JP2006227503A - Diffractive optical component and design method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、回折型光学部品とその設計方法に関する。光学技術の分野では、レンズやプリズム、ミラーのような屈折型、反射型光学部品が主に用いられてきた。近年微細加工技術の進展によって、回折現象を利用した回折型光学素子(Diffractive Optical Element;DOE)に関する関心が高まってきた。DOEは光の回折現象を利用し入射波面を別の波面に変換する光学素子である。 The present invention relates to a diffractive optical component and a design method thereof. In the field of optical technology, refractive and reflective optical components such as lenses, prisms, and mirrors have been mainly used. In recent years, interest in diffractive optical elements (DOE) using diffraction phenomena has increased due to the progress of microfabrication technology. A DOE is an optical element that converts an incident wavefront into another wavefront using a light diffraction phenomenon.
DOEは回折を利用する光学素子であるから、波動光学的解析と設計を用いてDOEの表面微細構造パターンを設計する。従来はレンズなどの単純な光学素子をDOEで作製するというような単純なものが多くそれらは実用化されているものもある。 Since the DOE is an optical element using diffraction, the surface fine structure pattern of the DOE is designed using wave optical analysis and design. Conventionally, many simple optical elements such as lenses are produced by DOE, and some of them are put into practical use.
DOEは本来もっと高い柔軟性を有するもので、従来の反射・屈折型光学素子では実現できなかった複雑な機能を果たす光学素子をも提供することができる。表面レリーフによる位相型の素子とすることによって高い回折効率を実現することができる。 DOE is inherently much more flexible, and can provide an optical element that performs a complicated function that cannot be realized by a conventional reflective / refractive optical element. High diffraction efficiency can be realized by using a phase-type element with surface relief.
レーザ加工の分野においては、ガウス分布強度のレーザビームを均一な強度分布に変換するビームホモジナイザー(beam homogenizer)、そのほかの単純な強度分布に変換するビームシェーパー(beam shaper)や単一ビームを複数のビームに分岐するビーム分岐素子(array generator)を回折型光学部品によって構成する研究が行われている。 In the field of laser processing, a beam homogenizer that converts a Gaussian intensity laser beam into a uniform intensity distribution, a beam shaper that converts other laser beams into a simple intensity distribution, and a single beam into a plurality of beams. Research has been conducted in which a beam branching element that splits into a beam is constituted by a diffractive optical component.
計算機による最適化をベースとした設計アルゴリズムの発展と、計算機能力の向上、表面レリーフ型の位相型DOEの製造技術の進歩により、これまでの単純なビーム形状の変換、強度分布の変換というものだけでなく、プリント配線パターンのような複雑な形状の強度分布を発生するように最適化されたテーラード回折光学部品が実用化される可能性がでてきた。 Development of design algorithm based on optimization by computer, improvement of calculation capability, advancement of surface relief type phase DOE manufacturing technology, so far only simple beam shape conversion and intensity distribution conversion In addition, there is a possibility that a tailored diffractive optical component optimized to generate an intensity distribution of a complicated shape such as a printed wiring pattern may be put into practical use.
本発明は、ピクセル数が多く複雑な強度分布を発生するビームシェーパーや複雑な分岐ビームを生成するビーム分岐DOEの新規な設計方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a novel design method of a beam shaper that generates a complex intensity distribution with a large number of pixels and a beam branch DOE that generates a complex branch beam.
DOEは透明な材料の表面を微小な画素(ピクセル)に区切ってその高さ(厚み)を何通りかの高さに加工して表面に凹凸を形成したものである。表面に凹凸があるのでその部分を通る光の位相が変化する。透過率の絶対値は一定であるが位相が変わるので位相型という。 The DOE is formed by dividing the surface of a transparent material into minute pixels (pixels) and processing the height (thickness) into several heights to form irregularities on the surface. Since the surface is uneven, the phase of the light passing through that portion changes. The absolute value of the transmittance is constant, but the phase changes, so it is called phase type.
図1にビームシェーパーの構成例を示す。入射ビームはレーザビームである。レーザから出射したそのままのものを使っても良いしコリメータレンズ、拡大レンズなどでビーム径を拡大あるいは縮小してもよい。平行ビームでありガウシアン強度分布をしているという仮定をしている。だからガウシアン強度分布を図示している。入射ビーム光の伝搬方向はz方向である。だから光軸に直角のxy平面での分布が問題になる。入射ビームの波動関数のうちz方向の振動項を除いたxy振幅関数が重要である。これは入射ビーム関数(入力関数)uin(x,y)とする。 FIG. 1 shows a configuration example of a beam shaper. The incident beam is a laser beam. The laser beam emitted as it is may be used, or the beam diameter may be enlarged or reduced by a collimator lens, a magnifying lens, or the like. It is assumed that the beam is a parallel beam and has a Gaussian intensity distribution. Therefore, the Gaussian intensity distribution is illustrated. The propagation direction of the incident beam light is the z direction. Therefore, the distribution in the xy plane perpendicular to the optical axis becomes a problem. Of the wave functions of the incident beam, the xy amplitude function excluding the vibration term in the z direction is important. This is the incident beam function (input function) u in (x, y).
そのような分布を持つ平行ビームが回折型光学部品(DOE)に到る。入射面は平坦であるが出射面にはピクセルごとに高さが異なっている。そのためにDOEを通過することによって波動関数が変化する。DOEによる変化分のうちz方向の振動項を除いたxy面の関数をDOE複素振幅透過率関数(DOE関数)t(x,y)で表現する。するとDOEを出た直後の光波動関数の(x,y)面での値はuin(x,y)t(x,y)となる。 A parallel beam having such a distribution reaches the diffractive optical component (DOE). Although the entrance surface is flat, the height of the exit surface is different for each pixel. Therefore, the wave function changes by passing through the DOE. A function on the xy plane excluding the z-direction vibration term from the change due to DOE is expressed by a DOE complex amplitude transmittance function (DOE function) t (x, y). Then, the value in the (x, y) plane of the light wave function immediately after exiting the DOE is u in (x, y) t (x, y).
ピクセル毎に高さが違うので平行ビームはDOEによって回折される。DOEから像面までの回折の作用をオペレータp(L)によって表現する。回折によって光は像面に所望のパターンを描く。図面では像面の出力像はほぼ均一の強度をもつ準均一ビームを例示しているがそれは一例であって任意の所望の出力パターンを目的とすることができる。z方向の伝搬関数を除いた出力像面での光の複素振幅をuout(x,y)とする。像面での関数は Since the height is different for each pixel, the parallel beam is diffracted by the DOE. The action of diffraction from the DOE to the image plane is expressed by the operator p (L). By diffraction, the light draws a desired pattern on the image plane. In the drawing, the output image on the image plane illustrates a quasi-uniform beam having a substantially uniform intensity, but this is an example and any desired output pattern can be targeted. Let u out (x, y) be the complex amplitude of light on the output image plane excluding the z-direction propagation function. The function on the image plane is
uout(x,y)=p(L)t(x,y)uin(x,y) (1) u out (x, y) = p (L) t (x, y) u in (x, y) (1)
となる。(1)式の左右の(x,y)は同じものでない。像面複素関数uout(x,y)の2次元変数x、yと、DOE面における二次元変数x,yは異なるものであることに注意すべきである。 It becomes. The left and right (x, y) in the formula (1) are not the same. It should be noted that the two-dimensional variables x and y of the image plane complex function u out (x, y) are different from the two-dimensional variables x and y in the DOE plane.
図2にそのような複素振幅関数の定義を示す。像面にできる出力光の複素振幅はuout(x,y)であるが、それは目的とする像面複素振幅ではない。目的とする像面での光の複素振幅をusig(x,y)とする。回折作用p(L)はフラウンホーファー回折(フーリエ変換)、フレネル回折、レイリー・ゾンマーフェルト回折、平面波展開法などを意味する。それぞれ長所と短所があり、DOEの仕様に応じて設計者が各手法の適用条件、計算精度などを考慮の上、いずれかを選択する。いずれの手法をつかっても回折p(L)と逆変換p−1(L)の組み合わさった循環計算のことを反復フーリエ変換アルゴリズム(IFTA)と呼ぶことができる。後に述べる実施例ではすべて平面波展開法によって回折計算をする。以後p(L)は簡単にフーリエ変換と表現するが上記のようにさまざまの手法を含んだ表現である。 FIG. 2 shows the definition of such a complex amplitude function. The complex amplitude of the output light generated on the image plane is u out (x, y), but it is not the target image plane complex amplitude. Let u sig (x, y) be the complex amplitude of light at the target image plane. The diffraction action p (L) means Fraunhofer diffraction (Fourier transform), Fresnel diffraction, Rayleigh-Sommerfeld diffraction, plane wave expansion method, and the like. Each has advantages and disadvantages, and the designer selects one according to the specifications of the DOE in consideration of application conditions of each method, calculation accuracy, and the like. Regardless of which method is used, a cyclic calculation combining diffraction p (L) and inverse transformation p −1 (L) can be called an iterative Fourier transform algorithm (IFTA). In all the embodiments described later, diffraction calculation is performed by the plane wave expansion method. Hereinafter, p (L) is simply expressed as Fourier transform, but includes various methods as described above.
そうなると入射光の複素振幅振幅uin(x,y)は決まっているので、DOE関数t(x、y)だけが未知関数ということになる。目的となる像面関数usig(x,y)を与えてDOE関数t(x,y)を求めることがDOEの設計ということである。目的像関数を信号関数usig(x,y)と呼ぶ。さまざまな複素振幅関数がでてくるのでここで簡単な名称をつけることにする。 Then, since the complex amplitude amplitude u in (x, y) of the incident light is determined, only the DOE function t (x, y) is an unknown function. The design of the DOE is to obtain the DOE function t (x, y) by giving the target image plane function u sig (x, y). The target image function is called a signal function u sig (x, y). Since various complex amplitude functions appear, we will give simple names here.
uin(x,y) 入力関数
t(x,y) DOE関数
t’(x,y) 逆フーリエ変換関数
U(x,y) フーリエ変換関数
U’(x,y) 制約関数
uout(x,y) 出力関数
usig(x,y) 信号関数
p(L) 回折オペレータ
u in (x, y) input function t (x, y) DOE function t ′ (x, y) inverse Fourier transform function U (x, y) Fourier transform function U ′ (x, y) constraint function u out (x , Y) Output function u sig (x, y) Signal function p (L) Diffraction operator
出力関数と信号関数の(x,y)と、入力関数とDOE関数の(x,y)とは異なるものである。出力関数は、入力関数とDOE関数を掛けてp(L)を作用させることによって求められる。信号関数と出力関数が合致すれば設計ができたということである。しかしなかなか出力関数は信号関数に一致しない。それで反復して計算することになる。DOEの設計には反復フーリエ変換が用いられる。回折のオペレータp(L)がフーリエ変換なので回折(フーリエ変換)と逆回折(逆フーリエ変換)を組み合わせて何度も何度も計算して出力関数が信号関数へ近づくようにする。 The output function and the signal function (x, y) are different from the input function and the DOE function (x, y). The output function is obtained by multiplying the input function and the DOE function and applying p (L). If the signal function matches the output function, the design is complete. However, the output function does not readily match the signal function. Then it will be iteratively calculated. An iterative Fourier transform is used to design the DOE. Since the diffraction operator p (L) is Fourier transform, the diffraction function (Fourier transform) and inverse diffraction (inverse Fourier transform) are combined and calculated again and again so that the output function approaches the signal function.
図3は反復フーリエ変換法によるDOEの設計アルゴリズムを示す。四辺形の隅にDOE関数t(x,y)、フーリエ変換関数U(x,y)、制約関数U’(x,y)、逆フーリエ変換関数t’(x,y)がある。これらが順に並んでいる。t(x,y)からU(x,y)がフーリエ変換である。U’(x,y)からt’(x,y)が逆フーリエ変換である。上の掛け算の記号は入力関数uin(x,y)をDOE関数t(x,y)に掛けるということである。 FIG. 3 shows a DOE design algorithm based on the iterative Fourier transform method. At the corners of the quadrilateral are a DOE function t (x, y), a Fourier transform function U (x, y), a constraint function U ′ (x, y), and an inverse Fourier transform function t ′ (x, y). These are arranged in order. From t (x, y) to U (x, y) is a Fourier transform. From U ′ (x, y) to t ′ (x, y) is an inverse Fourier transform. The upper multiplication symbol means that the input function u in (x, y) is multiplied by the DOE function t (x, y).
