JP4875609B2 - 光ビーム均一化のための装置および方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、少なくとも１つの光学的に機能する境界面であって、均一化されるべき光ビームを透過可能な、または均一化されるべき光ビームを反射可能な境界面、および、該少なくとも１つの光学的に機能する境界面上に設けられる複数のレンズ要素またはミラー要素を有する、光学的に光ビームを均一化するための装置に関する。さらにまた、本発明は、少なくとも１つの光学的に機能する境界面であって、均一化されるべき光ビームを透過可能な、または均一化されるべき光ビームを反射可能な境界面、および、該少なくとも１つの光学的に機能する境界面上に設けられる複数のレンズ要素またはミラー要素を有する、光学的に光ビームを均一化するための装置を製造するための方法に関する。

米国特許ＵＳ６，２３９，９１３Ｂ１から、前述の方式の装置および方法は知られる。ここに記載の装置は、透光性を有する基板を有し、該基板には、光入射面上および光出射面上にもシリンドリカルレンズ（円柱レンズ）アレイが設けられている。この場合、シリンドリカルレンズアレイは、互いに垂直な円柱軸を有する。各シリンドリカルレンズは、球面状の断面、または２次非球面状の断面を有している。光を均一化するために、たとえば、コリメートされたレーザビームが、この装置を透過するようガイドされ、この装置の次に、フーリエレンズとして機能する集光レンズを介して作用面に集光される。各シリンドリカルレンズ要素によって屈折された光は、フーリエレンズを介して、最初のレーザビームの均一化が行われるように重畳される。

かかる装置においては、回折の影響のために、各レンズ要素を通過して入射する光の分布が、著しい強度の変動を示すという欠点がある（図２）。各レンズ要素の光分布の強度の変動は、全レンズ要素の光が重畳する場合にもなくならない。なぜなら、各レンズ要素を通過して入射した光は、各レンズ要素のための作用面において、実質的に同じように重なるからである。

本発明の基礎にある課題は、強度変動の小さい均一化された光を生成することが可能な、最初に述べたタイプの装置を提供することである。さらにまた、光ビーム均一化のための装置であって、均一化された光がわずかの強度変動を有するだけの装置を製造するための、最初に述べたタイプの方法を提供することである。

これは、本発明に従えば、装置については、請求項１もしくは請求項４の特徴、または請求項２もしくは請求項５の特徴を有する、最初に述べたタイプの装置によって達成される。下位の請求項は、本発明の好ましいさらなる実施形態に関連している。

請求項１または請求項４に従えば、レンズ要素またはミラー要素は、レンズ要素またはミラー要素の中心からの距離がレンズ要素またはミラー要素の中心からレンズ要素またはミラー要素の外縁までの距離の０．８倍未満である中央領域に、２次の非球面に対応する断面を有し、レンズ要素またはミラー要素の中心からの距離がレンズ要素またはミラー要素の中心からレンズ要素またはミラー要素の外縁までの距離の０．８倍以上である周縁領域に、前記２次の非球面からずれた断面であって、前記中央領域より高次の次数が、または高次の偶数の次数が優勢である断面をそれぞれ有する。つまり、レンズ要素またはミラー要素は、それぞれその周縁部において、回折に依存する影響が小さくされるような湾曲を有してなる。回避されるべき影響においては、周縁領域の回折に似た影響が主として問題であって、本発明に従った周縁領域の変更によって、このような周縁部の回折の影響を変えることが可能であり、特に、各レンズ要素を通過して入射する光の分布、または、各ミラー要素で反射された光の分布の強度変動を、総体的に強く低下することができるように変えることができる。

本発明に従った装置は、遠赤外線からＸ線領域までの広いスペクトル領域に適している。特に、真空紫外線、極外紫外線およびＸ線領域において、レンズ要素の代わりにミラー要素を用いることは、著しく有意であることが明らかである。

