JP5856727B2 - 光ビームの波面を解析するための方法、位相格子および装置 - Google Patents

Description

本発明は、光制御のために光ビームの波面を解析することを意図した方法、位相格子および装置に関する。
このタイプの解析は、光学的装置の品質についてだけでなく、能動または適応光学系において使用される変形可能な光学的要素の動作について、光学的要素を制御することを意図している。

この解析によって、地表大気中、または風洞の管中を通過するときに見ることがある乱流媒質の内部の屈折率の変動など、直接測定することができない物理現象を調査することも可能になる。この解析は、たとえば、マトリックスの焦点平面などのエレクトロニック構成要素の平面度を制御するためだけでなく、パワー・レーザ・ビームを成形するためにも使用される。

本発明による解析のタイプは、より詳しくは、たとえば仏国特許第２ ６８２ ７６１号明細書および仏国特許第２ ７１２ ９７８号明細書において記載され実施されるマルチラテラル・シフト干渉法を利用する。

このタイプの波面解析は、解析されるビームの経路上に配置された２次元回折格子の利用に基づく。
そのような格子は、位相、強度、または位相および強度に周期的変動を導入する光学的装置として、この説明の以下の部分で定義される。したがって、格子は、すべて２つの機能の乗算によって特徴付けられる。すなわち、一方の機能は、位相関数とも呼ばれ、位相格子によって導入される周期的な位相変動を示し、他方の機能は、強度機能とも呼ばれ、強度格子によって導入される周期的な強度変動を示す。

本出願人の名による仏国特許第２ ７１２ ９７８号明細書によれば、２次元格子の構成モードおよび定義は、以下のように記載されている。２つの方向に沿って規則正しく配置されたスポットのアセンブリによって、平面メッシングが形成される。そのようなスポットは、基本メッシュを画定する。基本メッシュは、平面にギャップなしでタイル張りを可能にする最小表面である。基本メッシュの多角形は、多角形の極小曲面であり、その辺は、アセンブリのどんな点もそれの最も近いアセンブリに接続する線分の直角２等分線によって支持される。２次元格子は、平面メッシングに従って配置された基本パターンの任意の繰り返しである。平面メッシングは、６角形または長方形の基本メッシュを画定することができ、正方形のメッシュだけが、長方形の特別な場合である。

回折格子が、入射ビームとも言われる光ビームによって照明されたとき、その格子によって回折された光ビームは、放出ビームとも呼ばれ、２つの同等のアプローチに従って表現することができる。

第１のアプローチは、放出ビームを入射ビームの複製として考えることを含む。放出ビームは、サブ・ビームと言われ、それぞれのサブ・ビームが格子の回折次数に対応する。
第２のアプローチは、格子の各メッシュによって伝達されるビームとして放出ビームを考えることを含む。放出ビームは、２次ビームとも呼ばれる。

本出願人の名による仏国特許第２ ７１２ ９７８号明細書および仏国特許第２ ７９５ １７５号明細書に、回折格子に基づくトリラテラルおよびクオドリラテラル・シフト干渉法がより具体的に記載されている。回折格子ベースのアセンブリを使用して解析されるビームが、３つ（トリラテラル）または４つ（クオドリラテラル）の放出ビームに光学的に細分割される。そのようにして得られた放出ビームを具体的に光学的処理することによって、波面の傾度を感知できるスポット・メッシングから構成されたインターフェログラムを観察することが可能になる。

もっと具体的には、既に上記された仏国特許第２ ７１２ ９７８号明細書に記載されたトリラテラル・シフト干渉計によって、位相および／または強度の２次元格子および空間フィルタリング・システムが実現されている。サブ・ビームへの分離アプローチは、格子によって欠陥のある共役平面中で、解析される入射ビームが３つのサブ・ビームに光学的に細分割される。そのようにして得られた３つのサブ・ビームを具体的に光学的処理することによって、光スポットの６角形メッシングから構成されたインターフェログラムを観察することが可能になり、そのコントラストは、選択された観察平面が何であろうとも、不変である。このインターフェログラムは、波面の傾度を感知でき、これは、ダイナミックスおよび感度の実行可能で連続的な調節によって、事実となる。

