JP2011510344A - ０次低減のための光学設計 - Google Patents

Abstract

１つのパターンを投影する装置（１０）であって、１つの０次光線（３２）を有する第１の回折パターン（２３）を１つの表面（２４）の第１の区域（２２）に生成するために１つの入射光（２０）を回折するように構成された第１の回折光学素子（ＤＯＥ）（１２）を有する。第２の回折光学素子（ＤＯＥ）（１４）は第２の回折パターン（２９）を上記表面の第２の区域（２７）に形成するために上記０次光線を回折するように構成される。ここにおいて第１の区域と第２の区域は共同して上記表面（２４）を少なくとも部分的に覆う。
【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、一般的に光学パターンの形成に関し、詳細には減衰する制御されない０次エネルギーを有する光学パターンの形成に関し、特に、限定されないが、回折光学素子を使用する構成に関する。

パターンの効率的投影は光学３次元（３Ｄ）マッピングのように広く使用されている。このようなマッピングは１つの物体の表面の３次元形状をその光学像を処理することにより生成する。投影されたパターンの所望の特性は一般的にアプリケーションに依存するが、典型的に高コントラスト、高い投影効率、および、パターンを構成する光束間の強度分布の高い均一性からなる。強度分布の均一性は光束ピーク対平均電力比、即ち、最強の光束の強度と平均光束強度との比率、によって表わされ、この比率が低いほど均一性が高い。

投影方法の均一度が低いと、顧客に投影パターンが見られるようなアプリケーションには使用できない。このような事例では典型的に視覚安全規則が単位断面積あたり最大許容エネルギー流束量または単一平行光束の最大許容エネルギー流束量を規定している。
パターンは回折光学素子（ＤＯＥｓ）を使用して投影されてもよい。しかし回折光学素子はいわゆる０次問題を抱える。０次光線とは入射光の一部であり、投影により回折せず、従って光学システムを通過して投影空間に到達する光線である。

特許文献１は、ここに参照され取り入れられるが、第１及び第２の格子を有する回折光学素子について記載している。その光学素子の回折効率は可視スペクトル全体において９７％以上であると述べられている。
特許文献２は、ここに参照され取り入れられるが、回折光学素子及び第１の「表面」を有する画像表示装置について記載している。その「表面」は回折光学素子から出力された０次光線が入射しない位置に設けられ、画像は第１の表面からの光線により表示される。
このような従来技術にも関わらず、パターンを投影する方法の改良が要望されている。

米国特許 ６，５６０，０１９ 米国特許出願 ２００７／００１９９０９

本発明のある実施形態では、第１の回折光学素子（ＤＯＥ）は第２のＤＯＥの近くに配置される。第１のＤＯＥは１つの入射光を回折し１つの０次光線を含む第１の回折パターンを生成する。第２のＤＯＥは０次光線を受光し、それより第２の回折パターンを生成する。２つの回折パターンは１つの空間に投影するため、第１及び第２の回折パターンはその空間内の１つの所定の表面に対し、其々その表面の第１及び第２の区域を覆う。典型的に２つの区域は比較的小さな隙間および／または重なりが有っても、その表面全体を効率的に覆う。
典型的に第１の区域は第１の矩形と第１の矩形の中の第２の小さい矩形の間の区域に画定される。２つの矩形は共通の中心点と平行な辺を有し、互いに対称に配置される。第２の区域は第２の矩形で囲まれる区域である。或いは２つの区域は、一方が他方の中に存する非矩形の形状で画定されてもよい。

２つのＤＯＥを使用することにより、第１のＤＯＥからの０次光線は第２の回折パターンを形成するのに使用されて効率的に減衰される。その結果２つの区域全体で測定したピーク対平均電力比は、典型的に１つのＤＯＥを使用するシステムに比べて有意に減少する。
２つのＤＯＥが組合わされることにより、回折パターンの形成が２つのＤＯＥに分散されるようにＤＯＥが構成されることが可能になる。このように分散した回折パターンの形成は、ここでは２つのＤＯＥの１つの分散設計と呼ばれる。分散設計により０次光線が第２のＤＯＥに使用されるため、第１のＤＯＥの０次光線の制御されないエネルギー成分が有意に減少した、１つの全体回折パターンの形成が可能となる。言い換えれば、本発明の実施形態は従来システムで典型的に好ましくないと考えられていた０次光線の余剰エネルギーという特徴を利用し、使用している。

結果的に、本発明の分散設計により形成された回折パターンは、１つのＤＯＥを使用した回折パターン形成の効率に比べて全体的効率性を向上させた。さらに以下に述べるある実施形態では、２つのＤＯＥにより要求された分散角度が１つのＤＯＥを使用した場合より小さいため、分散設計により形成された光線の明暗コントラストは典型的に１つのＤＯＥを使用した場合より大きい。

他の実施形態では、第１の回折パターンは複数の実質的に平行な光線からなる。典型的に第１のＤＯＥは１つのダマン格子（Ｄａｍｍａｎｎ ｇｒａｔｉｎｇ）である。第２のＤＯＥは其々の光線を回折し其々の回折パターンを形成するパターン生成装置として機能する。この実施例における分散設計において、其々の回折パターンは、少なくとも部分的にその面を覆うため１つの面の其々の区域上に投影し、それらの区域はその面全体を覆う。あるいはさらに、回折パターンは１つの既定の空間を満たすサブ空間に投影する。一般的に、全てのパターン生成装置は単一のＤＯＥ上に設置可能であるが、第１の回折パターンの異なる光線は同一のパターン生成装置を通過する必要はない。第１の回折パターンの光線はそれぞれ第２のＤＯＥの対応区域を通過して適切に方向づけられる。このようにこの実施形態で生成されるタイルは同一であってもなくてもよい。