さらにまた、たとえば２または４の、１よりも多い光学的に機能する境界面を設けることが可能である。この場合、全体として、またはそれぞれが光学的に機能する境界面のレンズ要素またはミラー要素を、光のよりよい均一化が達成されるように変えることができる。

請求項７または８に従えば、レンズ要素またはミラー要素は、中間領域において、双曲線状のまたは放物線状の断面を有してなるものとすることができる。レンズ要素またはミラー要素は、それらの周縁領域に、多項式のより高い次数が、特に、多項式の高い偶数の次数が優勢となるように形成される。場合によっては、この場合、周縁領域は、中間領域とは数学的には別の多項式によって記載することができる。レンズ要素またはミラー要素の周縁領域における、多項式のより高次の次数による優勢によって、前述の周縁の回折の効果に対する影響が達成され、したがって、ホモジナイザから、またはホモジェナイザの各レンズ要素から生じる、または各ミラー要素から反射される光分布を、比較的有効に平均化することが可能となる。

請求項２または請求項５に従えば、レンズ要素またはミラー要素は、各レンズ要素またはミラー要素が相並んで配設される周期性に比べて小さい周期性を有する正弦形状の構造を有してなる。たとえば、請求項３または請求項６に従えば、レンズ要素またはミラー要素のそれぞれは、２次の非球面である正弦形状の構造に基づく基本構造を有することができる。各レンズ要素またはミラー要素上の正弦形状の構造によって、ホモジェナイザの光分布の強度の平均化を達成することができ、したがって、全体として、光の分布をより均等に形成することができる。
本発明に従った方法は、以下の工程によって特徴づけられる。
− 少なくとも１つの光学的に機能する境界面と、光学的に機能する境界面上の複数のレンズ要素またはミラー要素とを有する光ビームの光学的均一化のための装置が準備される、
− 複数のレンズ要素のそれぞれを通過して入射する光の光分布、または複数のミラー要素のそれぞれによって反射される光の光分布が測定される、
− レンズ要素またはミラー要素のそれぞれの上に、測定されるべき光分布に対して補完的である構造が設けられる。

特に、設けられる構造は、レンズ要素またはミラー要素の周縁領域に、レンズ手段またはミラー要素の中間領域におけるよりも大きな振幅を有するように構成することが可能である。この場合、前記方法の第１の工程において、準備されるレンズ要素またはミラー要素は、規則的な断面、特に、２次の球面または非球面の断面を有することが可能である。第１の工程において準備されるレンズ要素またはミラー要素は、したがって、単純な手段で作製可能である。光分布の測定の後、レンズまたはミラー上に設けられる補完的構造は、このような構造を有する均一化のための装置を通過して入射する光が、通過後非常に均一な光分布となる、または、対応のミラー要素を用いた場合、装置で反射した後、非常に均一な光分布となるように、回折に依存する予測される光の分布の障害に適合させることが可能である。本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図を参照した以下の好ましい実施形態の説明によって明らかになるであろう。

本発明を以下において、均一化されるべき光が通過するレンズ要素の例で説明する。また、本発明に従った均一化のために適用可能なミラー要素も、均一化されるべき光の波長については、少なくとも部分的に反射するべく形成されることを除けば、レンズ要素のように、または全く同様に、形成することが可能である。そのために、たとえば、以下に記載されるレンズ要素に相応の反射層を設けることも可能であろう。たとえば、均一化されるべき光を、各ミラー要素において、ある角度で不均一にだけ反射させることが可能である。

図のいくつかにおいて、本発明に従った装置をより明瞭にするためにデカルト座標系が描かれている。

図１ａおよび図１ｂは、光学的光ビーム均一化のための発明に従った装置の１実施形態を概略的に示す。特に、図１ａおよび図１ｂは、光の入射面２と出射面３とを有する、透光性材料からなる基板１を示す。入射面２上には、互いに平行に配置される複数のレンズ要素４が設けられ、これらのレンズ要素は、シリンドリカルレンズとして形成される。これらのシリンドリカルレンズの円柱軸は、Ｙ方向に延びる。出射面３上にも、複数のレンズ要素５が配置され、これらも平行に、かつ間隔をあけて互いに配置されるシリンドリカルレンズとして形成される。レンズ要素５の円柱軸はＸ方向に延び、したがってレンズ要素４の円柱軸に垂直な方向となる。