観察距離は、選択された観察平面といわゆるヌル感度平面を隔てる距離として定義され、ヌル感度平面は、空間フィルタリングの下流に配置された格子平面の共役平面である。論文（“Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｔｈｒｅｅ−Ｗａｖｅ （ｏｒ ｍｏｒｅ） Ｌａｔｅｒａｌ Ｓｈｅａｒｉｎｇ Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ，ｖｏｌｕｍｅ １２，Ｎｏ １２，１９９５年１２月）に、本出願人は、そのような干渉計のクオドリラテラル・シフト干渉計への変更を記載しており、そのために、インターフェログラム中に観察される光スポットの２次元メッシングは、長方形であり、それゆえ、能動的または適応性のある光学系を駆動する応用により良く適応する。

このタイプの解析器は、無彩色である。それとは逆に、その実施は、複雑である。なぜならば、干渉縞システムの格子と観察平面の間に、サブ・ビームを選択するための空間フィルタリング・システムを挿入しなければならないからである。さらに、空間フィルタリング・システムは、激しく乱された光ビームまたは極めて広いスペクトル帯域幅を有した光ビームの測定に制限をもたらす。

仏国特許第２ ７９５ １７５号明細書に、本出願人は、システムの第１の開発を示唆した。この特許文献３には、ＦＩによって示される、サブ瞳孔の長方形メッシングを画定する強度機能と、ＦＰによって示される、２つの隣接したサブ瞳孔を通過する２次ビームと言われる２つのビーム間に、２πを法とする約πのシフトを導入する位相関数と、から構成された長方形メッシングによる２次元格子について記載されている。

強度機能ＦＩは、一方の方向に沿った寸法が「Ｌ」であり、他方の方向に沿った寸法が「ｌ」である四角形の基本メッシュを有する。位相関数ＦＰは、一方の方向に沿った寸法が２Ｌであり、他方の方向に沿った寸法が２ｌである基本メッシュを有する。基本の強度または位相のパターンは、これらのメッシュ上に配置される。位相格子のメッシュの辺および強度格子のメッシュの辺は、同時発生している。２次元格子は、解析される光ビームに対して垂直な平面中にまたはその近くに配置され、それによってビームは、いくつかの異なる２次ビームに回折される。放出ビームの干渉によって形成された画像は、解析平面とも言われる平面中に生成され観察される。

したがって、このタイプのアナライザは、仏国特許第２ ７１２ ９７８号明細書に記載されたアナライザの性質を有し、さらに、小型化され、実施が容易になっている。
仏国特許第２ ８９６ ５８３号明細書に、本出願人は、前のシステムの変形実施形態を提供している。この仏国特許第２ ８９６ ５８３号明細書は、ＦＩによって示され、サブ瞳孔の６角形メッシングを画定する強度機能と、ＦＰによって示され、２つの隣接したサブ瞳孔を通過する２つの２次ビームの間に、２πを法とする約２π／３の位相シフトを導入する位相関数とから構成された６角形メッシングによる２次元格子について記載している。

最後に、仏国特許第２ ８９７ ４２６号明細書で、本出願人は、断片間のレベルの差の大きさに関していかなる制限もなしに細分化された波面を測定することを可能にするために、前記全ての特許文献に開示された技術の改良を提案している。細分化された波面は、そのサイズがおそらく異なる表面小部分が、断片間にギャップがおそらくあって不連続に配置され、そして断片間にレベルの差を持たすことによって構成された表面として定義される。記載された技術は、大きな測定ダイナミックスを有して波面を解析するために、２つの異なる色を用いて実施される２つのインターフェログラムの処理を使用する。

２次元の強度および位相の格子を製作するために、本出願人は、同じプレート上にエッチングおよび金属堆積を実施し、それによって強度機能ＦＩおよび位相関数ＦＰを同じ基板上にエンコード（ｅｎｃｏｄｅ）する。

このタイプの強度および位相の格子を製作するために、知られたフォトリソグラフィ技術に基づく、特権を与えられた製造方法が存在する。これらの技術は、エンコードされるパターンのタイプによって、次の通りである。
・位相パターンをエッチングする技術（ＴＰ）：これは、樹脂層の堆積、その被覆およびその現像を含む。現像された樹脂は、浮き彫りによって位相パターンをエンコードし、次いでそれは、ドライ・エッチング法を使用して基板中に移転される。
・強度パターンをエッチングする技術（ＴＩ）：これは、樹脂層の堆積、その日光照射および次いでその現像を含む。現像された樹脂は、浮き彫りによって位相パターンをエンコードする。金属性の層が、この現像された樹脂の層上に堆積される。次いで、アセンブリは、化学溶液中に浸漬され、それによって、樹脂が溶解されて樹脂を被覆していた金属化領域が除去される（この方法は、「リフト・オフ」として知られている）。

