衍射光学元件的制作方法

本发明涉及衍射光学元件。

背景技术：

近年来，需要传感器系统的情况增多，如随着网络的普及而出现的用于避免安全风险的个人认证的需求、汽车的自动运转化的潮流或所谓的“物联网”的普及等。传感器有各种各样的种类，所检测的信息也各种各样，作为其中的1个手段，具有从光源对对象物照射光，并从反射回来的光获得信息的手段。例如，图案认证传感器、红外线雷达等为其一例。

作为这些传感器的光源，使用具有与用途对应的波长分布、明亮度、扩展度的光源。作为光的波长，通常使用可见光～红外线，特别是红外线因具有不易受到外光的影响，并且是不可见的，还可观察到对象物的浅内部的特征，因此被广泛使用。并且，作为光源的种类，大多使用led光源、激光光源等。例如，为了检测远处，适合使用光的扩展度小的激光光源，在检测比较近的近处的情况下或想要照射具备某种程度的扩展度的区域时，适合使用led光源。

但是，作为对象的照射区域的大小、形状未必与来自光源的光的扩展度(分布)一致，在该情况下，需要通过扩散板、透镜、遮挡板等而对光进行整形。最近研发了一种叫做光整形扩散器(lsd：lightshapingdiffuser)的能够对光的形状进行某种程度的整形的扩散板。

并且，作为整形光的另外的手段，可例举衍射光学元件(diffractiveopticalelement：doe)。其应用了当光通过具备周期性而排列有具有不同的折射率的材料的场所时的衍射现象。doe基本上是针对单一波长的光而设计的，从理论上来讲，几乎可将光整形为任意的形状。并且，在上述的lsd中，照射区域内的光强形成为高斯分布，而在doe的情况下，可对照射区域内的光分布的均匀性进行控制。doe的这样的特性在抑制向无需的区域照射而实现高效率化、通过光源数的减少等而实现装置的小型化等点上是有利的(例如，参照专利文献1)。

并且，doe可对应于激光器这样的平行光源、led这样的扩散光源的任意光源，并且，可适用于从紫外光到可见光、红外线为止的广范围的波长。

在利用doe而向规定的区域均匀地照射光的情况下，0次衍射光例如会集中在照射区域的中央附近而产生妨碍。特别是，在光源为激光器的情况下，其倾向较大。以往，在想要减少0次衍射光时，与此相伴地所需的1次衍射光也减少。因此，需要抑制所需的1次衍射光的减少并减少0次衍射光的方案。

以往至今，通过将doe的格子平面锯齿形状(钎焊)化，能够将特定的波长有效地集中为特定的次数而进行衍射，并通过台阶状的多台阶形状模拟该锯齿形状而构成(例如，专利文献1)。

但是，在仅形成为锯齿形状(火焰)的形状的情况下，还存在诸多无需的0次衍射光，希望进一步减少0次衍射光。

现有技术文献

专利文献

专利文献1日本特开平09-230121号公报

技术实现要素：

发明要解决的课题

本发明的课题在于提供一种能够进一步减少0次衍射光的衍射光学元件。

用于解决课题的手段

本发明通过以下这样的解决手段而解决所述课题。另外，为了容易理解，赋予与本发明的实施方式对应的符号而进行说明，但不限于此。

第1发明为一种对光进行整形的衍射光学元件(10)，其包括衍射层(15)，该衍射层(15)具备：高折射率部(11)，其并排地配置有多个凸部(11a)；及低折射率部(14)，其折射率低于所述高折射率部(11)，且至少包括形成于所述凸部(11a)之间的凹部(12)，所述凸部(11a)具有由高度不同的多个台阶部形成的多台阶形状，所述高折射率部(11)按照每个单位面积，最深的面的面积最大，最上位面的下一台阶的面的面积最小。

第2发明为在第1发明所记载的衍射光学元件(10)中，所述高折射率部(11)的最上位面的面积为所述高折射率部的最下位面的面积的0.6～0.9倍的面积。

第3发明为在第1或第2发明所记载的衍射光学元件(10)中，所述高折射率部(11)按照每个单位面积，随着从最深的面趋近最上位面的下一台阶的面，各个台阶部的面积依次减小。

第4发明为一种对光进行整形的衍射光学元件(10)，其包括衍射层(15)，该衍射层(15)具备：高折射率部(11)，其在截面形状中并排地配置有多个凸部(11a)；及低折射率部(14)，其折射率低于所述高折射率部(11)，且至少包括形成于所述凸部(11a)之间的凹部(12)，所述凸部(11a)是锯齿形状或由多台阶的轮廓形状模拟锯齿形状而成的形状，锯齿形状或由多台阶的轮廓形状模拟而成的锯齿形状的相对于该衍射光学元件(10)的座面倾斜的斜面具有朝向所述凸部(11a)凹陷的凹状曲面。

第5发明为在第4发明所记载的衍射光学元件(10)中，所述凸部(11a)在其侧面形状的至少一侧具有由高度不同的多个台阶部模拟所述锯齿形状而成的多台阶形状，通过使所述台阶部的高度和宽度中的至少一个根据场所而不同，模拟了所述凹状曲面。

第6发明为在第4或第5发明所记载的衍射光学元件中，所述凸部在其侧面形状的至少一侧具有由高度不同的多个台阶部模拟所述锯齿形状而成的多台阶形状，按照每个单位面积，最深的面的面积最大，最上位面的下一台阶的面的面积最小。

