衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测装置制造方法及图纸

实现遍及宽视场角地使衍射光的强度均匀化的光扩散技术。在将基本单元在第一方向上周期性地排列并使入射光向所述第一方向衍射的衍射光学元件中，设有以在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角的方式设计的相位图案。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测装置
本专利技术涉及衍射光学元件、使用了该衍射光学元件的投影装置及计测装置。
技术介绍
衍射光学元件利用光的衍射现象将入射光以各种图案向各个方向分光。衍射光学元件为小型、轻量，并能够实现与透镜、棱镜等折射光学元件同样的光学功能，在照明、非接触检查，光学计测等多种领域中被利用。提出了通过使多个衍射光与相邻的衍射光重叠而将投影区域无间隙地填埋的结构(例如，参照专利文献1)。而且，在将主要强度分布转换成预先设定的立体角依赖性的强度分布的光学系中，提出了使用两片光学元件来抑制0次光的影响的结构(例如，参照专利文献2)。在先技术文献专利文献专利文献1：日本专利第6387964号专利文献2：日本特表2008-506995号公报
技术实现思路
专利技术要解决的课题在专利文献1中，仅议论衍射光的重叠，没有公开实现衍射光的重叠的衍射光学元件的具体的结构。在专利文献2中，也没有公开衍射结构的具体的条件。另一方面，在LiDAR(lightdetectionandraging：光检测/测距)等的使用了光的传感、投影机等的放大投射系中，要求以宽视场角使光扩散。在使用衍射光学元件要实现广角化的情况下，遍及宽视场角而使投影面处的衍射光的强度均匀的情况至关重要。本专利技术的目的在于提供一种实现遍及宽视场角地使投影面处的衍射光的强度均匀化的光扩散技术。在本专利技术的第一形态中，衍射光学元件将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，其中，所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角。在本专利技术的第二形态中，一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，其中，在将在所述二维方向上衍射的衍射光中的在距中心最远的拐角部彼此邻近的四个衍射光的中央的角度坐标设为(ax，ay)、将在第一方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θx(MHx)、将在与所述第一方向正交的第二方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θy(MHy)、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第一方向的发散角设为δx、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第二方向的发散角设为δy时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：[(ax-θx(MHx))/δx]2+[(ay-θy(MHy))/δy]2<1。在本专利技术的第三形态中，一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，其中，在将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光的衍射角设为θ(MH)、将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θ(MH-1)时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：tanθ(MH)-tanθ(MH-1)<(FWHM/2Z)[1/cosθ(MH)+1/cosθ(MH-1)]。在本专利技术的第四形态中，一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，其中，在将所述入射光的波长设为λ、将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将所述衍射光学元件的周期长度设为P时，所述周期长度满足下式：λ×Z/(α×FWHM)<P<FWHM，所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在利用该衍射光学元件形成的视场角小于30°时，α的值为恒定值，在所述视场角为30°以上时，α的值作为所述视场角的函数而单调减少。专利技术效果根据上述的结构，实现遍及宽视场角而使衍射光的强度均匀化的光扩散技术。附图说明图1是说明本专利技术的基本思想的图。图2是说明各衍射角的分离角的差异的图。图3是表示衍射角与次数间分离角的关系的图。图4是将图3的关系再构成到屏幕上的衍射光的投射位置的图。图5是表示投影面处的衍射光的重叠不足的图。图6是表示投影面处的衍射光的一维方向的重叠的图。图7是说明使用发散光时在等距离面上衍射光重叠的条件的图。图8是说明平行光时在屏幕面上衍射光重叠的条件的图。图9是说明图8的条件的图。图10是说明等距离面上的二维方向的衍射光的重叠的条件的图。图11是说明二维方向的平行光向屏幕面的投射的图。图12是将图11(B)的模拟结果再标绘成(FWHM/Zsc)与(λ/P)的关系的图。图13是基于图12而将斜度α标绘作为FOV的函数的图。图14是说明广角化时的视野端的强度的下降的图。图15是表示广角化时用于维持均匀的强度分布的第一结构的图。图16是表示二维下的衍射次数间隔剔除的例子的图。图17是表示在图16的例子中对衍射次数未进行间隔剔除的均匀分布的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。图18是表示在图16的例子中对衍射次数进行了间隔剔除时的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。图19是表示对衍射次数仅在x方向上进行间隔剔除的模拟例的图。图20是表示在图19的例子中对衍射次数未进行间隔剔除时(均匀分布)的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。图21是表示在图19的例子中对衍射次数仅沿x方向进行了间隔剔除时的DOE图案和等距离面上的投影像及强度分布的图。图22是表示在广角化时用于维持均匀的强度分布的第二结构的图。图23是将强度校正的有无以三维的强度分布图表示的图。图24是表示广角下的考虑了衍射光的重叠的校正函数H(θ)的图。图25示出利用图24的方法进行了强度校正时的设计例。图26是说明图25的设计范围的缩减的图。图27是说明与广角化相伴的0次光的影响的图。图28是说明以衍射光的重叠为前提的0次光的减少的图。图29是表示除去0次光的成分的设计例的图。图30示出除去0次光的成分的另一个手段。图31是表示投影装置中的光学元件的多段结构的图。图32是表示多段的光学系的结构例的图。图33是表示多段的光学系的结构例的图。图34是表示多段的光学系的结构例的图。图35是表示多段的光学系的结构例的图。图36是表示多段的光学系的结构例的图。图37是说明用于得到目标投影像的DOE设计的概念的图。图38示出利用了IFTA的设计例。具体实施方式图1是说明本专利技术的基本思想的图。为了利用衍射光学元件(DOE：DiffractiveOpticalElement)实现广角扩散，如图1(B)所示，在投影面40以衍射光42无间隙地重叠的方式设计衍射点41的位置。例如图1(A)那样，在通过使用了光源30和衍射本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，/n所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20190131 JP 2019-0161241.一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光与从外侧起的第二个衍射光之间的分离角小于所述入射光的发散角。


