DE102009037629A1

DE102009037629A1 - Pixeliertes, diffraktives optisches Element mit zwei Höhenstufen zur Erzeugung einer Phasenverteilung mit beliebigem Phasenhub

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Publication number: DE102009037629A1
Application number: DE102009037629A
Authority: DE
Inventors: Uwe Detlef Dr.habil. Zeitner; Dirk Dr. Michaelis; Ernst-Bernhard Dr. Kley; Thomas KÄMPFE; Wiebke Freese
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV; Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 2009-08-14
Filing date: 2009-08-14
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-15
Also published as: US20120262787A1; EP2464995A1; DE102009037629B4; WO2011018240A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der diffraktiven Optik auf ein pixelliertes, diffraktives optisches Element zur Erzeugung eines beliebigen, quasi-kontinuierlichen Phasenhubs.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Bereich der diffraktiven Optik auf ein pixelliertes, diffraktives optisches Element zur Erzeugung eines beliebigen, quasi-kontinuierlichen Phasenhubs.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Varianten für diffraktive Elemente, welche eine Vielzahl an Pixeln enthalten, bekannt. Zur Erzeugung einer Phasenverteilung mit beliebigem, kontinuierlichem Phasenhub sind die Pixel eines diffraktiven Elements üblicherweise in Form von Blöcken mit gleicher Basisfläche und unterschiedlicher Höhe ausgebildet. Ein diffraktives Element mit beispielsweise vier Phasenstufen ist aus vier verschiedenen Pixeltypen, welche sich lediglich durch ihre Hohe unterscheiden, aufgebaut. Die Anzahl der Pixeltypen ist an die Anzahl der Phasenstufen angepasst. Diffraktive Elemente, deren Höhenvariation im Oberflächenprofil durch eine Aneinanderreihung von Pixeln unterschiedlicher Höhe bedingt ist, werden meist mittels eines Variable-Dose-Verfahrens, mittels einer Mehrfachbelichtung oder mittels eines Mehrfachätzverfahrens hergestellt.
Da jedoch Variable-Dose-Verfahren und Mehrfachbelichtung bzw. Mehrfachätzverfahren kompliziert durchführbar und zeitaufwändig sind, sind alternativ auch diffraktive Elemente mit einer Subwellenstruktur und lediglich einer Höhenstufe bekannt. Die Subwellenlängenstruktur weist dabei die Form periodischer, ein- oder zweidimensionaler Gitter oder sich wiederholende Einheitszellen auf. Die Gitter bzw. Einheitszellen weisen jeweils nur eine Höhenstufe auf, so dass sich solche diffraktiven Elemente auch einfach in einem einzigen Belichtungs- bzw. Ätzprozess herstellen lassen. Diffraktive Elemente aus Pixeln mit einer Subwellenlängenstruktur enthalten eine Aneinanderreihung von Pixeln, wobei der Phasenhub durch unterschiedliche Subwellenlängenstrukturen benachbarter Pixel einstellbar ist.
Die Herstellung diffraktiver Elemente, deren Pixel Subwellenlängenstrukturen aufweisen, ist gegenüber der Herstellung diffraktiver Elemente mit Pixeln unterschiedlicher Höhe vereinfacht. Dennoch bringt auch die Erzeugung der Subwellenlängenstrukturen aufgrund ihrer geringen Größe der Subwellenlängenstrukturen Probleme mit sich. Außerdem führt die Wiederholung der Einheitszelle innerhalb eines Pixels zu einer Beschränkung der technologisch realisierbaren minimalen Pixelgröße.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt nun darin, ein diffraktives Element zur Verfügung zu stellen, welches auf einfache und kostengünstigere Art und Weise herstellbar ist, für jedes Pixel einen vorbestimmten Phasenhub erzeugt und die oben genannten Probleme bereits bekannter diffraktiver Elemente löst.
Die oben genannte Aufgabe wird durch das pixelierte, diffraktive optische Element gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.
Erfindungsgemäß weist ein diffraktives optisches Element zur Erzeugung einer Phasenverteilung mit beliebigem quasi-kontinuierlichem Phasenhub eine Elementebene und eine Vielzahl an verschiedenen Pixeln zur Realisierung eines einzustellenden Phasenhubs auf, wobei die einzelnen Pixel nebeneinander mit ihrer Basisfläche in der Elementebene angeordnet sind. Zumindest ein Teil der Pixel weist dabei ein Höhenprofil auf. Jeder der Pixel mit Höhenprofil weist dabei zwei separate Bereiche unterschiedlicher Fläche auf, wobei die beiden separaten Bereiche nicht zwingend eine zusammenhängende Fläche bilden. Die beiden separaten Bereiche werden nachfolgend als erste und zweite Fläche bezeichnet, wobei die zweite Fläche bevorzugt in der Elementebene liegt und einem Teil der Basisfläche entspricht. Zwischen der ersten und der zweiten Fläche ist eine Höhenstufe realisiert, die auf einem einzustellenden maximalen Phasenhub des diffraktiven optischen Elements abgestimmt ist und die für die Pixel mit Höhenprofil im Wesentlichen eine konstante Höhendifferenz aufweist. Damit ist die erste Fläche bevorzugt gegenüber der Elementebene in Richtung des einfallenden Lichtes versetzt angeordnet. Im Falle, dass die Elementebene horizontal ausgerichtet ist und das Licht senkrecht von oben auf das Element fällt, ist die erste Fläche oberhalb der zweiten Fläche, d. h. auf einen höheren Höhenniveau als die zweite Fläche, angeordnet.