さらに他の実施形態では、１つのＤＯＥが１つの０次光線を有する１つの回折パターンを形成し、１つの干渉フィルタがその０次光線を受光するように配置される。干渉フィルタは、フィルタへの１つの除去方向角度からの入射光に対し１つの狭帯域除去フィルタとして作動し、除去角度以外の角度からの入射光を通過させるように構成される。フィルタは０次光線がフィルタ上に除去角度で衝突するように配置され配向される。０次光線以外の回折パターンの光線はフィルタと除去角度とは異なる角度を作り、従ってフィルタを通過する。０次光線の無い回折パターンはこのようにフィルタを通過し、既定の１つの空間に投影し、そして／あるいは１つの面の既定の１つの区域上に投影する。

上記の実施形態は特に回折光学素子について述べているが、本発明の原理はあるいは屈折要素を含む光学システム、詳しくは屈折及び回折要素両方を含むシステムに適用されうる。
従って、本発明の１つの実施形態によれば、１つのパターンを投影する装置であって、１つの第１の回折パターンを１つの表面の１つの第１の区域に生成するために１つの入射光を回折するように構成された第１の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、
ここにおいて第１の回折パターンは１つの０次光線を有し、１つの第２の回折パターンを１つの表面の１つの第２の区域に形成するために０次光線を回折するように構成された第２の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、ここにおいて第１の区域と第２の区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする装置が実現される。
開示された実施形態では、第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は、０次光線を受光するように構成された１つの光学活性区域と、０次光線の無い第１の回折パターンを透過するように構成された１つの光学不活性区域と、を有する。第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は１つの光学素子上に形成される。

さらに本発明の１実施形態によれば、１つのパターンを投影する装置であって、
複数の離れた出力光を生成するために１つの入射光を回折するように構成された第１の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、複数の回折パターンのそれぞれを１つの表面のそれぞれの区域に形成するために、複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するように構成された第２の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、ここにおいてそれぞれの区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする装置が提供される。
またさらに他の実施形態によれば、１つのパターンを投影する装置であって、
１つの０次光線を有する１つの回折パターンを生成するために１つの波長を持つ１つの入射光を回折するように構成された１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、記０次光線の無い回折パターンが１つの表面の１つの区域上に衝突するように回折光学素子（ＤＯＥ）に関して配置される、入射光の波長に調整された１つの狭帯域フィルタと、を有することを特徴とする装置が提供される。フィルタは１つの干渉フィルタまたは１つの格子を有する。

本発明の別の実施形態によれば、１つのパターンを投影する方法であって、１つの第１の回折パターンを１つの表面の１つの第１の区域に生成するために、１つの入射光を第１の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、ここにおいて第１の回折パターンは１つの０次光線を有し、１つの第２の回折パターンを１つの表面の１つの第２の区域に形成するために、０次光線を第２の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、ここにおいて第１の区域と第２の区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする方法が提供される。
またさらに他の実施形態によれば、１つのパターンを投影する方法であって、複数の離れた出力光を生成するために、１つの入射光を第１の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、複数の回折パターンのそれぞれを１つの表面のそれぞれの区域に形成するために、第２の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）で複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するステップと、ここにおいてそれぞれの区域は共同してその表面を少なくとも部分的に覆い、を有することを特徴とする方法が提供される。

また本発明の別の実施形態によれば、１つのパターンを投影する方法であって、
１つの０次光線を有する１つの回折パターンを生成するために、１つの波長を持つ１つの入射光を１つの回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、０次光線の無い回折パターンが１つの表面の１つの区域上に衝突するように、入射光の波長に調整された１つの狭帯域フィルタを回折光学素子（ＤＯＥ）に関して配置するステップと、を有することを特徴とする方法が提供される。
本発明は図面を参照した以下の詳細な説明により、より十分に理解される。

本発明の第１の実施例に基づく光学装置の概略側面図である。 図１Ａの装置により１つの平面上に投影された区域を示す図である。 本発明の第２の実施例に基づく光学装置の概略側面図である。 本発明の第３の実施例に基づく光学装置の概略側面図である。 図３Ａの装置により１つの平面上に投影された区域を示す図である。 本発明の第４の実施例に基づく光学装置の概略側面図である。

本仕様および請求項において１つの平面の１つの区域における１つのタイルは、その区域を有意の重なり又は有意の隙間なく埋め尽くす複数の平面図形又は複数のタイルの１つの集合体から構成されるものとする。
図１Ａは本発明の第１の実施例に基づく１つの光学装置１０の概略側面図であり、図１Ｂは本発明の第１の実施例に基づく上記光学装置１０が投影する区域の概念図である。光学装置１０は１つの第１の光学回折素子（ＤＯＥ）１２と、１つの第２の光学回折素子１４からなる。例示のため以下の記述では、ＤＯＥ１２とＤＯＥ１４とは互いに実質的に平行で距離「ｄ_１」離れて配置されるものとする。しかしこの２つのＤＯＥは平行である必要はなく、好適ないかなる角度で配置されてもよい。光学装置１０においてＤＯＥ１２とＤＯＥ１４は、例示のため、１つの透明な光学素子１６の第１と第２の面に形成されるものとする。他の実施形態では、ＤＯＥ１２とＤＯＥ１４は分離された光学素子上に形成されてもよい。ＤＯＥ１２とＤＯＥ１４は透過型素子であるが、以下で記述される本実施形態および他の実施形態の原理は、２つの反射型ＤＯＥまたは透過型と反射型のＤＯＥの１つの組合せによっても実行されうる。

