回折光学素子及び計測装置
【課題】広い領域に均一に光スポットを分布させることのできる回折光学素子を提供する。
【解決手段】入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ１であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ１であって、前記第２の回折光学部における回折角度がθ２であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ２である場合、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２であることを特徴とする回折光学素子を提供することにより上記課題を解決する。
【解決手段】入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ１であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ１であって、前記第２の回折光学部における回折角度がθ２であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ２である場合、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２であることを特徴とする回折光学素子を提供することにより上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子及び回折光学素子を用いた計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光の少なくとも一部を回折する回折光学素子は、様々な光学機器及び光学装置等に用いられている。例えば、光学的な３次元計測装置は、所定の光の投影パターンを測定対象物に照射し、所定の光の投影パターンの照射されている測定対象物の画像を取得することにより、３次元計測を行なう装置である。このような３次元計測装置において、回折光学素子は所定の光の投影パターンを生成するために用いられている。
【０００３】
３次元計測装置では、広い範囲に光を投影することが求められており、このため、回折光学素子の回折角度が大きくなり、回折光学素子を直進透過する回折光である０次回折光の光量が大きくなりやすい傾向にある。このような０次回折光の光量は他の回折光の光量に対し高くなると、３次元計測装置の撮像画像が０次回折光の周囲でにじみ等が生じ、画像の劣化につながる可能性がある。従って、０次回折光の光量は低い方が望ましい。
【０００４】
特許文献１には、３次元計測を行う際に、計測対象物に照射される光の投影パターンとして、回折光学素子により生成されたスペックルパターンを照射する方法が開示されている。また、特許文献２には、２枚の回折光学素子を用いて０次回折光の光量を低減する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５３０６０４号公報
【特許文献２】特表２０１１−５１０３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に開示されている方法は、１枚目の回折光学素子に光を入射し、１枚目の回折光学素子により回折された光を２枚目の回折光学素子に入射させ回折させるものであり、これにより、矩形の回折光のパターンを２次元的に分布させることができる。
【０００７】
回折光学素子を３次元計測等に用いる場合、上述したように回折光学素子には回折光を広い範囲に分布させることが求められるが、２枚の回折光学素子を用いた場合、１枚目の回折光学素子の回折角度と２枚目の回折光学素子の回折角度の和が全体の回折角度となるため、回折角度が広くなり、回折光を広い範囲に分布させることができる。
【０００８】
ところで、回折光学素子を用いて平面に回折光を投影させた場合、投影領域が略長方形状となるように回折光を分布させようとした場合、回折光の投影領域の隅の部分が伸び、いわゆるピンクッション型の歪みが生じる。特に、回折光学素子を２枚用いた場合では、回折角度を広くできるため、この傾向が顕著である。このようなピンクッション型の歪みが生じると、回折光の投影領域の中心付近より４隅の周辺付近に向かって、回折光の光スポットの密度が低くなる、即ち、回折光の投影領域の中心付近に生じる回折光の光スポットの密度に対し、回折光の投影領域の４隅となる周辺付近に生じる回折光の光スポットが低くなる。従って、このようなピンクッション型の歪みが生じる回折光学素子を計測装置等に用いた場合、周辺付近における回折光の光スポットの密度が低くなるため、計測感度が低下するといった問題点を有している。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑みたものであり、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影領域における回折光による光スポットの密度が略均一にできる回折光学素子を提供することを目的とし、更には、精密な計測を行なうことのできる計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ１であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ１であって、前記第２の回折光学部における回折角度がθ２であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ２である場合、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記第１の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第２の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、または、前記第２の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第１の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、を特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記第１の回折光学部及び前記第２の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが２次元的に配列されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記第１の回折光学部は一方の透明基板に形成されており、前記第２の回折光学部は他方の透明基板に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは接着することにより一体化していることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記第１の回折光学部は透明基板の一方の面に形成されており、前記第２の回折光学部は前記透明基板の他方の面に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、光を発する光源と、前記光を入射させ回折光が出射される前記記載の回折光学素子と、前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明における回折光学素子では、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影領域における回折光による光スポットの密度が略均一にできる。また、本発明における計測装置では、本発明の回折光学素子を用いることにより、精密で正確な計測を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の回折光学素子による回折光の説明図
【図２】従来の回折光学素子の光スポット分布の説明図
【図３】第１の実施の形態における回折光学素子による回折光の説明図
【図４】第１の実施の形態における回折光学素子の光スポット分布の説明図
【図５】第１の実施の形態における計測装置の構造図
【図６】第１の実施の形態における回折光学素子の構成図
【図７】回折光学素子により生じる光スポットの説明図
【図８】第１の実施の形態における回折光学素子の説明図
【図９】第１の回折光学部及び第２の回折光学部の構造図
【図１０】他の第１の回折光学部及び第２の回折光学部の構造図
【図１１】第２の実施の形態における回折光学素子の構成図
【図１２】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（１）
【図１３】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（２）
【図１４】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（３）
【図１５】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（４）
【図１６】実施例１及び４に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図１７】実施例１及び４に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図１８】実施例１及び４における回折光学素子により形成される光スポット
【図１９】実施例２、３及び５に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２０】実施例２、３及び５に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図２１】実施例２、３及び５における回折光学素子により形成される光スポット
【図２２】実施例６に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２３】実施例６に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図２４】実施例６における回折光学素子により形成される光スポット
【図２５】実施例７に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２６】実施例７に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図２７】実施例７における回折光学素子により形成される光スポット
【図２８】実施例８に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２９】実施例８に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図３０】実施例８における回折光学素子により形成される光スポット
【発明を実施するための形態】
【００１９】
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、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。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
（ピンクッション型の歪み）
最初に、ピンクッション型の歪みが発生する原因について説明する。図１に示すように２枚の回折光学素子４１０及び４２０により光を回折させた場合、入射光４０１を１枚目の回折光学素子４１０に入射させることにより回折光４０２が発生する。回折光学素子４１０により回折された回折光４０２は、回折角度θ１Ａで回折されるものであり、この回折光学素子４１０により発生する回折光４０２による光スポットの分布を図２（ａ）に示す。次に、回折光４０２を２枚目の回折光学素子４２０に入射させることにより回折光４０３が発生する。回折光学素子４２０により回折された回折光４０３は、回折角度θ２Ａで回折されるものであり、この回折光学素子４２０により発生する回折光による光スポットの分布を図２（ｃ）に示す。尚、図２（ｂ）は入射光が回折光学素子４２０に対し垂直に入射した場合における回折光による光スポットの分布を示す。この回折光４０３を平面の投影面４４０に照射した場合、図２（ｃ）に示すように、回折光による光スポットの投影領域４４１において４隅が伸びた形状、即ち、いわゆるピンクッション型の歪みが生じた状態で投影される。
【００２１】
ところで、引用文献２では、投影面４４０における投影領域４４１を複数に分割し、分割された領域には、各々図２（ｂ）に示す光スポットの分布に相当するものが投影される。具体的には、図２（ｃ）において白丸で示す領域の光スポット４４２は、図２（ａ）において白丸で示す光スポット４１１となる回折光４０２を回折光学素子４２０に入射させることにより回折光４０３を発生させ、この回折光４０３の光スポットを投影面４４０に投影させたものである。よって、回折光学素子４１０により回折された４つの回折光により、各々図２（ｂ）に示す回折光の光スポットの分布に対応する光スポットが生じ、これらの光スポットの分布をつなぎ合わせた状態の投影領域４４１が形成される。
【００２２】
このように、回折光学素子４２０に入射する回折光４０２は回折光学素子４１０により回折されたものであるが、投影領域４４１を広げるためには、回折光学素子４１０により発生する回折光４０２の回折角度は広い方が望ましい。
【００２３】
しかしながら、ピンクッション型の歪みが生じる原因は、回折光学素子４２０により生じた回折光のうち、投影領域４４１の中心部分の光スポットとなる回折光と周辺部分の光スポットとなる回折光との光路長が異なるためである。尚、投影領域４４１の中心部分の光スポットとなる回折光と周辺部分の光スポットとなる回折光との光路長の差を距離ｗとする。即ち、投影領域４４１の周辺部分の光スポットとなる回折光は、中心部分の光スポットとなる回折光に比べ距離ｗだけ長く伝播するため、回折部分を中心とした球面に投影した場合に比べて広がって投影される。特に、最も光路が長くなる投影領域４４１の４隅では、この傾向が顕著となり、４隅が伸びたピンクッション型の歪みが生じる。また、回折光は光路が長くなるに従い、回折光同士の間隔が広がるため、特に、最も光路が長くなる投影領域４４１の４隅では、回折光による光スポットの間隔は広くなり、光スポットの密度が粗となる。このことは、回折光学素子４１０と回折光学素子４２０が設置される位置を逆にした場合においても同様である。