さて、工程（ＴＰ）および（ＴＩ）の両方は、特許文献３に記載されたものと同じタイプの強度および位相の格子を製作するために、互いに対して精密に位置合わせして連続して実施しなければならず、それは極めて困難である。

この問題を解決するために、本発明は、１つの工程（ＴＰ）だけで格子を製作することができるように、格子の簡単化を提案する。さらに、本発明は、型成形またはプレス加工によってマスター構成要素から順次に格子の複製を製造することを可能にし、それは、最新技術の解決策では可能ではなかった。

仏国特許出願公開第２ ８９７ ４２６号明細書 欧州特許出願公開第１ ０６１ ３４９号明細書

したがって、本発明の目的は、この方向でもっとも重要な前進をもたらすことである。

本発明の方法は、排除領域（ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｚｏｎｅ）をエンコードする第１の位相機能と、第２の位相シフト基本機能と、の２つの位相機能の合成から生じる位相機能に基づく。

より正確には、本発明は、光ビームの波面を解析するための方法に狙いを定め、
ａ）解析される光ビームに対して垂直であり、波面の解析平面と光学的に共役である平面中に実質的に配置された２次元格子によって導入され、そして異なる放出ビームにビームを回折させる位相機能と、
ｂ）強度機能と、
ｃ）解析される波面の傾度に関連付けられ、放出ビームの干渉によって形成され、格子の平面（Ｐ_Ｃ）から選択された距離に配置された平面（Ｐ_Ｓ）中で生成され、観測された画像の変形とを備える。

この方法では、強度機能が格子の全表面上で一様であるので、工程ａ）は、
ａ１）排除機能（ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）ＦＰＥとも呼ばれ、解析されるビームの光の伝達または反射において、いかなる空間位相の変動も導入しない有効領域、および急速な位相変動を導入する排除領域のメッシングを画定する第１の位相機能と、
ａ２）基本位相機能（ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌ ｐｈａｓｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）ＦＰＦとも呼ばれ、２つの隣接した光ペンシル・ビーム間に、長方形および６角形のメッシングの間で選択されたメッシングに対応した位相シフトＰＨＩを導入する第２の位相機能と、の合成を含む。

場合によっては、ＰＨＩは、長方形（またはデカルト）のメッシング中でπに相当する、または６角形メッシング中で２ｋπ／３（ｋは、０、１または２である）に相当する。
本発明によれば、第１の位相機能によってエンコードされた排除領域は、寄生放出ビームの形でそこを通過する入射ビームの一部分を伝達する。

この排除領域は、寄生放出ビームにいわゆる急速な位相変動を導入する。急速な位相変動は、変動を意味し、その変動の空間的進展の特性寸法は、格子平面の少なくとも１つの方向に従い、この方向に沿ったメッシュ寸法の分数、より具体的には、この寸法の２０分の１から３分の１の範囲に含まれる。

この急速な変動によって、寄生放出ビームが伝搬方向に回折させられることになり、その方向は、サブ瞳孔によって伝達される光ペンシル・ビームの方向と異なる。したがって、本発明による第１の位相機能によってエンコードされた排除領域は、格子によって回折された、光ペンシル・ビーム中のエネルギーに対して実質的に影響しない。

第２の位相機能は、２つの光ペンシル・ビーム間に、従来技術の位相機能によって導入されるものと同じタイプの、長方形または６角形のメッシングの性質に応じて適合させられた位相シフトを導入する。

回折格子は、そのようにして定義された機能の両方の合成をそのようにして行い、伝搬し互いに干渉する光ペンシル・ビームの長方形または６角形のメッシングを回折させる。したがって、格子平面に対して平行であるいかなる観察平面中でも、光スポットの長方形または６角形のメッシングの形で画像が生成され、その周期は、排除機能のメッシングの周期であり、そのコントラストは、波長だけでなく観察距離にも実質的に関係しない。

光スポットのメッシングは、格子平面、すなわちヌル感度平面中で観察することができる。メッシングは、有利にも、解析される波面の傾度および要求された位相ダイナミックスに応じて、ユーザが選択した観察距離に配置された平面中で観察される。

この方法は、多色光中で運用することができ、観察距離を調節することによって、装置の感度とダイナミックスを連続的に調節して、激しく乱された光ビームの測定を可能にする。