Weiter definieren die erste Fläche und die Basisfläche ein Flächenverhältnis, durch welches ein Phasenhub zwischen einem minimalen und dem maximalen Phasenhub des diffraktiven optischen Elementes kontinuierlich einstellbar ist. Für den Phasenhub φ eines Pixels gilt näherungsweise: φ ~ ersteFläche / Basisfläche
Unter dem maximalen Phasenhub des diffraktiven Elementes kann der maximale Phasenhub des gesamten diffraktiven optischen Elements verstanden werden. Andererseits kann auch ein lokales Maximum im Phasenhub innerhalb eines Bereichs des optischen Elementes, in dem Pixel mit Höhenprofil enthalten sind, auftreten und als maximaler Phasenhub verstanden werden. Entsprechend ist unter dem minimalen Phasenhub der minimale Phasenhub des gesamten optischen Elementes oder der lokale minimale Phasenhub innerhalb eines Bereiches, welcher Pixel mit Höhenprofil enthält, zu verstehen.
Vorzugsweise weist das diffraktive optische Element neben den Pixeln mit Höhenprofil zusätzlich Pixel ohne Höhenprofil auf, welche in leere und volle Pixel aufgeteilt sind. Leere Pixel sind dabei definiert als Blöcke, deren von der Elementebene abgewandte Oberfläche mit der unteren Fläche, d. h. der zweiten Fläche, eines Pixels mit Höhenprofil in einer Ebene liegt. Entsprechend sind volle Pixel Pixelblöcke, deren Oberseite in einer Ebene mit der oberen Fläche, d. h. mit der ersten Fläche, der Pixel mit Höhenprofil liegt. Leere und volle Pixel sind letztlich als Grenzfälle von Pixeln mit Höhenprofil zu verstehen. In dem Fall, dass das diffraktive optische Element aus leeren Pixeln, vollen Pixeln und Pixeln mit Höhenprofilen besteht, ist der maximale Phasenhub des gesamten diffraktiven Elementes durch die vollen Pixel und der minimale Phasenhub durch die leeren Pixel vorgegeben.
Erfindungsgemäß weist das diffraktive optische Element mindestens zwei verschiedene Pixelarten auf, welche sich durch eine unterschiedliche Ausformung und/oder unterschiedliche Ausdehnung der ersten oberen Fläche eines Pixels oder einer unterschiedlichen Gestaltung eines gesamten Pixels voneinander unterscheiden. Pixel, welche aus den mindestens zwei Pixelarten ausgewählt sind, sind erfindungsgemäß so zueinander angeordnet, dass sie zumindest bereichsweise ein Muster ohne periodische Wiederholung bilden. Die Pixel, welche aus den mindestens zwei Pixelarten ausgewählt sind, können somit in beliebiger Reihenfolge angeordnet sein, um Phasenverteilungen mit beliebig angeordneten, quasi-kontinuierlichen Phasenstufen zu realisieren.
Der Unterschied zwischen verschiedenen Pixelarten kann einerseits durch die Ausformung und/oder Ausdehnung der ersten gegenüber der zweiten Fläche erhöhten Fläche eines Pixels, andererseits in dem Unterschied zwischen Pixeln mit Höhenprofil und Pixeln ohne Höhenprofil liegen. Enthält das diffraktive Element beispielsweise vier Pixelarten, nämlich volle Pixel, leere Pixel, Pixel mit einer geringeren Ausdehnung der ersten Fläche und Pixel mit einer größeren Ausdehnung der ersten Fläche, so sind diese Pixelarten so angeordnet, dass das diffraktive Element zumindest bereichsweise keine periodischen Wiederholungen aus Pixeln der vier Pixelarten aufweist. Je nach Anzahl der gewünschten Phasenstufendes diffraktiven Elements weist dieses eine entsprechend hohe Anzahl an verschiedenen Pixelarten auf.
Das erfindungsgemäße diffraktive Element ist bevorzugt ein binäres Element, welches sich in zwei Oberflächenbereiche zerlegen lässt, zwischen denen die Höhenstufe realisiert ist. Demnach weist das diffraktive Element bevorzugt lediglich leere Pixel, volle Pixel und Pixel mit Höhenprofil, wobei die Höhenstufe für alle Pixel mit Höhenprofil gleich ist und die Höhendifferenz damit konstant ist.
Vorzugsweise weist ein Pixel mit Höhenprofil genau ein Element mit beliebigem Oberflächenprofil auf. Das Oberflächenprofil ist dabei bevorzugt durch die Ausformung und/oder Ausdehnung der ersten Fläche des Pixels gegeben. Ein solches Element mit beliebigem Oberflächenprofil kann beispielsweise eine Säule oder ein Steg auf einem leeren Pixel, d. h. auf der Basisfläche, oder ein Loch oder eine Nut in einem vollen Pixel, d. h. ausgehend von der ersten Fläche in Richtung der zweiten Fläche, sein. Unabhängig von dem Oberflächenprofil des Elements ergibt sich der Phasenhub des Pixels aus dem Verhältnis aus erster Fläche zur Basisfläche.
Die Basisfläche eines Pixels, bevorzugt aller Pixel eines Elementes, ist bevorzugt drei- oder mehreckig ausgebildet. Insbesondere quadratisch oder hexagonal geformte Basisflächen werden bevorzugt eingesetzt. Die Basisfläche kann außerdem oder alternativ eine maximale laterale Ausdehnung < 5 λ, bevorzugt ≤ 2 λ, aufweisen, wobei λ die Wellenlänge einer einfallenden Strahlung bzw. Beleuchtungswelle ist.
