DE10128768A1

DE10128768A1 - Diffraktive OFF-axis-Strahlformer und Stahlenteiler zum Vermindern der Empfindlichkeit bezüglich Fertigungstoleranzen

Info

Publication number: DE10128768A1
Application number: DE10128768A
Authority: DE
Inventors: David Renick Brown
Original assignee: Mems Optical Inc
Current assignee: Mems Optical Inc
Priority date: 2000-06-16
Filing date: 2001-06-13
Publication date: 2002-04-04
Also published as: JP2002048908A; US6922286B2; US6731432B1; US20040201894A1

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung wird ein in Verbindung mit einem Off-axis-Gitter verwendetes diffraktives Element zum Verschieben eines Strahls einer gewünschten Ordnung von einer optischen Achse eines Eingangsstrahls bereitgestellt, wodurch durch unerwünschte Ordnungen verursachte Interferenzen reduziert werden. Durch die Verwendung eines Off-axis-Gitters kann ein gleichmäßigerer Strahl erhalten werden, wenn Fertigungsdefekte, z. B. Ätztiefenfehler, vorhanden sind. Das in Verbindung mit dem Off-axis-Gitter verwendete diffraktive Element kann einen Strahlformer, einen eindimensionalen Strahlenteiler oder einen zweidimensionalen Strahlenteiler aufweisen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft diffraktive optische Strukturen und insbesondere diffraktive optische Strukturen, die einen Lichtstrahl formen oder teilen bzw. zerlegen und in denen ein gleichmäßiges Ausgangslicht erforderlich ist. Erfindungsgemäße diffraktive optische Strukturen, die ach senversetzte oder Off-axis-Strahlen erzeugen, können vor teilhaft zum Strahlformen und Strahlenteilen verwendet wer den.

Der hierin verwendete Ausdruck "Strahlformer" bezeich net ein optisches Element, das zum Ändern der Form oder der Energieverteilung eines Lichtstrahls verwendet wird. Daher kann ein Strahlformer die Größe eines Lichtstrahls, die durch den Strahl ausgeleuchtete Fläche, wenn er auf eine Fläche projiziert wird, die Energieverteilung eines Licht strahls oder eine Kombination davon ändern. Ein Beispiel der Änderung der Energieverteilung eines Lichtstrahls ist die Umwandlung einer gaußförmigen Lichtverteilung in eine gleichmäßige Lichtverteilung. Strahlformer können alternativ als "Strahlumformer" oder "Strahlumwandler" bezeichnet wer den. Außerdem bezeichnet der hierin verwendete Ausdruck "Strahlenteiler" ein optisches Element, das einen Licht strahl in zwei oder mehr getrennte Lichtstrahlen mit ähnli chen Eigenschaften teilt oder zerlegt.

Fig. 1 zeigt eine herkömmliche On-axis-Strahlformungs anordnung. Ein Eingangsstrahl 10 mit einer gaußförmigen E nergieverteilung wird durch einen diffraktiven Strahlformer 11 transmittiert. Der erhaltene geformte Strahl 12, der eine gleichmäßige Energieverteilung aufweist, trifft auf einen Strahlkorrektor 13, der entlang der optischen Achse des Ein gangsstrahls 10 in einem Abstand d vom Strahlformer 11 ange ordnet ist. Der diffraktive Strahlkorrektor 13 korrigiert eine durch den Strahlformer 11 verursachte Phasenverschie bung im geformten Strahl 12. Die dargestellte Strahlfor mungsanordnung wird als "On-axis"-Strahlformungsanordnung bezeichnet, weil der Ausgangsstrahl 14 auf der Achse des Eingangsstrahls 10 angeordnet ist. Wenn die Phasenkorrektur funktion nicht erwünscht ist, könnte die dargestellte Anord nung ausschließlich aus dem Strahlformer 11 bestehen.

Fertigungstoleranzen können die Ausgangslichtqualität von Strahlformern, z. B. des in Fig. 1 dargestellten Strahl formers, erheblich beeinträchtigen. Beispielsweise sind bei der Herstellung diffraktiver optischer Elemente durch Troc kenätzen die Ätzprozesse nicht exakt, so daß die Endform des optischen Elements möglicherweise von der durch einen optischen Designer festgelegten und zu ätzenden "gewünsch ten" oder "perfekten" Form abweicht. Solche Fertigungsfehler oder -toleranzen treten auch bei anderen Verfahren zum Her stellen diffraktiver optischer Elemente auf.

Fig. 2 zeigt eine simulierte Ausgangslichtintensität für einen On-axis-Strahlformer, der dafür vorgesehen ist, einen gleichmäßigen Strahl zu erzeugen, für verschiedene Ätztiefenfehler. Für den "perfekten" optischen Fall 20 (d. h., wenn die Strahlform ohne Fertigungs- oder Ätzfehler simuliert wird) beträgt die Peak-to-Valley-(Spitze- Tal) Ungleichmäßigkeit in der Intensität des Ausgangsstrahls 2%. Für den Fall 21, d. h. für einen Ätztiefenfehler von 0,5%, nimmt die Peak-to-Valley-Ungleichmäßigkeit der Inten sität des Ausgangsstrahls auf 10% zu. Für den Fall 22, d. h. für einen Ätztiefenfehler von 3,0%, nimmt die Peak-to- Valley-Ungleichmäßigkeit der Intensität des Ausgangsstrahls auf 46% zu. Eine typische Ätztiefentoleranz, durch bei einem herkömmlichen Trockenätzprozeß eine hohe Produktivität er reicht wird, beträgt ±3%, wodurch die durch die Kurve 22 dargestellte Ungleichmäßigkeit von 46% erzeugt wird. Für viele Anwendungen von Strahlumformern oder -umwandlern, z. B. in der Lithografie oder in der Holografie, beträgt die ge wünschte Ungleichmäßigkeit des Strahls ±3%, was einem Ätz fehler von weniger als 3% entspricht, der daher durch einen solchen herkömmlichen Prozeß, durch den eine hohe Produktion gewährleistet wird, nicht erreichbar ist.

