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JP2014035920A - Illumination optical system, measuring device and diffractive optical element used therefor - Google Patents

Illumination optical system, measuring device and diffractive optical element used therefor Download PDF

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JP2014035920A JP2012177180A JP2012177180A JP2014035920A JP 2014035920 A JP2014035920 A JP 2014035920A JP 2012177180 A JP2012177180 A JP 2012177180A JP 2012177180 A JP2012177180 A JP 2012177180A JP 2014035920 A JP2014035920 A JP 2014035920A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To enable efficient and uniform light irradiation in a predetermined projection range without increasing the size of an illumination optical system.SOLUTION: An illumination optical system of the present invention has a diffractive optical element formed with an uneven pattern layer for generating a group of diffracted light that has a two-dimensional distribution when parallel light is made incident, and divergent light or convergent light is made incident in the uneven pattern layer of the diffractive optical element for generation of a group of diffracted light made of divergent light with a main light beam having a two-dimensional distribution. The illumination optical system may also have the diffractive optical element and a diffusion element provided on a light incidence side or a light emission side of the diffractive optical element so as to generate a group of diffracted light made of divergent light with a main light beam having a two-dimensional distribution by making divergent light, which is obtained by conversion in the diffusion element, incident in the diffractive optical element or by converting each diffracted light, which is emitted from the diffractive optical element and included in the group of diffracted light having a two-dimensional distribution, into divergent light by the diffusion element.

Description

本発明は、照明光学系、計測装置及びそれに用いられる回折光学素子に関する。   The present invention relates to an illumination optical system, a measurement apparatus, and a diffractive optical element used therefor.

所定の光を測定対象物に照射し、所定の光が測定対象物によって散乱された光を検出することにより、3次元計測を行う装置がある。このような3次元計測装置の一つとしてタイムオブフライト法を用いた装置が知られている。タイムオブフライト法は、照明光を被写体に照射した後、被写体から反射される光が受光部において受光されるまでの光飛行時間を測定することで距離情報を得る方法である。タイムオブフライト法で距離検出のS/N比を向上させるには、所定の投影範囲に効率的かつ均一な光の照射が必要となる。   There is an apparatus that performs three-dimensional measurement by irradiating a measurement object with predetermined light and detecting light scattered by the measurement object. An apparatus using a time-of-flight method is known as one of such three-dimensional measurement apparatuses. The time-of-flight method is a method for obtaining distance information by measuring the time of flight of light until the light reflected from the subject is received by a light receiving unit after the illumination light is irradiated on the subject. In order to improve the S / N ratio of distance detection by the time-of-flight method, it is necessary to efficiently and uniformly irradiate light in a predetermined projection range.

特許文献1には、タイムオブフライト法を用いた計測装置においてインテグレータロッドなどのビーム成形素子を用いることで深さ情報の正確性を向上させる照明光学系が記載されている。また、特許文献2には、拡散板と回折光学素子とアキシコンとを用いて均一な照明を実現する3次元マッピング装置について記載されている。   Patent Document 1 describes an illumination optical system that improves the accuracy of depth information by using a beam shaping element such as an integrator rod in a measurement apparatus using a time-of-flight method. Patent Document 2 describes a three-dimensional mapping apparatus that realizes uniform illumination using a diffusion plate, a diffractive optical element, and an axicon.

特開2012−128425号公報JP 2012-128425 A 特表2009−531655号公報Special table 2009-531655 gazette

しかし、特許文献1に記載されている照明光学系のように、インテグレータロッドを用いる場合、インテグレータロッド内に導入された光線を複数回反射させる必要があり、一般的に照明光学系が大きくなる問題がある。照明光学系が大きいと、3次元計測装置全体も大きくなるため、大きさの制限のある機器に搭載できなくなる、防犯機器など目立つことが好まれない装置に取り付けできなくなるといった問題が生じる。   However, when the integrator rod is used as in the illumination optical system described in Patent Document 1, it is necessary to reflect the light beam introduced into the integrator rod a plurality of times, which generally increases the illumination optical system. There is. If the illumination optical system is large, the entire three-dimensional measurement apparatus also becomes large, which causes problems such as being unable to be mounted on a device with a limited size and being unable to be attached to a device that is not preferred, such as a security device.

また、特許文献2に記載されている3次元マッピング装置は、拡散板と回折光学素子とを組み合わせているが、回折光学素子を、拡散板による拡散を減らすため、または拡散板から照射される光の光強度分布を補正するために用いており、回折光学素子によって光の照射範囲を広げようというものではない。   The three-dimensional mapping apparatus described in Patent Document 2 combines a diffusing plate and a diffractive optical element. However, the diffractive optical element is used to reduce diffusion by the diffusing plate or light emitted from the diffusing plate. It is used to correct the light intensity distribution of the light, and is not intended to widen the light irradiation range by the diffractive optical element.

また、特許文献2に記載された方法では、散乱角の大きな拡散板を用いると、スペックルが発生しやすくなる問題がある。   In addition, the method described in Patent Document 2 has a problem that speckle is likely to occur when a diffusion plate having a large scattering angle is used.

また、所定の投影範囲への光照射技術に関して、例えば、凹レンズを用いて入射される光の照射範囲を広げれば、所定の投影範囲に光を照射できる。しかし、レンズを用いて光の照射範囲を広げる方法では、光源から丸い形状の光ビームが出射される場合、投影範囲の形状によっては、投影範囲の周辺(例えば、投影範囲が矩形であれば、その上下左右の領域)に無駄な照射が行われることになり、光の利用効率が低下する問題がある。また、レンズを用いて光の照射範囲を広げただけでは、入射された光の強度分布がそのまま照射光の強度分布となるので、強度分布を均一するためには光を成形する必要があり、そのためにレンズ系が大きくなる問題がある。   In addition, regarding the light irradiation technique for a predetermined projection range, for example, if the irradiation range of incident light is widened using a concave lens, the predetermined projection range can be irradiated with light. However, in the method of expanding the light irradiation range using a lens, when a round light beam is emitted from the light source, depending on the shape of the projection range, the periphery of the projection range (for example, if the projection range is rectangular, There is a problem in that useless irradiation is performed on the upper, lower, left, and right areas), and the light use efficiency decreases. In addition, just widening the light irradiation range using the lens, the intensity distribution of the incident light becomes the intensity distribution of the irradiation light as it is, so it is necessary to mold the light to make the intensity distribution uniform, Therefore, there is a problem that the lens system becomes large.

そこで、本発明は、照明光学系を大型化させずに、所定の投影範囲に効率的かつ均一に光を照射できる照明光学系、計測装置及びそれに用いられる回折光学素子の提供を目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an illumination optical system, a measuring apparatus, and a diffractive optical element used therein that can irradiate light efficiently and uniformly to a predetermined projection range without increasing the size of the illumination optical system.

本発明による照明光学系は、平行光が入射されると2次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子を備え、回折光学素子の凹凸パターン層に発散光または収束光を入射して、主光線が2次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させることを特徴とする。   An illumination optical system according to the present invention includes a diffractive optical element on which a concavo-convex pattern layer that generates a diffracted light group having a two-dimensional distribution when parallel light is incident, and diverges in the concavo-convex pattern layer of the diffractive optical element. A diffracted light group of diverging light in which chief rays have a two-dimensional distribution is generated by entering light or convergent light.

また、照明光学系は、回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ>0.5Δθを満たすように構成されていてもよい。   In addition, the illumination optical system has a divergent or convergent light spreading angle incident on the concavo-convex pattern layer of the diffractive optical element as φ, and an angle between adjacent chief rays of diffracted light included in the generated diffracted light group as Δθ. Then, it may be configured to satisfy φ> 0.5Δθ.

また、照明光学系は、回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角が16°よりも小さくてもよい。   Further, the illumination optical system may have a divergent light or a convergent light having a divergence angle smaller than 16 ° incident on the concavo-convex pattern layer of the diffractive optical element.

また、本発明による照明光学系は、平行光が入射されると2次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子と、平行光が入射されると、入射された平行光を発散光に変換する拡散素子とを備え、拡散素子は、回折光学素子の光入射側または光出射側に設けられ、回折光学素子に拡散素子が変換した発散光を入射する、または、回折光学素子から出射される2次元の分布を有する回折光群に含まれる各回折光を拡散素子で発散光に変換することにより、主光線が2次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させてもよい。   In addition, the illumination optical system according to the present invention includes a diffractive optical element on which a concavo-convex pattern layer that generates a diffracted light group having a two-dimensional distribution when parallel light is incident, and parallel light is incident. A diffusing element that converts incident parallel light into diverging light, and the diffusing element is provided on the light incident side or light emitting side of the diffractive optical element, and the divergent light converted by the diffusing element is incident on the diffractive optical element. Alternatively, each diffracted light included in a diffracted light group having a two-dimensional distribution emitted from the diffractive optical element is converted into a divergent light by a diffusing element, so that the principal ray is diffracted by the divergent light having a two-dimensional distribution. Light groups may be generated.

また、本発明による計測装置は、上述のいずれかの照明光学系であって、所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光を出射する光源、または、光源から出射された光を所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光にして出射する素子を含む照明光学系と、照明光学系から出射される発散光の回折光群が、測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する検出部とを備えたことを特徴とする。   The measuring device according to the present invention is any one of the illumination optical systems described above, and is a light source that emits divergent light or convergent light having a predetermined spread angle, or light emitted from the light source has a predetermined spread angle. Detecting scattered light generated by irradiating a measurement object with an illumination optical system including an element that emits as diverging light or convergent light having a diffracted light and a diffracted light group of diverging light emitted from the illumination optical system And a detector.

また、本発明による回折光学素子は、平行光が入射されると2次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されており、凹凸パターン層は、発散光または収束光が入射されると、主光線が2次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させ、凹凸パターン層は、入射される発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ>0.5Δθを満たす発散光の回折光群を発生させることを特徴とする。   In the diffractive optical element according to the present invention, a concavo-convex pattern layer that generates a diffracted light group having a two-dimensional distribution when parallel light is incident is formed. Then, a diffracted light group of diverging light having a two-dimensional distribution of chief rays is generated, and the concavo-convex pattern layer is included in the generated diffracted light group having a divergence angle of incident diverging light or convergent light of φ. When the angle between the principal rays of adjacent diffracted lights is Δθ, a diffracted light group of diverging light satisfying φ> 0.5Δθ is generated.

本発明によれば、照明光学系を大型化させずに、所定の投影範囲に効率的かつ均一に光を照射できる。   According to the present invention, light can be efficiently and uniformly irradiated to a predetermined projection range without increasing the size of the illumination optical system.