Um eine polarisationsunabhängige Phasenverteilung zu erzielen, können symmetrische Pixel verwendet werden. Solche Pixel ergeben sich, wenn die erste oder die zweite Fläche eines Pixels mit bevorzugt symmetrischer Basisfläche eine symmetrische Form, welche mittig bezüglich der Basisfläche positioniert ist, aufweist. Als symmetrische Form werden bevorzugt quadratische oder kreisförmige Flächen verwendet. Asymmetrische Intensitätsverteilungen im Fernfeld, die sich in einer Vorzugsrichtung der Ortsfrequenzen des diffraktiven Elementes niederschlagen, können durch asymmetrische Ausformung der ersten oder der zweiten Fläche eines Pixels mit symmetrischer und/oder asymmetrischer Pixelbasisfläche wiedergegeben werden. Als asymmetrische Form werden bevorzugt Formen, welche mittig oder dezentral bezüglich der Basisfläche positioniert sind, beispielsweise rechteckige oder ovale Formen, eingesetzt. Alternativ können auch quadratische oder kreisförmige erste oder zweite Flächen, welche dezentral bezüglich der Basisfläche angeordnet sind, die asymmetrische Form des Pixels definieren Asymmetrisch ausgeformte Pixel zeigen im Allgemeinen jedoch eine Polarisationssensitivität, die im Designprozess des diffraktiven Elements entsprechend beachtet werden sollte. Es ist somit möglich, die doppelbrechende Eigenschaft im Elementdesign zu nutzen bzw. die Polarisationssensitivität durch die Strukturierung in ein niederbrechendes Material mit einem Brechungsindex n < 1,6 herabzusetzen.
Die Pixel eines erfindungsgemäßen diffraktiven Elements sind bevorzugt so ausgebildet, dass die zweite Fläche, welche bevorzugt ein Teil der Basisfläche ist, zumindest bereichsweise oder vollständig an die Umlaufkante der Basisfläche angrenzt und/oder die Projektion der ersten Fläche auf die Basisfläche umrandet. Alternativ kann jedoch auch die Projektion der ersten Fläche auf die Pixelbasisfläche die zweite Fläche, die selbst ein Teil der Basisfläche ist (bzw. sich in der Ebene der Basisfläche befindet), umranden, wobei dann die Projektion der ersten Fläche vollständig an die Umlaufkante der Basisfläche angrenzt. Ist beispielsweise die erste Fläche die Oberfläche eines Steges, so grenzt die zweite Fläche, welche in diesem Fall zweigeteilt ist, bereichsweise an die Umlaufkante der Basisfläche an. Ist die erste Fläche durch die Oberseite einer Säule gegeben, so umrandet die zweite Fläche die Projektion der ersten Fläche. Im Gegensatz dazu umrandet die Projektion der ersten Fläche die zweite Fläche, wenn die zweite Fläche als Loch oder Schacht ausgebildet ist. Ist alternativ die zweite Fläche als Boden einer Nut ausgebildet, so grenzt auch die Projektion der ersten Fläche, welche in diesem Fall zweigeteilt ist, an die Umlaufkante der Pixelbasisfläche an.
Wie bereits oben erwähnt, kann das diffraktive Element zusätzlich zu den Pixeln mit Höhenprofil Pixel ohne Höhenprofil aufweisen. Diese sind im Falle der vorliegenden Erfindung vorzugsweise in zwei Gruppen einzuteilen, nämlich in leere Pixel und volle Pixel. Ein volles Pixel ist dabei als Block mit einer von der Elementebene abgewandten Oberseite, welche in einer Ebene mit der ersten Fläche der Pixel mit Höhenprofil liegt. Bei einem vollen Pixel handelt es sich also um einen Grenzfall von Pixeln mit Höhenprofil, wobei die erste Fläche der Basisfläche entspricht und die zweite Fläche verschwindet, also eine Flächenausdehnung von 0 aufweist. Ein leeres Pixel kann dagegen als Block mit einer Oberseite, d. h. einer der ersten Fläche zugewandten Seite, in einer Ebene mit der zweiten Fläche bzw. der Basisfläche angeordnet sein. Auch bei den leeren Pixeln handelt es sich wieder um einen Grenzfall von Pixeln mit Höhenprofil, wobei die zweite Fläche der Basisfläche entspricht und die erste Fläche verschwindet, also ihre Ausdehnung 0 wird.
Die Höhenstufe zwischen erster und zweiter Fläche eines Pixels weist vorzugsweise eine Höhendifferenz im Bereich von 0 bis 4 λ, bevorzugt im Bereich von 0 bis 3 λ auf, wobei λ wiederum die Wellenlänge ist. Allgemein hängt die Höhendifferenz h zwischen der ersten und der zweiten Fläche von der Quantisierung, d. h. der Anzahl der Phasenstufen k, der Brechzahl n, der Wellenlänge λ und der Funktionalität, d. h. den Einsatz als Transmissions- oder Reflexionselement, ab. Näherungsweise lässt sich die Profilhöhe eines Transmissionselements alternativ durch die nachfolgende Formel berechnen: h ≈ a (k – 1)λ / k(n – 1) , wobei a eine natürliche Zahl ist. Soll jedoch das Element als Reflexionselement bestehend aus einer reflektierenden Schicht und einer für den Phasenhub verantwortlichen dielektrischen Schicht mit Pixeln, welche zumindest teilweise eine Höhenprofil aufweisen, eingesetzt werden, so gilt näherungsweise die Formel: h ≈ 1 / 2 a (k – 1)λ / k(n – 1) ,
Die Höhendifferenz h ist für alle Pixel mit Höhenprofil in dem diffraktiven Element gleich groß. Daher lässt sich der Phasenhub allein über die Flächenausdehnung bestimmen, wobei mit zunehmender Ausdehnung der ersten Fläche der Phasenhub zunimmt. Im Falle eines leeren Pixels ist der Phasenhub minimal, während im Falle eines vollen Pixels der Phasenhub maximal wird.