Das Maß der Ungleichmäßigkeit der Strahlintensität ist eine Funktion der durch den Strahlformer erzeugten Strahl größe. Wenn der Strahlformer einen gleichmäßigen Strahl er zeugt, der wesentlich schmaler ist als der Eingangsstrahl, dessen Größe z. B. 1/8 der Größe des Eingangsstrahls ent spricht, könnte die durch einen Ätzfehler von 3% erzeugte zusätzliche Ungleichmäßigkeit nur 2% betragen. Die Effekte des Ätzfehlers von 3% nehmen jedoch für einen Strahl, der auf 1/4 der Größe des Eingangsstrahls reduziert ist, rasch auf 19% zu.

Die in den Ausgangsstrahlen 21 und 22 in Fig. 2 beo bachteten Ungleichmäßigkeiten sind das Ergebnis unerwünsch ter Ordnungen, die durch Beugungsinterferenzen mit der ge wünschten Ordnung des Ausgangsstrahls erzeugt werden. Obwohl die Energie in diesen Ordnungen möglicherweise nur wenige Prozent der gesamten Eingangsenergie beträgt, können sie ei nen wesentlichen Einfluß auf die Ungleichmäßigkeit des Strahls haben, wie in Fig. 2 dargestellt. Das dieser Er scheinung zugrunde liegende Problem besteht darin, daß alle Ordnungen eines diffraktiven On-axis-Systems symmetrisch um die optische Achse ausgerichtet angeordnet sind. Weil ein auf diese Weise umgeformter oder umgewandelter Strahl kohä rent ist, interferieren symmetrisch angeordnete Strahlen mehrerer Ordnungen und verursachen die in Fig. 2 dargestell te Ungleichmäßigkeit.

Difraktive On-axis-Strahlenteiler, wie beispielsweise der in den Fig. 3a und 3b dargestellte Strahlenteiler, weisen ähnliche Interferenzprobleme durch unerwünschte Beu gungsordnungen auf. Solche diffraktiven On-axis-Strahlen teiler können eine extrem enge Toleranz bezüglich der Ätz tiefe des diffraktiven Elements haben, wodurch die Produkti vität abnimmt und die Kosten eines solchen Elements auf ein unwirtschaftliches Maß zunehmen können.

Die Fig. 3a und 3b zeigen eine perspektivische bzw. eine Seitenansicht eines diffraktiven On-Axis-Strahlen teilers, der fünf Strahlen erzeugt. Ein Eingangslichtstrahl 30 trifft auf einen diffraktiven Strahlenteiler 31, der so konstruiert ist, daß er den Eingangsstrahl 30 in einen Strahl 32 0. Ordnung und in vier gebeugte Strahlen 33 höhe rer Ordnungen teilt. Der dargestellte diffraktive Strahlen teiler wird als "On-axis"-Strahlenteiler bezeichnet, weil die Ausgangsstrahlen 32 und 33 entlang einer Linie angeord net sind, die die Achse des Eingangsstrahls 30 schneidet. Fig. 3c zeigt die fünf Strahlen in ihrer eindimensionalen On-axis-Anordnung.

Für den "perfekten" optischen Fall (nicht dargestellt) beträgt die Peak-to-Valley-Ungleichmäßigkeit der Intensität der Ausgangsstrahlen 32 und 33 6%, und der Wirkungsgrad des Strahlenteilers beträgt 92%. Für einen Ätztiefenfehler von 3,0% beträgt die Peak-to-Valley-Ungleichmäßigkeit der Inten sität der Ausgangsstrahlen 26%, und der Wirkungsgrad beträgt 91%. Eine typische Ätztiefentoleranz, durch die eine hohe Produktivität erreicht wird, beträgt in einem herkömmlichen Trockenätzprozeß ±3,0%, wodurch eine Ungleichmäßigkeit von 26% erzeugt wird. Diese Ungleichmäßigkeit zwischen geteilten Strahlen wird durch die Ausrichtung der gebeugten Strahlen und des Strahls 0. Ordnung entlang einer Linie verursacht. Für viele Anwendungen von Strahlenteilern, z. B. in der Kom munikation oder Datenübertragung und beim Bohren von Löchern oder zum Markieren oder Kennzeichnen, beträgt die Ungleich mäßigkeit zwischen den Strahlen weniger als ±5,0%, was einem Ätzfehler von weniger als 3% entspricht, die daher durch ei nen solchen herkömmlichen Prozeß, durch den einen hohe Pro duktivität gewährleistet wird, nicht erreichbar ist.

Daher ist offensichtlich, daß herkömmliche diffraktive On-axis-Strahlformer und Strahlenteiler extrem enge Toleran zen für die Ätztiefe der diffraktiven Elemente aufweisen. Solche Toleranzen senken die Produktivität und erhöhen die Kosten solcher Elemente auf ein unwirtschaftliches Maß. Au ßerdem sind diffraktive optische Elemente wellenlängensensi tiv, und die herkömmlichen On-axis-Konfigurationen können nur bei den Wellenlängen verwendet werden, für die sie kon struiert sind.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein diffraktives optisches Element bereitzustellen, durch das eines oder mehrere der Probleme oder Einschränkungen her kömmlicher diffraktiver On-axis-Elemente wesentlich redu ziert werden.