右下にあるのが像面に形成したい目的とする信号関数usig(x,y)である。これが制約関数U’(x,y)に入力される。逆フーリエ変換を行い逆フーリエ変換関数t’(x,y)を得る。これにDOE側で必要な制約を課す。これが初期DOE関数t(x,y)となる。DOE関数に入力関数uin(x,y)を掛けるとDOEの直後の振幅関数になる。回折現象はフーリエ変換にあたるのでそれをフーリエ変換してフーリエ変換関数U(x,y)を得る。これは像面側での回折光の振幅であるがここで像面側での制約をU(x,y)に課す。 In the lower right is a target signal function u sig (x, y) to be formed on the image plane. This is input to the constraint function U ′ (x, y). Inverse Fourier transform is performed to obtain an inverse Fourier transform function t ′ (x, y). This imposes necessary restrictions on the DOE side. This is the initial DOE function t (x, y). When the DOE function is multiplied by the input function u in (x, y), an amplitude function immediately after the DOE is obtained. Since the diffraction phenomenon corresponds to Fourier transform, it is Fourier transformed to obtain a Fourier transform function U (x, y). This is the amplitude of the diffracted light on the image plane side. Here, a constraint on the image plane side is imposed on U (x, y).
制約をどのようにするかということは設計者が決めることができる。像面側での制約関数U’(x,y)が得られる。これは像面側での目的となる信号関数usig(x,y)とは違う。フーリエ変換と逆フーリエ変換だけをしていたならばもとの関数に戻る筈であるが、途中で入力関数uin(x,y)を掛けているからもとの関数には戻らない。またDOEの制約と像面側の制約を課しているから像面制約関数U’(x,y)は目的となる信号関数usig(x,y)からさらに離れる。 The designer can decide how to make the constraints. A constraint function U ′ (x, y) on the image plane side is obtained. This is different from the target signal function u sig (x, y) on the image plane side. If only Fourier transform and inverse Fourier transform were performed, the original function should be restored. However, since the input function u in (x, y) is multiplied on the way, the original function is not restored. Since the DOE constraint and the image plane side constraint are imposed, the image plane constraint function U ′ (x, y) is further away from the target signal function u sig (x, y).
像面制約関数U’(x,y)を信号関数usig(x,y)に近づけるためにこのサイクルを何度も何度も繰り返し実行する。それによってDOE制約と像面側制約を満足しつつほぼ信号関数usig(x,y)に十分近い像面制約関数U’(x,y)が得られるようになる。 This cycle is repeated over and over again to bring the image plane constraint function U ′ (x, y) closer to the signal function u sig (x, y). As a result, an image plane constraint function U ′ (x, y) that is sufficiently close to the signal function u sig (x, y) can be obtained while satisfying the DOE constraint and the image plane side constraint.
逆フーリエ変換、フーリエ変換よりなるサイクルを行う毎にDOE関数t(x,y)が少しずつ変化してゆく。像面制約関数U’(x,y)が信号関数usig(x,y)に満足できる程十分にちかくなると計算を中止する。そのときのDOE関数t(x,y)が、求めるべきDOEの関数である。それを左上の矢印によって示した。図3に示すものがDOEの設計手法として行われる反復フーリエ変換法である。 The DOE function t (x, y) gradually changes every time a cycle consisting of inverse Fourier transform and Fourier transform is performed. The calculation is stopped when the image plane constraint function U ′ (x, y) is sufficiently close to satisfy the signal function u sig (x, y). The DOE function t (x, y) at that time is the DOE function to be obtained. This is indicated by the upper left arrow. FIG. 3 shows an iterative Fourier transform method performed as a DOE design method.
目的となるはDOE関数t(x,y)の決定であるが、これは回折部品のピクセル(画素)毎の厚によって与えられる関数である。だからt(x,y)を決めると全てのピクセルの厚み(表面レリーフの高さ)が与えられる。それによってDOEを設計できる。 The objective is to determine the DOE function t (x, y), which is a function given by the thickness of each diffractive component pixel. Therefore, determining t (x, y) gives the thickness (height of the surface relief) of all pixels. Thereby, the DOE can be designed.
ここでは透明の材料でDOEを作る。炭酸ガスレ−ザ(10.6μm)の場合はZnSeをDOEの材料とする。YAGレーザ(1.06μm)の基本波や2倍高調波(0.53μm)の場合は石英でDOEを作製する。DOE表面の全高さの差(最高面と最低面の差)はレーザ光の一波長分(λ/(n−1))に対応する。2g(gは整数)段階の厚みがある場合、1波長分(λ/(n−1))を2gで割ったものが基準段差である。 Here, DOE is made of a transparent material. In the case of a carbon dioxide laser (10.6 μm), ZnSe is used as the DOE material. In the case of a fundamental wave of YAG laser (1.06 μm) or a second harmonic (0.53 μm), DOE is made of quartz. The difference in the total height of the DOE surface (difference between the highest surface and the lowest surface) corresponds to one wavelength (λ / (n−1)) of the laser beam. When there is a thickness of 2 g (g is an integer), a reference step is obtained by dividing one wavelength (λ / (n−1)) by 2 g .
透明材料なのでDOE関数は位相を変化させるだけで強度は変化しない。だから振幅の絶対値は1である。t(x,y)は位相関数τ(x,y)によって次のように表現される。 Since it is a transparent material, the DOE function only changes the phase and does not change the intensity. Therefore, the absolute value of the amplitude is 1. t (x, y) is expressed by the phase function τ (x, y) as follows.
t(x,y)=exp{iτ(x,y)} (2) t (x, y) = exp {iτ (x, y)} (2)
ここでτ(x,y)はDOEの(x,y)を通過するときに生じる位相の遅れである。(x,y)でのDOEの厚み(高さ)をh(x,y)とすると、レーザ光波長λに対するDOEの屈折率をnとして、DOEを伝搬する光は空気中を伝搬するのに比べて光路が(n−1)h(x,y)だけ長くなる。これを波長λで割り2πを掛けると位相の差が求められる。 Here, τ (x, y) is a phase delay generated when passing through (x, y) of the DOE. When the thickness (height) of the DOE at (x, y) is h (x, y), the refractive index of the DOE with respect to the laser light wavelength λ is n, and the light propagating through the DOE propagates through the air. In comparison, the optical path becomes longer by (n−1) h (x, y). Dividing this by the wavelength λ and multiplying by 2π gives the phase difference.
τ(x,y)=(2π/λ)(n−1)h(x,y) (3) τ (x, y) = (2π / λ) (n−1) h (x, y) (3)
となる。 It becomes.
t(x,y)=exp{i(2π/λ)(n−1)h(x,y)}(3‘) t (x, y) = exp {i (2π / λ) (n−1) h (x, y)} (3 ′)
ここで(x,y)はDOEでの二次元座標で連続変数でなく実際にはピクセル座標に対応する。だからピクセル番号をm、nとして実際にはh(xm,yn)というような座標になる。一つのピクセルには一つの高さが対応する。高さは離散化されており、例えば16段階とか64段階とか128段階、256段階というように2g(gは整数:段差数))の形に決められる。 Here, (x, y) is a two-dimensional coordinate in the DOE and actually corresponds to a pixel coordinate, not a continuous variable. Therefore, if the pixel numbers are m and n, the coordinates are actually h (x m , y n ). One pixel corresponds to one height. The height is discretized and is determined in the form of 2 g (g is an integer: number of steps), for example, 16 steps, 64 steps, 128 steps, 256 steps.
図4はピクセル毎に変化するDOE表面の高さの一例を説明する概念図である。横軸はxとyであり一次元でなく二次元である。DOE厚みh(x,y)は離散的で、x方向にもy方向にも同じように段差があるということである。DOEは屈折率がnであり外部は空気でn=1である。 FIG. 4 is a conceptual diagram illustrating an example of the height of the DOE surface that changes for each pixel. The horizontal axis is x and y, which is not one-dimensional but two-dimensional. The DOE thickness h (x, y) is discrete, and there are steps in the x and y directions as well. DOE has a refractive index of n, the outside is air, and n = 1.
そのようなDOE表面の段差構造は図5に示すように何度もフォトリソグラフィとエッチングを繰り返すことによって作製できる。基板上にレジストを塗布乾燥しマスクを介して紫外線露光し現像する。ポジ型の場合は露光された部分が洗い流され非露光部にレジストが残る。ドライエッチングすると被覆部はそのままで露出部が一定深さだけ抉られる。レジストを除去すると1段構造ができる。この深さは先ほどの一波長分を段差数2gで割ったλ/(n−1)2gである。波長よりずっと細かい量である。
Such a step structure on the DOE surface can be produced by repeating photolithography and etching many times as shown in FIG. A resist is applied and dried on the substrate, and exposed to ultraviolet rays through a mask and developed. In the case of the positive type, the exposed part is washed away and the resist remains in the non-exposed part. When dry etching is performed, the exposed portion is scratched by a certain depth while the coating portion remains intact. When the resist is removed, a one-stage structure is formed. This depth is λ / (n−1) 2 g obtained by dividing one wavelength by the number of
そのような微小量を精密にエッチング除去する。以下同じことを何度も繰り返す。レジスト塗布乾燥しより細かいマスクを介して紫外線露光しエッチングして2段階目の穴を掘る。2g回のフォトリソグラフィ・エッチングを繰り返して2g段階のDOEを作製することができる。このような精密な深さを掘ることができるフォトリソグラフィ・エッチング技術が進歩したのでDOEを現実的な光学部品として利用できるようになったのである。 Such a minute amount is precisely removed by etching. Repeat the same process over and over. The resist is coated and dried, exposed to ultraviolet rays through a finer mask, and etched to dig a second-stage hole. A 2 g DOE can be produced by repeating 2 g photolithography etching. Advances in photolithography and etching technology that can dig such a precise depth have made it possible to use DOE as a realistic optical component.
また電子ビームによってもDOEの表面の構造をつくることができる。ステップに量子化せず連続的な傾斜面をつくることもできる。本発明はDOEの表面加工法の発明でないからこれ以上加工法を説明しない。 The surface structure of the DOE can also be created by an electron beam. It is also possible to create a continuous inclined surface without quantizing the steps. Since the present invention is not an invention of DOE surface processing method, no further processing method will be described.
回折型光学部品(DOE)はレンズ光学系、ミラー光学系よりも多くの可能性を持っている。それは屈折や反射のような幾何光学的な手段でなく波動光学的な手段で光を自在に分解して合成するからである。信号関数によって与えられる目的となる像面でのパターンが、一つの円形、正方形、長方形などの単純な図形の場合は図3のような設計方法で良かったのである。 Diffractive optical components (DOE) have more possibilities than lens optics and mirror optics. This is because light is freely decomposed and synthesized by wave optical means rather than geometric optical means such as refraction and reflection. When the pattern on the target image plane given by the signal function is a simple figure such as one circle, square, or rectangle, the design method shown in FIG. 3 is sufficient.
しかし回路パターンのように複雑な図形を信号関数として与えるDOEは未だに多くの克服すべき問題がある。複数の分布をもつ複雑なパターンが目的である場合、信号関数を数学的に表現することができない。はじめから数式化せず像面での目的パターンを直接に与えるようにするしかない。数式表現できなくてもフーリエ変換、逆フーリエ変換は計算できるからそれ自身は問題でない。しかしその場合でも画像濃淡が急峻に変化する部分(エッジ)のような特異点、特異線があるとうまくDOEを設計できない。なんらかの工夫が必要である。 However, DOE that gives a complicated figure such as a circuit pattern as a signal function still has many problems to be overcome. If a complex pattern with multiple distributions is the goal, the signal function cannot be expressed mathematically. There is no choice but to give the target pattern directly on the image plane without formulating it from the beginning. Even if the mathematical expression cannot be expressed, the Fourier transform and the inverse Fourier transform can be calculated, so that is not a problem in itself. However, even in such a case, the DOE cannot be designed well if there are singular points and singular lines such as portions (edges) where the image density changes sharply. Some ingenuity is necessary.
信号関数の初期位相分布の決定についても問題がある。単純な像面画像を作り出す場合は問題でないが、複雑な図形をDOEで作ろうとする場合は信号関数の初期位相分布が適切でないとフェイズディスロケーションが発生することがある。フェイズディスロケーションというのは、複素平面において有限な複素数として定義できない値が発生することであり、位相に不連続な点が存在するということである。 There is also a problem with determining the initial phase distribution of the signal function. When creating a simple image plane image, there is no problem, but when a complicated figure is to be created by DOE, phase dislocation may occur if the initial phase distribution of the signal function is not appropriate. Phase dislocation means that a value that cannot be defined as a finite complex number occurs in the complex plane, and there are discontinuous points in the phase.