第1の実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example of the measuring device of 1st Embodiment. 回折光学素子30の構成例を示す平面模式図である。3 is a schematic plan view illustrating a configuration example of a diffractive optical element 30. FIG. 回折光学素子30の構成例を示す断面模式図である。3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of a diffractive optical element 30. FIG. 回折光学素子30の光スポットパターンの一例を示す説明図である。5 is an explanatory diagram showing an example of a light spot pattern of the diffractive optical element 30. FIG. 回折光学素子30から出射される回折光群12の例を示す説明図である。4 is an explanatory diagram showing an example of a diffracted light group 12 emitted from a diffractive optical element 30. FIG. 回折光学素子30の光スポットパターンの例およびその光スポットパターンについて投影面内の位置と光スポットの数との関係を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the relationship between the position in a projection surface, and the number of light spots about the example of the light spot pattern of the diffractive optical element 30, and the light spot pattern. 発散光の光束の出射角度に応じた面積比および強度分布の比を説明するための説明図である。It is explanatory drawing for demonstrating the ratio of area ratio and intensity distribution according to the outgoing angle of the light beam of diverging light. 回折光学素子30の他の例を示す模式図である。6 is a schematic diagram showing another example of the diffractive optical element 30. FIG. 例1の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows distribution of the light spot pattern of the diffractive optical element 30 in the measuring apparatus of Example 1, and the light quantity within a projection range. 例2の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows distribution of the light spot pattern of the diffractive optical element 30 in the measuring apparatus of Example 2, and the light quantity within a projection range. 例3の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows distribution of the light spot pattern of the diffractive optical element 30, and the light quantity in a projection range in the measuring apparatus of Example 3. 例4の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。10 is an explanatory diagram showing a light spot pattern of a diffractive optical element 30 and a light amount distribution within a projection range in the measurement apparatus of Example 4. FIG. 例5の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。10 is an explanatory diagram showing a light spot pattern of a diffractive optical element 30 and a light amount distribution within a projection range in the measurement apparatus of Example 5. FIG. 例6の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。14 is an explanatory diagram showing a light spot pattern of a diffractive optical element 30 and a light amount distribution within a projection range in the measurement apparatus of Example 6. FIG. 例7の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。10 is an explanatory diagram showing a light spot pattern of a diffractive optical element 30 and a light amount distribution within a projection range in the measurement apparatus of Example 7. FIG. 例8の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。10 is an explanatory diagram showing a light spot pattern of a diffractive optical element 30 and a light amount distribution within a projection range in the measurement apparatus of Example 8. FIG. 例9の計測装置における回折光学素子の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。10 is an explanatory diagram illustrating a light spot pattern of a diffractive optical element and a light amount distribution within a projection range in the measurement apparatus of Example 9. FIG. 例10の計測装置における回折光学素子30の光スポットパターンおよび投影範囲内の光量の分布を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows distribution of the light spot pattern of the diffractive optical element 30 in the measuring apparatus of Example 10, and the light quantity in a projection range. 各例のパラメータをまとめて示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the parameter of each example collectively. 例1〜7,9,10の水平方向の放射照度の分布をまとめて示す説明図である。It is explanatory drawing which shows collectively the distribution of the irradiance of the horizontal direction of Examples 1-7, 9, and 10. FIG.

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、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。図1は、本実施形態の計測装置の構成例を示す構成図である。図1に示す計測装置10は、光源20と、回折光学素子30と、検出素子50とを有している。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In addition, about the same member etc., the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted. FIG. 1 is a configuration diagram illustrating a configuration example of a measurement apparatus according to the present embodiment. A measuring apparatus 10 illustrated in FIG. 1 includes a light source 20, a diffractive optical element 30, and a detection element 50.

回折光学素子30は、光源20から出射された光束11を入射させると、検査光として回折光群12を発生させる。また、検出素子50は、回折光学素子30から出射された回折光群12からなる検査光が、測定対象物40aおよび40bに照射されることによって生じる散乱光13を検出する。なお、検出素子50は、回折光学素子30から出射された回折光群12が照射されている測定対象物40aおよび40bを撮像するための撮像素子であってもよい。   When the light beam 11 emitted from the light source 20 is incident, the diffractive optical element 30 generates a diffracted light group 12 as inspection light. In addition, the detection element 50 detects the scattered light 13 generated when the inspection light composed of the diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30 is irradiated onto the measurement objects 40a and 40b. The detection element 50 may be an imaging element for imaging the measurement objects 40a and 40b irradiated with the diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30.

回折光学素子30は、平行光が入射されると複数の回折光を発生させる回折作用を有する部位を含んでいる。図1に示す計測装置では、そのような回折作用を有する部位を含む回折光学素子30に発散光または収束光を入射し、回折光学素子30から回折光群12として発散光の光束群を出射させることによって、所定の照明範囲への均一照明を実現する。   The diffractive optical element 30 includes a portion having a diffractive action that generates a plurality of diffracted lights when parallel light is incident thereon. In the measuring apparatus shown in FIG. 1, divergent light or convergent light is incident on a diffractive optical element 30 including such a portion having a diffractive action, and a divergent light beam group is emitted from the diffractive optical element 30 as a diffracted light group 12. Thus, uniform illumination over a predetermined illumination range is realized.

なお、収束光を入射する場合には、回折光学素子30がない場合に収束光の最小ビーム径の位置が回折光学素子30と測定対象物(図1に示す例では、一番手前にある測定対象物40a)の間に位置するようにすればよい。すなわち、測定対象物に投影される時点で光が進行方向に対して広がりを有する収束光を入射すればよい。これにより測定対象物40a及び40bに照射される光は発散光となる。   When the convergent light is incident, the position of the minimum beam diameter of the convergent light in the absence of the diffractive optical element 30 is the diffractive optical element 30 and the measurement object (in the example shown in FIG. What is necessary is just to make it locate between the target objects 40a). In other words, convergent light that has a spread in the traveling direction at the time of projection onto the measurement object may be incident. Thereby, the light irradiated to the measuring objects 40a and 40b becomes divergent light.

図1に示す例において、測定対象物40bは、投影範囲を画する投影面の役割を果たしている。投影範囲は、検出素子50で見えている画角の範囲すなわち検出範囲に対して±50%以内が好ましく、±10%以内がより好ましく、略一致した範囲がさらに好ましい。   In the example shown in FIG. 1, the measuring object 40b plays the role of a projection plane that defines a projection range. The projection range is preferably within ± 50%, more preferably within ± 10% with respect to the range of the angle of view seen by the detection element 50, that is, the detection range, and more preferably a range that substantially matches.

光源20から出射される光は、所定の変調がなされている。例えば、光源20から出射される光の強度を正弦波または矩形波などで変調してもよい。所定の変調の位相と検出素子50により検出される測定対象物40a及び40bによって反射された散乱光の位相との間の時間的なずれを計測することにより、測定対象物40a及び40bの距離や3次元形状等の情報を取得できる。   The light emitted from the light source 20 is subjected to predetermined modulation. For example, the intensity of light emitted from the light source 20 may be modulated with a sine wave or a rectangular wave. By measuring the time lag between the phase of the predetermined modulation and the phase of the scattered light reflected by the measurement objects 40a and 40b detected by the detection element 50, the distance between the measurement objects 40a and 40b, Information such as a three-dimensional shape can be acquired.

回折光学素子30から出射される回折光群12を1つの光束とみた場合、当該光束の出射角度αは15°以上であれば好ましく、30°以上であればより好ましい。これにより広い範囲での計測が可能になる。   When the diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30 is regarded as one light beam, the emission angle α of the light beam is preferably 15 ° or more, and more preferably 30 ° or more. This enables measurement over a wide range.

次に、本実施形態の回折光学素子30についてより具体的に説明する。図2は、本実施形態の回折光学素子30の構成例を示す平面模式図である。本実施形態の回折光学素子30は、回折作用を有する部位を有するが、その部位には、図2(a)に示されるように、X軸方向にピッチP、Y軸方向にピッチPの基本ユニット31が2次元状に周期的に配列されている。なお、図2(a)は、回折光学素子30の一例を示す平面模式図であり、図2(b)は、回折光学素子30が備える基本ユニット31が有する位相分布の例を示す説明図である。図2(b)では、二値の位相分布を有する基本ユニット31の例が示されている。回折光学素子30は、例えば、図2(b)に示す位相分布を発生させるべく、図2(b)において黒く塗りつぶされた領域を凸部とし、白抜きの領域を凹部とする凹凸パターンを基本ユニット31として、そのような基本ユニット31の凹凸パターンの周期構造を、ガラスや樹脂材料等の光を透過する部材32の表面に形成したものであってもよい。また、光束11を通過させるのではなく、回折光学素子において光束11を反射させて回折光群12を発生させてもよい。 Next, the diffractive optical element 30 of the present embodiment will be described more specifically. FIG. 2 is a schematic plan view illustrating a configuration example of the diffractive optical element 30 of the present embodiment. The diffractive optical element 30 of the present embodiment has a portion having a diffractive action. As shown in FIG. 2A, the portion has a pitch P x in the X-axis direction and a pitch P y in the Y-axis direction. Basic units 31 are periodically arranged in a two-dimensional manner. 2A is a schematic plan view illustrating an example of the diffractive optical element 30, and FIG. 2B is an explanatory diagram illustrating an example of the phase distribution of the basic unit 31 included in the diffractive optical element 30. is there. FIG. 2B shows an example of the basic unit 31 having a binary phase distribution. For example, the diffractive optical element 30 basically has a concavo-convex pattern in which a black area in FIG. 2B is a convex portion and a white area is a concave portion to generate the phase distribution shown in FIG. As the unit 31, the periodic structure of such an uneven pattern of the basic unit 31 may be formed on the surface of a member 32 that transmits light, such as glass or a resin material. Further, instead of passing the light beam 11, the diffracted light group 12 may be generated by reflecting the light beam 11 in the diffractive optical element.

なお、回折光学素子30は、位相分布を発生できればよく、透明な部材の表面に凹凸パターンを形成する構造のものに限らず、例えば、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、表面を平坦にした構造のものや、更には、透明な部材において屈折率を変化させる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構造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を全て含むことを意味する。   Note that the diffractive optical element 30 is not limited to a structure that forms a concavo-convex pattern on the surface of a transparent member as long as it can generate a phase distribution. For example, the diffractive optical element 30 is formed on a transparent member on which a concavo-convex pattern is formed. May have a structure in which members having different refractive indexes are bonded together and the surface is flattened, or a structure in which the refractive index is changed in a transparent member. That is, here, the concavo-convex pattern does not mean only a structure having a concavo-convex surface shape, but includes all structures that can give a phase difference to incident light.

なお、回折光学素子30における基本ユニット31の数は整数である必要はなく、回折光学素子30が有する凹凸パターン内に1つ以上の基本ユニットが含まれていればよい。例えば、凹凸パターンを有さない周辺部などの領域と凹凸パターンを有する領域との境界が基本ユニットの境界と一致していなくてもよい。   Note that the number of the basic units 31 in the diffractive optical element 30 is not necessarily an integer, and it is only necessary that one or more basic units are included in the concavo-convex pattern of the diffractive optical element 30. For example, the boundary between a region such as a peripheral portion that does not have a concavo-convex pattern and a region that has a concavo-convex pattern may not coincide with the boundary of the basic unit.

図3は、回折光学素子30の構成例を示す断面模式図である。図3には、ガラス等からなる透明基板32の表面に凸部33を形成することにより凹凸パターンを有する構造の回折光学素子30が示されている。この回折光学素子30では、透明基板32の表面において、凸部33の形成されていない領域が凹部34となる。以下、便宜上、透明基板32上で凹凸パターンを構成している層を凹凸パターン層35という。   FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing a configuration example of the diffractive optical element 30. FIG. 3 shows a diffractive optical element 30 having a structure having a concavo-convex pattern by forming convex portions 33 on the surface of a transparent substrate 32 made of glass or the like. In the diffractive optical element 30, a region where the convex portion 33 is not formed becomes a concave portion 34 on the surface of the transparent substrate 32. Hereinafter, for convenience, the layer constituting the concavo-convex pattern on the transparent substrate 32 is referred to as the concavo-convex pattern layer 35.

透明基板32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がなく好ましい。また、透明基板32は、例えば、空気との界面に多層膜による反射防止膜等を形成すれば、フレネル反射による光反射を低減できる。図3では、透明基板32の片面に凹凸パターンが形成されているものを示しているが、回折光学素子30は、透明基板32の両面に凹凸パターンを形成してもよい。   The transparent substrate 32 only needs to be transparent to incident light, and various materials such as a resin substrate and a resin film can be used in addition to a glass substrate. However, optically isotropic materials such as glass and quartz are used for transmitting light. It is preferable because there is no influence of birefringence. The transparent substrate 32 can reduce light reflection due to Fresnel reflection, for example, by forming an antireflection film or the like by a multilayer film at the interface with air. Although FIG. 3 shows that the concave / convex pattern is formed on one surface of the transparent substrate 32, the diffractive optical element 30 may form the concave / convex pattern on both surfaces of the transparent substrate 32.

