JP5324448B2

JP5324448B2 - ビームスプリッタ機器

Info

Publication number: JP5324448B2
Application number: JP2009528463A
Authority: JP
Inventors: ジェイ．マーナン，アンドリュー; ファクリス，ディーン
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 2006-09-14
Filing date: 2007-09-13
Publication date: 2013-10-23
Anticipated expiration: 2027-09-13
Also published as: EP2074469A1; US20090213466A1; US8107168B2; CN102226853A; EP2074469A4; US7551359B2; CN101529309B; JP2010503897A; CN101529309A; CN102226853B; US20080068721A1; WO2008033977A1

Description

本発明は、光学機器に関し、より詳細には、光ビームを実質的に等しいエネルギーを示す複数のビームレットに分割するための機器に関する。

いくつかの多光子硬化プロセス、例えば米国特許第６，８５５，４７８号（その全体を本明細書に参照として組み込む）に記載されているものなどにおいては、多光子硬化可能な光反応性組成物を含む材料の層を、基材（例えばシリコンウェハ）上に塗布し、集束された放射エネルギー源（例えばレーザビーム）を使用して選択的に硬化する。多光子硬化技術は、２次元及び／又は３次元（３Ｄ）の微細構造及びナノ構造の加工にとって有用な場合がある。

ある加工技術では、設計された感光性ポリマー樹脂内に近赤外（ＮＩＲ）放射のパルスレーザビームを集束したときに、ボクセルが形成される。樹脂内の非線形相互作用プロセスは、ＮＩＲ放射の一部を短波長に変換するが、これによりレーザビームの焦点付近で樹脂が硬化され、ＮＩＲ放射の２つの光子が実質的に同時に吸収される。この樹脂の硬化を「光重合」と言う場合があり、このプロセスを「２光子光重合」プロセスと言う場合がある。樹脂の光重合は、強度が不十分なＮＩＲ放射部分に露出する樹脂の領域では起こらないが、それは、このような領域では、樹脂はＮＩＲ放射を吸収しないからである。

レーザビームの焦点の場所を樹脂に対して３次元（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向）で制御することによって、多光子光重合プロセスを用いて３Ｄ構造をボクセルごとに構築してもよい。

一般的に、本発明は、入射光ビームを実質的に同じビーム特性（例えば、実質的に等しいエネルギー）を有する複数のビームレットに分割するためのビームスプリッタ機器に関する。一実施形態においては、本発明によるビームスプリッタ機器は、１つ以上のビームスプリッタの周囲に配置された複数のプリズムを備える。すなわち、入射ビームが複数のビームレットに分割され、ビームレット間の光路差は実質的にゼロである。ビームレットは、ビームスプリッタ機器を通って実質的に同様の光経路長を横断するため、ビームレットは、実質的に同様のパルス伸長（もしあれば）を受ける。その結果、前分散又は後分散の補償（必要ならば）が単純化される。

本発明の一実施形態においては、１つ以上の入射レーザビームがビームスプリッタ機器に送られ、ビームがビームスプリッタを横断した後、少なくとも１つのプリズム経路を通って伝搬する（すなわち、あるプリズムを通って伝搬した後、反射して戻り、そのビームスプリッタ又は別のビームスプリッタ内に入る）ときに、ビームは複数のビームレットに繰り返し分割される。各ビームレットは、ビームスプリッタ機器を通って実質的に等しい光経路長を横断し、その結果各ビームレットのパルス幅は実質的に等しくなる。

結果として生じるビームレットを、ビームレットの線状アレイ又は２次元（２Ｄ）アレイに配列してもよいが、これにより、複数の光子光重合プロセスに取り入れるのに有用な場合がある。ビームレットのアレイを、正の集束レンズによって像平面上に集束してもよいが、これにより、正の集束レンズは像平面の視野を定める。視野内に副視野が存在し、各副視野によって、１つ以上のビームレットがｘ軸及びｙ軸方向に走査される像平面の領域が定められる。実質的に同一の特徴を有するビームレットのアレイを、多光子光重合加工プロセスに取り入れ、実質的に等しいサイズのボクセルを複数の樹脂領域内に実質的に同時に加工してもよい。これにより、加工プロセスにおいて、複数の２次元（２Ｄ）及び／又は３次元（３Ｄ）構造を並行して加工することが可能になる。

一実施形態においては、本発明は、入射光ビームを与える光源と、入射光ビームを少なくとも（２^ｎ−１）個のビームレットに分割するビームスプリッタ機器と、を備えるシステムに関する。ビームスプリッタ機器は、ビームスプリッタと、ビームスプリッタと光学的に接触する（２ｎ−２）個のプリズムと、を備える。

別の実施形態においては、本発明は、入射光ビームを第１のビームレットと第２のビームレットとに分割するように構成されたビームスプリッタと、第１のビームレットをビームスプリッタ内に反射するように構成された第１のプリズム部材であって、第１のビームレットがビームスプリッタを横断して第３のビームレット及び第４のビームレットに分割される、第１のプリズム部材と、第２のビームレットをビームスプリッタ内に反射するように構成された第２のプリズム部材であって、第２のビームレットがビームスプリッタを横断して第５及び第６のビームレットに分割される、第２のプリズム部材と、を備える機器に関する。機器は更に、第３及び第５のビームレットをビームスプリッタ内に反射するように構成された第３のプリズム部材と、第４及び第６のビームレットをビームスプリッタ内に反射するように構成された第４のプリズム部材と、を備える。第１、第２、第３、及び第４のプリズムは、第３、第４、第５、及び第６のビームレット間の所定の経路差を実現するように配列される。

更に別の実施形態においては、本発明は、入射光ビームを複数のビームレットに分割するための光学機器に関する。光学機器は、第１のスプリッタ部を備える第１のキューブビームスプリッタと、第２のスプリッタ部を備える第２のキューブビームスプリッタと、第３のスプリッタ部を備える第３のキューブビームスプリッタと、を備える。第１、第２、及び第３のスプリッタ部は、実質的に直線を形成するように、実質的に端末間で一列に並んでいる。光学機器は更に、第１及び第２のキューブビームスプリッタ間に配置される第１のペンタプリズムと、第１及び第２のビームスプリッタ間に配置され、第１のペンタプリズムと対向する第２のペンタプリズムと、第２及び第３のビームスプリッタ間に配置される第３のペンタプリズムと、第２及び第３のビームスプリッタ間に配置され、第３のペンタプリズムと対向する第４のペンタプリズムと、を備える。

更に別の実施形態においては、本発明は、入射光ビームを与える光源と、入射光ビームを、互いからピッチＰだけ離れる複数のビームレットに分割するビームスプリッタ機器と、を備えるシステムに関する。ビームスプリッタ機器は、ビームスプリッタ（入射光ビームをＳ回分割する）と、第１及び第２の組のプリズムと、を備える。第１の組のプリズムは第１の軸に沿って配置され、第１の組のプリズムの各プリズムは、寸法Ｌ_Ｚに沿ってビームスプリッタと接触し、第１の組のプリズムのｎ番目のプリズムは第１の基準点から距離Ｚ_ｎにあり、Ｚ_ｎは第１の式：

に従って計算される。

第２の組のプリズムは、第１の軸に直交する第２の軸に沿って配置され、第２の組のプリズムの各プリズムは寸法Ｌ_ｘに沿ってビームスプリッタと接触し、第２の組のプリズムのｎ番目のプリズムは第２の基準点から距離Ｘ_ｎにあり、Ｘ_ｎは、第２の式：

に従って計算される。

本発明の１つ以上の実施形態の詳細を、添付の図面及び以下の説明で示す。本発明の他の特徴、目的、及び利点は、その説明と図面から、及び特許請求の範囲から明らかになるであろう。

本発明によるビームスプリッタ機器を組み込む光学システムのブロック図である。図１Ａに示される光学システムの実施形態である光学システムの概略図である。図１Ｂの光学システムに組み込んでもよいマイクロレンズアレイの概略的な断面図である。図１Ｂの光学システムの集束レンズの視野であって、像平面のｘ−ｙ平面に実質的に平行なｘ−ｙ平面内にある視野の略図である。図３Ａの視野において、視野及び副視野がずれた状態の略図である。集束レンズの視野の別の実施形態である。樹脂層内の複数のビームレットの焦点の強度と、対応するビームレットによって形成されるボクセルのサイズとの間の関係を例示するグラフである。樹脂層による複数のビームレットの集束を例示する概略的な断面図である。本発明によるビームスプリッタ機器の一実施形態の斜視図である。図４のビームスプリッタ機器を組み込むビームスプリッタシステムの一実施形態の概略図である。入射光ビームがビームスプリッタ機器を通って伝搬する、図４及び５Ａのビームスプリッタ機器の概略的な断面図である。本発明によるビームスプリッタ機器の別の実施形態の斜視図である。図６のビームスプリッタ機器を組み込むビームスプリッタシステムの実施形態の概略図である。入射光ビームがビームスプリッタ機器を通って伝搬する、図６及び７Ａのビームスプリッタ機器の概略的な断面図である。

本発明によるビームスプリッタ機器は、レーザビームを、実質的に等しいエネルギー及び実質的に等しい波長を有する複数のビームレットに分割する。「ビームレット」とは一般的に、別のレーザビームを分割することによって形成されるレーザビームのことを言う。一実施形態においては、ビームスプリッタ機器は、群ビームレット内のビームレットがある特定のプリズム経路において実質的に等しい経路長を横断するように、ビームスプリッタと、ビームスプリッタの周囲に配置された複数のプリズムと、を備える。プリズム経路とは、ビームレットの群がビームスプリッタから少なくとも１つのプリズムを通って実質的に同時に横断することを、このビームスプリッタ（又は別のビームスプリッタ）を再び横断する前に行なうという動作を繰り返すことを言う。一実施形態においては、ビームレットの群の各ビームレットは、ある特定のプリズム経路においてビームスプリッタの同じ領域を横断する。別の実施形態においては、ビームレットの群は、各プリズム経路の後に異なるビームスプリッタを横断する。ビームスプリッタ機器のプリズムの互いに対する配置に起因し、入射レーザビームから形成される各ビームレットは、ビームスプリッタを同じ回数横断するだけでなく、同じ数のプリズムを通って横断する。一実施形態においては、ビームレットの群のビームレットの数は、ビームスプリッタを横断した後で２倍になる。

実質的に等しいエネルギー及び光経路長を有する複数のビームレットは、多くの応用例に対して有用な場合がある。例えば、これらに限定されないが、多光子光重合加工プロセスにおけるボクセルの並列処理（その例について図１Ｂを参照して説明する）、又は感光材料の選択的な露光を伴う他の応用例、並びに計測学及び干渉計の応用例である。本発明によるビームスプリッタ機器を組み込んでもよい光学システムについて、米国特許出願第１１／５３１８３６号（３Ｍ代理人名簿第６２１０９ＵＳ００２号）に更に詳細に説明されているが、この文献は、本開示と同じ日付に出願されており、その全体を本明細書に組み込む。

異なるエネルギー及び光経路長を示すビームレットのアレイが多光子光重合プロセスに取り入れられると、ビームレットが（並行して）種々のサイズの複数のボクセルを形成する場合がある。ボクセルサイズが著しく変化すると、多光子光重合プロセスによって生成される結果として得られる構造の品質が制限される場合があるが、これにより、２次元（２Ｄ）及び／又は３次元（３Ｄ）微細構造及び／又はナノ構造の大量生産に多光子光重合プロセスを用いる可能性が制限される場合がある。しかし本発明によるビームスプリッタ機器は、実質的に等しいサイズの複数のボクセルを並行して生成することに対して有用であるが、それは、ビームスプリッタ機器が、それぞれ樹脂の別個の領域を硬化させるために用いてもよい実質的に同一の複数のビームレットを生成するからである。こうして、ビームスプリッタ機器は、３Ｄ微細構造及び／又はナノ構造の大量加工に対して有用な場合がある。