Bei der herstellungstechnischen Umsetzung erfindungsgemäßer diffraktiver Elemente ist zu beachten, dass die erste so wie die zweite Fläche zumindest einzelner Pixel leicht abgerundet sind, so dass das Oberflächenprofil keine ideale Ebene ist. Außerdem kann es beim Ätzprozess zu einer ungewollten Höhenvariation unter den Pixeln kommen, da beispielsweise Bereiche mit schmalen Säulen, d. h. größere Ausdehnung der zweiten Flächen, prozessbedingt zumeist tiefer geätzt werden als Bereiche mit breiten Säulen, d. h. einer größeren Ausdehnung der ersten Fläche. Es kann also zu Abweichungen von der Idealstruktur der Elemente kommen, welche vorzugsweise im Bereich von kleiner ±λ/10 liegen.
Erfindungsgemäße diffraktive Elemente können als Transmissionselement oder als Reflexionselement ausgeführt sein. Im Gegensatz zu einem Transmissionselement weist ein Reflexionselement bestehend aus einer reflektierenden Schicht und einer für den Phasenhub verantwortlichen dielektrischen Schicht mit Pixeln, welche zumindest teilweise eine Höhenprofil aufweisen, eine im Wesentlichen halbierte Höhendifferenz zwischen der ersten und der zweiten Fläche auf. Die Reflexionsschicht besteht vorzugsweise aus einem in einem gewünschten Wellenlängenbereich reflektierenden Material oder enthält ein solches. Als Materialien werden bevorzugt Metalle eingesetzt.
Das diffraktive optische Element besteht vorzugsweise aus einem Material mit einem Brechungsindex im Bereich von n = 1 bis n = 4 oder enthält ein solches Material. Beispielsweise kann Kieselglas mit einem Brechungsindex von n 1,5 verwendet werden. Im Falle von Kieselglas verhält sich der Phasenhub nahezu/näherungsweise proportional zu dem Flächenverhältnis zwischen der ersten Fläche und der Basisfläche. Alternativ kann das diffraktive optische Element auch aus Polymeren, beispielsweise PMMA (Polymethylmethacrylat), Fluoriden, beispielsweise MgF₂ oder CaF₂, Oxiden, beispielsweise Ta₂O₅, ZnO, TiO₂ oder Al₂O₃, und/oder Diamant bestehen oder zumindest eines dieser Materialien enthalten.
Vorzugsweise weist das erfindungsgemäße diffraktive optische Element eine planare Elementebene auf. In einem solchen Fall sind die erste Fläche, die zweite Fläche und die Basisfläche der Pixel parallel zur Elementebene angeordnet. Alternativ kann die Elementebene auch konkav oder konvex ausgebildet sein oder eine komplexere Grundstruktur, ggf. mit einer Vielzahl von Maxima und Minima, haben. Beispielsweise bei Strahlformern kann eine geeignete Wahl der Elementebene das Design im Punkt der Herstellbarkeit entspannen.
Die Gesamtausdehnung des diffraktiven Elements und damit die Anzahl der einzelnen Pixel ist abhängig von der Art der Anwendung des diffraktiven Elements. Die Elemente können im Bereich von einigen Millimetern bis einigen Metern liegen, insbesondere im Bereich von einigen Zentimetern bis einigen Metern.
Die vorliegende Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen diffraktiven Elements. Die Struktur des diffraktiven Phasenelements wird zunächst mit mikrolithographischen Mitteln, z. B. Elektronenstrahllithographie, Photolithographie, Laserschreiben und/oder ähnlichen Verfahren, geschrieben und anschließend mit gängigen trocken- und/oder nasschemischen Ätzverfahren in das Material des diffraktiven Elementes übertragen. Beispielsweise wird zunächst auf ein Substrat eine Photoresistschicht aufgebracht, welche in einem anschließenden Arbeitsschritt belichtet wird. Nach dem Entwickeln des Photoresists kann das so entstandene Höhenprofil durch einen Ätzprozess in das Substrat übertragen werden.
Desweiteren betrifft die vorliegende Erfindung die Verwendung eines erfindungsgemäßen diffraktiven optischen Elementes zum Prüfen einer Phasenfunktion eines Phasenelementes, zur Strahlformung und/oder zur Realisierung beliebiger Intensitätsverteilungen im Fernfeld. Außerdem können diffraktive Elemente auch als Vorlage zur Replikation, beispielsweise als Imprintstempel oder als Master für holographische Kontaktkopien, verwendet werden.
