JP6946632B2 - 回折光学素子、回折光学素子及び保持具のセット部材、光照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、回折光学素子、保持具、光照射装置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、レーザの様な平行光源や、ＬＥＤの様な拡散光源のいずれにも対応可能であり、また、紫外光から可視光、赤外線までの広い範囲の波長に対して適用可能である。

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

ＤＯＥでは、高さの異なる複数の段部を備えた多段階形状により出光効率を高めることが行われている。
しかし、多段階形状の改良による出光効率の向上に限らず、さらなる効率向上が望まれている。

特開２０１５−１７０３２０号公報

本発明の課題は、光の利用効率をさらに高めたり、不要な出光を抑えたりすることができる回折光学素子、保持具、光照射装置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、光を整形する回折光学素子（１０）であって、少なくとも光を整形する使用状態において、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている、又は、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されている、回折光学素子（１０）であって、当該回折光学素子（１０）は、全体としては平面に沿って構成されており、前記平面と平行に構成されている第１の領域（１０Ａ）と、前記第１の領域（１０Ａ）に対して角度を成して構成されている、又は、前記第１の領域（１０Ａ）に対して角度を成した状態で保持されている第２の領域（１０Ｂ）と、を備え、前記第１の領域（１０Ａ）における法線である第１の法線（Ｎ１）と前記第２の領域（１０Ｂ）における法線である第２の法線（Ｎ２）とのなす角度βは、２０°以上４０°以下であること、を特徴とする回折光学素子（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、素子表面の少なくとも一部が曲面に構成されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

第３の発明は、第１の発明又は第２の発明に記載の回折光学素子（１０）において、素子表面の少なくとも一部は、複数の平面を組み合わせて構成されていること、を特徴とする回折光学素子（１０）である。

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１項に記載の回折光学素子（１０）を保持する保持具であって、前記回折光学素子（１０）の素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態となるように保持する保持具である。

第５の発明は、光源部（２１０）と、前記光源部（２１０）からの光が入射する位置に配置され、前記光源部（２１０）からの光を成形する第１の発明から第３の発明までのいずれか１項に記載の回折光学素子（１０）と、を備える光照射装置である。

第６の発明は、第５の発明に記載の光照射装置であって、前記光源部（２１０）は、前記第１の法線（Ｎ１）に平行な平行光を照射すること、を特徴とする光照射装置である。

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

本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。 図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。 図２中の矢印Ｇ−Ｇ’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。 本発明による回折光学素子１０と光源２０１との関係を模式的に示す断面図である。 入射角と回折角について説明する図である。 シミュレーション解析の結果をまとめた図である。 Ｔｉｎ＝０°について、シミュレーション解析結果をまとめた図である。 第１の領域１０Ａと第２の領域１０Ｂとにおける角度の関係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。

（実施形態）
図１は、本発明による回折光学素子の実施形態を示す平面図である。
図２は、図１の回折光学素子の例における部分周期構造の一例を示す斜視図である。
図３は、図２中の矢印Ｇ−Ｇ’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。

本実施形態の回折光学素子１０は、光を整形する回折光学素子（ＤＯＥ）である。回折光学素子１０は、例えば、波長が５００ｎｍ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。
本実施形態の回折光学素子１０は、図１に示したＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄのそれぞれの位置において深さが異なっている。すなわち、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、通常、異なる周期構造を持つ複数の領域（部分周期構造：例えば、図１のＥ，Ｆ領域）を有している。図２では、部分周期構造の一例を抽出して示している。
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たものであってもよい。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たものであってもよい。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５は、本発明による回折光学素子１０と光源２０１との関係を模式的に示す断面図である。
本実施形態の回折光学素子１０は、先の図２に示したようにミクロ的に見れば、平面状に表現できるが、全体としてみると、図５に示すように特定の領域が他の領域に対して傾斜して形成されている。すなわち、回折光学素子１０の全体としてのシート面に沿って平行な平面に構成された第１の領域１０Ａと、この第１の領域１０Ａに対して角度を成して構成されている第２の領域１０Ｂとを備えている。
なお、図５では、構成を分かりやすく示すために凸部１１を大きく示しているが、実際には、このように大きく見えるものではない。
本実施形態の回折光学素子１０は、そのシート面内における直交する２方向、例えば、図２におけるＸ方向とＹ方向において、Ｘ方向については傾斜した領域を備えているが、Ｙ方向に沿った方向については、傾斜した領域を備えていない。すなわち、回折光学素子１０は、一方向についてのみ傾斜した領域を備えている。
また、本実施形態の光照射装置の光源部２１０は、第１の領域１０Ａにおける法線（第１の法線）に平行な平行光を照射する線光源、又は、面光源である。