図4は、回折光学素子30の光スポットパターンの一例を示す説明図である。回折光学素子30は、平行光を入射した場合に、発生する回折光群12による光スポットが投影面において2次元的な分布を有するように、回折作用を有する部位が形成されている。換言すると、平行光を入射した場合に回折作用により光が2方向以上の方向に分離して出射されるように、回折作用を有する部位が形成されている。図4において黒い丸印で示した箇所は、回折光学素子30に平行光11’が入射した場合の回折光学素子30から出射される各回折光の光スポット121の位置を表している。本発明では、このような平行光が入射したときの光スポット121の分布を回折光学素子30の光スポットパターンという。   FIG. 4 is an explanatory diagram showing an example of a light spot pattern of the diffractive optical element 30. The diffractive optical element 30 is formed with a portion having a diffractive action so that, when parallel light is incident, a light spot generated by the diffracted light group 12 has a two-dimensional distribution on the projection surface. In other words, a part having a diffractive action is formed such that when parallel light is incident, the light is separated and emitted in two or more directions by the diffractive action. 4 indicate the positions of the light spots 121 of the respective diffracted lights emitted from the diffractive optical element 30 when the parallel light 11 ′ is incident on the diffractive optical element 30. In the present invention, the distribution of the light spot 121 when such parallel light is incident is referred to as a light spot pattern of the diffractive optical element 30.

図4において、回折光学素子30に入射する光束(入射光)の光軸方向をZ軸とし、Z軸と交点を持ちZ軸に垂直な軸をX軸及びY軸とし、当該回折光学素子30に平行光11’を入射したときに発生する回折光群12に含まれる各回折光の回折角度すなわち各回折光と回折格子法線とのなす角をθとすると、各θはX軸方向およびY軸方向において所定の角度範囲内に分布している。また、X軸方向において最小となる位置に出射される回折光の回折角度θを最小角度θxmin、X軸方向において最大となる位置に出射される回折光の回折角度θを最大角度θxmax、Y軸方向において最小となる位置に出射される回折光の回折角度θを最小角度θymin、Y軸方向において最大となる位置に出射される回折光の回折角度θを最大角度θymaxとすると、X軸方向における最小角度θxminから最大角度θxmax、Y軸方向における最小角度θyminから最大角度θymaxにより形成される回折光群12の照射範囲は、所望の投影範囲すなわち検出素子50の検出範囲と略一致した範囲となっている。 In FIG. 4, the optical axis direction of a light beam (incident light) incident on the diffractive optical element 30 is defined as the Z axis, and the axes that intersect with the Z axis and are perpendicular to the Z axis are defined as the X axis and the Y axis. If the diffraction angle of each diffracted light included in the diffracted light group 12 generated when the parallel light 11 ′ is incident on the light, that is, the angle formed by each diffracted light and the diffraction grating normal line, is θ, It is distributed within a predetermined angle range in the Y-axis direction. Further, the diffraction angle θ of the diffracted light emitted to the minimum position in the X-axis direction is the minimum angle θx min , and the diffraction angle θ of the diffracted light emitted to the maximum position in the X-axis direction is the maximum angle θx max , When the diffraction angle θ of the diffracted light emitted to the minimum position in the Y-axis direction is the minimum angle θy min , and the diffraction angle θ of the diffracted light emitted to the maximum position in the Y-axis direction is the maximum angle θy max , The irradiation range of the diffracted light group 12 formed from the minimum angle θx min to the maximum angle θx max in the X-axis direction and the minimum angle θy min to the maximum angle θy max in the Y-axis direction is a desired projection range, that is, detection by the detection element 50. The range is approximately the same as the range.

図4に示す例では、回折光学素子30の光スポットパターンにおいて、Z軸に対しX方向の角度がθxmaxである光スポットを通るY軸に平行な直線を短辺とし、Z軸に対しY方向の角度がθymaxである光スポットを通るX軸と平行な直線を長辺とする矩形領域が、回折光群12の照射範囲である。以下、上記短辺と上記長辺の交点(例えば、図中におけるPd)と回折光学素子を結ぶ直線とZ軸とがなす角度をθdとし、この角度θdを対角方向の回折角度と称する。 In the example shown in FIG. 4, in the light spot pattern of the diffractive optical element 30, a straight line parallel to the Y axis passing through the light spot whose angle in the X direction is θx max with respect to the Z axis is the short side, and Y with respect to the Z axis. A rectangular area having a long side as a straight line parallel to the X axis passing through a light spot having a direction angle θy max is an irradiation range of the diffracted light group 12. Hereinafter, the angle between the intersection of the short side and the long side (for example, P d in the figure) and the straight line connecting the diffractive optical element and the Z axis is θ d, and this angle θ d is the diffraction angle in the diagonal direction. Called.

ここで、上述の出射角度αを、X軸方向における角度範囲=|θxmax−θxmin|÷2や、Y軸方向における角度範囲=|θymax−θymin|÷2に置き換えてもよい。その場合、これら角度範囲のどちらかが15°以上であれば好ましく、30°以上であればより好ましい。 Here, the above-described emission angle α may be replaced with an angle range in the X-axis direction = | θx max −θx min | ÷ 2 or an angle range in the Y-axis direction = | θy max −θy min | ÷ 2. In that case, either one of these angle ranges is preferably 15 ° or more, and more preferably 30 ° or more.

また、通常、回折光学素子30の断面は、凹凸形状やブレーズ形状等により形成されるが、回折光学素子30の断面が連続的なブレーズ形状以外の形状で形成される場合や、断面がブレーズ形状であっても製造上のバラツキを有している場合には、所望の回折光の他に迷光が発生する場合がある。しかしながら、このような迷光は、設計段階において意図しているものではなく、所望の回折光ではないため、上記角度範囲内に分布している光には含まないものとする。   In general, the cross section of the diffractive optical element 30 is formed in a concavo-convex shape, a blazed shape, or the like, but when the cross section of the diffractive optical element 30 is formed in a shape other than a continuous blazed shape, or the cross section is a blazed shape. However, if there are variations in manufacturing, stray light may be generated in addition to the desired diffracted light. However, such stray light is not intended in the design stage and is not desired diffracted light, and therefore is not included in the light distributed within the above angle range.

回折光学素子30は、迷光の光強度が、所望の回折光における光強度の平均に対し、70%以下となるように形成されていることが好ましい。また、回折光学素子30は、入射する光量に対する所望の投影範囲に出射される回折光の光量の和が50%以上となるように形成されていることが好ましい。これにより、高い光利用効率で投影光を形成できる。   The diffractive optical element 30 is preferably formed such that the light intensity of stray light is 70% or less with respect to the average light intensity of desired diffracted light. In addition, the diffractive optical element 30 is preferably formed so that the sum of the amount of diffracted light emitted in a desired projection range with respect to the amount of incident light is 50% or more. Thereby, projection light can be formed with high light use efficiency.

次に、本実施形態の回折光学素子30の設計方法を具体的に説明する。図4では、回折光学素子30に平行光11’が入射した場合に出射される回折光群12と、これにより生成される光スポット121群との関係を示した。このとき、各回折光は、以下の式(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θxo、Y方向における角度θyoに回折される光として示される。 Next, the design method of the diffractive optical element 30 of this embodiment will be specifically described. FIG. 4 shows the relationship between the diffracted light group 12 emitted when the parallel light 11 ′ is incident on the diffractive optical element 30 and the light spot 121 group generated thereby. At this time, each diffracted light is shown as light diffracted to an angle θ xo in the X direction and an angle θ yo in the Y direction with reference to the Z-axis direction in the grating equation shown in the following formula (1).

式(1)において、mはX方向の回折次数であり、mはY方向の回折次数であり、λは光束11の波長であり、P、Pは回折光学素子に形成される基本ユニットのX軸方向、Y軸方向におけるピッチであり、θxiはX方向における回折光学素子への入射角度、θyiはY方向における回折光学素子への入射角度である。 In the formula (1), m x is the diffraction order in the X direction, m y is the diffraction order of the Y-direction, lambda is the wavelength of the light beam 11, P x, P y is formed on the diffractive optical element The pitch of the basic unit in the X-axis direction and the Y-axis direction, θ xi is the incident angle to the diffractive optical element in the X direction, and θ yi is the incident angle to the diffractive optical element in the Y direction.

平行光を入射した場合、当該回折光学素子30から出射される回折光群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と、図4に示すように、照射された領域に複数の光スポット121が生成される。   When diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30 is irradiated onto a projection surface such as a screen or a measurement object when collimated light is incident, a plurality of lights are irradiated on the irradiated region as shown in FIG. A spot 121 is generated.

このような複数の光スポット121を生成できる回折光群12を出射する回折光学素子30は、反復フーリエ変換法等により設計できる。すなわち、所定の位相分布を生じさせる基本ユニット31を周期的に配置した構成とする本実施形態の回折光学素子30においては、遠方における回折光の回折次数の分布を、基本ユニット31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次のように説明される。   The diffractive optical element 30 that emits the diffracted light group 12 that can generate such a plurality of light spots 121 can be designed by an iterative Fourier transform method or the like. That is, in the diffractive optical element 30 of the present embodiment having a configuration in which the basic units 31 that generate a predetermined phase distribution are periodically arranged, the distribution of the diffraction orders of the diffracted light in the distance is obtained by Fourier transform in the basic unit 31. Can be obtained. This is explained by scalar diffraction theory as follows.

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る。ここで、時間t、点Aにおけるスカラー関数u(A、t)は、以下の式(2)で表わされる。なお、式(2)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。 The electromagnetic field is a vector quantity, but can be represented by a scalar quantity in an isotropic medium. Here, the scalar function u (A, t m ) at time t m and point A is represented by the following equation (2). Equation (2) shows the case where the incident light is monochromatic light, U (A) is the complex amplitude at point A, and ω is the angular frequency.

また、式(2)に示すスカラー関数は、全空間で以下の式(3)に示す波動方程式を満たす。   Moreover, the scalar function shown in Formula (2) satisfies the wave equation shown in Formula (3) below in the entire space.

式(2)に示すスカラー関数を式(3)に示す波動方程式に代入すると、以下の式(4)に示すヘルムホルツ方程式を得ることができる。   By substituting the scalar function shown in Equation (2) into the wave equation shown in Equation (3), the Helmholtz equation shown in Equation (4) below can be obtained.

ここで、kは波数であり、k=2π/λである。式(3)に示される波動方程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。   Here, k is the wave number, and k = 2π / λ. By solving the wave equation shown in Equation (3), the distribution of the scalar function in the space is calculated.

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Aとし、平面波がΣを透過した場合の点A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、上述の式(4)に示す式から計算すると、r01を点Aと点Aの距離とした場合、以下の式(5)が得られる。 Further, a sufficiently thin flat screen giving a certain phase distribution is denoted by Σ, a point on Σ is A 1, and a scalar function at a point A 0 when a plane wave is transmitted through Σ is described above using Kirchhoff's boundary condition. The following equation (5) is obtained when r 01 is the distance between the point A 0 and the point A 1 .

更に、点Aにおける座標を(x、y、0)、点Aにおける座標を(x、y、z)とし、zが|x−x|、|y−y|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、以下の式(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。 Further, the coordinates at the point A 0 are (x 0 , y 0 , 0), the coordinates at the point A 1 are (x 1 , y 1 , z), and z is | x 0 −x 1 |, | y 0 −y. Assuming that the value is sufficiently larger than 1 |, by expanding r 01 , the Fraunhofer approximation expressed by the following expression (6) can be obtained.

式(6)に示すフラウンホーファー近似式は、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(A)がX軸方向にピッチP、Y軸方向にピッチPの周期性を有する場合、u(A)は、上述の式(1)のように、(m、m)次の回折光が発生する。 The Fraunhofer approximation shown in equation (6) corresponds to the Fourier transform of the phase distribution given by the screen. In particular, when the phase distribution u (A 1 ) after the screen has a periodicity of the pitch P x in the X-axis direction and the pitch P y in the Y-axis direction, u (A 0 ) can be expressed by the above equation (1). (M x , m y ) order diffracted light is generated.

この際、(m、m)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’(x、y)を用いて、以下の式(7)で表わされる。なお、m、mは整数である。 At this time, the diffraction efficiency η mn of the (m x , m y ) -order diffracted light is expressed by the following formula (7) using the phase distribution u ′ (x 1 , y 1 ) of the periodic basic unit. Represented. Incidentally, m x, m y are integers.