非特許文献1、2は回折像に現れるスペックルノイズを消去するための方法を提案している。それはランダムフェイズを初期位相として与えるというものである。しかしランダムフェイズでノイズが消えるのは目的となる画像が単純な場合だけであろうと本発明者は考える。だから単純な図形の場合にしか適用することができない。複雑なパターンにも有効に適用できる初期位相を与える手法が必要である。
像面での目的となるパターンが複雑であるとDOEのピクセル数を多くしなければならない。ピクセル数が多いと設計が難しくなり加工が複雑になる。それだけでなくて回折によってパターン外へ逃げるパワーが増大しパターン内に利用されるレーザパワーの効率が低下するという欠点がある。それは図1の単純な均一円形ビーム(トップハット)を作る場合はあまり問題にならないがより込み入った画像をDOEで作ろうとすると大きな問題になる。 If the target pattern on the image plane is complicated, the number of DOE pixels must be increased. When the number of pixels is large, the design becomes difficult and the processing becomes complicated. In addition, there is a drawback that the power to escape out of the pattern by diffraction increases and the efficiency of the laser power used in the pattern decreases. This is not a problem when the simple uniform circular beam (top hat) shown in FIG. 1 is made, but it becomes a big problem when trying to make a more complicated image by DOE.
つまりエネルギー利用効率低下の問題である。屈折型光学系ではそのような問題は起こり得ないが回折型の場合は大きな問題である。パターンが複雑であればあるほど効率低下は顕著になる。パターン外へ逃げる光エネルギーが多いとレーザ加工の場合加工パワーが減少するので問題である。それに目的パターンの外へ逃げた光パワーがノイズとして妨害になる可能性があるので精密なパターンを描画したいという場合は問題となる。 In other words, it is a problem of reduced energy use efficiency. Such a problem cannot occur in a refractive optical system, but it is a serious problem in a diffractive type. The more complex the pattern, the more significant the efficiency drop. If a large amount of light energy escapes from the pattern, the processing power decreases in the case of laser processing, which is a problem. In addition, since the optical power that escapes from the target pattern may interfere with noise, it becomes a problem when it is desired to draw a precise pattern.
さらに図3の逆フーリエ変換、フーリエ変換の循環においてDOE関数t(x,y)はU(x,y)の逆フーリエ変換なので、かならずしも絶対値が1にならない。しかし先述のようにDOEは完全透明であって振幅は不変であり位相だけを変えるものであるから、絶対値は必ず1である。そのような食い違いはU(x,y)を逆フーリエ変換した場合には必ず発生する。単純な図形(図1のように)の場合はそれは深刻な問題を生じないが複雑な目的図形の場合は、t(x,y)の絶対値が1からずれて行くということも有り得る。それは適切な解から離れて行くということで望ましくない。 Furthermore, since the DOE function t (x, y) is an inverse Fourier transform of U (x, y) in the inverse Fourier transform and Fourier transform cycles of FIG. 3, the absolute value is not necessarily 1. However, as described above, since the DOE is completely transparent, the amplitude is not changed, and only the phase is changed, the absolute value is always 1. Such a discrepancy always occurs when U (x, y) is subjected to inverse Fourier transform. In the case of a simple figure (as shown in FIG. 1), it does not cause a serious problem, but in the case of a complicated target figure, the absolute value of t (x, y) may deviate from 1. That is undesirable because it goes away from the proper solution.
そのようにDOEを複雑なパターンへ適用する場合まだまだ多くの問題があると本発明者は考える。そのような問題を克服して複雑な出力画像を作り出すことができるDOEの設計方法を提供することが本発明の目的である。 The present inventor considers that there are still many problems when applying DOE to such a complicated pattern. It is an object of the present invention to provide a DOE design method that can overcome such problems and create a complex output image.
複雑な図形を対象にする場合さまざまな特異点が含まれる。パワー値が急激に変化する場合それをそのまま信号関数usig(x,y)にすると、非連続変化の部分の特異性で収束解が得られないか誤った解を与える可能性がある。それを解決するために、急峻なパワー変化のある部分(エッジと呼ぶ)をなだらかにするためガウス関数をかけて急峻なエッジを滑らかな変化に変える。急峻エッジ部分を含む目的画像の関数をf1(x,y)とする。画像の中心に中心をもつガウス関数f2(x,y)を考える。そして両者のコンボリューションを計算する。 When targeting complex figures, various singularities are included. If the power value changes abruptly, if it is directly used as the signal function u sig (x, y), there is a possibility that a convergent solution cannot be obtained due to the specificity of the discontinuous change portion or an incorrect solution is given. In order to solve this problem, a Gaussian function is applied to smooth a portion with a steep power change (called an edge) to change the steep edge into a smooth change. A function of the target image including the steep edge portion is assumed to be f 1 (x, y). Consider a Gaussian function f 2 (x, y) centered at the center of the image. And the convolution of both is calculated.
F{f1(x,y)*f2(x,y)}=F1(u,v)F2(u,v) (4) F {f 1 (x, y) * f 2 (x, y)} = F 1 (u, v) F 2 (u, v) (4)
これをアンチエイリアシングと呼ぶ。 This is called anti-aliasing.
図6によってその一例を説明する。左上の図形が像面出力図形だとする。これは矩形パワー分布をもちエッジが急峻である。左下に示したのがガウス関数である。両者のコンボリューションが右に示すものである。原画像に似ているがエッジがなだらかな分布に変化している。そのような処理を微分が発散するエッジに対して行う。それによって特異点を無くすことができる。これは簡単な数学的処理であって計算時間はあまりかからない。 An example will be described with reference to FIG. Assume that the figure on the upper left is the image plane output figure. This has a rectangular power distribution and a sharp edge. The Gauss function is shown in the lower left. Both convolutions are shown on the right. Similar to the original image, but the edges have a gentle distribution. Such processing is performed on the edge where the derivative diverges. As a result, the singularity can be eliminated. This is a simple mathematical process and does not take much computation time.
信号関数の初期位相は自由に決めることができ目的画像が単純な円、正方形などの場合はどのようにしてもよいのであるが、複雑な画像を作り出したい場合は初期位相の選択がうまくないとフェイズディスロケーションが発生することがある。 The initial phase of the signal function can be freely determined and can be used if the target image is a simple circle, square, etc., but if you want to create a complex image, the initial phase may not be selected properly. Phase dislocation may occur.
本発明者はレンズと同じように中心で位相が進み、周辺部で位相が遅れるような初期位相を与えることにした。それは凸レンズとの類推で与えるものであるからフレネル型DOEの場合特に有効だと本発明者は思う。図7によって本発明の信号関数初期位相の与え方を説明する。 The present inventor decided to give an initial phase in which the phase is advanced at the center and the phase is delayed at the peripheral portion in the same manner as the lens. The inventor thinks that this is particularly effective in the case of Fresnel DOE because it is given by analogy with a convex lens. The method for giving the initial phase of the signal function of the present invention will be described with reference to FIG.
図7の上の図は初期位相焦点距離をdphとしたときの光線の広がりを示す。点光源から光が発生して像面までの距離dphを飛行する。像面での二次元座標を(x,y)とすると、一次近似で中心点より(x2+y2)/2dphだけ遠くなる。始点で全ての光の位相が同一だという要求をすれば、位相差は距離の差を波長λで割って2πを掛けたものとして得られるので、位相差は2π(x2+y2)/2λdphとなる。波数はk=2π/λである。凸レンズの類推で位相差を打ち消すように信号関数初期位相を与えるとすればそれに負号をつけて、初期位相関数Ω(x,y)を The upper diagram of FIG. 7 shows the spread of light rays when the initial phase focal length is dph . Light is generated from a point light source and flies a distance d ph to the image plane. If the two-dimensional coordinate on the image plane is (x, y), it is farther from the center point by (x 2 + y 2 ) / 2d ph in the first order approximation. If a request is made that the phases of all the lights are the same at the start point, the phase difference can be obtained by dividing the distance difference by the wavelength λ and multiplying by 2π, so that the phase difference is 2π (x 2 + y 2 ) / 2λd. ph . The wave number is k = 2π / λ. If the signal function initial phase is given so as to cancel the phase difference by analogy with a convex lens, a negative sign is added to it and the initial phase function Ω (x, y) is
というように与えることにする。 I will give it.
それでは初期位相焦点距離dphはどうして決めるのか?という問題がある。DOE面での入力光波の広がりをwinとする。像面での出力光波の広がりをwsigとする。光波の広がりの端を結んで延長し交差したところが点光源の位置であると考える。DOE・像面の距離をLとすると、初期位相焦点距離はLを光の広がりの差(wsig−win)で割って像面での光広がりを掛けたものとして得られる。 So how do you determine the initial phase focal length dph ? There is a problem. The spread of the input light waves at the DOE surface and w in. Let w sig be the spread of the output light wave on the image plane. The point light source is considered to be the point where the ends of the light wave spread are connected and extended. When the distance DOE · image plane is L, the initial phase the focal length is obtained as multiplied by the light spread in the image plane divided by the difference in the spread of light L (w sig -w in).
というようになる。実際には信号関数の図形が単純な場合でないとwsig、winが一義的に決まらない。複雑な場合は代表的なパターンについて、wsig、winの広がりの差を用いれば良いのである。 And so on. If in fact is not the case figure of the signal function is simple w sig, w in is not uniquely determined. In a complicated case, the difference in the spread of w sig and win may be used for a representative pattern.
(5)によって初期位相を与えた信号関数の初期位相分布を図8に示す。作り出したい最終的な出力像をu’sig(x,y)として、これに位相をかけて FIG. 8 shows an initial phase distribution of the signal function to which the initial phase is given by (5). Let u ' sig (x, y) be the final output image you want to create,
u’sig(x,y)exp(iΩ(x,y))
=u’sig(x,y)exp(−ik(x2+y2)/2dph) (7)
u ′ sig (x, y) exp (iΩ (x, y))
= U ′ sig (x, y) exp (−ik (x 2 + y 2 ) / 2d ph ) (7)
これが初期位相を含めた信号関数usig(x,y)である。 This is the signal function u sig (x, y) including the initial phase.
信号関数usig(x,y)が確定したので図3の手順に従いこれを逆フーリエ変換してDOE関数t(x,y)が得られる。ここでDOE側の制約を課す。どのような制約を課すかというと、本来DOE関数は(2)に示したように位相項だけを持ち、振幅の絶対値は1なのである。つまり複素平面において半径1の円上にある筈である(|t(x,y)|=1)。ところがusig(x,y)を逆フーリエ変換してもそのようにはならない。もともとusig(x,y)にはそのような限定がないからである。 Since the signal function u sig (x, y) is determined, the DOE function t (x, y) is obtained by performing inverse Fourier transform according to the procedure of FIG. This imposes restrictions on the DOE side. As to what constraints are imposed, the DOE function originally has only a phase term as shown in (2), and the absolute value of the amplitude is 1. That is, it should be on a circle with a radius of 1 in the complex plane (| t (x, y) | = 1). However, this does not happen even if u sig (x, y) is subjected to inverse Fourier transform. This is because u sig (x, y) originally has no such limitation.
単純な変換をするDOEであればここでt(x,y)を修正しなくてもよいのであるが、本発明は複雑な出力パターンを発生させることを目的にしているのでここでt(x,y)に修正を加える。信号関数usig(x,y)を逆フーリエ変換したものをt’(x,y)とする。像面での(x,y)とDOEでの(x,y)は異なる。同じ記号を用いているが区別して考えるべきである。 If it is a DOE that performs simple conversion, t (x, y) does not need to be corrected here. However, since the present invention aims to generate a complex output pattern, t (x, y) is used here. , Y). A signal function u sig (x, y) obtained by inverse Fourier transform is defined as t ′ (x, y). (X, y) on the image plane and (x, y) on the DOE are different. The same symbols are used but should be considered separately.
関数t’(x,y)の絶対値は1でないが位相関係を維持しつつ振幅だけを修正して絶対値が1であるようにする。それは|t’(x,y)|によってt’(x,y)を割ったものとして得られる。 The absolute value of the function t ′ (x, y) is not 1, but only the amplitude is corrected while maintaining the phase relationship so that the absolute value is 1. It is obtained as t '(x, y) divided by | t' (x, y) |.