本実施形態の回折光学素子１０は、回折光学素子１０に力を加えない自由状態において、上述の傾斜した第２の領域１０Ｂを構成している。このような傾斜面を備えた回折光学素子１０を作製するためには、例えば、回折光学素子１０の製造過程において、回折光学素子１０を加熱した状態で型に押し付けて、その後冷却して図５のような形状を維持できるようにする、いわゆる、ホットプレス（熱間プレス、又は、ホットスタンプともいう）を利用するとよい。

また、保持具を用いて、回折光学素子１０の形状を拘束して、第２の領域１０Ｂを形成するようにしてもよい。保持具を用いる場合には、回折光学素子１０は、力を加えない自由状態では、全体としてみると平坦なシート状に形成されているものを用いることができる。

次に、回折光学素子１０に第２の領域１０Ｂを設ける理由と、どの程度第２の領域１０Ｂを傾斜させた状態とすれば適切であるのかについて説明する。
先ず、回折光学素子１０へ入射する光の入射角が回折効率にどのような影響を与えているのかを明確にするために、シミュレーション解析を行った。

図６は、入射角と回折角について説明する図である。
シミュレーション解析では、回折光学素子１０を傾けて配置することにより、入射角の異なる条件を設定した。回折光学素子１０への入射角Ｔｉｎと、出射角Ｔｏｕｔとを、図９（ａ）の向きに設定すると、回折光学素子１０が光を回折する回折角Ｔｄは、Ｔｄ＝Ｔｉｎ−Ｔｏｕｔとして表すことができる。例えば、図６（ｂ）から図６（ｄ）には、いずれも回折角Ｔｄ＝１０°であるが、それぞれＴｉｎ＝０°，１０°，２０°の場合を図示した。これら図６（ｂ）、図６（ｃ）、図６（ｄ）は、回折光学素子１０の傾いている角度が入射光に対してそれぞれ、０°、１０°、２０°であるとして捉えることができる。このようなモデルを用いて、シミュレーション解析を行った。

シミュレーション解析の変動パラメータとして、Ｔｉｎを０°から６０°まで１０°刻みで変化させた。また、回折角Ｔｄを５°から６０°まで５°刻みで変化させた。これらＴｉｎとＴｄとの組み合せについて、シミュレーション解析を行った。
回折効率の解析シミュレーションには、厳密結合波理論（ＲＣＷＡ（ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ）に基づいた演算を用いた。ＲＣＷＡは、数学的には、行列の固有値問題と一次方程式を解くことに帰着されるので、原理的な困難さはない。また、このＲＣＷＡに基づいた電磁場解析のシミュレーション結果と現実とでは、現物における形状エラー等を除けば、基本的に合致する。

シミュレーションは、以下の条件により行った。
波長λ：５００ｎｍ
高屈折率部の屈折率ｎ：１．５
低屈折率部の屈折率：１．０
多段階のレベル数Ｐ：４
多段階の一段あたりの段差：２５０ｎｍ

以上の条件により、シミュレーションを行った結果について説明する。
図７は、シミュレーション解析の結果をまとめた図である。
図７に示したシミュレーション出光値は、入力光を１としたときの、各方向における出光値を示している。
図７中の０ｔｈ、１ｓｔは、それぞれ、０次回折光、１次回折光を示す。通常の利用方法では、１次回折光が大きい方が望ましく、また、０次回折光が少ない方が望ましい。

図８は、Ｔｉｎ＝０°について、シミュレーション解析結果をまとめた図である。
図７及び図８を見ると、Ｔｉｎ＝０°の場合、Ｔｄ＝３５°において１次回折光（１ｔｈ）が非常に低い値（０．３１９６２１）となっている。したがって、従来のような平坦な回折光学素子では、平行光線を回折光学素子に入射させて、様々な方向に出射させる場合に、回折光学素子のシート面に対する法線に対して略３５°の向きに出射する光だけ極端に光量が減少してしまう。