光線発生装置１８は、典型的にはレーザである波長λ_１の１つの入射光線２０を発生する。典型的に、例えば光線発生装置１８が多重モードレーザからなる場合は、入射光線２０は楕円形の断面を有する。ある実施形態では入射光線２０は円形の断面である。入射光線２０は平行光線または非平行光線であり、非平行光線の場合の非平行度、即ち光線の分散または収斂は、非平行光線の異なる部分からの回折縞が重ならないように典型的には設定される。以下の記述では、例示のため、入射光線は平行光線と仮定する。

以下で詳細に説明される通り、ＤＯＥ１２とＤＯＥ１４は、多重の光線からなるそれぞれ異なる回折パターンを生成する。
光学素子１６はＤＯＥ１２が光線を受けるように配置され、例示のため、ＤＯＥ１２は光線にほぼ垂直であると仮定する。ＤＯＥ１２は光線２０の断面に一致するように構成された１つの光学活性部位１７を有する。光学活性部位１７はまた、光線２０からＤＯＥ１２により形成された１つの全体回折パターンが、光学素子１６の遠方側の側面に入射する１つの第一の回折パターン２３と、１つの０次光線３２から構成されるように構成される。第一の回折パターン２３は、１つの平面２４の１つの区域２２上に対応する１つの回折像２２Iを投影する。（作図の便利さと明確化のため、図１Ａと図１Ｂの実施形態は回折パターンの特定の１つの平面への投影に関しているが、実際には回折パターンは、後続の図面に示されるように、１つの空間に投影され、その空間は平面２４に対している。）例示のため、第一の回折像は以下では１組の分散した点３０からなり、各点３０はＤＯＥ１２の１つの回折次元の光線に対応するものとする。ある実施形態では、およそ１０^６の回折次元がＤＯＥ１２により形成される。およそ１０^５の回折次元光線が点を形成するのに使用され、残りの回折次元光線は抑制される。

しかし、第一の回折像２２Iは離れた複数の点から構成されるのではなく、例えば１組の類似の又は異なる強度の線、段階的に強度が変化する１つ以上の区域を有する１つの像、又は点、線、および／または段階的に強度が変化する区域の１つの組合せからなる１つの像、からなる。
第１の回折パターン２３の投影はＤＯＥ１４の１つの光学的に不活性な透明部位３１を経由して行われ、それにより第一の回折パターン２３は実質的に部位３１により変化を受けない。図１Ｂは１組の複数の点３０を概略的に示す。これらの点はＤＯＥ１２により、回折像２２Iとして平面２４の区域２２上に形成される。

例示として、区域２２は以降では１つの外部境界として１つの矩形２６を、内部境界として１つの矩形２８を有し、この２つの矩形は共通の中心点を有するものとする。このように区域２２は実質的に、ＤＯＥ１２により回折像が形成されない１つの中心区域２７を有する１つの「環状」区域である。区域２２の環状の形状は、回折パターン２３が１つの中空の円錐または角錐の形状であることの結果である。しかし、区域２２はこの特定の環状の形状である必要はなく、典型的には区域２２は好適な環状の区域であってよい。この区域２２は典型的には、平面２４の中心区域２７にある実質的にどんな形でもよい１つの場所を有し、この場所にはＤＯＥ１２により回折像が形成されない。ある実施形態では、矩形２６に対する平面角度、即ち第１の０次光線３２に対する矩形の隅がなす角度、の最大値はおよそ３０度である。

上記の第１の回折像の形成に加えて、回折された光線２０のエネルギーのある部分は実質的に非分散の０次光線３２としてＤＯＥ１２から出力する。０次光線３２は、典型的にＤＯＥ１２の製造における限界によりもたらされるが、しかし０次光線に十分なエネルギーを供給するため、少なくとも部分的に光学回折素子ＤＯＥの設計および製造に組み込まれうる。０次光線３２を装置１０により後に形成される０次光線と区別するため、０次光線３２を以降初期０次光線３２と呼ぶ。初期０次光線３２は一般的に入射光線２０と類似の断面を有する。

ＤＯＥ１４は、ＤＯＥの光学活性部位３３で初期０次光線３２を受光し、その光線から、ＤＯＥ１４の遠方野に投影する１つの第２の回折パターン２９と１つの０次光線３７からなる、１つの全体回折パターン３９を形成するように構成されている。ＤＯＥ１４は、ＤＯＥ１４で形成された第２の回折パターン２９が１つの第２の回折像２７Ｉを中心区域２７上に投影し、典型的に上記中心区域２７を覆うように設計されている。中心区域２７全体は、第２の回折像２７Ｉと第１の回折像２２Ｉとの間の隙間または重複が典型的に少ないように覆われ、それによりこの２つの回折像は共同して平面２４の１つの部位２５を覆う。ある実施形態では、隙間または重なりの直線寸法は、２つの回折像の内小さい方の回折像の最大直線寸法のおよそ０．１％より小さい。例えば、像２７Iが像２２Iより小さく、その最大寸法が１００ｍｍの場合、隙間または重なりはおよそ０．１ｍｍより小さい。このように区域２２と中心区域２７は少なくとも部分的に部位２５をカバーし、実質的にその部位を覆うように構成されてもよい。