ということにする。これはt(x,y)の位相を保持しつつ絶対値を1にするものである。arg(…)というのは括弧内の複素数の角度成分と言う意味である。そのようにt(x,y)を絶対値1に正規化することが本発明でのDOE側の制約だということになる。それを図3より具体的に書くと図9のようになる。
I will say. This makes the
そのような位相分布がビームシェーパーの初期位相分布となる。それに入力関数uin(x,y)を掛けて回折(フーリエ変換)計算する。これが像面でのフーリエ変換関数U(x,y)である。つぎに像面側の制約を与える。DOEによる回折光は広がるが実際に必要なパターンの広がり領域はよい狭いものである。そこで必要な中心部と不要な周辺部にU(x,y)を分ける。図10は像面の分割を示す図である。像面でのx方向、y方向のピクセル数をNx、Nyとする。必要な信号は中心部だけにあるので、中心部のRx×Ryを信号領域Rsigとする。外側を周縁部とよぶ。 Such a phase distribution is the initial phase distribution of the beam shaper. It is multiplied by the input function u in (x, y) to calculate diffraction (Fourier transform). This is the Fourier transform function U (x, y) on the image plane. Next, constraints on the image plane side are given. Although the diffracted light by DOE spreads, the spread area of the pattern actually required is a good narrow one. Therefore, U (x, y) is divided into a necessary central portion and an unnecessary peripheral portion. FIG. 10 is a diagram showing division of the image plane. Let the number of pixels in the x and y directions on the image plane be N x and N y . Since the necessary signal is only in the central part, R x × R y in the central part is defined as a signal region R sig . The outside is called the peripheral edge.
フーリエ変換関数U(x,y)に像面側制約をつけたものが制約関数U’(x,y)である。制約関数U’(x,y)の信号領域の振幅変数は、U(x,y)の計算された関数でなく、もとの信号関数usig(x,y)とする。ここが一つの工夫である。信号関数usig(x,y)の記憶が計算サイクルとともに消えて行くと最終的に得られたDOE関数は、所望の信号関数usig(x,y)を与えないかもしれない。そこで振幅分布についてはつねにもとの信号関数usig(x,y)を採用する。それまでの循環計算はなんのためにあるのか?というと、周辺部(Rx×Ryの外)のU(x,y)を決める事と、信号領域の位相を決めることである。つまり制約関数U’(x,y)をつぎにように決定する。 The constraint function U ′ (x, y) is obtained by adding the image plane side constraint to the Fourier transform function U (x, y). The amplitude variable in the signal region of the constraint function U ′ (x, y) is not the calculated function of U (x, y), but the original signal function u sig (x, y). This is one idea. If the memory of the signal function u sig (x, y) disappears with the calculation cycle, the finally obtained DOE function may not give the desired signal function u sig (x, y). Therefore, the original signal function u sig (x, y) is always adopted for the amplitude distribution. What is the previous circular calculation for? That is, determining U (x, y) in the peripheral portion (outside Rx × Ry) and determining the phase of the signal region. That is, the constraint function U ′ (x, y) is determined as follows.
U’(x,y)=|usig(x,y)|exp{iarg(U(x,y))}(10) (信号領域:Rsig)
=U(x,y) (周辺部:Nev) (10)
U ′ (x, y) = | u sig (x, y) | exp {iag (U (x, y))} (10) (Signal region: R sig )
= U (x, y) (peripheral part: N ev ) (10)
arg(U(x,y))というのはフーリエ変換関数の角度成分ということである。複素数zをz=rexp(iθ)というように表現したとき、rを振幅といい、θを位相という。arg関数は、arg(z)=θと定義している。信号領域では振幅ははじめの信号関数usig(x,y)とする。振幅は信号関数とし、位相だけを変える。初期位相Ω(x,y)がarg(U(x,y))に置き換わったということである。 arg (U (x, y)) is an angular component of the Fourier transform function. When the complex number z is expressed as z = rexp (iθ), r is called amplitude and θ is called phase. The arg function is defined as arg (z) = θ. In the signal domain, the amplitude is the first signal function u sig (x, y). The amplitude is a signal function and only the phase is changed. That is, the initial phase Ω (x, y) is replaced with arg (U (x, y)).
最終目的はusig(x,y)を発生するDOE関数を求めることであるから、計算サイクルのU(x,y)では常に振幅についてはusig(x,y)を採用する。位相はarg(U(x,y))に変化させる。初期位相Ω(x,y)については先ほど述べたが信号領域で1回目以後は初期位相とは異なる位相をとる。 The ultimate goal since it is possible to obtain a DOE function that generates u sig (x, y), computation cycle of U (x, y) in the always amplitude adopts u sig (x, y). The phase is changed to arg (U (x, y)). Although the initial phase Ω (x, y) has been described above, a phase different from the initial phase is taken after the first time in the signal domain.
周辺部ではそこまでで計算されたU(x,y)を採用する。信号領域内の振幅はU(x,y)を採らずusig(x,y)とする。両者は異なる関数なので信号領域と周辺部の境界において関数の解析性連続性を否定することになる。だから計算を重ねるたびに周辺部にはノイズが蓄積されてゆく。 In the peripheral part, U (x, y) calculated so far is adopted. The amplitude in the signal region does not take U (x, y) and is set to u sig (x, y). Since both are different functions, the analytic continuity of the function is denied at the boundary between the signal region and the peripheral part. So every time calculations are performed, noise accumulates in the periphery.
計算のサイクルを重ねるごとに境界の不連続のために周辺部へノイズが蓄積される。ノイズも光エネルギーから生ずるのだから、エネルギーが周辺部に溜まる。エネルギーの総和は一定なのだから信号領域のエネルギーが減少する。そのため信号領域のエネルギー効率が低下する。単純な図形を作るDOEであれば計算サイクルの回数が少ないからあまり問題ではないが、本発明は複雑な図形を作るDOEを対象にしており計算サイクル数が多いので周辺部へ漏れるエネルギーが多大になる。 With each calculation cycle, noise accumulates in the periphery due to the discontinuity of the boundary. Since noise is also generated from light energy, energy is accumulated in the periphery. Since the total energy is constant, the energy in the signal area decreases. As a result, the energy efficiency of the signal region is reduced. This is not a problem because the number of calculation cycles is small if it is a DOE that makes simple figures, but the present invention is intended for DOE that makes complex figures and has a large number of calculation cycles, so there is a great deal of energy leaking to the periphery. Become.
周辺部に多大のエネルギーが逃げるのを防ぐために本発明者は周辺部の制約関数をフーリエ変換関数よりも小さくなるようにすればよいと思い付いた。信号領域内のエネルギーηcがあるエネルギー制限値η0を下回ったときは周辺部のエネルギーを強制的に下げるような工夫をする。エネルギー制限値η0は目的に応じて自在に決定する。全エネルギーを1に正規化してあるのでηc、η0は0〜1の値である。 In order to prevent a large amount of energy from escaping to the periphery, the present inventor has come up with the idea that the constraint function at the periphery should be made smaller than the Fourier transform function. When the energy η c in the signal region falls below a certain energy limit value η 0 , a contrivance is made to forcibly reduce the energy in the peripheral portion. The energy limit value η 0 is freely determined according to the purpose. Since the total energy is normalized to 1, η c and η 0 are values from 0 to 1.
つまりηc>η0のときは(10)式であるが、ηc<η0のときは、0<β<1となる定数βをとり、フーリエ変換U(x,y)にβを掛けたβU(x,y)を周辺部の制約関数とするのである。(10)の代わりに、 That is, when η c > η 0 , equation (10) is obtained, but when η c <η 0 , a constant β satisfying 0 <β <1 is taken, and the Fourier transform U (x, y) is multiplied by β. ΒU (x, y) is used as a constraint function for the peripheral portion. Instead of (10)
ここで0<β<1である定数βをノイズ軽減係数と呼ぶ。これは周辺部の関数値を減らすことによって周辺部へ配分されるエネルギーを減らす作用がある。これも本発明の新規な特長の一つである。周辺部へのエネルギーの散逸を防ぎ信号領域のエネルギー効率を高める作用がある。βが小さいほど周辺部のエネルギーが減るから信号領域内のエネルギー効率は高まる。 Here, a constant β where 0 <β <1 is referred to as a noise reduction coefficient. This has the effect of reducing the energy distributed to the peripheral part by reducing the function value of the peripheral part. This is also one of the novel features of the present invention. It has the effect of preventing the dissipation of energy to the periphery and increasing the energy efficiency of the signal region. The energy efficiency in the signal region increases because the energy in the peripheral portion decreases as β decreases.
それはそうなのであるが、1回の計算サイクルを経てフーリエ変換関数U(x,y)となったものはusig(x,y)に近い関数である筈で、(10)のようにすれば信号領域・周辺部の境界で位相は連続し、振幅もほぼ連続していることが多い筈である。 That is the case, but what has become a Fourier transform function U (x, y) after one calculation cycle should be a function close to u sig (x, y). In many cases, the phase is continuous and the amplitude is almost continuous at the boundary between the signal region and the peripheral portion.
ところが周辺部だけにβを掛けてしまうと境界での振幅の連続性は失われる。境界で振幅が大きく不連続になってしまう。これがDOE計算の結果に影響を及ぼす。境界での振幅関数の不連続が境界にノイズを出現させることがある。しかし信号領域は境界より狭く、境界部分より小さい開口部をもつマスクをDOEと像面の間におけば境界でのノイズを遮断できる。 However, if β is multiplied only at the peripheral part, the continuity of the amplitude at the boundary is lost. The amplitude becomes large and discontinuous at the boundary. This affects the result of the DOE calculation. Discontinuity of the amplitude function at the boundary may cause noise to appear at the boundary. However, if the signal area is narrower than the boundary and a mask having an opening smaller than the boundary is placed between the DOE and the image plane, noise at the boundary can be blocked.
ビームシェーパーの設計をするためには、さまざまのパラメータを物理的に検討しなければならない。入射レーザ光をガウシアンビームと仮定して計算を進める。本発明はレーザがガウシアンビームでなくても使えるが集光性の式が異なってくる。ここでは入力レーザ光がガウシアンビームとして計算を進める。 In order to design a beam shaper, various parameters must be physically examined. The calculation proceeds assuming that the incident laser light is a Gaussian beam. Although the present invention can be used even if the laser is not a Gaussian beam, the light converging formula is different. Here, the calculation proceeds with the input laser light as a Gaussian beam.
レンズによってビームを集光するが回折のために焦点でも1点に絞れない。ビーム直径はそこで最小になるがその直径をビームウエストという。
図11のようにレンズにガウシアンビームが入射するとする。丁度レンズ面で入射レーザのビームウエストwinであったとする。そのレンズで距離Lの点で集光されてビームウエストwlを形成するとする。
The beam is focused by the lens, but the focal point cannot be reduced to one point due to diffraction. The beam diameter is minimized there, but the diameter is called the beam waist.
Assume that a Gaussian beam is incident on the lens as shown in FIG. Just assumed to be a beam waist w in the incident laser lens surface. It is condensed at a point a distance L in the lens and forms a beam waist w l.
となる。ここで It becomes. here
である。Lは集光点であるがここではレンズを使わず、DOEによって等価な集光作用をさせているので焦点距離fといわず伝搬距離Lといっている。 It is. L is a condensing point, but here, a lens is not used, and an equivalent condensing action is performed by DOE, so the focal length f is referred to as the propagation distance L.
(13)を(12)に代入して分子を求めるとそれはLλ/πnwinとなる。入射レーザビームのビームウエストwinが大きいほど、波長λが短いほど、伝搬距離が短いほどレンズで絞った光の焦点でのビームウエストwlが小さくなる。反対に、レーザビームの径が小さく、距離Lが長く、波長λが長い程ビームウエストwlが広がる。回折によってどうしてもそれだけの直径wlに広がってしまう。 Substituting (13) into (12) to obtain a numerator yields Lλ / πnw in . As the beam waist w in the incident laser beam is large, as the wavelength λ is shorter, the beam waist w l at the focus of the light focused by the propagation distance is shorter lens becomes smaller. On the contrary, the beam waist wl becomes wider as the diameter of the laser beam is smaller, the distance L is longer, and the wavelength λ is longer. It may spread to just that much of the diameter w l by diffraction.
どのようなDOEであってもガウスビームの回折限界であるビームウエストwl以下の微細な径のスポットに集光することができない。だからそれより急峻なエッジを含む信号関数を発生するDOEは存在しない。 What can not be condensed into a beam waist w l or less fine diameter of the spot is diffraction limited Gaussian beam even DOE. Therefore, there is no DOE that generates a signal function including a steeper edge.
ビームウエストwlは伝搬距離Lと入射ビームウエストwinで決まる。(4)式の急峻エッジを丸めるためのガウス関数f2(x,y)の幅は、先ほどの伝搬距離Lと入射ビームwinを考慮して決める必要がある。wlが広がるのは回折のためである。wlを小さくするにはLを小さくし、winを大きくすればよい。 The beam waist w l is determined by the propagation distance L and the incident beam waist w in. The width of the Gaussian function f 2 (x, y) for rounding the steep edge in the equation (4) needs to be determined in consideration of the propagation distance L and the incident beam win. The spread of w l is due to diffraction. To reduce the w l is to reduce the L, it may be increased to w in.