第7发明为在第5或第6发明所记载的衍射光学元件(10)中，所述台阶部的每一个台阶的高度恒定，通过使所述台阶部的宽度根据场所而不同，模拟了所述凹状曲面。

第8发明为在第7发明所记载的衍射光学元件(10)中，所述凸部(11a)在并排方向上设定x轴，设所述斜面变高的朝向为x轴的正朝向，设定与该衍射光学元件(10)的座面正交的y轴，设所述凸部(11a)的突出的朝向为y轴的正朝向，设包括所述凸部(11a)的前端在内而计数的台阶部的总台阶数为l，设每个级别的宽度的减少率为f，设将所述凹部(12)的最低的位置作为0而计数时的对象的台阶部的台阶数为lv，设所述台阶部的每一个台阶的高度为作为恒定值的h，设级别零的宽度比率为c时，关于成为由多台阶形状模拟而成的所述凹状曲面的截面中的级别零的凹顶点和各个凸部的顶点的轨迹的曲线，

设相对于间距的x坐标的比率s时，

x’＝0.5×f×lv²+c×lv

s＝p/{tw+σx’i}

σ为i＝0～l-1时，

台阶形状的顶部x,y坐标表示为如下：

x＝0.5×f×lv²+c×lv

y＝lv×h。

第9发明为在第1至第8发明中的任意一个发明所记载的衍射光学元件(10)中，从形成了凹凸形状的面的法线方向观察，所述高折射率部(11)形成如下的衍射光栅：所述凸部(11a)与所述凹部(12)之间的边界具备包括曲线和由多个线段相连而成的折线中的至少一个的图案。

第10发明为在第1至第8发明中的任意一个发明所记载的衍射光学元件(10)中，所述高折射率部(10)形成了如下的光栅单元阵列型(“gratingcellarray型”或“gca型”)的衍射光栅：从形成凹凸形状的面的法线方向观察，形成铺设(tiling)多个单位单元而成的格子状的图案，该单位单元是由相同的凹凸形状并排配置而成的。

发明效果

根据本发明，能够抑制1次光的衍射效率的低下，并减少0次光。

附图说明

图1a是表示关于从座面的法线方向观察的衍射光栅的凹凸形状，凸部和凹部之间的边界形成为包括曲线的规则的或不规则的图案的衍射光学元件的例子的俯视图。

图1b是表示从座面的法线方向观察的衍射光栅的凹凸形状形成为铺设多个相同的凹凸形状并排配置的单位单元的格子状的图案的衍射光学元件的例子的俯视图。

图2a是表示图1a所示的不规则型的衍射光学元件的例子中的部分周期结构的一例的立体图。

图2b是表示图1b所示的gca型的衍射光学元件的例中的部分周期结构的一例的立体图。

图3是在图2a中的箭头g-g’的位置切断衍射光学元件的截面图。

图4是用于对衍射光学元件进行说明的图。

图5是对衍射光学元件10中的凸部11a的凹状曲面进行说明的图。

图6a是将本实施方式的衍射光学元件10与以往的形态比较而示出的图。

图6b是在图6a的图中将原来的设计图案的曲线重叠而示出的图。

图7是表示具有8级别的多台阶形状的衍射光学元件10的图。

图8是对凹状曲面的截面中的曲线和多台阶形状进行说明的图。

图9是表示8级别的截面形状的具体例的图，图9中一并记载了x、y的值。

图10是表示4级别的截面形状的具体例的图，图10中一并记载了x、y的值。

图11是对0次衍射光的强度测量方法进行说明的图。

图12是表示比较例的衍射光学元件的图。

图13是表示对本发明的衍射光学元件10和比较例测量0次衍射光的强度的结果的图。

图14是表示改变每1个台阶的高度的实施例2的形状的图。

图15是综合了仿真的结果的图。

图16是表示以16个台阶模拟了锯齿形状的例子的图。

图17是f＝-0.02，t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的c发生变化时的零次光强的曲线图。

图18是c＝0.25,t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的f发生变化时的零次光强的曲线图。

图19是f＝-0.02，c＝0.25，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的t发生变化时的零次光强的曲线图。

图20是f＝-0.02，t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的c发生变化时的零次光强的曲线图。

图21是c＝0.18,t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的f发生变化时的零次光强的曲线图。

图22是f＝-0.02，c＝0.18，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的t发生变化时的零次光强的曲线图。

图23是表示连结本发明的顶点的轨迹具有凹状曲面的结构的衍射光学元件的截面形状和仿真结果的图。

图24是表示具备作为理论性结构的顶点以直线状并排的结构的衍射光学元件的截面形状和仿真结果的图。

图25是表示与本发明相反地连结顶点的轨迹具备凸状曲面的结构的衍射光学元件的截面形状和仿真结果的图。

图26是为了比较以往的结构的衍射光学元件和本发明的衍射光学元件而并排示出的俯视图。

图27a是表示图26中所示的各个面相对基于图26(a)的以往的理想设计而实现的4-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图27b是表示各个面相对基于以往的理想设计而实现的8-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图28a是表示图26中所示的各个面相对图26(b)的本发明的4-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图28b是表示各个面相对本发明的8-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图29是基于图26(a)、(b)的数据而实际制造衍射光学元件来测量零次光的实际测量值的结果。

图30是表示3种衍射光学元件的面积比例的图。

图31是从座面的法线方向观察理想设计的衍射光学元件的图。

图32是从座面的法线方向观察类型(type)1的衍射光学元件的图。

图33是从座面的法线方向观察类型(type)2的衍射光学元件的图。

图34是用数值表示3种衍射光学元件的仿真结果的图。

图35是用曲线图表示3种衍射光学元件的仿真结果的图。

图36是表示从激光显微镜取得的黑白(灰度)图像的例子的图。

图37是表示将从激光显微镜取得的黑白图像2值化的结果的图。

图38是表示将级别(level-)3填充的例子的图。

图39是将级别(level-)2填充的例子的图。

图40是将级别(level-)1填充的例子的图。

图41是将级别(level-)0填充的例子的图。

具体实施方式

下面，参照附图，对用于实施本发明的最优选的方式进行说明。

(实施方式)

