JP2008506995A - 一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の光学系 - Google Patents

Abstract

一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の光学系及び方法では、回折構造の利点を十分に利用する場合に、様々に形成された強度分布を用意する際、同じく、開口部が大きくなる際、０次回折オーダーの阻害的な影響を、回折構造を製造する際の製造精度により定められる制限範囲を超えて軽減する、という課題が存在する。第一領域内の第一の回折均一化構造では、一次的な強度分布から、精密に構造化された振幅分布及び位相分布が発生し、その精密に構造化された振幅分布及び位相分布に適応し、第二領域で前記精密に構造化された振幅分布及び位相分布から予め設定された立体角依存性の強度分布を発生する第二の回折均一化構造が配置される。

Description

本発明は、コヒーレントな、若しくはパーシャルコヒーレントなレーザー源の為の、ならびに、狭いスペクトル領域で放射する光線源の為の、均一化された光線を形成する目的に用いられる、一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の光学系に関している。

レーザー光線源の工業的そして科学的使用は、近年、その適用範囲及び頻度において、急激に増加した。重要な使用範囲は、例えば、材料加工、医療工学、半導体業界、測定工学であり、その際、レーザー光線は、例えば材料の解離、規定の照明、若しくはまた、物理的なパラメーターを把握する為の道具として、用いられる。レーザーが広範囲に及んで利用される理由は複数あり、その中でも、優れた可視準性及び優れた焦点の可変性、バンド幅の狭さ、そしてコヒーレント、によって認められるレーザー光線自身の物理的特性がある。

前述の長所に関わらず、大抵は利用の際、レーザーから放出された光線は、適切な光学素子によって、修正される必要がある。先の記述は、例えばその空間的な拡張若しくは相違、その強度プロファイル、又は、均一性でのように、利用の際に必要とされる強度分布が、入射したレーザー光線からずれる場合では、とりわけ正しい。

その為、特定の利用状況では、例えばエキシムレーザーから放出されるような、非対称性かつ不均一性の強度プロファイルを有した入射光線を、予め与えられた強度プロファイルを有する均一な強度分布に、規定の領域で、変換することが必要である。その様な均一な分布は例えば、材料加工の為、又はリソグラフ装置内での照射の為にも、必要とされる。

レーザー光線、特にエキシマレーザー光線、を均一化する為にレンズアレイ装置が適していることが公知である（特許文献１，２及び３）。そのような装置は効率的に機能し、そして、優れた均一性を有する強度プロファイルが実現される。

しかしながら、レンズアレイ‐ホモジナイザーの本質的な制限は、例えば、環状の分布若しくは星型の分布、といった任意の強度分布が実現できないことである。

それに対し、様々に形成された強度分布を用意する為には、回折光学要素が適しており、それは、コンピューターで作成される回折構造を用いて、振幅と位相の複雑な変形によって、放射線場を集中的に修正する。（非特許文献１、２及び３）

そのような回折光学要素は回折ホモジナイザーとして、有利には単独の様々な切子面からなり、それは独自の回折特性により、光線エネルギーの再分布を行う。（特許文献４）

回折構造の短所は、製造の際に生じる、算出される表面プロファイルのリファレンスプロファイルからのずれ、に対しての感度である。特に、回折要素を屈折せずに通過し、そして、平坦に分布した光線強度の中心に、いわゆる“ホットスポット“として、明るく点状の領域を作る、そのような光線の割合に対応した、０次回折オーダーによる、状況によっては阻害的な強度の増大が、プロファイル深さ及びデューティファクターのずれから、結果として生じる。

この“ホットスポット”の光りの強度の割合が、その均一に照射された周囲の光りの強度に対して、一方では、回折構造のプロファイルのずれに、もう一方では、光学回折要素の開口数に、依存する為、均一に照射される面の拡大にともない、そのような“ホットスポット”の発生は、累進的かつ阻害的な影響を及ぼす。

それゆえ、プロファイル深さそしてデューティファクターからの同一のずれを有し、しかしながら、より大きな開口数を有した回折ホモジナイザーは、均一に照射される周囲の光りの強度に比べて、より大きい光の強度を有する、“ホットスポット”を示す。

製造する回折構造の精度を向上させる為の技術的措置により、入射光線の全強度に対する“ホットスポット”の強度の割合が、境界のみで最小化される為、開口部がより大きく増加する場合には、回折ホモジナイザーの利用は、頻繁に、解決することの出来ない困難をもたらす。