図１Ａは、光学システム１のブロック図であるが、光学システム１は、光ビーム源２、本発明によるビームスプリッタ４、ビームレットポジショニングシステム６、対物レンズ８、及びワークピース１０を備える。光ビーム源２は、光ビーム、例えばコリメートレーザビーム又は収束レーザビームを生成するが、このビームは、ビームスプリッタ４によって、実質的に等しいエネルギー（すなわち、強度）を示し、実質的に等しいパルス幅を有してもよい、複数のビームレットに分割される。偶数又は奇数個のビームレットが形成されてもよく、ビームスプリッタ４が、入射レーザビームを任意の好適な数のビームレット、例えば数十、数百、又は数千のビームレットに分割してもよい。「ビームレット」とは一般的に、別の光ビームを分割することによって形成されるレーザビームのことを言う。一実施形態においては、ビームレットは、入射光ビームを繰り返して分割することにより形成される。ビームレットポジショニングシステム６は、ビームレットを、ビームスプリッタ４からｘ軸、ｙ軸、及び／又はｚ軸方向に、光学システム１の特定の配置及びビームレットの所望する伝搬方向に応じて走査する。図１Ｂを参照して後述するように、ビームレットポジショニングシステム６はまた、ビームスプリッタ４によって形成されるビームレットの傾きの角度を精度よくガイドするための複数のステアリングミラーなどの光学部品を備えていてもよい。ビームレットポジショニングシステム６はまた、対物レンズ８（一実施形態においては、対物レンズ８の瞳）を用い、ビームレットを集束させても／一列に並べてもよい。

光学システム１は、光加工プロセス、例えば多光子光重合加工プロセスへの導入に対して有用な場合があるが、この場合、ワークピース１０は感光性樹脂（例えば、多光子硬化可能な光反応性組成物）の層であってもよい。好適な多光子硬化可能な光反応性組成物の例が、米国特許出願第６０／７５２，５２９号、発明の名称「多光子硬化可能な光反応性の組成物を処理するための方法及び機器（METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS）」及び米国特許出願第１１／３１３，４８２号に記載されているが、これらの文献は両方とも、その全体を本明細書において参照として組み込む。

光加工プロセスに取り入れた場合、光学システム１の対物レンズ８は、実質的に等しいエネルギー及び光路を有する複数のビームレットを樹脂１０の層内に送って、樹脂１０の領域を選択的に硬化し、樹脂１０の層内に実質的に等しいサイズの複数のボクセルを加工するように構成される。このようにして、光学システム１によって、多光子加工プロセスのスループットが、アレイ中のビームレットの数（例えば、数百又は数千）にほぼ等しい数だけ増加する場合があるが、それは、複数のビームレットを使用し、構造に繰り返しパターンが含まれているか非反復パターンが含まれているかによらず、複数の構造を並行して加工する場合があるからである。一実施形態においては構造は実質的に同様であり、別の実施形態においては構造は異なっている。更に別の実施形態においては、光学システム１のビームレットのうちの２つ以上を使用し、単一構造を加工してもよい。１つ以上のビームレットを用いて単一構造を加工した場合、単一のビームレットを用いて構造を加工するプロセスと比べ、比較的大きな構造に対する加工時間が短くなる場合がある。

図１Ｂは光学システム１３の概略図であり、これは、図１Ａの光学システム１の実施形態である。光学システム１３は、レーザビーム源１４、分散補償部１６、ビームスプリッタシステム１８、ミラー２０、マイクロレンズアレイ２１、ｚ軸テレスコープ２２、第１のステアリングミラー２４、第１の中継部２６、第２のステアリングミラー２８、第２の中継部３０、及び集束レンズ３２を備える。図１Ａのビームスプリッタ４は、ビームスプリッタシステム１８を備えていてもよく、図１Ａの対物レンズ８は、集束レンズ３２を備えていてもよい。図１Ａのビームレットポジショニングシステム６は、ｚ軸テレスコープ２２、第１のステアリングミラー２４、第１の中継部２６、第２のステアリングミラー２８、及び第２の中継部３０を備えていてもよい。

光学システム１３によって、樹脂３４の層上に集束してこれを選択的に硬化する複数の集束レーザビームレット３６Ａ〜３６Ｄが生成される。光学システム１３を環境的に管理された環境内に封入し、光学システム１３が動作する際のホコリの量及び／又は温度を制御してもよい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、光学システム１３を通って実質的に等しい光経路長を横断する。一般的に、光学システム１３を通る「光路」とは、１つ以上のレーザビーム（又はビームレット）の、レーザビーム源１４から集束レンズ３２までの経路のことである。光学システム１と同様に、光学システム１３は、光加工プロセス、例えば多光子光重合加工プロセスへの導入に対して有用な場合があるが、この場合、樹脂３４の層は、複数の集束レーザビームレット３６Ａ〜３６Ｄにより、複数の領域において実質的に同時に選択的に硬化される感光性樹脂（例えば、多光子硬化可能な光反応性組成物）の層であってもよい。

一実施形態においては、樹脂３４の層内の好適な多光子硬化可能な光反応性組成物には、酸又はラジカル開始化学反応を受けることが可能な少なくとも１つの反応種並びに多光子反応開始剤系が含まれる。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄから得られる適切な波長及び十分な強度の光（「閾値強度」）（例えば、近赤外（ＮＩＲ）強度であってもよい）のビームレット３６Ａ〜３６Ｄを用い、樹脂３４の層の領域を像様露光することによって、多光子反応開始剤系において２光子吸収が生じるが、これは、反応種において、光に暴露される層の領域で、酸又はラジカル開始化学反応を含む。この化学反応によって、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄに露出している、樹脂３４の層の領域において、化学特性又は物理特性の検出可能な変化が生じる。検出可能な変化の例には、例えば、暴露する前の光反応性組成物と比べたときの架橋、重合、及び／又は溶解特性の変化（例えば、特定の溶媒中への溶解性が小さくなるか大きくなる）が挙げられる。これらの検出可能な変化のうちのいずれかが発生することを、本明細書においては硬化と言い、この硬化は、硬化物体が形成されるまで継続する。硬化工程は、樹脂３４の層内の任意の領域で行なわれてもよい。硬化工程に続いて、樹脂３４の層を所望により、層の未硬化部分を取り除いて硬化物体を得ること又は硬化物体自体を層から取り除くことにより、現像してもよい。

光学システム１３の他の応用例では、像平面は、別の材料又は別のタイプの像平面（例えば測定されている表面）からなっていてもよい。また用語「平面」は、像平面を実質的に平坦な表面に限定することを意図していない。本明細書では光学システム１３は２光子光重合システムを参照して説明されるが、他の実施形態においては、光学システム１３は、光硬化性材料から２Ｄ又は３Ｄ構造を加工するための他の多光子光重合システム及び他の光学システムに取り入れられてもよい。

図１Ｂの実施形態においては、レーザビーム源１４から、比較的短いパルス幅（例えば、約２００フェムト秒（ｆｓ）未満。しかし光学システム１３に対する応用例及び要件に応じて、他のパルス幅が適用可能であってもよい）を有する一連のパルスのレーザビーム３６が出力される。レーザビーム源１４は、例えば、フェムト秒クラスのレーザビーム発生器であってもよいし、短コヒーレンス光源（例えば、コリメートされたアークランプ）であってもよい。代替的な実施形態においては、レーザビーム源１４は収束レーザビーム発生器であってもよい。更に他の実施形態においては、他の好適な放射エネルギー源をレーザビーム源１４の代わりに用いてもよい。加えて、光学システム１３は２つ以上のレーザビーム源１４を備えていてもよい。例えば、２つ以上のレーザビーム源１４（又は他の放射エネルギー源）を、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄ当たり特定の出力レベル（例えば、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄ当たり０．５ワット）を実現するために必要としてもよい。付加的なレーザビーム源を、レーザビーム源１４に隣接して配置してもよいし、レーザビーム源１４に対して任意の関係で配置してもよい。例えば、２つ以上のレーザビーム源を分散補償システム１６の「上流」に配置し、複数のレーザビーム源から発した複数のレーザビームが、分散補償システム１６を通って伝搬する前に収束するようにしてもよい。あるいは、レーザビーム源１４から２つ以上のレーザビーム３６が出力されてもよい。

レーザビーム３６がレーザビーム源１４から出た後に、ポジショニングミラー１５によってレーザビーム３６が位置決めされる。代替的な実施形態においては、レーザビーム３６の所望する伝搬方向に応じて、２つ以上のポジショニングミラー１５を用いてレーザビーム３６を位置決めしてもよい。他の代替的な実施形態においては、ポジショニングミラー１５を光学システム１３から取り除いてもよく、レーザビーム３６が、方向を変えることなく分散補償システム１６まで伝搬してもよい。１つ以上のポジショニングミラー１５の構成を、光学システム１３のデザイン、及びレーザビーム源１４の後のレーザビーム３６の所望する伝搬方向に応じて、変更してもよい。

レーザビーム３６を再成形し、レーザビーム３６が光学システム１３を通過する結果生じる任意の分散を補償するために、レーザビーム３６が分散補償システム１６を通過する。例えば、場合によっては、光学システム１３によって定められる光路全体に渡って比較的短いパルス幅が望ましい場合がある。しかし、多少の偶発的な分散が、ビームスプリッタシステム１８、マイクロレンズアレイ２１、中継部２６及び３０などの光学素子（例えば、プリズム、レンズ、ミラーなど）によってもたらされる場合があるため、レーザビーム３６のパルス幅は、所望するパルス幅の範囲から逸脱する場合がある。分散補償システム１６を、樹脂３４の層の前に光学システム１３に沿ってどこかに配置してもよい。更に、いくつかの実施形態においては、光学システム１３は分散補償システム１６を備えていなくてもよい。

分散補償システム１６を通過した後に、レーザビーム３６はビームスプリッタシステム１８を通過するが、これは、レーザビーム３６を、実質的に等しい光経路長を横断する実質的に等しいエネルギーの複数のビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、及び３６Ｄに分割する。図１Ｂでは４つのビームレット３６Ａ〜３６Ｄが示されているが、他の実施形態においては、ビームスプリッタシステム１８は、レーザビーム３６を、任意の偶数又は奇数個のビームレット、例えば５、８、１６、３２などに分割してもよい。更に、ビームスプリッタシステム１８は、レーザビーム３６を任意の好適な数のビームレット、例えば数十、数百、又は数千のビームレットに分割してもよい。図５Ａ及び７Ａに、好適なレーザビームスプリッタシステム１８の例示的実施形態を示す。

ビームスプリッタシステム１８は、ビームスプリッタ機器１８Ａ及び集束部１８Ｂを備える。ビームスプリッタ機器１８Ａは、入射レーザビーム３６をビームレット３６Ａ〜３６Ｄに分割し、一方で、集束部１８Ｂは、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを線状ビームレットのアレイに配列する。代替的な実施形態においては、集束部１８Ｂは、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを、任意の好適な配置、例えば２Ｄアレイ又はランダム配置に配列してもよい。奇数個のビームレットは、一実施形態においては、例えば奇数個のビームレット３６Ａ〜３６Ｄを吸収することによって実現されてもよい。例えば、ビームレット３６Ａを、光ビームレットの吸収に好適な熱伝導性材料がコーティングされた黒色金属プレートによって吸収してもよい。ビームスプリッタ機器１８Ａ及び集束部１８Ｂの例を、図４（ビームスプリッタ機器１００及び集束部１５３）及び図６（ビームスプリッタ機器３００及び集束部３５６）に示す。代替的な実施形態においては、光学システム１３は２つ以上のビームスプリッタシステムを備えていてもよい。例えば、図１Ｂに示される実施形態において、第２のビームスプリッタシステムがビームスプリッタシステム１８に続いて、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを１つ以上のビームレットに更に分割してもよい。