图1a表示关于从座面的法线方向观察的衍射光栅的凹凸形状，凸部和凹部之间的边界形成为包括曲线的规则的或不规则的图案的衍射光学元件的例子的俯视图。

在本实施方式中，作为1例，可适用于图1a所示的看起来为不规则的具备凹凸形状的图案的衍射光学元件。在以下的说明中，将该图1a所示的类型的衍射光学元件称为不规则型。但是，该不规则的图案根据不同的衍射光学元件要呈现出的射出图案，有时也存在构成规则的图案的情况，因此不规则型这一称呼是从方便起见而叫出的名称，并非限定为不规则。并且，在图1a中，不规则型的图案由曲线构成，根据不同的衍射光学元件要呈现出的射出图案，有时包括形成为直线或将由曲线构成的线段相连的折线的图案。因此，在不规则型的衍射光栅的图案中，从形成有高折射率部(后述)的凹凸形状的面的法线方向观察，凸部和凹部之间的边界包括曲线和由多个线段相连而成的折线中的至少一个。

图1b是表示从座面的法线方向观察的衍射光栅的凹凸形状形成为铺设多个相同的凹凸形状并排配置而成的单位单元的格子状的图案的衍射光学元件的例子的俯视图。

作为其他的例子，如图1b所示，本实施方式能够适用于形成为铺设多个并排配置相同的凹凸形状而成的单位单元的格子状的图案的衍射光学元件。在以下的说明中，将该图1b所示的类型的衍射光学元件称为光栅单元阵列(gratingcellarray)型或gca型。在光栅单元阵列型的衍射光学元件中，按照每个单位单元，通过衍射光栅而衍射的光的朝向及角度不同，铺设多个单位单元，从而构成获得期望的光学特性的衍射光学元件。即，在光栅单元阵列型的衍射光学元件中，从形成凹凸形状的面的法线方向观察，高折射率部被划分成格子状，在其划分内在特定的方向上延伸的相同形状的凸部在与所述特定的延伸方向正交的方向上并排地配置，按照每个划分，凸部的宽度及延伸方向不同。

图2a是表示图1a所示的不规则型的衍射光学元件的例子中的部分周期结构的一例的立体图。

图2b是表示图1b所示的gca型的衍射光学元件的例子中的部分周期结构的一例的立体图。

图3是在图2a中的箭头g-g’的位置将衍射光学元件切断的截面图。

在以下的说明中，考虑在gca型中需要特有的截面形状的捕捉方法的情况，主要以不规则型为例进行说明。但是，即便是gca型，只要在图1a中所示的箭头g-g’的位置进行切断，则会构成相同的截面形状，如上所述，可同样地适用本发明。

图4是对衍射光学元件进行说明的图。

另外，包括图1，以下所示的各个图是示意性地所示的图，关于各个部的大小、形状，为了容易理解，适当夸张地示出。

并且，在以下的说明中，表示具体的数值、形状、材料等而进行说明，但可对此进行适当变更。

另外，关于本发明中使用的用于特定形状、几何学的条件及这些程度的用语，例如“平行”、“正交”、“相同”等用语、长度、角度的值等，不仅限于严谨的意思，而是在可期待相同的功能的程度的范围内进行解释。

并且，在本发明中，“对光进行整形”是指，通过控制光的行进方向，从而使得投影到对象物或对象区域的光的形状(照射区域)成为任意的形状。例如，如图4的例子所示，准备光源部210，该光源部210发出在直接投影到平面形状的屏幕200的情况下将照射区域202照射为圆形的光201(图4(b))。通过使该光201透过本发明的衍射光学元件10，使照射区域204成为正方形(图4(a))、长方形、圆形(未图示)等目标形状，将此称为“对光进行整形”。

另外，通过将光源部210和在由光源部210发光的光所通过的位置上至少配置有1个的本实施方式的衍射光学元件10进行组合，从而构成可在对光进行整形的状态下进行照射的光照射装置。

并且，在本发明中透明是指，至少使所利用的波长的光透过。例如，假设即便不使可见光透过，只要使红外线透过，则在用作红外线的情况下，视为透明。

本实施方式的衍射光学元件10是对光进行整形的衍射光学元件(doe)。衍射光学元件10例如被设计为如下：使发出波长为550nm的光的光源部210发出的光扩散为十字形状，具体地，例如使光扩散成±50度，宽度以±3.3度扩散的光带产生2个公差的形状。

本实施方式的衍射光学元件10在图1a、图1b所示的a、b、c、d的各个位置中深度不同。即，衍射光学元件10由4个台阶的高度不同的多台阶形状构成。而且，衍射光学元件10通常具备具有不同的周期结构的多个区域(部分周期结构：例如，图1a、图1b的e、f区域)。在图2a、图2b中，抽取部分周期结构的一例而示出。

如图3所示，衍射光学元件10具备截面形状中多个凸部11a并排地配置的高折射率部11。在gca型的衍射光学元件中，该高折射率部11在维持相同的截面形状的情况下，在截面的纵深方向上延伸。另一方面，在不规则型的衍射光学元件中，当截面位置发生改变时，截面形状发生变化，成为排列多个各种截面形状的衍射光栅的形态。另外，在不规则型中，用于特定衍射光栅的形状的截面即用于特定对衍射光的衍射现象带来影响的衍射光栅的具体的形状的截面结构需要构成为如下结构：在从座面的法线方向观察时，在和凸部与凹部之间的边界描绘的线(曲线或直线)正交的方向上切断的截面中的截面结构。