【００２４】
次に、図３及び図４に基づき本実施の形態における回折光学素子について説明する。本実施の形態における回折光学素子３０は、後述するように２枚の回折光学素子に相当する第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０とを有している。本実施の形態における回折光学素子では、第１の回折光学部１１０の回折角度はθ１であり、発生する回折光の光スポットの数はｋ１であり、第２の回折光学部１２０の回折角度はθ２であり、発生する回折光の光スポットの数はｋ２である。入射光となる光束１１を第１の回折光学部１１０に入射させることにより回折光群１１１を発生させ、回折光群１１１を第２の回折光学部１２０に入射させることにより、回折光群１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、・・・を発生させ投影面１４０に回折光による光スポットにより投影領域１４１が形成される。
【００２５】
本実施の形態における回折光学素子は、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２とすることにより、第１の回折光学部１１０により発生させた図４（ａ）に示す回折光の光スポットの分布（投影領域）が、第２の回折光学部１２０により光スポットの分布の位置をずらした状態で重ね合わされて投影面１４０に投影されることにより、投影領域１４１が形成される。このように第１の回折光学部１１０により発生させた光スポットの分布を投影面１４０で重ね合わせることにより、投影領域１４１の４隅の周辺部分における光スポットの密度を投影領域１４１の中心部分と略同じにでき、投影領域１４１において略均一に光スポットを分布させることができる。尚、図４（ｃ）は、投影面１４０に投影された光スポットの投影領域１４１を示すものであり、図４（ｂ）は、入射光が第２の回折光学部１２０に対し垂直に入射した場合における回折光による光スポットの分布を示す。本実施の形態では、第１の回折光学部１１０により生じる光スポットが分布する領域を第１の回折光学部１１０により生じる光スポットの投影領域と、第２の回折光学部１２０により生じる光スポットが分布する領域を第２の回折光学部１２０により生じる光スポットの投影領域と記載する。また、図４（ｃ）において白丸で示す４つの光スポット１４２は、図４（ａ）において白丸で示す回折光の光スポット１１２が、第２の回折光学部１２０により回折され投影面１４０に投影されたものである。
【００２６】
尚、上記の内容については、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２とした場合においても同様である。よって、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２のいずれかであれば同様の効果を得ることができる。
【００２７】
本実施の形態では、上述のとおり、ピンクッション型の歪みを抑制できるが、回折光学素子３０を計測機器等に用いる場合には、投影領域１４１の中心部分と４隅の周辺部分において、より均一となるように、例えば、図４（ａ）に示す光スポットの分布において中心部分よりも周辺部分に多くの光スポットが発生するように形成すればよい。
【００２８】
以下、本実施の形態についてより詳細に説明する。
【００２９】
（計測装置）
図５に基づき本実施の形態における計測装置について説明する。図５は、本実施の形態における計測装置の構成の一例を示す。本実施の形態における計測装置１０は、光源２０、回折光学素子３０及び撮像素子５０を有している。回折光学素子３０は、後述する本実施の形態における回折光学素子であり、光源２０から出射された光束（入射光）１１を入射させることにより、回折光１２を発生させるものである。また、撮像素子５０は、回折光１２により生じた光スポットの投影パターンが照射されている測定対象物４０ａ及び４０ｂを撮像するためのものである。
【００３０】
回折光学素子３０は、複数の回折光１２を発生させるものであり、この回折光１２により生じた光スポットにより、所望の投影パターンが形成される。従って、この投影パターンを測定対象物４０ａ及び４０ｂに照射し、投影パターンが照射された状態の画像を撮像素子５０により撮像することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの３次元形状等の情報が取得される。尚、３次元計測を行なうためには、光スポットの数は１００以上であることが好ましく、また、回折光学素子３０は、最大の回折角度θｘｍｉｎ、θｘｍａｘが３０°以上となるように、即ち、回折角度が３０°以上の回折光を発生させることができるように形成されていることが好ましい。
【００３１】
（回折光学素子）
次に、本実施の形態における回折光学素子３０について説明する。図６に示されるように、本実施の形態における回折光学素子３０は、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０とを有している。第１の回折光学部１１０は、光束１１を入射させることにより回折光１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、・・・のｎ１個の回折光群１１１を発生させる回折光学素子である。第２の回折光学部１２０は、回折光１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、・・・のｎ１個の回折光群１１１を入射させることにより、ｎ２個の回折光群１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・を発生させる回折光学素子である。これにより、回折光の数を増やすことができ、回折角の大きな回折光を発生させることができる。従って、投影面１４０の広い範囲に回折光の光スポットを分布させることができる。尚、本実施の形態では、入射光となる光束１１の光軸１０１方向をＺ軸とし、光束１１の光軸１０１に対し垂直方向をＸ軸、Ｙ軸とする。尚、Ｘ軸とＹ軸とは直交するものとする。
【００３２】
本実施の形態における回折光学素子を形成している第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０は、ともに回折光を発生させるものであり、この点においては同様のものである。次に、第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０となる回折光学素子２３０について説明する。
【００３３】
図７に示すように、回折光学素子２３０に入射光となる光束２１０を入射させることにより、回折光群２１１が発生する。回折光群２１１のうち、光軸１０１に対する回折角度が最大となる回折光２１１ａの回折角度をθａとし、これを回折角度範囲θｘとする。また、このときの回折範囲の中心の光軸１０１に対する角度（中心角度）θ０は０°とする。尚、光軸１０１に対して回折光２１１ａと反対の位置の近傍に、回折角度がθｂとなる回折光２１１ｂが発生するが、θａとθｂの差が大きい場合、例えば、θａとθｂとの差が３°以上ある場合には、回折角度範囲θｘ＝（θａ＋θｂ）／２とし、中心角度θ０＝（θａ−θｂ）／２としてもよい。
【００３４】
また、光軸１０１に対し回折光２１１ａの反対側には回折光が発生しない場合、即ち、光軸１０１に対し回折光２１１ａが発生している側にのみ回折光群が発生する場合も考えられる。このような場合、光軸１０１に最も近い回折光の回折角度がθｃであるとすると、回折角度範囲θｘ＝（θａ−θｃ）／２とし、中心角度θ０＝（θａ＋θｃ）／２としてもよい。
【００３５】
本実施の形態では、前述したように、この回折角度範囲θｘとなる角度を回折角度とし、第１の回折光学部１１０における回折角度をθ１、第２の回折光学部１２０における回折角度をθ２、本実施の形態における回折光学素子３０における回折角度をθと記載する。
【００３６】
次に、回折光学素子２３０についてより詳細に説明する。入射光となる光束２１０を回折光学素子２３０に入射させることにより、回折光２１１が発生する。この回折光２１１は、数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θｘ、Ｙ方向における角度θｙに回折された光である。数１に示す式において、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２１０の波長であり、Ｐｘ、Ｐｙは後述する回折光学素子の基本ユニットのＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチである。この回折光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ことにより、照射された領域に複数の光スポットが生成される。
【００３７】
【数１】
ここで、数１に示す式は、入射光が回折光学素子に対し垂直に入射する場合における式である。図１において、入射光１１が回折光学素子３０に対して垂直に入射している状態を示しているが、光源がレーザ光源等の場合には、回折光学素子３０からの反射光が戻り光となりレーザ光源等に入射することを防ぐため、回折光学素子３０に垂直な方向より傾けた方向より入射光１１を入射させてもよい。レーザ光源等に戻り光が入射すると干渉の影響によりレーザの発振が不安定となる場合があるからである。
【００３８】
このような回折光学素子３０としては、反復フーリエ変換法等により設計された回折光学素子を用いることができる。ここで、回折光学素子とは、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、２次元的に配列させたものである。このような回折光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニット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説明されている。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、時間ｔｍ、点Ａにおけるスカラー関数ｕ（Ａ、ｔｍ）は、数２に示す式で表わされる。
【００３９】
【数２】
数２に示す式は、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。数２に示すスカラー関数は、全空間で数３に示す波動方程式を満たす。
【００４０】
【数３】
数２に示す式を数３に示す式に代入すると、数４に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。
【００４１】
【数４】
ここで、ｋは波数であり、ｋ＝２π／λである。数３に示される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。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、数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、数５に示す式が得られる。
【００４２】
【数５】
更に、点Ａ０における座標（ｘ０、ｙ０、０）、点Ａ１における座標（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、数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。
【００４３】
【数６】
これは、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、下記に示す数７に示す式のように、（ｍ、ｎ）次の回折光が発生する。
【００４４】
【数７】
この際、（ｍ、ｎ）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、下記数８に示す式で表わされる。尚、ｍ、ｎは整数、θｘｉｎ及びθｙｉｎは入射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度、θｘｏｕｔ及びθｙｏｕｔは出射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度である。
【００４５】
【数８】
従って、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を最適化することにより、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。
【００４６】
次に、図８に基づき、回折光学素子２３０の構造について説明する。回折光学素子２３０は、図８（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２３１が２次元状に周期的に配列されている。具体的には、図８（ｂ）に示されるような位相分布を有している。図８（ｂ）では、黒く塗りつぶされた領域が凸部となり、白抜きの領域が凹部となるように凹凸パターンが形成されている回折光学素子２３０を示す。回折光学素子２３０は、位相分布を発生させることができればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材の表面に凹凸パターンを形成した構造のものや、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、表面の凹凸パターンを平坦なものとしたものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させた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場合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のものを含むものを意味する。尚、回折光学素子２３０に基本ユニット２３１を２次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、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凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と一致していなくともよい。