2.根据权利要求1所述的衍射光学元件，其中，
在将在所述第一方向上衍射的衍射光的衍射角设为θ时，以所述衍射光的强度按照1/cosθ的比例增强的方式校正所述相位图案。


3.一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
在将在所述二维方向上衍射的衍射光中的在距中心最远的拐角部彼此邻近的四个衍射光的中央的角度坐标设为(ax，ay)、将在第一方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θx(MHx)、将在与所述第一方向正交的第二方向上位于最外侧的衍射光的衍射角设为θy(MHy)、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第一方向的发散角设为δx、将在所述二维方向上衍射的衍射光的所述第二方向的发散角设为δy时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：
[(ax-θx(MHx))/δx]2+[(ay-θy(MHy))/δy]2<1。


4.根据权利要求3所述的衍射光学元件，其中，
在将利用所述衍射光学元件在所述第一方向上衍射的衍射光的衍射角设为θx、将在所述第二方向上衍射的衍射光的衍射角设为θy时，以强度按照1/(cosθx·cosθy)的比例增强的方式校正所述相位图案。


5.一种衍射光学元件，将基本单元在第一方向上周期性地排列，并使入射光在所述第一方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
在将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将在所述第一方向上衍射的衍射光中的最外侧的衍射光的衍射角设为θ(MH)、将从外侧起的第二个衍射光的衍射角设为θ(MH-1)时，所述衍射光学元件具有满足下式的相位图案：
tanθ(MH)-tanθ(MH-1)<(FWHM/2Z)[1/cosθ(MH)+1/cosθ(MH-1)]。


6.根据权利要求5所述的衍射光学元件，其中，
在将在所述第一方向上衍射的衍射光的衍射角设为θ时，以强度按照(1/cosθ)2的比例增强的方式校正所述相位图案。


7.一种衍射光学元件，将基本单元在二维方向上周期性地排列，并使入射光在所述二维方向上衍射，所述衍射光学元件的特征在于，
在将所述入射光的波长设为λ、将所述入射光的射束直径设为FWHM、将至投影面的距离设为Z、将所述衍射光学元件的周期长度设为P时，所述周期长度满足下式：
λ×Z/(α×FWHM)<P<FWHM，
所述衍射光学元件具有以如下方式设计的相位图案：在利用该衍射光学元件形成的视场角小于30°时，α的值为恒定值，在所述视场角为30°以上时，α的值作为所述视场角的函数而单调减少。


8.根据权利要求7所述的衍射光学元件，其中，
在将利用所述衍射光学元...

【专利技术属性】
技术研发人员：米原健矢，村上亮太，田岛宏一，小野健介，
申请(专利权)人：AGC株式会社，
类型：发明
国别省市：日本;JP