Es ist eine andere Aufgabe der Erfindung, einen dif fraktiven Strahlenteiler und/oder einen diffraktiven Strahlformer bereitzustellen, der bezüglich Fertigungsfeh lern und der Wellenlänge weniger empfindlich ist als her kömmliche Elemente.

Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentan sprüche gelöst.

Durch die Konstruktion eines Strahlformers oder eines Strahlenteilers, der um ein definiertes Mindestmaß achsen versetzt ist, um die gewünschte(n) Ornung(en) des gebeugten Strahl von der (den) Ordnung(en) zu trennen, die bezüglich Fertigungstoleranzen empfindlich sind, kann das bei der Fer tigung auftretende Problem, das darin besteht, die erforder liche enge Toleranz in der Ätztiefe zu erreichen, die für einen hochgradig gleichmäßigen Strahl erforderlich ist, eli miniert werden. Durch diese Off-axis-Konfiguration wird au ßerdem ermöglicht, daß ein diffraktiver Strahlformer oder Strahlenteiler für ein großes Wellenlängenband verwendbar ist.

Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden teilweise in der folgenden Beschreibung dargestellt und teilweise anhand der Beschreibung offensichtlich oder werden durch die praktische Anwendung der Erfindung klar. Diese Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden durch die in den beigefügten Ansprüchen dargestellten spezifischen Elemente und Kombinationen realisiert.

Um die hierin ausführlich dargestellten erfindungsgemä ßen Aufgaben zu lösen, wird ein Off-axis-Strahlformer zum Erzeugen eines Ausgangsstrahls einer gewünschten Ordnung und mit einer gewünschten Energieverteilung bereitgestellt, wo bei der Strahlformer ein optisches Substrat und eine auf dem optischen Substrat ausgebildete diffraktive Fläche aufweist, um sowohl eine Strahlformungsfunktion bezüglich eines Ein gangsstrahls auszuführen als auch den Ausgangsstrahl der ge wünschten Ordnung von allen anderen gebeugten Strahlen ande rer Ordnungen räumlich zu trennen und dadurch Interferenzen zwischen dem Ausgangsstrahl und gebeugten Strahlen anderer Ordnungen zu vermeiden.

Gemäß einem anderen Aspekt wird durch die Erfindung ein Off-axis-Strahlenteiler zum Erzeugen mehrerer im wesentli chen identischer Ausgangsstrahlen bereitgestellt, wobei der Strahlenteiler ein optisches Substrat und eine auf dem opti schen Substrat ausgebildete diffraktive Fläche aufweist, um einen Eingangsstrahl in mehrere im wesentlichen identische Ausgangsstrahlen zu teilen und die mehreren Ausgangsstrahlen von einer optischen Achse des Eingangsstrahls weg zu ver schieben.

Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Ver fahren zum Formen eines Eingangsstrahls durch ein diffrakti ves optisches Element bereitgestellt, mit den Schritten:
Beugen eines Eingangsstrahls, so daß er in einem vorgegebe nen Abstand vom optischen Element eine gewünschte Form und eine gewünschte Energieverteilung aufweist, und räumliches Trennen eines Ausgangsstrahls mit einer gewünschten Ordnung von anderen gebeugten Strahlen anderer Ordnungen in dem vor gegebenen Abstand.

Gemäß einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen mehrerer im wesentlichen identischer und gleichmäßiger Ausgangslichtstrahlen bereitgestellt, mit den Schritten: Teilen eines Eingangsstrahls in die mehreren im wesentlichen identischen Ausgangsstrahlen und Verschieben der mehreren Ausgangsstrahlen von einer optischen Achse des Eingangsstrahls weg.

Die vorstehende allgemeine Beschreibung und die nach stehende ausführliche Beschreibung sind lediglich exempla risch und dienen zur Erläuterung und sollen die Erfindung nicht einschränken.

Die beigefügten Zeichnungen zeigen mehrere Ausführungs formen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschrei bung zum Erläutern der erfindungsgemäßen Prinzipien.

Für Fachleute sind unter Bezug auf die Figuren weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung ersicht lich; es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht eines herkömmlichen On-axis- Strahlformers;

Fig. 2 das simulierte Ausgangssignal des herkömmlichen On-axis-Strahlformers von Fig. 1 für verschiedene Ätztie fenfehler;

Fig. 3a und 3b eine perspektivische bzw. eine Sei tenansicht eines herkömmlichen diffraktiven On-axis- Strahlenteilers, der fünf Strahlen erzeugt;

Fig. 3c die durch den Strahlenteiler in den Fig. 3a und 3b erzeugten fünf Strahlen in ihrer eindimensionalen On- axis-Anordnung;

Fig. 4 eine Seitenansicht eines Konstruktionsbeispiels eines Off-axis-Strahlformers;

Fig. 5a und 5b zwei Grenzfälle der Trennung von Ord nungen für diffraktive Strahlformer;

Fig. 6 das Ergebnis einer Strahlintensitätssimulation, wobei die Radien der Strahlen der 0. und der 1. Ordnung gleich sind;

Fig. 7 Strahlintensitäten einer herkömmlichen On-axis- Anordnung im Vergleich zu einer erfindungsgemäßen Off-axis- Anordnung;

Fig. 8 ein Diagramm einer durch einen Off-axis- Strahlformer erhaltenen gemessenen Strahlintensität;

Fig. 9a eine perspektivische Ansicht eines erfindungs gemäßen eindimensionalen Off-axis-Strahlenteilers;

Fig. 9b die durch den Strahlenteiler von Fig. 9a er haltenen sechs Strahlen in ihrer Off-axis-Anordnung;

Fig. 10 eine 5 × 5-Matrix von Strahlen, die durch einen zweidimensionalen Strahlenteiler erzeugt werden, wobei der Strahl der 0. Ordnung in der Mitte angeordnet ist;

Fig. 11 eine 5 × 5-Matrix von Strahlen, die durch einen zweidimensionalen Strahlenteiler erzeugt werden, verschoben um eine Ordnung; und

Fig. 12 eine 5 × 5-Matrix von Strahlen, die durch einen zweidimensionalen Strahlenteiler erzeugt werden, verschoben um sieben Ordnungen.