【００４７】
図９には、回折光学素子２３０の一例として、ガラス等からなる透明基板２３２の表面に凸部２３３を形成することにより凹凸パターンを形成した構造の回折光学素子２３０の断面模式図を示す。尚、この回折光学素子２３０では、透明基板２３２の表面において、凸部２３３の形成されていない領域が凹部２３４となる。
【００４８】
透明基板２３２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を与えることがなく好ましい。また、透明基板２３２は、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を形成することにより、フレネル反射による光反射を低減できる。
【００４９】
また、凸部２３３を形成する材料としては、有機材料、無機材料、有機無機複合材料を用いることができる。凸部２３３を形成する方法、即ち、凸部２３３と凹部２３４からなる凹凸パターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィとエッチングにより形成する方法や、型によって凹凸パターンを転写する射出成形やインプリントによる方法等を用いることができる。また、凸部２３３は単一の材料により形成されている必要はなく、例えば、無機材料からなる多層膜により凸部２３３を形成してもよい。更に、凸部２３３の表面には表面反射を低減するための反射防止膜を設けた構造や、反射防止構造を形成してもよい。
【００５０】
また、図１０に示されるように、回折光学素子２３０は、表面に凸部２３３が形成されている透明基板２３２の凸部２３３が形成されている側に、透明基板２３５を設け、透明基板２３２と透明基板２３５との間に、凸部２３３を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂２３６を埋め込んだものである。尚、透明基板２３５を設けることなく、透明基板２３２の凸部２３３が形成されている側に、凸部２３３を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂２３６を形成し、透明樹脂２３６の表面を平坦化したものであってもよい。
【００５１】
このような回折光学素子２３０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、回折光学素子における基本ユニット２３１の位相分布と回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の電場分布を逆フーリエ変換することにより、基本ユニット２３１における位相分布を得ることができる。
【００５２】
また、回折光学素子２３０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２３１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、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の位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。これにより、フーリエ変換の結果と、所定の回折光の光強度の分布との差分が評価値となり、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回折光学素子の位相分布を最適な設計として得ることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、第１の回折光学部と第２の回折光学部とを一体化した構造のもの、また、一枚の基板の一方の面に第１の回折光学部となる凸部を形成し他方の面に第２の回折光学部となる凸部を形成したものである。これにより、第１の回折光学部と第２の回折光学部との位置合せが不要となり、回折光学素子が小型化される。
【００５５】
図１１に示す回折光学素子は、透明基板３０２の一方の面には、第１の回折光学部の凸部３０３を形成することにより、凸部３０３の形成されていない領域の凹部３０４と凸部３０３により凹凸パターンを形成し、透明基板３０２の他方の面には、第２の回折光学部の凸部３０５を形成することにより、凸部３０５の形成されていない領域の凹部３０６と凸部３０５により凹凸パターンを形成したものである。
【００５６】
また、図１２から図１５は、第１の回折光学部３１０と第２の回折光学部３２０とを接着材等により接着し接合した構造の回折光学素子である。第１の回折光学部３１０は、透明基板３１２の表面に凸部３１３を形成することにより、凸部３１３の形成されていない領域の凹部３１４と凸部３１３により凹凸パターンを形成したものである。また、第２の回折光学部３２０は、透明基板３２２の表面に凸部３２３を形成することにより、凸部３２３の形成されていない領域の凹部３２４と凸部３２３により凹凸パターンを形成したものである。尚、本実施の形態における第１の回折光学部３１０等は、第１の実施の形態における第１の回折光学部１１０に相当し、第２の回折光学部３２０等は、第１の実施の形態における第２の回折光学部１２０に相当する。
【００５７】
図１２に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されていない面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。
【００５８】
また、図１３に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されている面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。
【００５９】
また、図１４に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。
【００６０】
また、図１５に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士の周囲を接着剤３４０により接合したものである。
【実施例】
【００６１】
次に、実施例について説明する。例１〜例１０に示される回折光学素子の構成についてまとめたものを表１〜表３に示す。尚、本願においては、例１〜例８が実施例１〜８であり、例９、例１０が比較例１、２である。例１〜例１０では、第１の回折光学部及び第２の回折光学部における透明基板として石英を用いており、入射する光束の波長λを８３０ｎｍとする。表１では第１の回折光学部によって発生するスポット数ｎ１、発生させる次数のうちＸ方向で最大、最小の次数、Ｙ方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるＸ方向、Ｙ方向のピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ１を示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。
【００６２】
【表１】
表２には、第２の回折光学部によって発生するスポット数ｎ２、発生させる次数のうちＸ方向で最大、最小の次数、Ｙ方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるＸ方向、Ｙ方向のピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ２を示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。第２の回折光学部では、所定の入射角で光束が入射した場合に発生する位相差を基準として設計されており、そのときの入射角を設計入射角φとして示している。設計入射角φから計算される１／ｃｏｓφａｖｇおよびλｃｏｓφａｖｇの値を同時に示しており、第２の回折光学部に光束を入射した場合に、分光測定をすると波長λｃｏｓφａｖｇにおいて、波長λ、入射角φで入射場合と類似の特性を示す。尚、φａｖｇは、第２の回折光学部に角度φ０で光を入射させた場合に、第２の回折光学部において屈折する角度をφ１とした場合、φａｖｇ＝（φ０＋φ１）／２となる値である。ここで、第２の回折光学部の凹部として空気以外の媒質が用いられている場合には、凹部の媒質の屈折率からスネルの法則により計算される角度をφ０の値として用いることができる。
【００６３】
【表２】
表３には、２つの回折部を透過した光束の回折角度θを示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。
【００６４】
【表３】
例１〜例１０に示される回折光学素子の特性値についてまとめたものを表４及び表５に示す。表４及び表５には第１の回折光学部に強度１の光束が入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ１、標準偏差σ１を計算によって求めたものを示す。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ１で除算した標準偏差σ１の値をパーセントで表示しており、これを第１の回折光学部による光量ばらつきと呼ぶ。
【００６５】
また、第２の回折光学部に強度１の光束が所定の入射角度で入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ２、標準偏差σ２を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ２で除算した標準偏差σ２の値をパーセントで表示しており、これを第２の回折光学部１２０による光量ばらつきと呼ぶ。さらに、回折光学素子の光量ばらつきをσ＝｛（σ１／μ１）２＋（σ２／μ２）２｝０．５によって求めている。また、各々の入射角度における第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量を示している。
【００６６】
また、回折光学素子によって発生する回折光のうち、設計によって発生させる回折光のスポットを回折光学素子から所定の位置はなれたスクリーン上で計測した場合の計算結果について示している。スクリーンの位置を計測位置として示しており、スクリーン上における座標（Ｘ、Ｙ）を用いて長方形の計測範囲を示している。また、回折光学素子の位置から測定した計測範囲の対角方向の角度を計測範囲角度として示している。スポット計測の際に、計測範囲をＸ方向に９分割し、Ｙ方向に９分割した面積が均一となる計測領域内のスポットを計測している。表４及び表５では、Ｘ座標、Ｙ座標が最も小さくなる計測領域をＲ（１、１）、Ｘ座標、Ｙ座標が最も大きくなる計測領域をＲ（９、９）とした場合に、中心領域Ｒ（５、５）のスポット、周辺領域Ｒ（１、１）、Ｒ（１、９）、Ｒ（９、１）、Ｒ（９、９）のスポット数の平均値、領域Ｒ（１、１）〜Ｒ（９、９）におけるスポット数の最大値、最小値を示している。
【００６７】
また、表６は、例３〜例５に示される回折光学素子において、第２の回折光学素子に対して光が垂直に入射した場合に、表６に記載の各波長で第２の回折光学部に強度１の光束が所定の入射角度で入射する際に得られる回折光の強度の平均値μ２、標準偏差σ２を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、各々の波長における第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量を示している。
【００６８】
【表４】
【００６９】
【表５】
【００７０】
【表６】
（実施例１）
実施例１は、表１〜４における例１に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。
【００７１】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。
【００７２】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１２．５°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１２．５°の光束に対して３．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。
【００７３】
（実施例２）
実施例２は、表１〜３、５における例２に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上設計によって発生させる回折光の光スポットの分布を図１９（ｂ）に示す。
【００７４】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。
【００７５】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１７．６°の光束に対して７．６％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大９．２％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【００７６】
（実施例３）
実施例３は、表１〜３、５、６における例３に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第２の回折光学部１２０の設計入射角を１２．５°とする場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。
【００７７】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角１２．５°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長８１６ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。