複色光の光線を利用する場合に強められて発生する０次回折オーダーを減少させる為、特許文献５に関わる回折構造が知られている。その回折構造は３つの高さレベルを有しており、そのうち２つの隣接する高さレベルはπだけ位相のずれを生じる。記述された構造は、０次回折オーダーの発生に関する、テクノロジー由来のプロファイル深さエラーの影響を少なくする為にも適しているが、しかしながら、ずれるデューティファクターの影響を避ける為には適していない。

更に、開口数の増加により、回折構造用により小さな寸法が必要となり、それにより、３段階の高さレベルの製造は、技術的な制限下にある。しかしながら、その制限内でまだ、バイナリ構造は製造される。

ＤＥ４２ ２０ ７０５ Ａ１ ＤＥ１０２ ２５ ６７４ Ａ１ ＤＥ１９６ ３２ ４６０ Ｃ１ ＵＳ４ ５４７ ０３７ ＵＳ６ １１８ ５５９ Gerchberg, R.W. and Saxton, W.O. (1972) "A practical algorithm for thedetermination of phase from image and diffraction plane pictures", Optik 35,237-246 Wyrowski,F. and Bryngdahl, O. (1988) "Iterative Fouriertransform algorithm applied tocomputer holography", J. Opt. Soc. Am. 5, 1958-1966 Turunen,J. and Wyrowski, F. eds. "Diffractive Optics for Industrial and CommercialApplications", Akademie Verlag, Berlin, (1997)

それ故に、様々に形成された強度分布を用意する際に回折構造の利点を十分に利用する場合、また、開口部が大きくなる場合も、０次回折オーダーの阻害的な影響を、回折構造を製造する際の製造精度により定められる制限範囲を超えて軽減する、という課題が存在する。

この課題を解決する為に、一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の光学系は
‐一次的な強度分布から、第一領域内で、精密に構造化された振幅分布及び位相分布を生じる、第一のマイクロ光学的な均一化構造
及び
‐精密に構造化された振幅分布及び位相分布に適合され、第一領域に配置され、そして、精密に構造化された振幅分布及び位相分布から、第二領域で予め設定された立体角依存性の強度分布を発生させる、第二のマイクロ光学的な回折均一化構造
を有する。

第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造が互いに適応し、それにより、所望の強度分布を角度依存性を持って生成できることは、特に重要である。

第二のマイクロ光学的な均一化構造を回折構造として形成すること、そしてそれが第一マイクロ光学的な均一化構造の近傍の第一領域内に配置されることが、０次回折オーダーの阻害的な影響の抑制及び任意の強度分布の形成を保障する。

有利には、第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造は、共通の光学キャリアの互いに背中合わせの表面上に、配置することが出来る。しかし、二つの隣り合う光学キャリアの互いに向かい合った表面上にもまた可能である。

好まれる具象では、第一のマイクロ光学的な均一化構造は回折構造として形成され、それは少なくとも二つの高さレベルを有すること、又は、ブレーズドプロファイルを持つこと、が出来る。その際特に、一次的な入力波に位相構造を印加する、回折特性を有した構造が利用され、それによって、波の広がりに際し、所望の強度分布が発生する。

また、第二のマイクロ光学的な回折均一化構造も、２以上の高さレベルを有するか、ブレーズドプロファイルを持つ。両方のマイクロ光学的な均一化構造は、屈折率分布を調整することも可能である。

マイクロ光学的な均一化構造が切子面形状に作成されること、そして、回折構造が様々な切子面と異なることを、本発明の特別な具象はもくろんでいる。

切子面は規則的に形成されるが、有利には、不規則な形状を有するべきであり、特に、形状及び／又は大きさを異にする切子により、完全に平面状に覆われることが実現されている配置を、選択することが出来る。

例えば周期的な回折格子でのような平行な状態のコヒーレンスの場合でも起こり得る干渉によって、パターン形成が発生しないこともまた有利である。

回折バイナリ構造としての、第一のマイクロ光学的な均一化構造の前述の具象の代わりに、これらは屈折レンズアレイ装置としても形成できる。

０次回折オーダーに類似した中央での強度の増加を生じないように屈折レンズアレイを形成することが出来る為、系全体は、第二のマイクロ光学的な回折均一化構造による、０次回折オーダーの割合を含むに過ぎない。それによりまた、この場合、回折構造の有利な特性を失うことなしに、単独の回折構造の使用に対する、阻害成分の減少を達成することが可能である。

