JP2001272629A - 光学装置およびその製造方法 - Google Patents

光学装置およびその製造方法

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デイビッド アール ブラウン
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 分散した光ビームの広範な角度広がりを制御
しながら光を均質化する 【解決手段】 マイクロウェッジ列によって形成される
光学装置において、隣接するマイクロウェッジ同士は、
その寸法および形状において互いに異なる。該列を形成
する各マイクロウェッジは、光を、角度パタンの特定の
サブ領域に向かう所定方向に振り分ける。該装置におけ
るマイクロウェッジの位置は、対応するサブ領域の位置
に対して本質的に任意である。該装置は、均質化された
光が大きな角度広がりを網羅し、明確な境界部を形成す
るように、光を出力する。該装置は屈折または反射を用
い、広範な波長帯において効率的に動作する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学および光学シ
ステムおよび装置に関する。本発明は、均質化された光
パタンを形成する装置にも関する。本発明は更に、光学
装置の製造方法にも関する。
【０００２】
【従来の技術】光を均質化する周知の技術は、マクロレ
ンズ列、回折ディフューザ、すりガラスディフューザ、
およびホログラフィ生成されたディフューザを利用す
る。マクロレンズ列は、発散された光円錐が重複した列
を形成することで、光を均質化する。光円錐の各々はマ
クロレンズの各々に起因し、該レンズの焦点を超えて分
散する。周知の列を形成する各レンズは、互いに同一の
レンズである。すりガラスディフューザは、摩耗性物質
を用いてガラスを研削し、ガラス表面に散光構造を生成
して形成する。
【０００３】マクロレンズ列、すりガラスディフュー
ザ、ホログラフィディフューザは全て、均質化され分散
された光の角度広がりを制御できないという欠点があ
る。通常の光は所望の角度領域中に非常に均質に広がる
が、角度領域の境界部は不明瞭となる。周知の拡散方法
では、所望の角度広がりの縁部におけるエネルギーの損
失(roll-off)が該領域を超えて生じる。
【０００４】回折ディフューザを用いて出力光の角度広
がりを制御できるが、係るディフューザが出力光に対し
て実現できる広がり量には制限がある。短波長源（可視
光またはこれ以下の光）に対する構成上の制限や、より
長い波長に対する構成の物理的特徴における制限のため
に、最大の角度広がりは制限される。さらに、従来のバ
イナリ形式に用いる回折ディフューザは、大量のバック
グラウンドエネルギーを含むことができ、該パタンは光
軸に対して対称でなければならない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】したがって、均質化さ
れ分散された光ビームの広範な角度広がりを制御しなが
ら光を均質化できる装置が必要とされている。さらに、
光を均質化する改良された装置の製造方法も必要とされ
ている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明は、従来技術が有
する欠点の多くを克服する。本発明は、複数の光学素子
によって形成された光学装置に関する。該素子を用い
て、入射光ビームの一部をそれぞれの所定方向に振分け
ても良い。該光学素子は、２次元列において相互に隣接
するように形成してもよい。隣接する素子は異なる形状
を有してもよい。該素子の該２次元列中の位置は、光ビ
ーム部分の対応する方向に対して本質的に任意でもよ
い。
【０００７】本発明の好適な実施形態によると、該光学
素子は、透明または反射性の物質で形成してもよい。該
素子のそれぞれの出射面は平坦な平面でもよいし、湾曲
した非平面でもよい。
【０００８】本発明の他の態様において、該光学装置を
用いて角度パタンを形成してもよい。あるいは、該装置
を用いて、入射ビームをサブビームに分割してもよい。
【０００９】本発明は更に、光源と光均質化装置とを有
する光学システムにも関する。該光学装置は、多数のマ
イクロウェッジ（くさび）によって形成してもよい。該
ウェッジを用いて、所望の角度パタンの隣接しない各部
分を形成してもよい。本発明の好適な実施形態におい
て、隣接するウェッジを異なる三次元構成を有するよう
に形成してもよい。
【００１０】本発明は更に、複数ファセット（multi-fa
ceted)光学装置の製造方法にも関する。該方法は、