したがって、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の最適化により、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。   Therefore, if the phase distribution of the basic unit is obtained, the intensity distribution in the diffracted light can be calculated by the Fourier transform. Therefore, by optimizing the phase distribution of the basic unit, a diffractive optical element that generates diffracted light having a desired distribution can be obtained. can get.

このように、本実施の形態における回折光学素子30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、当該回折光学素子30における基本ユニット31の位相分布と当該回折光学素子30により発生する回折光の電場分布はフーリエ変換の関係にあるため、回折光の電場分布の逆フーリエ変換により、基本ユニット31における位相分布を得ることができる。   Thus, the diffractive optical element 30 in the present embodiment can be manufactured using a technique such as an iterative Fourier transform method. More specifically, since the phase distribution of the basic unit 31 in the diffractive optical element 30 and the electric field distribution of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 are in a Fourier transform relationship, the inverse Fourier transform of the electric field distribution of the diffracted light is performed. Thus, the phase distribution in the basic unit 31 can be obtained.

また、回折光学素子30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31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、所望の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31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31の位相分布とし、更にフーリエ変換を行う。フーリエ変換の結果と所望の回折光の光強度の分布との差分を評価値として、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基本ユニット31の位相分布を最適な設計として得られる。   Further, when the diffractive optical element 30 is manufactured, only the intensity distribution of the diffracted light is a limiting condition, and the phase condition is not included. Therefore, the phase distribution of the basic unit 31 is arbitrary. In the iterative Fourier transform method, information on the phase distribution of the basic unit 31 is extracted from the inverse Fourier transform of the light intensity distribution of the desired diffracted light, the obtained phase distribution is used as the phase distribution of the basic unit 31, and further Fourier transform is performed. . By repeating the above calculation using the difference between the result of Fourier transform and the distribution of the light intensity of the desired diffracted light as an evaluation value, the phase distribution of the basic unit 31 that minimizes the evaluation value can be obtained as an optimal design. .

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。   In addition to the above, there are various design algorithms for diffractive optical elements as described in Bernard Kress, Patrick Meyrueis, “Digital Diffraction Optics” (Maruzen). As a Fourier transform method, a fast Fourier transform algorithm or the like can be used.

また、回折光学素子30は、回折作用を有する面を複数有していてもよい。この場合、2つの素子からなるものであってもよいし、1つの素子が回折作用を有する面を複数備えた構成であってもよい。回折作用を有する面が2つ以上ある場合には各々の面によって生じる回折光方向が異なるようにしてもよい。これにより2つの面によって生じる回折光間の干渉を低減できる。   The diffractive optical element 30 may have a plurality of surfaces having a diffractive action. In this case, it may be composed of two elements, or one element may be provided with a plurality of surfaces having a diffractive action. When there are two or more surfaces having diffractive action, the direction of diffracted light generated by each surface may be different. Thereby, the interference between the diffracted lights caused by the two surfaces can be reduced.

次に、本実施形態の計測装置10における回折光学素子30への入射光の状態について説明する。図5(a)は、平行光である入射光11’が入射した場合の回折光学素子30から出射される回折光群12の例を模式的に示す模式図である。回折光学素子30に平行光11’が入射した場合、回折光学素子30が備える基本ユニット31の周期構造である凹凸パターンの回折作用によって入射光11’は複数の光束に分割され、図5(a)に示すように、複数の回折光122となって出射される(図中の符号122−1、122−2参照)。したがって投影面40cの光量分布は離散的なものとなる。   Next, the state of incident light on the diffractive optical element 30 in the measurement apparatus 10 of this embodiment will be described. FIG. 5A is a schematic diagram schematically showing an example of the diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30 when the incident light 11 ′ that is parallel light is incident. When the parallel light 11 ′ is incident on the diffractive optical element 30, the incident light 11 ′ is divided into a plurality of light beams by the diffractive action of the concavo-convex pattern which is the periodic structure of the basic unit 31 provided in the diffractive optical element 30, and FIG. ) And emitted as a plurality of diffracted lights 122 (see reference numerals 122-1 and 122-2 in the figure). Therefore, the light amount distribution on the projection surface 40c is discrete.

一方、図5(b)は、発散光である入射光11が入射した場合の回折光学素子30から出射される回折光群12の例を模式的に示す模式図である。回折光学素子30に発散光である入射光11を入射した場合、図5(a)に示した各回折光122を主光線とする発散光の回折光が発生する。なお、図5(b)では本例で発生する発散光の各回折光の主光線123を一点鎖線で示している(図中の符号123−1、123−2参照)。本例で発生する各回折光は、発散することで広がりながら投影面40cに照射される。入射光11の広がり角φと回折光学素子30の光スポットパターンにおける光スポット間隔を調整し、各回折光が互いに重なり合うようにすれば、投影面40cの光量分布は連続的なものとなる。   On the other hand, FIG. 5B is a schematic diagram schematically showing an example of the diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30 when the incident light 11 as diverging light is incident. When the incident light 11 that is divergent light is incident on the diffractive optical element 30, divergent light diffracted light having the respective diffracted lights 122 shown in FIG. 5A as chief rays is generated. In FIG. 5B, the principal ray 123 of each diffracted light of the divergent light generated in this example is indicated by a one-dot chain line (see reference numerals 123-1 and 123-2 in the figure). Each diffracted light generated in this example irradiates the projection surface 40c while spreading by being diverged. If the spread angle φ of the incident light 11 and the light spot interval in the light spot pattern of the diffractive optical element 30 are adjusted so that the diffracted lights overlap each other, the light quantity distribution on the projection surface 40c becomes continuous.

ここで、連続的な光量分布とは、図5(a)に示されるような離散的な光量分布を有する各回折光122との対比表現として用いており、有限な面積によって積算された光量を計測した場合にその光量分布が連続的であることを示している。例えば、光源としてレーザなどを用いる場合、回折光群12に含まれる各回折光同士が干渉することでスペックルが生じ投影面上で細かい光量の明暗が生じることがある。このように、実際にはスペックルの影響により厳密に連続的とはいえない光量分布となる場合であっても、有限な面積によって積算された光量分布が離散的なものでなければ連続とみなすことができる。光量の積算を行う有限な面積としては、計測装置の水平および垂直方向の解像度に対応する水平および垂直方向の長さを有する長方形の面積とするのが好ましい。   Here, the continuous light amount distribution is used as a contrast expression with each diffracted light 122 having a discrete light amount distribution as shown in FIG. 5A, and the light amount integrated by a finite area is used. It shows that the light quantity distribution is continuous when measured. For example, when a laser or the like is used as the light source, speckles may occur due to interference between the diffracted lights included in the diffracted light group 12, and a small amount of light and darkness may occur on the projection surface. In this way, even if the light amount distribution is not strictly continuous due to speckle effects, it is considered continuous if the light amount distribution integrated by a finite area is not discrete. be able to. The finite area where the amount of light is integrated is preferably a rectangular area having horizontal and vertical lengths corresponding to the horizontal and vertical resolutions of the measuring device.

また、本回折光学素子30は、各回折光の光量の積算値に対して投影範囲に入射される光量の積算値の比が0.7よりも大きいことが好ましく、かつ、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比が0.15より大きいことが好ましい。   In the diffractive optical element 30, it is preferable that the ratio of the integrated value of the amount of light incident on the projection range with respect to the integrated value of the amount of light of each diffracted light is greater than 0.7, and the maximum within the projection range. The ratio of the minimum irradiance to the irradiance is preferably greater than 0.15.

入射光11の広がり角φは、図5(b)における回折光群12に含まれる隣り合う各回折光の主光線123すなわち平行光11’が入射したときに発生する回折光群12に含まれる隣り合う各回折光122とのなす角をΔθとすると、Δθの0.5倍よりも大きいと好ましく、Δθの0.7倍よりも大きいとより好ましく、Δθよりも大きいとさらに好ましい。これは、Δθに対して入射する光束の広がり角φが小さすぎると、隣り合う回折光との間の光の重なりが不十分になり光量の不均一が生じるためである。なお、本発明における入射光11の広がり角φは、入射光の光量分布がガウス分布として中心の強度に対して強度が1/eとなる光線の広がり角のことをいう。なお、図5(b)では、1つの回折光の主光線123−1とそれと隣り合う他の回折光の主光線123−2とのなす角Δθのみを記しているが、回折光群12内で隣り合う各回折光の主光線123とのなす角Δθが均一でない場合は、角度範囲内に分布している回折光群12内における各Δθの最大値を当該回折光群12におけるΔθの値とみなしてもよい。なお、各Δθの算出対象とする回折光には、角度範囲内に分布しない回折光すなわち製造上のバラツキによって発生する迷光等は含めない。 The spread angle φ of the incident light 11 is included in the diffracted light group 12 generated when the principal rays 123 of the adjacent diffracted lights included in the diffracted light group 12 in FIG. When the angle between adjacent diffracted beams 122 is Δθ, it is preferably larger than 0.5 times Δθ, more preferably larger than 0.7 times Δθ, and even more preferably larger than Δθ. This is because if the divergence angle φ of the incident light beam with respect to Δθ is too small, the light overlap between adjacent diffracted lights becomes insufficient, resulting in non-uniform light quantity. In the present invention, the divergence angle φ of the incident light 11 refers to the divergence angle of the light beam with the intensity of the incident light being 1 / e 2 with respect to the central intensity as a Gaussian distribution. In FIG. 5B, only the angle Δθ formed by the principal ray 123-1 of one diffracted light and the principal ray 123-2 of another diffracted light adjacent thereto is shown. In the case where the angle Δθ formed by the adjacent principal ray 123 of each diffracted light is not uniform, the maximum value of each Δθ in the diffracted light group 12 distributed within the angle range is the value of Δθ in the diffracted light group 12. May be considered. Note that the diffracted light to be calculated for each Δθ does not include diffracted light that is not distributed within the angular range, that is, stray light generated due to manufacturing variations.

また、入射光11の広がり角φは回折光学素子30によって生じる対角の回折角度θよりも小さいことが好ましく、16°よりも小さいとさらに好ましく、6.5°よりも小さいとさらに好ましく、5°よりも小さいとさらに好ましく、3.5°よりも小さいとさらに好ましく、1.5°よりも小さいとさらに好ましい。これは、入射光11の広がり角φが大きすぎると、投影範囲に均一性よく光を入射させようとした場合、投影面の境界領域よりも外側に出射される光の光量が増えて効率の低下につながるためである。 Further, the spread angle φ of the incident light 11 is preferably smaller than the diagonal diffraction angle θ d generated by the diffractive optical element 30, more preferably smaller than 16 °, still more preferably smaller than 6.5 °, The angle is more preferably less than 5 °, more preferably less than 3.5 °, and further preferably less than 1.5 °. This is because if the spread angle φ of the incident light 11 is too large, the amount of light emitted outside the boundary area of the projection surface increases when light is incident on the projection range with good uniformity. This leads to a decline.

また、半導体レーザなどから出射される光束は、ビーム整形素子などを通さない場合、半導体レーザの発光層に垂直な方向と平行な方向とで広がり角が異なる場合がある。これらの広がり角を水平方向の広がり角φ、垂直方向の広がり角φとした場合、半導体レーザからの出射光が、水平方向により大きな広がり角φすなわちφ>φであるとして、水平方向の隣り合う回折光の主光線123とのなす角Δθと、垂直方向の隣り合う回折光の主光線123とのなす角Δθとを、Δθ>Δθとなるように設計してもよい。このような場合にもΔθ>0.5φ、Δθ>0.5φを満たすと好ましく、Δθ>0.7φ、Δθ>0.7φを満たすとより好ましく、Δθ>φ、Δθ>φを満たすとさらに好ましい。 In addition, when a light beam emitted from a semiconductor laser or the like does not pass through a beam shaping element or the like, the spread angle may be different between a direction perpendicular to a light emitting layer of the semiconductor laser and a direction parallel to the light emitting layer. When these divergence angles are defined as a horizontal divergence angle φ x and a vertical divergence angle φ y, it is assumed that light emitted from the semiconductor laser has a larger divergence angle φ x in the horizontal direction, that is, φ x > φ y . The angle Δθ x formed by the chief ray 123 of the adjacent diffracted light in the horizontal direction and the angle Δθ y formed by the chief ray 123 of the adjacent diffracted light in the vertical direction are designed so that Δθ x > Δθ y. May be. Preferably the meet Δθ x> 0.5φ x, Δθ y > 0.5φ y Even in this case, Δθ x> 0.7φ x, more preferably satisfies the Δθ y> 0.7φ y, Δθ x > More preferably, φ x and Δθ y > φ y are satisfied.

次に、回折光の光量分布について説明する。例えば、回折光の次数の分布が(−i,−j)、(−i+1,−j)、…、(i,−j)、(−i,−j+1)、…(i,j)のように、(2i+1)×(2j+1)点の均一な次数分布を持つ場合、投影面上の回折光の密度分布は光軸から測定した角度βに対してcosβに比例する。これは、隣り合う次数の回折光同士のなす角がおおよそ均一である場合、これらの回折光を平面に投影すると光軸から離れた回折光ほど飛行距離が大きくなり、ピンクッション型の歪を形成するためである。また、そのような回折光を発生させる回折光学素子30に対して発散光を入射して均一な照明を行うと、回折光群12の投影面上の強度分布は光軸から測定した角度βに対してcosβに比例する。 Next, the light quantity distribution of diffracted light will be described. For example, the order distribution of diffracted light is (-i, -j), (-i + 1, -j), ..., (i, -j), (-i, -j + 1), ... (i, j). In the case of having a uniform degree distribution of (2i + 1) × (2j + 1) points, the density distribution of diffracted light on the projection surface is proportional to cos 4 β with respect to the angle β measured from the optical axis. This is because when the angles formed by adjacent orders of diffracted light are approximately uniform, projecting these diffracted lights onto a plane increases the flight distance of the diffracted light farther from the optical axis, creating a pincushion-type distortion. It is to do. When divergent light is incident on the diffractive optical element 30 that generates such diffracted light and uniform illumination is performed, the intensity distribution on the projection surface of the diffracted light group 12 is at an angle β measured from the optical axis. On the other hand, it is proportional to cos 4 β.

上記の例として、図6に、隣り合う次数の回折光同士のなす角がおおよそ均一である回折光学素子30の光スポットパターンの例およびその光スポットパターンについて投影面内の位置と光スポットの数との関係を示す。なお、図6(a)では、基本ユニット31のX軸方向におけるピッチPが50.7μm、Y軸方向におけるピッチPが47.6μmであり、回折光の次数(m、m)がX方向に−32次〜32次、Y方向に−24次〜24次となる65×49点の回折光を発生させる回折光学素子30に対して波長830nmの平行光11’を入射した場合に、z=2000mmの位置における投影面40c上に発現する光スポットの分布(光スポットパターン)を示している。また、図6(b)は、図4にRijとして示すような、投影面40cを153.8mm×115.4mmの長方形領域を単位とする複数の領域に分割し、光軸から測定した角度βに対して各長方形領域Rijに含まれる光スポット121の数すなわち投影された回折光122の個数を、光軸付近の長方形領域に含まれる光スポット121の数すなわち投影された回折光122で規格化した値を示している。なお、図6(b)では、同時にβ=0°,5°,10°,15°,20°,25°,30°におけるcosβを示している。 As an example of the above, FIG. 6 shows an example of a light spot pattern of the diffractive optical element 30 in which the angles formed by adjacent orders of diffracted light are approximately uniform, and the position in the projection plane and the number of light spots for the light spot pattern. Shows the relationship. In FIG. 6A, the pitch P x in the X-axis direction of the basic unit 31 is 50.7 μm, the pitch P y in the Y-axis direction is 47.6 μm, and the order of the diffracted light (m x , m y ). When collimated light 11 ′ having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 that generates 65 × 49-point diffracted light having −32 to 32nd order in the X direction and −24 to 24th order in the Y direction. 4 shows the distribution (light spot pattern) of the light spot appearing on the projection surface 40c at the position of z = 2000 mm. FIG. 6B shows an angle measured from the optical axis by dividing the projection surface 40c into a plurality of regions each having a rectangular area of 153.8 mm × 115.4 mm as shown as R ij in FIG. The number of light spots 121 included in each rectangular area Rij, that is, the number of projected diffracted lights 122 with respect to β is standardized by the number of light spots 121 included in the rectangular areas near the optical axis, that is, the projected diffracted light 122. The converted value is shown. In FIG. 6B, cos 4 β at β = 0 °, 5 °, 10 °, 15 °, 20 °, 25 °, and 30 ° is shown at the same time.

図6(a)に示すように、投影面40c上における回折光群12による光スポットの分布にはピンクッション型の歪が生じているのがわかる。また、図6(b)に示すように、回折光の個数の分布すなわち密度分布がcosβの値と略一致していることがわかる。すると、そのような回折光を発生させる回折光学素子30に対して発散光を入射して均一な照明を行うと、回折光群12の投影面上の強度分布も光軸から測定した角度βに対してcosβに比例することになる。 As shown in FIG. 6A, it can be seen that the pincushion type distortion is generated in the distribution of the light spot by the diffracted light group 12 on the projection surface 40c. In addition, as shown in FIG. 6B, it can be seen that the distribution of the number of diffracted light, that is, the density distribution, substantially coincides with the value of cos 4 β. Then, when divergent light is incident on the diffractive optical element 30 that generates such diffracted light and uniform illumination is performed, the intensity distribution on the projection surface of the diffracted light group 12 is also at an angle β measured from the optical axis. On the other hand, it is proportional to cos 4 β.

このような強度分布を補正する方法の1つとして、投影面40cにおける中心部分の回折光の数に対する、角度βにおける回折光の数の比であるC(β)を、少なくとも投影面の一部でC(β)>cosβとしてもよい。また、他の方法として、中心部の回折光の強度に対する、角度βにおける回折光の強度の比であるC(β)を、少なくとも投影面の一部でC(β)>cosβとしてもよい。また、これらの方法を組み合わせてもよい。回折光の数や強度は平均値として前述の式を満たすようにしてもよく、このような場合、図4に示すように投影範囲をいくつかの領域Rijに分け、この領域の中の回折光の数や強度の平均値を考えてもよい。 As one method of correcting such an intensity distribution, C s (β), which is the ratio of the number of diffracted lights at an angle β to the number of diffracted lights at the central portion of the projection surface 40c, is at least one of the projection surfaces. In some cases, C s (β)> cos 4 β may be satisfied. As another method, C p (β), which is the ratio of the intensity of the diffracted light at the angle β to the intensity of the diffracted light at the center, is expressed as C p (β)> cos 4 β at least in a part of the projection plane. It is good. Moreover, you may combine these methods. The number and intensity of the diffracted light may satisfy the above-mentioned formula as an average value. In such a case, the projection range is divided into several regions R ij as shown in FIG. You may consider the average value of the number and intensity of light.

また、検出素子50がレンズなどの光学素子を含んでいる場合、コサイン4乗則によって画角の大きい位置から検出素子50に検出される光量が減少するという問題が生じる。したがって、cosβ<C(β)<1/cosβ、cosβ<C(β)<1/cosβ、をそれぞれ満たすとより好ましい。これにより回折光学素子30に発散光または収束光を入射し、該回折光学素子30によって生じる発散光の光束群である回折光群12を投影面40cに投影した場合の中心部の光量によって規格化された光量分布I(β)が投影面の少なくとも一部でcosβ<I(β)<1/cosβを満たすことができる。 Further, when the detection element 50 includes an optical element such as a lens, there arises a problem that the amount of light detected by the detection element 50 from a position with a large angle of view is reduced by the cosine fourth law. Therefore, it is more preferable that cos 4 β <C s (β) <1 / cos 4 β and cos 4 β <C p (β) <1 / cos 4 β are satisfied. As a result, divergent light or convergent light is incident on the diffractive optical element 30, and the diffracted light group 12, which is a luminous flux group of divergent light generated by the diffractive optical element 30, is normalized by the light quantity at the center when projected onto the projection surface 40c. The obtained light quantity distribution I (β) can satisfy cos 4 β <I (β) <1 / cos 4 β in at least a part of the projection plane.

図7は、発散光の光束の出射角度に応じた面積比および強度分布の比を説明するための説明図である。図7に示すように、例えば、当該回折光学素子30から距離zの位置にある平面の投影面40cに向かって出射角度βで発散光の光束Aが出射されたとする。また、同様に、当該回折光学素子30から投影面40cに向かって出射角度0°で発散光の光束Bが出射されたとする。光束A、Bは、ともに広がり角Φを有する光束である。また、光束Aの投影面40cまでの距離はrである。なお、光束A、Bについては、出射角度と広がり角とを規定するだけで、ここでは実際の光束が複数の回折光の光束群であるか1つの回折光であるかは特に問わない。 FIG. 7 is an explanatory diagram for explaining the area ratio and the intensity distribution ratio according to the emission angle of the divergent light beam. As shown in FIG. 7, for example, it is assumed that a divergent light beam A is emitted from the diffractive optical element 30 toward a flat projection surface 40 c at a distance z at an emission angle β. Similarly, it is assumed that a divergent light beam B is emitted from the diffractive optical element 30 toward the projection surface 40c at an emission angle of 0 °. The light beams A and B are both light beams having a divergence angle Φ o . The distance of the luminous flux A to the projection surface 40c is r. For the light beams A and B, only the exit angle and the divergence angle are defined, and it does not matter whether the actual light beam is a light beam group of a plurality of diffracted lights or one diffracted light.

(1)このとき、投影面40cに照射される光束A、Bの進行方句に垂直な面の面積比(S0/S2)は(z/r)=(cosβ)に比例する。 (1) At this time, the area ratio (S0 / S2) of the surfaces perpendicular to the traveling phrases of the light beams A and B irradiated to the projection surface 40c is proportional to (z / r) 2 = (cos β) 2 .

(2)また、光束Aについて、進行方向に垂直な面と投影面に投影された面の面積比(S2/S1)はcosβに比例する。   (2) For the luminous flux A, the area ratio (S2 / S1) between the plane perpendicular to the traveling direction and the plane projected onto the projection plane is proportional to cos β.

(3)また、回折光学素子30が、隣り合う次数の回折光同士のなす角がおおよそ均一である回折光群12を発生させる場合、グレーティング方程式からsinθ=mλ/Pが成り立つことから、回折光群12における次の次数との角度間隔Δθは、sin(θ+Δθ)=(m+1)λ/Pから求めることができる。Δθの2次以上の項を無視すると上記の式はsinθ+Δθcosθ=(m+1)λ/Pで近似できるため、元の式との差分を取るとΔθ=λ/P/cosθが成り立つ。したがって、中心付近の回折光の角度間隔Δθ=λ/Pと比較して、角度β付近の回折角は1/cosβ倍大きくなっており、その分cosβに比例して密度が下がることがわかる。   (3) Also, when the diffractive optical element 30 generates the diffracted light group 12 in which the angles formed by adjacent orders of diffracted light are approximately uniform, sin θ = mλ / P is established from the grating equation. The angle interval Δθ with the next order in the group 12 can be obtained from sin (θ + Δθ) = (m + 1) λ / P. If the second and higher order terms of Δθ are ignored, the above equation can be approximated by sin θ + Δθ cos θ = (m + 1) λ / P. Therefore, Δθ = λ / P / cos θ holds when the difference from the original equation is taken. Therefore, it can be seen that the diffraction angle near the angle β is 1 / cos β times larger than the angle interval Δθ = λ / P of the diffracted light near the center, and the density decreases in proportion to cos β.