本発明の対象は更に、
‐第一領域内に、一次的な強度分布から精密に構造化された振幅分布及び位相分布を発生させる第一の回折均一化構造を作り出すことによって、そして
‐第二領域の精密に構造化された振幅分布及び位相分布を、予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する、前記第一領域の精密に構造化された振幅分布及び位相分布に適応した第二の回折均一化構造、を作り出すことによって、
一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の方法である。

第一のマイクロ光学的な均一化構造によって、精密に構造化された振幅分布及び位相分布が、第一領域内で発生するだけではなく、第二領域では強度分布が発生する。その強度分布は、立体角領域にわたって広がり、その領域は、第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造の系全体により内包される立体角領域からずれる。

有利には、第一のマイクロ光学的な均一化構造によって、第二領域に発生する強度分布が、ガウス形を有し、そして、第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造の系全体により内包される立体角領域よりも小さい立体角領域にわたって広がる。

本発明は以下の詳細図により、より詳しく説明される。

本発明に関して、用いられる均一化する及び／又は光線を形成するマイクロ光学的な構造は、簡素化のためマイクロ光学的な均一化構造１，２として表される。

連続して配置されるマイクロ光学的な均一化構造１，２は、透過性で板状の光学キャリア３上で、背中合わせの両側面上に配置されるか（Ｆｉｇ．１ａ）、又は、二つの隣接して配置された透過性で板状の光学キャリア４，５が利用され、その場合、互いに向かい合う表面がマイクロ光学的な均一化構造１，２を有する（Ｆｉｇ．１ｂ）。

マイクロ光学的な均一化構造１，２は回折バイナリ構造若しくは複数の高さレベルを持つ回折構造、または、例えばレンズアレイ装置が有するような連続的な高さプロファイルを持つ屈折構造、を有することが出来る。その為、透過性の光学キャリア３−５は、回折構造を有すること、又は、第一のキャリア表面が反射のレンズアレイ装置を、そして、第二のキャリア表面が回折構造を有して、回折構造及び反射構造を組み合わすことが可能である。好ましくは、マイクロ光学的な均一化構造１，２は位相構造である、しかしまた、振幅構造であることも可能である。

図２に対応する本発明に関して、両方のマイクロ光学的な均一化構造１，２が組み合わされた効果により、形成される及び／又は均一化される、一次的な強度分布を有した入射光線６に所望の光学的性質が付与される。

この目的の為、遠方場（第二領域Ｅ_２）に特定の、例えば拡散性でガウス形の、強度分布Ｉ_gaussが作られるように第一のマイクロ光学的な均一化構造１は構成される。その強度分布は、好ましくは、両方のマイクロ光学的な均一化構造１，２の系全体によって定められる立体角領域よりも小さい立体角領域にわたって広がる。

立体角依存性の強度分布は間隔が拡大する際それ以上変わらない、マイクロ光学的な均一化構造１，２の後ろのまさにその領域は、均一化構造１，２の遠方場下で理解される。両方の均一化構造の直ぐ後ろに位置する集光レンズによって、遠方場の強度分布が写し取られることは、多くの利用の場合で有利である。第二のマイクロ光学的な均一化構造２は近傍場（第一領域Ｅ_１）で、第一のマイクロ光学的な均一化構造１の直ぐ下方側にある。それはつまり、第二の均一化構造は第一の均一化構造１の直ぐ後ろの領域にあり、そこでは、第一のマイクロ光学的な均一化構造１によって生じる遠方場強度分布の基本的な特徴は、まだ確認できない。しかしながら、第一のマイクロ光学的な均一化構造１は、ここで、近傍場分布ＮＦとして、振幅分布及び位相分布を有した微細構造を生じる。その微細構造に対して、コンピューター生成により、この設計上の分布で、切断された第二のマイクロ光学的な均一化構造２は、正確に調節される。それは、エッジスティープネス及び均一性に関して、第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造１，２の系全体Ｉ_gesの所望の強度分布が必要な特性を保有する為である。