（１）角度パタンをサブ角度領域に分割するステップ
と、（２）ビーム部分をサブ角度領域に振り向けるため
にマイクロウェッジ構造を決定するステップと、（３）
決定した構造にしたがって、隣接するウェッジが異なる
構造を有するようにマイクロウェッジ列を生成するステ
ップと、を有する。
【００１１】本発明の異なる態様においては、該装置列
中のウェッジの２次元配列または順番は、該パタン内の
サブ角度領域の２次元配列に対して本質的に任意であ
る。本発明のこの態様によると、マイクロウェッジ構成
のそれぞれを、該装置列中の任意の位置に割り当てても
よい。したがって、該装置列中のウェッジの相対位置ま
たは順番は、該パタン中のサブ角度領域の相対位置また
は順番とは本質的に関連はない。本発明の更に別の態様
において、マイクロウェッジに対する出射面傾斜は、所
望パタン内のそれぞれのサブ角度領域の位置に基づい
て、プログラムされた汎用コンピュータによって計算さ
れる。
【００１２】本発明の好適な実施形態において、適切な
相分断面(phase tare surfaces)を用いてマイクロウェ
ッジの出射面を有段(stepped or terraced)面に分断す
ることで、該光学装置全体の厚みを減少してもよい。
【００１３】本発明の他の態様によると、光均質化装置
は、サブ装置をタイル状に並べた列によって形成する。
この場合、各サブ装置は、任意に配置したマイクロウェ
ッジを有する。タイル状の該装置を用いて、例えば大径
の入射ビームを処理してもよい。
【００１４】したがって、本発明は、光ビームの均質化
方法および装置を提供する。本発明は、隣接する各光学
素子またはマイクロウェッジが、その寸法および傾斜に
おいて互いに異なる列におけるマイクロ構造を利用す
る。列を形成するマイクロウェッジの寸法や傾斜を異な
らせることにより、従来の技術が有する問題を生じるこ
となく、光源を均質化できる。マイクロウェッジ列の多
様な組合わせや交互の状態は、マイクロウェッジに相バ
イアスを付与して入射ビームを更にスクランブルするこ
と、該列の表面または該装置の裏面にレンズ機能を付与
すること、等を含んでもよい。
【００１５】本発明を用いて光源を均質化し、ビーム分
割を行い、さらにあるいはまたは光を所定の方向に再度
振分けてもよい。
【００１６】上記またはこれら以外の本発明の特徴は、
以下に述べる発明の詳細な説明と、付随する図面とによ
り、明白になるであろう。
【００１７】
【発明の実施の形態】図を参照する。図では、同じ参照
番号は同じ要素を示す。図１は、本発明にしたがって構
成された光学システム１０を示す。光学システム１０
は、光ビーム１４を生成する光源１２と、光ビーム１４
を均質化する光学装置１６とを有する。動作において、
光学装置１６を用いて角度パタン１８を形成してもよ
い。図示した実施形態では、該パタンは文字「Ｈ」を構
成する。他の実施形態では、光学装置１６を用いて、分
割ビームパタン等を含む広範囲のパタンを形成してもよ
い。
【００１８】本発明の実施形態において、光学装置１６
は、光学ウェッジ２２，２４の列によって形成される。
ウェッジ２２，２４は入力光１４の入射部分を受信し、
ビーム部分４６，４８を角度パタン１８のそれぞれの部
分５０，５２に向けて振分ける。
【００１９】図２に更に詳細に示すように、光学装置１
６は多数の正方形または矩形のマイクロウェッジ２２，
２４，２６，２８，３０，３２，３４，３６，３８，４
０，４２，４４によって形成してもよい。図２には１２
個のマイクロウェッジ２２〜４４のみを示すが、光学装
置１６は、その出射面上に１万個以上のウェッジ２２〜
４４をランダムに配置してもよい。各ウェッジ２２〜４
４構成（即ち、三次元形状）および傾斜は、それが隣接
するウェッジ２２〜４４の各々の構成および傾斜と異な
ってもよい。本発明の好適な実施形態では、ウェッジ２
２〜４４は平坦な平面光出射面を有する（図３）。しか
し、本発明は、図示し、詳述した好適な実施形態に制限
されるものではない。
【００２０】本発明の好適な実施形態において、隣接す
るウェッジ２２〜４４の領域は不均等に形成される。こ
れは、縁部１４２の長さを適切に選択することで行う。
図２に示すように、例えば、第１の方向に延びる、縁部
（または境界部）１４２の長さＬ１、Ｌ２を互いに異な
るように（Ｌ１≠Ｌ２）形成してもよい。同様に、直交
する方向に延びる縁部１４２の長さＬ３、Ｌ４を互いに
異なるように（Ｌ３≠Ｌ４）形成してもよい。ウェッジ
２２〜４４の側辺部１４２を異なる長さにすることこれ
らウェッジ２２〜４４を異なる寸法に構成すると、干渉
効果が軽減するかもしれない。
【００２１】図において、矢印６０は各ウェッジ（くさ