Nachstehend werden die exemplarischen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. Immer wenn es möglich ist, werden in den Zeichnungen die gleichen Bezugszeichen verwendet, um die gleichen oder ähn liche Teile zu bezeichnen.

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist einer Strahlformungsfunktion (oder Strahlumformungs- oder -umwandlungsfunktion) eine Blazed-Gitter-Funktion über lagert, um einen Off-axis-Strahlformer (oder Strahlumformer bzw. Strahlumwandler) zu bilden. D. h., außer daß der erfin dungsgemäße Off-axis-Strahlformer seine gewünschte Strahl formungsfunktion ausführt, weist er außerdem eine diffrakti ve oder Beugungsfunktion auf, gemäß der eine oder mehrere gewünschte Beugungsordnungen bezüglich der optischen Achse des Eingangsstrahls abgelenkt werden, wodurch eine Trennung mindestens vom transmittierten Strahl 0. Ordnung erhalten wird.

Im Fachgebiet der Gittertechnik sind verschiedene Tech niken zum Konstruieren von Beugungsgittern zum Ausführen ge wünschter optischer Funktionen bekannt. Basierend auf dem Verständnis der hierin beschriebenen erfindungsgemäßen opti schen Funktionen sind für Fachleute verschiedene Verfahren zum Konstruieren von Gittern ersichtlich, die die darge stellten Funktionen ausführen. Ein Beugungsgitterkonstrukti onsverfahren ist das sogenannte Gerchberg-Saxpon-Verfahren, das ein iterativer Algorithmus ist, wobei Strahlformen und -intensitäten an Eingangs- und Ausgangsebenen definiert wer den. Hierbei wird ermöglicht, daß die Phase der Eingangs- und Ausgangsstrahlen sich ändern kann, bis der Algorithmus zu einer Beugungsgitterstruktur konvergiert, die den defi nierten Strahl an der Ausgangsebene vom Eingangsstrahl er zeugen wird. Auf diese Weise können erfindungsgemäße diffraktive Off-axis-Strahlformer und Strahlenteiler kon struiert werden. Für Fachleute ist ersichtlich, daß andere Verfahren zum Konstruieren von Strahlformern und Strahlen teilern mit den hierin beschriebenen Eigenschaften zur Ver fügung stehen.

Fig. 4 zeigt ein Beispiel einer Off-axis-Strahlfor mungskonfiguration. Ein Eingangsstrahl 40 mit einer gaußför migen Energieverteilung tritt in einen Strahlformer 41 ein. Dieser Strahlformer 41 führt nicht nur eine diffraktive For mungsfunktion aus, sondern weist auch ein Beugungsgitter zum räumlichen Trennen einer gewünschten Ordnung des transmit tierten Lichtstrahls auf. Die Periode eines solchen Gitters sollte klein genug sein, um die Beugungsordnungen an der E bene des Strahlkorrektors 43 in einem Abstand d vom Strahl former 41 zu trennen. Die optische Achse 42 des Strahls 42 der gewünschten Beugungsordnung, der eine gleichmäßige Ener gieverteilung aufweist, wird von der optischen Achse des Eingangsstrahls 40, entlang der die unerwünschten Ordnungen (z. B. 0. Ordnung, 2. Ordnung, usw.) transmittiert werden, versetzt. Der Korrektor 43 erzeugt einen phasenkorrigierten Strahl 44 von dem Off-axis-Strahl 42 der gewünschten Ord nung. Der Phasenkorrektor 43 weist außerdem ein Off-axis- Beugungsgitter zum Andern der Richtung des Off-axis-Strahls 42 der gewünschten Ordnung auf, um den korrigierten Aus gangsstrahl 44 zu erzeugen. Die Mitte des Ausgangsstrahls 44 ist um eine Strecke y von der Mitte der On-axis-Strahlen (z. B. der 0. Ordnung) versetzt.

Obwohl in Fig. 4 der Phasenkorrektor 43 dargestellt ist, sind einige Strahlformeranwendungen bekannt, für die kein gleichphasiger Strahl erforderlich ist (z. B. für einen Schneidlaser), wobei bei diesen Anwendungen der Korrektor 43 nicht erforderlich ist. Der Korrektor 43 kollimiert den Off- axis-Strahl 42 und ist nützlich, wenn der korrigierte Aus gangsstrahl 44 über eine größere Strecke übertragen werden soll. Außerdem muß der Phasenkorrektor 43 nicht veranlassen, daß der Ausgangsstrahl 44 bezüglich des Eingangsstrahls 42 achsenversetzt wird, stattdessen kann der Off-axis-Strahl 42 entlang seiner optischen Achse transmittiert werden. Die in Fig. 4 dargestellte Struktur ist gegenüber einer solchen alternativen Korrektorkonfiguration vorteilhaft, weil in Fig. 4 der Ausgangsstrahl 44 die Effekte 0. Ordnung des Kor rektors nicht aufweist. Obwohl der Korrektor 43 in seiner 0. Ordnung keine so große Ungleichmäßigkeit des Strahls erzeugt wie der Strahlformer in seiner 0. Ordnung, ist es, um einen möglichst gleichmäßigen Ausgangsstrahl 44 zu erhalten, wün schenswert, daß der Strahl 44 weder Strahlen unerwünschter Ordnungen (z. B. der 0. Ordnung) vom Strahlformer 41 enthält, noch Strahlen unerwünschter Ordnungen (z. B. der 0. Ordnung) vom Phasenkorrektor 43.

Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfin dung besteht darin, daß die diffraktive Fläche des Strahl formers 41 sich auf der Innenfläche des Elements (d. h. auf der dem Korrektor 43 zugewandten Fläche) befindet, und daß die diffraktive Fläche des Korrektors 43 sich auf der Innen fläche des Elements (d. h. auf der dem Strahlformer 43 zuge wandten Fläche) befindet, wie in Fig. 4 dargestellt. Zwei Hauptgründe für diese bevorzugte Anordnung sind, daß die diffraktiven Flächen dadurch leicht von der Umgebung abge schirmt werden können, und daß die Toleranzen für die Dicke der Substrate größer sind als in anderen Konfigurationen. D. h., so lange die einander zugewandten diffraktiven Flächen um einen Abstand d voneinander beabstandet sind, können die Dicken der optischen Substrate, auf denen sie ausgebildet sind, variieren.

Die Fig. 5a und 5b zeigen zwei Grenzfälle der Ten nung von Ordnungen für diffraktive Strahlformer. In jedem der dargestellten Beispiele haben Strahlen 0. bis 4. Ordnung einen konstanten Abstand h zwischen ihren jeweiligen Mitten.

Fig. 5a zeigt den Grenzfall, in dem der gewünschte Strahl 1. Ordnung größer ist als der Strahl 0. Ordnung und näher zum Strahl 2. Ordnung angeordnet ist. Fig. 5b zeigt den Grenzfall, in dem der gewünschte Strahl 1. Ordnung kleiner ist als der Strahl 0. Ordnung und näher zu diesem angeordnet ist. Die Strahlen höherer Ordnung folgen Asymptoten, die durch die Vergrößerung des Strahlformers definiert sind. Ein Schlüsselparameter ist die durch die Variable h bezeichnete minimale Trennung zwischen Mitten der Ordnungen.

Fig. 5a zeigt gebeugte Strahlen 50-54 der 0. bis 4. Ordnung, deren Mitten um einen Abstand h getrennt sind. Der Strahl 51 ist der gewünschte Strahl 1. Ordnung. Gemäß Fig. 5a, und insbesondere gemäß der linearen Gleichung der Asym ptoten, ist ersichtlich, daß:

h < 3r₁ - r₀ + s = r₂ + r₁ + s [1]

ist, wobei r₂ den Radius der 2. Ordnung, r₁ den Radius der 1. (gewünschten) Ordnung, r₀ den Radius der 0. Ordnung und s eine minimale zulässige Trennung zwischen der 1. und der 2. Ordnung bezeichnen. Diese minimale Trennung s ist abhängig von der Form des gewünschten Strahls. Wenn der gewünschte Strahl an seinen Rändern einen kleinen "Roll-off"-Wert (die ser Wert bezeichnet die Breite vom äußersten Abschnitt der vollen Intensität eines Strahls zum Rand des Strahls, wo die Intensität im wesentlichen auf null abfällt) aufweist, wird die Trennung s gering sein. Wenn der Roll-off-Wert des Strahls groß ist, wird s ebenfalls groß sein. Im allgemeinen sollte s etwa doppelt so groß sein wie die Breite des Roll- off-Wertes des gewünschten Strahls.

Fig. 5b zeigt gebeugte Strahlen 55-59 der 0. bis 4. Ordnungen, deren Mitten um einen Abstand h getrennt sind. Der Strahl 56 ist der gewünschte Strahl 1. Ordnung. Gemäß Fig. 5b ist ersichtlich, daß

h < r₀ + r₁ + s [2]

ist, wobei r₀ den Radius des (unabgelenkten) Strahls der 0. Ordnung bezeichnet und s größer ist als die Summe der Brei ten der Roll-off-Werte der 0. und der 1. Ordnung. In den Gleichungen 1 und 2 kann s verschiedene Werte aufweisen. Die Gleichungen 1 und 2 lauten zusammengefaßt:

Nachdem h bestimmt worden ist, kann die auf dem Strahlformer überlagerte maximale Periode des Beugungsgitters aus der Gittergleichung für normalen Lichteinfall bestimmt werden:

wobei θ_m den Winkel von der Normaleinfallrichtung des gebeug ten Strahls der m-ten Ordnung, λ die Wellenlänge und Λ die Gitterperiode bezeichnen. Wenn der geformte Strahl in einem Abstand d vom optischen Formungselement erscheint, gilt die folgende, aus einer beliebigen der Gleichungen 4 erhaltene Beziehung:

Es sollte erwähnt werden, daß die Gitterperiode des Korrek tors 43 sich von der Periode Λ in Gleichung 5 unterscheiden wird; d. h., sie wird nΛ betragen, wobei n den Brechungsindex des Korrektors 43 bezeichnet.

Fig. 6 zeigt das Ergebnis einer Strahlintensitätssimu lation, wobei r₀ = r₁ ist. Die Strahlintensität ist als Funk tion des Abstands dargestellt, und das Diagramm ist auf dem gewünschten Strahl 60 der 1. Ordnung zentriert. Es ist das Ergebnis eines Ätzfehlers von 5% für eine Off-axis- Konstruktion dargestellt. Der gewünschte Strahl 60 der 1. Ordnung ist getrennt von Strahlen 61-63 der unerwünschten 0. bis 2. Ordnungen dargestellt. Die Ungleichmäßigkeit der simulierten (jedoch nicht dargestellten) "perfekten" Optik beträgt 4%. Die Ungleichmäßigkeit des Off-axis-Strahls 60 der 1. Ordnung beträgt 12%. Es wird vermutet, daß ein Teil dieser Ungleichmäßigkeit sich aufgrund eines durch das Feh len eines Sicherheitsbandes bzw. Guard Band für die höheren Beugungsordnungen verursachten Simulationsfehlers ergibt,

Fig. 7 zeigt Strahlintensitäten für On-axis- und Off- axis-Konstruktionen überlagert. Kurve 70 zeigt die Gleichmä ßigkeit eines Off-axis-Strahls der gewünschten Ordnung. Kur ve 71 zeigt die relative Ungleichmäßigkeit eines On-axis- Strahls eines herkömmlichen Systems. Der Strahl 71 des On- axis-Systems weist eine Ungleichmäßigkeit von 36% auf. Wie vorstehend erwähnt, beträgt die Ungleichmäßigkeit des Off- axis-Strahls 70 für den gleichen Ätzfehler lediglich 12%.