０次光線３７は、以降第２の０次光線とも呼ばれるが、第１の０次光線３２により画定される方向から分散しない。０次光線３７は点３７Ｉとして区域２７のほぼ中心に投影する。
例として矩形２８に対する平面角度、即ち第２の０次光線３７に対して測定される矩形の隅に対する角度の最大値は、典型的に約１０度である。
上記の記述は第１と第２の回折パターンの寸法を記述するのに平面角度を使用するが、寸法はそれぞれ第１及び第２の回折パターンに対する第１の立体角および第２の立体角と表示されることが好ましい。

上記の第１の回折パターン２３に対する第１の０次光線３２のエネルギー流束の総量は、典型的には入射光線２０の入射エネルギー流束の約５％である。上記の第２の回折パターン２９に対する第２の０次光線３７のエネルギー流束の総量は典型的には第１の０次光線３２のエネルギー流束の総量の約１％である。このように第２の０次光線３７のエネルギー流束の総量は入射光線２０の入射エネルギー流束の０．１％より小さく、典型的には約０．０５％である。第２の０次光線３７のエネルギー流束の減衰により、２つの区域で測定された回折光子のピーク対平均電力比は１つの光学回折素子ＤＯＥを使用した場合に比べ有意に低下する。
実質的に区域２５全体を覆うように像を形成する２つの回折パターンに加えて、ある実施形態では、２つの回折パターンは典型的に区域２５全体の回折像の強度分布が概して均一であるように構成される。

上述のような、区域２５全体に渡って覆い、均一な強度分布を得るために、ＤＯＥ１２とＤＯＥ１４の以下の独立パラメータが変えられる：
・入射光線２０の波長λ_１
・第１の回折パターンの外側及び／または内側の立体角
・初期の０次光線のエネルギー流束
・第２の回折パターンの立体角
・第２の０次光線のエネルギー流束
・入射光線２０の寸法やＤＯＥ間の距離ｄ_１等の幾何学的要素
・光学活性部位３３の寸法

上記独立パラメータの相互依存は当業者にとっては明らかであろう。例えば、ある回折パターンの立体角が増加すると、それぞれの回折パターンの０次光線のエネルギー流束は増加する傾向にある。パラメータの選択は、他のパラメータの選択とともに、従来技術の光学回折素子ＤＯＥを位相マスクとして設計することにより典型的に行われる。例えばＤＯＥは、ゲルヒベルグ・サックス反復アルゴリズムあるいはその変形の１つを使用して設計されうる。
あるいは、標準的又は特別仕様のソフトウェアがＤＯＥの設計に使用されうる。例えば‘Ｐｈａｓｅ Ｒｅｔｒｉｅｖａｌ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ：Ａ Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎ，’Ｊ．Ｒ．Ｆｉｅｎｕｐ著、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ２１，２７５８−２７６９（１９８２年８月１日）に記載の設計方法を使用することができる。

ある実施形態では、ＤＯＥ１２とＤＯＥ１４は上記の全体を覆う効果（タイル効果）が入射光の波長λ_１の変化に実質的に無関係に適用される。回折パターンに対する波長の変化の影響は以下で図３Ａ、３Ｂの装置１６０を参照して説明される。当業者であればその説明を装置１０に対する波長変化の影響に適用することが出来よう。
部位２５全体の強度分布が均一である要求は無く、ある実施形態では２つの異なる回折パターンの間に比較的大きな強度の差異がある。このような変化の１つの例を図３Ａ、３Ｂを参照しながら説明する。

本発明の第２の実施例に基づく光学装置１１０の概略側面図を図２に示す。装置１０（図１Ａ，１Ｂ）に使用されるいくつかの要素は装置１１０の要素の機能と同じであり、両図において同一の参照番号を付した要素は類似の構成及び機能を有する。装置１１０は回折パターンを空間１０２に投影するように構成されている。
装置１１０は１つの第１の光学回折素子ＤＯＥ１１２及び第２の光学回折素子ＤＯＥ１１４を有し、以下記述を除き、装置１０のＤＯＥ１２及びＤＯＥ１４について上述したように稼働し、構成される。このようにＤＯＥ１２及びＤＯＥ１４は距離「ｄ_４」離れて互いに平行に配置され、１つの単一の透明光学要素１１６の第１及び第２の表面に形成される。
装置１０と同様に装置１１０における入射光線２０はこの例では平行光線と仮定する。

透明光学要素１１６はＤＯＥ１１２が入射光線２０を受光し、ほぼ入射光線２０に対し垂直であるように配置される。ＤＯＥ１１２は１つの光学活性部位１１７を有し、その寸法は入射光線２０の断面に一致する。光学活性部位１１７はＤＯＥ１１２により入射光線２０から形成される１つの全体回折パターン１２１が第１の１つの回折パターン１２３を有するように構成される。第１の回折パターン１２３は第１の回折パターン２３と一般的に類似の特性を持ち、典型的に平行光線または空間１０２のそれぞれの区域に焦点を結ぶ光線を有し、それらの光線は入射光線２０により形成される異なる回折次元の光線である。回折パターン１２３はこのように空間１０２内で１つの中空中心区域１２７を有する概ね切頭角錐の１つの形状１２５に投影する。全体回折パターン１２１はさらに１つの初期０次光線１３２を有し、それは初期０次光線３２と類似の特性を有し、切頭角錐形状１２５の１つの対称軸にほぼ沿った方向に向いている。