そこで、本実施形態の回折光学素子１０は、従来と同様な平面に構成されている第１の領域１０Ａに加えて、第２の領域１０Ｂを設けている。第１の領域１０Ａでは、１次回折光（１ｔｈ）の効率が低下するＴｄ＝３５°を除いた他の回折角となるような凹凸形状を構成する。そして、第２の領域１０Ｂは、Ｔｄ＝３５°であっても、比較的回折効率の良好なＴｉｎ＝２０°以上、Ｔｉｎ＝４０°以下となるように、第１の領域１０Ａに対して傾けて構成している。

図９は、第１の領域１０Ａと第２の領域１０Ｂとにおける角度の関係を説明する図である。
本実施形態の回折光学素子１０では、第１の領域１０Ａにおける法線である第１の法線Ｎ１と第２の領域１０Ｂにおける法線である第２の法線Ｎ２とのなす角度βを、２０°以上４０°以下となるように配置している。
このような配置により、第２の領域１０Ｂへ光源部２１０から入射する光は、上述したＴｉｎ＝２０°以上、Ｔｉｎ＝４０°以下となる。よって、この第２の領域１０Ｂの回折角Ｔｄを３５°付近となるように設定しても、回折効率の低下を抑えることができる。

以上説明したように、本実施形態によれば、第２の領域１０Ｂを第１の領域１０Ａに対して傾けて配置した。より具体的には、第１の領域１０Ａにおける法線である第１の法線Ｎ１と第２の領域１０Ｂにおける法線である第２の法線Ｎ２とのなす角度βを、２０°以上４０°以下とした。このような構成とすることにより、回折光学素子１０は、回折効率が低下する入射角となる構成を避けた構成とすることができ、より効率の高い回折光学素子１０及び光照射装置とすることができる。

（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）実施形態において、回折光学素子は、保持具を用いずに、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されているようにしてもよい。

（２）実施形態において、回折光学素子は、複数の平面を組み合わせて構成されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、直線と曲線を組み合わせて構成してもよい。

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

（４）実施形態において、回折光学素子は、波長が５００ｎｍの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、回折光学素子は、波長７８０ｎｍ以上の赤外線を回折するものであってもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を回折するものに本発明を適用してもよい。

（５）各実施形態において、光照射装置は、波長が５００ｎｍの光を回折するように設計されている例を挙げて説明した。これに限らず、例えば、光源部が波長７８０ｎｍ以上の赤外光を発光するものとしてもよいし、赤外光に限らず、可視光等、どのような波長の光を発光する光源部を光照射装置に適用してもよい。

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

１０ 回折光学素子
１０Ａ 第１の領域
１０Ｂ 第２の領域
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
１００ 回折光学素子
２００ スクリーン
２０１ 光
２０２ 照射領域
２０４ 照射領域
２１０ 光源部

Claims (6)

1. 光を整形する回折光学素子であって、
   少なくとも光を整形する使用状態において、
   素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成して構成されている、
   又は、
   素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態で保持されている、回折光学素子であって、
   周期構造を有して平面状に構成され、入射側から入射した光を反対側の出射側から回折光として出射する第１の領域と、
   周期構造を有して平面状に構成され前記第１の領域に対して角度を成して構成されている、又は、周期構造を有して平面状に構成され前記第１の領域に対して角度を成した状態で保持されており、入射側から入射した光を反対側の出射側から回折光として出射する第２の領域と、
   を備え、
   当該回折光学素子は、力を加えない自由状態では、全体としてみると平坦なシート状に形成されているものであり、
   前記第２の領域は、前記第１の領域に隣接して一部材で繋がっており、
   前記第１の領域における法線である第１の法線と前記第２の領域における法線である第２の法線とのなす角度βは、２０°以上４０°以下であること、
   を特徴とする回折光学素子。
2. 請求項１に記載の回折光学素子において、
   素子表面の少なくとも一部が曲面に構成されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
3. 請求項１又は請求項２に記載の回折光学素子において、
   素子表面の少なくとも一部は、複数の平面を組み合わせて構成されていること、
   を特徴とする回折光学素子。
4. 請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回折光学素子と、
   前記回折光学素子を保持する保持具と、
   を備える回折光学素子及び保持具のセット部材であって、
   前記保持具は、前記回折光学素子の素子表面の少なくとも一部が他の部位の素子表面に対して角度を成した状態となるように保持する回折光学素子及び保持具のセット部材。
5. 光源部と、
   前記光源部からの光が入射する位置に配置され、前記光源部からの光を成形する請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の回折光学素子と、
   を備える光照射装置。
6. 請求項５に記載の光照射装置であって、
   前記光源部は、前記第１の法線に平行な平行光を照射すること、
   を特徴とする光照射装置。

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