JP2011510344A5 - - Google Patents
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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、投影パターンが顧客に観察される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。
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。
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。
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のより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。
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のより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。このように回折パターンの分散した形成は、ここでは2つのDOE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、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、従来技術のシステムで典型的に好ましくないと考えられていた特性、0次光線の余剰エネルギーの特性を利用し、使用している。
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。このように回折パターンの分散した形成は、ここでは2つのDOE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、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、従来技術のシステムで典型的に好ましくないと考えられていた特性、0次光線の余剰エネルギーの特性を利用し、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により必要とされる分散角度が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1つの面の其々の区域上に投影し、少なくとも部分的にその面を覆うため、それらの区域はその面を覆う。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0次光線を有する回折パターンを形成し、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、フィルタへの除去方向角度からの入射光に対し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位置決めされ配向される。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、事前に決定された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、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の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、パターンを投影する装置であって、入射光を回折し第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0次光線を有し、前記0次光線を回折し第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。
従って、本発明の1つの実施形態によれば、パターンを投影する装置であって、入射光を回折し第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0次光線を有し、前記0次光線を回折し第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、パターンを投影する装置であって、1つの入射光を回折し複数の分離した出力光を生成するように構成された第1の回折光学素子(DOE)と、前記複数の分離した出力光に対し回折効果を適用し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が提供される。
またさらに他の実施形態によれば、パターンを投影する装置であって、1つの波長を持つ入射光を回折し0次光線を有する回折パターンを生成するように構成された回折光学素子(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、前記入射光の前記波長に同調された狭帯域フィルタと、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。
またさらに他の実施形態によれば、パターンを投影する装置であって、1つの波長を持つ入射光を回折し0次光線を有する回折パターンを生成するように構成された回折光学素子(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、前記入射光の前記波長に同調された狭帯域フィルタと、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、パターンを投影する方法であって、1つの波長を持つ入射光を回折光学素子(DOE)で回折し、0次光線を有する回折パターンを生成するステップと、前記入射光の前記波長に同調された狭帯域フィルタを前記回折光学素子(DOE)に関して配置し、前記回折パターンを前記0次光線無く、1つの表面の1つの区域上に衝突させるステップと、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つのタイリングは、その区域を有意の重なり又は有意の隙間なく満た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「d1」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。
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「d1」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λ1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の遠方野に投影する1つの第一の回折パターン23と、1つの0次光線32からな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に対向している。)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106の回折次元がDOE12により形成される。およそ105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。
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の遠方野に投影する1つの第一の回折パターン23と、1つの0次光線32からな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に対向している。)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106の回折次元がDOE12により形成される。およそ105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は分離し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組合せからなる1つの像、から構成されることが理解されよう。
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。
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、平面24の中心区域27に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、即ち初期の0次光線32に対し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の製造における制限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、光学回折素子DOEの設計および製造に少なくとも部分的に組み込まれうる。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の充填は、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く、この2つの回折像が共同して平面24の1つの部位25をカバーするように行われる。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、初期の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。
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束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。
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のタイリングと全体に均一な強度分布を得るために、DOE12とDOE14の以下の相互依存パラメータが変更可能である:
・入射光線20の波長λ1
・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d1等の幾何学的要素
・光学活性部位33の寸法
・入射光線20の波長λ1
・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d1等の幾何学的要素
・光学活性部位33の寸法
上記相互依存パラメータの相互依存性は当業者にとっては明白であろう。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、他の関連するパラメータとともに、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方法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、上記のタイリング効果が入射光の波長λ1の変化に実質的に無関係に適用されるように構成される。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必要は無く、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。
部位25全体の強度分布が均一である必要は無く、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、以下の記述を除き、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「d4」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。
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、以下の記述を除き、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「d4」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、DOE114の光学的不活性部位131を通過し、回折パターン123は実質的に変化を受けない。