第１の回折パターン１２３の投影は、回折パターン１２３が実質的に変化を受けないように、ＤＯＥ１１４の光学的不活性部位１３１を経由する。
ＤＯＥ１１４はまたＤＯＥの光学的活性部位１３３で初期０次光線１３２を受け、１つの第２の回折パターン１２９と１つの第２の０次光線１３７からなる１つの全体回折パターン１３９を初期０次光線１３２から形成する。ＤＯＥ１１４は、第２の回折パターン１２９が光学的活性部位１３３からの出力光を中心区域１２７に投影し、その中心区域１２７全体を覆う１つのほぼ切頭角錐の形状１２９を形成するように設計される。ＤＯＥ１１４は、典型的にはその出力光が平行であるか、または空間１０２に焦点を合わされるように構成される。

しかし、第２の回折パターン１２９は、少なくとも空間１０２内の幾つかの面において、角錐形状１２５に重なってもよく、このような重複域は１つの影の区域１４１として示される（明確化のため、このような重複において起こる、全体回折パターン１３９を示す線の変化は図２には記載していない）。初期０次光線１３２と第２の０次光線１３７は典型的には上記の装置１０の初期０次光線３２と第２の０次光線３７に類似したエネルギー流束を持つ。

装置１１０はこのように第１の回折パターン及び第２の回折パターンを有する、空間１０２に投影する１つの合成回折パターンを形成することができる。装置１０と同様に、２つのＤＯＥを使用し、第２のＤＯＥはその回折パターンを第１のＤＯＥの０次光線から形成して、装置１１０はその合成回折パターンを効率よく形成し、そのため第２の０次光線には不望のエネルギーは殆ど存在しない。
装置１０及び装置１１０の操作に関する考察により、合成回折パターンの異なる部位は要求される回折効果を２つのＤＯＥで配分することにより形成されることがわかる。このような配分、または分散は以降２つのＤＯＥの配分設計と呼ばれる。本発明の配分設計により、第１のＤＯＥの０次光線の制御されないエネルギー成分を減少させる、１つの全体回折パターンの形成が可能となる。それは、配分設計が０次光線を所望の回折パターンの一部の形成に使用するためである。

本発明の第３の実施例を図３Ａ、３Ｂに示す。図３Ａは１つの光学装置１６０の概略図である。図３Ｂは装置１６０による１つの平面１６３に投影された複数の区域を概念的に示す図である。装置１０と装置１６０に示された素子のいくつかは一般的に同じ機能であり、両図において同一の参照番号を付した要素は類似の構成及び機能を有する。

装置１６０において光線発生装置１８は入射光線２０に類似の１つの入射光線１６２を生成し、その波長はλ_２である。装置１６０は光線１６２をＤＯＥの光学的活性部位１６１で受光する第１のＤＯＥ１６４または１次ＤＯＥ１６４を有する。第１のＤＯＥ１６４の形状は入射光線１６２の断面に一致するように構成されてもよい。装置１６０はまた第２の１つのＤＯＥ１６６または２次ＤＯＥ１６６を有する。例示のため以下ではＤＯＥ１６４及びＤＯＥ１６６は距離「ｄ_２」離れて互いに実質的に平行に配置されるものと仮定する。しかし２つのＤＯＥは互いに平行である必要はなく、好適な角度で対向してもよい。例示のため、ＤＯＥ１６４とＤＯＥ１６６は単一の透明光学要素１６８の対向する２つの表面に形成される。しかしある実施形態では２つのＤＯＥは異なる光学素子に形成されてもよい。

装置１０とは異なり、１次ＤＯＥ１６４は多重のほぼ平行な比較的狭い幅のＤＯＥからの出力光線１７４を生成するように構成される。ＤＯＥ１６４はダマン（Ｄａｍｍａｎｎ）格子として形成されると有利である。ある実施形態では、ＤＯＥ１６４は出力光線１７４が、入射光線１６２に垂直な、１つの対称な点のパターン１７２を有する１つの仮想平面１７０を横切る様に構成される。対称な１つの点のパターンの１例を図１７６に示す。複数の点１７２は平面１７０の一部を覆う合同な矩形の隅に配置される。
ＤＯＥ１６４の出力光により形成される複数の点の対称パターンの他の事例は当業者にとって自明であり、本発明の範囲に含まれる。さらなる実施形態では、平面１７０の上に形成される複数の点のパターンは部分対称または非対象である。例えばＤＯＥ１６４に針クッション型のゆがみが有るときのように、上述の合同矩形の対象パターンは変形され、矩形の隅は非矩形の４面体の隅となる。典型的には出力光線１７４の１つは入射光線１６２に関して実質的に非分散でありＤＯＥ１６４に対する１つの０次元光線と同等である。

