方形のセルの１辺が２０μｍの場合、グレーティングピッチが２０μｍでは１周期分、グレーティングピッチが４０μｍでは０．５周期分となる。セルの１辺が２０μｍの正方形であり、グレーティングピッチが２０μｍの場合、その回折光は、図１７に示すように単一の回折角ではなく、本来の回折角２．４３°近傍に面として回折光が分布する。
ここでは、面として分布した回折光のｘ方向－１°から＋５°までの面の重心を回折角とした。

図１８は、シミュレーション結果をまとめて示す図である。
図１８では、ピッチに対する理想的な回折角と、上述した重心により求めた回折角とを併せて示している。
図１８を見ると、２０ｍｍ角の基本セル（図１４（ａ））の場合、ピッチが４０μｍになると理想回折角が外れることがわかる。２０μｍ角のセルに対し、縦２倍セル（図１４（ｂ））、縦抜きセル（図１４（ｃ））、縦横抜きセル（図１４（ｄ））では、理想回折角からは外れるものの２０μｍ角のセル（図１４（ａ））の外れ量に対して、外れ量が小さいことがわかる。

（合成セルの作用について）
図１９Ａ、図１９Ｂ、図１９Ｃは、４段（４－ｌｅｖｅｌ）の回折格子による回折現象を説明する図である。
回折光は、図１９Ａ（ａ）で示されるような、ｓｉｎ（回折角θ）＝波長λ／ｐｉｔｃｈで定義される回折角となる。
回折光の意味合いは、図１９Ａ（ｂ）で示されるように、入射光を平面波とすると、回折格子の媒質中を透過すると、光の速度が（１／屈折率）分遅くなるため、上に現れる位相面が階段状となり、さらに回折角度の面として近似できる。図１９Ａ（ｃ’）は、連続的に波面を入射した場合であり、回折角を持つ斜め方向の光の波面が形成できる。
図１９Ｂ（ｄ）は、図１９Ａ（ｃ）の部分的な回折格子を示しており、位相面の範囲は狭くなるが、図１９（ｄ’）に示すように図１９（ｃ’）と同じ連続波面ができていることがわかる。
図１９Ｂ（ｅ）は、連続する回折格子で途中には光が透過しない場合を示しており、連続波面を照射した場合には、図１９Ｂ（ｅ’）に示すように波面がそろうことがわかる。
図１９Ｃ（ｆ）は、連続しない回折格子で、途中には光が透過しない部分を形成した場合を示している。この場合、連続波面を照射した場合には、図１９Ｃ（ｆ’）に示すように、ａ部の波面とｂ部の波面の連続性が得られず、回折光とはならない。
このように、理論的にも、先に説明した各実施形態の合成セルの有用性が説明できる。

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

（１）各実施形態において、合成セル１０ｂとして、２つのセルを合成及び分割して構成した例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、３つ以上のセルを合成及び分割して合成セルを構成してもよい。合成するセルの数が多くなるほど、特定の方向の長さを増すことができ、より長いピッチの回折格子を配置可能となる。

（２）各実施形態において、合成セルの形状は、分かりやすくするためもあり、長方形や直角二等辺三角形にしたが、これらの形状は、例えば、台形としてもよく、適宜変更可能である。

（３）各実施形態において、４段（４レベル）の回折格子を例に挙げて説明した。これに限らず、例えば、２レベルでもよいし、１６レベルでもよく、段数に関して何ら制限するものではない。

（４）各実施形態において、可視光を回折対象の波長として例示したが、これに限らず、例えば、回折対象の光は、赤外光であってもよいし、紫外光であってもよい。また、光源についても、ＬＥＤであってもよいし、レーザであってもよい。

（５）各実施形態において、基本セル１０ａは、正方形である例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、基本セルの形状を長方形としてもよいし、三角形や六角形等の多角形形状としてもよい。

なお、第１実施形態～第３実施形態及び変形形態は、適宜組み合わせて用いることもできるが、詳細な説明は省略する。また、本発明は以上説明した各実施形態によって限定されることはない。

１０ 回折光学素子
１０ａ 基本セル
１０ｂ 合成セル
１１ 高屈折率部
１１ａ 凸部
１１ａ－１ レベル１段部
１１ａ－２ レベル２段部
１１ａ－３ レベル３段部
１１ａ－４ レベル４段部
１１ｂ 側壁部
１２ 凹部
１３ 空間
１４ 低屈折率部
１５ 回折層
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
２１０ 光源部

Claims (4)

1. 断面形状において複数の凸部が並んで配置されている高屈折率部と、
   前記高屈折率部よりも屈折率が低く、少なくとも前記凸部の間に形成されている凹部を含む低屈折率部と、
   を有する回折層を備え、
   複数のセルが並べて配置されており、セル毎に前記凸部の並ぶピッチと面内の回転方向の配置との少なくとも一方が異なっており、同一セル内では前記凸部のピッチと面内の回転方向の配置とが同一であり、前記セルの集合体としての構成により光を整形する回折光学素子であって、
   前記複数のセルには、
   前記セルの外形形状が同一形状の複数の基本セルと、
   前記基本セルとは外形形状が異なるセルであって、特定の方向の長さが前記基本セルの長さよりも長く形成されて前記凸部の１ピッチ分を少なくとも含む回折格子を有するセル、又は、間隔を空けて並べて配列されている複数のセルによって前記凸部のピッチ及び面内の回転方向の配置が同一であって前記凸部の１ピッチを含む回折格子を有するセルである、合成セルと、
   を含み、
   前記合成セルが含む回折格子の前記凸部のピッチは、前記基本セルが含む回折格子の前記凸部のピッチよりも大きく、
   前記合成セルが構成する回折格子の前記凸部のピッチは、前記基本セルの外形形状の最大長さよりも大きい回折光学素子。
2. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   前記合成セルは、特定数の前記基本セルを組み合わせ、さらに、組み合わせた前記基本セルを前記特定数に分割した形状となっていること、
   を特徴とする回折光学素子。
3. 請求項２に記載の回折光学素子において、
   前記合成セルが間隔を空けて並べて配列されている複数のセルとして構成されている場合には、前記合成セルの前記凸部の形状は、間隔部分となる位置において前記凸部の形状が仮想的に連続しており、空間的な周期が同一の構造であること、
   を特徴とする回折光学素子。
4. 請求項２又は請求項３に記載の回折光学素子において、
   前記合成セルを分割する方向は、前記特定の方向に交差する方向、又は、複数の前記合成セルが間隔を空けて並べて配列されている方向に交差する方向であること、
   を特徴とする回折光学素子。

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