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。
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、空間102内の少なくとも幾つかの面において、角錐形状125に重なる可能性が有り、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123及び第2の回折パターン129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必要な回折効果を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。本発明の配分設計が、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、全体回折パターンの形成を可能にする。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。
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必要な回折効果を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。本発明の配分設計が、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、全体回折パターンの形成を可能にする。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に示された要素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λ2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1つの第2のまたは2次DOE166を有する。例示のため以下ではDOE164及びDOE166は距離「d2」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は異なる光学素子上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。
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は典型的に複数の出力光線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次光線に一致する出力光線174の総エネルギーが、製造上の制限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を実質的に回折する。
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を実質的に回折する。
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をカバーするように構成される。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、像185Iの強度分布が部位178全体にわたって概して均一であり、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、上述のタイリング効果が入射光162の波長λ2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λ2の増減は入射光線162と出力光線174とがなす角度を増加又は減少させるように影響する。さらに波長λ2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d2が減少するに従って増大し、距離d2が小さい場合、波長λ2の変化に対しタイル効果は実質的にほぼ維持され、距離d2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を完全に充填する。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。
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λ3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必要はない。装置200は、DOE204と離れて位置し、位置調整可能な台205に搭載された1つの光学素子(OE)208をさらに有する。
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λ3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必要はない。装置200は、DOE204と離れて位置し、位置調整可能な台205に搭載された1つの光学素子(OE)208をさらに有する。
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214を形成する。光学素子(OE)208は波長λ3を除去可能に同調される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λ3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λ3の放射光を透過する。
他の実施形態では、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。
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は調整後、光学の従来技術で周知の方法でDOE204に固定されて1つの合成光学要素を形成し、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が離れた要素に形成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形成されてもよい。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。
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
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)
- パターンを投影する装置であって、
入射光を回折し第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0次光線を有し、
前記0次光線を回折し第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。 - 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。
- 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。
- 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。
- 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。
- 前記入射光は1つの波長を有し、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の区域が前記入射光の波長に依存せず無関係に、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。
- 前記第1の回折パターンは前記第1の区域上に第1の複数の点の第1の組からなる第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の複数の点の第2の組からなる第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。
- 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1つは、段階的な強度を持つ1組の線分と1つの区域の少なくとも1つからなる回折像を形成する、ことを特徴とする請求項1−5のいずれかに記載の装置。
- 前記第1の区域と前記第2の区域は前記表面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。
- 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。
- パターンを投影する装置であって、
1つの入射光を回折し複数の分離した出力光を生成するように構成された第1の回折光学素子(DOE)と、
前記複数の分離した出力光に対し回折効果を適用し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。 - 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。
- 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。
- 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、前記それぞれの区域が、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、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。
- 前記複数の回折パターンは、複数の点の複数の組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。
- 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組の線分の少なくとも1つからなる回折像を形成する、ことを特徴とする請求項11−13のいずれかに記載の装置。
- それぞれの前記区域は前記表面を覆う、ことを特徴とする請求項11−13のいずれかに記載の装置。
- パターンを投影する装置であって、
1つの波長を持つ入射光を回折し0次光線を有する回折パターンを生成するように構成された回折光学素子(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、前記入射光の前記波長に同調された狭帯域フィルタと、
を有する、ことを特徴とする装置。 - 前記フィルタが干渉フィルタからなる、ことを特徴とする請求項18に記載の装置。
- 前記フィルタが格子からなる、ことを特徴とする請求項18に記載の装置。
- パターンを投影する方法であって、
入射光を第1の回折光学素子(DOE)で回折し、第1の回折パターンを1つの表面の第1の区域に生成するステップと、
ここにおいて前記第1の回折パターンは0次光線を有し、
前記0次光線を第2の回折光学素子(DOE)で回折し、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。 - パターンを投影する方法であって、
入射光を第1の回折光学素子(DOE)で回折し、複数の分離した出力光を生成するステップと、
第2の回折光学素子(DOE)で前記複数の分離した出力光に対し回折効果を適用し、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。 - パターンを投影する方法であって、
1つの波長を持つ入射光を回折光学素子(DOE)で回折し、0次光線を有する回折パターンを生成するステップと、
前記入射光の前記波長に同調された狭帯域フィルタを前記回折光学素子(DOE)に関して配置し、前記回折パターンを前記0次光線無く、1つの表面の1つの区域上に衝突させるステップと、
を有することを特徴とする方法。
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