高折射率部11例如通过对石英(sio2、合成石英)蚀刻处理并加工而成。并且，高折射率部11可以从加工石英而成的物体取模而制作成型型，并利用该成型型使电离放射线硬化性树脂组成物硬化而成。关于利用电离放射线硬化性树脂组成物制造这样的周期结构的物体的方法，公知有各种手法，衍射光学元件10的高折射率部11是利用这些公知的手法而适当制造的。

并且，在包括形成于凸部11a之间的凹部12及凸部11a的顶部附近的空间13的图3的上方的部分中存在空气，构成折射率低于高折射率部11的低折射率部14。通过这些高折射率部11及低折射率部14交替地并排地配置的周期结构，从而构成具备对光进行整形的作用的衍射层15。

凸部11a构成为在侧面形状的一侧(图3中为左侧)具备高度不同的4个台阶部的多台阶形状。具体地，凸部11a在一侧具有最突出的级别3台阶部11a-3、比级别3台阶部11a-3低1个台阶的级别2台阶部11a-2、比级别2台阶部11a-2再低1个台阶的级别1台阶部11a-1、比级别1台阶部11a-1再低1个台阶的级别0台阶部11a-0。并且，凸部11a的侧面形状的另一侧(图3中为右侧)构成从级别3台阶部11a-3到级别0台阶部11a-0为止在直线上相连而成的侧壁部11b。

在此，本实施方式的凸部11a是由多台阶的轮廓形状模拟锯齿形状而成的形状，由多台阶的轮廓形状模拟而成的锯齿形状的相对于衍射光学元件10的座面倾斜的斜面具有向凸部11a凹陷的凹状曲面。在此，“由多台阶的轮廓形状模拟而成”是指，在本实施方式中，用将各个台阶部的角部分连结的线来类似地构成凹状曲面的情况，但不限于角部分，也可以是连结台阶部的面的中央的线，也可以是连结角落部分的线。并且，“模拟而成”这一用语表示类似地构成凹状曲面的情况。在本实施方式中，宏观地观察时，表示成为凹状曲面，微观地观察时，表示构成为台阶状。在其他表述中，也可以称为“近似”。在此说明的例子中，对4级别的形态进行了说明，因此构成比较的粗略地模拟的形态，但当构成为后述的16级别、进而构成为其以上的级别数时，能够构成更准确地模拟的形状。

图5是对衍射光学元件10中的凸部11a的凹状曲面进行说明的图。

图6a是将本实施方式的衍射光学元件10与以往的形态比较而示出的图。图6a(a)示出在图6a(b)中的箭头h-h的位置切断以往的衍射光学元件的截面。图6a(b)是从座面的法线方向观察以往的衍射光学元件的俯视图。图6a(c)是从座面的法线方向观察本实施方式的衍射光学元件10的俯视图。图6a(d)是与图6a(b)和图6a(c)重叠而示出的图。

如图5中用双点划线所示出，在以往的衍射光学元件中，各个台阶部的每1个台阶的深度(高度)恒定，并且宽度也恒定。因此，在图5所示的截面中，将以往的衍射光学元件的各个台阶部的角部分连结的斜面l0成为平面(截面中为直线)。

相对于此，在本实施方式的衍射光学元件10中，将各个台阶部的角部分连结的斜面l成为朝向凸部11a而凹陷的凹状曲面(在截面中为凹状曲线)。为了模拟上述的凹状曲面，可以改变各个台阶部的深度(高度)，也可以改变各个台阶部的宽度，也可以将这两个进行组合。但是，当考虑通过蚀刻处理而制造台阶部的制造方法时，最简单地进行制造的方法是改变各个台阶部的宽度的方法。

因此，本实施方式的衍射光学元件10为了模拟上述的凹状曲面，随着凹部的深度变浅，各个台阶部的宽度逐渐变窄。由此，如图5及图6所示，凸部11a的宽度也整体地变窄。

如图1a所示，在不规则型的衍射光学元件10中，在设计上，由凸部与凹部之间的边界描绘的线构成曲线的部分较多。而且，如上所说明，对衍射光学元件的光学特性产生影响的截面结构是与该曲线正交的方向(法线方向)的截面中的截面结构。但是，在实际的衍射光学元件10中，由微小的折线形状，特别是，通过图6a所示的正交的2个方向的直线相连而成的折线形状制作成凸部与凹部之间的边界描绘的线类似于曲线的形状的情况较多。这主要是根据制造上的便利性而决定的。

在该情况下，例如在如图6a(a)这样切断图5所示的截面结构而成的截面上进行研讨时，各台阶的宽度受到切断位置的影响而比原来的应作为截面结构研讨的宽度更宽或更窄，无法进行正确的研讨。

图6b是在图6a的图中重叠原来的设计图案的曲线而示出的图。图6b(b)是在图6a(b)上重叠理想设计图案的曲线的图，图6b(c)是在图6a(c)上将理想设计图案的曲线和本实施方式的设计图案的曲线重叠的图。另外，在图6b(c)上实线是理想设计图案的曲线，虚线是本实施方式的设计图案的曲线。

图6b中明确地示出各个台阶部的宽度随着凹部的深度变浅逐渐地变窄的样子。这样，在实际制造的衍射光学元件中，在研讨各个台阶部的宽度时，重要的是通过如图6b所示的连结顶点的曲线来获得设计上的曲线，并以与其曲线正交的方向的截面形状、宽度尺寸进行研讨。