さらに、この方法によって、仏国特許第２ ８９７ ４２６号明細書の応用に記載されたように、断片間のレベルの差の大きさにいかなる制限もなく細分化された波面を測定することが可能になる。

したがって、ユーザは、回折格子に基づき、その伝達機能が合成を行わない回折格子を有するが、２つの位相機能に基づくマルチラテラル・シフト干渉計に関して、思うままに動的に連続的で柔軟な調節ができる。ユーザは、思うままに、細分化された波面の２つの色測定モードも有する。

本発明のもっとも重要な利点は、従来技術の強度格子および位相格子の位置合わせという細心の注意を要する工程を削除して双方向格子を製作することが可能になることにある。実際のところ、それによって、位相パターンのエッチング技術に従った１回だけの操作で、本発明による排除領域および有効領域を含む格子を製作することが可能である。

本発明は、上記方法を実施するための位相格子も対象とする。そのような位相がエンコードされた２次元格子は、同時発生したメッシュの２つの格子、すなわち、
・排除機能をエンコードし、入射波の位相が変更されない第１の有効領域と、急速な位相変動がエンコードされる第２の排除領域と、の２つの領域から構成される基本メッシュを有した排除位相格子（ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｐｈａｓｅ ｇｒａｔｉｎｇ）と、
・基本位相機能をエンコードし、排除格子（ｅｘｃｌｕｓｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇ）の２つの隣接したメッシュから出射する２つの光ペンシル・ビーム間に、メッシングに対応した位相シフトＰＨＩを導入する位相基本パターンを含む基本メッシュを有した基本位相格子と、から構成される。

排除機能をエンコードするための好ましい２次元位相排除格子は、一方のメッシング方向に沿った寸法がＬで他方の方向に沿った寸法がｌである、有効領域と排除領域という２つの領域に分割された長方形の基本メッシュを有し、有効領域の表面は、メッシュの全表面のほぼ５０％である。有効領域を画定する領域は、排除格子の基本メッシュの比例変換を構成し、有効領域を画定する領域は、排除格子の基本メッシュの両辺と同時発生する両辺を有する。

有利にも、排除格子は、正方形メッシングを画定する。
好ましい位相排除格子では、４正方形のチェス盤を排除領域に適用することができ、チェス盤の各正方形は、長さが長さＬの分数ａであり、幅が幅ｌの分数ｂである。排除領域の位相基本パターンは、チェス盤の２つの正方形を通過する２つのビーム間に、２πを法とする約πの位相シフトを導入する。このようにして、排除領域への入射ビームは、激しく偏向される。

ある厚さのある透過率の材料から製作された好ましい基本位相２次元格子は、４正方形のチェス盤の形状で位相基本パターンを有し、チェス盤の各正方形は、長さがＬで、幅がｌであり、２つの隣接した正方形は、厚さが異なり、したがって透過率の変動によって定められた位相機能が行われる。

エッチング操作は、ある厚さのブレード（ｂｌａｄｅ）の一方の面に対して実施される。そのようにして生成された格子は、エッチングされた面を最初に照明することによって使用される。この面上での屈折角は、臨界角ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）（ｎは、ブレードの屈折率である）より大きく、排除領域によって回折された寄生放出ビームは、基板のエッチング面と反対側の面上で全反射を受ける。したがって、寄生放出ビームは、解析平面に決して到達せず、光ペンシル・ビームだけが、解析平面の方向に伝搬し、互いに干渉することができる。

具体的な実施形態によれば、
・排除格子は、その格子の１方向に沿った不変パターンが適用され、したがって長方形からなる幾何学的な構造が生成され、その長辺が、メッシュの辺Ｌまたはｌに対応し、そしてその短辺が、その長辺のそれぞれ分数ｂまたはａに対応する排除領域を有する。その構造は、周期が基本位相格子の基本メッシュの分数を構成し、排除領域の位相基本パターンは、厚さの変動によって、２つの連続したストリップを通過する２つのビームの間に、２πを法とする約πの位相シフトを導入し、
・排除格子は、そこを通過する入射流を散乱させるような排除領域を有し、
・排除格子は、ステップ状で周期的な厚さの変動「ｅ」がある排除領域を有し、
点基本位相格子（ＧＰＦ）は、厚さの差が異なるレベルであるチェス盤のタイプである。

