衍射光学元件及照明光学系统技术方案

本发明专利技术涉及衍射光学元件，具备：衍射部，利用衍射作用来使光分支；及透镜部，设置于所述衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，所述透镜部包括：基材；及凹凸部，配置于所述基材的与光入射侧相反的一侧，所述凹凸部包括：截面是曲线的浮凸形状的凸部的浮凸型凸部的周期构造、模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及光栅，配置于所述中心部以外，配置于所述中心部的所述阶梯状的光栅的级数比配置于所述中心部以外的所述光栅的级数多。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】衍射光学元件及照明光学系统
本专利技术涉及用于将规定的图案的光斑向规定的投影面照射的衍射光学元件及包括该衍射光学元件的照明光学系统。
技术介绍
存在以下装置：通过向计测对象的被测定物照射规定的光，检测由该被测定物散射出的光，来进行该被测定物的位置、形状等的计测(例如，参照专利文献1等)。在这样的计测装置中，为了将特定的光的图案向计测对象照射，能够使用衍射光学元件。已知：衍射光学元件例如通过对基板表面进行凹凸加工而得到。在这样的凹凸结构的情况下，利用填充凹部的材料(例如，折射率＝1的空气)和凸部材料的折射率差来提供期望的光程长度差而将光衍射。利用这样的衍射作用而生成的光的图案作为由多个衍射光形成的规定的光量以上的光斑的集合而定义。通过控制光斑的位置、光强度，能够形成特定的光的图案，另外，若各光斑具有重叠，则也会成为照明光。作为光斑的位置、光强度的控制的例子，以进行检测灵敏度高的检测的目的，例如，可举出检测面内的光量成为一样的光的图案的生成。由于能够不依赖于距光源的距离而进行衍射设计，所以作为向衍射光学元件(DiffractiveOpticalElement：DOE)的入射光，经常使用平行光。作为一例，在专利文献2、3中示出了在光源与衍射光学元件之间设置有将来自光源的发散光变换为平行光的准直透镜的结构。另外，作为与本专利技术相关联的技术文献，存在记载了截面是锯齿形状的闪耀化衍射光学元件中的一级衍射效率与标准化周期(Λ/λ)的关系的非专利文献1。在此，Λ表示均一周期的闪耀化元件中的周期。另外，λ表示波长。现有技术文献专利文献专利文献1：日本国专利第5174684号公报专利文献2：日本国专利第6344463号公报专利文献3：美国专利申请公开第2017/0187997号说明书非专利文献非专利文献1：盐野照弘，“高效率衍射光学元件”，应用物理学会分科会日本光学会，光学vol.32(8)2003年，p.492-494。
技术实现思路
专利技术所要解决的课题在使用准直透镜来单纯使来自光源的光成为平行光的情况下，会在衍射光学元件的厚度上加上准直透镜的厚度，因此存在光学系统整体大型化的问题。例如，在作为计测装置而考虑了在智能手机等中用于脸部识别、相机装置的对焦的远程感测装置、与游戏机等连接而用于捕捉用户的动作的远程感测装置、在车辆等中为了检知周边物体而使用的LIDAR(LightDetectingandRanging：光探测与测距)装置的情况下，出于外观设计性的要求、设置传感器的壳体整体的薄型化及小型化的要求，对于用于进行感测的衍射光学元件及其光学系统也希望薄型化。作为光学系统的薄型化的方法，可考虑将准直透镜设为菲涅尔波带片的方法。但是，若要极力减小厚度，则不仅分割数会变大，尤其在周边部处分割的间距(分割宽度)会变小，因此存在菲涅尔透镜制作用的模具的机械加工变得困难的问题。另外，在利用菲涅尔波带片将来自光源的光束变更为平行光的情况下，会在透镜的分割位置处产生因衍射的影响而产生的杂散光，或者在出射束内产生同心圆状的明暗纹(不希望的光强度的对比)等，存在束品质劣化的问题。于是，考虑不是基于折射透镜而是基于衍射透镜的发散光的准直化。衍射透镜与折射透镜相比光的利用效率变差，但能够减少不需要的0级光，能够控制出射束的光强度分布等，认为在激光束的整形性能这一点上对于出射目的地的衍射光学元件而言是有利的。在利用衍射透镜进行束的整形的情况下，作为提高光的利用效率的方法，可举出使用相息图的方法。相息图是仅再现需要的衍射级数的再现像的手法之一，将衍射波的振幅成分(假想物体的傅里叶变换像的振幅)假定为一定，将其相位分布利用光学厚度来调制，相对于入射光的相位以基于除数2π的余数进行了编码，也被称作波面再现元件。作为一例，可举出：假定为假想物体的傅里叶变换像的振幅一定，以提供仅将入射平面波变换为期望的波面的相位变化的方式，作为使相息图上的最厚的部分与最薄的部分相比在相位角下延迟了2π[rad]的浮凸像而编码。需要说明的是，在该例子中，相息图的光学厚度成为基于除数λ的余数。在此，λ是再现像的波长。作为相息图的特征，可举出：在理想地制作出的相息图中，入射光的大部分全部被利用于单个期望的图像再现，因此光的利用效率高。但是，即使相息图的理论上的光的利用效率高，将通过设计而得到的浮凸像整形成实际的元件也非常困难，在加工的困难性及稳定性这一点上留有课题。作为一例，将光学透镜相息图化的相息图透镜成为如图12的标号95所示的周期性的细微浮凸构造，但难以将这样的细微的浮凸形状仅通过利用了灰度掩模的曝光量的调整而稳定地得到。尤其是，已知：间距变细的周边部附近除了加工方面的困难性之外，还存在原理上的问题。图13是将图12所示的相息图透镜的曲面形状通过多级(在本例中是8级)的衍射光栅而模拟性地实现的例子。但是，即使利用这样的多级的衍射光栅，在周边部附近，高度相对于间距的比即纵横比也变大，因此仍然留下加工困难的问题。而且，根据非专利文献1，在使用作为向量解析理论之一的differentialmethod(微分法)模型计算出的均一周期的闪耀化元件的一级衍射效率与归一化周期Λ/λ的关系中，不仅是周期成为波长级的情况，在Λ/λ为1.5～2.5附近也存在衍射效率极端下降的周期。根据设计波长，也可想到在面内的任一位置处对应于上述归一化周期的情况。于是，存在产生衍射效率的劣化、0级光漏光的可能性。这样的衍射效率的劣化、0级光漏光的问题可认为在相息图的周边部附近也会同样地产生。于是，本专利技术的目的在于除了薄型且加工性优异之外还能够进一步提高光的利用效率、抑制不需要的出射光的衍射光学元件及照明光学系统的提供。用于解决课题的手段本专利技术的衍射光学元件具备：衍射部，利用衍射作用来使光分支；及透镜部，设置于衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，透镜部包括：基材；及凹凸部，配置于基材的与光入射侧相反的一侧，凹凸部包括：截面是曲线的浮凸形状的凸部即浮凸型凸部的周期构造、模仿了浮凸型凸部的以基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及光栅，配置于中心部以外，配置于中心部的阶梯状的光栅的级数比配置于中心部以外的光栅的级数多。另外，本专利技术的照明光学系统具备：光源，出射发散光；及上述的衍射光学元件，将发散光入射，分支成多个平行光的衍射光并出射，通过由衍射光学元件出射的衍射光，在规定的投影面上形成规定的光的图案。专利技术效果根据本专利技术，能够提供除了薄型且加工性优异之外还能够进一步提高光的利用效率、抑制不需要的出射光的衍射光学元件及照明光学系统。附图说明图1是示出第一实施方式的衍射光学元件10的例子的剖视示意图。图2是透镜部10B和作为比较例的透镜部90B的更详细的剖视示意图。图3是示出透镜部10B的其他例子的剖视示意图。图4是示出透镜部10B的其他例子的剖视示意图。...