Im Folgenden werden verschiedene Beispiele sowie Ergebnisse für verschiedene erfindungsgemäße diffraktive Elemente gegeben. Es zeigen
1A bis 1C eine Vergleichsdarstellung zwischen, diffraktiven Elementen mit mehreren Höhenstufen und solchen mit einer Höhenstufe und verschiedenen Säulengrößen;
2 ein Diagramm für die Abhängigkeit des Phasenhubs vom Verhältnis einer ersten Fläche A' zu einer Basisfläche A in Abhängigkeit vom Brechungsindex;
3A bis 3E mögliche Oberflächenprofile eines Pixels mit jeweils einer ersten und einer zweiten Fläche;
4A und 4B Seiten- und Draufsicht von vier verschiedenen Pixelarten eines erfindungsgemäßen diffraktiven Elementes;
5A und 5B Seiten- und Draufsicht von weiteren vier verschiedenen Pixelarten eines erfindungsgemäßen diffraktiven Elementes;
6A bis 6D Möglichkeiten für die Umsetzung eines Phasenelementes mit vier Phasenstufen;
7A und 7B Seitenansicht eines Phasenelementes in Reflexion und eines Phasenelementes in Transmission;
8A und 8B REM-Aufnahmen eines 5-Phasen-Elementes sowie eines 3-Phasen-Elementes; und
9 die Intensitätsverteilung im Fernfeld eines dreistufigen Computer-Generated Hologramms.
Die 1A bis 1C zeigen jeweils im linken Bildbereich ein bzw. mehrere Pixel eines diffraktiven Elements mit einer beliebigen Anzahl von Höhenstufen Im Gegensatz dazu zeigen die 1A bis 1C jeweils im rechten Bildbereich ein bzw. mehrere Pixel eines diffraktiven Elements mit lediglich einer Höhenstufe, wobei das Flächenverhältnis der ersten Fläche A' zur Basisfläche A der Pixelbasis variabel ist. Die Basisfläche A setzt sich zusammen aus der Summe der ersten Fläche A' und der zweiten Fläche A'' und ist für alle Pixel des diffraktiven Elementes oder eines Teilbereiches des Elementes gleich.
Das links in 1A dargestellte Pixel weist eine bestimmte Höhe h auf, zu welcher der Phasenhub φ proportional ist. Rechts in 1A ist wiederum ein Pixel dargestellt, wobei dieses eine erste Fläche A' und eine Basisfläche A aufweist und der Phasenhub φ näherungsweise proportional zum Verhältnis der ersten Fläche A' zur Basisfläche A ist. Dieses nahezu lineare Verhältnis zwischen Phasenhub φ und dem Verhältnis der ersten Fläche A' zur Basisfläche A gilt insbesondere für Materialien mit nicht zu großen Brechungszahlen n, d. h. für Materialien mit n ≤ 1,6. Für größere Brechungsindizes n geht die lineare Proportionalität verloren, wie weiter unten erklärt wird.
1B zeigt im linken Bildbereich die Pixel 1 bis 5, welche Höhen h₁ bis h₅ aufweisen. Im rechten Bildbereich sind die Pixel 1' bis 5' dargestellt, wobei die ersten Flächen A' zwischen A'₁ bis A'₅ variieren, wobei A'₁ = 0 und A'₅ = A gilt, und wobei alle Pixel einen konstanten Höhensprung aufweisen. Die Pixel 1 und 1', 2 und 2', 3 und 3', 4 und 4' bzw. 5 und 5' definieren jeweils einen gleichen Phasensprung φ.
In 1C sind nun ein diffraktives Element 10 mit Höhenvariation und ein erfindungsgemäßes diffraktives Element 10' mit Flächenvariation und nur einem Höhensprung mit einzelnen Pixeln 1 und 1' dargestellt, wobei jeweils an äquivalenten Positionen angeordnete Pixel einen gleichen Phasenhub φ definieren.
Wie bereits oben erwähnt, ist die Proportionalität zwischen Phasenhub φ und dem Verhältnis von erster Fläche A' zur Basisfläche A abhängig vom Brechungsindex n.
Die durch das Element erzeugte Phasenverschiebung lässt sich bei Annahme einer periodischen Wiederholung des Pixels rigoros mit dem RCWA(Rigorous Coupled Wave Analysis)-Algorithmus (auch als FMM für Fourier-Modal Method bekannt) bestimmen. Eine näherungsweise Bestimmung des Phasenhubs ist mittels der EMT (Effective Medium Theory) möglich. Die Bedingung für letzteren Ansatz ist, dass die Seitenlänge der Pixelfläche A kleiner als λ/n sein muss (für senkrechten Lichteinfall), wobei n für die Brechzahl des verwendeten Materials steht. Beide Methoden basieren allerdings auf einer unendlichen Ausdehnung der sich periodisch wiederholenden Einheitszelle in beide laterale Raumrichtungen. Da dies bei der vorliegenden Erfindung nicht der Fall ist, können diese Ansätze nur einer näherungsweisen Bestimmung des Phasenhubes dienen, da ein und dasselbe Pixel nicht periodisch wiederholt werden muss. Der Einfluss der Nachbarpixel auf die erzeugte Phase eines betrachteten Pixels bleibt somit unberücksichtigt. Zur Steigerung der Effizienz eines Phasenelementes kann dieser Einfluss in einem entsprechenden Elementdesign berücksichtigt werden.
2 zeigt die mittels des RCWA-Algorithmus berechnete Phasenverschiebung eines Subwellenlängengitters (A < λ/2n) in Abhängigkeit von der Flächenausfüllung A'/A für drei verschiedene Brechungsindizes. Die Berechnung basiert auf einem quadratischen Profil der ersten Fläche A'.
Man erkennt für einen Brechungsindex n₁ = 1,6, dass der Phasenhub in Abhängigkeit von der Flächenausfüllung A'/A einen nahezu linearen Verlauf zeigt. Für einen zunehmenden Brechungsindex n₂ = 2,5 und n₃ = 3,8 wird dieser Verlauf zunehmend nicht linear.