１次ＤＯＥ１６４は典型的に出力光線１７４が同等のエネルギー流束及び一般的に類似の断面を有するように形成される。装置１０と同様に、１次ＤＯＥ１６４は０次光線に相当する出力光線１７４における総エネルギーが、製造上の限界によるエネルギーも含んで、所望の値を有するように構成される。
２次ＤＯＥ１６６はそれぞれの光学活性区域１６９で光線１７４を受光するように構成される。光学活性区域１６９はそれぞれの光線によりそれぞれの全体回折パターン１８４を形成する。このように２次ＤＯＥが１次ＤＯＥから受光した１つの０次光線を回折する装置１０と異なり、装置１６０では２次ＤＯＥは１次ＤＯＥから受光した多重の出力光線１７４を効率的に回折する。

それぞれの１つの出力光線１７４によって形成された各回折パターン１８４は典型的に狭い立体角を有し、それぞれ１つの０次光線１８０からなり、それはそれぞれの第２の０次光線１８０とも呼ばれる。ある実施形態では、各全体回折パターン１８４はその第２の０次光線１８０に対し垂直に測定して、変形した矩形の断面を持ち、その変形は典型的に針クッション型のゆがみを有する。各第２の０次光線１８０はそれぞれの出力光線１７４のエネルギー流束の約１％以下のエネルギー流束を有し、それぞれの第２の０次光線１８０は平面１６３に１つの点１８０Ｉを形成する。各出力光線１７４がほぼ同じエネルギー流束を有し、１５本の光線がある場合は、各第２の０次光線１８０は入射光線１６２のエネルギー流束の約０．０７％以下のエネルギー流束を持つ。

各全体回折パターン１８４は、それぞれの回折像１８５Ｉを、入射光１６２に垂直な平面１６３の１つの部位１７８の１つの区域１８５上に投影すると仮定する。区域１８５は一般に互いに形状が類似し、それぞれほぼその中心に点１８０Ｉが位置する。ある実施形態では、区域１８５は上述の針クッション効果により変形した矩形である。ＤＯＥ１６４とＤＯＥ１６６は、区域１８５従って像１８５Ｉが部位１７８全体を覆うように構成される。典型的に、区域１８５の重なりは少なく、或いは存在せず、区域は部位１７８全体をほぼ覆う。

ある実施形態では、第２のＤＯＥ１６６により生成された回折像１８５Ｉは複数の点を有し、装置１０に関して上述したように、各点はＤＯＥの１つの回折次元に相当する。ある実施形態では、ＤＯＥ１６４とＤＯＥ１６６は、部位１７８全体にわたる像１８５Ｉの強度分布が概して均一であり、隣接する像１８５Ｉとの間が僅かであるか、或いは明確に区別できないように構成される。装置１０と同様に、像１８５Ｉの強度分布が全体的に均一である必要はなく、ある実施形態では高強度の像１８５Ｉと低強度の像１８５Ｉとの間の強度比は約１：２である。

本発明のある実施形態では、ＤＯＥ１６４とＤＯＥ１６６は、上述のタイル効果が入射光１６２の波長λ_２と実質的に無関係に起こるように構成される。ＤＯＥ１６４がダマン格子からなる場合、波長λ_２の増減は入射光線１６２と出力光線１７４とがなす角度を増減するように影響する。さらに波長λ_２の増減とともに回折パターン１８４の立体角が増減する。この２つの影響は同時に起こり、上記のタイル効果を維持するように働き、出力光線１７４の角度の変化は回折パターン１８４の立体角の変化により補償される。その補償は距離ｄ_２が減少するに従って増大し、距離ｄ_２が小さい場合、波長λ_２の変化に対しタイル効果は実質的にほぼ維持され、距離ｄ_２が実質的に０の場合、正確に維持される。

上記の記述は、ＤＯＥ１６４とＤＯＥ１６６が配分設計方式において、所望の像を平面１６３上に投影するためにいかに構成されるかを示している。しかし実際には、像は図３Ａの空間１８７のような１つの空間に投影され、空間内に存在する平面１６３または非平面の面全てを照明する。各回折パターン１８４は空間１８７のそれぞれのサブ空間１８９に投影し、サブ空間１８９は典型的に空間１８７全体を覆う。図３Ａでは明確化のため２つのサブ空間１８９のみ示されている。
従前の実施形態と同様に、図３Ａ、３Ｂの実施形態の原理は他のＤＯＥの構成を使用して実現可能である。例えば、光軸上のＤＯＥ１６４とＤＯＥ１６６の順番は逆転してもよい。さらにあるいは、少なくとも１つのＤＯＥは図で示される透過型ではなく、反射型であってもよい。

本発明の第４の実施例に基づく光学装置２００の概略図を図４に示す。装置１０（図１Ａ，１Ｂ）に使用されるいくつかの要素は装置２００の要素の機能と同じであり、両図において同一の参照番号を付した要素は類似の構成及び機能を有する。
装置２００において光線発生装置１８は入射光線２０に類似の１つの入射光線２０２を生成し、その波長はλ_３である。装置２００はある実施形態では入射光線２０２に垂直で、寸法が光線２０２の断面に一致するＤＯＥの光学的活性部位２１０で入射光線２０２を受光する、１つのＤＯＥ２０４を有する。装置２００においてＤＯＥ２０４が光線２０２に垂直なように構成する方が便利であるが、そうなければならない要求はない。装置２００はさらにＤＯＥ２０４と離れて位置し、１つの位置調整可能な台２０５に搭載された１つの光学素子（ＯＥ）２０８を有する。