ビームレット３６Ａ〜３６Ｄがビームスプリッタシステム１８を出た後で、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、線状アレイ配置を維持しながら、ミラー２０で反射されて約９０°だけ旋回する。光学システム１３の構成及びビームレット３６Ａ〜３６Ｄの所望する方向に応じて、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、ビームスプリッタシステム１８を出てから、約９０°旋回することなく、ｚ軸テレスコープ２２を通って移動してもよいし、あるいはビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、２つ以上のミラー２０で反射されてもよいし、別の角度だけ方向を変えてもよい。線状ビームレットのアレイ３６Ａ〜３６Ｄはマイクロレンズアレイ２１を通って移動し、マイクロレンズアレイ２１は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束し成形する。

図２は、マイクロレンズアレイ２１の概略的な断面図である。マイクロレンズアレイ２１は、４つのマイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８を備え、これらのマイクロレンズは線状アレイに配列されている。各マイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８の表面は、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを成形して所望の放射照度を実現するために非球面であってもよい。例えば、マイクロレンズアレイ２１によって、収束ビームレット３６Ａ〜３６Ｄが形成されてもよい。マイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８はそれぞれ、石英ガラス又は他の任意の好適な光学材料で形成されてもよい。好ましくは、光学材料は低分散で高熱安定性の材料である。図２に示される実施形態においては、マイクロレンズアレイ２１は、各マイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８が１つのビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、又は３６Ｄを受信するように、したがってマイクロレンズ４２、４４、４６、及び４８がビームレット３６Ａ〜３６Ｄと同じ線状アレイ配置に配列されるように、配列されている。例えば、ビームレット３６Ａはマイクロレンズ４２を通って移動してもよく、ビームレット３６Ｂはマイクロレンズ４４を通って移動してもよく、ビームレット３６Ｃはマイクロレンズ４６を通って移動してもよく、ビームレット３６Ｄはマイクロレンズ４８を通って移動してもよい。

代替的な実施形態においては、マイクロレンズ２１は、任意の好適な配置に配列された任意の好適な数のマイクロレンズを備える。典型的には、ビームスプリッタ機器１８により形成されるビームレット３６Ａ〜３６Ｄの数とマイクロレンズアレイ２１におけるマイクロレンズの数とは等しい。またマイクロレンズは典型的には、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄと同じ配置で配置されている。例えば、１６個のビームレットからなる２Ｄアレイを複数の行及び列に配列したものがビームスプリッタシステム１８から発せられた場合、マイクロレンズアレイ２１は、典型的に、各マイクロレンズがビームレットと光学的に一列に並ぶように、１６個のマイクロレンズからなる２Ｄアレイを行及び列の同様の配置に配列したものを備えるであろう。ビームレットがマイクロレンズと「光学的に一列に並ぶ」場合、ビームレットはマイクロレンズを通過するように一列に並んでいる。しかし、他の代替的な実施形態においては、マイクロレンズ（例えば、マイクロレンズ４２、４４、４６、又は４６）が、２つ以上のビームレットを受信して集束してもよい。更に他の代替的な実施形態においては、マイクロレンズアレイ２１を光学システム１３から取り除いてもよい。例えば、レーザビーム源１４が収束ビームを出力した場合、レーザビーム３６及びビームレット３６Ａ〜３６Ｄがビームスプリッタシステム１８を通過するときにレーザビームレット３６Ａ〜３６Ｄが十分に集束されてもよく、マイクロレンズアレイ２１は必要でなくてもよい。

次に図１Ｂに戻って、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、マイクロレンズアレイ２１を横断した後にｚ軸テレスコープ２２を通過する。ビームレットの焦点の場所を樹脂３４の層に対して３次元（すなわち、ｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向）で制御することにより、樹脂３４の層内でボクセルごとに３Ｄ構造を構成してもよい。図１Ｂには、説明を目的として、直交するｘ−ｚ軸を示す。ｚ軸テレスコープ２２によって、樹脂３４の層に対するビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸位置を調整する。特に明記されない限り、ｚ軸テレスコープ２２はビームレット３６Ａ〜３６Ｄをｚ軸方向に「走査する」。例えば、コンピュータ化されたデバイスによってｚ軸テレスコープ２２を制御し、樹脂３４の層内でのビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸の位置を調整してもよい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸の位置を調整すると、各ビーム３６Ａ〜３６Ｄの焦点が樹脂３４内をｚ軸方向に同様に移動する。必要に応じて、各焦点においてビームレット３６Ａ〜３６Ｄが樹脂３４を硬化するように、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを適切な波長及び強度を有するように調整してもよい。その結果、ｚ軸テレスコープ２２は、樹脂３４の層内で加工されている３Ｄ構造のｚ軸の寸法の調整に役立つ場合がある。ｚ軸テレスコープ２２によって、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｚ軸の位置の調整を、樹脂３４の層を移動させる必要なく行なうことができる。しかしいくつかの実施形態においては、樹脂３４の層をｚ軸方向に移動してもよいが、これは、特定の深さを有する３Ｄ構造を加工する際に有用な場合がある。例えば、一実施形態においては、エアロテック（Aerotech）社（ペンシルベニア州ピッツバーグ（Pittsburgh, Pennsylvania））から販売される制御システムを使用し、樹脂３４の層（又は別のワークピース）をｘ軸、ｙ軸、及びｚ軸方向に移動させる機械装置を制御してもよい。樹脂３４の層を移動させることはまた、集束レンズ３２の視野５０（図３Ａ）よりも大きい構造を加工する際に有用な場合もある。

ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、ｚ軸テレスコープ２２を通過した後に、第１のステアリングミラー２４で反射されて第１の中継部２６を通る。第１のステアリングミラー２４は、電気的に制御可能なミラーであり、ビーム３６Ａ〜３６Ｄの伝搬角度を調整し、樹脂３４の層内でビームレット３６Ａ〜３６Ｄを走査する。図１Ｂの実施形態において、第１のステアリングミラー２４は、ｘ軸内で回転し、樹脂３４の層に対するビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｘ軸の位置を調整するように構成されているが、これにより、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって選択的に硬化される樹脂３４の層の領域のｘ軸の位置を選ぶことができる。第１のステアリングミラー２４によってビームレット３６Ａ〜３６Ｄをｘ軸方向に走査することによって、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｘ軸の位置を変える。このようにして、第１のステアリングミラー２４は、樹脂３４の層内で加工されている３Ｄ構造のｘ軸寸法の調整に役立つ。

第１の中継部２６は、光学レンズの中継部であり、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを第２のステアリングミラー２８上に、事実上、集束する。加えて、後述するように、第１の中継部２６は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄが集束レンズ３２の瞳と一列に並ぶことに役立つ。

第２のステアリングミラー２８は、電気的に制御可能なミラーであり、ビーム３６Ａ〜３６Ｄの伝搬角度を調整する。第２のステアリングミラー２８は、ｙ軸内で回転し、樹脂３４の層に対してビームレット３６Ａ〜３６Ｄを一列に並べるためにビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｙ軸位置を調整するように構成されている。第２のステアリングミラー２８は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄをｙ軸方向に走査することにより、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｙ軸の位置を変える。このようにして、第１のステアリングミラー２８は、樹脂３４の層内で加工されている３Ｄ構造のｙ軸寸法の調整に役立つ。

第１のステアリングミラー２４及び第２のステアリングミラー２８は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの小角度の傾きを実現することができる。第１のステアリングミラー２４及び第２のステアリングミラー２８の両方を、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの傾きの角度を正確かつ精度よく制御するためにコンピュータ制御してもよく、これにより、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの位置を、比較的小さい度合いで制御することができる。こうして、第１及び第２のステアリングミラー２４及び２８は、マイクロ加工及びナノ加工に対して有用であるが、それは、ボクセルのｘ及びｙ軸の位置を、比較的小さいスケール内で制御する場合があるからである。代替的な実施形態においては、ガルバノメータを、ステアリングミラー２４及び／又は２８の代わりに用いてもよい。しかし典型的には、ステアリングミラー２４及び２８の方が、小角度の傾きを実現する際には有用である。一実施形態においては、ウェーブランナ（WAVERUNNER）制御ソフトウェア（ナットフィールド・テクノロジ（Nutfield Technology）（ニューハンプシャー州ウィンダム（Windham, New Hampshire））から販売）を使用し、ｚ軸テレスコープ２２、第１のステアリングミラー２４、及び第２のステアリングミラー２８を制御してもよい。加えて、制御システム、例えばＮＩルックアウト（NI LOOKOUT）（ナショナル・インスツルメンツ社（National Instruments Corporation）、テキサス州オースチン（Austin, Texas）から販売）を使用し、軸テレスコープ２２、第１のステアリングミラー２４、及び第２のステアリングミラー２８の前に生じる誤差を示すビームレット３６Ａ〜３６Ｄを補正し、樹脂３４の層の像平面における誤差を減らしてもよい。

ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、第２のステアリングミラー２８で反射され、第２の中継部３０内に入る。一実施形態においては、第１の中継部２６及び第２の中継部３０は実質的に同一である。第１及び第２の中継部２６及び３０は光学レンズの中継部であり、事実上、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄが集束正レンズ３２（「対物」レンズと言う場合もある）の瞳との一列に並ぶことに役立つ。歪みを回避するために、典型的には、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束レンズ３２の瞳と一列に並べることが望ましい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束レンズ３２の瞳と一列に並べることにより、集束レンズ３２の開口数（ＮＡ）が実質的に保持される。一実施形態においては、集束レンズ３２のＮＡは、約０．５〜約１．５である。ＮＡは一般的に、特定の物点又は像点（例えば、樹脂３４）に対して測定される。集束レンズ３２のＮＡは、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのスポットサイズに関係づけられ、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって形成されるボクセルのサイズに影響する。これについては、図３Ｄを参照して後述する。第１の中継部２６及び／又は第２の中継部３０はまた、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄを拡大してもよいし縮小してもよい。

集束レンズ３２は、浸漬対物レンズ（例えば油浸漬対物レンズ）及び屈折率マッチング流体を備えていてもよい。ビームレット３６Ａ〜３６Ｄから球面収差を取り除くために、浸漬対物レンズを含めてもよい。集束レンズ３２は、閾値強度に達するように、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄをそれぞれ密に集束し、少なくとも閾値強度を示すビームレット３６Ａ〜３６Ｄの部分に露出される樹脂３４の層の領域を硬化する。横方向にずれた（すなわち、ｘ方向にずれた）４つのビームレット３６Ａ〜３６Ｄが樹脂３４の層に送られるため、樹脂３４の４つの分離領域が実質的に同時に硬化される場合がある。