したがって、本発明は、そのような格子を統合した解析装置にも関する。この解析装置は、
α）基準平面と波面が解析される平面とを共役な位置に配置させる入力光学系と、
β）上記で定義され、格子に対して垂直であるこの基準平面中に配置され、様々な放出ビームにビームを回折させる、位相がエンコードされた２次元格子と、
γ）放出ビームの干渉によって形成され、解析される波面の傾度に関連付けられて変形された画像を観察するための手段と、を含むタイプのものである。

具体的な実施形態では、
・位相格子は、基板の一方の面上をエッチングされており、排除メッシュを通過させ、次いで全反射で基板の他方の面に偏向することによって、光ペンシル・ビームを生成し、
・位相格子は、伝達で動作させられ、
・位相格子は、反射で動作させられる。

本発明の他の特性および利点は、以下の詳細な説明を読み、そしてそれぞれ示す添付図面を参照したとき、明らかになる。

本発明による、光学的要素を制御するための例示の装置の光学的な図。 本発明による、乱流媒質、より具体的には、星などの多色光源から供給されたビームが通過する地表大気を測定するための例示の装置の光学的な図。 本発明による装置の長方形メッシングを有した例示の２次元格子の図。 本発明による装置の長方形メッシングを有した排除格子のメッシュの例示の幾何学的形状の図。 本発明による装置の正方形メッシングを有した排除格子のメッシュの例示の幾何学的形状の図。 本発明による装置の長方形メッシングを有した例示の排除格子の部分斜視図。 本発明による装置の長方形メッシングを有した例示の基本位相格子の部分斜視図。 本発明に従った長方形メッシングを有した例示の格子の斜視図。

図１Ａおよび１Ｂに、本発明の実施を可能にする２つの例示の装置を示す。
図１Ａでは、多色光源Ｓが視準レンズＯ_１の焦点に配置される。レンズＯ_１から供給された平行光のビームＦが、試験されるサンプルを照射し、それは、平面Ｐ_Ｄ中に配置され平面度欠陥Ｄ_１がある平行面ＬＡを有したブレードとして概略的に示してある。サンプルは、すべての他の光学系（レンズまたはミラー、より具体的には望遠鏡のミラー）、あるいは、たとえば流れによって乱されることがある単に気体媒質の領域とすることができる。

天文学での用途の場合、図１Ｂに、本発明の実施を可能にする装置を示す。たとえば星など、はるかに遠い光源から供給された平面波ＯＰは、乱流媒質を通過し、その屈折率変動を回旋状ラインによって示す。

入力アセンブリは、本発明による方法の実施を可能にするように、光学的に適応されている。この適応は、２つのレンズＯ_２およびＯ_４、そしてその中間位置に位置する対物レンズＯ_３からなる軸Ｘ’Ｘを有した合焦系によって実施されることが好ましい。この合焦系は、一方では、平面Ｐ_Ｄ中で解析されるビームの直径を、平面Ｐ_Ｃ中に配置された２次元格子の寸法に合わせ、他方では、解析される欠陥が位置する平面Ｐ_Ｄと平面Ｐ_Ｃを光学的に共役な位置に配置させる機能を有する。

これらの２つの平面間のこの光学的共役を実現する他の手段を使用することができる。
解析平面Ｐ_Ｃ中に、２次元格子ＧＲが配置され（図１Ａおよび１Ｂ）、位相機能を兼ね備えることができる。実質的に、この格子は、たとえば図５の格子のように、格子ＧＥおよびＧＰＦの両方を同時に配置し、または事によると２つより多く配置することによって、構成することができる。これは、本発明の格子を特徴付ける機能の具体的な組み合わせである。

示す例示の実施形態では、格子は、排除位相格子ＧＥおよび基本位相格子ＧＰＦから構成される。
排除機能および基本位相機能の両方の位相機能は、以下で同じ位相機能の構成要素としてサブ機能とも言われる。

排除格子ＧＥは、ＦＰＥとも呼ばれる排除位相サブ機能を行い、それは、位相の空間変動を導入せずに解析される光ビームをいくつかの光ペンシル・ビームの形で伝達する有効領域の長方形メッシングを画定する。

基本位相格子ＧＰＦは、基本位相サブ機能いわゆるＦＰＦを行い、それは、２つの隣接した光ペンシル・ビーム間に、２πを法とする約πの平均位相シフトを導入する。
これらの２つの機能が平面中で実施される順序は重要でない。