光学的活性部位２１０は、一般的に円錐形または角錐形の、１つの０次光線２１６を有する、１つの全体回折パターンを形成する。光学素子（ＯＥ）２０８は波長λ_３を除去可能に調整される１つのノッチフィルタとして構成される。ある実施形態では、ノッチフィルタは１つの狭帯域の帯域除去干渉フィルタからなる。このような実施形態では、狭帯域の帯域除去干渉フィルタの角度選択特性を使用する。このように、波長λ_３の放射光を除去するように構成された１つのフィルタは、放射光がある公称入射角でフィルタに入射した場合、放射光を効率的に除去する。そのフィルタは、上記公称入射角以外の入射角で入射する波長λ_３の放射光を透過する。

この実施形態では、光学素子（ＯＥ）２０８は、空間ホログラフィ格子（ＶＨＧ）又は空間ブラッグ格子（ＶＢＧ）などの格子型ノッチフィルタを有する。（空間ホログラフィ格子は、例えば米国特許５，６９１，９８９に記載されており、その内容はここに参照として含まれる。製品はオンダックス社（Ｏｎｄａｘ， Ｉｎｃ．）、米国カリフォルニア州から入手可能である。）
光学素子（ＯＥ）２０８は、典型的に入射光線２０２の線幅と同じ帯域除去線幅を有するように構成される。このように光線発生装置１８が半値全幅１ｎｍの光線を生成する１つのレーザダイオードである場合、光学素子（ＯＥ）２０８は選択された公称入射角に対し同一の半値全幅を持つように構成される。あるレーザの構成では、ＶＨＧのような１つの格子要素はレーザキャビティの出力カプラとして使用され、ノッチ波長を反射しキャビティに戻し、それによりレーザがこの波長で固定される。同じ型の第２の格子要素は光学素子（ＯＥ）２０８として使用されうる。この素子は回折パターンの０次光線をレーザ波長において正確に除去する。

操作においては、台２０５は、光学素子（ＯＥ）２０８が０次光線２１６の実質的に全てのエネルギーを吸収するように、回転されて光学素子（ＯＥ）２０８と調整される。典型的には調整後、０次光線２１６と光学素子（ＯＥ）２０８は選択された公称入射角に近い１つの角度を形成する。調整後は、光学素子（ＯＥ）２０８において回折パターン（０次光線の無い）が作る角度は０次光線の作る角度とは異なるため、光学素子（ＯＥ）２０８は回折パターン２１４内の実質的に全ての残存エネルギーを透過する。ある実施形態では、光学素子（ＯＥ）２０８が調整された後は、光学素子は１つの合成光学要素を形成するために、光学の従来技術で周知の方法でＤＯＥ２０４に固定され、台２０５は撤去される。

ＤＯＥ２０４と光学素子（ＯＥ）２０８は、上述の装置１１０で述べたように、回折パターン２１４が１つの既定の空間２２４に投影されるように構成される。あるいは２つの要素は、回折パターン２１４が１つの平面２２２の１つの区域２２０上に１つの回折像２２０Ｉを形成するように構成されてもよい。回折像は典型的に上記装置１０を参照して記載された１つ以上の像に類似している。

上記の記述はＤＯＥ２０４と光学素子（ＯＥ）２０８が離れた要素に配置されることを前提としているが、ある実施形態ではＤＯＥと干渉フィルタは単一の透明な要素の両側に配置されてもよい。単一要素の場合には、対向する２つの面は平行でも非平行でもよい。これらの実施形態では、単一要素はそれを回転することで光線２０２に対して調整され、０次光線の実質的に全てのエネルギーは吸収される。
あるいは反射型の構成において、光学素子（ＯＥ）２０８は、０次光線が通過することを許容し、一方で回折像の残りを所望の空間に反射するように配置された、１つのノッチ・パスフィルタで代替されてもよい。

上記の実施形態における要素は、組み合わせにより本発明の他の実施形態を形成することは理解されよう。例えば回折パターン２３及び２９に実質的に影響を与えることなく第２の０次光線３７のエネルギーを実質的にゼロにするため、装置２００（図４）で記載された干渉フィルタに類似のフィルタが装置１０（図１Ａ）のＤＯＥ１４の後方に追加されてもよい。同様の追加が装置１１０のＤＯＥ１１４の後方に追加されてもよい。他の有利な組合せは当業者にとって自明である。

上記の実施形態は例示のために引用されたものであり、本発明は上記に特に示され記載されたものに限定されない。むしろ本発明の範囲は、上記の記載を読んだ当業者が想起する先行技術にない上記に記載された種々の特徴の組合せやサブ組合せを含み、その変形や修正を含む。

１０，１１０，１６０，２００：光学装置
１２，１１２，１６４：第１の光学回折素子（ＤＯＥ）
１４，１１４，１６６：第２の光学回折素子（ＤＯＥ）
１６，１１６，１６８：透明光学素子
１７，３３，１１７，１３１，１６１，２１０：光学活性部位
１８：光線発生装置
２０，１６２，２０２：入射光線
２３，１２３：第１の回折パターン
２９，１２９：第２の回折パターン
３２，１３２，２１６：初期０次光線
３７，１３７，１８０：第２の０次光線
３９，１２１，１３９，１８４：全体回折パターン
２０４：光学回折素子（ＤＯＥ）
２０８：光学素子

Claims (23)