図３Ａに、集束レンズ３２の視野５０の略図を例示するが、視野５０は、樹脂３４のｘ−ｙ平面に実質的に平行なｘ−ｙ平面内にある。視野５０は、集束レンズ３２がビームレット３６Ａ〜３６Ｄを集束する場合がある領域を表わしている。視野５０内に、副視野５２、５４、５６、及び５８（破線）が存在する。副視野５２、５４、５６、及び５８はそれぞれ、個々の集束ビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、及び３６Ｄがそれぞれ、ｘ軸及びｙ軸方向に走査される、樹脂３４の層の領域を定める。こうして、副視野５２、５４、５６、及び５８は、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって硬化される場合がある樹脂３４の層の分離領域を定める。しかし、いくつかの実施形態においては、副視野５２、５４、５６、及び５８はオーバーラップしてもよい。一実施形態においては、各副視野５２、５４、５６、及び５８に、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄのｘ−ｙ軸走査の制御に役立つように、ｘ−ｙ軸座標系を割り当ててもよい。例えば、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄ（すなわち、樹脂３４を硬化させるのに十分な強度を有するビームレット３６Ａ〜３６Ｄの領域）の焦点のｘ及び／又はｙ座標を、対応する副視野５２、５４、５６、及び５８内で、対応する座標系を介して制御し、樹脂３４の層を選択的に硬化し、例えば３Ｄ構造を構成する場合があるボクセルを加工してもよい。前述したように、テレスコープ２２は、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のｚ軸の位置を調整する。

各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、樹脂３４の異なる領域に集束してこれを硬化するが、それは、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄが、異なる副視野５２、５４、５６、又は５８に送られる結果、光学１３が最大で４個の３Ｄ構造を並行して加工することができるからである。一実施形態においては、副視野４０当たり１つの構造を形成してもよいが、それは、単一のビームレット３６Ａ、３６Ｂ、３６Ｃ、又は３６Ｄが、副視野５２、５４、５６、又は５８のうちの１つに集束するからである。例えば、図３Ａに例示するように、ビームレット３６Ａは副視野５２内の樹脂３４を硬化し、構造５３（図３Ａに概略的に示す）を加工し、ビームレット３６Ｂは副視野５４内の樹脂３４を硬化し、構造５５（図３Ａに概略的に示す）を加工し、ビームレット３６Ｃは副視野５６内の樹脂３４を硬化し、構造５７（概略的に示す）を加工し、ビームレット３６Ｄは副視野５８内の樹脂３４を硬化し、構造５９（概略的に示す）を加工する。当然のことながら、必要に応じて、複数の構造を１つ以上の副視野５２、５４、５６又は５８内に形成してもよい。また光学システム１３が加工する構造の数に応じて、視野５０によって副視野の任意の好適な数を画定してもよい。例えば、図３Ａに示されるように、副視野５２、５４、５６、及び５８の数は、光学システム１３を用いて加工される構造５３、５５、５７、及び５９の数に正比例していてもよい。しかしいくつかの実施形態においては、このような比例関係は存在しない。

複数の構造５３、５５、５７、及び５９を並行して加工することに加えて、光学システム１３を、実質的に同一の構造５３、５５、５７、及び５９を並行して加工することに用いてもよい。前述したように、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄは実質的に同一である（例えば、それぞれが実質的に同様のエネルギー及び光経路長を示す）。したがって、各ボクセル構成構造５３、５５、５７、及び５９はサイズが実質的に同一である。光学システム１３が、複数の実質的に同一の構造（例えば、５３、５５、５７、及び５９）を並行して加工できることは、３Ｄ微細構造及び／又はナノ構造を大量生産することに対して商業的に重要である。

一実施形態においては、光学システム１３の確度及び精度を維持するために、視野５０のｘ−ｙ平面は好ましくは、樹脂３４の層のｘ−ｙ平面に実質的に平行である。図３Ｂに、視野５０、副視野５２、５４、５６、及び５８、並びにずれた視野５０’（破線）及び副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’（破線）を例示するが、これらは、樹脂３４の層及び視野５０が実質的に平行でない（例えば、両方ともｘ−ｙ平面内にある）場合に生じることがある。

図３Ｂに例示するように、ずれた副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’は、樹脂３４の層の副視野５２、５４、５６、及び５８とは異なる領域と一列に並ぶ場合がある。その結果、実質的に、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって硬化され得る樹脂３４の層の総面積が狭くなる場合がある。例えば、図３Ｂに示される状況において、ずれた副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’は、ｙ軸方向にシフトしている。樹脂３４の層がｙ軸方向に延びる距離が、副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’のシフト量と同程度ではない場合、副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’の一部が、樹脂３４の層の外側に位置する場合がある。またビームレット３６Ａ〜３６Ｄは、副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’と適切に一列に並ばない場合があり、その結果、副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’の外側で走査される場合がある。加えて、ずれた副視野５２’、５４’、５６’、及び５８’が、副視野５２、５４、５６、及び５８と比べて少ない面積を有するため、ｘ−ｙ平面内でビームレット３６Ａ〜３６Ｄを走査してもよい面積が制限される。

集束レンズ３２の視野５０が大きくなるほど、光学１３がサポートし得る副視野の数が増え、したがって光学１３が並行して加工し得る３Ｄ構造の数が増える。図３Ａに示される集束レンズ３２の視野５０は、４つの副視野５２、５４、５６、及び５８からなる線状アレイを備えるが、視野５０は、任意の数の副視野を任意の好適な配置で備えてもよい。更に、代替的な実施形態においては、副視野５２、５４、５６、及び５８は、オーバーラップしてもよい。図３Ｃに、視野６０の代替的な実施形態を例示するが、ここでは、複数の副視野６２が、複数の行及び列を含む２Ｄアレイに配列されている。

一実施形態においては、集束レンズ３２は、ニコンＣＦＩプランフルオール（Nikon CFI Plan Fluro）２０Ｘ対物レンズであり、このレンズは、ニコン社（東京、日本）から販売されている。ニコン２０Ｘマルチ浸漬対物レンズ（Multi Immersion Objective）は開口数が０．７５で、視野が１．１ミリメートル（ｍｍ）であるが、その結果、少なくとも１２８個の副視野がそれぞれ６０μｍの直径を有することが可能になる。図１Ｂの光学システム１３は、共焦点境界面位置特定システムを備えていてもよいが、このシステムは、樹脂３４の層と樹脂３４の層が配置される基材との間の境界面を位置特定するため及び／又は追跡するために用いられてもよい。好適な共焦点境界面位置特定システムの例は、米国特許出願第６０／７５２，５２９号、発明の名称「多光子硬化可能な光反応性の組成物を処理するための方法及び機器（METHOD AND APPARATUS FOR PROCESSING MULTIPHOTON CURABLE PHOTREACTIVE COMPOSITIONS）」に記載されている。なおこの文献は、参照によりすでに組み込まれている。

一実施形態においては、樹脂３４の層は曲線状のプロファイル（例えば、円柱型の像平面）を有していてもよいが、このプロファイルでは、曲率が、副視野５２、５４、５６、及び５８上で実質的に平坦である。１次元のアレイ（例えば図３Ａに示されるもの）は、円筒状の像平面上に書き込むのに有用な場合がある。

図３Ｄは、樹脂３４の層内の各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点の強度と、対応するビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって形成されるボクセルのサイズ３６Ａ〜３６Ｄとの間の関係を例示するグラフであり、樹脂３４の層のｘ−ｙ平面が視野５０（図３Ａ）上で実質的に平坦であることを想定している。ライン７０は図３Ａの副視野５２内のビームレット３６Ａの焦点に対応し、ライン７２は副視野５４内のビームレット３６Ｂの焦点に対応し、ライン７４は副視野５６内のビームレット３６Ｃの焦点に対応し、ライン７６は副視野５８内のビームレット３６Ｄの焦点に対応する。ライン７０及び７６によって例示されるように、ビームレット３６Ａ及び３６Ｄの焦点がそれぞれ閾値強度７８にあるときは、ボクセルサイズ８０及び８２（図３Ｄのｘ軸に沿って）は実質的に等しい。閾値強度７８は、樹脂３４の層の領域を硬化させるために必要な最小限の強度レベルである。こうして、ビームレット３６Ｂの焦点が閾値強度７８を下回るときには（ライン７２によって示されるように）、ビームレット３６Ｂによる樹脂３４の層の硬化はないが、それは、不可欠な光子吸収を樹脂３４によって開始するには強度が不十分だからである。

ビームレット３６Ｃの焦点が閾値強度７８よりも大きい強度を有する場合、ビームレット３６Ｃによって樹脂３４の層を用いて形成されるボクセルサイズ８４は、ビームレット３６Ａ及び３６Ｄによってそれぞれ形成されるボクセルサイズ８０及び８２よりも大きいが、それは、閾値強度７８以上のビームレット３６Ｃの焦点の幅が、ビームレット３６Ａ及び３６Ｄの焦点の幅よりも小さいからである。複数の構造（例えば、構造５３、５５、５７、及び５９（図３Ａに示される））を並行して形成する場合、不均一なサイズのボクセル８０、８２、及び８４を有することは望ましくない場合がある。したがって、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点が、閾値強度７８に実質的に等しいことが望ましい。当然のことながら、いくつかの実施形態においては、不均一なサイズのボクセル８０、８２、及び８４を並行して加工することが望ましい場合がある。

また樹脂３４の層内での各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点のサイズ及び場所は、樹脂３４の層内での各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって硬化され得る樹脂の量に、したがって各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄによって形成されるボクセルサイズに、影響を及ぼす場合がある。実質的に等しいサイズのボクセルが望ましい場合、樹脂３４の層のｘ−ｙ平面が実質的に平坦であることが望ましい場合がある。樹脂３４の層の上面３４Ａ（ｘ−ｙ平面内、図３Ｅに示す）に「波」又は他の表面歪みが含まれる場合には、各ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点は、対応する副視野５２、５４、５６、及び５８内で異なる場合がある。したがって、いくつかの実施形態においては、ボクセルを実質的に同じｘ−ｙ平面内で加工するために、樹脂３４の実質的に平坦な層が望ましい場合がある。樹脂３４の層の上面３４Ａは、集束レンズ３２に最も近い樹脂３４の層の表面である。

図３Ｅは、上面３４Ａを備える、樹脂３４の層の概略的な断面図であり、樹脂３４の層内にそれぞれ集束されるビームレット３６Ａ〜３６Ｄを例示する。特に、ビームレット３６Ａの焦点８６（すなわち、樹脂３４を硬化させるのに十分な強度を有するビームレット３６Ａの一部）が、副視野５２（破線）内に集束され、ビームレット３６Ｂの焦点８８が副視野５４（破線）内に集束され、ビームレット３６Ｃの焦点９０が副視野５６（破線）内に集束され、ビームレット３６Ｂの焦点９２が副視野５８（破線）内に集束される。樹脂３４の層の平坦な上面３４Ａに関して、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの各焦点８６、８８、９０、及び９２はそれぞれ、実質的に同じｚ軸座標及び実質的に同じ強度を有する。しかし樹脂３４の層が不均一な上面３４Ａ’を有する場合、樹脂３４の層の最上部３４Ａ’は種々のｚ軸座標を有するが、その結果、ビームレット３６Ａ〜３６Ｄの焦点８６、８８、９０、及び９２が樹脂３４の層に接触してこれを硬化する能力に影響を及ぼす場合がある。例えば、図３Ｅに示される例示的な実施形態においては、ビームレット３６Ａの焦点８６は、樹脂３４の層には接触していないが、それは、最上部層３４Ａ’が焦点８６の下にあるからである。しかし、ビームレット３６Ｂ及び３６Ｃの焦点８８及び９０はそれぞれ、樹脂３４の層の領域に接触して硬化し、実質的に同様のｚ軸座標を有するボクセルを形成する。

一実施形態においては、集束レンズ３２は、樹脂３４の層内のわずかな変化（例えば、不均一部分）も補償するためのビームレットの焦点３６Ａ〜３６Ｄの調整を容易にする、自動焦点特徴部を備えていてもよい。