Die 3A bis 3E zeigen jeweils Pixelstrukturen, wobei die Basisfläche A grundsätzlich quadratisch ausgebildet ist, während die erste Fläche A' variabel ist. Die jeweils schwarze Fläche liegt dabei jeweils um eine konstante Höhenstufe versetzt unter dem Niveau der weißen Fläche, d. h. die erste Fläche A' ist weiß und die zweite Fläche A'' ist schwarz dargestellt.
In 3A ist ein Pixel mit einer quadratischen Basisfläche A, wobei eine erste Fläche A' eine um eine Höhendifferenz in Richtung der Pixelbasisfläche versetzte zweite Fläche A'' mit einer quadratischen Oberseite umgibt. Das in 3A dargestellte Pixel 1a ist als Loch mit quadratischer Bodenfläche A'' in der ersten Fläche A' ausgebildet.
Das in 3B dargestellte Pixel 1b ist komplementär zum Pixel 1a aus 3A ausgebildet, d. h. die erste Fläche A' ist als Oberseite einer Säule auf der zweiten Fläche A'' ausgebildet. 3C zeigt ein Pixel 1c, welches ähnlich wie das Pixel 1a ausgestaltet ist. Jedoch ist das Loch in der ersten Fläche A' einen kreisförmig ausgebildet und der Boden des Loches definiert somit eine kreisförmige zweite Fläche A''. Das Pixel 1d aus 3D ist die komplementäre Struktur zum Pixel 1c, d. h. die zweite Fläche A'', welche kreisförmig ausgebildet ist, befindet sich auf einem niedrigeren Höhenniveau als die erste Fläche A'. Das in 3E dargestellte Pixel 1e ist im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Pixeln asymmetrisch aufgebaut. Man erkennt darin die zweite Fläche A'', welche als Boden einer Nut ausgebildet ist und die erste Fläche A' berandet. Pixel mit asymmetrischen Strukturen zeigen im Allgemeinen eine Polarisationssensitivität.
4A zeigt vier verschiedene Pixelarten 11 bis 14, welche zu einem diffraktiven Element mit vier Phasenstufen zusammengesetzt werden können. 4B zeigt die in 4A dargestellten Pixelarten 11 bis 14 in der Draufsicht. Die Pixelart 11 stellt ein leeres Pixel dar, welches eine quadratische Basisfläche A aufweist. Im Falle der Pixelart 11 definiert die Oberseite 21 der mit dem Bezugszeichen 20 gekennzeichneten Elementebene die zweite Fläche A'', welche im Falle der Pixelart 11 mit der Basisfläche übereinstimmt, während die erste Fläche A' ein Ausdehnung von Null aufweist.
Die Pixelart 12 zeigt wiederum eine Basisfläche auf dem Elementkörper 20, auf welcher eine quadratische Säule 22 angeordnet ist. Die Oberseite der quadratischen Säule bildet die erste Fläche A', deren Projektion auf die Basisfläche von der zweiten Fläche A'' umgeben ist.
Im Gegensatz zu der Pixelart 12 weist die Pixelart 13eine breitere quadratische Säule 22 auf, so dass die Fläche A' im Falle der Pixelart 13 größer ist als die erste Fläche A' der Pixelart 12.
Die Pixelart 14 beschreibt nun ein volles Pixel, d. h. auf der Oberseite 21 des mit dem Bezugszeichen 20 angedeuteten Elementkörpers ist ein Block aufgesetzt, dessen Fläche seiner Oberseite der Ausdehnung der Basisfläche A entspricht. Die Höhe h des Blockes 23 der Pixelart 14 entspricht der Höhe der Säulen 22 der Pixelarten 12 und 13.
Die 5A und 5B zeigen wieder die Pixelarten 11 und 14, d. h. ein leeres und ein volles Pixel, welche einen Grenzfall von Pixeln mit Höhenprofil darstellen. Desweiteren zeigen die 5A und 5B die Pixelarten 15 und 16, wobei anstelle der Säule 22 ein Loch 24 bzw. Schacht gezeigt ist. Bei der Pixelart 15 umrandet die Projektion der ersten erhöhten Fläche auf die Basisfläche eine quadratisch ausgebildete zweite Fläche A'', die um eine Höhendifferenz h in Richtung des Elementkörpers 20, in die Ebene der Basisfläche, versetzt ist. Im Gegensatz zur Pixelart 15 weist die Pixelart 16 ein Loch mit geringerer Ausdehnung auf, d. h. die zweite Fläche A'' der Pixelart 16 weist eine geringere Ausdehnung als die zweite Fläche A'' der Pixelart 15 auf.
Die 6A zeigt ein Phasenelement mit vier Phasenstufen. Die 6B bis D zeigen jeweils eine Vergrößerung einer möglichen Ausgestaltung eines Elementes mit vier Phasenstufen. 6B zeigt einen Ausschnitt von 4×4 Pixeln, wobei die Pixel die in den 4A und 4B dargestellten Pixelarten 11 bis 14 aufweist. Die erste Fläche A' kann dabei eine Fläche von A'₁ = 0, A'₂ = C1, A'₃ = C2 oder A'₄ = A aufweisen, wobei C1 < C2 gilt und die Variablen C1 und C2 jeweils eine konstante Fläche definieren.
6C zeigt ein diffraktives Element, wobei die Pixelarten 11, 14, 17 und 18 verwendet sind. Die Pixelarten 17 und 18 weisen die in 3E dargestellte Pixelstruktur 1e mit einer Nut auf. Die Nuten weisen jeweils verschiedene Breiten bzw. Bodenflächen A'' auf. Die erste Fläche A' ist in diesem Fall durch die Nut unterteilt und ihre Fläche entspricht einem Wert A'₂ = C3 bzw. A'₃ = C4, wobei C3 und C4 wiederum konstant sind und C3 < C4 gilt.