び）２２〜４４の厚みが増す方向を表す（ここで、厚さ
は、ページ面に対して垂直方向に測定されている）。よ
って、第１のウェッジ２２は、図２における左から右の
方向に厚みが増し、第２のウェッジ２４は、図２におけ
る上から下の方向に厚みが増している。第３のウェッジ
２６は、図２の左下角部に向かって厚みが増し、第４の
ウェッジ３２は、図２の左上角部に向かって厚みが増し
ている。
【００２２】光学装置１６全体の厚さを減少させるため
に、相分断面（phase tare surfaces）７０，７２，７
４，７６，７８，８０，８２，８４を設けてもよい。こ
のように、第１のウェッジ２２は、分割表面７０によ
り、第１及び第２の部分９０，９２に分離される。この
第１及び第２の部分９０，９２の傾斜（６０）は互いに
等しくてもよい。すなわち、第１及び第２の部分９０，
９２の平坦な出射面を互いに平行にすることができる。
同様に、第２のウェッジ２４は、分割表面７２によっ
て、第１及び第２の平行部分９４，９６に分離される。
これら２つの部分９４，９６の傾斜（矢印６０で示され
る）は、互いに等しくてもよい。
【００２３】分割表面７０〜８４は、実際には、マイク
ロウェッジ２２〜４４の出射面を折り重ねるべく機能す
る。分割表面７０〜８４は、ウェッジの傾斜（６０）が
比較的大きい場合に特に有用である。分割表面７０〜８
４の高さ（図３において上から下の方向に測定される）
は、所望であれば、入射光の波長の関数でもよい。例え
ば、分割表面７０〜８４の高さを、入射光の波長の整数
倍にしてもよい。
【００２４】図３に示すように、分割表面７０〜８４
は、入射光の伝播方向に対して実質的に平行な平面に位
置してもよい。図３では、図を明瞭にするために、断面
ライン３−３より後方に位置するマイクロウェッジの表
面は示されていない。すなわち、図３には、線３−３で
切り取った光学装置１６の薄い断面だけが示されてい
る。
【００２５】動作においては、光源１２が入射光１４を
光学装置１６の方向に発光する。入射光１４は、その断
面に沿って強度分布が不均一である場合もある。光線１
４は、光線１４の部分が各ウェッジ２２〜４４に入射す
るように光学装置１６に向けられる。ウェッジ２２〜４
４は、均質化された角度パタン１８を形成すべく、光線
部分４６，４８を所定の方向に向ける。均質化されたパ
タン１８は、実質的に均一な光強度分布を有することが
できる。各ウェッジ２２〜４４は隣り合うウェッジどう
しでサイズと傾斜（６０）の少なくともいずれかが異な
るため、光線部分４６，４８は異なる方向に伝播する。
したがって、各ウェッジ２２〜４４の出射光４６、４８
は所望の角度広がりパタン１８の特定角度領域５０，５
２の方向に角度づけられる。図１においては、角度広が
りパタン又は角度パタン１８は「Ｈ」の文字の形状で示
されているが、光学装置１６を用いて他の種々のパタン
に入射光１４を分割または形成することもできる。
【００２６】図４に示すように、光学装置１６の好まし
い製造方法は、所望のパタンを小さい角度領域に分割す
るステップ（ステップ１５０）を含む。入射光１４のサ
イズにより、パタン１８を分割して形成する角度領域の
適当な数を決めてもよい。光線１４の断面積が比較的大
きい場合には、比較的多数の角度領域を使用してもよ
い。一方、光線１４の断面積が比較的小さければ、角度
領域の数は比較的少なくてもよい。図を明瞭にするため
に、図１には２つの角度領域５０，５２だけが示されて
いるが、本発明は、全体パタン１８を１０，０００以上
の角度領域に分割して実施することもできる。また、角
度領域の数を、光学装置１６に形成されるウェッジの数
に関連させてもよい。
【００２７】つづいて、適当な幾何学計算により、ウェ
ッジが入射光の部分を各角度領域に向けるように、各ウ
ェッジの傾斜及び３次元構造を決定する（ステップ１５
２）。そして、計算された各ウェッジ構造に対し、装置
１６内の位置が任意に選択される。このように、ウェッ
ジ２２〜４４を光学装置１６内に任意に配置することに
より、パタン１８が均一の強度を有する。すなわち、ウ
ェッジ２２〜４４のランダムな配置により、入射光１４
が均一化される。
【００２８】次に、グレイスケールフォトリソグラフ
ィ、適当な直接書き込み方法（例えば、電子ビーム又は
レーザ）、又は別の適当な技術により、適当な基板（例
えばガラス）において、ウェッジ２２〜４４の出射表面
を形成することができる（ステップ１５６）。
【００２９】パタン中の角度領域の数が、装置１６にア
レイ配置したいマイクロウェッジの数より少なければ、
複数のウェッジが同一の傾斜及びサイズを有してもよ
い。ウェッジが同様であれば、光エネルギも同じ位置す