本発明によれば、インターフェログラムは、スポットの長方形メッシングから構成される。
平面Ｐ_Ｃは、ヌル感度平面である。

観察は、平面Ｐ_Ｃからの選択された観測距離「ｄ」に配置された平面Ｐ_Ｓ中で行われる。光ペンシル・ビームの干渉から構成される光学的処理手段および画像観察手段は、基準ＵＴに基づき記載される。

装置のダイナミックスおよび感度は、観察距離に応じて変化する。したがって、「ｄ」がゼロのとき、観察平面は、解析平面Ｐ_Ｃ上に重なり、そこに、格子が配置され、そして感度はゼロである。

一般的に言えば、たとえば平面Ｐ_Ｓとよりアクセスし易い作用平面とを光学的に共役な位置に配置させるレンズから構成された、平面Ｐ_Ｓを観察するための追加の手段を使用することができる。

図２に、長さが「Ｌ」で幅が「ｌ」である長方形の基本メッシュによって特徴付けられた長方形メッシングを有した２次元格子ＧＲを示す。Ｌおよびｌのデジタル値は、通常５０〜２００μｍの範囲に含まれる。点線で示されたメッシングＭＡは、最終的な格子では必ずしも見えるとは限らない。各メッシュＭＥには、パターンＭＯが示され、それは、強度、位相、または強度および位相の変動を入射光ビーム中に導入する。

図３Ａ〜３Ｃに、本発明の方法によって排除機能を実施するための簡単な手段をもたらす排除２次元格子を示す。メッシングは、排除領域に対応したグレイ領域Ｚ_Ｅと、透明に、または反射するように、いずれにもなる有効領域Ｚ_Ｕを構成する領域とを含む。

図３Ａに、長さがＬで幅がｌである長方形メッシングを有した格子ＧＥ３Ａを示す。光領域は、有効領域Ｚ_Ｕである。特権を与えられた方法では、その光領域の辺Ｌ_Ｅおよびｌ_Ｅは、それぞれ約２Ｌ／３および約２ｌ／３である。したがって、有効領域の表面は、基本メッシュＭＥの表面のほぼ半分である。

図３Ｂに、辺がＬである正方形メッシュのタイプの排除位相格子ＧＥ３Ｂを示し、これは、本発明のもっとも好都合な実施形態である、というのは、形成された画像の光学的処理が、光スポットの正方形メッシングによって、より容易に行われるからである。

図３Ｃに、本発明の方法によって排除機能を実施するための簡単な手段をもたらす、斜視図で示された長方形メッシングを有した例示の排除格子ＧＥ３Ｃを部分図によって示す。この図に、Ｍ_Ｄによって示された４正方形のチェス盤のパターン（点線領域によって示されたパターン）を有することができるような排除領域Ｚ_Ｅを示す。

チェス盤上のそれぞれの正方形ケースＫ_Ｃは、長さが、基本位相格子ＧＰＦ、すなわち図４に示すＧＰＦ４タイプの格子のメッシュの長さＬの分数「ａ」に等しく、そして幅が、基本位相格子のメッシュの幅ｌの分数「ｂ」に等しい。例示した実施例では、この分数は、１／９に等しい。図５に、排除格子ＧＥ３Ｃ中へ、基本位相格子ＧＰＦ４の有効領域が統合された状態を示す。

排除領域を被覆する格子は、ステップ状で周期的な厚さの変動「ｅ」を示し、隣接したステップ間での厚さの差ｅは、以下の関係に従う。
ｅ＝λ／（（ｎ−１）×（ｋ＋（１／２）））
ただし、
−λは、平均利用波長であり、
−「ｎ」は、
−位相格子が伝達で使用されるケース中の材料の屈折率であり、または、
−位相格子が反射で使用されるケースでは定数３であり、
−ｋは、整数である。

図４に、本発明の方法によって位相関数を実施するための簡単な手段をもたらす、例示の実施例の例示の基本２次元位相格子ＧＰＦおよびＧＰＦ４を斜視図で示す。格子ＧＰＦ４は、両辺が２Ｌおよび２ｌに等しい、Ｍ_２Ｄで示されたパターン（この図で点線によって限定されたパターン）の長方形メッシングを有したチェス盤のタイプである。格子ＧＰＦ４は、隣接したステップ間での厚さの差「ｅ」が、前の排除格子のメッシングと同じタイプである関係に従うように、厚さがステップ状の周期的な変動を示す。

ｅ＝λ／（（ｎ−１）×（ｋ＋（１／２）））
格子ＧＰＦ４のグレイ表面は、伝達で使用される格子には透明に、または反射で使用される格子には反射するように、いずれでもすることができる。