後で説明するが、wlを小さくするため、レーザビーム径は10mmというような大口径ビームが望ましいということになる。もともとのレーザビームはそのように太くないから拡大レンズ、コリメータレンズをつかってレ−ザビームを拡大する。 As described below, in order to reduce the w l, the laser beam diameter will be referred to as a large-diameter beam as that is desired 10 mm. Since the original laser beam is not so thick, the laser beam is expanded using a magnifying lens and a collimator lens.
ビームシェーパーの設計をする場合、位相分布サンプリング間隔が狭い程より精度の高い設計を行う事ができる。DOEは離散化してピクセルを単位とするので、サンプリング間隔がピクセルサイズとなる。だからサンプリング間隔が狭くなるとピクセルサイズも小さくなりピクセル数が増える。ピクセル数が増えると計算も困難になるし製造も難しくなる。 When designing a beam shaper, it is possible to design with higher accuracy as the phase distribution sampling interval is narrower. Since the DOE is discretized and is in units of pixels, the sampling interval is the pixel size. Therefore, when the sampling interval is narrowed, the pixel size is also reduced and the number of pixels is increased. As the number of pixels increases, calculation becomes difficult and manufacturing becomes difficult.
計算製造容易さからいえばサンプリング間隔は広くピクセル数は少ない方が好都合である。しかしサンプリング周波数νsはナイキストの定理νs>2νを満たさなければならないという制限がある。ここでνは像面に点光源があると仮定して逆伝搬したときにおけるDOEでの空間周波数である。図12によってDOEでの空間周波数を計算する。DOEの中心から端部までの距離をRとし、像面とDOEの距離をL(伝搬距離)とする。DOE端部での光の空間周波数νは From the viewpoint of ease of calculation, it is advantageous that the sampling interval is wide and the number of pixels is small. However, there is a restriction that the sampling frequency ν s must satisfy the Nyquist theorem ν s > 2ν. Here, ν is a spatial frequency in the DOE when the light propagates backward assuming that there is a point light source on the image plane. The spatial frequency in the DOE is calculated according to FIG. The distance from the center of the DOE to the end is R, and the distance between the image plane and the DOE is L (propagation distance). The spatial frequency ν of light at the end of the DOE is
によって求められる。θは点光源からみたDOE端部の光軸に対してなす角度である。DOEの位相分布のサンプル間隔をδとすると、 Sought by. θ is an angle formed with respect to the optical axis at the end of the DOE as viewed from the point light source. If the sample interval of the DOE phase distribution is δ,
νs=1/δ (15) ν s = 1 / δ (15)
である。ナイキストの定理はνs>2νであることを要求している。 It is. The Nyquist theorem requires that ν s > 2ν.
DOEの出力強度分布を、S/N比、エネルギー効率、均一性によって評価することにする。S/N比fsnrは出力フーリエ変換像U(x,y)の信号関数usig(x,y)に対する類似性の高さを意味する。 The output intensity distribution of the DOE is evaluated based on the S / N ratio, energy efficiency, and uniformity. The S / N ratio f snr means a high degree of similarity of the output Fourier transform image U (x, y) to the signal function u sig (x, y).
分母は出力と信号関数の差の信号領域での積分であってノイズの大きさを与える。ノイズであればαは1でよいのであるが、ここではαというパラメータをusig(x,y)に付けてこれで出力像U(x,y)を差し引くようにしている。分子は出力画像の信号領域での積分である。αはS/N比を最大にするもので The denominator is the integral in the signal domain of the difference between the output and the signal function, giving the magnitude of the noise. If it is noise, α may be 1. However, here, a parameter α is attached to u sig (x, y), and the output image U (x, y) is subtracted. The numerator is the integral in the signal region of the output image. α is the maximum S / N ratio
という値である。エネルギー変換効率ηcも評価の基準の一つである。入射光波の全エネルギーのうち出力光波の信号領域内に集光されたエネルギーの割合をいう。 It is a value. The energy conversion efficiency η c is also one of evaluation criteria. The ratio of the energy condensed in the signal region of the output light wave out of the total energy of the incident light wave.
ここでWはピクセル内の領域全部を表す。 Here, W represents the entire area in the pixel.
つぎに均一性の評価法について説明する。これは出力像が均一強度画像(トップハット;形状は任意)の場合に定義される手法である。図13によってこれを説明する。これは目的となるものがトップハットである場合である。 Next, a method for evaluating uniformity will be described. This is a method defined when the output image is a uniform intensity image (top hat; shape is arbitrary). This will be described with reference to FIG. This is the case when the target is a top hat.
usig(x,y)がある範囲で一定値をとるような関数であり、これに対して逆フーリエ変換、フーリエ変換の計算を繰り返した場合に図13のような出力フーリエ変換関数U(x,y)が得られたとする。信号領域Rsigの内部にパワーが均一に近い部分ができる。そのうちの最大強度をImaxとする。最少強度をIminとする。平均強度をIaveとする。周辺部にはノイズがある。このノイズは先ほどのS/N比で評価されている。均一性上限fmaxと均一性下限fminを u sig (x, y) is a function that takes a constant value within a certain range. When inverse Fourier transform and Fourier transform are repeated for this function, an output Fourier transform function U (x , Y) is obtained. A portion where the power is nearly uniform is formed inside the signal region R sig . The maximum intensity is I max . The minimum intensity is I min . Let the average intensity be I ave . There is noise in the periphery. This noise is evaluated by the S / N ratio. Uniformity upper limit f max and uniformity lower limit f min
によって定義する。またこれらの平均値(均一性平均値)をつぎのように定義する。 Defined by. These average values (uniformity average values) are defined as follows.
本発明は複雑な形状の出力画像を作り出すDOEを反復フーリエ変換法によって設計する場合、DOE側の制約として、U(x,y)を逆フーリエ変換して得たt’(x,y)を絶対値が1になるように正規化しt(x,y)とする。像面側の制約として、像面を信号領域Rsigと周辺部Nevに分けて信号領域では、振幅は信号関数usig(x,y)とし位相だけはt(x,y)をフーリエ変換したU(x,y)からとってexp(iargU(x,y))とし、周辺部ではそのままU(x,y)とする制約を与える。信号領域と周辺部に像面を分割して異なる関数を与えるというのが像面側の制約である。 In the present invention, when a DOE that generates an output image having a complicated shape is designed by an iterative Fourier transform method, t ′ (x, y) obtained by inverse Fourier transform of U (x, y) is used as a constraint on the DOE side. Normalize so that the absolute value becomes 1, and let it be t (x, y). As a restriction on the image plane side, the image plane is divided into a signal area R sig and a peripheral part N ev . In the signal area, the amplitude is the signal function u sig (x, y) and only the phase is the Fourier transform of t (x, y). It is assumed that exp (iargU (x, y)) is taken from U (x, y) and U (x, y) is directly applied to the peripheral portion. The restriction on the image plane side is to divide the image plane into a signal area and a peripheral portion to give different functions.
そのようなDOE側の制約と、像面側の制約をして、繰り返し逆フーリエ変換、フーリエ変換を何度も繰り返す。計算サイクルを繰り返すことによって、フーリエ変換関数U(x,y)がusig(x,y)に近づくようにする。像面側の制約は目的関数usig(x,y)を振幅に毎回代入するからt(x,y)が目標とするものから離れてゆく心配がない。像面側の制約とDOE側の制約が本発明の新規な点であり、複雑な目的パターンであってもそれを発生できるDOEを設計することができる。 The inverse Fourier transform and the Fourier transform are repeated many times with such constraints on the DOE side and on the image plane side. By repeating the calculation cycle, the Fourier transform function U (x, y) is brought closer to u sig (x, y). The image plane side constraint substitutes the objective function u sig (x, y) for the amplitude every time, so there is no worry that t (x, y) will depart from the target. The restrictions on the image plane side and the restrictions on the DOE side are novel points of the present invention, and a DOE that can generate even a complicated target pattern can be designed.
DOE側の制約によってt(x,y)が、usig(x,y)の逆フーリエ変換でなくなり、像面側の制約によってU’(x,y)が境界で非連続になる。そのために計算を繰り返す間に光のエネルギーが次第に周辺部へ移ってくる。周辺部はもともと何もない部分であるから移行してきたエネルギーは全てノイズエネルギーだということである。そこで本発明では、信号領域のエネルギーηcがある一定の閾値η0より小さくなったときは、周辺部へのU(x,y)の配分を減らすようにする。周辺部の関数U’(x,y)はβU(x,y)というようにする。βは0と1の間の定数である。これは周辺部へのエネルギー配分を低下させノイズを減らす作用がある。それでこれをノイズ低減アルゴリズムという。 Due to constraints on the DOE side, t (x, y) is no longer the inverse Fourier transform of u sig (x, y), and U ′ (x, y) becomes discontinuous at the boundary due to constraints on the image plane side. Therefore, the energy of light gradually moves to the peripheral part while repeating the calculation. Because the peripheral part is originally nothing, all the energy that has been transferred is noise energy. Therefore, in the present invention, when the energy η c of the signal region becomes smaller than a certain threshold value η 0 , the distribution of U (x, y) to the peripheral portion is reduced. The peripheral function U ′ (x, y) is expressed as βU (x, y). β is a constant between 0 and 1. This has the effect of reducing noise by reducing the energy distribution to the periphery. This is called a noise reduction algorithm.
[比較例1(プリント基板パターン:ノイズ軽減アルゴリズム不使用:図14〜図25)]
本発明は、これまでのDOEのように一つの円、正方形、長方形というように単純な図形を作り出す単純図形用のDOEでなく円、長方形、線分、三角形などが複合して存在する複雑なパターンを作りだすDOEの製造を目的としている。ここでは図14のようなプリント基板の回路パターンを投影できるDOEを設計し製作した。ここでは(11)式のノイズ軽減アルゴリズムを使っていない比較例1についてはじめに述べる。像面を信号領域と周辺領域に分割して反復フーリエ変換計算するという方法はこれまで試みられたことはないからこれは従来例ではなく、本発明の効果を明白にするための比較例である。比較例であるがノイズ軽減アルゴリズム不使用と言うこと以外は後に述べる実施例1と同じ条件でおこなったので条件、作用を詳しく述べる。
[Comparative example 1 (printed circuit board pattern: noise reduction algorithm not used: FIGS. 14 to 25)]
The present invention is not a DOE for a simple figure that creates a simple figure such as a circle, square, or rectangle as in the conventional DOE, but a complex figure in which circles, rectangles, line segments, triangles, etc. exist in combination. The purpose is to produce DOE that creates patterns. Here, a DOE capable of projecting a circuit pattern of a printed circuit board as shown in FIG. 14 was designed and manufactured. Here, Comparative Example 1 that does not use the noise reduction algorithm of the equation (11) will be described first. The method of dividing the image plane into the signal area and the peripheral area and performing the iterative Fourier transform calculation has not been attempted so far, so this is not a conventional example but a comparative example for clarifying the effect of the present invention. . Although it is a comparative example, it was performed under the same conditions as Example 1 described later except that the noise reduction algorithm was not used, so the conditions and actions will be described in detail.
図14は信号関数(目的となる像面の画像を表現する関数)をプリント回路とし縦20mm、横20mmの寸法を持っている。左右に4つの電極パッドがある。電極パッドから配線がひとつずつ伸び、パッドの間に3本の配線が通っている。最少線幅は150μmである。最少線間隔は150μmである。配線は横方向、縦方向、斜め方向に延びている。左右対象の回路となっているが非対称であってもよいのはもちろんである。実際には図14のパターンにたいして幅20μmのガウス関数でアンチエイリアシング処理を行ったものを信号関数usig(x,y)として用いた。 FIG. 14 shows a signal function (a function for expressing an image of the target image plane) as a printed circuit and has dimensions of 20 mm in length and 20 mm in width. There are four electrode pads on the left and right. Each wiring extends from the electrode pad, and three wirings pass between the pads. The minimum line width is 150 μm. The minimum line spacing is 150 μm. The wiring extends in the horizontal direction, vertical direction, and diagonal direction. Of course, the circuit is a right / left target, but it may be asymmetrical. Actually, a signal function u sig (x, y) obtained by subjecting the pattern of FIG. 14 to anti-aliasing processing with a Gaussian function having a width of 20 μm was used.