【００７８】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１７．６°の光束に対して３．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【００７９】
（実施例４）
実施例４は、表１〜４、６における例４に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１＞θ２であり、第２の回折光学部１２０が入射角度１８．５°で設計されている場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。
【００８０】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角１８．５°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長８００ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。
【００８１】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２５．９°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２５．９°の光束に対して６．１％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．１％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。
【００８２】
（実施例５）
実施例５は、表１〜３、５、６における例５に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１＞θ２であり、第２の回折光学部１２０が入射角度２７．２°で設計されている場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。
【００８３】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角２７．２°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長７６５ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。
【００８４】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲３７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３７．６°の光束に対して８．５％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大８．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【００８５】
（実施例６）
実施例６は、表１〜４における例６に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ２がｎ１≦ｎ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２２（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２２（ｂ）に示す。
【００８６】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２３（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２３（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２４に示す。
【００８７】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２．６°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２．６°の光束に対して３．０％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大３．１％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．７６８となる。
【００８８】
（実施例７）
実施例７は、表１〜４における例７に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ２がｎ１≦ｎ２を満たす場合で、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０がそれぞれ２段の回折部からなる場合の例を示す。第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０から出射される投影パターンは０次回折光を中心に点対称なものとなっている。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２５（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２５（ｂ）に示す。
【００８９】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって第１の回折光学部を形成した基板の裏面に加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２６（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２７に示す。
【００９０】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２．６°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２．６°の光束に対して５．８％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大５．８％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．７６８となる。
【００９１】
（実施例８）
実施例８は、表１〜３、５における例８に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ２がｎ１≦ｎ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２８（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２８（ｂ）に示す。
【００９２】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２９（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図３０に示す。
【００９３】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲３．５°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３．５°の光束に対して２．５％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大２．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５８１となる。
【００９４】
（比較例１）
比較例１は、表１〜４における例９に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部の回折角度θ１と第２の回折光学部の回折角度θ２がθ１＞θ２を満たす場合で場合の例を示す。第１の回折光学部の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。
【００９５】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。
【００９６】
第１の回折光学部によって回折角度範囲２５．９°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２５．９°の光束に対して８．３％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大８．３％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。
【００９７】
（比較例２）
比較例２は、表１〜３、５における例１０に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部の回折角度θ１と第２の回折光学部の回折角度θ２がθ１＞θ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。
【００９８】
第２の回折光学部の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。
【００９９】
第１の回折光学部によって回折角度範囲３７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３７．６°の光束に対して１４．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大１４．９％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【０１００】
（実施例９）
実施例１〜８の回折光学素子を計測装置に用いる。このようにすることで光量ばらつきが小さくでき、高い精度で計測が可能になる。また、第２の回折光学部１２０によって発生する０次回折光の光量を抑制でき、強い回折光による画像の劣化を抑制できる。
【０１０１】
以上より、実施例６〜８における回折光学素子のスポット数の周辺平均／中心及び最大／最小の値は、比較例１及び２における回折光学素子のスポット数の周辺平均／中心及び最大／最小の値よりも大きくでき、光スポットの分布を投影領域全体により均一に分布させることができる。また、比較例１及び２における回折光学素子とくらべて、実施例６〜８における回折光学素子はピンクッション型の歪みの発生を抑制できる。
【０１０２】
尚、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 計測装置
１１ 光束（入射光）
１２ 回折光（出射光）
２０ 光源
３０ 回折光学素子
４０ａ 測定対象物
４０ｂ 測定対象物
５０ 撮像素子
１０１ 光軸
１１０ 第１の回折光学部
１１１ 回折光群（第１の回折光学部による）
１２０ 第２の回折光学部
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 回折光群（第１の回折光学部及び第２の回折光学部による）
２３０ 回折光学素子（第１の回折光学部、第２の回折光学部となる）
２３１ 基本ユニット
２３２ 透明基板
２３３ 凸部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、回折光学素子及び回折光学素子を用いた計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
入射光の少なくとも一部を回折する回折光学素子は、様々な光学機器及び光学装置等に用いられている。例えば、光学的な３次元計測装置は、所定の光の投影パターンを測定対象物に照射し、所定の光の投影パターンの照射されている測定対象物の画像を取得することにより、３次元計測を行なう装置である。このような３次元計測装置において、回折光学素子は所定の光の投影パターンを生成するために用いられている。
【０００３】
３次元計測装置では、広い範囲に光を投影することが求められており、このため、回折光学素子の回折角度が大きくなり、回折光学素子を直進透過する回折光である０次回折光の光量が大きくなりやすい傾向にある。このような０次回折光の光量は他の回折光の光量に対し高くなると、３次元計測装置の撮像画像が０次回折光の周囲でにじみ等が生じ、画像の劣化につながる可能性がある。従って、０次回折光の光量は低い方が望ましい。
【０００４】
特許文献１には、３次元計測を行う際に、計測対象物に照射される光の投影パターンとして、回折光学素子により生成されたスペックルパターンを照射する方法が開示されている。また、特許文献２には、２枚の回折光学素子を用いて０次回折光の光量を低減する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００９−５３０６０４号公報
【特許文献２】特表２０１１−５１０３４４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献２に開示されている方法は、１枚目の回折光学素子に光を入射し、１枚目の回折光学素子により回折された光を２枚目の回折光学素子に入射させ回折させるものであり、これにより、矩形の回折光のパターンを２次元的に分布させることができる。
【０００７】
回折光学素子を３次元計測等に用いる場合、上述したように回折光学素子には回折光を広い範囲に分布させることが求められるが、２枚の回折光学素子を用いた場合、１枚目の回折光学素子の回折角度と２枚目の回折光学素子の回折角度の和が全体の回折角度となるため、回折角度が広くなり、回折光を広い範囲に分布させることができる。
【０００８】
ところで、回折光学素子を用いて平面に回折光を投影させた場合、投影領域が略長方形状となるように回折光を分布させようとした場合、回折光の投影領域の隅の部分が伸び、いわゆるピンクッション型の歪みが生じる。特に、回折光学素子を２枚用いた場合では、回折角度を広くできるため、この傾向が顕著である。このようなピンクッション型の歪みが生じると、回折光の投影領域の中心付近より４隅の周辺付近に向かって、回折光の光スポットの密度が低くなる、即ち、回折光の投影領域の中心付近に生じる回折光の光スポットの密度に対し、回折光の投影領域の４隅となる周辺付近に生じる回折光の光スポットが低くなる。従って、このようなピンクッション型の歪みが生じる回折光学素子を計測装置等に用いた場合、周辺付近における回折光の光スポットの密度が低くなるため、計測感度が低下するといった問題点を有している。