Fig. 8 zeigt ein Meßergebnis 80 der Strahlintensität der gewünschten Ordnung für einen Off-axis-Strahlformer. Wie dargestellt, zeigt der Strahl über seine Breite ein gleich mäßiges Verhalten.

Ein anderes nützliches Merkmal der Erfindung ist, daß der Strahlformer auch ein breiteres Wellenlängenband formen wird als ein herkömmlicher Strahlformer. Auch eine Wellen länge, die sich von der Designwellenlänge um 30% unterschei det, wird mit guter Gleichmäßigkeit geformt, weil durch eine Änderung der Wellenlänge tendentiell die gleichen Fehler wie durch eine falsche Ätztiefe erzeugt werden. Bei der Verwen dung einer anderen Wellenlänge existieren zwei Unterschiede. Der Abstand d vom optischen Formungselement, wo der geformte Strahl erscheint, wird durch

modifiziert, wobei d' und λ' den neuen Abstand bzw. die neue Wellenlänge bezeichnen und λ die ursprüngliche Designwellen länge ist. Der zweite Effekt besteht darin, daß der Wir kungsgrad der Vorrichtung abnehmen wird, was eine bekannte Eigenschaft diffraktiver optischer Elemente ist.

Fig. 9a zeigt einen erfindungsgemäßen eindimensionalen Off-axis-Strahlenteiler. Unter einem "eindimensionalen" Strahlenteiler wird hierin ein Strahlenteiler bezeichnet, der zwei oder mehr Ausgangsstrahlen erzeugt, die, wenn sie auf eine ebene Fläche projiziert werden, entlang einer Linie angeordnet sind. Ähnlicherweise erzeugt ein "zweidimensiona ler" Strahlenteiler mehrere Strahlen, die, wenn sie auf eine ebene Fläche projiziert werden, eine zweidimensionale Matrix bzw. ein zweidimensionales Muster bilden. Ein Eingangsstrahl 90 tritt in den Off-axis-Strahlenteiler 81 ein, der veran laßt, daß der Strahl in 5 gebeugte Strahlen 93 geteilt wird, die auf einer eindimensionalen Linie liegen, die von der op tischen Achse des Eingangsstrahls 91 lateral beabstandet ist. Diese fünf gebeugten Strahlen sind die Strahlen der ge wünschten Ordnungen. Außerdem veranlaßt der Strahlenteiler 91, daß der Strahl 92 einer unerwünschten Ordnung (z. B. der 0. Ordnung) entlang der optischen Achse des Eingangsstrahls 91 (d. h. On-axis) projiziert wird.

Der Strahlenteiler 91 ist so konstruiert, daß die Strahlen 93 der gewünschten Ordnung vom Strahl 92 der uner wünschten Ordnung weit genug beabstandet sind, so daß die Gleichmäßigkeit der Strahlen 93 durch Fabrikationsfehler nicht wesentlich beeinflußt wird. Im Fall des vorstehend be schriebenen Strahlenteilers ist eine Gleichmäßigkeit unter den mehreren getrennten Strahlen erwünscht. Die Ungleichmä ßigkeit tritt primär im Strahl der 0. Ordnung auf und tritt in einer Linie auf, die den Strahl 0. Ordnung schneidet und parallel zu den gewünschten Strahlen 93 verläuft. Daher müs sen, um diese Ungleichmäßigkeit zu beseitigen, die gewünsch ten Strahlen vom Strahl 92 der 0. Ordnung beabstandet sein. Gemäß einer Simulation der gleichen Fertigungsfehler (d. h. für einen Ätztiefenfehler von 3%) wie die vorstehend unter Bezug auf die Fig. 3a und 3b beschriebenen Fehler, be trägt die Ungleichmäßigkeit des Strahls 92 der gewünschten Ordnung 5,6%, und der Wirkungsgrad des Strahlenteilers 91 beträgt 89%. Die leichte Abnahme des Wirkungsgrades bezüg lich eines Wirkungsgrades von 91% des in den Fig. 3a und 3b dargestellten Strahlenteilers ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß durch die Energie der 0. Ordnung, durch die das Ungleichmäßigkeitsproblem für den On-axis-Fall verur sacht wird, nicht mehr länger Teil der Signalstrahlen ist. Daher ist die gesamte Signalenergie geringer.

Für den in den Fig. 9a und 9b dargestellten eindi mensionalen Fall ist es lediglich notwendig, die Strahlen der gewünschten Ordnung um eine Ordnung aus der Ebene abzu lenken (d. h. von der optischen Achse weg). Für den zweidi mensionalen Fall muß (müssen), um eine äquivalente Gleichmä ßigkeit zu erhalten, der Strahl (die Strahlen) um ein größe res Maß von der optischen Achse versetzt werden.