光源は波長632.8nmのHe−Neレーザとした。ピクセル数、サンプル間隔、伝搬距離L、入射ビーム径win、信号領域Rsig、初期位相焦点距離dphなどの設計パラメータをはじめに決定する。(12)式のよって与えられる入力ビーム径winをパラメータ(1、5、7、10mm)とした伝搬距離Lとビームウエストwlの関係を図15に示す。z0が十分に大きいのでwl(μm)はほぼ伝搬距離Lにリニヤとなる。比例定数はwinに反比例するから、入力ビーム径winが大きい程斜線の傾きが小さくなる。win=10mmであると、伝搬距離Lがかなり遠くてもビームウエストを小さくすることができる。 The light source was a He-Ne laser with a wavelength of 632.8 nm. First , design parameters such as the number of pixels, the sample interval, the propagation distance L, the incident beam diameter w in , the signal region R sig , and the initial phase focal length d ph are determined. (12) the relationship between the propagation distance L and the beam waist w l the input beam diameter w in given as a parameter (1,5,7,10Mm) by the equation shown in FIG. 15. Since z 0 is sufficiently large, w l (μm) is almost linear at the propagation distance L. Because the proportionality constant is inversely proportional to w in, slanting line becomes smaller the larger the input beam diameter w in. When w in = 10 mm, the beam waist can be reduced even if the propagation distance L is considerably long.
比較例1では幅20μmのガウス関数でアンチエイリアシング処理しているのでビームウエストの直径は16μm程度の小さいものにしたい。それで入力ビーム径win=10mm、伝搬距離をL=200mmと決めた。図15からそのときのビームウエストは16μmである。入力はガウスビームだと仮定している。パワーが中心のe−2に低下したところをビーム端と定義している。入力ビーム径(e−2)が10mmというのはかなり大きいビームであるが、レーザ光をコリメータで拡径することによって10mmφの平行ガウシアンビームを作り出す事ができる。 In Comparative Example 1, since anti-aliasing processing is performed with a Gaussian function having a width of 20 μm, the diameter of the beam waist should be as small as 16 μm. Therefore, it was determined that the input beam diameter w in = 10 mm and the propagation distance was L = 200 mm. From FIG. 15, the beam waist at that time is 16 μm. The input is assumed to be a Gaussian beam. The point where the power drops to the central e -2 is defined as the beam end. An input beam diameter (e −2 ) of 10 mm is a considerably large beam, but a 10 mmφ parallel Gaussian beam can be produced by expanding the diameter of the laser beam with a collimator.
つぎにDOEのサンプリング間隔とDOEの寸法を考える。(14)、(15)式とナイキストの定理νs>2νから、最大DOEサイズRmaxが Next, the DOE sampling interval and the DOE dimensions are considered. From the equations (14) and (15) and the Nyquist theorem ν s > 2ν, the maximum DOE size R max is
によって制限される。サンプリング間隔δをパラメータ(5、7、10μm)として伝搬距離L(mm)と最大DOEサイズRmax(mm)の関係を図16のグラフによって示す。DOEサイズ(信号領域と周辺部を含んだ全体)は入射光のエネルギーを有効に利用するために、入射ビーム径winの2倍以上としたい。入射ビーム径winが10mmだとするので、DOEの寸法はその2倍の20mm×20mmとする。 Limited by. The relationship between the propagation distance L (mm) and the maximum DOE size R max (mm) with the sampling interval δ as a parameter (5, 7, 10 μm) is shown in the graph of FIG. The DOE size (the whole including the signal region and the peripheral portion) is desired to be at least twice the incident beam diameter win in order to effectively use the energy of the incident light. Since the incident beam diameter w in is that it is 10mm, the dimensions of the DOE shall be twice that of 20mm × 20mm.
伝搬距離はL=200mmと先ほど決めたので、サンプリング間隔が5μmのときに最少DOE寸法が20mmとなる。だからサンプリング間隔は5μmとする。ピクセル数はDOEの寸法(最少20mm)をサンプリング間隔δ=5μmで割ったものである。 Since the propagation distance was previously determined as L = 200 mm, the minimum DOE dimension is 20 mm when the sampling interval is 5 μm. Therefore, the sampling interval is 5 μm. The number of pixels is the DOE dimension (minimum 20 mm) divided by the sampling interval δ = 5 μm.
ピクセル数は2のべき乗であるのが好ましいので4096とする。DOEサイズは20.48mm×20.48mmである。ピクセル数は4096×4096=1677216個とする。像面の大きさは48.6mm×48.6mmとする。信号関数のサイズは20mm×20mmであったから、像面全体における信号領域比率は16.9%である。こうして決めた設計パラメータを表1に挙げた。 Since the number of pixels is preferably a power of 2, it is set to 4096. The DOE size is 20.48 mm × 20.48 mm. The number of pixels is assumed to be 4096 × 4096 = 1667216. The size of the image plane is 48.6 mm × 48.6 mm. Since the size of the signal function is 20 mm × 20 mm, the signal area ratio in the entire image plane is 16.9%. The design parameters determined in this way are listed in Table 1.
図9に示す反復フーリエ変換法によって、usig(x,y)→U’(x,y)→t’(x,y)→t(x,y)→U(x,y)→U’(x,y)→…という循環計算をした。循環計算ごとに上の関数の組が求められる。S/N比は、分母に、U(x,y)からusig(x,y)を差し引いた項を持つのでこれが大きくなるということは解U(x,y)がusig(x,y)に収束するということである。だから循環計算の解をSN比によって評価することができる。 By the iterative Fourier transform method shown in FIG. 9, u sig (x, y) → U ′ (x, y) → t ′ (x, y) → t (x, y) → U (x, y) → U ′ The cyclic calculation of (x, y) → ... was performed. The above set of functions is obtained for each cyclic calculation. Since the S / N ratio has a term obtained by subtracting u sig (x, y) from U (x, y) in the denominator, this increases, which means that the solution U (x, y) becomes u sig (x, y). ). Therefore, the solution of the cyclic calculation can be evaluated by the SN ratio.
図17は計算の反復回数(回)とSN比(dB)の関係を示すグラフである。この図から反復計算回数が200回ぐらいでほぼ収束しているということが分かる。200回でのSN比は33.1dBであった。それは十分に満足できる値である。 FIG. 17 is a graph showing the relationship between the number of calculation iterations (times) and the SN ratio (dB). From this figure, it can be seen that the number of iterations is almost converged at about 200 times. The S / N ratio at 200 times was 33.1 dB. That is a satisfactory value.
上の計算は全ての関数を連続関数として計算している。しかし実際に製作するときはピクセルの高さを何段階かに量子化する必要がある。 The above calculation calculates all functions as continuous functions. However, when actually manufacturing, it is necessary to quantize the pixel height into several steps.
ここでは16段階にピクセル高さを量子化したDOEとして設計した。16段階に量子化されたDOEからの10mmφレーザビームの計算上での回折像を図18に示す。 Here, the pixel height is designed as a DOE quantized in 16 steps. FIG. 18 shows a calculated diffraction image of a 10 mmφ laser beam from a DOE quantized into 16 stages.
左下隅に5mmの長さを示す。像面の全体の大きさは約48mm×48mmであるが回路パターンの存在する信号領域は20mm×20mmであって目的となる回路パターンが描き出されていることがわかる。信号領域にはノイズは殆どない。信号領域と周辺部の境界が明るいのはここで回折によるノイズ光が集中しているからである。周辺部にも明るい部分がある。これはノイズである。信号領域に存在する光エネルギーの率は27.1%であった。それは信号領域を設けて設計したことによって、周辺部へエネルギーが散逸してしまっているためである。周辺部へ移動したエネルギーが72.9%というように大きい値になる。 The length of 5 mm is shown in the lower left corner. It can be seen that the overall size of the image plane is about 48 mm × 48 mm, but the signal area where the circuit pattern exists is 20 mm × 20 mm, and the target circuit pattern is drawn. There is almost no noise in the signal area. The reason why the boundary between the signal region and the peripheral portion is bright is that noise light due to diffraction is concentrated here. There are also bright areas in the periphery. This is noise. The rate of light energy present in the signal region was 27.1%. This is because the energy is dissipated to the periphery due to the design with the signal area. The energy moved to the peripheral part becomes a large value such as 72.9%.
設計された16段階に量子化されたピクセル構造をもつDOEを実際に作製した。先述のフォトリソグラフィとエッチングの組み合わせを16回行うことによってピクセル構造を作製した。DOE材料は石英である。そのDOEに10mmφのレーザビーム(λ=632.8nm)を当てて200mm後方におかれた像面での出力像を図19に示す。信号領域では電極と配線からなる回路パターンが現れている。信号領域と周辺部の境界に光がかなり漏れている。これは境界でのU’(x,y)の不連続によって生ずる漏れ光である。周辺部にノイズがかなりの強さで現れている。 A DOE having a pixel structure quantized into 16 designed stages was actually fabricated. A pixel structure was fabricated by performing the combination of photolithography and etching described above 16 times. The DOE material is quartz. FIG. 19 shows an output image on an image plane placed 200 mm behind by applying a 10 mmφ laser beam (λ = 632.8 nm) to the DOE. In the signal area, a circuit pattern composed of electrodes and wiring appears. Light leaks significantly at the boundary between the signal area and the periphery. This is leakage light caused by U '(x, y) discontinuity at the boundary. Noise appears with considerable strength in the periphery.
信号領域にある光のエネルギーを測定するために図25のような装置を用いた。レーザビームをスペイシャルフィルタで拡大しレンズによって10mmφの平行ビームにする。平行ビームをここで製作したDOEに当てる。DOEのさらに前方200mmの位置に信号領域Rsig(20mm×20mm)と同じ開口部をもつマスクをおいて信号領域を通る光だけを通す。それをレンズで集光してパワーメータで測定した。マスクは周辺部の光を全部遮断するのでパワーメータに入った光が信号領域のエネルギーである。全体のエネルギーに対する信号領域のエネルギー比率がエネルギー効率ηcであるが、これはηc=20%であった。これはエネルギー効率の設計値27.1%より低い。それは周辺部に高次の回折光が多数発生しているためであろうと考えられる。
In order to measure the energy of light in the signal region, an apparatus as shown in FIG. 25 was used. The laser beam is expanded by a spatial filter and is converted into a 10 mmφ parallel beam by a lens. A parallel beam is applied to the DOE produced here. A mask having the same opening as the signal region R sig (20 mm × 20 mm) is placed at a
つぎに実際の光量分布を調べた。図20は実際に製作されたDOEによって像面に回折された光によって形成される信号領域の回路パターンである。図21はその回路パターンのうち配線・電極パッドの表面中央での光量の分布を示す。配線の上でもパッドの上でも光量がかなり大きく揺らいでいる。パッドの終端での光量の切れはあまり良くない。 Next, the actual light quantity distribution was examined. FIG. 20 is a circuit pattern of a signal region formed by light diffracted on the image plane by an actually manufactured DOE. FIG. 21 shows a light amount distribution in the center of the surface of the wiring / electrode pad in the circuit pattern. The light intensity fluctuates considerably on both the wiring and the pads. The light loss at the end of the pad is not very good.
図22は横方向の配線の表面における光量分布を調べたものである。これもかなり大きく光量が揺らいでいる。配線の終端での光量の落ち込みは急である。図23は途中で下へ折れ曲がる配線の上での光量分布である。これは比較的揺らぎが少ないようである。背景部分は光量が0に落ちている。図24は縦方向の配線4本を横断して光量分布を調べたものである。配線部分での光量が大きくしかもは変動が大きい。背景では光量は0に落ちている。だから信号領域でのノイズは殆どないということである。 FIG. 22 shows the light amount distribution on the surface of the wiring in the horizontal direction. This is also quite large and the light intensity is fluctuating. The drop in the amount of light at the end of the wiring is abrupt. FIG. 23 shows the light amount distribution on the wiring that bends down in the middle. This seems to have relatively little fluctuation. The amount of light in the background part has fallen to zero. FIG. 24 shows the light amount distribution examined across four vertical wires. The amount of light in the wiring part is large and the fluctuation is large. In the background, the amount of light has dropped to zero. So there is almost no noise in the signal domain.
これまでの図17〜25に示すものはノイズ軽減アルゴリズムを用いていない。だから、エネルギー効率は設計上で27%、実作のDOEで20%というように低いものであった。 17 to 25 shown so far do not use a noise reduction algorithm. Therefore, the energy efficiency was as low as 27% in design and 20% in actual DOE.
[実施例1(回路パターン:ノイズ軽減アルゴリズム:β=0.1、エネルギー制限値η0=0.6(60%):図26、27)]
実施例1は、比較例1と同じ図14の回路パターンをつくるためにノイズ軽減アルゴリズムを使ってエネルギー効率を上げるようにした。(11)式がそのアルゴリズムを表現している。信号領域では、それまで計算されたフーリエ変換関数U(x,y)の位相部分argU(x,y)をU’(x,y)の位相に採用し、振幅ははじめの信号関数usig(x,y)を用いる。
[Example 1 (circuit pattern: noise reduction algorithm: β = 0.1, energy limit value η 0 = 0.6 (60%): FIGS. 26 and 27)]
In Example 1, energy efficiency is increased by using a noise reduction algorithm in order to produce the same circuit pattern of FIG. Equation (11) expresses the algorithm. In the signal domain, the phase portion argU (x, y) of the Fourier transform function U (x, y) calculated so far is adopted as the phase of U ′ (x, y), and the amplitude is the first signal function u sig ( x, y) is used.