互いに交差した、シリンドリカルレンズとして形成されるレンズ要素４，５を介して、入射面２と出射面３とを介して光を透過させる場合、入射された光ビームはＸ方向にもＹ方向にも屈折され、したがって、レンズ要素４，５はそれらの共同作用において、複数の球面レンズ要素に似た作用を有する。発明に従えば、交差したレンズ要素の代わりに、２次元の球面レンズ要素アレイを設けることも可能である。かかるアレイは、入射面２と出射面３との上に配置することが可能であり、入射面２上または出射面３上どちらかにのみ配置することも可能である。さらにまた、入射面２上にのみ、または出射面３上にのみシリンドリカルレンズアレイを配置することも可能であり、したがって、光はＸ，Ｙ方向の一方のみに関して屈折する。さらにまた、光学的に機能する境界面の１つまたはそれぞれの上にも、レンズ要素またはミラー要素間の移行領域における損失を回避するために、相並んで配設されるレンズ要素またはミラー要素を交互に凹凸に形成することが可能である。

図１ａおよび図１ｂに示される発明に従った装置の実施形態は、光ビームの均一化のために適用することが可能であり、たとえば、平行な光を装置上に案内し、装置後段の光ビーム方向にフーリエレンズとして働く集光レンズを設けることが可能であり、かかる集光レンズによって、レンズ要素４，５の多く、ないしは全部を通過して入射する光がフーリエレンズの焦点面に重畳することになる。このような構成は、技術の水準から十分に知られている。これに代わって、各レンズ要素４，５を少し傾けることによって、フラウンホーファー領域に重畳させることも可能である。この場合、別個のフーリエレンズは不要とすることができる。

図１ａおよび図１ｂには、各レンズ要素４，５が、半円によって概略的に示されている。図４から、発明に従った装置のレンズ要素の１実施形態の形状の詳細が明らかである。特に、図４においては、上方のグラフは、２次の実質的に非球面の断面を有する技術の水準から知られるシリンドリカルレンズの断面６を示す。図４において、下方のグラフは、発明に従った装置の第１の実施形態のレンズ要素の断面７を示す。図４から、特にレンズ要素の周縁領域における断面７は、技術の水準に従った２次の非球面断面６からずれることが読取れる。図４においては、上方へのレンズ要素のＺ方向における拡大が示される（図１ａおよび図１ｂ参照）。図４に従ったグラフの横座標は、レンズ要素のＸ座標をミリメートルで示し、レンズ要素の断面の中点に０が配置されている。図４に従ったグラフから、Ｘ値≦−０．４ｍｍ、またはＸ値≧０．４ｍｍについては、技術の水準に従った放物線形状の断面６からの、発明に従った装置のレンズ要素の断面７のずれは顕著であることが読取れる。

特に、図５から、レンズ要素の周縁領域においては、断面は、それに続く領域におけるよりも、明らかに強く湾曲していることが読取れる。特に、Ｘ値≦−０．６４７ｍｍ、またはＸ値≧０．６４７では、断面の湾曲の非常に明らかな増加が明白である。

図２は、技術の水準に従った、２次の非球面断面６を有するレンズ要素について、出射角に対する強度における光分布を示す。特に、光の異なった出射角に関して、障害となる回折に依存する強度の変動があることが分かる。図３は、同じ尺度において、発明に従った装置の図４に従った断面７を有するレンズ要素４，５の光の分布を示す。ここにおいては、回折に依存する強度の変動は明らかにわずかであり、これは、レンズ要素４，５の周縁領域における２次の非球面からの断面のずれに由来するものである。