在目前为止的说明中，示出了4级别的多台阶形状的例子，但该台阶数可以更多。

图7是示出具有8级别的多台阶形状的衍射光学元件10的图。

这样，当台阶数变多时，模拟凹状曲面的精度变高。

在此，锯齿形状的斜面构成模拟凹状曲面的形状，在此对该曲面的形状进行说明。

图8是对凹状曲面的截面中的曲线和多台阶形状进行说明的图。

设置图8所示的各种x-y正交坐标。即，在并排凸部11a的方向上设定x轴，设斜面变高的朝向为x轴的正朝向，设定与衍射光学元件10的座面正交的y轴，将凸部11a的突出的朝向设定为y轴的正朝向。

设包括凸部11a的前端而计数的台阶部的总台阶数为l。并且，设每个级别的宽度的减少率为f。进而，设凹部的最低的位置作为0而计数时的对象的台阶部的台阶数为lv，设各个台阶部的每1个台阶的高度设为h的恒定值，将级别零的宽度比率定义为c。这样，由多台阶形状模拟而成的凹状曲面的截面中的曲线(由级别零的凹顶点和各个凸部的顶点的轨迹构成的曲线)由以下的式来表示。

设相对于间距的x坐标的比率为s，

x’＝0.5×f×lv²+c×lv

s＝p/{tw+σx’i}

σ为，i＝0～l-1时，将台阶形状的顶部x、y坐标表示为如下：

x＝s×(0.5×f×lv²+c×lv)

y＝lv×h。

另外，在设多级形状的级别数为n，最上位级别的宽度为tw时，间距为将下式正规化的间距：

0.5×f×(n-1)2+c×(n-1)+tw。

并且，级别零的宽度比率c表示以往的各个台阶部的宽度恒定的情况下的每1个台阶的宽度相对于凹部的最低的位置即级别零的宽度的比率。

在此，关于各个台阶部的每1个台阶的高度h，当对理论值ht，设为h＝ht×1.05～h＝ht×1.15时，可获得良好的结果。另外，理论值ht＝波长/{level数(折射率-1)}。

并且，将各个台阶部(级别)的宽度d0～d7以间距的比例而定义为如下：

di＝c+i×f。

但是，i为0～6的整数。

在此，f<0。

并且，在最大衍射角为10°以上的衍射光学元件中，

-20≤c/f≤-6，

优选为，

当-16≤c/f≤-10.5

-0.0275≤f≤-0.0125时，

0.13≤c≤0.4

在c为该范围的情况下，优选为如下：

-0.0225≤f≤-0.0125。

相对于最深的面即零级别的宽度，当最上位的宽度的比率为t时，优选为如下：

0.5≤t≤0.9，

0.6≤t≤0.8。

下面，例示具体例。

图9是表示8级别的截面形状的具体例的图。在图9中的下方一并记载的表中一并记载了x’、y的值。该x’表示观察台阶结构的截面时的顶部的横向位置，y表示纵向位置，是在图9中作为曲线图而示出的截面形状(台阶结构)的坐标数据(顶点坐标)。另外，在以下的图中，与曲线图一并记载的表中的值表示曲线图中的坐标数据。

在图9的例子，波长为850nm,间距＝3284nm(衍射角15°),8级别,f＝-0.02,c＝0.25,t＝0.8,h＝850/8*1.1*(n-1),n＝1.5。在该情况下，c/f＝-12.5。

基于x’＝0.5×f×lv²+c×lv可知，从零级别到最上位级别为止的宽度为1.4542，各个级别的宽度成为从x值导出的宽度×3284/1.4542。此时的零次光强足够小到0.15776％。

图10是表示4级别的截面形状的具体例的图。图10中一并记载了x、y的值。

在图10的例子中，波长为850nm,间距＝3284nm(衍射角15°),4级别,f＝-0.02,c＝0.2,t＝0.8,h＝850/4*1.1(n-1.0),n＝1.5。在该情况下，c/f＝-10。

基于x’＝0.5×f×lv²+c×lv可知，从零级别到最上位级别为止的宽度为0.662，各个级别的宽度为从x值导出的宽度×3284/0.662。此时的零次光足够小到，0.2803％。

接着，表示实际制作上述实施方式和比较例，并实际测量0次衍射光的强度的结果。

图11是用于对0次衍射光的强度测量方法进行说明的图。

首先，如图11(a)所示，为了测量0次衍射光的强度，在使光源ls所发光的特定的波长的光透过衍射光学元件10之后，进而通过光圈ap而仅使0次衍射光所通过的特定的范围的光到达传感器s，通过功率计m而测定具有衍射光学元件10的情况下的强度。

接着，如图11(b)所示，仅将衍射光学元件10从图11(a)的状态去除，测定没有衍射光学元件10的情况下的强度。通过(具有衍射光学元件10的情况下的强度)/(不具有衍射光学元件10的情况下的强度)而求出0次衍射光的强度。

另外，测量中使用的光源ls为激光光源和卤素光源的2种光源，波长为850nm。

通过上述方法而对本发明的衍射光学元件10测量了0次衍射光的强度。另外，作为本发明的衍射光学元件10，分别测量了图3、5所示的4级别的元件和图7、8所示的8级别的元件。

在本发明的衍射光学元件10的4级别物品中，每一级的高度h＝470nm。该值相当于h＝ht×1.106。并且，c＝0.1825,f＝-0.02。另外，如图1及图6所示，各个部位的间距不同，因此难以确定。

另外，在本发明的衍射光学元件10中，将各个台阶部相连的线在截面中成为凹状的曲线。

并且，为了与本发明的衍射光学元件10进行比较，在比较例中也准备了4级别物品和8级别物品。

图12是表示比较例的衍射光学元件的图。

作为比较例，如图12所示，将各个台阶部相连而成的线在截面中为直线。而且关于比较例，准备了4级别和8级别的2种。每1个台阶的高度h与本发明物品相同。

图13是表示对本发明的衍射光学元件10和比较例测量0次衍射光的强度的结果的图。在图13中，由圆形和方形标识所示的数据表示激光光源的数据，由曲线表示的数据表示卤素光源的数据。