なわち同じ角度領域に向けられる。ただし、傾斜、サイ
ズ及び形状の同じウェッジは、互いに隣接して配置され
ないのが好ましい。
【００３０】図示される光学装置１６を用いて、はっき
りと定められたパタン境界１５８（図１参照）を維持し
つつ、パタン１８における角度広がりの量を増加させる
こともできる。例えば、２４８ｎｍの波長においては、
出射パタン１８の形状に応じて、８５％から９５％の効
率で、約７度の半角度（a half angle of approximatel
y seven degrees）が得られる。
【００３１】さらに、限定的でなく白色光を含む広い波
長帯域にわたって、装置１６を効果的に利用することも
できる。これは、特定の波長に調整され、それ以外の波
長では効率が減少する回折ディフューザに優る効果であ
る。
【００３２】本発明の別の実施形態によれば、小型装置
１６をタイル状のアレイに配置して光学装置１００（図
５）を形成することもできる。このタイル状装置１００
は、例えば直径の大きい入射光に使用することができ
る。各タイル１６の大きさを隣り合うタイル１６どうし
でわずかに異ならせることにより、繰り返しパタンで発
生しうる干渉効果を解消することができる。各タイル１
６を透過する光の強度が異なると、パタン１８の各角度
領域に印加されるエネルギの量にわずかな差が生じる可
能性があるが、この差は各タイル１６内でウェッジをラ
ンダムに配置することによって低減できる。
【００３３】特定の所望角度領域では、その領域を満た
すために必要な角度領域の数が非常に多く（例えば、１
０，０００以上）、非常に多くのマイクロウェッジが必
要にある可能性がある。このような場合には、タイル１
６の全部分を照射するために、入射光１４の直径は小さ
くなければならない。個々のマイクロウェッジの大きさ
を縮小させることにより、入射光のサイズを縮小するこ
とができる。しかしながら、ウェッジ開口によって形成
される回析角度が大きくなりすぎないように、ウェッジ
２２〜４４のサイズは小さすぎないのが好ましい。
【００３４】図６に示すように、光学装置１６’の出射
表面１３０は、わずかに湾曲していてもよい。表面１３
０は、球形でも放物線状でもよい。出射表面１３０は、
図２及び図３に示した分割表面及び矩形のファセット境
界面と同様の、分割表面及び断絶面１３２によって分割
してもよい。図６に示されるわずかな湾曲により、単一
角度ではなく、狭い範囲の複数角度が生成される。図示
される湾曲により、大面積の角度パタン１８を光学装置
１６’における少数のファセットで満たすことができ
る。それ以外に関しては、図６に示される実施形態は、
図１から図３に示した実施形態と同様に動作する。
【００３５】図７には、反射モードにおいて使用される
光学装置１６’’が示されている。この実施形態では、
入射光１４はマイクロウェッジアレイ１６’’を伝播す
る。アレイ状の出射表面にはミラーコーティング１２２
が設けられ、これにより入射光１４が反射して光線部分
４６’，４８’を、所望パタン１８の各部分に向ける。
【００３６】本発明は、図１に概略的に示されるような
位相バイアス装置すなわち光学レンズ１４０とともに使
用することもできる。レンズ１４０は、光学装置１６か
ら分離してもよいし、光学装置１６の一体部分として構
成してもよい。レンズ１４０は、マイクロウェッジ２２
〜４４のいずれの側に設けてもよい。レンズ１４０を用
いて、例えば光学的フーリエ変換作用を実施することが
できる。
【００３７】本発明のさらに別の態様によれば、各マイ
クロウェッジ２２〜４４のファセット境界１４２を不均
一にし（randomized）、境界１４２における断絶の影響
をさらに低減することができる。
【００３８】好ましい実施形態を参照して、本発明を説
明したが、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者に
よって請求の範囲に記載された本発明の範囲内の追加、
削除、置き換え及び他の修正を行うことが可能である。
したがって、本発明は上記の説明によって限定されるも
のではなく、請求の範囲によってのみ限定される。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る実施形態における光学システム
を示す概略斜視図である。
【図２】 図１に示す光学システムの部分平面図であ
る。
【図３】 図２に示す光学システムの、線３−３に沿っ
た断面図である。
【図４】 図２および図３に示す光学装置の製造方法を
示す図である。
【図５】 本発明に係る他の光学装置を示す概略斜視図
である。