格子ＧＥおよびＧＰＦ（図１Ａおよび１Ｂ参照）を実現するための好都合な手段は、半導体産業で通常使用されるフォトリソグラフィ・エッチング技術を使用することを含む。したがって、格子ＧＥおよびＧＰＦは、基板の一方のブレードをエッチングすることによって製作することができる。この技術を用いて、基板の一方のブレードだけによって、両方のサブ機能ＦＰＥおよびＦＰＦ、すなわちＧＥおよびＧＰＦそれぞれを兼ね備える２次元位相格子を製作することが可能である。

たとえばインターフェログラム感光性プレート上への記録の原理に基づき、格子ＧＥおよびＧＰＦによる機能ＦＰＥおよびＦＰＦの両方の他の実施形態が考えられるので、ホログラフィック格子の実施形態が取得される。型成形またはプレス加工に基づいた方法は、体系的にそして１工程だけで、広範囲な２次元位相格子を複製するために、考えることもできる。

格子ＧＥおよびＧＰＦの組み合わせを解析される光ビームの経路上に配置されたとき、それによって４つの光ペンシル・ビームだけでなく寄生放出ビームも主に回折させる、全体的に位相がエンコードされる格子を生成することが可能になる。光ペンシル・ビームは、解析平面上で干渉して、回折格子平面に対して平行であるすべての解析平面中に光スポットの長方形メッシングの形状で画像を生成することができる。

寄生放出ビームは、回折格子と解析平面の間の距離が十分であるときはいつでも、寄生放出ビームが解析平面に決して到達しないように、大幅に偏向させることができる。寄生放出ビームは、計算された角度から偏向させることもでき、したがって全反射が、基板のエッチング面とは反対側の面上で行われる。寄生放出ビームは、観測される強度に対して強度の過変調も生成することができ、過変調の工程は、解析平面の画素によってフィルタリングされるように、選択することができる。最終的には、排除領域は、光ビームを散乱させ、そのようにして光ペンシル・ビームによって生成された干渉像に重ね合わされた一様なバックグラウンドを生成することができる。

図５に、排除格子ＧＥ３Ｃ（図３Ｃ）および基本位相格子ＧＰＦ４（図４）を同時発生させることによって、排除と基本位相の機能を兼ね備えた位相関数を行うことができる例示の２次元格子ＧＲを示す。基本位相格子ＧＰＦ４は、格子ＧＥ３ＣのメッシングＭ_Ｄ中の自由空間中に配置される。

Ｐ_Ｄ：光ビームの解析波面、 Ｐ_Ｃ：解析平面、 ＧＲ：ＰＣ中に配置された２次元格子、 Ｐ_Ｓ：Ｐ_Ｃから距離ｄだけ離間して配置される平面、 Ｚ_Ｕ：有効領域、 Ｚ_Ｅ：排除領域、 ＧＥ：排除位相格子、 ＧＰＦ：基本位相格子、 Ｏ：光学系

Claims (15)