間隔が増すことで、入射角の変化に対する感度が上がるので、緊密に隣接した両方のマイクロ光学的な均一化構造１，２を配置する必要がある。角度スペクトルを有した（例えば、エキシマレーザーを有した装置での）入射光線の場合、相互的な調整は、間隔が大きすぎる時には、もはや不可能であろう。

更に、可能であれば、第一のマイクロ光学的な均一化構造１により伝えられる全エネルギーが消費されることが、高い効率の為には不可欠である。両方のマイクロ光学的な均一化構造１，２の相互の間隔が拡大し、そして、大きな開口部が望まれる場合、マイクロ光学的な均一化構造２の為に、それに応じて大きな面が必要となり、それにより、結果として費用の上昇をもたらされるだろう。

両方のマイクロ光学的な均一化構造１，２を連続して配置できる境界は、表面にマイクロ光学的な均一化構造１，２が配置される光学的キャリア３‐５の幾何学的形状（湾曲、ウェッジエラーなど）により定められる。

本発明によって、例えば、回折のマイクロ光学的な均一化構造１，２を製造する際のエラーにより引き起こされ得る、０次回折オーダーによる阻害的な影響が大幅に最小化される。

第二のマイクロ光学的な均一化構造２の表面プロファイルが、製造の際のエラーにより引き起こされる、設計上算出される理想プロファイルからのずれを有する場合、第二のマイクロ光学的な均一化構造２は、ある特定の割合で入射光線を屈折せずに透過させる。しかしながら、この割合は既に、第一のマイクロ光学的な均一化構造１により生じた角度スペクトルを有する為、図２に相当する実施の場合、系全体によって生成される均一な強度分布Ｉ_gesに更に第一のマイクロ光学的な均一化構造１から生じた拡散性のガウス分布Ｉ_gaussが比例配分的に付け加えられるであろう。第一のマイクロ光学的な回折均一化構造１のみを有した装置と比較すると、屈折を受けない０次回折オーダーの割合は、はるかにより大きな面上で分布し、そしてその為、より僅かにしか認識されない。

図３ａ、ｂは、第一のマイクロ光学的な回折均一化構造１のみを有する装置（図３ａ）の場合と、本発明に関わる二つの連続して配置されたマイクロ光学的な回折均一化構造１，２（図３ｂ）が用いられる場合での、強度プロファイル間の差異について明示する。その際プロファイルのずれはそれぞれ同一である。

最後に図３ｃは、両方のマイクロ光学的な回折均一化構造１，２が同じ大きさのエラープロファイルを有しており、それによってそこから、例えば１％の割合の０次回折オーダーが発生する場合の結果を明示する。図３ｂに図示される強度曲線に、さらに、第一のマイクロ光学的な均一化構造１と同様に第二のマイクロ光学的な均一化構造２も屈折せずに通過する光線の割合が加えられる。この割合は、わずかたった０．０１％であるが、一次ビームの角スペクトルを有している。

０次回折オーダーの予想される強度が既知で、そしてその光の強度がその周囲の２倍の大きさより小さい場合、予想される強度の過上昇の為の、その補償に対する修正が、第二のマイクロ光学的な回折均一化構造２に、特にエレメントファンクションに、組み入れられることよっても、図３で図示される強度の過上昇を修正することが出来る。例えば回折構造の配置が修正され、それによって、エレメントファンクションがリファレンスプロファイルから補償されるずれを生じるように、その修正は、形成されることが可能である。

この前補正法は、理論的には構造を有した構成の場合でも可能である。しかしながら、０次回折オーダーの光の強度が図３ａのように、例えば周囲の光りの強度の２倍よりも大きい場合、前補正は不可能である。

本発明の好ましい具体的な実施例が図４に示される。その場合、マイクロ光学的な均一化構造１，２は、数マイクロメーターの間隔で連続して配置された２枚の隣り合ったクォーツ基板７，８の向かい合った表面上にある。

両方のマイクロ光学的な回折均一化構造１，２は、図５に含まれる詳細図に応じて切子面がつけられる。その際、それぞれの区切られた切子面領域ＦＢ_ｉは、入射光線の分配を予め設定された強度分布に変換する為に、ビーム形成の実現に必要な回折構造を有している。第二領域Ｅ_２では、切子面領域により発生した全ての強度分布が重ね合わされ、そしてその際、均一化される。