【技术保护点】
1.一种衍射光学元件，具备：/n衍射部，利用衍射作用来使光分支；及/n透镜部，设置于所述衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，/n所述透镜部包括：/n基材；及/n凹凸部，配置于所述基材的与光入射侧相反的一侧，/n所述凹凸部包括：/n截面是曲线的浮凸形状的凸部的浮凸型凸部的周期构造、模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及/n光栅，配置于所述中心部以外，/n配置于所述中心部的所述阶梯状的光栅的级数比配置于所述中心部以外的所述光栅的级数多。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20181015 JP 2018-1943411.一种衍射光学元件，具备：
衍射部，利用衍射作用来使光分支；及
透镜部，设置于所述衍射部的光入射侧，将入射光变换为平行光，
所述透镜部包括：
基材；及
凹凸部，配置于所述基材的与光入射侧相反的一侧，
所述凹凸部包括：
截面是曲线的浮凸形状的凸部的浮凸型凸部的周期构造、模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅的周期构造或它们的组合，配置于中心部；及
光栅，配置于所述中心部以外，
配置于所述中心部的所述阶梯状的光栅的级数比配置于所述中心部以外的所述光栅的级数多。


2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，
配置于所述中心部以外的所述光栅是模仿了所述浮凸型凸部的以所述基材为第1级的2级以上的阶梯状的光栅。


3.根据权利要求1或2所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部作为将入射光变换为平行光的衍射透镜发挥作用，包括配置于所述中心部的作为所述浮凸型凸部的相息图或配置于所述中心部的3级以上的光栅和配置于周边部的2级的光栅。


4.根据权利要求1～3中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部作为将入射光变换为平行光的衍射透镜发挥作用，由配置于所述中心部的8级的光栅、配置于周边部的2级的光栅及配置于所述中心部与所述周边部之间的环带部的4级的光栅构成。


5.根据权利要求1～3中任一项所述的衍射光学元件，其中，
所述凹凸部作为将入射光变换为平行光的衍射透镜发挥作用，由配置于所述中心部的作为所述浮凸型凸部的相息图...

【专利技术属性】
技术研发人员：村上亮太，小野健介，中山元志，
申请(专利权)人：AGC株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP