特許 7618928 投影装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2025-01-14

(45)【発行日】2025-01-22

(54)【発明の名称】投影装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 27/42 20060101AFI20250115BHJP

   G02B 5/18 20060101ALI20250115BHJP

   G03B 21/14 20060101ALI20250115BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20250115BHJP

   G01S 7/481 20060101ALN20250115BHJP

【ＦＩ】

G02B27/42

G02B5/18

G03B21/14 D

G03B21/00 D

G01S7/481 A

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2021150556

(22)【出願日】2021-09-15

(65)【公開番号】P2023043061

(43)【公開日】2023-03-28

【審査請求日】2024-02-09

(73)【特許権者】

【識別番号】000000044

【氏名又は名称】ＡＧＣ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】磯野 晃輔

(72)【発明者】

【氏名】田島 宏一

【審査官】近藤 幸浩

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－１６６８１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－０３５９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平５－０４００２１（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／１５８４１９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１５／０３０１２７（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２７／４２

Ｇ０２Ｂ ２７／００

Ｇ０２Ｂ ５／１８

Ｇ０１Ｂ １１／２４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

平行光を出射する光源と、
前記光源における前記平行光が出射される側に配置される回折光学素子と、
前記回折光学素子における前記光源とは反対側に配置され、所定の方向に曲率を有するレンズと、を備え、
前記レンズは、前記所定の方向に対して垂直な方向に並ぶ複数の輝点を投影面に生成することにより、前記垂直な方向に沿って延伸する線状パターンを前記投影面に投影し、
前記垂直な方向に沿った前記輝点の長さは、前記複数の輝点における隣り合う前記輝点同士の前記垂直な方向に沿った間隔以上の長さであり、
前記複数の輝点の全ては、前記所定の方向に沿った前記輝点の長さが前記垂直な方向に沿った前記輝点の長さよりも短い投影装置。

【請求項2】

前記複数の輝点は、前記所定の方向に沿った前記輝点の長さが前記垂直な方向に沿った前記輝点の長さの１／５０以下である請求項１に記載の投影装置。

【請求項3】

前記所定の方向に沿った前記輝点の長さは、２５０μｍ以下である請求項１または２に記載の投影装置。

【請求項4】

前記所定の方向に沿った前記輝点の長さは、１００μｍ以下である請求項１から３のいずれか１項に記載の投影装置。

【請求項5】

前記レンズは、複数の前記線状パターンを前記投影面に投影し、
複数の前記線状パターンは、互いに平行である請求項１から４の何れか１項に記載の投影装置。

【請求項6】

前記平行光の中心軸に直交する面内における前記平行光の断面形状は、略円形である請求項１から５のいずれか１項に記載の投影装置。

【請求項7】

前記回折光学素子は、複数の基本ユニットを含み、
前記複数の基本ユニットは、それぞれが同一の凹凸パターン層を有し、少なくとも前記垂直な方向に沿って所定のピッチで並んで形成されており、
前記平行光の断面形状における前記略円形の直径は、前記ピッチより大きい請求項６に記載の投影装置。

【請求項8】

前記回折光学素子は、平行光を出射し、
前記レンズは、前記回折光学素子から出射された平行光を入射する請求項１から７のいずれか１項に記載の投影装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は投影装置に関する。

【背景技術】

【0002】

光の回折現象を利用し、光を空間的に分岐させる回折光学素子が知られている。回折光学素子は、小型で軽量ながら、レンズやプリズム等の屈折型の光学素子と同様の機能を実現でき、照明や光学計測等の多様な分野で利用されている。

【0003】

また、基本ユニットが二次元方向に周期的に配列されており、入射光を二次元方向に回折させる回折光学素子を用い、投影面に線状パターンを投影する投影装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】国際公開２０２０／１５８４１９号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載されている投影装置では、回折光学素子に入射される光の直径を小さくするほど、線幅が細い線状パターンが得られる。ここで、線状パターンの線幅とは、線状パターンが延伸する方向とは直交する方向における線状パターンの幅をいう。

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載されている投影装置では、回折光学素子による回折光によって投影面に生成される複数の輝点同士の間隔や歪曲に伴う輝点の位置ずれは、回折光学素子への入射光の直径が小さいほど大きくなる。そのため、線状パターンの線幅を細くするために回折光学素子への入射光の直径を小さくすると、輝点同士の間隔が大きくなって線状パターンの一部が分裂したり、輝点の位置ずれにより線状パターンの一部が波打ったりして、線状パターンの品質が低下する懸念がある。

【0007】

本開示の一態様は、線幅が細く、かつ品質が良好な線状パターンを投影可能な投影装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一態様に係る投影装置は、平行光を出射する光源と、前記光源における前記平行光が出射される側に配置される回折光学素子と、前記回折光学素子における前記光源とは反対側に配置され、所定の方向に曲率を有するレンズと、を備え、前記レンズは、前記所定の方向に対して垂直な方向に並ぶ複数の輝点を投影面に生成することにより、前記垂直な方向に沿って延伸する線状パターンを前記投影面に投影し、前記垂直な方向に沿った前記輝点の長さは、前記複数の輝点における隣り合う前記輝点同士の前記垂直な方向に沿った間隔以上の長さであり、前記複数の輝点の全ては、前記所定の方向に沿った前記輝点の長さが前記垂直な方向に沿った前記輝点の長さよりも短い。

【発明の効果】

【0009】

本開示の一態様によれば、線幅が細く、かつ品質が良好な線状パターンを投影可能な投影装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】実施形態に係る投影装置の全体構成を例示する図である。

【図2】図１の投影装置が備える回折光学素子の構成を例示する平面図である。

【図3】図２の回折光学素子における基本ユニットの凹凸パターンの平面図である。

【図4】図２のＡ－Ａ断面図である。

【図5】実施形態に係る線状パターンを例示する模式図である。

【図6】図５における領域Ｂの拡大図である。

【図7】投影面における線状パターンの評価領域を説明する図である。

【図8】図７における領域Ｃの拡大図である。

【図9】図８における四隅の領域を示す図である。

【図10】例１から例５の諸元および評価結果を示す図である。

【図11】例１による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図12】例２による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図13】例３による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図14】例４による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図15】例５による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図16】例６から例８の諸元および評価結果を示す図である。

【図17】例９から例１１の諸元および評価結果を示す図である。

【図18】例６による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図19】例７による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図20】例８による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図21】例９による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図22】例１０による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【図23】例１１による線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について詳細に説明する。但し、以下に示す形態は、本実施形態の技術思想を具現化するための投影装置を例示するものであって、以下に限定するものではない。なお、各図面が示す部材の大きさ、位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を適宜省略する。

【0012】

以下に示す図においてｘ軸、ｙ軸およびｚ軸により方向を示す場合があるが、ｙ軸に沿うｙ方向は、投影面内における所定の方向を示す。ｘ軸に沿うｘ方向は、上記投影面内においてｙ方向に対して垂直な方向を示す。ｚ軸に沿うｚ方向は上記投影面に直交する方向を示す。実施形態の用語における平面視とは、実施形態に係る投影装置が備える回折光学素子をｚ方向から視ることをいう。但し、これらことは、投影装置の使用時における向きを制限するものではなく、投影装置の向きは任意である。

【0013】

〈実施形態〉
（投影装置１の全体構成例）
図１は、本実施形態に係る投影装置１の全体構成の一例を示す図である。投影装置１は、光源１０と、回折光学素子２０と、レンズ３０と、を備える。

【0014】

光源１０は、回折光学素子２０に向けて平行光を出射する。本実施形態では、光源１０は半導体レーザであり、略平行な光線束であるレーザビームを出射する。略平行とは、厳密な平行を要求するものではなく、一般に誤差と認められる程度の平行からの差異は許容することを意味する。

【0015】

光源１０が出射するレーザビームの中心軸に直交する面内におけるレーザビームの断面形状は、例えば略円形である。略円形とは、厳密な真円を要求するものではなく、一般に誤差と認められる程度の真円からの差異は許容することを意味する。この場合の「一般に誤差と認められる程度の差異」は、例えばレーザビーム直径の１／１０以下の差異である。

【0016】

光源１０が出射する光の波長は、特に制限されないが、例えば、略３８０ｎｍから略７８０ｎｍまでの可視光領域や、略８００ｎｍから略１２００ｎｍまでの近赤外領域の波長を使用できる。光源１０は半導体レーザに限定されるものではなく、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）等を用いてもよい。

【0017】

回折光学素子２０は、光源１０における平行光が出射される側に配置される光学素子である。回折光学素子２０は、投影面Ｓ上において二次元アレイ状に並ぶ複数の輝点を生成可能に、光源１０から入射した平行なレーザビームを二次元方向に回折させ、複数の平行なレーザビームをレンズ３０に向けて出射する。

【0018】

レンズ３０は、回折光学素子２０における光源１０とは反対側に配置され、所定の方向に曲率を有するレンズである。本実施形態では、レンズ３０は、ｙ方向に曲率を有し、ｘ方向に曲率を有さないシリンドリカルレンズである。レンズ３０は、ｙ方向にのみ屈折力（レンズパワー）を有する。ｙ方向は、所定の方向に対応し、ｘ方向は、所定の方向に対して垂直な方向に対応する。

【0019】

レンズ３０は、平凸、両凸またはメニスカスの何れのシリンドリカルレンズであってもよい。また複数のレンズやプリズム等の光学素子を組合せて、ｙ方向に曲率を有するレンズ３０を構成することもできる。

【0020】

レンズ３０は、回折光学素子２０から出射された平行なレーザビームを入射して集束光を出射する。レンズ３０は、収差を抑制する観点では、曲率が大きい面が光源１０側を向くように配置されることが好ましい。

【0021】

レンズ３０は、回折光学素子２０により回折された複数のレーザビームそれぞれがｙ方向に集束された複数の輝点を投影面Ｓに投影する。換言すると、レンズ３０は、ｘ方向に並ぶ複数の輝点を投影面Ｓに生成することにより、ｘ方向に沿って延伸する線状パターンを投影面Ｓに投影できる。

【0022】

図１では、ｙ方向に沿って並ぶ３本の線状パターンＬを例示するが、ｙ方向に並ぶ線状パターンＬの本数に特段の制限はなく、１本であってもよいし、２本以上の任意の数であってもよい。

【0023】

投影面Ｓは、典型的にはスクリーンであるが、これに限定されるものではなく、例えば建物の壁面等であってもよいし、空間内における仮想的な平面であってもよい。

【0024】

（回折光学素子２０の構成例）
図２から図４を参照して、回折光学素子２０の構成を説明する。図２は、回折光学素子２０の構成を例示する平面図である。図３は、回折光学素子２０における基本ユニット２１の凹凸パターンを例示する平面図である。図４は、図２のＡ－Ａ断面図である。

【0025】

図２に示すように、回折光学素子２０は、ｘ方向およびｙ方向それぞれに沿って二次元状に周期的に並んでいる複数の基本ユニット２１を備えている。複数の基本ユニット２１は、ｘ方向にピッチＰｘで並んでおり、ｙ方向にピッチＰｙで並んでいる。ここで、ピッチとは、隣り合う基本ユニット２１の中心同士の間の距離をいう。図２では隣り合う基本ユニット２１は、隙間を空けずに並んでいるため、ピッチＰｘは、ｘ方向における基本ユニット２１の長さに一致し、ピッチＰｙはｙ方向における基本ユニット２１の長さに一致する。また本実施形態では、光源１０が出射するレーザビームの直径はピッチＰｘより大きい。なお、線幅ＬＷの仕様値をＬＴとすると、レーザビームの直径Ｒは線数Ｌｎによらず、次の（１）式および（２）式を満足する。
Ｒ≧√（Ｐｘ^２＋Ｐｙ^２） ・・・ （１）
Ｒ≧（４×λ×f) / (π×ＬＴ) ・・・ （２）

【0026】

図３に示すように、基本ユニット２１は、二値の位相分布として、凹凸パターンの周期構造を備える。複数の基本ユニット２１は、それぞれが同じ凹凸パターンの周期構造を備える。図３において黒く塗りつぶされた領域は凸部を示し、白抜きの領域は凹部を示している。基本ユニット２１が備える凹凸パターンは、光源１０から入射する平行光を二次元方向に回折させる。

【0027】

図４に示すように、回折光学素子２０は、ガラス等からなる透光性部材２２と、透光性部材２２の表面に形成された凸部２３と、を備える。回折光学素子２０では、透光性部材２２の表面において、凸部２３の形成されていない領域が凹部２４となる。凸部２３および凹部２４は、透光性部材２２上において凹凸パターン層２５を構成する。凸部２３は、ガラスまたは樹脂等の材料を含んで構成できる。

【0028】

透光性部材２２は、入射光に対し透光性があれば、ガラスの他、樹脂等の種々の材料を適用できる。ガラスや石英等の光学的等方材料を用いると、これらは複屈折性を有さないため、投影装置１により投影される線状パターンＬの品質を良好にする観点ではより好ましい。透光性部材２２に例えば、空気との界面に多層膜による反射防止膜等を形成すると、透光性部材２２による光反射を低減できるため好ましい。

【0029】

図４では、透光性部材２２の片面に凹凸パターンが形成された構成を例示したが、回折光学素子２０は、透光性部材２２の両面に凹凸パターンが形成されてもよい。回折光学素子２０の基本ユニット２１における位相分布は、入射光に位相差を与えることができれば、凹凸パターンによるものに限定されず、屈折率が二次元的に変化するものであってもよい。

【0030】

回折光学素子２０における基本ユニット２１の個数は整数である必要はなく、例えば、凹凸パターンを有さない周辺部等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２１の境界と必ずしも一致していなくてもよい。

【0031】

図２および図３では、回折光学素子２０の平面部と投影面Ｓとが略平行である構成を例示したが、両者は必ずしも略平行でなくてもよく、傾いていてもよい。

【0032】

（線状パターンＬの一例）
図５は、線状パターンＬを例示する模式図である。図６は、図５における領域Ｂの拡大図である。

【0033】

図５において、回折広がり角θｘおよびθｙは、回折光学素子２０により回折された複数のレーザビーム全体の広がり角を表す。回折広がり角θｘはｘ方向、回折広がり角θｙはｙ方向それぞれにおける広がり角である。

【0034】

レンズ距離ＺＬは、回折光学素子２０における光源１０側の面と、レンズ３０の主点（光学的な中心）と、の間の距離を表す。投影距離ＺＳは、回折光学素子２０における光源１０側の面と、投影面Ｓと、の間の距離を表す。

【0035】

図６に示すように、線状パターンＬは、ｘ方向に並ぶ複数の輝点Ｌｓから構成される。輝点Ｌｓは、回折光学素子２０により回折された複数のレーザビームにおける各レーザビームによって生成される。レーザビームの中心軸に直交する面内における輝点Ｌｓの断面形状は、レンズ３０によりｙ方向に集束されることによって、ｙ方向を短軸とする略楕円形になる。

【0036】

図６において、輝点長さＱｘは、複数の輝点Ｌｓそれぞれのｘ方向に沿った長さを表す。輝点長さＱｙは、複数の輝点Ｌｓそれぞれのｙ方向に沿った長さを表す。輝点長さＱｘは輝点Ｌｓを構成する楕円の長軸長さ、輝点長さＱｙは該楕円の短軸長さにそれぞれ対応する。輝点間隔ＶｘおよびＶｙは、複数の輝点Ｌｓにおける隣り合う輝点の中心同士の間の距離を表す。輝点間隔Ｖｘはｘ方向、輝点間隔Ｖｙはｙ方向それぞれにおける輝点間隔を表す。

【0037】

本実施形態では、輝点長さＱｘは輝点間隔Ｖｘよりも長く、複数の輝点Ｌｓの全ては、輝点長さＱｙが輝点長さＱｘよりも短い。投影装置１は、このような輝点Ｌｓがｘ方向に沿って並ぶように、複数の輝点Ｌｓを投影面Ｓに生成することにより、ｘ方向に沿って延伸する線状パターンＬを投影面Ｓに投影する。複数の輝点Ｌｓの全てにおいて、輝点長さＱｙと輝点長さＱｘは以下（３）式の関係を満たす。
Ｑｙ≦Ｑｘ×{π×(ＬＴ^２)} / (４×λ×ｆ) ・・・ （３）

【0038】

歪みεは、１つの線状パターンＬに含まれる複数の輝点Ｌｓのうち、ｙ方向において最も低い（ｙ軸負側）位置にある輝点Ｌｓの中心と、ｙ方向において最も高い（ｙ軸正側）位置にある輝点Ｌｓの中心と、の間の距離をいう。なお、ｙ軸正側とはｙ軸を示す矢印が向く方向をいい、ｙ軸負側とはｙ軸を示す矢印が向く方向とは反対側の方向をいう。

【0039】

ここで、回折光学素子２０の中心軸と、投影面Ｓの中心軸と、が略一致した状態において投影面Ｓ上に生成される複数の輝点Ｌｓは、投影面Ｓにおける四隅に近い位置に生成されるものほど位置ずれが大きくなる場合がある。この位置ずれは、回折光学素子２０による回折光の歪曲によって生じる。図６は、複数の輝点Ｌｓのうち、糸巻き型の歪曲により位置ずれした輝点Ｌｓを示している。歪みεは、このような歪曲による位置ずれ量を示す値である。

【0040】

線幅ＬＷは、線状パターンＬのｙ方向に沿った幅を表す。本実施形態では、輝点長さＱｙと歪みεとの和を線幅ＬＷとした。

【0041】

〈実施例、比較例〉
以下、実施例、比較例について説明するが、本発明は、これらの例に何ら限定されない。なお、例１は実施例、例２から例５は比較例、例６から例１１は実施例である。

【0042】

（評価方法）
表１は、実施例、比較例における投影装置の主な仕様値を示す表である。表１において、波長λは光源１０が出射する平行光の波長を表し、線数Ｌｎは投影面Ｓに投影される線状パターンＬの本数を表す。

【0043】

【表1】

【0044】

実施例、比較例において、表１に示した仕様値を満足する回折光学素子２０をシミュレーションにより設計し、設計した回折光学素子２０を用いて投影される線状パターンＬをシミュレーションにより求めて評価した。

【0045】

回折光学素子２０の設計および線状パターン評価のシミュレーションでは、フーリエ変換と逆フーリエ変換を繰り返す反復フーリエ変換法（ＩＦＴＡ：Iterative Fourier Transform Algorithm）と、光線追跡法と、を用いた。

【0046】

（投影面Ｓ上での線状パターンＬの評価領域）
図７は、実施例、比較例における投影面Ｓ上での線状パターンＬの評価領域を説明する図である。図８は、図７における領域Ｃの拡大図である。図９は、図８における四隅の領域を示す図である。

【0047】

線状パターンＬの評価では、図７に示すように、ｘ座標およびｙ座標により投影面Ｓを表し、互いに略平行な１０本の線状パターンＬが投影面Ｓに投影されるものとした。投影面Ｓの長さは、ｘ方向において６００．０ｍｍ、ｙ方向において４４０．０ｍｍとした。領域Ｃは、投影面Ｓにおける第１象限に該当する領域である。

【0048】

図８に示すように、領域Ｃには、１０本の線状パターンのうち、線状パターンＬ１から線状パターンＬ５までの５本が含まれるものとした。領域Ｃの大きさは、ｘ方向において３００．０ｍｍ、ｙ方向において２２０．０ｍｍとした。

【0049】

図９に示すように、実施例、比較例においては、領域Ｃにおける四隅の領域Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３およびＤ４を評価領域とし、評価領域に含まれる線状パターンＬ１およびＬ５を評価した。

【0050】

（評価結果）
図１０は、例１から例５の諸元と評価結果の一覧を示す図である。図１１から図１５は、線状パターンＬのシミュレーション結果を示す図である。

【0051】

図１０における各例の構成を示す図には、例ごとの違いを示すため、便宜的に主要な構成部のみを示した。輝点間隔Ｖｘ、輝点間隔Ｖｙ、歪みεおよび線幅ＬＷは、１つの線状パターンＬ内において変動するが、図１０ではそれぞれの最大値を示した。この点は、以下に示す図１６および図１７においても同様である。

【0052】

図１１から図１５では、領域Ｄ１は、ｘ座標が０．０ｍｍから４０．０ｍｍの領域を示し、領域Ｄ２は、ｘ座標が２６０．０ｍｍから３００．０ｍｍの領域を示す。また、領域Ｄ３は、ｘ座標が０．０ｍｍから４０．０ｍｍの領域を示し、領域Ｄ４は、ｘ座標が２６０．０ｍｍから３００．０ｍｍの領域を示す。

【0053】

＜例１＞
図１０に示すように、例１に係る投影装置１は、図１に示したものと同様に、回折光学素子２０と、ｙ方向のみに曲率を有するレンズ３０と、を備える構成とし、入射ビーム径φを７２００．０μｍとした。

【0054】

例１では、回折光学素子２０における凹凸パターン層２５の構成や、ピッチＰｘおよびＰｙ、レンズ距離ＺＬ、焦点距離ｆ等を最適化した結果、歪みεは６３．０μｍ以下となり、線幅ＬＷは９８．０μｍ以下となった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／２０５となった。なお、回折光学素子２０による回折光がレンズ３０に全て入射するようなレンズ距離ＺＬでは、ＺＬ＝ＺＳ－ｆが必ず成り立つ。

【0055】

図１１に示すように、領域Ｄ１から領域Ｄ４の各領域において、分裂や歪みを抑制し、品質が良好な線状パターンＬが得られた。ここで、線状パターンＬの分裂とは、線状パターンＬが複数の独立した部分に分かれることをいう。

【0056】

＜例２＞
図１０に示すように、例２に係る投影装置１Ｘ２は、回折光学素子２０Ｘ２を備え、レンズを備えない構成とし、入射ビーム径φを１００．０μｍとした。歪みεは４０５３．０μｍ以下となり、線幅ＬＷは４１５３．０μｍ以下となった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘと等しくなった。

【0057】

図１２に示すように、各領域の線状パターンＬは、複数の点状の輝点Ｌｓに分裂したものとなった。輝点長さＱｘおよびＱｙは１００．０μｍとなったが、領域Ｄ２のように歪みεによる輝点Ｌｓの位置ずれが大きくなった結果、線幅ＬＷは例１と比較して太くなった。

【0058】

＜例３＞
図１０に示すように、例３に係る投影装置１Ｘ３は、回折光学素子２０Ｘ３を備え、レンズを備えない構成とし、入射ビーム径φを８００．０μｍとした。歪みεは５４６．０μｍ以下となり、線幅ＬＷは１３４６．０μｍ以下となった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘと等しくなった。

【0059】

図１３に示すように、各領域の線状パターンＬにおいて、分裂はみられないが、波打つような位置ずれが大きくなった。また入射ビーム径φを大きくしたことに応じて線状パターンＬが全体的に、例１と比較して太くなった。

【0060】

＜例４＞
図１０に示すように、例４に係る投影装置１Ｘ４は、回折光学素子２０Ｘ４と、ｘ方向のみに曲率を有するレンズ３０Ｘ４を備える構成とし、入射ビーム径φを１００．０μｍとした。歪みεは３７６２．０μｍ以下となり、線幅ＬＷは３８６２．０μｍ以下となった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／１００となった。

【0061】

図１４に示すように、領域Ｄ２の線状パターンＬにおいて、大きな位置ずれと分裂が生じた。個々の線状パターンＬ自体は細くなったが、位置ずれが大きくなった結果、線幅ＬＷは例１と比較して太くなった。

【0062】

＜例５＞
図１０に示すように、例５に係る投影装置１Ｘ５は、ｘ方向のみに曲率を有するレンズ３０Ｘ５と、レンズ３０Ｘ５の投影面Ｓ側に配置された回折光学素子２０Ｘ５と、を備える構成とし、入射ビーム径φを１００．０μｍとした。歪みεは３８８２．０μｍ以下となり、線幅ＬＷは３９８２．０μｍ以下となった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／１０２となった。

【0063】

図１５に示すように、領域Ｄ２の線状パターンＬにおいて、大きな位置ずれと分裂が生じた。個々の線状パターンＬ自体は細くなったが、輝点Ｌｓの位置ずれが大きくなった結果、線幅ＬＷは例１と比較して太くなった。

【0064】

以上の結果から、例１から例５の中では、例１に係る投影装置１の構成が、線幅ＬＷが細く、かつ品質が良好な線状パターンＬを投影するためには、より好適であることが分かった。

【0065】

次に、例６から例１１について説明する。例６から例１１では、例１に係る投影装置１と同様に、回折光学素子２０と、ｙ方向のみに曲率を有するレンズ３０と、を備える構成とし、各諸元の数値を例１に対して変更した。

【0066】

図１６は、例６から例８の諸元および評価結果を示す図である。図１７は、例９から例１１の諸元および評価結果を示す図である。図１８から図２３は、線状パターンのシミュレーション結果を例示する図である。図１８は例６、図１９は例７、図２０は例８、図２１は例９、図２２は例１０、図２３は例１１の結果をそれぞれ示している。

【0067】

図１８から図２３では、領域Ｄ１は、ｘ座標が０．０ｍｍから４０．０ｍｍの領域を示し、領域Ｄ３は、ｘ座標が０．０ｍｍから４０．０ｍｍの領域を示している。

【0068】

図１８、図１９および図２２では、領域Ｄ２は、ｘ座標が２６０．０ｍｍから３００．０ｍｍの領域を示し、領域Ｄ４は、ｘ座標が２６０．０ｍｍから３００．０ｍｍの領域を示している。

【0069】

図２０では、領域Ｄ２は、ｘ座標が３００．０ｍｍから３４０．０ｍｍの領域を示し、領域Ｄ４は、ｘ座標が３００．０ｍｍから３４０．０ｍｍの領域を示している。

【0070】

図２１では、領域Ｄ２は、ｘ座標が１１０．０ｍｍから１５０．０ｍｍの領域を示し、領域Ｄ４は、ｘ座標が１１０．０ｍｍから１５０．０ｍｍの領域を示している。

【0071】

図２３では、領域Ｄ２は、ｘ座標が１３０．０ｍｍから１７０．０ｍｍの領域における線状パターンＬ５を示し、領域Ｄ４は、ｘ座標が１３０．０ｍｍから１７０．０ｍｍの領域における線状パターンＬ１を示している。

【0072】

＜例６＞
図１６に示すように、例６では、例１に対して線数Ｌｎを２０本に変更した。図１６および図１８に示すように、例６では、歪みεや線幅ＬＷは例１に対して変化しなかった。

【0073】

＜例７＞
図１６に示すように、例７では、回折光学素子２０における基本ユニットのピッチＰｘおよびＰｙを例１に対して変更した。例７では、線幅ＬＷを例１から約２倍になるよう変更した結果、入射ビーム径が変更になり、ピッチＰｘおよびＰｙも変更になった。歪みεは１２７．０μｍ、線幅ＬＷは１９８．０μｍとなり、例１に対して太くなった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／５１となった。図１９に示すように、各評価領域における線状パターンＬには分裂や歪みがみられず、品質が良好な線状パターンＬが得られた。

【0074】

＜例８＞
図１６に示すように、例８では、例１に対して、入射ビーム径φを８０００．０μｍに変更し、かつ回折光学素子２０における基本ユニットのピッチＰｘおよびＰｙと、回折広がり角θｘおよびθｙを変更した。例８では、回折拡がり角θｘおよびθｙを例１から変更した結果、入射ビーム径が変更になり、ピッチＰｘおよびＰｙも変更になった。歪みεは６８．０μｍ、線幅ＬＷは１００．０μｍとなり、例１に対してほぼ同程度になった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／２５０となった。図２０に示すように、各評価領域において、分裂や歪みがみられず、品質が良好な線状パターンＬが得られた。