Als ein Beispiel wurde ein (nicht dargestellter) Strah lenteiler simuliert, der eine 5 × 5-Matrix von Signalstrahlen erzeugt, wie in Fig. 10 dargestellt. Ein Strahl 100 ist der Strahl der 0. Ordnung. Für einen "perfekten" Strahlenteiler beträgt der simulierte Wirkungsgrad 90%, und die Ungleichmä ßigkeit unter den getrennten Strahlen beträgt ±1,7%. Bei ei ner Simulation der gleichen Fertigungsfehler wie zuvor (d. h. für einen Ätztiefenfehler von 3%) beträgt der Wirkungsgrad 89%, und die Ungleichmäßigkeit unter den getrennten Strahlen beträgt 47%. Wenn die Matrix der getrennten Strahlen bezüg lich der 0. Ordnung um eine Ordnung herauf bewegt wird, wie in Fig. 11 dargestellt, wird die Ungleichmäßigkeit unter den Strahlen auf 22% reduziert. Durch Bewegen der Matrix 120 be züglich der 0. Ordnung 122 um sieben Ordnungen herauf, wie in Fig. 12 dargestellt, wird die Ungleichmäßigkeit unter den Strahlen auf 4, 5% reduziert, und der Wirkungsgrad beträgt 86%.

Der Grund dafür, daß das in den Fig. 11 und 12 dar gestellte Strahlenmuster bezüglich dem eindimensionalen Fall um mehrere Ordnungen verschoben werden muß, besteht darin, daß Fertigungsfehler die Ordnungen beeinflussen, die etwa im gleichen Matrixbereich liegen wie die gewünschten Ordnungen. Im eindimensionalen Fall war die Energie der gebeugten Strahlen lediglich entlang einer einzigen Linie in der hori zonatlen Richtung verteilt. Daher beeinflussen die Ferti gungsfehler die Ordnungen nur entlang der gleichen Linie. Durch Bewegen der gewünschten Ordnungen von dieser Linie weg (d. h. zu einer Linie über der ursprünglichen Linie) ist die Rauschenergie, die die Ungleichmäßigkeit verursacht, nicht mehr länger mit den Ordnungen der Signalstrahlen ausgerich tet. Im zweidimensionalen Fall wird die Signalenergie in zwei Dimensionen gebeugt, so daß nunmehr nicht nur eine ein zige Dimension vorhanden ist, in der sich die gewünschten Ordnungen bewegen können, um eine Ausrichtung der Rausch energie zu vermeiden. Die durch Fertigungsfehler verursachte Rauschenergie ist jedoch im allgemeinen auf einen Bereich beschränkt, der etwas größer ist als die ursprünglichen ge wünschten Strahlen. Im zweidimensionalen Beispiel von Fig. 12, in dem die Größe der gewünschten Strahlmatrix 5 × 5 be trug, ist die durch Fertigungsfehler verursachte Rauschener gie in einer 9 × 9-Matrix 121 angeordnet. Daher sind, wenn die getrennten Strahlen 120 um sieben Ordnungen herauf bewegt werden, die Rauschenergie 121 und die Signalenergie nicht mehr länger ausgerichtet bzw. im gleichen Bereich angeord net. Die Größe der Rauschenergiematrix 121 kann von Design zu Design sowie gemäß dem Typ und der Anzahl vorhandener Fertigungsfehler verschieden sein.

Für Fachleute ist ersichtlich, daß innerhalb des Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Modi fikationen und Änderungen der erfindungsgemäßen diffraktiven Off-axis-Elemente möglich sind. Beispielsweise ist die Er findung weder auf Strahlumformung oder -umwandlung, Strahl formung oder Strahlenteilung noch auf optische Elemente und Systeme beschränkt, in denen ein gleichmäßiger Ausgangs strahl erwünscht ist. Die hierin dargestellten Techniken sind für eine beliebige Anwendung geeignet, in denen ein diffraktives optisches Element verwendet wird und in denen durch Interferenz unerwünschter Ordnungen Ergebnisse beein trächtigt werden. Außerdem kann die Off-axis-Gitterfunktion des diffraktiven Elements so konstruiert sein, daß die ge wünschte Ordnung eine von der 1. Ordnung verschiedene Ord nung ist, z. B. die 2. Ordnung, die 3. Ordnung, usw.

Außerdem ist die Erfindung nicht auf die in den Fig. 4 und 9a dargestellte optische Konfiguration beschränkt. Beispielsweise können die diffraktiven Flächen des Strahl formers und des Strahlkorrektors auf einer beliebigen Seite eines einzigen Substrats angeordnet sein. Außerdem können ein reflektiver Strahlenteiler, Strahlformer und/oder ein reflektiver Korrektor konstruiert werden, wobei die der diffraktiven Fläche gegenüberliegende Fläche des Substrats reflektiv ist. Außerdem können ein Strahlformer und ein Kor rektor beispielsweise auf der gleichen Seite des Substrats an verschiedenen Stellen ausgebildet sein, wobei die andere Seite des Substrats reflektiv sein kann, wodurch ein opti scher Pfad zwischen diesen Elementen bereitgestellt wird. Die vorliegende Erfindung ist auch auf einen Strahldiffusor anwendbar, der einen Eingangslichtstrahl in eine große An zahl diffuser Strahlen trennt, die so kombiniert werden, daß sie eine Gesamtform und Gesamtenergieverteilung aufweisen.

Schließlich ist die vorliegende Erfindung nicht auf Licht einer bestimmten Wellenlänge oder eines bestimmten Wellenlängenbereichs (z. B. sichtbares Licht) beschränkt, sondern für alle Wellenlängen von Strahlung geeignet, für die diffraktive Elemente zur Verfügung stehen.

Für Fachleute sind anhand der vorliegenden Beschreibung und durch praktische Umsetzung der Erfindung andere Ausfüh rungsformen erkennbar. Die dargestellte Beschreibung und die dargestellten Beispiele sind lediglich exemplarisch.