如图13所示，无论是激光光源还是卤素光源，本发明的情况下，与比较例相比，0次衍射光的强度大幅下降。由此，在实际物品测量中证明了当将相当于锯齿形状的斜面的部分构成为凹状曲面时，能够降低0次衍射光的强度。

接着，为了对本发明的效果进行更详细的调查，进行了仿真。

在衍射效率的解析仿真中，根据严格耦合波分析(rcwa(rigorouscoupled-waveanalysis)而进行了运算。rcwa在数学上归结于解开行列的固有值问题和一次方程式，因此原理上不存在困难。并且，在基于该rcwa的电磁场分析的仿真结果和现实中，只要去除现实物体中的形状错误等，则基本上符合。

另外，在这次的仿真中，未考虑图2a所示的立体的形状，在图2b所示的一维中将纵深方向视为无限长度而进行了运算。

仿真是通过以下的条件而进行的：

波长：850nm

高折射率部的折射率n：1.5

低折射率部的折射率：1.0

间距：2μm,4μm的2种

级别数：8级别。

作为比较例，首先，将每1个台阶的高度为理论值的高度ht＝212.5nm的情况作为比较例1。并且，将每1个台阶的高度h＝ht×1.106＝235nm的情况作为比较例2。该高度h＝ht×1.106＝235nm与之前的实际测量中使用的高度相同。

并且，作为本发明物品即斜面相当部分构成为凹状曲面的实施例，准备了2种。首先，将与之前的实际测量物品同样深的部分的宽度依次形成为较宽的宽度的情况作为实施例1。并且，通过不改变宽度，将深的部分依次降低高度，从而将斜面相当部分构成为凹状曲面的形态作为实施例2。

图14是表示改变每1台阶的高度的实施例2的形状的图。

如上所说明，如图14所示地改变每1个台阶的高度，从而能够模拟凹状曲面。

图15是综合了仿真的结果的图。在仿真中，关于1次衍射光也是作为参考值而求出的。

从仿真的结果，只要是斜面相当部分构成为凹状曲面的形态，则可获得大大减少0次衍射光的结果。

另外，将锯齿形状通过多台阶形状而类似地再现时的台阶数(级别数)不限于上述的4个台阶、8个台阶。

图16是表示用16级模拟锯齿形状的例子的图。另外，在增加台阶数的情况下，可进一步接近光滑的斜面，可视为基本无台阶的程度的斜面即实质上可视为曲面的情况。从上述的实际测量及仿真的结果可知，即便是光滑的斜面的情况下，只要斜面是凹状曲面，则可谓能够降低0次衍射光的强度。

接着，表示用于对级别零的宽度变化率c、每个级别的宽度的减少率f、最上位的宽度的比率t的影响进行说明的仿真结果。

(8-级别(level))

图17至图19表示将以波长为850nm、衍射光学元件的折射率为1.5，由以下的式来表示的8-级别(level)的结构进行仿真的结果。在理论值上，每1个台阶的高度ht＝212.5nm，h＝ht×1.1的223.125nm。t为相对最下位(级别(level-)0)的最上位面(级别(level-)7)的宽度的比率。公式与上述的公式相同，利用以下的公式。

将x坐标相对于间距的比率为s，

x’＝0.5×f×lv²+c×lv

s＝p/{tw+σx’i}

σ为i＝0～l-1时，台阶形状的顶部x、y坐标表示为如下：

x＝s×(0.5×f×lv²+c×lv)

y＝lv×h。

图17是f＝-0.02，t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的c发生变化时的零次光强的曲线图。由此可知，在0.21≤c≤0.40时，零次光下降，构成0.5％以下。

图18是c＝0.25,t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的f发生变化时的零次光强的曲线图。由此可知，在-0.0225≤f≤-0.0125时，零次光下降，构成0.5％以下。

图19是f＝-0.02，c＝0.25，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的t发生变化时的零次光强的曲线图。由此可知，在t为0.5～0.9时，零次光下降，构成0.5％以下。

从这些结果可知，可求出8-级别(level)中的c/f的合适的范围。在此，将零次光强为1％以下的范围设定为c/f的合适的范围。

从图17的结果可知，在0.18<c中，零次光成为1％以下。在该图17的例子中，f＝-0.02，因此优选为c/f<-9。

并且，从图18的结果可知，在-0.0275<f<-0.005时，零次光为1％以下。在该图18的例子中，c＝0.25，由此优选为-50<c/f<-9。

作为在这些两个范围中共通的范围，8-级别(level)中的c/f的合适的范围为-50<c/f<-9。

(4-级别(level))

图20到图22示出波长为850nm，衍射光学元件的折射率为1.5，由以下的式来表示的4-级别(level)的结构进行仿真的结果。在理论值上，每1个台阶的高度为ht＝425nm，h＝ht×1.1的467.5nm。t为相对最下位(级别(level-)0)的最上位面(级别(level-)3)的宽度的比率。公式与上述的公式相同，利用以下的公式。

将相对间距的x坐标的比率为s，

x’＝0.5×f×lv²+c×lv

s＝p/{tw+σx’i}

σ为i＝0～l-1时，台阶形状的顶部x、y坐标表示为如下：

x＝s×(0.5×f×lv²+c×lv)

y＝lv×h。

图20为f＝-0.02，t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的c发生变化时的零次光强的曲线图。由此可知，在0.13≤c≤0.33时，零次光下降，成为0.5％以下。