【0075】

＜例９＞
図１６に示すように、例９では、例１に対して、入射ビーム径φを３６００．０μｍに変更し、かつ回折光学素子２０における基本ユニットのピッチＰｘおよびＰｙと、レンズ３０の焦点距離ｆを変更した。例９では、投影距離ＺＳを例１から変更した結果、焦点距離ｆが変更になり、入射ビーム径とピッチＰｘおよびＰｙも変更になった。歪みεは６３．０μｍ、線幅ＬＷは９８．０μｍとなり、例１に対してほぼ同程度になった。図２１に示すように、各評価領域において、線状パターンＬに多少の強度変動はみられるものの、分裂や歪みがみられず、品質が良好な線状パターンＬが得られた。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／１０３となった。

【0076】

＜例１０＞
図１６に示すように、例１０では、例１に対して、波長λを８５０．０ｎｍに、入射ビーム径φを１５２００．０μｍにそれぞれ変更し、かつ回折光学素子２０における基本ユニットのピッチＰｘおよびＰｙを変更した。例１０では、波長λを例1から変更した結果、入射ビーム径が変更になり、ピッチＰｘおよびＰｙも変更になった。歪みεは６４．０μｍ、線幅ＬＷは９９．０μｍとなり、例１に対してほぼ同程度になった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／４３４となった。図２２に示すように、各評価領域において、分裂や歪みがみられず、品質が良好な線状パターンＬが得られた。

【0077】

＜例１１＞
図１６に示すように、例１１では、例１に対して、波長λを８５０．０ｎｍに、入射ビーム径φを４２００．０μｍにそれぞれ変更し、かつ回折光学素子２０における基本ユニットのピッチＰｘおよびＰｙと、回折広がり角θｘおよびθｙを変更した。例１１では、上記の例６から例１０において変更した個所全てを例１から変更した結果、焦点距離ｆが変更になり、入射ビーム径とピッチＰｘおよびＰｙも変更になった。歪みεは１３２．０μｍ、線幅ＬＷは１９５．０μｍとなり、例１に対して太くなった。輝点長さＱｙは、輝点長さＱｘの１／６７となった。図２３に示すように、各評価領域において、分裂や歪みがみられず、品質が良好な線状パターンＬが得られた。

【0078】

以上、図１６から図２３に示した結果から、例６から例１１において、線幅ＬＷが細く、かつ品質が良好な線状パターンＬを投影できることがわかった。線幅ＬＷを細くする観点では、線幅ＬＷは、２５０．０μｍ以下が好ましく、１００．０μｍ以下がより好ましいことが分かった。

【0079】

なお、線幅ＬＷを細くしようとするほど輝点長さＱｙを小さくする必要があり、入射ビーム径Ｒは線幅ＬＷの仕様値をＬＴとしたとき、次の２つの式を満足する必要がある。
Ｒ≧(４×λ×ｆ) / (π×ＬＴ) ・・・ （４）
Ｒ≧√（Ｐｘ^２ ＋ Ｐｙ^２） ・・・ （５）
その結果、線幅ＬＷが細いほどピッチＰｘおよびＰｙを大きくすることができるため、輝点間隔および歪みを小さくすることができる。線幅ＬＷに対する輝点間隔および歪みの比率は線幅が変わってもほぼ一定であるため、線幅ＬＷの品質を良好にする観点では、線幅ＬＷに依らずほぼ一定であると考えられる。

【0080】

ここで、回折光学素子２０単体で実現可能な最小の線幅ＬＷについて検討を行ったところ、下記の点が線幅ＬＷに影響することが分かった。
・波長λ: 長いほど線幅ＬＷが大きくなる。
・投影距離ＺＳ: 長いほど線幅ＬＷが大きくなる。
・回折広がり角θｘ:広角であるほど線幅ＬＷが大きくなる。
・回折広がり角θｙ: 広角であるほど線幅ＬＷが大きくなる。
・線状パターンＬのｘ方向に沿った長さ：短いほど線幅ＬＷを小さくしやすい。
・１本の線状パターンＬを投影する場合に最も線幅ＬＷが小さくなる。
これらを踏まえて、線幅ＬＷを小さくしやすく現実的な諸元により線幅ＬＷを算出した結果、線幅ＬＷは２５０．０μｍ以下が好ましいことが分かった。

【0081】

＜投影装置１の作用効果＞
以上のように、投影装置１は、平行光を出射する光源１０と、光源１０における平行光が出射される側に配置される回折光学素子２０と、回折光学素子２０における光源１０とは反対側に配置され、ｙ方向（所定の方向）に曲率を有するレンズ３０と、を備える。レンズ３０は、ｘ方向（所定の方向に対して垂直な方向）に並ぶ複数の輝点Ｌｓを投影面Ｓに生成することにより、ｘ方向に沿って延伸する線状パターンＬを投影面Ｓに投影する。輝点長さＱｘ（ｘ方向に沿った輝点の長さ）は、輝点間隔Ｖｘ（複数の輝点における隣り合う輝点同士のｘ方向に沿った間隔）以上の長さであり、複数の輝点Ｌｓの全ては、輝点長さＱｙ（ｙ方向に沿った輝点の長さ）が輝点長さＱｘよりも短い。複数の輝点Ｌｓの全てにおいて、輝点長さＱｙと輝点長さＱｘは上記（３）式の関係を満たす。