両方の隣り合ったクォーツ基板７，８の切子面領域ＦＢ_ｉを非常に正確に重ね合わせることが重要である。

形成された強度分布内の回折構造によって、精密構造又は雑音と共に、ある程度の不均一性が予期せず発生することが起こりうる為、切子面領域ＦＢ_ｉそれぞれが若干異なる構造である場合、特に有利である。精密構造、又は、ノイズの構成成分はそれにより抑えることが可能である。

光学キャリア上に配置されたマイクロ光学的な均一化構造の概略図である。 二つの隣り合った光学キャリア上に配置されたマイクロ光学的な均一化構造である。 第一の及び、第一と第二の、マイクロ光学的な均一化構造による、光線形成の場合の強度分布である。 表面プロファイルがリファレンスプロファイルからずれる、唯一つマイクロ光学的な均一化構造、を利用した場合の、強度プロファイルによる０次回折オーダーの突出である。 第二のマイクロ光学的な均一化構造が、図３ａにある唯一つの均一化構造を有した装置の場合と比較可能なプロファイルエラーを有する、０次回折オーダーの入射に関する第二のマイクロ光学的な均一化構造との組み合わせによる効果である。 両方のマイクロ光学的な均一化構造、本発明に関わる装置の場合の強度プロファイルである。 マイクロ構造化されたクォーツ基板を有した、好ましい具体的な実施例であり、クォーツ基板の構造化された表面は向かい合っている。 切子要素及び第二の切子要素の拡大された区画である。

符号の説明

１ 均一化構造
２ 均一化構造
３ 光学キャリア
４ 光学キャリア
５ 光学キャリア
６ 入射光線
７ クォーツ基板
８ クォーツ基板
ＮＦ 近傍場分布
Ｅ１ 第一領域
Ｅ２ 第二領域

Claims (14)

1. 一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の光学系にして、
   ‐一次的な強度分布から、第一領域内で、精密に構造化された振幅分布及び位相分布を生じる、第一のマイクロ光学的な均一化構造、及び、
   ‐上記精密に構造化された振幅分布及び位相分布に適合され、第一領域に配置され、そして、精密に構造化された振幅分布及び位相分布から、予め設定された立体角依存性の強度分布を第二領域で発生させる、第二のマイクロ光学的な回折均一化構造、
   を有する、光学系。
2. 第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造が、共通の光学キャリアの、互いに背中合わせの表面上に配置される、請求項１に記載の光学系。
3. 第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造が、二つの隣り合った光学キャリアの向かい合った表面上に配置される、請求項１に記載の光学系。
4. 第一のマイクロ光学的な均一化構造が、少なくとも二つの高さレベルを有した回折構造として構成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 第一のマイクロ光学的な均一化構造が、ブレーズドプロファイルを有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
6. 第二のマイクロ光学的な回折均一化構造が少なくとも二つの高さレベル、又は、ブレーズドプロファイルを有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造が、屈折率分布を調整された状態にある、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
8. マイクロ光学的な均一化構造が、切子面形状に構成され、そして、回折構造が異なる切子面で区別される、請求項４から７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 形状、及び／又は、大きさで区別される切子面で、完全に平面状に覆うことが実現される、請求項８に記載の光学系。
10. 第一のマイクロ光学的な均一化構造が、屈折レンズアレイ装置として形成される、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
11. 予想される強度の過上昇の為の、その補償に対しての修正が、第二のマイクロ光学的な回折均一化構造に組み入れられる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 一次的な強度分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する為の方法にして、
    ‐一次的な強度分布から、精密に構造化された振幅分布及び位相分布を第一領域内に発生させる第一の回折均一化構造を作り出すこと、及び
    ‐第二領域で精密に構造化された振幅分布及び位相分布を予め設定された立体角依存性の強度分布に変換する、第一領域の精密に構造化された振幅分布及び位相分布に適応した第二の回折均一化構造を作り出すこと、
    による、方法。
13. 第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造の系全体に内包される立体角領域からずれる立体角領域にわたって広がる強度分布が、第一のマイクロ光学的な均一化構造によって第二領域内に生じる、請求項１２に記載の方法。
14. 第一のマイクロ光学的な均一化構造により、第二領域内で発生した強度分布が、ガウス形を有し、そして、第一及び第二のマイクロ光学的な均一化構造の系全体によって内包される立体角領域よりも小さい立体角領域にわたって広がる、請求項１３に記載の方法。

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