【図６】 本発明に係る更に他の光学装置の部分断面図
である。
【図７】 本発明に係る更に別の光学装置の部分断面図
である。
【符号の説明】
１０ 光学システム、１２ 光源、１４ 入射光、１６
光学装置、１８ 角度パタン、２２〜４４ ウェッ
ジ、４６，４８ 光線部分、５０，５２ 角度領域、７
０〜８４ 相分断面、１００ 光学装置、１３０ 出射
面、１４０ 光学レンズ、１５８ パタン境界。

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入射光線の第１部分を所定の第１の方向
    に向ける第１の光学素子と、 前記入射光線の第２部分を、前記第１の方向と異なる所
    定の第２の方向に向ける、前記第１の光学素子に隣接す
    る第２の光学素子と、 を含み、前記第２の光学素子の形状は、前記第１の光学
    素子の形状とは異なることを特徴とする光学装置。
  2. 【請求項２】 請求項１に記載の装置において、前記光
    学素子は透明であることを特徴とする装置。
  3. 【請求項３】 請求項１に記載の装置において、前記光
    学素子は反射型であることを特徴とする装置。
  4. 【請求項４】 請求項１に記載の装置において、前記光
    学素子は、平坦な出射面を有するマイクロウェッジを含
    むことを特徴とする装置。
  5. 【請求項５】 請求項１に記載の装置において、前記光
    学素子は、平坦でない出射面を含むことを特徴とする装
    置。
  6. 【請求項６】 請求項１に記載の装置であって、フーリ
    エ変換作用を実施するためのレンズをさらに備える装
    置。
  7. 【請求項７】 請求項１に記載の装置であって、前記入
    射光線を光学的に修正するための装置をさらに備える装
    置。
  8. 【請求項８】 請求項１に記載の装置であって、前記光
    学素子は前記入射光線を分割すべく配置されていること
    を特徴とする装置。
  9. 【請求項９】 光線を照射する光源と、 前記光線を均質化する光学装置と、 を備え、前記光学装置は、ある角度パタンの隣接しない
    各部分を形成する隣リ合う光学素子を含み、前記光学素
    子は互いに異なる３次元構造を有することを特徴とする
    光学システム。
  10. 【請求項１０】 請求項９に記載のシステムにおいて、
    前記光学装置は透明であることを特徴とするシステム。
  11. 【請求項１１】 請求項１０に記載のシステムにおい
    て、前記光学素子は平坦な出射面を有することを特徴と
    するシステム。
  12. 【請求項１２】 ある角度パタンを、複数の角度領域に
    分割するステップと、 前記角度領域に光を向けるためのマイクロウェッジ構造
    を決定するステップと、 前記マイクロウェッジ構造にしたがって、マイクロウェ
    ッジのアレイを形成するステップであって、前記アレイ
    中の隣り合うマイクロウェッジどうしの構造が異なるよ
    うにアレイを形成するステップと、 を含む、光学装置の製造方法。
  13. 【請求項１３】 請求項１２に記載の方法において、前
    記アレイにおけるマイクロウェッジの２次元構成は、前
    記角度パタンの前記角度領域の２次元構成に対して本質
    的に任意であることを特徴とする方法。
  14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の方法であって、前
    記マイクロウェッジ構造を、前記アレイ中の任意の位置
    に割り当てるステップをさらに含む方法。
  15. 【請求項１５】 請求項１４に記載の方法において、前
    記マイクロウェッジ構造を決定するステップは、前記マ
    イクロウェッジの出射面の傾斜を計算するステップをさ
    らに含むことを特徴とする方法。
  16. 【請求項１６】 請求項１５に記載の方法において、前
    記アレイを形成するステップは、前記マイクロウェッジ
    の相分断面を形成するステップを含むことを特徴とする
    方法。
  17. 【請求項１7】 請求項１６に記載の方法において、前
    記アレイを形成するステップは、前記マイクロウェッジ
    の出射面を形成するステップを含むことを特徴とする方
    法。
  18. 【請求項１８】 請求項１２に記載の方法であって、複
    数タイルで構成される前記マイクロウェッジのアレイを
    設けるステップをさらに含む方法。
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