【０００９】
本発明は、上記点に鑑みたものであり、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影領域における回折光による光スポットの密度が略均一にできる回折光学素子を提供することを目的とし、更には、精密な計測を行なうことのできる計測装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、を有し、前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、前記第１の回折光学部における回折角度がθ１であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ１であって、前記第２の回折光学部における回折角度がθ２であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ２である場合、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２であることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明は、前記第１の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第２の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、または、前記第２の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第１の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、を特徴とする。
【００１２】
また、本発明は、前記第１の回折光学部及び前記第２の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが２次元的に配列されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明は、前記第１の回折光学部は一方の透明基板に形成されており、前記第２の回折光学部は他方の透明基板に形成されていることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明は、前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは接着することにより一体化していることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明は、前記第１の回折光学部は透明基板の一方の面に形成されており、前記第２の回折光学部は前記透明基板の他方の面に形成されていることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明は、光を発する光源と、前記光を入射させ回折光が出射される前記記載の回折光学素子と、前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明における回折光学素子では、複数の回折面を有する回折光学素子において、投影領域における回折光による光スポットの密度が略均一にできる。また、本発明における計測装置では、本発明の回折光学素子を用いることにより、精密で正確な計測を行なうことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】従来の回折光学素子による回折光の説明図
【図２】従来の回折光学素子の光スポット分布の説明図
【図３】第１の実施の形態における回折光学素子による回折光の説明図
【図４】第１の実施の形態における回折光学素子の光スポット分布の説明図
【図５】第１の実施の形態における計測装置の構造図
【図６】第１の実施の形態における回折光学素子の構成図
【図７】回折光学素子により生じる光スポットの説明図
【図８】第１の実施の形態における回折光学素子の説明図
【図９】第１の回折光学部及び第２の回折光学部の構造図
【図１０】他の第１の回折光学部及び第２の回折光学部の構造図
【図１１】第２の実施の形態における回折光学素子の構成図
【図１２】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（１）
【図１３】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（２）
【図１４】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（３）
【図１５】第２の実施の形態における他の回折光学素子の構成図（４）
【図１６】実施例１及び４に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図１７】実施例１及び４に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図１８】実施例１及び４における回折光学素子により形成される光スポット
【図１９】実施例２、３及び５に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２０】実施例２、３及び５に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図２１】実施例２、３及び５における回折光学素子により形成される光スポット
【図２２】実施例６に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２３】実施例６に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図２４】実施例６における回折光学素子により形成される光スポット
【図２５】実施例７に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２６】実施例７に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図２７】実施例７における回折光学素子により形成される光スポット
【図２８】実施例８に用いられる一方の回折光学部の説明図
【図２９】実施例８に用いられる他方の回折光学部の説明図
【図３０】実施例８における回折光学素子により形成される光スポット
【発明を実施するための形態】
【００１９】
発明を実施するための形態について、以下に説明する。尚、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。
【００２０】
〔第１の実施の形態〕
（ピンクッション型の歪み）
最初に、ピンクッション型の歪みが発生する原因について説明する。図１に示すように２枚の回折光学素子４１０及び４２０により光を回折させた場合、入射光４０１を１枚目の回折光学素子４１０に入射させることにより回折光４０２が発生する。回折光学素子４１０により回折された回折光４０２は、回折角度θ１Ａで回折されるものであり、この回折光学素子４１０により発生する回折光４０２による光スポットの分布を図２（ａ）に示す。次に、回折光４０２を２枚目の回折光学素子４２０に入射させることにより回折光４０３が発生する。回折光学素子４２０により回折された回折光４０３は、回折角度θ２Ａで回折されるものであり、この回折光学素子４２０により発生する回折光による光スポットの分布を図２（ｃ）に示す。尚、図２（ｂ）は入射光が回折光学素子４２０に対し垂直に入射した場合における回折光による光スポットの分布を示す。この回折光４０３を平面の投影面４４０に照射した場合、図２（ｃ）に示すように、回折光による光スポットの投影領域４４１において４隅が伸びた形状、即ち、いわゆるピンクッション型の歪みが生じた状態で投影される。
【００２１】
ところで、引用文献２では、投影面４４０における投影領域４４１を複数に分割し、分割された領域には、各々図２（ｂ）に示す光スポットの分布に相当するものが投影される。具体的には、図２（ｃ）において白丸で示す領域の光スポット４４２は、図２（ａ）において白丸で示す光スポット４１１となる回折光４０２を回折光学素子４２０に入射させることにより回折光４０３を発生させ、この回折光４０３の光スポットを投影面４４０に投影させたものである。よって、回折光学素子４１０により回折された４つの回折光により、各々図２（ｂ）に示す回折光の光スポットの分布に対応する光スポットが生じ、これらの光スポットの分布をつなぎ合わせた状態の投影領域４４１が形成される。
【００２２】
このように、回折光学素子４２０に入射する回折光４０２は回折光学素子４１０により回折されたものであるが、投影領域４４１を広げるためには、回折光学素子４１０により発生する回折光４０２の回折角度は広い方が望ましい。
【００２３】
しかしながら、ピンクッション型の歪みが生じる原因は、回折光学素子４２０により生じた回折光のうち、投影領域４４１の中心部分の光スポットとなる回折光と周辺部分の光スポットとなる回折光との光路長が異なるためである。尚、投影領域４４１の中心部分の光スポットとなる回折光と周辺部分の光スポットとなる回折光との光路長の差を距離ｗとする。即ち、投影領域４４１の周辺部分の光スポットとなる回折光は、中心部分の光スポットとなる回折光に比べ距離ｗだけ長く伝播するため、回折部分を中心とした球面に投影した場合に比べて広がって投影される。特に、最も光路が長くなる投影領域４４１の４隅では、この傾向が顕著となり、４隅が伸びたピンクッション型の歪みが生じる。また、回折光は光路が長くなるに従い、回折光同士の間隔が広がるため、特に、最も光路が長くなる投影領域４４１の４隅では、回折光による光スポットの間隔は広くなり、光スポットの密度が粗となる。このことは、回折光学素子４１０と回折光学素子４２０が設置される位置を逆にした場合においても同様である。
【００２４】
次に、図３及び図４に基づき本実施の形態における回折光学素子について説明する。本実施の形態における回折光学素子３０は、後述するように２枚の回折光学素子に相当する第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０とを有している。本実施の形態における回折光学素子では、第１の回折光学部１１０の回折角度はθ１であり、発生する回折光の光スポットの数はｋ１であり、第２の回折光学部１２０の回折角度はθ２であり、発生する回折光の光スポットの数はｋ２である。入射光となる光束１１を第１の回折光学部１１０に入射させることにより回折光群１１１を発生させ、回折光群１１１を第２の回折光学部１２０に入射させることにより、回折光群１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、・・・を発生させ投影面１４０に回折光による光スポットにより投影領域１４１が形成される。
【００２５】
本実施の形態における回折光学素子は、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２とすることにより、第１の回折光学部１１０により発生させた図４（ａ）に示す回折光の光スポットの分布（投影領域）が、第２の回折光学部１２０により光スポットの分布の位置をずらした状態で重ね合わされて投影面１４０に投影されることにより、投影領域１４１が形成される。このように第１の回折光学部１１０により発生させた光スポットの分布を投影面１４０で重ね合わせることにより、投影領域１４１の４隅の周辺部分における光スポットの密度を投影領域１４１の中心部分と略同じにでき、投影領域１４１において略均一に光スポットを分布させることができる。尚、図４（ｃ）は、投影面１４０に投影された光スポットの投影領域１４１を示すものであり、図４（ｂ）は、入射光が第２の回折光学部１２０に対し垂直に入射した場合における回折光による光スポットの分布を示す。本実施の形態では、第１の回折光学部１１０により生じる光スポットが分布する領域を第１の回折光学部１１０により生じる光スポットの投影領域と、第２の回折光学部１２０により生じる光スポットが分布する領域を第２の回折光学部１２０により生じる光スポットの投影領域と記載する。また、図４（ｃ）において白丸で示す４つの光スポット１４２は、図４（ａ）において白丸で示す回折光の光スポット１１２が、第２の回折光学部１２０により回折され投影面１４０に投影されたものである。
【００２６】
尚、上記の内容については、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２とした場合においても同様である。よって、θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２のいずれかであれば同様の効果を得ることができる。
【００２７】
本実施の形態では、上述のとおり、ピンクッション型の歪みを抑制できるが、回折光学素子３０を計測機器等に用いる場合には、投影領域１４１の中心部分と４隅の周辺部分において、より均一となるように、例えば、図４（ａ）に示す光スポットの分布において中心部分よりも周辺部分に多くの光スポットが発生するように形成すればよい。
【００２８】
以下、本実施の形態についてより詳細に説明する。
【００２９】
（計測装置）
図５に基づき本実施の形態における計測装置について説明する。図５は、本実施の形態における計測装置の構成の一例を示す。本実施の形態における計測装置１０は、光源２０、回折光学素子３０及び撮像素子５０を有している。回折光学素子３０は、後述する本実施の形態における回折光学素子であり、光源２０から出射された光束（入射光）１１を入射させることにより、回折光１２を発生させるものである。また、撮像素子５０は、回折光１２により生じた光スポットの投影パターンが照射されている測定対象物４０ａ及び４０ｂを撮像するためのものである。
【００３０】