Die 6D zeigt nun ein Phasenelement mit vier Phasenstufen, wobei neben leeren Pixeln 11 und vollen Pixeln 14 Pixelarten mit zwei unterschiedlichen Oberflächenprofilen ausgewählt sind. Einerseits wurde die Pixelstruktur 1a, andererseits die Pixelstruktur 1b aus den 3A und 3B ausgewählt. Insgesamt enthält das Element die vier verschiedene Pixelarten 11, 12,14 und 16. Dabei gilt für die Pixelarten 11 bzw. 14 A' = 0 bzw. A' = A. Die erste Fläche A' der Pixelform 12 entspricht einem konstanten Wert C1 und die erste Fläche A' der Pixelform 16 entspricht einer konstanten Fläche C4. Dabei gilt für die konstanten Flächen C1 > C4.
Die 7A und 7B zeigen nun einen Querschnitt durch ein Phasenelement, welches für eine Transmission (7A) oder eine Reflexion (7B) ausgebildet ist. Das diffraktive Element 10' aus 7A weist einen Elementkörper 30 in Form eines für das einfallende Licht transparenten Substrats, welches bevorzugt ein Dielektrikum ist, auf, dessen Oberfläche 31 ein erstes Höhenniveau bildet und in einzelne Pixel unterteilt ist, wobei die jeweils zweiten Flächen der Pixel in der Oberfläche 31 angeordnet sind. Aus der Oberfläche 31 erheben sich eine konstante Höhenstufe ausbildend die Stege bzw. Säulen 22 oder auch die dazu komplementären Profilausbildungen 33 der einzelnen Pixel, wie sie beispielsweise in den 3A und 3C vorgeschlagen sind zu einem Oberflächenprofil, welches einen Phasenhub erzeugt.
7B zeigt wiederum einen Körper 30 des diffraktiven Elements 10' aus einem für das einfallende Licht transparenten oder nicht transparenten Medium, auf dessen Oberfläche 31 eine zusätzliche Schicht 34 aus einem Metall angeordnet ist. Auf der Oberseite 35 der Schicht 34 sind die Säulen 22 bzw. komplementär ausgebildeten Profile 33 der einzelnen Pixel, welche aus einem Dielektrikum bestehen oder ein solches enthalten, zu einem Oberflächenprofil, welches den Phasenhub erzeugt, angeordnet. Auch in 7B zeigt sich, dass lediglich eine Höhenstufe vorhanden ist. Die Höhenstufe des Elementes in Reflexion ist aber im Vergleich zu dem Element in Transmission (7A) halbiert, da bei der Reflexion einfallendes Licht an der Schicht 34 reflektiert wird und somit ein doppelter Lichtdurchgang erfolgt.
Es wurde ein dielektrisches computergeneriertes Hologramm (CGH) mit fünf Phasenstufen auf Reflexionsbasis erzeugt. Für erste Versuche wurde eine Lochstruktur mit quadratischer Grundfläche verwendet. Dabei wurde auf ein Substrat, welches mit Cr beschichtet wurde (als reflektierende Schicht), ein Resist für die Elektronenstrahllithographie (E-Beam Resist, FEP 171) mit einer Dicke von ca. 300 nm aufgebracht. 8A zeigt den entwickelten Resist in einer REM-Aufnahme.
8B zeigt den entwickelten Resist eines 3-Phasen-Elementes in einer REM-Aufnahme. Das 3-Phasen-Element ist aus vollen und leeren Pixeln sowie Pixeln mit Höhenstufe aufgebaut, wobei die erste Fläche aller Pixel mit Höhenstufe näherungsweise dieselbe Ausdehnung hat. Die Seitenlänge der Basisfläche der Pixel des Elementes beträgt näherungsweise 400 nm. Die Herstellung des in 8B dargestellten 3-Phasen-Elementes erfolgte vergleichbar mit dem in 8A dargestellten 5-Phasen-Element.
Sehr gute Ergebnisse im sichtbaren Bereich konnten mit einem 3-Stufen-Element, welches ähnlich dem in 8B dargestellten Element gestaltet ist, erzeugt werden. Das verwendete 3-Stufen-Element mit einer Pixelgröße von 400 nm wies eine reflektierende, 80 nm dicke Chromschicht auf, worauf eine ca. 270 nm dicke FEP-Schicht so strukturiert wurde, dass mit ihr eine Phasenverteilung, welche eine asymmetrische Intensitätsverteilung bewirkt, generiert wird. Ziel eines solchen Elementes ist es, die bei herkömmlichen Phasenelementen mit nur zwei Höhenstufen zusätzlich auftretende symmetrische Ordnung möglichst effektiv zu unterdrücken, wie es im Allgemeinen nur mit Multilevel-Phasenelementen möglich ist.
9 zeigt, dass mit dem 3-Stufen-Element bei einer Wellenlänge von 473 nm eine asymmetrische Intensitätsverteilung erzielt wird, wobei die Scheibe links im Bild, welche als –1. Ordnung bezeichnet wird, deutlich ausgeprägt ist, während die Scheibe rechts im Bild, welche als 1. Ordnung bezeichnet wird, weitestgehend unterdrückt ist. Die nullte Ordnung, welche als heller Punkt in der Mitte der 9 auftaucht, ergibt sich aus einer zu hoch gewählten Elementhöhe der Löcher, d. h. aus einer zu großen Höhendifferenz zwischen erster und zweiter Fläche der Pixel. Die nullte Ordnung lässt sich jedoch durch eine geeignete Wahl der Höhendifferenz weitestgehend unterdrücken.