図６および図７から、発明に従った装置のレンズ要素４，５の第２の実施形態が明らかである。特に、図７は、この実施形態においても、周縁領域に湾曲の強い増加があることを示している。図８は、かかるレンズ要素４，５を通過して入射する光の光分布を出射角に依存する強度で示すものである。この光分布は、異なる出射角について、ほとんど顕著な強度変動を示さず、これも、周縁領域におけるレンズ要素４，５の特殊な形状に由来するものである。

以下において、レンズ要素４，５の断面についての図６および図７に示された例を詳細に説明する。特に、断面は、、以下の式に従い、１２段階の多項式として数学的に区間ごとに描かれている。

ｚ（ｘ）＝ Ｕ_０＋Ｕ_１・｜ｘ｜＋Ｕ_２・｜ｘ｜^２＋Ｕ_３・｜ｘ｜^３＋Ｕ_４・｜ｘ｜⁴
＋Ｕ_５・｜ｘ｜^５＋Ｕ_６・｜ｘ｜^６＋Ｕ_７・｜ｘ｜^７＋Ｕ_８・｜ｘ｜^８
＋Ｕ_９・｜ｘ｜^９＋Ｕ_１０・｜ｘ｜^１０＋Ｕ_１１・｜ｘ｜^１１
＋Ｕ_１２・｜ｘ｜^１２

以下の係数を有する：
０≦｜ｘ｜＜０，５６０
である第１のＸ値範囲においては、
Ｕ_０ ＝ −１，６６・１０^−２
Ｕ_１ ＝ ０
Ｕ_２ ＝ −３，３４・１０^−２
Ｕ_３ ＝ ０
Ｕ_４ ＝ −２，４８・１０^−５
Ｕ_５ ＝ ０
Ｕ_６ ＝ −１，００・１０^−７
Ｕ_７ ＝ ０
Ｕ_８ ＝ −５，５７・１０^−７
Ｕ_９ ＝ ０
Ｕ_１０ ＝ １．８１・１０^−６
Ｕ_１１ ＝ ０
Ｕ_１２ ＝ −２，１８・１０^−６

０，５６０≦｜ｘ｜＜０，６５０
である第２のＸ値範囲においては
Ｕ_０ ＝ −６，１５・１０^−３
Ｕ_１ ＝ ３，７４・１０^−２
Ｕ_２ ＝ −３，３４・１０^−２
Ｕ_３ ＝ ７，６７・１０^−４
Ｕ_４ ＝ −２，９６・１０^−２
Ｕ_５ ＝ ６，４２・１０^−１
Ｕ_６ ＝ −１，７０・１０^１
Ｕ_７ ＝ ３，５５・１０^２
Ｕ_８ ＝ −７，３４・１０^０
Ｕ_９ ＝ −２，５８・１０^４
Ｕ_１０ ＝ １，２１・１０^５
Ｕ_１１ ＝ ５，８３・１０^５
Ｕ_１２ ＝ −２，６６・１０^６

０，６５０≦｜ｘ｜＜０，６８８
である第３のＸ値範囲においては、
Ｕ_０ ＝ −２，５１・１０^−３
Ｕ_１ ＝ ４，３９・１０^−２
Ｕ_２ ＝ ４，９５・１０^−２
Ｕ_３ ＝ ２，１６・１０^−１
Ｕ_４ ＝ ４，２９・１０^１
Ｕ_５ ＝ −６，２４・１０^３
Ｕ_６ ＝ ６，７０・１０^５
Ｕ_７ ＝ −４，６１・１０^７
Ｕ_８ ＝ ２，１１・１０^９
Ｕ_９ ＝ −６，３８・１０^１０
Ｕ_１０ ＝ １，２３・１０^１２
Ｕ_１１ ＝ −１，３６・１０^１３
Ｕ_１２ ＝ ６，７０・１０^１３