图21为c＝0.18,t＝0.8，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的f发生变化时的零次光强的曲线图。由此可知，-0.0275≤f≤-0.0125时，零次光下降，成为0.5％以下。

图22为f＝-0.02，c＝0.18，衍射光栅的衍射角为15°，间距为3284nm时的t发生变化时的零次光强的曲线图。由此可知，t为0.3～0.9时，零次光下降，成为0.5％以下。

从这些结果可知，可求出4-级别(level)中的c/f的合适的范围。在此，将零次光强为1％以下的范围设定为c/f的合适的范围。

从图20的结果可知，在0.1<c中，零次光为1％以下。在该图20的例子中，f＝-0.02，因此优选为-5<c/f。

并且，从图21的结果可知，在f<0时，零次光为1％以下。在该图21的例子中，c＝0.18，因此从f<0的条件，无法求出c/f的范围，在该条件下可以是任何的值。

作为在这两个范围中共通的范围，4-级别(level)中的c/f的合适的范围为-5<c/f。

如上述，在8-级别(level)中的c/f的合适的范围为-50<c/f<-9，4-级别(level)中的c/f的合适的范围为-5<c/f。由此，作为与这些共通的范围，将-5<c/f<-9设定为c/f的合适的范围。

在此，关于减少率f，减少率f具备c/f的反比例的关系。由此，当以减少率f构成分子的方式变换上述范围时，优选为-0.2<f/c<-0.1的范围。减少率f是每个级别的宽度的减少率，是量纲为1的值，并且当c恒定时，可考虑面积的变化率也在上述范围。由此，各个台阶部的面积减少的减少率为-5％以上，优选为-20％以下的范围。

并且，在图19中的8-级别(level)中，t优选为0.5～0.9，在图22到4-级别(level)中，t优选为0.3～0.9。t是相对最下位(级别(level-)0)的最上位面(级别(level-)3)的宽度的比率。由此，优选为高折射率部的最上位面的面积为高折射率部的最下位面的面积的0.5～0.9倍的面积。

接着，图23至图25表示对连结本发明的顶点的轨迹具备凹状曲面的结构的衍射光学元件和理论结构即顶点以直线状并排的结构的衍射光学元件和与本发明相反地连结顶点的轨迹具备凸状曲面的结构的衍射光学元件进行比较的仿真的结果。在图23到图25的仿真中，设置为f＝-0.02，c＝0.18，t＝0.8，3248nm的间距(衍射角15°)。

图23是表示连结本发明的顶点的轨迹具备凹状曲面的结构的衍射光学元件的截面形状和仿真结果的图。另外，图23到图25中，为了便于理解截面形状的差异，以单点划线一并记载了直线。

如图23所示，在本发明的结构中，零次光为0.26％。

图24是表示理论性结构即顶点直线状地并排的结构的衍射光学元件的截面形状和仿真结果的图。

如图24所示，理论性结构即所有台阶相同的情况下，零次光成为0.88％。

图25是表示与本发明相反地连结顶点的轨迹具备凸状曲面的结构的衍射光学元件的截面形状和仿真结果的图。

如图25所示，在相对与本发明相反的锯齿的刃型斜面而构成凸型的结构中，零次光为2.90％。

从图23到图25的结果可确认，在如本发明这样连结顶点的轨迹具有凹状曲面的结构的衍射光学元件中能够减少零次光。

接着，代替通过上述的数式而确认凹状曲面的手法，对能够以更易懂的方式比较本发明的结构和以往的结构的手法进行说明。在本发明的结构中，连结顶点的轨迹构成凹状曲面，因此各台阶的上面的面积根据级别而不同。下面，对该点进行说明。

图26是将以往的结构的衍射光学元件和本发明的衍射光学元件并排显示以进行比较的俯视图。图26(a)表示通过以往的被公知为理想的设计的手法来设计的衍射光学元件的4-级别(level)的各个面，是表示1面到4面的数据。图26(b)是基于本发明的结构而改良图26(a)的形状的图。关于各个面，将最下位面(级别0台阶部11a-0：参照图3)为0面，将最上位面(级别3台阶部11a-3)作为3面而在图中进行了显示。

图27a是表示图26中所示的各个面相对根据图26(a)的以往的理想设计而实现的4-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图27b是表示各个面相对由以往的理想设计实现的8-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图28a是表示图26中所示的各个面相对图26(b)的本发明的4-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

图28b是表示各个面相对本发明的8-级别(level)衍射光学元件的面积的比例的图。

在图27a、27b及图28a、28b中，衍射光学元件(doe)的1边关于10μm、50μm、100μm的正方形区域而求出了面积比例。正方形区域的大小越大，作为采样的面变多，因此具有聚束为恒定值的倾向。

从图27a、27b可知，关于以往的理想的设计中的各个面的比例，4-级别(level)的各个面略为25％，8-级别(level)的各个面为11～14％，是大致相等的比例。

另一方面，从图28a、28b可知，在本发明的结构中，位于最下位面的级别(level-)0的面积最大，最上位面的下一个面(级别(level-)2、级别(level-)6)为最小的面积。

图29是基于图26(a)、(b)的数据而实际制造衍射光学元件来测量零次光的实际测量值的结果。另外，在图29中，一并记载了4-级别(level)和8-级别(level)的实际测量值。