回折光学素子３０は、複数の回折光１２を発生させるものであり、この回折光１２により生じた光スポットにより、所望の投影パターンが形成される。従って、この投影パターンを測定対象物４０ａ及び４０ｂに照射し、投影パターンが照射された状態の画像を撮像素子５０により撮像することにより、測定対象物４０ａ及び４０ｂの３次元形状等の情報が取得される。尚、３次元計測を行なうためには、光スポットの数は１００以上であることが好ましく、また、回折光学素子３０は、最大の回折角度θｘｍｉｎ、θｘｍａｘが３０°以上となるように、即ち、回折角度が３０°以上の回折光を発生させることができるように形成されていることが好ましい。
【００３１】
（回折光学素子）
次に、本実施の形態における回折光学素子３０について説明する。図６に示されるように、本実施の形態における回折光学素子３０は、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０とを有している。第１の回折光学部１１０は、光束１１を入射させることにより回折光１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、・・・のｎ１個の回折光群１１１を発生させる回折光学素子である。第２の回折光学部１２０は、回折光１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃ、・・・のｎ１個の回折光群１１１を入射させることにより、ｎ２個の回折光群１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ・・・を発生させる回折光学素子である。これにより、回折光の数を増やすことができ、回折角の大きな回折光を発生させることができる。従って、投影面１４０の広い範囲に回折光の光スポットを分布させることができる。尚、本実施の形態では、入射光となる光束１１の光軸１０１方向をＺ軸とし、光束１１の光軸１０１に対し垂直方向をＸ軸、Ｙ軸とする。尚、Ｘ軸とＹ軸とは直交するものとする。
【００３２】
本実施の形態における回折光学素子を形成している第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０は、ともに回折光を発生させるものであり、この点においては同様のものである。次に、第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０となる回折光学素子２３０について説明する。
【００３３】
図７に示すように、回折光学素子２３０に入射光となる光束２１０を入射させることにより、回折光群２１１が発生する。回折光群２１１のうち、光軸１０１に対する回折角度が最大となる回折光２１１ａの回折角度をθａとし、これを回折角度範囲θｘとする。また、このときの回折範囲の中心の光軸１０１に対する角度（中心角度）θ０は０°とする。尚、光軸１０１に対して回折光２１１ａと反対の位置の近傍に、回折角度がθｂとなる回折光２１１ｂが発生するが、θａとθｂの差が大きい場合、例えば、θａとθｂとの差が３°以上ある場合には、回折角度範囲θｘ＝（θａ＋θｂ）／２とし、中心角度θ０＝（θａ−θｂ）／２としてもよい。
【００３４】
また、光軸１０１に対し回折光２１１ａの反対側には回折光が発生しない場合、即ち、光軸１０１に対し回折光２１１ａが発生している側にのみ回折光群が発生する場合も考えられる。このような場合、光軸１０１に最も近い回折光の回折角度がθｃであるとすると、回折角度範囲θｘ＝（θａ−θｃ）／２とし、中心角度θ０＝（θａ＋θｃ）／２としてもよい。
【００３５】
本実施の形態では、前述したように、この回折角度範囲θｘとなる角度を回折角度とし、第１の回折光学部１１０における回折角度をθ１、第２の回折光学部１２０における回折角度をθ２、本実施の形態における回折光学素子３０における回折角度をθと記載する。
【００３６】
次に、回折光学素子２３０についてより詳細に説明する。入射光となる光束２１０を回折光学素子２３０に入射させることにより、回折光２１１が発生する。この回折光２１１は、数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θｘ、Ｙ方向における角度θｙに回折された光である。数１に示す式において、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２１０の波長であり、Ｐｘ、Ｐｙは後述する回折光学素子の基本ユニットのＸ軸方向、Ｙ軸方向におけるピッチである。この回折光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ことにより、照射された領域に複数の光スポットが生成される。
【００３７】
【数１】
ここで、数１に示す式は、入射光が回折光学素子に対し垂直に入射する場合における式である。図１において、入射光１１が回折光学素子３０に対して垂直に入射している状態を示しているが、光源がレーザ光源等の場合には、回折光学素子３０からの反射光が戻り光となりレーザ光源等に入射することを防ぐため、回折光学素子３０に垂直な方向より傾けた方向より入射光１１を入射させてもよい。レーザ光源等に戻り光が入射すると干渉の影響によりレーザの発振が不安定となる場合があるからである。
【００３８】
このような回折光学素子３０としては、反復フーリエ変換法等により設計された回折光学素子を用いることができる。ここで、回折光学素子とは、所定の位相分布を生じさせる基本ユニットを周期的に、例えば、２次元的に配列させたものである。このような回折光学素子においては、遠方における回折光の回折次数の分布は基本ユニット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説明されている。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、時間ｔｍ、点Ａにおけるスカラー関数ｕ（Ａ、ｔｍ）は、数２に示す式で表わされる。
【００３９】
【数２】
数２に示す式は、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。数２に示すスカラー関数は、全空間で数３に示す波動方程式を満たす。
【００４０】
【数３】
数２に示す式を数３に示す式に代入すると、数４に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。
【００４１】
【数４】
ここで、ｋは波数であり、ｋ＝２π／λである。数３に示される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。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、数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、数５に示す式が得られる。
【００４２】
【数５】
更に、点Ａ０における座標（ｘ０、ｙ０、０）、点Ａ１における座標（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、数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。
【００４３】
【数６】
これは、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、下記に示す数７に示す式のように、（ｍ、ｎ）次の回折光が発生する。
【００４４】
【数７】
この際、（ｍ、ｎ）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、下記数８に示す式で表わされる。尚、ｍ、ｎは整数、θｘｉｎ及びθｙｉｎは入射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度、θｘｏｕｔ及びθｙｏｕｔは出射光におけるＸ方向及びＹ方向におけるＺ軸となす角度である。
【００４５】
【数８】
従って、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を最適化することにより、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。
【００４６】
次に、図８に基づき、回折光学素子２３０の構造について説明する。回折光学素子２３０は、図８（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２３１が２次元状に周期的に配列されている。具体的には、図８（ｂ）に示されるような位相分布を有している。図８（ｂ）では、黒く塗りつぶされた領域が凸部となり、白抜きの領域が凹部となるように凹凸パターンが形成されている回折光学素子２３０を示す。回折光学素子２３０は、位相分布を発生させることができればよく、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材の表面に凹凸パターンを形成した構造のものや、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、表面の凹凸パターンを平坦なものとしたものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させた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場合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のものを含むものを意味する。尚、回折光学素子２３０に基本ユニット２３１を２次元的に配置する際に基本ユニットは整数個である必要はなく、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凹凸パターンと凹凸パターンを有さない領域の境界が基本ユニットの境界と一致していなくともよい。
【００４７】
図９には、回折光学素子２３０の一例として、ガラス等からなる透明基板２３２の表面に凸部２３３を形成することにより凹凸パターンを形成した構造の回折光学素子２３０の断面模式図を示す。尚、この回折光学素子２３０では、透明基板２３２の表面において、凸部２３３の形成されていない領域が凹部２３４となる。
【００４８】
透明基板２３２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を与えることがなく好ましい。また、透明基板２３２は、例えば、空気との界面に、多層膜による反射防止膜を形成することにより、フレネル反射による光反射を低減できる。
【００４９】
また、凸部２３３を形成する材料としては、有機材料、無機材料、有機無機複合材料を用いることができる。凸部２３３を形成する方法、即ち、凸部２３３と凹部２３４からなる凹凸パターンを形成する方法としては、フォトリソグラフィとエッチングにより形成する方法や、型によって凹凸パターンを転写する射出成形やインプリントによる方法等を用いることができる。また、凸部２３３は単一の材料により形成されている必要はなく、例えば、無機材料からなる多層膜により凸部２３３を形成してもよい。更に、凸部２３３の表面には表面反射を低減するための反射防止膜を設けた構造や、反射防止構造を形成してもよい。
【００５０】
また、図１０に示されるように、回折光学素子２３０は、表面に凸部２３３が形成されている透明基板２３２の凸部２３３が形成されている側に、透明基板２３５を設け、透明基板２３２と透明基板２３５との間に、凸部２３３を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂２３６を埋め込んだものである。尚、透明基板２３５を設けることなく、透明基板２３２の凸部２３３が形成されている側に、凸部２３３を形成する材料の屈折率とは異なる屈折率の透明樹脂２３６を形成し、透明樹脂２３６の表面を平坦化したものであってもよい。
【００５１】
このような回折光学素子２３０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、回折光学素子における基本ユニット２３１の位相分布と回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の電場分布を逆フーリエ変換することにより、基本ユニット２３１における位相分布を得ることができる。
【００５２】
また、回折光学素子２３０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２３１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、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の位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。これにより、フーリエ変換の結果と、所定の回折光の光強度の分布との差分が評価値となり、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回折光学素子の位相分布を最適な設計として得ることができる。
【００５３】
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。
【００５４】
〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態における回折光学素子は、第１の回折光学部と第２の回折光学部とを一体化した構造のもの、また、一枚の基板の一方の面に第１の回折光学部となる凸部を形成し他方の面に第２の回折光学部となる凸部を形成したものである。これにより、第１の回折光学部と第２の回折光学部との位置合せが不要となり、回折光学素子が小型化される。
【００５５】
図１１に示す回折光学素子は、透明基板３０２の一方の面には、第１の回折光学部の凸部３０３を形成することにより、凸部３０３の形成されていない領域の凹部３０４と凸部３０３により凹凸パターンを形成し、透明基板３０２の他方の面には、第２の回折光学部の凸部３０５を形成することにより、凸部３０５の形成されていない領域の凹部３０６と凸部３０５により凹凸パターンを形成したものである。
【００５６】