上記の(1)〜(3)を要因として、等間隔の次数分布を持つ回折光群の個数分布は光軸から測定した角度βに対してcosβに比例することがわかる。したがって、発生させる回折光群12に含まれる回折光の次数分布を、中心付近に照射される回折光群の個数に対する同サイズの他の部分に照射される回折光群の個数の比が、角度βに関わらず1に近づくように調整すれば、全面で均一な照明を行うことができる。 It can be seen that due to the above (1) to (3), the number distribution of the diffracted light group having the equidistant order distribution is proportional to cos 4 β with respect to the angle β measured from the optical axis. Therefore, the ratio of the number of diffracted light groups irradiated to other portions of the same size relative to the number of diffracted light groups irradiated near the center of the order distribution of diffracted light included in the generated diffracted light group 12 is expressed as an angle. If it is adjusted so as to approach 1 regardless of β, uniform illumination can be performed on the entire surface.

なお、図6に示すように、平行光を入射したときの回折光群の個数分布がcosβに比例する場合、cosβに比例してスポットの個数が変化することから、これを発散光にすることで広げたとしても強度分布はcosβに比例する結果となる。 Incidentally, as shown in FIG. 6, when the number distribution of the diffracted beam group when the incident parallel light is proportional to cos 4 beta, since in proportion to cos 4 beta changes the number of spots, diverging it Even if it is expanded by using light, the intensity distribution is proportional to cos 4 β.

既に説明したように、入射光11は測定対象物に投影される時点で進行方向に対して広がりを有するものであれば収束光でも同様の機能を与えることができる。例えば、回折光学素子30と投影面40cの間に集光位置を有するような収束光であれば、入射光11とできる。   As already described, if the incident light 11 has a spread with respect to the traveling direction at the time of projection onto the measurement object, the same function can be given even with convergent light. For example, the incident light 11 can be used if the convergent light has a condensing position between the diffractive optical element 30 and the projection surface 40c.

入射光11を発散光または収束光とする方法として、当該回折光学素子30の入射側にレンズやフレネルレンズなどの回折レンズを配して当該回折光学素子30への入射光11の広がり角φを調整してもよい。また、回折レンズ以外にも、所定の拡散角を有する拡散板を用いてもよい。また、回折光学素子やホログラム素子を用いてもよい。   As a method for changing the incident light 11 into divergent light or convergent light, a diffractive lens such as a lens or a Fresnel lens is arranged on the incident side of the diffractive optical element 30 so that the spread angle φ of the incident light 11 to the diffractive optical element 30 is set. You may adjust. In addition to the diffractive lens, a diffusion plate having a predetermined diffusion angle may be used. Further, a diffractive optical element or a hologram element may be used.

また、入射光11を発散光または収束光とする方法以外に、回折光学素子30に対して平行光を入射して出射側に拡散板などの光の広がり角を変化させる素子を配置してもよい。また、回折光学素子30に対して発散光または収束光が入射される場合にも、回折光学素子30の出射側にこれらの素子を配置させてもよい。出射側に配置される素子が、回折光学素子30から出射される回折光群12に含まれる各回折光を、所定の広がり角を有する発散光または収束光に変換させることによって、回折光学素子30への入射光を所定の広がり角を有する発散光または収束光を入射させた場合と同様の効果を得られる。   In addition to the method in which the incident light 11 is divergent light or convergent light, an element that changes the spread angle of light such as a diffusion plate may be disposed on the exit side by allowing parallel light to enter the diffractive optical element 30. Good. Further, even when divergent light or convergent light is incident on the diffractive optical element 30, these elements may be arranged on the exit side of the diffractive optical element 30. The element arranged on the emission side converts each diffracted light included in the diffracted light group 12 emitted from the diffractive optical element 30 into divergent light or convergent light having a predetermined divergence angle, thereby diffractive optical element 30. The same effect as when diverging or converging light having a predetermined divergence angle is incident on the incident light can be obtained.

また、図8(a)〜図8(c)に示すように、そのような発散機能または収束機能を有する素子と回折光学素子30を一体化して形成してもよい。図8(a)に示す例は、凹レンズ36aと回折光学素子30を一体化したものであり、透明基板32の1つの面に回折機能を付与する凹凸パターン層35を形成し、他の面に発散機能を付与する凹レンズ36aを形成している。また、図8(b)に示す例は、凸レンズ型のフレネルレンズ36bと回折光学素子30を一体化したものであり、透明基板32の1つの面に回折機能を付与する凹凸パターン層35を形成し、他の面に収束機能を付与する凸レンズ型のフレネルレンズ36bを形成している。また、図8(c)に示す例は、拡散板と回折光学素子30を一体化したものであり、透明基板32の1つの面に回折機能を付与する凹凸パターン層35を形成し、他の面に発散機能を付与する拡散板36cを形成している。発散機能または収束機能を有する素子と回折光学素子30を一体化する場合、回折光学素子30への入射光11は平行光を用いてもよい。上記の凹レンズ36a、フレネルレンズ36b、拡散板36cは透明基板32を加工して形状を付与してもよく、透明基板32上に透明基板32とは異なる透明材料を加工して設けてもよい。   Further, as shown in FIGS. 8A to 8C, an element having such a divergence function or a convergence function and the diffractive optical element 30 may be integrally formed. In the example shown in FIG. 8A, the concave lens 36a and the diffractive optical element 30 are integrated. The concave / convex pattern layer 35 imparting a diffraction function is formed on one surface of the transparent substrate 32, and the other surface is formed. A concave lens 36a that imparts a diverging function is formed. In the example shown in FIG. 8B, the convex lens type Fresnel lens 36b and the diffractive optical element 30 are integrated, and the concave / convex pattern layer 35 imparting a diffraction function is formed on one surface of the transparent substrate 32. In addition, a convex lens type Fresnel lens 36b that provides a converging function on the other surface is formed. In the example shown in FIG. 8C, the diffusing plate and the diffractive optical element 30 are integrated, and the concave / convex pattern layer 35 imparting a diffractive function is formed on one surface of the transparent substrate 32. A diffusion plate 36c that imparts a diverging function to the surface is formed. When the element having the divergence function or the convergence function and the diffractive optical element 30 are integrated, the incident light 11 to the diffractive optical element 30 may be parallel light. The concave lens 36a, the Fresnel lens 36b, and the diffusion plate 36c may be formed by processing the transparent substrate 32, or may be provided by processing a transparent material different from the transparent substrate 32 on the transparent substrate 32.

なお、図8(a)〜図8(c)では1つの面に回折機能を付与し、他の面に発散機能または収束機能を付与する例を示しているが、回折機能と、発散機能または収束機能とを1つの面で重畳させる構成としてもよい。これは、回折機能を持たせるために必要な位相分布と発散機能を持たせるために必要な位相分布を足し合わせ、それに合わせた凹凸パターンを形成することで実現できる。重畳された位相分布は図2(a)に示すように周期的な基本ユニットを有さない構造となる。回折機能の位相分布は重畳された位相分布から発散機能の位相分布の差を取ることで解析が可能である。この場合にも入射光11は平行光を使用できる。   8A to 8C show an example in which a diffraction function is given to one surface and a divergence function or a convergence function is given to the other surface, the diffraction function and the divergence function or It is good also as a structure which superimposes a convergence function on one surface. This can be realized by adding the phase distribution necessary for providing the diffractive function and the phase distribution necessary for providing the divergence function, and forming an uneven pattern corresponding thereto. The superimposed phase distribution has a structure that does not have a periodic basic unit as shown in FIG. The phase distribution of the diffraction function can be analyzed by taking the difference of the phase distribution of the divergence function from the superimposed phase distribution. Also in this case, the incident light 11 can use parallel light.

以下、上述した計測装置10について具体的な数値等を用いて説明する。なお、以下の各例における計測装置は、水平方向に±31°、垂直方向に±24°の範囲の距離計測を行うものである。z=2000mmの位置における投影範囲は、水平方向に2400mm、垂直方向に1800mmとなる。また、各例では、隣り合う回折光の主光線間の角度Δθと0次回折光に対する1次回折光の角度とがおおよそ一致するため、Δθの値として、X方向またはY方向の1次回折光の回折角度のうち大きい方を採用している。ここで、例1から例8は実施例であり、例9と例10は比較例である。   Hereinafter, the measurement apparatus 10 described above will be described using specific numerical values and the like. Note that the measuring devices in the following examples perform distance measurement in a range of ± 31 ° in the horizontal direction and ± 24 ° in the vertical direction. The projection range at the position of z = 2000 mm is 2400 mm in the horizontal direction and 1800 mm in the vertical direction. In each example, since the angle Δθ between the principal rays of adjacent diffracted light and the angle of the first-order diffracted light with respect to the 0th-order diffracted light approximately coincide, the value of Δθ is used as the diffraction of the first-order diffracted light in the X direction or Y direction. The larger of the angles is used. Here, examples 1 to 8 are examples, and examples 9 and 10 are comparative examples.

(例1)
まず、例1の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−1次〜1次、Y方向に−1次〜1次の間に分布している。
(Example 1)
First, the measurement apparatus 10 of Example 1 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -1-order and 1-order in the X direction, distributed -1st order to 1 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域すなわち位相分布を発現させる領域は、4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが2.4μm、Y軸方向におけるピッチPが3.0μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing region of the diffractive optical element 30 of this example, that is, the region where the phase distribution is expressed is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm region, the pitch P x in the X-axis direction is 2.4 μm and in the Y-axis direction. pitch P y is the basic unit 31 of 3.0μm is arranged two-dimensionally.

図9(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図9(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図9(a)には、光スポットが縦に3列、横に3列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。   FIG. 9A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of the present example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a distribution of diffracted light as shown in FIG. 9A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 9 (a) shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a lattice pattern of three rows vertically and three rows horizontally.

本例の回折光学素子30の製造方法は以下のとおりである。まず、透明基板32として石英基板を用い、その石英基板32の表面上にレジストパターンを形成する。そしてそのレジストパターンに対してRIE(Reactive Ion Etching)等のドライエッチングを行う工程を複数回繰り返して、石英基板32の表面に凹凸パターンを形成する。これにより、波長が830nmの光において、1次回折光のX方向における回折角度が12°、Y方向における回折角度が16°となる本例における回折光学素子30を作製する。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is as follows. First, a quartz substrate is used as the transparent substrate 32, and a resist pattern is formed on the surface of the quartz substrate 32. Then, a concavo-convex pattern is formed on the surface of the quartz substrate 32 by repeating a dry etching process such as RIE (Reactive Ion Etching) on the resist pattern a plurality of times. Thus, the diffractive optical element 30 in this example is produced in which the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light is 12 ° and the diffraction angle in the Y direction is 16 ° in the light having a wavelength of 830 nm.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが20.0°である波長830nmの入射光を入射する。本例では、図9(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図9(b)に、z=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, incident light having a wavelength of 830 nm with a divergence angle φ of 20.0 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. In this example, it is assumed that the integrated value of the amount of light of each diffracted light 122 in FIG. 9A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 9B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 square size 40 mm) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. × 30 mm rectangle).

図9(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図9(b)には、外周部から中心部に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図9(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.15である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.17である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.73Wである。   As shown in FIG. 9B, in the measuring apparatus 10 of the present example, the distribution of the light amount within the projection range changes smoothly. FIG. 9B shows a distribution in which the amount of light increases from the outer peripheral portion toward the central portion. In FIG. 9B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.15. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.17. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.73W.

(例2)
次いで、例2の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−2次〜2次、Y方向に−1次〜1次の間に分布している。
(Example 2)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 2 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -2nd to 2-order in the X direction, distributed -1st order to 1 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが4.0μm、Y軸方向におけるピッチPが3.0μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 4.0 μm and the pitch P y in the Y-axis direction is 3.0 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図10(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図10(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図10(a)には、光スポットが縦に3列、横に5列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 10A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a distribution of diffracted light as shown in FIG. 10A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 10 (a) shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a lattice pattern of three rows vertically and five rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が20°、Y方向における回折角度が16°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 20 °, and the diffraction angle in the Y direction is 16 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが16.0°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図10(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図10(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, incident light having a wavelength of 830 nm with a divergence angle φ of 16.0 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 10A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 10B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 square) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図10(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図10(b)には、照射範囲の外周形状が角部を面取りされた横長の長方形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図10(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.18である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.20である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.77Wである。   As shown in FIG. 10B, in the measurement apparatus 10 of this example, the distribution of the light amount within the projection range changes smoothly. FIG. 10B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a horizontally long rectangular shape with chamfered corners, and the amount of light increases toward the center. In FIG. 10B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.18. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.20. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.77W.