周辺部では、エネルギー利用効率ηcが60%以上であると、周辺部(Nev)の関数にβを掛けず(10)式のようにU(x,y)そのままとする。エネルギー利用効率ηcがη0=0.6(60%)より低くなると、U(x,y)に軽減定数β=0.1を掛けたものをU’(x,y)とする。 In the peripheral portion, if the energy utilization efficiency η c is 60% or more, U (x, y) is left as it is as in the equation (10) without multiplying the function of the peripheral portion (N ev ) by β. When the energy use efficiency η c becomes lower than η 0 = 0.6 (60%), U (x, y) multiplied by the reduction constant β = 0.1 is defined as U ′ (x, y).
そのようにηc<η0のときは周辺部関数をβU(x,y)とし、ηc≧η0のときは周辺部関数をU(x,y)とするノイズ低減アルゴリズムを用いる。そのほかのパラメータなどの値は全て比較例1と同じである。 Thus, a noise reduction algorithm is used in which the peripheral function is βU (x, y) when η c <η 0 , and the peripheral function is U (x, y) when η c ≧ η 0 . All other values such as parameters are the same as in Comparative Example 1.
計算を繰り返してSN比とエネルギー効率によって計算結果を評価した。図26はノイズ軽減アルゴリズムを使った実施例1の計算結果を示す。横軸は計算の反復回数(回)である。左縦軸はSN比(dB)であり、右縦軸はエネルギー効率(%)である。SN比に関しては比較例1の図17と対応するものであるが、図17は反復回数が300回までしかないのに図26は多数の計算を行っている。それはノイズ軽減アルゴリズムの影響をより詳しく見るためである。 The calculation was repeated and the calculation results were evaluated by the SN ratio and energy efficiency. FIG. 26 shows the calculation result of Example 1 using the noise reduction algorithm. The horizontal axis is the number of calculation iterations (times). The left vertical axis is the SN ratio (dB), and the right vertical axis is the energy efficiency (%). The S / N ratio corresponds to that in FIG. 17 of Comparative Example 1, but FIG. 26 performs many calculations although FIG. 17 has only 300 iterations. This is to see the effect of the noise reduction algorithm in more detail.
図26は反復回数が8000回以上で反復計算を多く行っている。エネルギー利用効率ははじめ100%であるが周辺部にノイズが形成されすぐに低下する。0.6(60%)にさがると、周辺部で、U(x,y)をβU(x,y)に切り換えるので周辺部Nevのエネルギーが下がり、信号領域Rsigのエネルギーが急激に上がりエネルギー効率は飛び上がる。高いときは90%に達するがすぐに下がって60%になる。するとまた跳ね上がる。そのような繰り返しとなる。 In FIG. 26, the number of iterations is 8000 times or more and many iteration calculations are performed. The energy utilization efficiency is 100% at the beginning, but noise is formed in the peripheral portion and immediately decreases. When the value is reduced to 0.6 (60%), U (x, y) is switched to βU (x, y) in the peripheral portion, so that the energy in the peripheral portion N ev decreases and the energy in the signal region R sig increases rapidly. Energy efficiency jumps up. When it is high, it reaches 90%, but quickly drops to 60%. Then it jumps up again. It becomes such a repetition.
8000回程度で60.3%程度になる。SN比はだいたい30dBから34dBの間を動くが時に大きく低下することがある。それはエネルギー効率が0.6に落ちたので、U(x,y)がβU(x,y)となり周辺部エネルギーが減少するからである。 It becomes about 60.3% after about 8000 times. The signal-to-noise ratio moves approximately between 30 dB and 34 dB, but can sometimes drop significantly. This is because the energy efficiency has dropped to 0.6, so U (x, y) becomes βU (x, y) and the peripheral energy decreases.
急激な低下回数をのぞくと8000回程度で大体SN比が34.6dBになる。これは収束するのではなくて時にオーバーシュートすることがある。その値に一様収束するのではなくて時に90%に上がることもある。SN比もエネルギー効率も回数に対して複雑な振動をする。振動の周期が一様でなくて回数を重ねるごとに少しずつ延びて行くようである。 Excluding the number of sudden drops, the SN ratio is about 34.6 dB after about 8000 times. This may sometimes overshoot rather than converge. Instead of uniformly converging on that value, it sometimes goes up to 90%. Both the signal-to-noise ratio and the energy efficiency have complicated vibrations with respect to the number of times. The period of vibration is not uniform and seems to extend little by little as the number of times increases.
ノイズ軽減アルゴリズムを使うので、エネルギー効率が60%以上ということが保証される。するとむしろSN比の高いものがよい。これをみると2000回でも8000回でもSN比、エネルギー効率にあまり変わりがないということがわかる。特異な回数を除いて、SN比が34.6dB、エネルギー効率が60.6%というような結果になる。 Use of a noise reduction algorithm ensures that the energy efficiency is 60% or more. Then, what has rather high SN ratio is good. From this, it can be seen that the signal-to-noise ratio and the energy efficiency have not changed much at 2000 times or 8000 times. Except for the specific number of times, the S / N ratio is 34.6 dB and the energy efficiency is 60.6%.
比較例1のようにノイズ軽減アルゴリズムを用いない場合は、エネルギー効率の設計値が27%であったが、ノイズ軽減アルゴリズムを用いる実施例1ではエネルギー効率が60%以上であるから、2倍以上に増えている。SN比は比較例1の反復回数300回で33dBであったのでSN比はあまり変わらずエネルギー効率だけを2倍にすることができたということである。 When the noise reduction algorithm is not used as in Comparative Example 1, the design value of energy efficiency is 27%. However, in Example 1 using the noise reduction algorithm, the energy efficiency is 60% or more, so it is twice or more. Has increased. Since the SN ratio was 33 dB at 300 iterations of Comparative Example 1, the SN ratio did not change much and only the energy efficiency could be doubled.
[比較例2(微小ラインパターン:ノイズ軽減アルゴリズム不使用:図28〜34)]
本発明は複雑な形状のパターンの生成に用いることができるだけでなく、非常に微小なパターンの生成にも適用することができる。長さ100μm、幅10μmのラインパターンを目的像とする。はじめにノイズ軽減アルゴリズムをもちいない比較例2を説明する。像面を信号領域と周辺領域に分割して計算する反復フーリエ変換が公知だというのではない。比較例2は従来例でないが、後に述べるノイズ軽減アルゴリズムを使う実施例2の効果を明らかにするために条件を同じにそろえた比較例2のDOEを設計、製作した。
[Comparative Example 2 (Fine line pattern: Noise reduction algorithm not used: FIGS. 28 to 34)]
The present invention can be used not only for generating a pattern having a complicated shape but also for generating a very minute pattern. A line pattern having a length of 100 μm and a width of 10 μm is used as a target image. First, Comparative Example 2 that does not use the noise reduction algorithm will be described. It is not known that an iterative Fourier transform is known in which an image plane is divided into a signal area and a peripheral area for calculation. Although Comparative Example 2 is not a conventional example, in order to clarify the effect of Example 2 using a noise reduction algorithm described later, the DOE of Comparative Example 2 having the same conditions was designed and manufactured.
図28にラインパターンを示す。信号関数の概形は100μm×10μmのパターンであるが、長さ方向と幅方向の関数形が異なるものとした。10μmの幅方向にはビーム径(中心値のe−2に低下する位置を端として)10μmのガウス関数exp(−(y/v)2)(vは定数)とし、長さ方向には全径(中心値のe−2に低下する位置を端として)100μmの25次スーパーガウシアン関数exp(−(x/s)25)(sは定数)とした。長手方向をガウス関数とすると線に濃淡の差ができてしまうのでスーパーガウシアンにしている。幅方向は狭いのでガウス型でも差し支えない。 FIG. 28 shows a line pattern. The outline of the signal function is a pattern of 100 μm × 10 μm, but the function forms in the length direction and the width direction are different. In the width direction of 10 μm, the beam diameter is assumed to be 10 μm Gaussian function exp (− (y / v) 2 ) (v is a constant) (with the position where the center value decreases to e −2 as the end), and in the length direction The diameter (with the position where the center value decreases to e −2 being the end) was a 25 μm super Gaussian function exp (− (x / s) 25 ) (s is a constant) of 100 μm. If the longitudinal direction is a Gaussian function, the line will have a difference in density, so it is super Gaussian. Since the width direction is narrow, a Gaussian type can be used.
図28の左横にy方向のガウス関数を、右下にx方向のスーパーガウシアン関数の形状を示す。これらは信号部分のパワー密度をy方向、x方向に拡大して示したものである。実際の寸法は100μm×10μmである。これらを掛け合わせたものを信号関数usig(x,y)とした。 The shape of the Gaussian function in the y direction is shown on the left side of FIG. 28, and the shape of the super Gaussian function in the x direction is shown in the lower right. These show the power density of the signal portion enlarged in the y direction and the x direction. The actual dimension is 100 μm × 10 μm. The signal function u sig (x, y) is obtained by multiplying these.
つぎに設計パラメータを決める。今度は、波長355nmのレーザを光源とする。これはYAG(1.06μm)の三倍高調波であり利用可能な光源である。やはりガウシアンビームであると仮定する。(12)、(13)、(14)式から伝搬距離Lとビームウエストwlの関係を求める。図29は入射ビーム径をパラメータ(2、4、6、8、9、10mm)とし、伝搬距離L(mm)とビームウエストwl(μm)の関係を決めるグラフである。 Next, design parameters are determined. This time, a laser having a wavelength of 355 nm is used as a light source. This is a third harmonic of YAG (1.06 μm) and is a usable light source. Assume that it is also a Gaussian beam. (12), (13), determining the relationship between the propagation distance L and the beam waist w l from equation (14). FIG. 29 is a graph for determining the relationship between the propagation distance L (mm) and the beam waist w l (μm) with the incident beam diameter as a parameter (2, 4, 6, 8, 9, 10 mm).
必要なビームウエストwlの大きさは信号関数のエッジのダレの大きさによる。上に述べた信号関数は縦方向(y方向)にはガウス関数、横方向(x方向)にはスーパーガウシアン関数となっていてエッジの様子が異なる。よりエッジが鋭い縦方向(y方向)のダレを基準にした。縦方向のエッジのダレは4.2μmである。ここでダレの定義は、ガウス関数が10%から90%の値に変化するのに必要な幅として定義する。ダレが4.2μmなので4μm程度かそれより細かいサンプリング間隔であることが望ましい。それより広いサンプリング間隔ではエッジの部分をうまく表現できない。 The size of the required beam waist w l depends on the size of the sag of the edge of the signal function. The signal function described above is a Gaussian function in the vertical direction (y direction) and a super Gaussian function in the horizontal direction (x direction), and the appearance of the edges is different. The sag in the vertical direction (y direction) with a sharper edge was used as a reference. The sagging of the vertical edge is 4.2 μm. Here, the definition of sagging is defined as the width necessary for the Gaussian function to change from 10% to 90%. Since the sagging is 4.2 μm, it is desirable that the sampling interval be about 4 μm or smaller. The edge portion cannot be expressed well with a wider sampling interval.
(12)式の分子からわかるように出力ビームウエストwlは入力レーザビーム径winに反比例するので入力ビームウエストwinが小さいと伝搬距離が200mm程度長いと、4.2μmというような細かいサンプリング間隔を実現できない。200mm程度という長い伝搬距離でしかも4μmとか6μmのビームウエストwlを得るには入射レーザビーム径が10mmとか9mmの大口径であることが必要である。そこで入射ビーム径は9mmあるいは10mmに決めた。
(12) the output beam waist w l As can be seen from the molecular the propagation distance between the input beam waist w in small inversely proportional to the input laser beam diameter w in the order of 200mm long, fine sampling as referred 4.2μm The interval cannot be realized. To obtain a beam waist w l of long propagation distance, yet 4μm Toka 6μm as about 200mm is required that the incident laser beam diameter is large diameter of
最大DOEサイズは(22)式によって制限される。それはナイキストの定理が課した条件である。図30はサンプリング間隔δをパラメータとして、伝送距離L(mm)と最大DOEサイズRmax(mm)の関係を示すグラフである。レーザビーム径が10mm、9mmとしてDOE寸法(Rmax)はレーザビームの2倍程度は欲しいところである。だからDOE寸法はここでRmax=21mmとする。伝送距離はL=210mmにする。 The maximum DOE size is limited by equation (22). It is a condition imposed by the Nyquist theorem. FIG. 30 is a graph showing the relationship between the transmission distance L (mm) and the maximum DOE size R max (mm) using the sampling interval δ as a parameter. The laser beam diameter is 10 mm and 9 mm, and the DOE dimension (R max ) is about twice that of the laser beam. Therefore, the DOE dimension is R max = 21 mm here. The transmission distance is L = 210 mm.