また、図１２から図１５は、第１の回折光学部３１０と第２の回折光学部３２０とを接着材等により接着し接合した構造の回折光学素子である。第１の回折光学部３１０は、透明基板３１２の表面に凸部３１３を形成することにより、凸部３１３の形成されていない領域の凹部３１４と凸部３１３により凹凸パターンを形成したものである。また、第２の回折光学部３２０は、透明基板３２２の表面に凸部３２３を形成することにより、凸部３２３の形成されていない領域の凹部３２４と凸部３２３により凹凸パターンを形成したものである。尚、本実施の形態における第１の回折光学部３１０等は、第１の実施の形態における第１の回折光学部１１０に相当し、第２の回折光学部３２０等は、第１の実施の形態における第２の回折光学部１２０に相当する。
【００５７】
図１２に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されていない面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。
【００５８】
また、図１３に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されている面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。
【００５９】
また、図１４に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士を接着剤３４０により接合したものである。
【００６０】
また、図１５に示す回折光学素子は、第１の回折光学部３１０において凸部３１３が形成されていない面と第２の回折光学部３２０において凸部３２３が形成されている面とを対向させ、対向している面同士の周囲を接着剤３４０により接合したものである。
【実施例】
【００６１】
次に、実施例について説明する。例１〜例１０に示される回折光学素子の構成についてまとめたものを表１〜表３に示す。尚、本願においては、例１〜例８が実施例１〜８であり、例９、例１０が比較例１、２である。例１〜例１０では、第１の回折光学部及び第２の回折光学部における透明基板として石英を用いており、入射する光束の波長λを８３０ｎｍとする。表１では第１の回折光学部によって発生するスポット数ｎ１、発生させる次数のうちＸ方向で最大、最小の次数、Ｙ方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるＸ方向、Ｙ方向のピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ１を示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。
【００６２】
【表１】
表２には、第２の回折光学部によって発生するスポット数ｎ２、発生させる次数のうちＸ方向で最大、最小の次数、Ｙ方向で最大、最小の次数、基本ユニットを配置させるＸ方向、Ｙ方向のピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部の段数、各段の高さを示している。また、このような構成とした場合に得られる回折角度θ２を示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。第２の回折光学部では、所定の入射角で光束が入射した場合に発生する位相差を基準として設計されており、そのときの入射角を設計入射角φとして示している。設計入射角φから計算される１／ｃｏｓφａｖｇおよびλｃｏｓφａｖｇの値を同時に示しており、第２の回折光学部に光束を入射した場合に、分光測定をすると波長λｃｏｓφａｖｇにおいて、波長λ、入射角φで入射場合と類似の特性を示す。尚、φａｖｇは、第２の回折光学部に角度φ０で光を入射させた場合に、第２の回折光学部において屈折する角度をφ１とした場合、φａｖｇ＝（φ０＋φ１）／２となる値である。ここで、第２の回折光学部の凹部として空気以外の媒質が用いられている場合には、凹部の媒質の屈折率からスネルの法則により計算される角度をφ０の値として用いることができる。
【００６３】
【表２】
表３には、２つの回折部を透過した光束の回折角度θを示しており、同時にＸ軸上における回折光の回折角度、Ｙ軸上における回折光の回折角度の取りうる最大値を示している。
【００６４】
【表３】
例１〜例１０に示される回折光学素子の特性値についてまとめたものを表４及び表５に示す。表４及び表５には第１の回折光学部に強度１の光束が入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ１、標準偏差σ１を計算によって求めたものを示す。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ１で除算した標準偏差σ１の値をパーセントで表示しており、これを第１の回折光学部による光量ばらつきと呼ぶ。
【００６５】
また、第２の回折光学部に強度１の光束が所定の入射角度で入射する場合に得られる回折光の強度の平均値μ２、標準偏差σ２を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、平均値μ２で除算した標準偏差σ２の値をパーセントで表示しており、これを第２の回折光学部１２０による光量ばらつきと呼ぶ。さらに、回折光学素子の光量ばらつきをσ＝｛（σ１／μ１）２＋（σ２／μ２）２｝０．５によって求めている。また、各々の入射角度における第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量を示している。
【００６６】
また、回折光学素子によって発生する回折光のうち、設計によって発生させる回折光のスポットを回折光学素子から所定の位置はなれたスクリーン上で計測した場合の計算結果について示している。スクリーンの位置を計測位置として示しており、スクリーン上における座標（Ｘ、Ｙ）を用いて長方形の計測範囲を示している。また、回折光学素子の位置から測定した計測範囲の対角方向の角度を計測範囲角度として示している。スポット計測の際に、計測範囲をＸ方向に９分割し、Ｙ方向に９分割した面積が均一となる計測領域内のスポットを計測している。表４及び表５では、Ｘ座標、Ｙ座標が最も小さくなる計測領域をＲ（１、１）、Ｘ座標、Ｙ座標が最も大きくなる計測領域をＲ（９、９）とした場合に、中心領域Ｒ（５、５）のスポット、周辺領域Ｒ（１、１）、Ｒ（１、９）、Ｒ（９、１）、Ｒ（９、９）のスポット数の平均値、領域Ｒ（１、１）〜Ｒ（９、９）におけるスポット数の最大値、最小値を示している。
【００６７】
また、表６は、例３〜例５に示される回折光学素子において、第２の回折光学素子に対して光が垂直に入射した場合に、表６に記載の各波長で第２の回折光学部に強度１の光束が所定の入射角度で入射する際に得られる回折光の強度の平均値μ２、標準偏差σ２を計算によって求めたものを示している。計算では、回折部の界面によって発生する反射を考慮していない。また、各々の波長における第２の回折光学部１２０の０次回折光の光量を示している。
【００６８】
【表４】
【００６９】
【表５】
【００７０】
【表６】
（実施例１）
実施例１は、表１〜４における例１に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。
【００７１】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。
【００７２】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１２．５°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１２．５°の光束に対して３．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。
【００７３】
（実施例２）
実施例２は、表１〜３、５における例２に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上設計によって発生させる回折光の光スポットの分布を図１９（ｂ）に示す。
【００７４】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。
【００７５】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１７．６°の光束に対して７．６％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大９．２％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【００７６】
（実施例３）
実施例３は、表１〜３、５、６における例３に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第２の回折光学部１２０の設計入射角を１２．５°とする場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。
【００７７】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角１２．５°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長８１６ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。
【００７８】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲１７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角１７．６°の光束に対して３．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき５．２％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【００７９】
（実施例４）
実施例４は、表１〜４、６における例４に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１＞θ２であり、第２の回折光学部１２０が入射角度１８．５°で設計されている場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。
【００８０】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角１８．５°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長８００ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。
【００８１】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２５．９°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２５．９°の光束に対して６．１％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大６．１％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。
【００８２】
（実施例５）
実施例５は、表１〜３、５、６における例５に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１＞θ２であり、第２の回折光学部１２０が入射角度２７．２°で設計されている場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。
【００８３】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。２つの回折部を透過した光束のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。また、第２の回折光学部１２０は入射角２７．２°で光量ばらつき、０次回折光が最小となるように設計されており、垂直入射の光束を用いて分光を行う場合、波長７６５ｎｍにおいて光量ばらつき、０次回折光が最小となる。
【００８４】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲３７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３７．６°の光束に対して８．５％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大８．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【００８５】
（実施例６）
実施例６は、表１〜４における例６に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ２がｎ１≦ｎ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２２（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２２（ｂ）に示す。
【００８６】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２３（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２３（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２４に示す。
【００８７】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２．６°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２．６°の光束に対して３．０％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大３．１％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．７６８となる。
【００８８】
（実施例７）