図４は、本発明の一実施形態によるビームスプリッタ機器１００を示す斜視図である。図５Ａ及び５Ｂを参照して更に説明するように、ビームスプリッタ機器１００は、入射光ビーム（例えば、図１Ｂのレーザビーム３６）か又は別のタイプの放射エネルギービームを受け取るように構成され、また入射光ビームを、実質的に等しいエネルギー及び光経路長を有する複数のビームレット（例えば、図１Ｂのビームレット３６Ａ〜３６Ｄ）に分割するように構成される。ビームスプリッタ機器１００（例えば、後述するビームスプリッタ機器１０２及び複数のプリズム）の光学部品の製造公差に起因し、ビームレット間のエネルギー及び光経路長はわずかに異なる場合がある。したがって、語句「実質的に等しい」を用い、ビームレットのエネルギー及び光経路長を記載する。ビームスプリッタ機器１００をレーザビームに関して後述するが、ビームスプリッタ機器１００はまた、他のタイプの光ビームを複数のビームレットに分割してもよい。

ビームスプリッタ機器１００は、キューブビームスプリッタ１０２及びキューブプリズム１０４（破線）、１０６（破線）、１０８（破線）、１１０（破線）、１１２、及び１１４を備える。ビームスプリッタ１０２及びプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は、任意の好適な光学材料（例えば石英ガラス）で形成されてもよい。プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は、ビームスプリッタ１０２と光学的に接触する。すなわち光のビームが、ビームスプリッタ１０２から、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４のそれぞれに、実質的な妨害なく進んでもよい。図４に示されるビームスプリッタ機器１００の実施形態において、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４はビームスプリッタ１０２に隣接しているが、代替的な実施形態においては、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４を、ビームスプリッタ１０２から間隔をあけて設ける一方で、やはりビームスプリッタ１０２と光学的に接触するようにしてもよい。

キューブビームスプリッタ１０２は、レーザビーム又はビームレットを、実質的に等しいエネルギーを示す２つのビームレットに分割する光学装置であり、５０％エネルギービームスプリッタであってもよい。図４に例示する実施形態においては、キューブビームスプリッタ１０２は、継ぎ目１２０に沿って取り付けられた２つの三角形のガラスプリズム１１６及び１１８から構成されている。三角形のガラスプリズム１１６及び１１８は、任意の好適な取り付け手段（例えばカナダバルサム）を使用して取り付けられてもよい。レーザビーム又はビームレットが継ぎ目１２０を横断するときに、ビームは２つ以上のビームレットに分割される。したがって、継ぎ目１２０はキューブビームスプリッタ１０２の「スプリッタ部」と言ってもよい。

キューブビームスプリッタ１０２は立方形であり、側面１０２Ａ（破線）、１０２Ｂ（破線）、１０２Ｃ、１０２Ｄ、１０２Ｅ、及び１０２Ｆを備えるが、レーザビーム又はビームレットが、光路の実質的な妨害を受けることなく側面１０２Ａ〜１０２Ｆを通過してもよいように、側面はすべて実質的に無反射である。ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａは側面１０２Ｂ及び１０２Ｄに実質的に垂直であり、側面１０２Ｂは側面１０２Ａ及び１０２Ｃに実質的に垂直であり、側面１０２Ｃは側面１０２Ｂ及び１０２Ｄに実質的に垂直であり、側面１０２Ｄは側面１０２Ａ及び１０２Ｃに実質的に垂直である。側面１０２Ｅ及び１０２Ｆは、互いに実質的に平行であり、側面１０２Ａ〜Ｄに実質的に垂直である。ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａ〜Ｆは、ほぼ同じ長さである（ｘ−ｚ平面内で測定）。図４では、ビームスプリッタ機器１００の説明を助けるためにｘ−ｙ−ｚ軸を示しているが、本発明の範囲を限定することが決して意図されているわけではない。ｘ−ｙ−ｚ軸は、図１Ｂに示されるｘ−ｙ−ｚ軸に対応する。代替的な実施形態においては、実質的に等しい長さの側面を備える任意のビームスプリッタを、ビームスプリッタ１０２の代わりに用いてもよい。

プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は、コーナーキューブプリズムであり、図４に示される実施形態では、実質的に同様の寸法を有している。プリズム１０４及び１０６は、ビームスプリッタ１０２の第１の側面１０２Ａに沿って配置され、一方で、プリズム１０８及び１１０は、ビームスプリッタ１０２の第２の側面１０２Ｂに沿って配置され、プリズム１１２は、ビームスプリッタ１０２の第３の側面１０２Ｃに沿って配置され、プリズム１１４は、ビームスプリッタ１０２の第４の側面１０２Ｄに沿って配置される。図５Ｂを参照し、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４間の相対位置／距離について説明する。図４に示される実施形態においては、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は同じ材料で形成され、したがって実質的に同様の屈折率を有する。代替的な実施形態においては、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は、異なる材料で形成されていてもよい。屈折率マッチング流体を、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４とキューブビームスプリッタ１０２との間に配置してもよい。こうすることで、キューブビームスプリッタ１０２と１つ以上のプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４との間で移動する光ビームが、光ビーム（又はビームレット）の移動する方向に応じて、反射してキューブビームスプリッタ１０２内へ戻ること、又は対応するプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４内へ戻ることを容易に防止できる。

図５Ａ及び５Ｂはそれぞれ、ビームを複数のビームレットに分割するための本発明によるビームスプリッタシステム１５０及びビームスプリッタ機器１００の概略図である。システム１５０は、ビームスプリッタ機器１００（図４の線分５−５に沿って見た断面として示す）、レーザビーム源１５２、及び集束部１５３を備えるが、集束部１５３は、ミラー１５４及び１５６、及び三角形プリズム１５８、１６０、１６２、及び１６４を備える。レーザビーム源１５２は、任意のレーザビーム源であってもよいし、例えば、図１Ｂのレーザビーム源１４であってもよいし、又は図１Ｂのミラー１７で反射されるレーザビーム３６を表わしてもよい。

ビームスプリッタシステム１５０において、レーザビーム１６５がレーザビーム源１５２から発せられ、ビームスプリッタ機器１００のキューブビームスプリッタ１０２の点１５１に送られる。以下で詳細に説明するように、レーザビーム１６５がビームスプリッタ機器１００を横断した後に、レーザビーム１６５は１６個のビームレット２２０〜２３５に分割されるが、ビームレット２２０〜２３５は、集束部１５３によってビームレットの線状アレイ１６６に配列される。当然のことながら、代替的な実施形態においては、ビームスプリッタ機器１００は、レーザビーム１６５をもっと小さいか又はもっと大きい数のビームレット（数十、数百、又は数千のビームレットを含む）に分割するように構成されていてもよい。

一実施形態においては、ビーム１６５がキューブビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａに実質的に垂直となるように、レーザビーム１６５がビームスプリッタ１０２に送られる。すなわち、入射レーザビーム１６５とレーザビーム１６５が最初に接触するキューブビームスプリッタ１０２の表面との間の角度θは、約９０°である。角度θが９０°よりも大きいか又は小さい場合には、レーザビーム１６５から形成されるビームレット２２０〜２３５が横方向にずれる（すなわち、ｘ−ｚ平面内でずれる）場合がある。角度θと９０°との間の差を、「入射角度」と言う場合がある。横方向のずれＤは、小角度に対しては、以下の等式：
Ｄ＝ｔ^＊Ｉ^＊（（Ｎ−１）／Ｎ）
に従って近似してもよい。

等式において、ｔは、単一のビームレットがビームスプリッタ機器１００を通って横断する全光路であり、Ｉはレーザビーム１６５の入射角度であり、Ｎは、キューブビームスプリッタ１０２と、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４と、が構成される材料（例えば、ガラス）の屈折率である。例えば、入射角度Ｉが約１°（又は約０．０１７４５ラジアン）である場合、ｔは約２２４ｍｍであり、Ｎは１．５であり、ビームスプリッタ機器１００から出る各ビームレット２２０〜２３５の横方向のずれＤは、直交する出射位置から約１．３３ｍｍである。

レーザビーム１６５が、公称上の位置から横方向にシフトされる（すなわち、ｚ軸に沿って点１５１からシフトされる）場合、ビームスプリッタ機器１００から出力されるビームレット２２０〜２３５も、同じ量だけ、横方向にシフトされる（ビームレット２２０〜２３５の場合、横方向のシフトとはｘ軸方向である）。しかしビームスプリッタ機器１００は、レーザビーム１６５から形成される各ビームレットが、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４をすべて横断し、レーザビーム１６５の入射角度にかかわらず、線状アレイ１６６の状態で機器１００を出るように、配列されている。

更に、入射レーザビームがビームスプリッタ１００に直交以外の角度で送られる場合、ビームスプリッタ１００から出るビームレット２２０〜２３５は、コリメートされていなければ球面収差を示すことがある。いくつかの実施形態においては、入射角度が小さい（例えば、約１°以下である）場合には、ビームレット２２０〜２３５に付加されるどんな収差も無視される場合がある。更に、ビームスプリッタ機器１００を図１Ｂのシステム１３において使用する場合、ビームスプリッタ１００に入る集束レーザビームに対する球面収差を減らすために、浸漬レンズを使用してもよい。

前述したように、ビームスプリッタ機器１００は、ビームスプリッタ１０２と、複数のプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４とを備える。プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４は、隣接するビームレット２２０〜２３５間のピッチＰを依然として維持しながら、実質的に等しい光経路長を実現するために互いに対してシフトされている。図５Ｂに示されるように、距離Ｄ_１〜Ｄ_６は、ビームスプリッタ機器１００を通って実質的に等しい光経路長を横断するビームレット２２０〜２３５を形成するためのプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４間の代表的な配置を表すが、隣接するビームレット２２０〜２３５間のピッチＰは予め決められている。代替的な実施形態においては、プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４を、その他の場合には、ビームスプリッタ機器１００を通って実質的に等しい光経路長を横断するビームレット２２０〜２３５を実現するように、配置してもよい。

プリズム１０４、１０６、及び１１２はｘ軸方向に沿って配置されている（以後、「ｘ軸プリズム」と言う）が、一方で、プリズム１０８、１１０、及び１１４はｚ軸方向に沿って配置されている（以後、「ｚ軸プリズム」と言う）。ｘ軸プリズムは互いに作用関係にある状態でずれており、一方で、ｚ軸プリズムは互いに作用関係にある状態でずれている。更に、ｘ軸プリズム１０４、１０６、及び１１２に対する距離Ｄ_４〜Ｄ_６は、ビームスプリッタ機器１００によって形成されるビームレット２２０〜２３５間の望ましいピッチＰに基づいて選択される。

ｚ軸プリズム１０８、１１０、及び１１４に対して、距離Ｄ_１を、プリズム１０８の中心軸１０８Ａからビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａまでｚ軸方向に測定する。距離Ｄ_２は、プリズム１１４の中心軸１１４Ａからビームスプリッタ１００の側面１０２Ａまでｚ軸方向に測定する。距離Ｄ_３は、プリズム１１０の中心軸１１０Ａからビームスプリッタ１００の側面１０２Ａまでｚ軸方向に測定する。距離Ｄ_３は距離Ｄ_２よりも大きく、後者の距離はＤ_１よりも大きい。