从图29可知，无论是4-级别(level)还是8-级别(level)，在本发明的结构的情况下，与以往的形态相比零次光减少。

在上述的图28a的例子中，从面积大到小的顺序排列时，是级别(level-)0、级别(level-)1、级别(level-)3、级别(level-)2的顺序(以下，称为类型(type)1)。在以下记载中，进而以面积从大到小的顺序，例举级别(level-)0、级别(level-)3、级别(level-)1、级别(level-)2的顺序的例子(以下，称为类型(type)2)，进而在相同条件下对构成这些基本的理想设计的形态进行了比较。另外，在该比较中，改变从级别(level-)0到级别(level-)3为止的高度差即凹凸的深度(以下，还称为doe高度)，对doe高度的影响进行了研讨。另外，doe高度通常根据衍射对象的光的波长而决定。

图30是表示3种衍射光学元件的面积比例的图。

图31是从座面的法线方向观察理想设计的衍射光学元件的图。

图32是从座面的法线方向观察类型(type)1的衍射光学元件的图。

图33是从座面的法线方向观察类型(type)2的衍射光学元件的图。

图34是以数值的方式显示3种衍射光学元件的仿真结果的图。

图35是以曲线图的方式显示3种衍射光学元件的仿真结果的图。

另外，图34、图35的仿真是在波长为850nm时利用严格耦合波分析(rcwa(rigorouscoupled-waveanalysis))而进行的。

从图34及图35可知，关于理想设计的零次光强，即便改变了doe高度，本发明的类型(type)1的零次光强低。并且，类型(type)2根据doe高度而存在相对理想设计而零次光强变小的部分。

在上述说明中，主要根据仿真结果而进行了说明，但在实际制造了衍射光学元件的情况下，需要从实物的复杂的凹凸形状求出各台阶的面积比率。为了求出面积比率，会求出各台阶的面积，但所制作的衍射光学元件大多会具备微小且复杂的凹凸形状，想要单纯地求出面积，也并不容易。因此，以下示出比较简单地求出面积比率的手法的1例。另外，关于面积比率的求出方法，也可以使用以下所示的手法以外的手法。

在此，对利用激光显微镜(基恩士制造，vk-x250)来求出测量doe的各个级别的面积的方法进行说明。在该激光显微镜中，高度测量精度，重复精度3σ＝12nm，但只要是数十nm的精度则足以。

图36是表示由激光显微镜取得的黑白(灰度)图像的例子的图。

如图36所示，关于从该激光显微镜取得的图像，可获得黑白图像。并且，在该黑白图像中还可获得将各台阶的每个高度用不同的颜色着色的图像(未图示)。只要求出该着色的每个颜色的面积即可，通常即便各个台阶部的高度为相同的级别，但所测量的高度存在微妙的差异，因此颜色不规则(色度变化)，按照其形态，不适合求出面积比率。因此，首先，进行将图36的图像进行黑白的2值化的图像处理(图37)。在2值化中，例如可适当利用在市场上销售的图像处理软件，关于阈值的设定，只要选择观察处理结果而最能显示显微镜图像的特征的值即可。

图37是表示将从激光显微镜取得的黑白图像2值化的结果的图。

接着，利用2值化的图像，参照按照独立地获得的各台阶的每个高度而着色为不同颜色的图像，按照每个台阶将白色区域例如填充为中间灰度的颜色(灰色)填充。关于该填充处理，例如可适当利用市场上销售的图像处理软件。

图38是表示填充级别(level-)3的例子的图。

图39是表示填充级别(level-)2的例子的图。

图40是表示填充级别(level-)1的例子的图。

图41是表示填充级别(level-)0的例子的图。

利用按照每个台阶填充的图像，对分别填充的灰色的像素进行计数。关于计数每个颜色的像素数的处理，例如可适当利用在市场上销售的图像处理软件。另外，在上述的例子中，颜色由白、黒、灰色的3种构成，因此对灰色的像素数进行计数。

例如，在图示的例子中，对级别(level-)3计数的数为15167，对级别(level-)2计数的数为24859，对级别(level-)1计数的数为27541，对级别(level-)0计数的数为29391。该数相当于面积，因此能够求出面积比率。

在显微镜输出的图像中，存在各个台阶的边界变粗的部分，估计粗的部分会成为斜面。在利用了上述的图像处理的面积测量方法中，通过进行显微镜输出的图像的2值化，从而斜面变成黒色，不包括在面积比率的运算中，因此可除去该斜面，可将面积计算单纯化，该点为该测量方法的优点。

如以上所说明，根据本实施方式，衍射光学元件10将锯齿形状的斜面形成为凹状曲面或模拟了凹状曲面的多台阶形状，因此可大大减小0次衍射光的强度。并且，还可抑制1次光的衍射效率的下降。

(变形方式)

本发明不限于以上所说明的实施方式，而是可进行各种变形、变更，而这些属于本发明的范围内。

(1)对为了通过多台阶形状而模拟凹状曲面而仅改变多台阶形状的宽度或高度中的一个的例子进行了说明。但不限于此，例如也可以将该两者逐渐地变化。

(2)在实施方式中，以仅由高折射率部构成衍射光学元件的简单的方式进行了图示。但不限于此，例如也可以设置用于形成高折射率部的透明基材，通过树脂而构成低折射率部14，设置覆盖衍射层的覆盖层。

(3)在实施方式中，以构成为多台阶形状的衍射光学元件为主进行了说明，但不限于此，例如也可以是构成为如下形状的衍射光学元件：多台阶形状微小地形成到边界为止而无法识别为多台阶的形状或连续的斜面(曲面)形状。

另外，在实施方式及变形方式中，也可以适当组合而使用，但省略详细的说明。并且，本发明不限于以上说明的各个实施方式。

(符号说明)

10衍射光学元件

11高折射率部

11a凸部

11a-0级别0台阶部

11a-1级别1台阶部

11a-2级别2台阶部

11a-3级别3台阶部

11b侧壁部

12凹部

13空间

14低折射率部

15衍射层

200屏幕

201光

202照射区域

204照射区域

210光源部