1. ２次元メッシングを有した位相格子（ＧＲ）であって、
   同時発生したメッシュの２つの格子であって、
   排除機能ＦＰＥをエンコードし、入射波の位相が変更されない第１の有効領域と、急速な位相変動がエンコードされる第２の排除領域との、２つの領域からなる基本メッシュを有する排除位相格子（ＧＥ）であって、厚さの変動を有する前記排除位相格子（ＧＥ）と、
   基本位相機能ＦＰＦをエンコードし、位相基本パターンが配置された基本メッシュを有する基本位相格子（ＧＰＦ）と
   の前記同時発生したメッシュの２つの格子とから構成され、
   該基本位相格子（ＧＰＦ）の該位相基本パターンは、前記排除位相格子の２つの隣接したメッシュから出射する２つの光ペンシル・ビーム間に、前記メッシュに対応した位相シフトＰＨＩを導入することを特徴とする、位相格子。
2. 前記排除位相格子（ＧＥ３Ａ、ＧＥ３Ｂ、ＧＥ３Ｃ）は、一方のメッシング方向に沿った寸法がＬであり、他方の方向に沿った寸法がｌであり、有効領域（Ｚ_Ｕ）と、同一の表面を有した排除領域（Ｚ_Ｅ）と、の２つの領域に分割された長方形基本メッシュを有し、各有効領域（Ｚ_Ｕ）は、前記排除位相格子の前記基本メッシュの相似を構成し、該排除領域（Ｚ_Ｅ）の両辺と同時発生した両辺を有する、請求項１に記載の位相格子。
3. 前記排除位相格子（ＧＥ３Ａ、ＧＥ３Ｂ）は、有効領域（Ｚ_Ｕ）のメッシングを画定し、その表面は、前記排除位相格子の前記基本メッシュの表面の約半分である、請求項２に記載の位相格子。
4. 前記排除位相格子（ＧＥ３Ｂ）は、正方形メッシングを有する、請求項１または２に記載の位相格子。
5. 前記排除位相格子（ＧＥ３Ｃ）は、４つの正方形のチェス盤のパターン（Ｋａ）を有した排除領域（Ｚｅ）を有し、該チェス盤の各正方形は、長さが、一方の方向に沿った前記格子（ＧＲ）の前記メッシュの長さＬの分数（ａ）であり、幅が、他方の方向に沿った前記格子（ＧＲ）の前記メッシュの幅ｌの分数（ｂ）であり、該排除領域（Ｚｅ）の基本位相パターンが、該チェス盤の２つの正方形を通過する２つのビーム間に、２πを法とする約πの位相シフトを導入する、請求項１または２に記載の位相格子。
6. 前記排除位相格子ＧＥは、前記格子の１方向に沿った不変パターンが適用され、したがって交互にストリップが生成され、そしてその周期が、前記基本位相格子（ＧＰＦ４）の前記基本メッシュの分数を構成する、排除領域を有し、該排除領域の基本位相パターンは、厚さの変動によって、２つの連続したストリップを通過する２つのビーム間に、２πを法とする約πの位相シフトを導入する、請求項１に記載の位相格子。
7. 前記排除位相格子ＧＥは、そこを通過する入射フラックスを散乱させるような排除領域を有する、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位相格子。
8. 前記排除位相格子は、ステップ状で周期的な厚さの変動「ｅ」がある排除領域（ＺＥ）を有し、隣接するステップ間での該厚さの差ｅが、
   ｅ＝λ／（（ｎ−１）×（ｋ＋（１／２）））
   という関係に従い、ただし、
   ・λは、平均利用波長であり、
   ・「ｎ」は、
   ・前記位相格子が伝達で使用される場合は、材料の屈折率であり、或いは、
   ・前記位相格子が反射で使用される場合は、定数３であり、
   ・ｋは、整数である、
   請求項１乃至７のいずれか１項に記載の位相格子。
9. 前記基本位相格子（ＧＰＦ）は、厚さの差（ｅ）が異なるレベルであるチェス盤のタイプである、請求項１乃至８のいずれか１項に記載の位相格子。
10. 前記基本位相格子（ＧＰＦ４）は、隣接したステップ間でのステップ状で周期的な厚さの変動「ｅ」が、
    ｅ＝λ／（（ｎ−１）×（ｋ＋（１／２））） という関係に従い、ただし、
    ・λは、平均利用波長であり、
    ・ｎは、
    ・前記位相格子が伝達で使用される場合は、材料の屈折率であり、或いは、
    ・前記位相格子が反射で使用される場合は、定数３であり、
    ・ｋは、整数である、
    請求項９に記載の位相格子。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の２次元格子であって、型成形またはプレス加工によってマスター構成要素から製作されることを特徴とする、２次元格子。
12. 光学的制御において光ビームの波面を解析するための装置であって、
    α）基準平面（Ｐ_Ｃ）と波面が解析される平面（Ｐ_Ｄ）とを光学的に共役な位置に配置させる入力光学系（Ｏ_２、Ｏ_３、Ｏ_４）と、
    β）請求項１乃至１１のいずれか１項に記載され、前記基準平面（Ｐ_Ｃ）中に配置され、様々な放出ビームにビームを回折させる２次元格子と、
    γ）前記放出ビームの干渉によって形成され、前記解析される波面の傾度に関連付けられて変形された画像を観察するための手段と、を含むことを特徴とする、解析装置。
13. 基板の面の一方にエッチングされた前記位相格子（ＧＲ）は、排除メッシュを横断させ、次いで全反射で該基板の他方の面上に偏向させることによって光ペンシル・ビームを生成する、請求項１２に記載の解析装置。
14. 前記位相格子（ＧＲ）は、伝達で動作させられる、請求項１３に記載の解析装置。
15. 前記位相格子（ＧＲ）は、反射で動作させられる、請求項１３に記載の解析装置。

Images