図５Ｂに示される実施形態においては、各距離Ｄ_１、Ｄ_２、及びＤ_３は、以下の式：

に従って計算される。

Ｚ_ｎは、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａから、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａからｎ番目のｚ軸プリズムの中心軸までのｚ軸距離であり（例えば、プリズム１０８に対してはｎ＝１、プリズム１１４に対してはｎ＝２、及びプリズム１１０に対してはｎ＝３）、Ｌは、ビームスプリッタ１０２に隣接するｚ軸プリズムの側面のｚ軸寸法であり（例えば、プリズム１０８の側面１０８Ｂに対しては、図５Ｂに示す寸法Ｌ）、Ｓは、入射ビーム１６５が分割される回数に等しい。Ｚ_ｎを計算するための前述の式では、ｚ軸プリズムはすべて実質的に同様のサイズであること、及び各ｚ軸プリズムの寸法Ｌは、ビームスプリッタ機器１００によって形成されるビームレットの総数にビームレット２２０〜２３５間のピッチＰを掛けたものよりも大きいことが想定されている。

ｘ軸プリズムに対して、距離Ｄ_４を、プリズム１０６の中心軸１０６Ａからビームスプリッタ１０２の側面１０２Ｂまでｘ軸方向に測定する。距離Ｄ_５を、プリズム１１２の中心軸１１２Ａからビームスプリッタ１００の側面１０２Ｂまでｘ軸方向に測定する。距離Ｄ_６を、プリズム１０４の中心軸１０４Ａからビームスプリッタ１００の側面１０２Ｂまでｘ軸方向に測定する。距離Ｄ_６は距離Ｄ_５よりも大きく、後者の距離はＤ_４よりも大きい。

に従って計算される。

Ｘ_ｎは、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ｂから、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ｂからｎ番目のｘ軸プリズムの中心までのｘ軸距離であり（例えば、プリズム１０６に対してはｎ＝１、プリズム１１２に対してはｎ＝２、及びプリズム１０４に対してはｎ＝３）、Ｍは、ビームスプリッタ１０２に隣接するｘ軸プリズムの側面のｘ軸寸法であり（例えば、図５Ｂに示すプリズム１１２に対しては寸法Ｍ）、Ｐはビームレット２２０〜２３５間のピッチであり（図５Ｂに示されるように）、Ｓは、入射ビーム１６５が分割される回数に等しい。ビームレット２２０〜２３５間のピッチＰというのは概ね、ｘ−ｚ平面における隣接するビームレット２２０〜２３５間の間隔である。ピッチＰに対する許容誤差は一般的に、ビームスプリッタ機器１００の応用例によって支配される。例えば、ビームレット２２０〜２３５がマイクロレンズアレイと一列に並んでいる場合、ピッチ許容誤差は、アレイの各マイクロレンズ間の間隔、並びにマイクロレンズのサイズによって支配される場合がある。ビームスプリッタの側面１０２Ａから各ｘ軸プリズムの中心までのｚ軸距離Ｚ_ｎを計算するための前述の式と同様に、Ｘ_ｎを計算するための前述の式では、ｘ軸プリズムが実質的に同様のサイズであること、及び各ｚ軸プリズムの寸法Ｌが、ビームスプリッタ機器１００によって形成されるビームレットの総数にビームレット２２０〜２３５間のピッチＰを掛けたものよりも大きいことが想定されている。

ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａは単に、ｚ軸プリズム１０８、１１０、及び１１４間の間隔を記述するための基準点として使用され、側面１０２Ｂは単に、ｚ軸プリズム１０４、１０６、及び１１２間の間隔を記述するための基準点として使用される。プリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４間の間隔は、ビームスプリッタ機器１００の他の部分を参照して記述してもよく、すなわち互いを参照して記述してもよいということを理解されたい。しかし、説明を簡単にするために、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａ及び１０２Ｂを、本説明では基準点として用いる。

図５Ｂに例示するように、ビーム分割システム１５０によって、レーザビーム源１５２から放出されるレーザビーム１６５（コリメートレーザビーム、収束レーザビーム、又は発散レーザビームであってもよい）が、１６個のビームレット２２０〜２３５に変換されるが、各ビームレットは実質的に等しいエネルギーを有し、ビームスプリッタ機器１００を通って実質的に等しい光経路長を移動する。より具体的には、レーザビーム１６５が領域１８０におけるビームスプリッタ１０２のスプリッタ部１２０を横断するときに、レーザビーム１６５はビームレット１８２及び１８４に分割される。例えば、ビームスプリッタ１０２が、２つの三角形プリズムから形成されるキューブビームスプリッタであり、カナダバルサムを用いてスプリッタ部１２０に接着されている場合、スプリッタ部１２０におけるバルサムの厚さＴを、特定の波長の光に対して、レーザビーム１６５の半分（すなわち、ビームレット１８２）が約９０°に反射してプリズム１０６の方に向かい、レーザビーム１６５の残りの半分（すなわち、ビームレット１８４）がスプリッタ部１２０を透過してプリズム１０８の方に向かうように調整してもよい。

ビームレット１８２及び１８４が入射レーザビーム１６５から形成された後で、ビームレット１８２及び１８４は第１のプリズム経路を横断する。特に、ビームレット１８２はプリズム１０６を通って横断し、ビームレット１８４はプリズム１０８を通って横断する。この第１のプリズム経路において、ビームレット１８２及び１８４は、ビームスプリッタ１０２とプリズム１０６及び１０８とをそれぞれ通って、実質的に等しい光経路長を移動するが、これは、レーザビーム１６５がスプリッタ部１２０のどの領域を横断してビームレット１８２及び１８４に分割されるかにかかわらず、またビームレット１８２及び１８４がプリズム１０６及び１０８のどこにそれぞれ入るかにかかわらず、起こる。実質的に等しい光経路長は、多くの因子に起因するが、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ａ〜１０２Ｆが等しい長さであること、プリズム１０６及び１０８の寸法が実質的に等しいこと、並びにビーム分割機器１００の構成が、Ｘ_ｎ及びＺ_ｎをそれぞれ計算するための前述の式にしたがって、ビームスプリッタ１０２の側面１０２Ｂ及び１０２Ａに対してそれぞれ配置されるプリズム１０６及び１０８を備えることが挙げられる。

またビームレット１８２及び１８４と他方のプリズム経路において形成されるビームレットとの間の実質的に等しい光経路長に寄与するのは、各キューブプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の対称性である。入射光ビームは、各キューブプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４に第１の点で入り、キューブプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、又は１１４を第２の点から出るが、第１及び第２の点は、基準点から実質的に等距離にある。例えば、キューブプリズム１０６に関して、基準点は頂点１０６Ｄである。ビームレット１８２を説明に役立つ実例として考えると、ビームレット１８２はキューブプリズム１０６に点１８３Ａで入り、点１８３Ｂから出る。点１８３Ａ及び１８３Ｂは、キューブプリズム１０６の頂点１０６Ｄから実質的に等距離である。同様の基準点を、プリズム１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４に対して見出すことができる。

代替的な実施形態においては、実質的に等しい光経路長を有するのではなく、各プリズム経路におけるビームレット間の所定の経路差を導入してもよい。導入は、キューブビームスプリッタ１０２の寸法を調整すること（すなわち、等しくない側面を有するビームスプリッタをビームスプリッタ１０２の代わりに用いる）、コーナーキューブプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の相対的な寸法を調整すること、又はキューブビームスプリッタ１０２とコーナーキューブ１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、若しくは１１４のうちの少なくとも１つとの間の相対的な間隔（例えば、キューブビームスプリッタ１０２の表面１０２Ｂとプリズム１０８の表面１０８Ｂとの間の相対的な間隔）を調整することによって行なう。

プリズム１０６及び１０８を出た後で、ビームレット１８２及び１８４はそれぞれ、ビームスプリッタ１０２のスプリッタ部１２０を領域１８６において横断することにより、４つのビームレット１８８、１９０、１９２、及び１９４に分割される。その後、ビームレット１８８、１９０、１９２、及び１９４は第２のプリズム経路を通って横断する。第２のプリズム経路において、ビームレット１８８及び１９０は、スプリッタ部１２０から約９０°に反射してプリズム１１２に向かい、ビームレット１９２及び１９４は、スプリッタ部１２０を透過してプリズム１１４に向かう。この場合もやはり、プリズム１１２及び１１４の配置に起因し、またプリズム１１２及び１１４が実質的に同様の寸法を有しているために、ビームレット１８８、１９０、１９２、及び１９４は、対応するプリズム１１２及び１１４を通って実質的に等しい光経路長を移動する。

対応するプリズム１１２及び１１４を出ると、ビームレット１８８、１９０、１９２、及び１９４は、ビームスプリッタ１０２のスプリッタ部１２０を領域１９６において横断し、８つのビームレット２００〜２０７に分割される。特に、ビームレット１８８はビームレット２００及び２０１に分割され、ビームレット１９０はビームレット２０２及び２０３に分割され、ビームレット１９２はビームレット２０４及び２０５に分割され、ビームレット１９４はビームレット２０６及び２０７に分割される。第３のプリズム経路においては、ビームレット２００、２０２、２０４、及び２０６はその後にプリズム１１０を横断し、一方で、ビームレット２０１、２０３、２０５、及び２０７はその後にプリズム１１４を横断する。これまでのプリズム経路と同様に、第３のプリズム経路において、ビームレット２００〜２０７は、ビームスプリッタ機器１００を通って実質的に等しい光経路長を横断する。

対応するプリズム１１０及び１１４を通って横断した後で、ビームレット２００〜２０７はもう一度ビームスプリッタ１０２のスプリッタ部１２０を横断し、全部で１６個のビームレット２２０〜２３５に更に分割される。特に、ビームレット２００はビームレット２２０及び２２１に分割され、ビームレット２０１はビームレット２２２及び２２３に分割され、ビームレット２０２はビームレット２２４及び２２５に分割され、ビームレット２０３はビームレット２２６及び２２７に分割され、ビームレット２０４はビームレット２２８及び２２９に分割され、ビームレット２０５はビームレット２３０及び２３１に分割され、ビームレット２０６はビームレット２３２及び２３３に分割され、ビームレット２０７はビームレット２３４及び２３５に分割される。

集束部１５３（図５Ａに示す）によって、ビームレット２２０〜２３５が再結合されてビームレットのアレイ１６６になる。ビームレット２２０〜２３５をアレイ１６６に配列することは、ビームスプリッタ機器１００の使用目的によっては望ましい場合がある。例えば、ビームスプリッタ機器１００が図１Ｂの光学システム１３に組み込まれている場合、ビームレット２２０〜２３５を、マイクロレンズアレイ（例えば、図１Ｂのマイクロレンズアレイ２１）におけるマイクロレンズと一列に並ぶように配列してもよい。

前述したように、集束部１５３は、ミラー１５４及び１５６と、三角形プリズム１５８、１６０、１６２、及び１６４と、を備える。ミラー１５４によって、ｘ−ｚ平面におけるビームレット２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び２３４の方向が調整される。ビームレット２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び２３４はその後、プリズム１５８を横断するが、プリズム１５８では、ビームレット２２０、２２２、２２４、２２６、２２８、２３０、２３２、及び２３４を約９０°だけ再び方向を変え、プリズム１６０の方に向ける。ミラー１５６は、ｘ−ｚ平面内でのビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５の方向を調整し、ビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５をプリズム１６４の方に向ける。ビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５はその後、プリズム１６４を横断するが、プリズム１６４は、ビームレット２２１、２２３、２２５、２２７、２２９、２３１、２３３、及び２３５を約９０°の方向に反射し、プリズム１６２に送る。プリズム１６０及び１６２は互いに隣接して配置され、ビームレット２２０〜２３５が対応するプリズム１６０及び１６２を通過するときに、ビームレット２２０〜２３５はそれぞれ約９０°だけ旋回し、実質的に互いに隣接して配列され、ビームレットの線状アレイ１６６となる。