(例3)
次いで、例3の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−4次〜4次、Y方向に−3次〜3次の間に分布している。
(Example 3)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 3 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -4 to fourth order in the X direction, distributed - tertiary to 3 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが7.1μm、Y軸方向におけるピッチPが7.0μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 7.1 μm and the pitch P y in the Y-axis direction is 7.0 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図11(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図11(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図11(a)には、光スポットが縦に7列、横に9列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 11A is a diagram illustrating a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of the present example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so that a diffracted light distribution as shown in FIG. 11A is generated on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 11 (a) shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a grid of 7 rows vertically and 9 rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が6.7°、Y方向における回折角度が6.9°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 6.7 °, and the diffraction angle in the Y direction is 6.9 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが6.9°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図11(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図11(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, incident light having a wavelength of 830 nm with a divergence angle φ of 6.9 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 11A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 11B shows the distribution of irradiance of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm (unit: W / cm 2 , 1 cell). A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図11(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図11(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図11(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.30である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.34である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.86Wである。   As shown in FIG. 11B, in the measurement apparatus 10 of the present example, the distribution of the light amount within the projection range changes smoothly. FIG. 11B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly recessed, and the light amount increases toward the center. Yes. In FIG. 11B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.30. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light amount in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light amount in the 80 mm square region at the center is 0.34. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.86W.

(例4)
次いで、例4の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−8次〜8次、Y方向に−6次〜6次の間に分布している。
(Example 4)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 4 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -8-order 8-order in the X direction, distributed -6 primary 6 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが13.5μm、Y軸方向におけるピッチPが12.9μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 13.5 μm and the pitch P y in the Y-axis direction is 12.9 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図12(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図12(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図12(a)には、光スポットが縦に13列、横に17列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 12A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a distribution of diffracted light as shown in FIG. 12A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 12 (a) shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a grid of 13 rows vertically and 17 rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が3.5°、Y方向における回折角度が3.7°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 3.5 °, and the diffraction angle in the Y direction is 3.7 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが3.7°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図12(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図12(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of the present example, incident light having a wavelength of 830 nm with a spread angle φ of 3.7 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 12A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 12B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 cell) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図12(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図12(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図12(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.38である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.40である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.89Wである。   As shown in FIG. 12B, in the measurement apparatus 10 of the present example, the distribution of the light amount within the projection range changes smoothly. FIG. 12B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly depressed, and the light amount increases toward the center. Yes. In FIG. 12B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.38. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light amount in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light amount in the 80 mm square region at the center is 0.40. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.89W.

(例5)
次いで、例5の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−16次〜16次、Y方向に−12次〜12次の間に分布している。
(Example 5)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 5 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -16 order to 16-order in the X direction, distributed -12 primary 12 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが26.2μm、Y軸方向におけるピッチPが24.8μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 26.2 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 24.8 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図13(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図13(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図13(a)には、光スポットが縦に25列、横に33列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 13A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of the present example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a distribution of diffracted light as shown in FIG. 13A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 13A shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a lattice form of 25 rows vertically and 33 rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が1.8°、Y方向における回折角度が1.9°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 1.8 °, and the diffraction angle in the Y direction is 1.9 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが1.9°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図13(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図13(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, incident light having a wavelength of 830 nm with a spread angle φ of 1.9 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 13A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 13B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 square) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図13(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図13(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図13(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.40である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.43である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.90Wである。   As shown in FIG. 13B, in the measurement apparatus 10 of the present example, the distribution of the light quantity within the projection range changes smoothly. FIG. 13B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly recessed, and the light amount increases toward the center. Yes. In FIG. 13B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.40. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.43. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.90W.

(例6)
次いで、例6の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−32次〜32次、Y方向に−24次〜24次の間に分布している。
(Example 6)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 6 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -32 order to 32-order in the X direction, distributed -24 primary 24 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが51.5μm、Y軸方向におけるピッチPが48.5μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 51.5 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 48.5 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図14(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図14(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図14(a)には、光スポットが縦に49列、横に65列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 14A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a distribution of diffracted light as shown in FIG. 14A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 14A shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a lattice form of 49 rows vertically and 65 rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が0.9°、Y方向における回折角度が1.0°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 0.9 °, and the diffraction angle in the Y direction is 1.0 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが1.0°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図14(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図14(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, incident light with a wavelength of 830 nm having a spread angle φ of 1.0 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 14A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 14B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 cell) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図14(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図14(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図14(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.39である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.43である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.90Wである。   As shown in FIG. 14B, in the measurement apparatus 10 of the present example, the distribution of the light amount within the projection range changes smoothly. FIG. 14B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly recessed, and the amount of light increases toward the center. Yes. In FIG. 14B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.39. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.43. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.90W.

(例7)
次いで、例7の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−16次〜16次、Y方向に−12次〜12次の間に分布している。
(Example 7)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 7 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -16 order to 16-order in the X direction, distributed -12 primary 12 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが26.2μm、Y軸方向におけるピッチPが24.8μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 26.2 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 24.8 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図15(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図15(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図15(a)には、光スポットが縦に25列、横に33列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 15A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a distribution of diffracted light as shown in FIG. 15A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 15A shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a lattice form of 25 rows vertically and 33 rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が1.8°、Y方向における回折角度が1.9°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 1.8 °, and the diffraction angle in the Y direction is 1.9 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが1.4°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図15(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図15(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, incident light with a wavelength of 830 nm having a spread angle φ of 1.4 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 15A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 15B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 square) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図15(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布は振動的に変化している。なお、図15(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されているが、光量が変化する境界領域の形状がきれいな丸ではなくジグザク線で描いた丸のようになっており、中心から周辺までの間の変化量の比率が一定でない分布が示されている。なお、細かな視点で見れば中心から周辺までの間の変化量の比率が一定でなくても、近隣領域間での光の強度差はそれほど大きくないため、平均すれば一様に中心に向かうにつれて光量が大きくなっている分布とみなせる。図15(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.34である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.44である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.84Wである。   As shown in FIG. 15B, in the measurement apparatus 10 of the present example, the distribution of the light amount within the projection range changes in a vibrational manner. FIG. 15B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly recessed, and the light amount increases toward the center. However, the shape of the boundary region where the amount of light changes is not a beautiful circle but a circle drawn with a zigzag line, indicating a distribution in which the ratio of the amount of change from the center to the periphery is not constant. From a fine point of view, even if the ratio of the amount of change from the center to the periphery is not constant, the difference in light intensity between neighboring regions is not so large. It can be regarded as a distribution in which the amount of light increases with time. In FIG. 15B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.34. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.44. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.84W.

(例8)
次いで、例8の計測装置10について説明する。本例の計測装置10が備える回折光学素子30により発生する回折光の次数(m、m)は、X方向に−16次〜16次、Y方向に−12次〜12次の間に分布している。
(Example 8)
Next, the measurement apparatus 10 of Example 8 will be described. Order of the diffracted light generated by the diffractive optical element 30 measuring apparatus 10 of the present embodiment comprises (m x, m y) is -16 order to 16-order in the X direction, distributed -12 primary 12 between: the Y direction ing.

本例の回折光学素子30の格子加工領域は4mm×4mmであり、この4mm×4mm領域内に、X軸方向におけるピッチPが26.2μm、Y軸方向におけるピッチPが24.8μmの基本ユニット31が2次元的に配置されている。 The grating processing area of the diffractive optical element 30 of this example is 4 mm × 4 mm, and within this 4 mm × 4 mm area, the pitch P x in the X-axis direction is 26.2 μm, and the pitch P y in the Y-axis direction is 24.8 μm. Basic units 31 are two-dimensionally arranged.

図16(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。本例の回折光学素子30の基本ユニット31における位相分布は、平行光を入射したときに投影面上に図16(a)に示すような回折光の分布を発生させるよう、反復フーリエ変換法により計算されている。なお、図16(a)には、光スポットが縦に25列、横に33列の格子状に配された光スポットパターンが示されている。本例では、光スポットパターンのピンクッション型の歪をそのままにしているが、次数分布を補正して歪を取り除くことも可能である。   FIG. 16A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of the present example. The phase distribution in the basic unit 31 of the diffractive optical element 30 of this example is determined by an iterative Fourier transform method so as to generate a diffracted light distribution as shown in FIG. 16A on the projection surface when parallel light is incident. Has been calculated. FIG. 16 (a) shows a light spot pattern in which light spots are arranged in a grid of 25 rows vertically and 33 rows horizontally. In this example, the pincushion type distortion of the light spot pattern is left as it is, but it is also possible to correct the order distribution and remove the distortion.

本例の回折光学素子30の製造方法は、例1における回折光学素子30と同様である。本例の回折光学素子30は、波長が830nmの光に対する、1次回折光のX方向における回折角度が1.8°、Y方向における回折角度が1.9°である。   The manufacturing method of the diffractive optical element 30 of this example is the same as that of the diffractive optical element 30 in Example 1. In the diffractive optical element 30 of this example, the diffraction angle in the X direction of the first-order diffracted light with respect to light having a wavelength of 830 nm is 1.8 °, and the diffraction angle in the Y direction is 1.9 °.

本例の計測装置10では、上述の回折光学素子30に対して、平行光である波長830nmの光束を入射し、出射側に平行光を入射した場合に広がり角φが1.9°となる拡散板を配置する。本例でも図16(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図16(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus 10 of this example, when a light beam having a wavelength of 830 nm, which is parallel light, is incident on the above-described diffractive optical element 30, and the parallel light is incident on the exit side, the spread angle φ is 1.9 °. Arrange the diffuser. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 16A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 16B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 cell) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図16(b)に示すように、本例の計測装置10では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図16(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図16(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.40である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.44である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.90Wである。   As shown in FIG. 16B, in the measurement apparatus 10 of the present example, the distribution of the light amount within the projection range changes smoothly. FIG. 16B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly recessed, and the amount of light increases toward the center. Yes. In FIG. 16B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.40. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.44. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.90W.

(例9)
次に、例9の計測装置について説明する。本例の計測装置は、回折光学素子30の代わりに単一の回折光を出射する回折光学素子を用いて、所定の投影範囲に光を照射させる。
(Example 9)
Next, the measuring apparatus of Example 9 will be described. The measurement apparatus of this example uses a diffractive optical element that emits a single diffracted light instead of the diffractive optical element 30 to irradiate light in a predetermined projection range.

図17(a)は、本例の回折光学素子に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。なお、図17(a)には、1つの光スポットが領域の中心部に配された光スポットパターンが示されている。   FIG. 17A is a diagram showing a distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element of this example. FIG. 17A shows a light spot pattern in which one light spot is arranged at the center of the region.

本例の計測装置では、上述の回折光学素子に広がり角φが37.5°の波長830nmの発散光を入射する。本例では、図17(a)の単一の回折光122の光量の積算値を1Wとする。図17(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measuring apparatus of this example, divergent light having a wavelength of 830 nm and a divergence angle φ of 37.5 ° is incident on the above-described diffractive optical element. In this example, the integrated value of the light quantity of the single diffracted light 122 in FIG. FIG. 17B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 cell) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図17(b)に示すように、本例の計測装置では、投影範囲内の光量の分布はなめらかに変化している。なお、図17(b)には、照射範囲の外周形状が丸形状であって、中心に向かうにつれて光量が大きくなる分布が示されている。図17(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.16である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.17である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.67Wである。   As shown in FIG. 17B, in the measurement apparatus of this example, the distribution of the amount of light within the projection range changes smoothly. Note that FIG. 17B shows a distribution in which the outer peripheral shape of the irradiation range is a circular shape, and the amount of light increases toward the center. In FIG. 17B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.16. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.17. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.67W.