Mit diesem Erfindungsvorschlag ist die Realisierung einer beliebigen Phasenverteilung mit quasi-kontinuierlicher Phase möglich. Es bieten sich somit verschiedenste Anwendungsmöglichkeiten. So können sie zum Prüfen einer beliebigen Phasenfunktion eines Phasenelementes eingesetzt werden, z. B. zum Prüfen von asphärischen Optiken. Des Weiteren können so erzeugte Phasenelemente zur Strahlformung eingesetzt werden. Es lassen sich zudem beliebige Intensitätsverteilungen im Fernfeld realisieren. Dabei kann eine asymmetrische Intensitätsverteilung erzielt werden, wie es sonst nur bei Multilevel Elementen möglich ist. Hierbei zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass bedingt durch die geringe Pixelgröße der realisierten Phasenstruktur, CGHs mit sehr hohen, bisher nicht möglichen, Abstrahlwinkel erzeugt werden können. Die Phasenelemente sind in Transmission und Reflektion herstellbar.

Claims

Diffraktives optisches Element zur Erzeugung einer Phasenverteilung mit beliebigem, quasi-kontinuierlichem Phasenhub enthaltend eine Elementebene und eine Vielzahl an verschiedenen Pixeln zur Realisierung eines einzustellenden Phasenhubs mit je einer Basisfläche, wobei die einzelnen Pixel nebeneinander, mit ihrer Basisfläche in der Elementebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Teil der Pixel ein Höhenprofil mit jeweils einer ersten und einer zweiten Fläche aufweist, wobei zwischen der ersten und der zweiten Fläche eine Höhenstufe realisiert ist, die auf einen einzustellenden, maximalen Phasenhub des diffraktiven optischen Elementes abgestimmt ist und die für die Pixel mit Höhenprofil im Wesentlichen dieselbe, konstante Höhendifferenz aufweist, und wobei die erste Fläche und die Basisfläche ein Flächenverhältnis definieren, durch welches ein Phasenhub zwischen einem minimalen und dem maximalen Phasenhub des diffraktiven optischen Elementes kontinuierlich einstellbar ist, und dass Pixel, welche aus mindestens zwei Pixelarten ausgewählt sind, wobei sich die Pixelarten in einer verschiedenen Ausformung und/oder einer verschiedenen Ausdehnung der ersten Fläche eines Pixels oder einer verschiedenen Gestaltung eines gesamten Pixels voneinander unterscheiden, so zueinander angeordnet sind, dass sie zumindest bereichsweise ein Muster ohne periodische Wiederholung bilden.
Diffraktives optisches Element nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass ein Pixel mit Höhenprofil genau ein Element mit beliebigem Oberflächenprofil, vorzugsweise mit einer beliebigen Ausformung und/oder Ausdehnung der ersten Fläche des Pixels, insbesondere eine Säule oder ein Loch oder eine Nut oder einen Steg, aufweist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche eines Pixels mit Höhenprofil einem Teil der Basisfläche dieses Pixels entspricht.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Basisfläche eines Pixels drei- oder mehreckig, insbesondere quadratisch oder hexagonal, ausgebildet ist und/oder die maximale laterale Ausdehnung der Basisfläche kleiner 5 λ, insbesondere kleiner oder gleich 2 λ, ist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Fläche oder die zweite Fläche eines Pixel eine symmetrische Form, bevorzugt eine quadratische oder kreisförmige Form, welche mittig bezüglich der Basisfläche positioniert ist, oder eine asymmetrische Form, bevorzugt eine rechteckige oder ovale Form, welche mittig oder dezentral bezüglich der Basisfläche positioniert ist, oder eine quadratische oder kreisförmige Form, welche dezentral bezüglich der Basisfläche positioniert ist, aufweist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Fläche in der Ebene der Basisfläche bereichsweise oder vollständig an die Umlaufkante der Basisfläche angrenzt und/oder die Projektion der ersten Fläche auf die Basisfläche umrandet oder von der Projektion der ersten Fläche auf die Basisfläche umrandet wird, wobei die Projektion der ersten Fläche vollständig an die Umlaufkante der Basisfläche angrenzt.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Element zusätzlich Pixel ohne Höhenprofil aufweist.
Diffraktives optisches Element nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass eine Oberseite eines Pixels ohne Höhenprofil in einer Ebene mit der ersten Fläche oder der zweiten Fläche eines Pixels mit Höhenprofil liegt.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stufe zwischen erster und zweiter Fläche eines Pixel eine vorgegebene Höhendifferenz im Bereich von 0 bis 4 λ, bevorzugt im Bereich von 0 bis 3 λ, aufweist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element für Transmission oder Reflexion realisierbar ist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element aus einem Material mit einem Brechungsindex im Bereich von 1 bis 4 besteht oder ein solches Material enthält.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Elementebene des diffraktiven optischen Elements planar, konkav oder konvex ausgebildet ist oder eine komplexe Grundstruktur aufweist.
Diffraktives optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element mit mikrolithographischen Mitteln, insbesondere mittels Elektronenstrahllithographie, Photolithographie, Laserschreiben oder ähnlichem, schreibbar und mittels trocken- und/oder nasschemischen Ätzverfahren und/oder Belichtungsverfahren herstellbar ist.