代替的な実施形態においては、集束部１５３は、ビームレット２２０〜２３５をビームレットのアレイに配列するために、他の構成及び構成要素を備えていてもよい。更に、ビームスプリッタ機器１００を使用し、ビームレット２２０〜２３５を線状アレイ以外の配列に、例えば２Ｄアレイ（例えば、矩形のアレイ）に形成してもよい。２Ｄアレイを実現するために、ｘ軸プリズム１０４、１０６、及び１１２をｙ軸方向（像の平面に垂直）にずらしてもよい。あるいは、集束部１５３は、ビームレット２２０〜２３５を２Ｄアレイに配列するように構成された光学部品（例えば、ミラー及び／又はプリズム）を備える。

図５Ｂに示される実施形態においては、ビームレット２２０〜２３５は同相であるが、代替的な実施形態においては、ビームレット２２０〜２３５は同相ではない。これは、例えば、他の外部オプティクス及び集束部１５３の他の構成によって実現されてもよい。

ピッチＰ_１はまた、ビームレット１８８と１９０との間のピッチ、並びにビームレット１９２と１９４との間のピッチに等しい。一実施形態においては、距離Ｄ_７は、ピッチＰ_１の約半分（すなわち、１／２Ｐ_１）に実質的に等しい。ピッチＰ_１を変えるために、距離Ｄ_１及びＤ_４を、互いに対して変えてもよい。第１の対のビームレット２００及び２０２と第２の対のビームレット２０４及び２０６との間の横方向の間隔である、ピッチＰ_２Ａを変えるために、距離Ｄ_２及びＤ_５を互いに対して調整してもよい。第１の対のビームレット２０１及び２０３と第２の対のビームレット２０５及び２０７との間のピッチＰ_２Ｂを変えるために、距離Ｄ_２及びＤ_５をまた、互いに対して調整してもよい。第１の４つ組のビームレット２２１、２２３、２２５、及び２２７と、第２の４つ組のビームレット２２９、２３１、２３３、及び２３５との間のピッチＰ_３Ａを変えるために、距離Ｄ_３及びＤ_６をまた、互いに対して調整してもよい。距離Ｄ_３及びＤ_６を調整することによって、第１の４つ組のビームレット２２０、２２２、２２４、及び２２６と、第２の４つ組のビームレット２２８、２３０、２３２、及び２３４との間のピッチＰ_３Ｂも変化する。図５Ｂに示される実施形態においては、ピッチＰ、Ｐ_１、Ｐ_２Ａ、Ｐ_２Ｂ、Ｐ_３Ａ、Ｐ_３Ｂは、実質的に等しい。図５Ｂに示される実施形態においては、距離Ｄ８は約１．５Ｐに実質的に等しい。

連続的なプリズム経路におけるプリズム間の距離と、その連続内でプリズム経路の次に形成されるビームレットのピッチとの間の代表的な関係を、付加的なプリズム経路に対して繰り返してもよい。

あるいは、ビームレット２２０〜２３５間のピッチＰを、屈折率マッチング流体の層を、ビームスプリッタ１０２の無反射側面１０２Ａとプリズム１０４及び１０６との間、ビームスプリッタ１０２の無反射側面１０２Ｂとプリズム１０８及び１１０との間、ビームスプリッタ１０２の無反射側面１０２Ｃとプリズム１１２との間、及びビームスプリッタ１０２の無反射側面１０２Ｄとプリズム１１４との間に配置することによって調整してもよい。この結果、ビームレット２００〜２３５間のピッチＰを、ビームスプリッタ機器１００を取り外すことなく調整することができる。

アレイ１６６内のビームレット２２０〜２３５は実質的に平行で互いに干渉しないが、使用目的によっては、例えば計測学応用例によっては、ビームレット２２０〜２３５のうちの少なくとも２つが干渉することが望ましい場合がある。こうして、代替的な実施形態においては、２つ以上のビームレット２２０〜２３５間のピッチを、２つ以上のビームレット２２０〜２３５が部分的に又は完全にオーバーラップして干渉を起こすように調整してもよい。

代替的な実施形態においては、ビームスプリッタ機器１００は、もっと少ない数か又はもっと大きな数のプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４を備え、入射レーザビーム１６５を、もっと少ない数か又はもっと大きな数のビームレットに分割してもよい。ビームスプリッタ機器１００に関しては、２^ｎ個のビームレットを有する２Ｄアレイを形成してもよいが、ｎは、入射レーザビーム１６５がビームスプリッタ１０２のスプリッタ部１２０を横断する回数に等しい。偶数個のビームレットを実現するためには、（２^＊ｎ）−２個のプリズムが必要である。したがって、３２個のビームレットが望ましい場合には、ビームスプリッタ機器は８つのプリズムを備えることになる。すなわち、
３２個のビームレット＝２^ｎ＝２^５（したがってｎ＝５）
必要なプリズムの数＝（２^＊ｎ）−２＝（２^＊５）−２＝８

付加的なプリズムをビームスプリッタ機器１００に加える場合、Ｘ_ｎを計算するための前述の式にしたがってｘ軸プリズムを距離をあけて配置してもよく、一方で、Ｚ_ｎを計算するための前述の式にしたがってｚ軸プリズムを距離をあけて配置してもよい。

図４〜５Ｂの実施形態ではキューブプリズムを示しているが、他の実施形態においては、他のタイプのプリズムを、キューブプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４の代わりに用いてもよい。一般的に、好適なプリズムにおいては、入射光ビームは、プリズムに第１の点で入りプリズムを第２の点から出るが、第１及び第２の点は、基準点から実質的に等距離にある。例えば、キューブプリズム１０４に関しては、基準点は点１０４Ａである。ビームレット２０１を説明に役立つ実例として考えると、ビームレット２０１は、プリズム１０４に点２４０で入り点２４２から出る。点２４０及び２４２は、プリズム１０４の点１０４Ａから実質的に等距離である。この特徴を備える他の好適なプリズムとしては、（これらに限定されないが）ペンタプリズム（図６に示す）又はポロプリズムが挙げられる。

図６に、本発明の別の実施形態によるビームスプリッタ機器３００を例示するが、ビームスプリッタ機器３００は、３つのビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６と、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６の周囲に配置された４つのペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４と、を備える。一実施形態においては、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６は、互いに同一であり、それぞれ、図４〜５Ｂのビームスプリッタ機器１００の５０％エネルギーのキューブビームスプリッタ１０２と同様であってもよい。代替的な実施形態においては、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６は、実質的に等しい長さ側面（ｘ−ｚ平面内で測定）を含む別の任意のタイプのビームスプリッタであってもよい。例えば、図６に示される実施形態において、ビームスプリッタ３０２の側面３０２Ａ、３０２Ｂ、３０２Ｃ、及び３０２Ｄは実質的に等しい長さであり、ビームスプリッタ３０４の側面３０４Ａ、３０４Ｂ、３０４Ｃ、及び３０４Ｄは実質的に等しい長さであり、ビームスプリッタ３０６の側面３０６Ａ、３０６Ｂ、３０６Ｃ、及び３０６Ｄは実質的に等しい長さである。

ビームスプリッタ３０２はスプリッタ部３１６を備えるが、スプリッタ部３１６は、例えば、ビームスプリッタ３０２を形成するために２つの三角形プリズムが取り付けられた継ぎ目であってもよい。同様に、ビームスプリッタ３０４はスプリッタ部３１８を備え、ビームスプリッタ３０６はスプリッタ部３２０を備える。図６に示される実施形態においては、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６は互いに隣接して配置されているが、スプリッタ部３１６、３１８、及び３２０は、ｘ−ｚ平面内において互いにシフトされている。スプリッタ部３１６、３１８、及び３２０間のシフトは、プリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４間のシフトによってもたらされるが、これについては、図７Ｂを参照して後で詳細に説明する。

ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４はそれぞれ、５面のプリズムである。図７Ａ及び７Ｂを参照して説明しているように、光のビームが、プリズム３０８、３１０、３１２、又は３１４のうちの２つの側面に対して反射し、その結果、ビームが約９０°だけそれることが可能になる。ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４が、キューブプリズム３０２、３０４、及び３０６の周囲に、各プリズム経路においてビームレットがビームスプリッタ機器３００を通って実質的に同様の光経路長を横断するように、配置される。ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４と、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６との間の配置を、図７Ｂを参照して説明する。

図７Ａは、ビームを複数のビームレットに分割するための本発明によるビームスプリッタシステム３５０の概略図である。システム３５０は、ビームスプリッタ機器３００（図６の線分７−７に沿って見た断面として示す）、レーザビーム源３５２、集束レンズ３５３、浸漬レンズ（図示せず）、集束部３５６を備えるが、集束部３５６は、第１の組のレンズ３５８及び３６０、ミラー３６２及び３６４、第２の組のレンズ３６６及び３６８、三角形のミラー３７０及び３７２を備える。図７Ａに示される実施形態においては、レーザビーム源３５２は集束レーザビーム３７４を発する。代替的な実施形態においては、レーザビーム源３５２は任意の放射エネルギー光ビーム源であってもよい。

ビームスプリッタシステム３５０において、比較的低い（例えば、約０．０４以下である）開口数（ＮＡ）を有する集束レーザビーム３７４が、レーザビーム源３５２から発せられ、ビームスプリッタ機器３００のキューブビームスプリッタ３０２に送られる。収束レーザビーム３７４は、単一のレーザビームに収束させるために収束レンズ３５３を通過する複数の収束ビームから構成されるが、この単一のレーザビームは、最終的には複数のビームレット４００〜４０７に分割される。レーザビーム源３５２とビームスプリッタシステム３００との間の距離に応じて、収束レーザビーム３７４は、ビームスプリッタ機器３００を出た後に集束ビームレットに収束する複数の収束ビームレットに分割される場合がある。より具体的には、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６と、ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４とを横断した後に、レーザビーム３７４は、実質的に等しいエネルギーを示す８つのビームレット４００〜４０７に分割される。更に、８つのビームレットはそれぞれ、ビームスプリッタ機器３００を通って実質的に等しい経路長を横断する。集束部３５６は、ビームスプリッタ機器３００から出力されるビームレット４００〜４０７を、集束ビームレットの線状アレイ３７６に配列する。その結果、ビームレット４００〜４０７を光学システム（例えば、図１Ｂの光学システム１３）内で使用する場合、ビームレット４００〜４０７を集束するのにマイクロレンズアレイが必要でない場合がある。

図７Ｂに示されるように、レーザビーム３７４がビームスプリッタ３０２内に送られた後で、レーザビーム３７４は、ビームスプリッタ３０２のスプリッタ部３１６を横断し、ビームレット３８０及び３８２に分割される。ビームレット３８０は、ｘ−ｚ平面内で入射レーザビーム３７４の方向３８４から約９０°だけ旋回し、一方で、ビームレット３８２は、ペンタプリズム３１２に向かって方向３８４の方向にスプリッタ部３１６を通る。その後、第１のプリズム経路において、ビームレット３８０はペンタプリズム３０８を通って横断し、ビームレット３８２はペンタプリズム３１２を通って横断する。より具体的には、ビームレット３８０は、ペンタプリズム３０８の側面３０８Ｂを通ってプリズム３０８に入り、側面３０８Ｄで反射され、約４５°だけ旋回し、側面３０８Ｅで反射され、側面３０８Ｃを通ってプリズム３０８を出る。ビームレット３８２は同様に、側面３１２Ｂを通ってプリズム３１２に入ることによってペンタプリズム３１２を横断し、側面３１２Ｄで反射され、約４５°だけ旋回し、側面３１２Ｅで反射され、側面３１２Ｃを通ってプリズム３１２を出る。