０，６８８≦｜ｘ｜＜０，６９８
である第４のＸ値範囲においては、
Ｕ_０ ＝ −７，２０・１０^−４
Ｕ_１ ＝ ５，４１・１０^−２
Ｕ_２ ＝ ６，３２・１０^−１
Ｕ_３ ＝ −２，４９・１０^２
Ｕ_４ ＝ ２，８４・１０^５
Ｕ_５ ＝ −１，７１・１０^８
Ｕ_６ ＝ ６，６２・１０^１０
Ｕ_７ ＝ −１，６９・１０^１３
Ｕ_８ ＝ ２，８８・１０^１５
Ｕ_９ ＝ −３，２６・１０^１７
Ｕ_１０ ＝ ２，３５・１０^１９
Ｕ_１１ ＝ −９，７２・１０^２０
Ｕ_１２ ＝ １，７８・１０^２２

レンズ要素の中間の領域においては、断面の形状は、中点から約０．５６までの非常に拡大されている領域にわたって、Ｘの２次の項に割当てられる係数Ｕ_２を実質的に介して決定される。換言すれば、この中間の領域では、レンズ要素の断面の２次の実質的に非球面の形状となる。比較的大きな係数Ｕ_２と比べて、さらなる係数Ｕ_４，Ｕ_６，Ｕ_８，Ｕ_１０，Ｕ_１２は、無視可能なほど小さい。さらにまた、すべて奇数の係数Ｕ_１，Ｕ_３，Ｕ_５，Ｕ_７，Ｕ_９，Ｕ_１１は、０に等しい。

０．５６〜０．６５の範囲の第２のＸ値の範囲においては、レンズ要素の断面の形状は、もはや係数Ｕ_２によって特に決定されない。なぜなら、たとえば、１次の項にＸによって割当てられる係数Ｕ_１は、Ｕ_２のような比較可能な大きさの次数を有するからである。さらにまた、より高次の次数にＸによって割当てられる係数は、明らかにより大きく、したがって、これらはまた部分的に重要であり、ここでは、たとえば、係数Ｕ_１２を参照すべきである。

より高次の次数にＸによって割当てられる係数をこのように大きくすることは、第３の値の範囲において、および特に第４の値の範囲において続行し、ここにおいて、係数Ｕ_１２は、係数Ｕ_２と比べて、その次数の違いが２０よりも大きな次数である。

発明に従った装置の図示されていない、さらなる実施形態の場合、２次のたとえば非球面の断面を有する、実質的に規則的に構成されたレンズを適用することが可能である。もちろん、この場合、全レンズ要素には、細かな、特に波形または正弦形状の構造が刻まれる。この場合、この構造の周期性は比較的小さく、特に、各レンズ要素４，５を、入射面２または出射面３上に相並んで配設する周期性と比べて小さい。このように細かな、レンズ要素４，５上に設けられる構造によって、各レンズ要素または装置全体から出射される光の分布の測定が達成され、したがって、図２に示される障害を低下させることができる。

本発明のさらなる図示されていない実施形態の場合、各レンズ要素４上に、たとえば図２に示されているように、障害に対して補完的である構造が設けられる。これは、発明に従った方法に従えば、第１の工程において、規則的な断面、たとえば２次の球面または非球面の断面を有するレンズ要素を基板に設けることによって実現される。続いて、このようなレンズ要素を通過して入射した光の光分布を測定する。このような光分布は、たとえば図２に従った光分布に対応することができるであろう。続いて、すでに準備されたレンズ要素を、たとえば図２に示された障害に対して補完的である構造を有するように、すでに準備されたレンズ要素を変更するか、または、新しい基板または同じ基板に、たとえば図２に対して補完的である構造が設けられた断面を有する、新たなレンズ要素を作製するかのいずれかである。

特に、２次の球面または非球面の断面を有するレンズ要素上に、レンズ要素の周縁領域においては、レンズの中間領域におけるよりもより大きな振幅で変化する構造が設けられる。