その場合、サンプリング間隔を3.5μmより大きくしてはナイキストの定理を満足しない。そこでサンプリング間隔δ=3.5μmとする。δはピクセルサイズでもある。DOEのサイズは21mm×21mmでピクセルサイズは3.5μm×3.5μmとなる。以上の考察によって決定したパラメータを表2に示す。 In that case, the Nyquist theorem is not satisfied if the sampling interval is larger than 3.5 μm. Therefore, the sampling interval δ = 3.5 μm. δ is also the pixel size. The size of the DOE is 21 mm × 21 mm, and the pixel size is 3.5 μm × 3.5 μm. Table 2 shows the parameters determined by the above consideration.
信号領域は5.35mm×5.35mmとする。DOEサイズは21mm×21mmなので信号領域RsigのDOE全体に占める割合は6.5%である。信号関数usig(x,y)(y方向のガウシアンとx方向のスーパーガウシアンの積関数)から出発して図9の計算を繰り返し行った。循環計算ごとにエネルギー効率ηcと均一性平均値((21)式)を計算した。計算の反復回数が増加するとともに均一性平均値は下がってゆく。 The signal area is 5.35 mm × 5.35 mm. Since the DOE size is 21 mm × 21 mm, the ratio of the signal region R sig to the entire DOE is 6.5%. Starting from the signal function u sig (x, y) (product function of Gaussian in y direction and super Gaussian in x direction), the calculation of FIG. 9 was repeated. For each circulation calculation, the energy efficiency η c and the average uniformity value (equation (21)) were calculated. As the number of calculation iterations increases, the uniformity average value decreases.
ビーム径が9mmの場合、図31にSN比と、エネルギー効率の反復回数による変動を示す。図32に均一性平均値と、エネルギー効率の反復回数による変化を示す。 When the beam diameter is 9 mm, FIG. 31 shows the S / N ratio and the variation of the energy efficiency depending on the number of repetitions. FIG. 32 shows a change in average uniformity value and energy efficiency depending on the number of repetitions.
ビーム径が10mmの場合、図33にSN比と、エネルギー効率の反復回数による変動をしめす。図34に均一性平均値と、エネルギー効率の反復回数による変化を示す。 When the beam diameter is 10 mm, FIG. 33 shows the S / N ratio and the variation in energy efficiency depending on the number of repetitions. FIG. 34 shows a change in average uniformity value and energy efficiency depending on the number of repetitions.
9mmφのレーザビームの場合、SN比(図31)は10回程度の反復で27dB程度、50回で30dBになり200回で36dBになる。エネルギー効率は10回で55%以下に減り、そのあとはあまり減らない。100回〜200回の反復計算でエネルギー効率は51%程度である。 In the case of a 9 mmφ laser beam, the S / N ratio (FIG. 31) is about 27 dB after 10 repetitions, 30 dB at 50 repetitions, and 36 dB at 200 repetitions. Energy efficiency decreases to 55% or less in 10 cycles, and does not decrease much thereafter. The energy efficiency is about 51% after 100 to 200 iterations.
均一性平均値は(図32)50回で1%程度に減少する。その後の減りは僅かである。 The uniformity average value (FIG. 32) decreases to about 1% after 50 times. The subsequent decrease is slight.
10mmφのレーザビームの場合、SN比(図33)は30回で30dB程度になる。そのあとゆっくりと増加し200回の繰り返しで41dBになる。均一性平均値は(図34)50回の計算の繰り返しで0.6%程度、100回の繰り返しで0.3%程度である。エネルギー効率は20回の繰り返しで約46%に低下するがそれ以後はあまり低下せず、200回の反復計算でも45%程度である。 In the case of a 10 mmφ laser beam, the SN ratio (FIG. 33) is about 30 dB after 30 times. After that, it increases slowly and reaches 41 dB after 200 repetitions. The average uniformity value (FIG. 34) is about 0.6% after 50 calculations and about 0.3% after 100 repetitions. The energy efficiency decreases to about 46% after 20 iterations, but does not decrease much thereafter, and is about 45% even after 200 iterations.
反復計算を重ねてもエネルギー効率があまり低下しないのはつぎのような理由による。ラインが短く細いので信号領域Rsigの極一部を占めるだけで、像面での境界の不連続があまり大きくならず、エネルギーが境界と周辺部Nevへあまり出て行かず信号領域に留まるからであろう。 The reason why energy efficiency does not decrease much even after repeated calculation is as follows. Since the line is short and thin, it only occupies a very small part of the signal region R sig , so that the discontinuity of the boundary on the image plane does not become so large and the energy does not go out to the boundary and the peripheral portion N ev so much and remains in the signal region. It will be from.
エネルギー効率が比較例1に比べて高いのは、同じ理由で、信号領域に対するライン面積の小さいことにより境界の不連続が強く出ないからである。
[実施例2(微小ラインパターン:ノイズ軽減アルゴリズム使用:β=0.1:η0=0.8(80%):図35〜38)]
比較例2と同じく、図28のラインパターンを形成するDOEをノイズ軽減アルゴリズムをつかって設計した。目的とする像面でのパターンの概形は100μm×10μmのラインである。比較例2と同じく縦方向はガウシアン関数、横方向は25次のスーパーガウシアンである。パラメータは表2に示した比較例2と同じである。
The reason why the energy efficiency is higher than that of Comparative Example 1 is that, for the same reason, the boundary discontinuity does not appear strongly due to the small line area with respect to the signal region.
[Example 2 (Fine line pattern: Use of noise reduction algorithm: β = 0.1: η 0 = 0.8 (80%): FIGS. 35 to 38)]
As in Comparative Example 2, the DOE that forms the line pattern of FIG. 28 was designed using a noise reduction algorithm. The outline of the pattern on the target image plane is a line of 100 μm × 10 μm. As in Comparative Example 2, the vertical direction is a Gaussian function, and the horizontal direction is a 25th-order super Gaussian. The parameters are the same as in Comparative Example 2 shown in Table 2.
レーザビームが9mmφの場合は、図35のようにエネルギー効率ηcは100%から徐々に低下するが80%まで下がると突然に上がる。これはエネルギー制限値をη0=0.8(80%)としており、ここでU’(x,y)=βU(x,y)とするからである。その措置によってエネルギー効率は100%近くに上がる。しかし計算回数と重ねるとまた低下する。80%に至るとまた急上昇する。そのようにエネルギー効率の振動は、エネルギー閾値η0を0.8に設定したことによって起こる。 When the laser beam is 9 mmφ, the energy efficiency η c gradually decreases from 100% as shown in FIG. 35, but suddenly increases when it decreases to 80%. This is because the energy limit value is η 0 = 0.8 (80%), where U ′ (x, y) = βU (x, y). That measure increases energy efficiency to nearly 100%. However, when it overlaps with the number of calculations, it decreases again. When it reaches 80%, it rises again. As such, the energy efficiency oscillation is caused by setting the energy threshold η 0 to 0.8.
エネルギー効率が上がるということは画像の質が良くなったという事ではない。信号領域へ入る光量が増えただけのことであり、信号領域でのノイズが増えている。信号領域のノイズが増えるのでSN比は下がる。SN比は80回で30dB程度に上がる。しかし突然に低下する特異点のようなものがある。それはエネルギー効率が0.8に下がりノイズ低減アルゴリズムが働いたからである。 Increasing energy efficiency does not mean that the image quality has improved. This is just an increase in the amount of light entering the signal area, and noise in the signal area is increasing. Since the noise in the signal area increases, the S / N ratio decreases. The SN ratio increases to about 30 dB after 80 times. But there is something like a singularity that suddenly declines. This is because the energy efficiency is reduced to 0.8 and the noise reduction algorithm works.
そこで15dBに低下しまた回数とともに上昇する。300回で36dBになるが、またηcが0.8になるのでSN比が非連続に18dBまで低下する。そのような繰り返し急激な低下をするが800回程度の計算の繰り返しによって37dB以上のSN比とすることができる。それはノイズ軽減アルゴリズムの顕著な効果である。 Therefore, it decreases to 15 dB and increases with the number of times. Becomes a 36dB at 300 times, also eta c decreases to 18dB SN ratio is discontinuously since 0.8. Although such a rapid decrease is repeated, an S / N ratio of 37 dB or more can be achieved by repeating the calculation about 800 times. That is a significant effect of the noise reduction algorithm.
均一性平均値は80回で4%まで落ちるが、ノイズ軽減アルゴリズムがここで働くので急に30%程度まで悪くなる。いかエネルギー効率が0.8に落ちるたびに均一性はわるくなる〔図36〕。 The uniformity average value drops to 4% at 80 times, but suddenly deteriorates to about 30% because the noise reduction algorithm works here. Every time the energy efficiency drops to 0.8, the uniformity becomes worse (FIG. 36).
レーザビームが10mmφの場合(図37)はエネルギー効率が0.8に低下するのは一度(40回ぐらい)あるだけでその後は0.8まで低下しない。それでSN比はその特異点を除き上昇し200回で40dB、600回で50dB程度になる。SN比は良好である。均一性平均値は(図38)100回で3%程度に低下し400回で1%以下となる。均一性に優れた出力像が得られるということである。 When the laser beam is 10 mmφ (FIG. 37), the energy efficiency is reduced to 0.8 only once (about 40 times), and not thereafter reduced to 0.8. Therefore, the S / N ratio rises except for the singular point, and becomes about 40 dB at 200 times and about 50 dB at 600 times. The SN ratio is good. The uniformity average value (FIG. 38) decreases to about 3% at 100 times and becomes 1% or less at 400 times. This means that an output image with excellent uniformity can be obtained.
図39はレーザビームが9mmφ、10mmφのときに、4段階量子化DOEを作りそのDOEによって生成されたラインパターンの横方向の光量分布と縦方向の光量分布の測定値の変動を示している。縦方向はもとのガウシアンとほぼ同じになっている。縦ガウシアンの頂点1、中間部2、裾部3での横方向の分布を横方向グラフ3本によって示す。横方向のスーパーガウシアンであたえた成分はどの高さにあってもほぼ均一であって満足すべきものである。
FIG. 39 shows fluctuations in the measured values of the light quantity distribution in the horizontal direction and the light quantity distribution in the vertical direction of the line pattern generated by the four-stage quantized DOE when the laser beam is 9 mmφ and 10 mmφ. The vertical direction is almost the same as the original Gaussian. The distribution in the horizontal direction at the
Claims (9)
The two-dimensional amplitude function of the incident laser beam is the input function u in (x, y), the complex transmittance of the diffractive optical element (DOE) is the DOE function t (x, y), and the pattern on the target image plane Is the signal function u sig (x, y), and the signal function u sig (x, y) representing the target image includes the term exp (ikΩ (x, y) including the initial phase Ω (x, y). ) Is subjected to inverse Fourier transform to obtain the inverse Fourier transform function t ′ (x, y), and the DOE side constraint is imposed on t ′ (x, y) to obtain the DOE function t (x, y). Then, t (x, y) u in (x, y), which is obtained by multiplying this by the input function u in (x, y) representing the incident laser light distribution, is subjected to Fourier transform, and a Fourier transform function U (x, y on the image plane side) give y), the rectangular portion containing the desired pattern in the central portion and signal area R sig at the image plane, The external as the peripheral portion N ev, the percentage of the total amount of the amount of light diffracted to the signal region R sig and energy efficiency eta c, given the energy efficiency threshold η 0 (0 <η 0 < 1), the signal area R Inside the sig , the constraint function U ′ (x, y) is given by the product of the phase part of the signal function u sig (x, y) and the Fourier transform function U (x, y) (U ′ (x, y) = u In the case of sig (x, y) exp (iargU (x, y)) and the peripheral part N ev , the constraint function U ′ (x, y) is expressed as a Fourier transform function U (x, y) when η c ≧ η 0. ) Itself (U ′ (x, y) = U (x, y)), and when η c <η 0 , the constraint is obtained by multiplying a constant of 0 <β <1 by U (x, y). Function (U ′ (x, y) = βU (x, y)), and the inverse Fourier transform function on the DOE side by inverse Fourier transform of the constraint function t '(x, y) a request to obtain a DOE function t (x, y) imposes constraints of the DOE side to it, t (x, y) in multiplied by the input function u in (x, y) The DOE function t (x, y) is obtained by the iterative Fourier transformation by repeating the calculation for t (x, y) u in (x, y) to obtain U (x, y), and thus obtained. A diffractive optical component having t (x, y).
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