【0082】

輝点長さＱｘを輝点間隔Ｖｘの長さよりも長くすることにより、分裂を抑制し、歪みを抑制した品質が良好な線状パターンＬを投影できる。また輝点長さＱｙを輝点長さＱｘよりも短くすることにより、ｘ方向に沿って延伸する線状パターンＬの線幅ＬＷを細くできる。その結果、線幅ＬＷが細く、かつ品質が良好な線状パターンＬを投影可能な投影装置１を提供できる。

【0083】

ここで、特許文献１に記載されている投影装置では、回折光学素子による回折光によって投影面に生成される複数の輝点同士の間隔や歪曲に伴う輝点の位置ずれは、回折光学素子への入射光の直径が小さいほど大きくなる。ピッチＰｘおよびＰｙが小さいほど輝点間隔および歪みは大きくなる。ピッチＰｘおよびＰｙは入射光の直径をＲとしたとき以下の式を満足する必要がある。
Ｒ≧√（Ｐｘ^２＋Ｐｙ^２）

【0084】

また、回折光学素子単体の場合には、入射光の直径は輝点の直径と等しくなる必要がある。そのため回折光学素子単体で線幅を細くするには入射光の直径を小さくする必要がある。結果的に入射光の直径が小さいほど位置ずれは大きくなるが、その原因はピッチが小さいためである。

【0085】

線状パターンＬの線幅ＬＷを細くする観点では、複数の輝点Ｌｓは、輝点長さＱｙが輝点長さＱｘの１／５０以下であることが好ましい。輝点長さＱｙは、２５０．０μｍ以下であるとより好ましく、１００．０μｍ以下であるとさらに好ましい。

【0086】

また本実施形態では、レンズ３０は、複数の線状パターンＬを投影面Ｓに投影し、複数の線状パターンＬは、互いに平行である。例えば投影装置１をセンシング用途等に適用して投影装置１から線状パターンＬをプローブ光として投影する場合に、より広い範囲に高い空間分解能でプローブ光を照射できる。

【0087】

また本実施形態では、レーザビーム（平行光）の中心軸に直交する面内におけるレーザビームの断面形状は、略円形である。これにより、回折光学素子２０による回折の異方性を抑制できる。

【0088】

また本実施形態では、回折光学素子２０は、複数の基本ユニット２１を含む。複数の基本ユニット２１は、それぞれが同一の凹凸パターン層２５を有し、少なくともｘ方向に沿って所定のピッチＰｘで並んで形成されており、入射ビーム径φは、ピッチＰｘより大きい。なお、線幅ＬＷの仕様値をＬＴとすると、レーザビームの直径は線数Ｌｎによらず、上記の（１）式および（２）式を満足する。この構成により、ｘ方向において、１つの基本ユニット２１全体を使って、回折光学素子２０に入射する１本のレーザビームを効率よく回折させることができる。

【0089】

また本実施形態では、回折光学素子２０は、略平行なレーザビーム（平行光）を出射し、レンズ３０は、回折光学素子２０から出射された略平行なレーザビーム光を入射する。換言すると、レンズ３０は物体側テレセントリックレンズである。この構成により、回折光学素子２０とレンズ３０との距離が投影面Ｓにおける線状パターンＬに影響しなくなるため、投影装置１における部品配置等の自由度を向上させることができる。

【0090】

以上、好ましい実施形態について詳説したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形および置換を加えることができる。

【0091】

実施形態に係る投影装置は、ＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging：光による距離検出装置）等の光を用いたセンシングや、プロジェクタ等の画像投射装置等の光学的手法を用いる多様な分野に適用できる。

【符号の説明】

【0092】

１ 投影装置
１０ 光源
２０ 回折光学素子
２１ 基本ユニット
２２ 透光性部材
２３ 凸部
２４ 凹部
２５ 凹凸パターン層
３０ レンズ
Ｌ 線状パターン
Ｓ 投影面
Ｐｘ、Ｐｙ ピッチ
θｘ、θｙ 回折広がり角
ＺＬ レンズ距離
ＺＳ 投影距離
Ｌｓ 輝点
ＬＷ 線幅
Ｖｘ、Ｖｙ 輝点間隔
Ｑｘ、Ｑｙ 輝点長さ
ε 歪み
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４ 領域
ｆ 焦点距離
φ 入射ビーム径

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】