本例では、投影範囲の周辺に無駄な照射が多く行われるため、上述の例1から例8と比べて光の利用効率が低下しているのがわかる。また、上述の例1から例8と比べて、中心部において強い光量を得られる領域範囲が狭く、中心付近の領域における変化量も大きくなっているのがわかる。   In this example, a lot of useless irradiation is performed around the projection range, so that it can be seen that the light use efficiency is reduced as compared with Examples 1 to 8 described above. Further, it can be seen that the region range where a strong light amount can be obtained in the center is narrower and the amount of change in the region near the center is larger than in Examples 1 to 8 described above.

(例10)
次いで、例10の計測装置について説明する。本例では、上述の例5に用いた回折光学素子30を用いる。
(Example 10)
Next, the measurement apparatus of Example 10 will be described. In this example, the diffractive optical element 30 used in Example 5 is used.

図18(a)は、本例の回折光学素子30に対して波長830nmの平行光を入射した場合に投影面上に投影される回折光の分布を示す図である。なお、図18(a)に示す回折光の分布は、図13(a)に示す回折光の分布と同じである。   FIG. 18A is a diagram showing the distribution of diffracted light projected on the projection surface when parallel light having a wavelength of 830 nm is incident on the diffractive optical element 30 of this example. The distribution of diffracted light shown in FIG. 18A is the same as the distribution of diffracted light shown in FIG.

本例の計測装置では、上述の回折光学素子30に対して、広がり角φが1.0°である波長830nmの入射光を入射する。本例でも図18(a)の各回折光122の光量の積算値を1Wとし、各回折光122の強度は一様であるとする。図18(b)に、そのときのz=2000mmにおけるx=−2000mm〜2000mm、y=−1500mm〜1500mmの範囲に照射される光の放射照度の分布(単位:W/cm、1マスの大きさ40mm×30mmの長方形)を示す。 In the measurement apparatus of this example, incident light having a wavelength of 830 nm with a divergence angle φ of 1.0 ° is incident on the diffractive optical element 30 described above. Also in this example, it is assumed that the integrated value of the light amount of each diffracted light 122 in FIG. 18A is 1 W, and the intensity of each diffracted light 122 is uniform. FIG. 18B shows the irradiance distribution (unit: W / cm 2 , 1 square) of light irradiated in the range of x = −2000 mm to 2000 mm and y = −1500 mm to 1500 mm at z = 2000 mm. A rectangle having a size of 40 mm × 30 mm).

図18(b)に示すように、本例の計測装置では、投影範囲内の光量の分布は振動的に変化している。なお、図18(b)には、照射範囲の外周形状が糸巻き状すなわち横長の長方形における各辺の中心部が若干凹んだ形状であって、その領域内に明暗の縞模様(横縞)が生じている分布が示されている。図18(b)において、投影範囲内の最大の放射照度に対する最小の放射照度の比は0.12である。また、z=2000mmにおける投影範囲において4隅の80mm角領域の光量の平均値と中心部における80mm角領域の光量の平均値の比は0.46である。また、投影範囲に入射される光量の積算値は0.84Wである。   As shown in FIG. 18B, in the measurement apparatus of this example, the distribution of the amount of light within the projection range changes in a vibrational manner. In FIG. 18B, the outer peripheral shape of the irradiation range is a pincushion shape, that is, a shape in which the center part of each side in a horizontally long rectangle is slightly recessed, and a light and dark stripe pattern (horizontal stripe) is generated in the region. The distribution is shown. In FIG. 18B, the ratio of the minimum irradiance to the maximum irradiance within the projection range is 0.12. Further, in the projection range at z = 2000 mm, the ratio of the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the four corners to the average value of the light quantity in the 80 mm square region at the center is 0.46. The integrated value of the amount of light incident on the projection range is 0.84W.

本例では、回折光学素子30に入射する光の広がり角が不十分なために、中心部においても近隣領域間での強度差の大きい強度分布となっているのがわかる。   In this example, since the divergence angle of the light incident on the diffractive optical element 30 is insufficient, it can be seen that the intensity distribution has a large intensity difference between neighboring regions even in the central portion.

なお、図19は、各例のパラメータをまとめて示す説明図である。また、図20は、例1から例7、例9、例10の水平方向の放射照度の分布をまとめて示す説明図である。なお、図20(a)に、例1から例6、例9の水平方向の放射照度の分布をまとめて示し、図20(b)に、例5、例7、例10の水平方向の放射照度の分布をまとめて示している。   In addition, FIG. 19 is explanatory drawing which shows the parameter of each example collectively. FIG. 20 is an explanatory diagram collectively showing the distribution of irradiance in the horizontal direction in Examples 1 to 7, Example 9, and Example 10. 20A collectively shows the distribution of horizontal irradiance in Examples 1 to 6, and Example 9, and FIG. 20B shows the horizontal radiation in Examples 5, 7, and 10. The illuminance distribution is shown together.

図20(a)に示されるように、投影範囲外に漏れる光量を小さくするためには、発生させる回折光の数は、例2の回折光の数である15点よりも大きい方がよいといえる。また、入射光の広がり角φは例2での広がり角16°よりも小さい方が好ましい。また、図20(b)に示されるように、入射光の広がり角度φが、φ>0.5Δθをより十分に満たす方が投影範囲に照射される光の強度分布をより均一にできる。例えば、例10は、φ>0.5Δθを満たしているために、水平位置が投影範囲内となる−1200mm〜1200mmの範囲内においてほぼ1.50E−05以上の放射照度を維持しているものの、例5および例7に比べて近隣領域間での強度差の大きい強度分布となっている。なお、例5は、例10に比べて近隣領域間での強度差が小さい強度分布となっている。また、例7は、例5に比べてさらに近隣領域間での強度差が小さい強度分布となっている。   As shown in FIG. 20A, in order to reduce the amount of light leaking out of the projection range, the number of diffracted lights to be generated should be larger than 15 points that is the number of diffracted lights in Example 2. I can say that. Further, the spread angle φ of the incident light is preferably smaller than the spread angle 16 ° in Example 2. Further, as shown in FIG. 20B, the intensity distribution of the light irradiated to the projection range can be made more uniform when the incident light spread angle φ sufficiently satisfies φ> 0.5Δθ. For example, in Example 10, since φ> 0.5Δθ is satisfied, the irradiance of approximately 1.50E-05 or more is maintained within the range of −1200 mm to 1200 mm where the horizontal position is within the projection range. Compared to Examples 5 and 7, the intensity distribution has a large intensity difference between neighboring regions. Note that Example 5 has an intensity distribution with a smaller intensity difference between neighboring regions than Example 10. Further, Example 7 has an intensity distribution in which the intensity difference between neighboring regions is smaller than that of Example 5.

本発明は、測定装置に限らず、均一照明を必要とする装置であれば好適に適用可能である。特に、大きさの制限のある機器に好適に適用可能である。   The present invention is not limited to the measurement apparatus, and can be suitably applied to any apparatus that requires uniform illumination. In particular, the present invention can be suitably applied to devices with size restrictions.

10 計測装置
11 入射光
12 回折光群(検査光)
13 散乱光
20 光源
30 回折光学素子
40a、40b、40c 測定対象物(投影面含む)
50 検出素子
31 基本ユニット
32 透明基板
33 凸部
34 凹部
35 凹凸パターン層
36a 凹レンズ
36b フレネルレンズ
36c 拡散板
121 光スポット
122 回折光
123 回折光の主光線
10 Measuring Device 11 Incident Light 12 Diffracted Light Group (Inspection Light)
13 Scattered light 20 Light source 30 Diffractive optical element 40a, 40b, 40c Measurement object (including projection surface)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 50 Detection element 31 Basic unit 32 Transparent substrate 33 Convex part 34 Concave part 35 Concave pattern layer 36a Concave lens 36b Fresnel lens 36c Diffusing plate 121 Light spot 122 Diffracted light 123 Main light of diffracted light

Claims (6)

平行光が入射されると2次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子を備え、
前記回折光学素子の凹凸パターン層に発散光または収束光を入射して、主光線が2次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させる
ことを特徴とする照明光学系。
A diffractive optical element having a concavo-convex pattern layer for generating a diffracted light group having a two-dimensional distribution when parallel light is incident thereon;
An illumination optical system, wherein divergent light or convergent light is incident on the concavo-convex pattern layer of the diffractive optical element to generate a diffracted light group of divergent light having a principal ray having a two-dimensional distribution.
前記回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ>0.5Δθを満たす
請求項1に記載の照明光学系。
Φ> 0, where φ is the divergence angle of the diverging or converging light incident on the concavo-convex pattern layer of the diffractive optical element, and Δθ is the angle between the principal rays of adjacent diffracted lights included in the diffracted light group to be generated. The illumination optical system according to claim 1, wherein .5Δθ is satisfied.
前記回折光学素子の凹凸パターン層に入射する発散光または収束光の広がり角が16°よりも小さい請求項1または請求項2に記載の照明光学系。   The illumination optical system according to claim 1 or 2, wherein a divergence angle of diverging light or convergent light incident on the concavo-convex pattern layer of the diffractive optical element is smaller than 16 °. 平行光が入射されると2次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されている回折光学素子と、
平行光が入射されると、入射された平行光を発散光に変換する拡散素子とを備え、
前記拡散素子は、前記回折光学素子の光入射側または光出射側に設けられ、
前記回折光学素子に前記拡散素子が変換した発散光を入射する、または、前記回折光学素子から出射される2次元の分布を有する回折光群に含まれる各回折光を前記拡散素子で発散光に変換することにより、主光線が2次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させる
ことを特徴とする照明光学系。
A diffractive optical element on which a concavo-convex pattern layer for generating a diffracted light group having a two-dimensional distribution when parallel light is incident;
When parallel light is incident, it comprises a diffusing element that converts the incident parallel light into divergent light,
The diffusing element is provided on the light incident side or the light emitting side of the diffractive optical element,
The divergent light converted by the diffusing element is incident on the diffractive optical element, or each diffracted light included in the diffracted light group having a two-dimensional distribution emitted from the diffractive optical element is diverged by the diffusing element. An illumination optical system characterized by generating a diffracted light group of divergent light in which chief rays have a two-dimensional distribution by conversion.
請求項1から請求項4のうちのいずれか1項に記載の照明光学系であって、所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光を出射する光源、または、光源から出射された光を所定の広がり角を有する発散光もしくは収束光にして出射する素子を含む照明光学系と、
前記照明光学系から出射される発散光の回折光群が、測定対象物に照射されることによって発生する散乱光を検出する検出部とを備えた
ことを特徴とする計測装置。
5. The illumination optical system according to claim 1, wherein the light source emits diverging light or convergent light having a predetermined divergence angle, or light emitted from the light source is predetermined. An illumination optical system including an element that emits divergent or convergent light having a divergence angle of
A measuring device comprising: a detection unit that detects scattered light generated when the diffracted light group of diverging light emitted from the illumination optical system is irradiated on a measurement object.
平行光が入射されると2次元の分布を有する回折光群を発生させる凹凸パターン層が形成されており、
前記凹凸パターン層は、発散光または収束光が入射されると、主光線が2次元の分布を有する発散光の回折光群を発生させ、
前記凹凸パターン層は、入射される発散光または収束光の広がり角をφ、発生させる回折光群に含まれる隣り合う回折光の主光線とのなす角をΔθとしたとき、φ>0.5Δθを満たす発散光の回折光群を発生させる
ことを特徴とする回折光学素子。
A concavo-convex pattern layer for generating a diffracted light group having a two-dimensional distribution when parallel light is incident is formed,
The concavo-convex pattern layer generates a diffracted light group of diverging light having a two-dimensional distribution of chief rays when diverging light or convergent light is incident thereon,
The concavo-convex pattern layer has a diameter of φ> 0.5Δθ, where φ is a divergence angle of incident diverging light or convergent light, and Δθ is an angle formed with a principal ray of adjacent diffracted light included in a generated diffracted light group. A diffractive optical element characterized by generating a diffracted light group of diverging light satisfying the above.
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