実施例７は、表１〜４における例７に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ２がｎ１≦ｎ２を満たす場合で、第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０がそれぞれ２段の回折部からなる場合の例を示す。第１の回折光学部１１０と第２の回折光学部１２０から出射される投影パターンは０次回折光を中心に点対称なものとなっている。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２５（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２５（ｂ）に示す。
【００８９】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって第１の回折光学部を形成した基板の裏面に加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２６（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２７に示す。
【００９０】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲２．６°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２．６°の光束に対して５．８％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大５．８％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．７６８となる。
【００９１】
（実施例８）
実施例８は、表１〜３、５における例８に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部１１０の回折角度θ１と第２の回折光学部１２０の回折角度θ２がθ１≦θ２を満たし、第１の回折光学部１１０によって発生するスポット数ｎ１と第２の回折光学部１２０によって発生するスポット数ｎ２がｎ１≦ｎ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部１１０の基本ユニットを図２８（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２８（ｂ）に示す。
【００９２】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図２９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２９（ｂ）に示す。本実施例の回折光学素子、即ち、２つの第１の回折光学部１１０及び第２の回折光学部１２０を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図３０に示す。
【００９３】
第１の回折光学部１１０によって回折角度範囲３．５°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３．５°の光束に対して２．５％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部１１０による光量ばらつき０．５％とあわせて、回折光学素子全体として最大２．５％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５８１となる。
【００９４】
（比較例１）
比較例１は、表１〜４における例９に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部の回折角度θ１と第２の回折光学部の回折角度θ２がθ１＞θ２を満たす場合で場合の例を示す。第１の回折光学部の基本ユニットを図１７（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１７（ｂ）に示す。
【００９５】
第２の回折光学部１２０の基本ユニットを図１６（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１６（ｂ）に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、５５４．３ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１８に示す。
【００９６】
第１の回折光学部によって回折角度範囲２５．９°に光束が出射され、表４に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角２５．９°の光束に対して８．３％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大８．３％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．５３８となる。
【００９７】
（比較例２）
比較例２は、表１〜３、５における例１０に示す回折光学素子であり、第１の回折光学部の回折角度θ１と第２の回折光学部の回折角度θ２がθ１＞θ２を満たす場合の例を示す。第１の回折光学部の基本ユニットを図２０（ａ）に示す。このような基本ユニットを表１に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２０（ｂ）に示す。
【００９８】
第２の回折光学部の基本ユニットを図１９（ａ）に示す。このような基本ユニットを表２に示すピッチＰｘ、Ｐｙ、回折部段数、１段高さとなるようにフォトリソグラフィ、エッチングによって加工する。このような回折部に光が垂直に入射した場合に、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図１９（ｂ）に示す。本比較例の回折光学素子を透過した光のうち、３４２．８ｍｍの位置にあるスクリーン上の設計によって発生させる回折光の光スポット分布を図２１に示す。
【００９９】
第１の回折光学部によって回折角度範囲３７．６°に光束が出射され、表５に示すように、第２の回折光学部１２０では入射角３７．６°の光束に対して１４．９％の光量ばらつきが生じ、第１の回折光学部による光量ばらつき０．４％とあわせて、回折光学素子全体として最大１４．９％の光量ばらつきが生じる。また、スクリーン上における周辺領域と中心領域のスポット数の比をとると０．２１５となる。
【０１００】
（実施例９）
実施例１〜８の回折光学素子を計測装置に用いる。このようにすることで光量ばらつきが小さくでき、高い精度で計測が可能になる。また、第２の回折光学部１２０によって発生する０次回折光の光量を抑制でき、強い回折光による画像の劣化を抑制できる。
【０１０１】
以上より、実施例６〜８における回折光学素子のスポット数の周辺平均／中心及び最大／最小の値は、比較例１及び２における回折光学素子のスポット数の周辺平均／中心及び最大／最小の値よりも大きくでき、光スポットの分布を投影領域全体により均一に分布させることができる。また、比較例１及び２における回折光学素子とくらべて、実施例６〜８における回折光学素子はピンクッション型の歪みの発生を抑制できる。
【０１０２】
尚、本発明の実施に係る形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではない。
【符号の説明】
【０１０３】
１０ 計測装置
１１ 光束（入射光）
１２ 回折光（出射光）
２０ 光源
３０ 回折光学素子
４０ａ 測定対象物
４０ｂ 測定対象物
５０ 撮像素子
１０１ 光軸
１１０ 第１の回折光学部
１１１ 回折光群（第１の回折光学部による）
１２０ 第２の回折光学部
１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ 回折光群（第１の回折光学部及び第２の回折光学部による）
２３０ 回折光学素子（第１の回折光学部、第２の回折光学部となる）
２３１ 基本ユニット
２３２ 透明基板
２３３ 凸部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、
入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、
を有し、
前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
前記第１の回折光学部における回折角度がθ１であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ１であって、前記第２の回折光学部における回折角度がθ２であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ２である場合、
θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２
であることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記第１の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第２の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、
または、前記第２の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第１の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成される請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第１の回折光学部及び前記第２の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが２次元的に配列されている請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記第１の回折光学部は一方の透明基板に形成されており、前記第２の回折光学部は他方の透明基板に形成されている請求項１から３のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは接着することにより一体化している請求項４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１の回折光学部は透明基板の一方の面に形成されており、前記第２の回折光学部は前記透明基板の他方の面に形成されている請求項１から５のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項７】
光を発する光源と、
前記光を入射させ回折光が出射される請求項１から６のいずれかに記載の回折光学素子と、
前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【請求項１】
入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第１の回折光学部と、
入射する光に対して２次元的な回折光を発生させる第２の回折光学部と、
を有し、
前記第１の回折光学部に光を入射することにより発生した回折光を前記第２の回折光学部に入射させ、前記第２の回折光学部より回折光を発生させるものであって、
前記第１の回折光学部における回折角度がθ１であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ１であって、前記第２の回折光学部における回折角度がθ２であり、発生する回折光の光スポットの数がｋ２である場合、
θ１≧θ２かつｋ１≧ｋ２、又は、θ１≦θ２かつｋ１≦ｋ２
であることを特徴とする回折光学素子。
【請求項２】
前記第１の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第２の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成されること、
または、前記第２の回折光学部により発生する回折光による光スポットの投影領域が、前記第１の回折光学素子により重ねられることにより、前記回折光学素子の投影領域が形成される請求項１に記載の回折光学素子。
【請求項３】
前記第１の回折光学部及び前記第２の回折光学部のうちいずれか一方または、双方は、複数の基本ユニットが２次元的に配列されている請求項１または２に記載の回折光学素子。
【請求項４】
前記第１の回折光学部は一方の透明基板に形成されており、前記第２の回折光学部は他方の透明基板に形成されている請求項１から３のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項５】
前記一方の透明基板と前記他方の透明基板とは接着することにより一体化している請求項４に記載の回折光学素子。
【請求項６】
前記第１の回折光学部は透明基板の一方の面に形成されており、前記第２の回折光学部は前記透明基板の他方の面に形成されている請求項１から５のいずれかに記載の回折光学素子。
【請求項７】
光を発する光源と、
前記光を入射させ回折光が出射される請求項１から６のいずれかに記載の回折光学素子と、
前記回折光が照射された測定対象物の画像を撮像する撮像部と、
を有することを特徴とする計測装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【公開番号】特開２０１３−３３２０４（Ｐ２０１３−３３２０４Ａ）
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−３７９７４（Ｐ２０１２−３７９７４）
【出願日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月１４日（２０１３．２．１４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年２月２３日（２０１２．２．２３）
【出願人】（０００００００４４）旭硝子株式会社 (2,665)
【Ｆターム（参考）】
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