キューブプリズム１０４、１０６、１０８、１１０、１１２、及び１１４と同様に、入射光ビームは、ペンタプリズム（例えば、ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、又は３１４）に第１の点で入り、プリズムを第２の点から出るが、第１及び第２の点は、基準点から実質的に等距離にある。例えば、ペンタプリズム３０８に関しては、基準点は頂点３０８Ａである。ビームレット３８０を説明に役立つ実例として考えると、ビームレット３８０はペンタプリズム３０８に点３８５Ａで入り、点３８５Ｂで出る。点３８５Ａ及び３８５Ｂは、ペンタプリズム３０８の頂点３０８Ａから実質的に等距離である。同様の基準点を、プリズム３１０、３１２、及び３１４に対して見出すことができる。

プリズム３０８及び３１２を出た後で、ビームレット３８０及び３８２はそれぞれ、ビームスプリッタ３０６のスプリッタ部３１８の領域３８６を横断する。ビームスプリッタ３０６のスプリッタ部３１８を横断した後で、ビームレット３８０はビームレット３８８及び３９０に分割され、ビームレット３８２はビームレット３９２及び３９４に分割される。第２のプリズム経路において、ビームレット３８８及び３９２はペンタプリズム３１０を通って横断し、一方で、ビームレット３９０及び３９４はペンタプリズム３１４を通って横断する。特に、ビームレット３８８及び３９２はそれぞれ、側面３１０Ｂを通ってプリズム３１０に入り、側面３１０Ｄで反射され、約４５°だけ旋回し、側面３１０Ｅで反射され、側面３１０を通ってプリズム３１０Ｃを出る。ビームレット３９０及び３９４はそれぞれ、側面３１４を通ってプリズム３１４に入り、側面３１４Ｄで反射され、約４５°だけ旋回し、側面３１４Ｅで反射され、側面３１４を通ってプリズム３１４Ｃを出る。

対応するプリズム３１０及び３１４を出た後で、ビームレット３８８、３９０、３９２、及び３９４は、プリズム３０６のスプリッタ部３２０の領域３９６を横断し、全体として８つのビームレット４００〜４０７に更に分割される。ビームレット３８８はビームレット４００及び４０１に分割され、ビームレット３９０はビームレット４０２及び４０３に分割され、ビームレット３９２はビームレット４０４及び４０５に分割され、ビームレット３９２はビームレット４０６及び４０７に分割される。

図７Ａに示されるように、集束部３５６によって、ビームレット４００〜４０７をビームレットのアレイ３７６に配列するが、このアレイを、例えば、多光子光重合加工プロセスで使用するマイクロレンズアレイ（例えば、図２のマイクロレンズアレイ２１）に導入してもよい。第１の組のレンズ３５８及び３６０は、ビームレット４００〜４０７をコリメートし、その向きを変え、対応するミラー３６２及び３６４上に送る。特に、ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６は、レンズ３５８を横断し、コリメートされ、向きを変えられてミラー３６２上に至るが、一方で、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７は、レンズ３６０を横断し、コリメートされ、向きを変えられてミラー３６０上に至る。ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６はミラー３６２で反射され、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７はミラー３６４で反射される。ミラー３６２及び３６４は、対応するビームレット４００〜４０７を反射し、第２の組のレンズ３６６及び３６８の方へ送るが、これらのレンズにおいて、ビームレット４００〜４０７は集束される。ビームレット４００〜４０７が集束されるのは、ビームレット４００〜４０７が、レンズ３５８及び３６０によって以前にコリメートされていたからである。

レンズ３６６を横断した後で、ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６は、三角形のミラー３７０から反射される。レンズ３６８を横断した後で、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７は、三角形のミラー３７２から反射される。ミラー３７０及び３７２は互いに隣接して配置され、ビームレット４００〜４０７が、対応する三角形のミラー３７０及び３７２から反射され、ビームレット４００〜４０７がそれぞれ約９０°だけ旋回し、ビームレットの線状アレイ３７６となるように実質的に互いに隣接して配列される。

図５Ａのビームスプリッタシステム１５０の集束部１５３と同様に、集束部３５６は、ビームレット４００〜４０７をビームレットのアレイに配列するために、他の構成及び構成要素を備えてもよい。例えば、ビームレット４００〜４０７を反射して約９０°だけ変えるために、平坦なミラーを三角形のミラー３７０及び３７２の代わりに用いてもよい。また集束部３５６によってビームレット４００〜４０７を、他の配置（例えば２Ｄアレイ又は別の非線状アレイ）に配列してもよい。

各プリズム経路におけるビームレットがビームスプリッタ３００を通って実質的に等しい光経路長を横断するように、またビームレット４００〜４０７間の所望のピッチＰ_４が実現されるように、ペンタプリズム３０８、３１０、３１２、及び３１４間に小さいシフトが存在する。シフトは、ビームスプリッタ３０２、３０４、及び３０６を参照して最もよく説明される。図６に示される配置において、ペンタプリズム３０８の頂点３０８Ａとペンタプリズム３１２の頂点３１２Ａとは一列に並んでいない。その結果、ペンタプリズム３１２の無反射側面３１２Ｂはビームスプリッタ３０２の側面３０２Ｂと一列に並んでこれに隣接する一方で、ペンタプリズム３０８の無反射側面３０８Ｂは、ビームスプリッタ３０２の側面３０２Ｃに対して距離Ｓ_１だけシフトされる。シフト距離Ｓ_１をまた、ペンタプリズム３０８と３１２との間の「シフト距離」と言う場合もある。ペンタプリズム３０８の無反射側面３０８Ｃ及びビームスプリッタ３０４の側面３０４Ｄは、互いに一列に並んで隣接する一方で、ペンタプリズム３１２の無反射側面３１２Ｃは、ビームスプリッタ３０４の側面３０４Ａに対して距離Ｓ_２だけシフトされている。距離Ｓ_１及びＳ_２は実質的に等しいが、それは、ビームスプリッタ３０２及び３０４の寸法が実質的に等しく、ペンタプリズム３０８及び３１２の寸法が実質的に等しいからである。距離Ｓ_１及びＳ_２は、第１のプリズム経路の後のビームレット３８８と３９２との間の所望のピッチＰ_３に基づいて、選択される。ピッチＰ_３は、ビームレット３９０と３９４との間のピッチにも等しい。一般的に、距離Ｓ_１及びＳ_２はそれぞれ、Ｐ_３に実質的に等しい。

またペンタプリズム３１０及び３１２は、互いに対してシフトしている。より具体的には、ペンタプリズム３１０の頂点３１０Ａ及びペンタプリズム３１４の頂点３１４Ａは一列に並んでいない。その結果、ペンタプリズム３１０の無反射側面３１０Ｂは、ビームスプリッタ３０４の側面３０４Ｃと一列に並んでこれに隣接する一方で、ペンタプリズム３１４の無反射側面３１４Ｂは、ビームスプリッタ３０４の側面３０４Ｂに対して距離Ｓ_３だけシフトされている。シフト距離Ｓ_３は、ペンタプリズム３０８と３１２との間のシフト距離と言う場合もある。ペンタプリズム３１４の無反射側面３１４Ｃ及びビームスプリッタ３０６の側面３０６Ａは、互いに一列に並んで隣接する一方で、ペンタプリズム３１０の無反射側面３１０Ｃはビームスプリッタ３０４の側面３０４Ａに対して距離Ｓ_４だけシフトされる。距離Ｓ_３及びＳ_４は実質的に等しいが、それは、ビームスプリッタ３０４及び３０６の寸法が実質的に等しく、ペンタプリズム３１０及び３１４の寸法が実質的に等しいからである。距離Ｓ_３及びＳ_４は、ビームレット４００、４０２、４０４、及び４０６の間におけるＰ_３とＰ_４との間の所望する相対ピッチに基づいて選択されるが、このピッチはまた、ビームレット４０１、４０３、４０５、及び４０７間のピッチに等しい。図７Ｂに示される実施形態においては、ピッチＰ_４はピッチＰ_３に実質的に等しい。一般的に、距離Ｓ_３及びＳ_４はそれぞれ、Ｐ_４に実質的に等しい。

代替的な実施形態においては、ビームスプリッタ機器３００は、レーザビーム３７４を９つ以上のビームレットに分割してもよい。例えば、付加的なビームスプリッタとペンタプリズムとの「組」を、集束部３５６の前に加えて、ビームレット４００〜４０７が横断する付加的なプリズム経路を加えてもよい。ビームスプリッタとペンタプリズムとの組は、ビームスプリッタ、ビームスプリッタに隣接して配置される１つのペンタプリズムと、ビームスプリッタに対してシフトされる１つのペンタプリズムであり、シフト距離は、プリズム経路に従うビームレット間のピッチに概ね等しい。例えば、図７Ｂにおいて、ビームスプリッタ３０６とペンタプリズム３１０及び３１４によって、ビームスプリッタとペンタプリズムとの組が構成されている。図７Ｂに示される実施形態においては、ビームスプリッタとペンタプリズムとの組を加えることによって、ビームレットの数が２倍に増える。

本明細書に記載した本発明は、１つ以上のビームスプリッタと１つ以上のビームスプリッタの周囲に配置される複数のプリズムとを備えるビームスプリッタ機器であって、複数のプリズムは、１つ以上のビームスプリッタによって形成されるビームレットがビームスプリッタ機器を通って実質的に等しい光経路長を横断できるように配置されている、ビームスプリッタ機器に関する。更にビームスプリッタは、レーザビームを実質的に等しいエネルギーを示すビームレットに分割する。

本発明の様々な実施形態を記載してきた。これらの及び他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に含まれる。

Claims

入射光ビームを第１のビームレットと第２のビームレットとに分割するように構成されたビームスプリッタと、
前記第１のビームレットを前記ビームスプリッタ内に反射するように構成された第１のプリズム部材であって、前記第１のビームレットが前記ビームスプリッタを横断して第３のビームレットと第４のビームレットとに分割される、第１のプリズム部材と、
前記第２のビームレットを前記ビームスプリッタ内に反射するように構成された第２のプリズム部材であって、前記第２のビームレットが前記ビームスプリッタを横断して第５と第６のビームレットとに分割される、第２のプリズム部材と、
前記第３及び第５のビームレットを前記ビームスプリッタ内に反射するように構成された第３のプリズム部材と、
前記第４及び第６のビームレットを前記ビームスプリッタ内に反射するように構成された第４のプリズム部材と、を備え、前記第１、第２、第３、及び第４のプリズムが、前記第３、第４、第５、及び第６のビームレット間の所定の経路差を実現するように配列され、かつ前記所定の経路差がゼロである、機器。
入射光ビームを複数のビームレットに分割するための光学機器であって、
第１のスプリッタ部を備える第１のキューブビームスプリッタと、
第２のスプリッタ部を備える第２のキューブビームスプリッタと、
第３のスプリッタ部を備える第３のキューブビームスプリッタと、
前記第１及び第２のキューブビームスプリッタ間に配置される第１のペンタプリズムと、
前記第１及び第２のビームスプリッタ間に配置され、前記第１のペンタプリズムと対向する第２のペンタプリズムと、
前記第２及び第３のビームスプリッタ間に配置される第３のペンタプリズムと、
前記第２及び第３のビームスプリッタ間に配置され、前記第３のペンタプリズムと対向する第４のペンタプリズムと、を備える光学機器。