1. １つのパターンを投影する装置であって、
   第１の回折パターンを１つの表面の第１の区域に生成するために１つの入射光を回折するように構成された第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と、
   ここにおいて前記第１の回折パターンは第１の０次光線を有し、
   第２の回折パターンを前記表面の第２の区域に形成するために前記０次光線を回折するように構成された第２の回折光学素子（ＤＯＥ）と、を有し、
   ここにおいて前記第１の区域と前記第２の区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする装置。
2. 前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は、前記０次光線を受光するように構成された１つの光学活性部位と、前記０次光線の無い前記第１の回折パターンを透過するように構成された１つの光学不活性部位と、を有することを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は１つの光学素子上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
4. 前記第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は離れた複数の光学素子上に形成されることを特徴とする請求項１に記載の装置。
5. 前記第２の回折パターンは第２の０次光線を有し、ここにおいて前記第２の０次光線のエネルギー流束量は前記入射光のエネルギー流束量の０．１％より小さいことを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 前記入射光は１つの波長を有し、前記入射光の波長に依存せず無関係に、前記第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は、前記第１の区域と前記第２の区域が少なくとも部分的に前記表面を覆うように構成されることを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の装置。
7. 前記第１の回折パターンは前記第１の区域上に第１の組の第１の複数の点を有する第１の回折像を形成し、前記第２の回折パターンは前記第２の区域上に第２の組の第２の複数の点を有する１つの第２の回折像を形成する、ことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の装置。
8. 前記第１の回折パターンと前記第２の回折パターンの少なくともいずれかは、段階的な強度を持つ１つの区域と１組の線分を少なくとも有する１つの回折像を形成することを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の装置。
9. 前記第１の区域と前記第２の区域は前記表面の全体を覆うことを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の装置。
10. 前記第１の区域は第１の１つの矩形と前記第１の矩形より小さい第２の１つの矩形により画定され、ここにおいて前記第１の矩形と前記第２の矩形は１つの共通の中心点を有し、前記第２の区域は前記第２の矩形により画定されることを特徴とする請求項１−５のいずれかに記載の装置。
11. １つのパターンを投影する装置であって、
    複数の離れた出力光を生成するために１つの入射光を回折するように構成された第１の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、
    複数の回折パターンのそれぞれを１つの表面のそれぞれの区域に形成するために、前記複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するように構成された第２の１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、を有し、
    ここにおいて前記それぞれの区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする装置。
12. 前記第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は１つの光学素子上に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
13. 前記第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は離れた複数の光学素子上に形成されることを特徴とする請求項１１に記載の装置。
14. 前記入射光は１つの波長を有し、ここにおいて前記第１の回折光学素子（ＤＯＥ）と前記第２の回折光学素子（ＤＯＥ）は、１つの特定の波長域において前記入射光の波長に依存せず無関係に、前記それぞれの区域が少なくとも部分的に前記表面を覆うように構成されることを特徴とする請求項１１−１３のいずれかに記載の装置。
15. 前記複数の回折パターンは複数の組の複数の点をそれぞれの前記区域上に形成することを特徴とする請求項１１−１３のいずれかに記載の装置。
16. 少なくとも１つの前記回折パターンは、段階的な強度を持つ１つの区域と１組の線分を少なくとも有する１つの回折像を形成することを特徴とする請求項１１−１３のいずれかに記載の装置。
17. それぞれの前記区域は前記表面の全体を覆うことを特徴とする請求項１１−１３のいずれかに記載の装置。
18. １つのパターンを投影する装置であって、
    １つの０次光線を有する１つの回折パターンを生成するために、１つの波長を持つ１つの入射光を回折するように構成された１つの回折光学素子（ＤＯＥ）と、
    前記０次光線の無い前記回折パターンが１つの表面の１つの区域上に衝突するように前記回折光学素子（ＤＯＥ）に関して配置される１つの狭帯域フィルタと、を有し、
    ここにおいて前記フィルタは前記入射光の前記波長に調整されている、ことを特徴とする装置。
19. 前記フィルタが１つの干渉フィルタを有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
20. 前記フィルタが１つの格子を有することを特徴とする請求項１８に記載の装置。
21. １つのパターンを投影する方法であって、
    第１の回折パターンを１つの表面の第１の区域に生成するために、１つの入射光を第１の回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、
    ここにおいて前記第１の回折パターンは１つの０次光線を有し、
    第２の回折パターンを前記表面の第２の区域に形成するために、前記０次光線を第２の回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、を有し、
    ここにおいて前記第１の区域と前記第２の区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする方法。
22. １つのパターンを投影する方法であって、
    複数の離れた出力光を生成するために、１つの入射光を第１の回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、
    複数の回折パターンのそれぞれを１つの表面のそれぞれの区域に形成するために、第２の回折光学素子（ＤＯＥ）で前記複数の離れた出力光に対し回折効果を適用するステップと、を有し、
    ここにおいてそれぞれの前記区域は共同して前記表面を少なくとも部分的に覆う、ことを特徴とする方法。
23. １つのパターンを投影する方法であって、
    １つの０次光線を有する１つの回折パターンを生成するために、１つの波長を持つ１つの入射光を１つの回折光学素子（ＤＯＥ）で回折するステップと、
    前記０次光線の無い前記回折パターンが１つの表面の１つの区域上に衝突するように、前記入射光の前記波長に調整された１つの狭帯域フィルタを前記回折光学素子（ＤＯＥ）に関して配置するステップと、
    を有することを特徴とする方法。

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