Claims

1. Off-axis-Strahlformer zum Erzeugen eines Ausgangs strahls einer gewünschten Ordnung und mit einer ge wünschten Energieverteilung, mit:
einem optischen Substrat; und
einer auf dem optischen Substrat ausgebildeten diffraktiven Fläche, um sowohl eine Strahlformungsfunk tion bezüglich eines Eingangsstrahls auszuführen als auch den Ausgangsstrahl der gewünschten Ordnung von al len anderen gebeugten Strahlen anderer Ordnungen zu trennen, um dadurch Interferenzen zwischen dem Aus gangsstrahl und gebeugten Strahlen anderer Ordnungen zu vermeiden.

2. Strahlformer nach Anspruch 1, wobei die Strahlformungs funktion das Ändern einer Energieverteilung des Ein gangsstrahls von einer gaußförmigen zu einer gleichmä ßigen Energieverteilung aufweist.

3. Strahlformer nach Anspruch 1 oder 2, ferner mit: einem in einem Abstand vom Strahlformer angeordne ten Strahlkorrektor zum Korrigieren einer Phase des Ausgangsstrahls.

4. Strahlformer nach Anspruch 3, wobei der Strahlkorrektor eine Richtung des Ausgangsstrahls ändert.

5. Strahlformer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die diffraktive Fläche den Ausgangsstrahl unter einem spitzen Winkel bezüglich einer optischen Achse des Ein gangsstrahls ablenkt.

6. Strahlformer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die gewünschte Ordnung die 1. Ordnung ist.

7. Off-axis Strahlenteiler zum Erzeugen mehrerer im we sentlichen identischer Ausgangsstrahlen, mit:
einem optischen Substrat; und
einer auf dem optischen Substrat ausgebildeten diffraktiven Fläche zum Teilen eines Eingangsstrahls in mehrere im wesentlichen identische Ausgangsstrahlen und zum Verschieben der mehreren Ausgangsstrahlen von einer optischen Achse des Eingangsstrahls weg.

8. Strahlenteiler nach Anspruch 7, wobei die mehreren Aus gagnsstrahlen auf einer ersten Linie liegen, und wobei die erste Linie der Ausgangsstrahlen im wesentlichen senkrecht zur ersten Linie um einen ausreichenden Ab stand von der optischen Achse des Eingangsstrahls ver schoben wird, um Interferenzen mit entlang einer zwei ten Linie gebeugten Strahlen zu vermeiden, die die op tische Achse des Eingangsstrahls schneidet.

9. Strahlenteiler nach Anspruch 8, wobei keiner der mehre ren Ausgangsstrahlen einen vom Strahlenteiler ausgege benen Strahl 0. Ordnung überlappt.

10. Strahlenteiler nach Anspruch 7, wobei die mehreren Aus gangsstrahlen eine zweidimensionale Matrix definieren, und wobei die Matrix der Ausgangsstrahlen senkrecht zur optischen Achse um einen ausreichenden Abstand von der optischen Achse des Eingangsstrahls verschoben wird, um Interferenzen mit gebeugten Strahlen niedrigerer Ord nung zu vermeiden, die um die optische Achse des Ein gangsstrahls zentriert sind.

11. Verfahren zum Formen eines Eingangsstrahls durch ein diffraktives optisches Element mit den Schritten:
Beugen eines Eingangsstrahls, so daß er in einem vorgegebenen Abstand vom optischen Element eine ge wünschte Form und Energieverteilung aufweist; und
räumliches Trennen eines Ausgangsstrahls einer ge wünschten Ordnung von anderen gebeugten Strahlen ande rer Ordnungen in dem vorgegebenen Abstand.

12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Beugungsschritt das Ändern einer Energieverteilung des Eingangsstrahls von einer gaußförmigen zu einer gleichmäßigen Energie verteilung aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, ferner mit dem Schritt zum Korrigieren einer Phase des Ausgangs strahls.

14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Korrekturschritt das Ändern einer Richtung des Ausgangsstrahls aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, wobei der Schritt zum räumlichen Trennen das Ablenken des Aus gangsstrahls unter einem spitzen Winkel bezüglich einer optischen Achse des Eingangsstrahls aufweist.

16. Verfahren zum Erzeugen mehrerer im wesentlichen identi scher und gleichmäßiger Ausgangslichtstrahlen mit den Schritten:
Teilen eines Eingangsstrahls in mehrere im wesent lichen identische Ausgangsstrahlen; und
Verschieben der mehreren Ausgangsstrahlen von ei ner optischen Achse des Eingangsstrahls weg.

17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Teilungsschritt aufweist:
Teilen des Eingangsstrahls in mehrere Ausgangs strahlen, die entlang einer Linie angeordnet sind; und
wobei der Verschiebungsschritt aufweist:
Verschieben der Linie der mehreren Ausgangsstrah len im wesentlichen senkrecht zu der Linie um eine Ord nung nach oben oder nach unten bezüglich der optischen Achse des Eingangsstrahls, so daß keiner dieser mehre ren Ausgangsstrahlen einen vom Strahlenteiler ausgege benen Strahl 0. Ordnung überlappt.

18. Verfahren nach Anspruch 16, wobei der Teilungsschritt aufweist:
Teilen den Eingangsstrahls in mehrere Ausgangs strahlen, die eine zweidimensionale Matrix bilden; und
wobei der Verschiebungsschritt aufweist:
Verschieben der Matrix der mehreren Ausgangsstrah len bezüglich der optischen Achse des Eingangsstrahls und senkrecht zur optischen Achse um eine ausreichende Anzahl von Ordnungen, um Interferenzen mit gebeugten Strahlen niedrigerer Ordnung zu vermeiden, die um die optische Achse des Eingangsstrahls zentriert sind.