本発明に従った装置の概略側面図である。 本発明に従った装置を図１について90°回転させた側面図である。 技術の水準に従ったレンズ要素を通過して入射した光の光分布を概略的に示す図である。 本発明に従ったレンズ要素を通過して入射した光の光分布を概略的に示す図である。 技術の水準に従った各レンズ要素と比較した本発明に従った装置の各凸レンズ要素の断面を示す図である。 図４に従った本発明の装置のレンズ要素の断面の周縁領域を詳細に示す図である。 本発明に従った装置の凸レンズ要素のさらなる実施形態の断面を示す図である。 図６に従った断面の、レンズ要素の周縁を示す詳細図である。 図６に従ったレンズ要素を通過して入射する光の光分布を概略的に示す図である。

Claims (8)

1. 光ビームの断面における強度分布を均一化するための光学素子であって、
   − 強度分布を均一化されるべき光ビームが通過する、媒質間の少なくとも１つの境界面と、
   − 前記少なくとも１つの境界面上に設けられる複数のレンズ要素（４，５）とを有する光学素子において、
   レンズ要素（４，５）は、レンズ要素の中心からの距離がレンズ要素の中心からレンズ要素の外縁までの距離の０．８倍未満である中央領域に、２次の非球面（６）に対応する断面（７）を有し、レンズ要素の中心からの距離がレンズ要素の中心からレンズ要素の外縁までの距離の０．８倍以上である周縁領域に、前記２次の非球面（６）からずれた断面（７）であって、前記中央領域より高次の次数が、または高次の偶数の次数が優勢である断面（７）をそれぞれ有することを特徴とする光学素子。
2. 光ビームの断面における強度分布を均一化するための光学素子であって、
   − 強度分布を均一化されるべき光ビームが通過する、媒質間の少なくとも１つの境界面と、
   − 前記少なくとも１つの境界面上に設けられる複数のレンズ要素（４，５）とを有する光学素子において、
   レンズ要素（４，５）のそれぞれは、各レンズ要素（４，５）が相並んで配設される周期性に比べて小さい周期性を有する正弦形状の構造を有してなることを特徴とする光学素子。
3. レンズ要素（４，５）のそれぞれは、２次の非球面である基本構造を有し、正弦形状の前記構造は基本構造の上に形成されることを特徴とする、請求項２に記載の光学素子。
4. 光ビームの断面における強度分布を均一化するための光学素子であって、
   − 強度分布を均一化されるべき光ビームを反射する、媒質間の少なくとも１つの境界面と、
   − 前記少なくとも１つの境界面上に設けられる複数のミラー要素とを有する光学素子において、
   ミラー要素は、ミラー要素の中心からの距離がミラー要素の中心からミラー要素の外縁までの距離の０．８倍未満である中央領域に、２次の非球面（６）に対応する断面（７）を有し、ミラー要素の中心からの距離がミラー要素の中心からミラー要素の外縁までの距離の０．８倍以上である周縁領域に、前記２次の非球面（６）からずれた断面（７）であって、前記中央領域より高次の次数が、または高次の偶数の次数が優勢である断面（７）をそれぞれ有することを特徴とする光学素子。
5. 光ビームの断面における強度分布を均一化するための光学素子であって、
   − 強度分布を均一化されるべき光ビームが通過する、媒質間の少なくとも１つの境界面と、
   − 前記少なくとも１つの境界面上に設けられる複数のミラー要素とを有する光学素子において、
   ミラー要素のそれぞれは、各ミラー要素が相並んで配設される周期性に比べて小さい周期性を有する正弦形状の構造を有してなることを特徴とする光学素子。
6. ミラー要素のそれぞれは、２次の非球面である基本構造を有し、正弦形状の前記構造は基本構造の上に形成されることを特徴とする、請求項５に記載の光学素子。
7. 各レンズ要素（４，５）が前記中央領域に有する断面は、双曲面または放物面（６）であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
8. 各ミラー要素が前記中央領域に有する断面は、双曲面または放物面（６）であることを特徴とする請求項４に記載の光学素子。

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